5G网络中异构无线网络和云架构研究

董春利，王 莉，张 晖

（1.南京交通职业技术学院 电子信息工程学院，江苏 南京 211188；2.上海剑曦信息科技有限公司，上海 200051；3.南京邮电大学 信息与通信工程学院，江苏 南京 210003）

异构无线网络（HetNets）的部署，需要传统宏蜂窝和小蜂窝之间的协调，以减少相互干扰，如图1所示[1]。加拿大曼尼托巴大学的研究人员，强调5G通信的多层网络和干扰升级，讨论了5G混合网络中的各种干扰管理挑战。5G HetNets中宏蜂窝和第2层蜂窝间的干扰由反向时分双工（Time Division Duplexing，TDD）协议解决，它有助于本地估算本层和跨层信道。在反向TDD模式中，当小型蜂窝接入（Small-Cell Acess，SCA）在上行链路中操作时，BS处于下行链路操作中，反之亦然。

1 HetNets的现状

高通公司和三星移动实验室的研究人员强调了网络和设备端干扰管理技术[2]。具有利用干扰信号结构（包括调制星座，编码方案，信道和资源分配）优势的先进接收机被视为主要驱动因素。不恰当的无线电接入技术（Radio Access Technology，RAT）会产生不必要的信令开销。为了缓解多RAT中的这些问题，提出了有效的RAT切换决策和优化的公共资源划分。同时使用多个RAT可提高容量和连接性。然而，联合使用多个网络并没有得到很多研究的关注。多个RAT之间的智能耦合有望实现HetNets容量和覆盖范围的提高。在文献[3]中，作者介绍了毫微微蜂窝启用的HetNets的各种无线资源管理方案。解决跨层和共层干扰问题，同时保持最佳的无线资源利用率，公平性和QoS。各种频率调度算法和频率复用技术增强了HetNets的性能，并提供了一个绿色HetNets的整体框架，用于平衡能量效率和频谱效率。提出的两层异构网络，通过协同定位大规模MIMO BS和低功耗SCA来保证网络性能的提高。尽管大规模MIMO通过确保室外移动覆盖获得了传统优势，但具备认知和协作功能的SCA，可充当室内和室外低移动用户的主要容量驱动力。但在高密集SCA部署中，回程成为主要瓶颈之一。

图1 HetNets的概念

2 C-RAN和H-CRAN

高密度5G网络的高效运作，新的空中接口需要重要的范例，改变了基带和射频[4]。最近液体蜂窝、软蜂窝和幻影蜂窝正在成为新的潜在无线电接入架构。新兴的云无线接入网络（Cloud Radio Access Network，C-RAN）架构，以用户为中心的覆盖范围，降低了开销和能耗。云架构可以简化传统蜂窝站点，并将所有处理转移到集中式云数据中心。传统的站点被转换为节能的无线电头。尽管比较了各种C-RAN集成移动前传和回程架构，但研究人员指出，数据中心的能源消耗和碳足迹预计会增加。伴随着工作量整合和资源过载，讨论了工作量预测，虚拟机放置，以便对云中心进行节能管理。将更多数量的服务器调整为低功耗状态，并增加已经活动的服务器的使用，实现云数据中心的高节能。

HetNets提高了覆盖率和容量。异构C-RAN（H-CRAN）结合了HetNets和云架构。文献[5]探讨了H-CRAN中节能的资源分配。通过逐步演进C-RAN并将其集成到无线网络中，有价值的节能是可行的。为了提高H-CRAN的能量效率，作者描述了用户与RRH和高功率节点的关联，并将能量有效的优化问题，表述为基于正交频分复用的H-CRAN的非凸目标函数，特别强调资源分配和功率分配。通过使用拉格朗日对偶分解方法，重新构造了一个等价的凸可行性问题，来获得能源有效的资源分配解决方案。我们相信，这种创新的方式能使能量感知的5G网络得到发展。一个以绿色为准则的，有计划的积极主动的方法，会引导一个可持续的5G通信。

3 C-RAN的试验

如前节所述，C-RAN提供了改进的系统容量和更低的能耗。中国移动、华为、诺基亚、三星、阿尔卡特朗讯和高通等大多数主要无线厂商和运营商，表现出了对C-RAN技术的浓厚兴趣[6]。日本电信、韩国电信、法国电信/橙色、西班牙电信、日本软银/斯普林特和中国移动等运营商，也支持小型蜂窝C-RAN。中国移动研究院作为C-RAN的先驱，已经发表了C-RAN的技术，优势和挑战的全面综述。他们提出了一种逐步构建C-RAN的方法，用于连接8～12个宏站点，最大环路距离为40 km。中国移动已与IBM，中兴，华为，英特尔，大唐移动，法国电信北京研究中心，北京大学，中国电信，中国科学院合作开发了C-RAN原型，该原型机成功完成了与使用GSM-TD- SCDMA的用户设备的互操作性。

乔治亚理工学院提出了多业务蜂窝云无线覆盖光纤（Radio-over Fiber，RoF）接入系统。三星电子讨论了云在信息和移动技术中的重要性，LTE-Adv系统的蜂窝边缘性能和网络密度，其重点在重新设计了“以内容为中心的网络”的平台。

4 H-CRAN的提案

面向5G蜂窝网络，我们已经强调了HetNets和云技术。在HetNets中，相邻BS之间的通信是一个重大挑战。通过结合HetNets，C-RAN和SDN的优势，H-CRAN正在成为5G通信中的关键组件。文献[6]提出了非凸分数规划优化的拉格朗日对偶分解方法，来解决H-CRAN能量有效的资源分配问题。诺基亚，西门子提出的“液体无线电”，是一种灵活的网络设计，用于5G网络Gbps高数据速率的要求。片上系统芯片（System on Chip，SoC）设计为H-CRAN架构提供了一种有前途且简单的天线配置，并提出了用于卸载流量和无缝混合技术的异构网络。所提出的针对传统通信的各种RAN，有新实体“节点C”的软件定义的H-CRAN设计。节点C是节点B（BS）的演进，对新设计的RRH，可处理和网络化其功能。

5 结语

为了简化HetNets的部署、运营、管理和全天候优化，云端辅助平台被提倡。此外，基于云的智能切换和位置管理可以确保HetNets中的无缝连接。因此，我们相信，小型蜂窝的异构连接是新兴5G架构的主要组成部分。方向性和小蜂窝设计，再加上资源分配的进步，有望为5G通信提供更高的覆盖率和数据速率。

[参考文献]

[1]AGIWAL M，ROY A，SAXENA N.Next generation 5G wireless networks: a comprehensive survey[J].IEEE Communications Surveys &Tutorials，2016（3）：1617-1655.

[2]NAM W，BAI D，LEE J，et al.Advanced interference management for 5G cellular networks[J].IEEE Communications Magazine，2014（5）：52-60.

[3]LEE Y L，CHUAH T C，LOO J，et al.Recent advances in radio resource management for heterogeneous LTE/LTE-A networks[J].IEEE Communications Surveys & Tutorials，2014（4）：2142-2180.

[4]CHIH L I，ROWELL C，HAN S，et al.Toward green and soft: a 5G perspective[J].IEEE Communications Magazine，2014（2）：66-73.

[5]PENG M，ZHANG K，JIANG J，et al.Energy-ef fi cient resource assignment and power allocation in heterogeneous cloud radio access networks[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2016（12）：5275-5287.

[6]PENG M，LI Y，ZHAO Z，et al.System architecture and key technologies for 5G heterogeneous cloud radio access networks[J].IEEE Network，2015（2）：6-14.