面向5G超密集组网的无线回传技术

付秀花

【摘 要】超密集组网是保证5G技术目标的主要保证之一。分析了5G超密集组网的无线回传需求，论述了无线自回传技术实现5G超密集组网的可行性。最后重点分析了无线自回传的关键技术问题，包括路由管理、资源分配以及接入网缓存等。

【关键词】超密集组网（UDN）;小基站;回传链路;无线自回传

中图分类号： TN929.5文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）27-0011-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.27.004

【Abstract】Ultra Dense Network （UDN） is one of the main guarantees to ensure 5G technical goals. The paper analyzed the wireless backhaul requirements of 5G UDN， and discussed the feasibility of wireless self-backhaul technology to realize 5G UDN. Finally， the key technical issues of wireless self-backhaul are analyzed， including routing management， resource allocation， and access network caching.

【Key words】Ultra Dense Network （UDN）; Micro-Base Station; Backhaul Link; Wireless self-Backhaul

第五代移動通信系统（5G）使用Sub6G和毫米波频段为用户提供更高的传输速率、更大的连接数和更低的时延，并要实现更高系统容量、更高频谱效率以及更低能耗。超密集组网是满足5G技术目标的主要保证之一，也是5G关键技术之一。

1 5G超密集组网需求

由于采用更适合移动通信的无线电工作频段，传统移动通信系统基本采用宏站覆盖方式。尽管5G采用更高的工作频段实现更高传输速率，但由于频谱越高，传输损耗越大，5G基站的覆盖距离将大大减小，从而导致5G基站的数量需求大大增加。但仅依靠宏站进行5G网络覆盖是不现实的，一是现有宏站已经占据了有利的地理位置，很难再找到建设大量5G宏站的新站址;二是宏站建设周期长、代价高、功耗大、辐射高，并不适合高密度大规模建设。 因此，5G网络部署将是宏站和大量小基站共同覆盖的情况，尤其是在密集城区和热点地区等，需要大量小基站来扩展5G网络覆盖，增加系统容量和提升用户传输速率，形成5G超密集组网的架构[1]。

2 5G超密集组网的无线回传需求和方式

对于宏基站和小基站以及小基站之间的连接，可以采用光纤有线连接，也可以采用无线连接方式。受光纤传输资源成本及铺设情况限制，基站间采用大量有线连接方式不可行，因此，基站间无线传输将成为5G无线接入网络可预见的一种主要连接方式。而且，由于5G小基站部署的灵活性和即插即用需求，也使得无线传输成为基站间连接的一种有效解决途径。与用户终端（UE）到基站的接入链路相对应，基站间以及基站到核心网之间的链路统称为回传链路。可以预见，除了5G宏基站到核心网以及少量小基站到宏基站采用有线回传方式，大量的小基站到宏基站以及小基站之间将主要采用无线回传方式进行部署建网。

目前全球有一半左右的移动基站通过微波进行回传，随着5G网络的快速部署，微波作为一种主要的传统无线回传方式仍将得到一定应用。另外，考虑到Wi-Fi网络在办公楼、校园、家庭等区域的广泛覆盖，基于Wi-Fi技术的5G网络无线数据回传是未来无线接入网络的一种趋势。对于微波回传，会增加硬件成本以及额外的频谱代价，较低的小基站天线高度使得微波信号更容易被遮挡，回传链路信号波动起伏较大。对于基于Wi-Fi的无线回传，由于使用非授权频段，无线信道传输质量得不到保障。目前，采用无线自回传技术，是业界正在积极探索的5G无线回传方式[2]。在5G无线自回传方式中，回传链路和接入链路通过时分或频分等方式共享无线频谱资源，使用相同无线传输技术，从而减少硬件和频谱成本，降低部署成本，有效保证无线回传链路传输质量，提高传输可靠性和有效性。初步研究证实，利用毫米波进行无线回传具有一定的可行性。Facebook的Terragraph 网络将城市路灯网络更新成具有无线信号传输功能的收发设备，并形成毫米波无线回传网状网。AT&T的AirGig项目在电线杆上安装毫米波频段收发设备，通过构建强大的无线回传网络实现室内外信号的无缝覆盖。2018年底，德国电信和爱立信联合进行了E-band毫米波频段无线回传传输测试，利用爱立信最新的移动传输技术，在1.4km传输距离下实现了40Gbps的数据传输速率。同时，该测试还实现了100μs的链路往返延迟，证实了毫米波无线回传技术不仅可以满足5G网络的高传输速率需求，也可以满足5G网络特定的低时延延迟要求。

在基于无线回传的5G超密集组网下，小基站将通过多跳的形式形成自组织网络，大量小基站通过两跳或多跳无线回传路径接入宏基站，再通过宏基站接入移动通信核心网，如图1所示。对于小基站，由于与宏站一般相距较远，高频段情况下信号损耗快、穿透和绕射能力等都较差，如果以一跳路径接入宏站，将无法保证小基站稳定的回传链路质量。而且，考虑到回传链路的传输开销以及IP层协议安全开销等，回传链路的容量一般要比接入链路的峰值速率高。如果大量小基站通过一跳路径接入宏站，对宏站的回传链路将造成巨大挑战。因此，小基站应尽可能选择周围邻近的小基站作为宿主基站，回传链路情况较好，能够支持大带宽高速率数据传输。

3 无线自回传关键技术问题

3.1 路径建立和路由管理

基于无线自回传技术的5G小基站需要具备即插即用功能，当小基站部署好开机后，需要发现一个宿主基站，以便连接到5G无线接入网络。为节约5G基站的能量消耗，由刚开机的小基站主动发起发现请求，具备宿主功能的5G基站收到请求后进行响应，小基站根据接收到的信号强度、距离以及响应消息中包含的可用传输资源、业务负载等综合因素选择一个最优的5G基站作为其宿主基站。为保证无线回传的鲁棒性，可选择一个最优的作为主宿主基站，其他若干个次优的作为辅宿主基站。从数学模型上来看，5G超密集组网的基站间将可能构成一个有向有环图。无线自回传网络的路径建立就是找到一条最优的5G小基站到5G宏站的路径。

无线自回传网络路径建立可以采用集中式和分布式两种方式。集中式方法中，5G接入网络需要有一个集中控制节点，可以是5G宏站，也可以单独开发其功能设备。集中式控制节点获取5G基站间的相互连接信息，对无线自回传网络路径进行整体规划，并把结果通知给各个5G基站。这种方式可以获取整体最优，但不够灵活、反应较慢。分布式路径建立不需要开发额外集中控制功能，每個小基站获取无线邻居基站的路径信息，进行局部最优选择。这种方式虽然不一定能获取整体最优，但快速灵活、开发成本低。

为了提高无线回传链路的传输带宽和传输性能，可以在无线自回传网络中建立多连接路径，小基站通过多跳路径连接到5G宏站。在多连接传输模式中，需要解决的问题是控制面和用户面功能分配以及用户面承载资源在不同连接路径上的均衡分配。

5G小基站间运行时业务需求、无线传输链路状况等都可能发生变化。另外，5G小基站具有游牧部署需要，出于绿色环保和节能考虑，小基站也可能存在不断开关的情况。因此，无线回传链路需要实时更新。路径更新的前提是无线回传链路传输情况的实时准确测量和传递。

3.2 回传链路和接入链路联合资源分配

无线链路传输是影响移动通信网络性能的主要因素。对于基于无线自回传技术的5G超密集无线接入网，接入链路和回传链路的传输质量都会直接影响5G用户体验，因此在进行无线资源分配时，需要综合考虑用户业务需求、传输链路质量等情况，对接入链路和回传链路进行联合设计，并进行联合资源分配。

回传链路和接入链路可以同频部署（带内方式），也可以异频部署（带外方式）[3]。同频部署较为简单，但回传链路占用了部分系统传输资源，降低了用户传输速率。异频部署较为复杂，小基站射频要具备多套收发装置，但可以获取更大的频谱效率和用户传输速率。除了频谱带宽资源，基站功率、CPU处理能力、天线数量等也是需要联合分配的系统资源。系统资源分配就是要分配给不同用户合适的接入资源，并分配给不同小基站合适的回传资源。如果接入资源太多，回传资源太少，回传链路就会成为无线接入传输瓶颈。如果分配给回传链路较多的资源，接入链路的传输质量和系统容量就得不到保证，回传链路的利用率也不会很高。因此，系统无线资源分配就是在接入资源和回传资源间寻找最佳平衡点，使系统容量、频谱效率、功率效率等同时达到最优。

3.3 接入网缓存

为满足5G网络端到端低时延要求，5G引入移动边缘计算（MEC）技术。MEC要求在移动网络的边缘部分部署本地计算能力和存储能力，其中一项保障措施就是可以在无线自回传网络的小基站中进行业务内容缓存。实现接入网缓存后，用户请求的热点文件或相同文件可直接从缓存的5G基站中获取，而不用再访问核心网。这样，既大大减少了网络延迟，也可以降低回传链路的负载，从而减小回传资源需求，提高接入资源分配，增加5G接入网络系统容量。

接入网缓存要解决两大问题。一是进行准确的业务内容预测，基于用户在热点地区和密集区域访问文件的聚集性，通过用户访问行为分析，预测或统计出用户要访问的相同文件内容，以提高用户访问命中率。二是选择合适的小基站传输节点进行缓存，在不同传输节点间进行缓存内容分配，同时考虑缓存资源成本和访问命中率两项指标，提高无线自回传网络整体最优的资源配置和传输性能。

【参考文献】

[1]刘毅，刘红梅.面向5G网络构架的密集组网实践与研究[J].移动通信，2018，42（01）：43-48.

[2]冯桂敏，吴国良，韦凤.5G网络基站无线回传技术研究[J].电信技术，2018（08）：12-14.

[3]张静雷，邱玲.基于带内自回传小基站系统的干扰抑制方案[J].中国科学院大学学报，2016，33（04）：548-553.