異構云無線接入網(wǎng)

1、異構云無線接入網(wǎng)絡：原理、架構、技術和挑戰(zhàn)彭木根，艾元(1.北京郵電大學，北京100876)摘要：為了緩解密集異構無線網(wǎng)絡節(jié)點間嚴重的干擾以及提高節(jié)點間分布式協(xié)作處理增益，同時解決云 無線接入網(wǎng)絡控制信息傳輸復雜，無法和已有移動通信網(wǎng)絡融合問題，提出了異構云無線接入網(wǎng)絡(H-CRAN)作為第五代寬帶移動通信系統(tǒng)的接入網(wǎng)解決方案。所提H-CRAN的核心是將云無線接入網(wǎng)絡 與密集異構無線網(wǎng)絡融合，把控制平面功能從云無線接入網(wǎng)絡中抽離，通過已存的異構大功率節(jié)點實現(xiàn)控 制平面功能和全網(wǎng)的無線覆蓋，利用無線射頻單元實現(xiàn)熱點區(qū)域海量業(yè)務的大容量傳輸。本論文介紹了 H-CRAN的系統(tǒng)構架、關鍵技術組織，和研

2、究技術挑戰(zhàn)等。關鍵詞：異構云無線接入網(wǎng)(H-CRAN)；第五代移動通信系統(tǒng)(5G)；云無線接入網(wǎng)絡(C-RAN)；云計算Heterogeneous Cloud Radio Access Networks: Principle, Architecture,Techniques and ChallengesMugen Peng, Yuan Ai(Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing, 100876)Abstract: To mitigate the severe inter-tier interference and

3、 enhance limited cooperative gains resulting from the constrained and non-ideal transmissions between adjacent base stations in heterogeneous networks (HetNets), and solve the emerging problems including the complex delivery of control signaling and difficult convergence with the existing mobile cel

4、lular networks in cloud radio access networks (C-RAN), heterogeneous cloud radio access networks (H-CRAN) are proposed as the promising solution for the fifth generation radio access network. The core characteristics of H-CRAN are to combine the advantages of HetNets and C-RAN, decouple the control

5、plane from C-RAN into the existing heterogeneous high power nodes (HPN), and deploy dense simple remote radio heads (RRH) to absorb huge traffic in some hot spots. In this article, the issues of system architectures, promising key techniques, and researching challenges are discussed.Key words: Heter

6、ogeneous cloud radio access networks (H-CRAN), the fifth generation mobile communication systems (5G), cloud radio access networks (C-RAN), cloud computing1引言在過去20年，高質量的無線視頻流，社交網(wǎng)絡和機器對機器等業(yè)務和智能應用呈爆炸式增長，可以預 見未來移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)應用還將進一步增加，如何為這些按指數(shù)遞增的無線多媒體業(yè)務提供非對稱數(shù) 字用戶線路(ADSL)類似的有線通信的用戶體驗，是第五代移動通信系統(tǒng)(5G)亟需解決的難題。相比較

7、于當前的第四代移動通信系統(tǒng)（4G）, 5G單條鏈路的數(shù)據(jù)業(yè)務傳輸速率將達10Gbps，頻譜及功率效率將提升10倍，網(wǎng)絡覆蓋的單位面積吞吐率將提升25倍，單節(jié)點接入用戶數(shù)提升10至100倍，端到端業(yè) 務時延縮短至1ms，和終端電池使用壽命延長10倍等。傳統(tǒng)蜂窩移動通信系統(tǒng)的接入網(wǎng)架構自從第一代 移動通信系統(tǒng)使用以來，壽命已超過了 40年，最初設計的目的是實現(xiàn)基站服務區(qū)域重疊盡可能少的無縫 覆蓋，因此提出了簡單高效的六邊形蜂窩組網(wǎng)架構，但其規(guī)則蜂窩組網(wǎng)在簡化網(wǎng)絡設計的同時，也阻礙了 網(wǎng)絡性能的進一步提升。為了實現(xiàn)5G的性能目標要求，需要從組網(wǎng)架構上進行改進，打破傳統(tǒng)規(guī)則蜂窩 組網(wǎng)架構，提出新型的5

8、G和后5G的無線接入網(wǎng)絡架構和先進的信號處理技術。密集分層異構網(wǎng)絡（HetNet）在后4G已經(jīng)提出，通過增加異構的小功率節(jié)點（LPN）實現(xiàn)熱點地區(qū)的 海量業(yè)務吸收，理論上網(wǎng)絡譜效率和單位面積的LPN節(jié)點密度成正比。由于LPN隨機布置，且和HPN重 疊覆蓋同一服務區(qū)域，因此HetNet打破了傳統(tǒng)規(guī)則蜂窩組網(wǎng)架構，但其性能嚴重受限于相鄰LPN間以及 LPN-HPN間的干擾，相關的跨層干擾和同層干擾控制一直是學術界和產(chǎn)業(yè)界的熱點和難點1。多點協(xié)作 （CoMP）傳輸和接收技術是抑制干擾的先進技術之一，但其性能緊密依賴于回程鏈路的傳輸容量限制， 在非理想回程場景下，實際HetNet網(wǎng)絡的CoMP性能增益

9、只有約20%。為了大幅度提升實際網(wǎng)絡的組網(wǎng) 譜效率，并降低能量消耗，一種有效方法是結合大規(guī)模云計算平臺進行集中實時信號處理，初步實現(xiàn)云計 算和無線接入網(wǎng)絡的融合，中國移動于2009年在業(yè)界首次提出了云無線接入網(wǎng)絡（C-RAN）的解決方案。 C-RAN通過把傳統(tǒng)的基站分離為離用戶更近的無線遠端射頻單元（RRH），和集中在一起的基帶處理單 元（BBU）。多個BBU集中在一起，由云計算平臺進行實時大規(guī)模信號處理，從而實現(xiàn)了BBU池。C-RAN 的主要技術挑戰(zhàn)在于BBU池和RRH需要單獨建立，重新組建一個小接入網(wǎng)，和目前已有的HPN無法兼 容；更加困難的是無法高效提供實時語音業(yè)務，以及在密集RRH布置

10、下控制信令下放管理負責，且消耗 大量的用于業(yè)務承載的有限無線資源等。借鑒HetNet中通過HPN實現(xiàn)控制和業(yè)務平面的分離，以及C-RAN中RRH高效支撐局部業(yè)務特征， 聯(lián)合HetNet和C-RAN各自優(yōu)點，充分利用大規(guī)模實時云計算處理能力，本論文提出了異構云無線接入網(wǎng) （H-CRAN）作為5G無線接入網(wǎng)絡的解決方案。本論文內容安排如下。第二節(jié)主要介紹了H-CRAN架 構，第三節(jié)則討論了基于云計算的信號處理和網(wǎng)絡技術的關鍵技術，第四節(jié)給出了未來的技術挑戰(zhàn)等。2 H-CRAN系統(tǒng)構架組成如圖1所示，H-CRAN中數(shù)量眾多的低能耗RRH相互合作，并在集中式BBU池中實現(xiàn)大規(guī)模協(xié)作信 號處理RRH作為

11、前端射頻單元，具有天線模塊，主要的基帶信號處理和上層空中接口協(xié)議功能都在BBU 池中實現(xiàn)。傳統(tǒng)的C-RAN的BBU池集合了集中式存儲、集中式信號處理和資源管理調度、以及集中式的 控制等功能，使得C-RAN的控制管理功能復雜，大規(guī)模無縫C-RAN組網(wǎng)難度大且不現(xiàn)實，且無法和已有 的4G等蜂窩網(wǎng)絡兼容，且支撐突發(fā)的小數(shù)據(jù)業(yè)務的能力不突出，對實時語音業(yè)務并不能很好地支持。與 C-RAN不同，H-CRAN中的BBU池和已有的大功率節(jié)點（HPN）相連，可以充分利用3G和4G等蜂窩網(wǎng)絡的宏基站實現(xiàn)無縫覆蓋，且實現(xiàn)控制和業(yè)務平面功能分離HPN用于全網(wǎng)的控制信息分發(fā)，把集中控 制云功能模塊從BBU池剝離出來。

12、此外，BBU池和HPN之間的數(shù)據(jù)和控制接口分別為S1和X2,其繼承 于現(xiàn)有的3GPP標準協(xié)議。在H-CRAN中，RRH間的干擾由BBU池進行大規(guī)模協(xié)作信號處理來抑制，而RRH和HPN間的干擾可以通過HetNet中的CoMP進行分布式協(xié)調進行減少3。BBU Pool .、.-集中式邏輯存集中式邏輯通儲云信云核心網(wǎng)%)去程f(Fronthaul)-.二.華網(wǎng)絡層RHHPN接入層UEUEUEUEUE UEUE終端層H-CRAN圖1 H-CRAN系統(tǒng)架構和組成需要說明的是，傳統(tǒng)C-RAN的主要性能瓶頸之一在于去程(Fronthaul)鏈路的容量受限，而所提的H-CRAN由于HPN的參與，避免了控制信令

13、的傳輸開銷，讓部分用戶接AHPN也減少了業(yè)務傳輸速率的開銷，從而有效緩解了去程鏈路的容量需求，實現(xiàn)7RRH對用戶而言是透明的，不需要為RRH分配小區(qū) 識別號等，簡化了網(wǎng)絡設計和規(guī)劃等。所有的控制信令和系統(tǒng)廣播信息都由HPN發(fā)送給用戶設備(UE)， 可以使RRH根據(jù)用戶業(yè)務需求自適應的進行休眠，從而有效地節(jié)約了能量消耗，實現(xiàn)以用戶為中心的綠 色節(jié)能通信。需要說明的是，一些突發(fā)流量或即時消息業(yè)務可以由HPN來支撐，確保業(yè)務能夠無縫覆蓋，RRH只用于滿足熱點區(qū)域海量數(shù)據(jù)業(yè)務的高速傳輸需求。對于RRH和UE之間的無線傳輸來說，可以采用不同的空中接口技術，例如IEEE802.11 ac/ad、毫米波，甚

14、至可見光等。為了提高H-CRAN的網(wǎng)絡能量效率性能，RRH的開關與業(yè)務量自適應匹配。當業(yè)務負載較低時， 些RRH在BBU池的集中自優(yōu)化處理下進入睡眠模式。當業(yè)務負載變得較大時，可以自適應激活睡眠的RRH。此外，根據(jù)UE承載業(yè)務和傳輸性能等要求，一個或者多個RRH自適應為其服務；如果UE業(yè)務量較少，同一個RRH的單一資源可以為多個UE共享使用。利用所提的H-CRAN，除了能顯著提高網(wǎng)絡的譜效率和能量效率性能外，還能大幅度改善移動性能。由于在不同RRH間移動只涉及到資源調度的變化，不離開HPN覆蓋范圍就不需要進行切換，所以顯著減少 了 C-RAN系統(tǒng)中常有的不必要切換，降低了切換失敗率、乒乓切換率

15、和掉話率等。3 H-CRAN關鍵技術為了發(fā)揮H-CRAN性能優(yōu)勢，需要充分挖掘基于大規(guī)模云計算處理的優(yōu)勢，對傳統(tǒng)的物理層，媒體接 入控制層和網(wǎng)絡層進行增強。對物理層而言，基于云計算的CoMP（CC-CoMP）技術作為4G系統(tǒng)中CoMP 技術的增強，主要用來實現(xiàn)同層RRH間，以及跨層RRH和HPN間的干擾抑制；大規(guī)模協(xié)作多天線（LS-CMA） 技術通過在HPN中布置大規(guī)模的集中式天線陣列來獲得天線分級和復用增益。通過基于云計算的協(xié)作無線 資源管理（CC-CRRM）技術，實現(xiàn)資源的虛擬化和用戶的高效資源調度，同時實現(xiàn)HPN和RRH間的干擾 協(xié)調和移動性管理增強等。另外，通過基于云計算的網(wǎng)絡自組織（

16、CC-SON）技術，實現(xiàn)自配置、自優(yōu)化 和自治愈，提高H-CRAN的智能組網(wǎng)能力，同時降低網(wǎng)絡規(guī)劃和維護方面的成本等。3.1基于云計算的大規(guī)模多點協(xié)作（C C-CoMP）和C-RAN一樣，H-CRAN將充分利用BBU池，對來自RRH的無線信號進行大規(guī)模協(xié)作處理，抑制RRH 間的干擾，稱為同層CC-CoMP。另外，為了抑制RRH和HPN間的干擾，將使用跨層CC-CoMP技術。由于 RRH和BBU池間的去程鏈路容量受限，所以需要使用信號壓縮處理技術，這使得在BBU池中的無線信號是 壓縮有損信號，相應的同層CC-CoMP性能將有一定的損失。此外，對于每個用戶而言，影響同層CC-CoMP 性能主要來自

17、有限個相鄰的RRH，所以在BBU池處可以采用稀疏預編碼處理，在性能降低幾乎可以忽略的 前提下能夠顯著降低同層CC-CoMP計算復雜度，從而便于進行實時云計算處理?？鐚覥 C-CoMP受限于BBU 池和HPN間的回程鏈路容量和信息交互實時性，由于實時理想的信道狀態(tài)信息（CSI ）難以獲得，所以跨層 CC-CoMP性能和HetNet中的CoMP性能類似。3.2大規(guī)模集中式多天線協(xié)作處理（LS-CMA）LS-CMA也稱為大規(guī)模多輸入多輸出天線（Massive MIMO），它在HPN處集中式的配備數(shù)百甚至上千 根天線，用于改善HPN的傳輸容量和覆蓋范圍。根據(jù)大數(shù)定律，當天線數(shù)量足夠多時，無線信道傳播可

18、以 硬化，使得傳輸容量隨著天線數(shù)量增加呈線性增加。已有實際網(wǎng)絡測試結果表明，PN處部署10 0根天 線，與傳統(tǒng)的單天線配置相比，容量將獲得至少10倍的提升，同時能量效率性能也將得到10 0倍數(shù)量級的 提高。需要說明的是，如果H-CRAN側重挖掘LS-CMA的性能增益，讓更多用戶接AHPN獲得業(yè)務傳輸，此 時會犧牲掉CC-CoMP的性能增益，極端情況下所有用戶都由HPN提供服務，則H-CRAN就退化為傳統(tǒng)的蜂 窩無線網(wǎng)絡；但如果讓較少的用戶接入HPN，又會降低LS-CMA的性能，如果讓所有業(yè)務都由RRH提供， 則會使H-CRAN退化為C-RAN。因此，權衡LS-CMA和 CC-CoMP間的性能增

19、益，才能使H-CRAN網(wǎng)絡性能 增益最大。3.3基于云計算的協(xié)作無線資源管理（C C-CRRM）相比較于C-RAN系統(tǒng)，H-CRAN增加了HPN實體，也使得用戶接入、資源分配、功率分配、負載均衡 等更加靈活，也更加復雜4?？梢允褂肏etNe t使用的小區(qū)范圍收縮技術平WRRH和HPN間的負載，同時讓 用戶盡量接入RRH。此外，為了減少RRH和HPN間的干擾，在負載輕的時候，可以為這兩個實體配置正交 的頻譜資源。當負載變重時，只分配部分的頻譜資源用于RRH和HPN的共享，以提供基本的無縫覆蓋業(yè)務， 而其他不共享的頻譜資源專門用于RRH間的高速業(yè)務傳輸。頻譜資源的配置分配是一個優(yōu)化問題，需要聯(lián) 合

20、功率分配和用戶接入以及優(yōu)化目標進行聯(lián)合設計5。為了在H-CRAN系統(tǒng)支撐不同時延的多媒體分組數(shù)據(jù)業(yè)務，H-CRAN需要實現(xiàn)延遲感知的CC-CRRM。 傳統(tǒng)無線資源管理主要是側重各用戶的CSI，進行無線資源和用戶。$1的自適應匹配，同時兼顧優(yōu)化用戶的 公平性和小區(qū)資源配置等。CC-CRRM將自適應每個用戶的分組業(yè)務排隊狀態(tài)信息（QSI）和用戶的CSI， 進行資源分配和無線信號處理，實現(xiàn)跨層資源協(xié)同優(yōu)化。3.4基于云計算的網(wǎng)絡自組織（C C-SON）和HetNe t及C-RAN類似，由于在局部區(qū)域聚集了大量的隨機布置的接入節(jié)點，使得H-CRAN的網(wǎng)絡規(guī) 劃優(yōu)化非常復雜，依靠傳統(tǒng)的人工網(wǎng)絡規(guī)劃優(yōu)化變

21、得不太現(xiàn)實，亟需采用網(wǎng)絡自組織（SON）技術提高 H-CRAN智能組網(wǎng)性能。SON技術能夠在組網(wǎng)過程中最小化人工干預，減少運維成本。鑒于H-CRAN中各 RRH的無線資源管理和移動性管理及射頻等相關參數(shù)都需要配置和優(yōu)化，且拓撲結構會隨著RRH的自適應 開/關而動態(tài)變化，所以SON是確保H-CRAN智能組網(wǎng)的關鍵。充分利用H-CRAN的BBU池集中大規(guī)模管理 架構，基于云計算的SON（CC-SON）將基于集中式架構，聯(lián)合云計算服務器中的海量網(wǎng)絡運維數(shù)據(jù)，進 行大數(shù)據(jù)挖掘，智能化完成H-CRAN#RRH的自配置、自優(yōu)化和自治愈功能。需要說明的是，由于BBU池 和HPN間有接口，所以可以通過集中式架

22、構完成HPN的自組織功能，可以不需要使用混合式的SON架構6。4 H-CRAN未來技術挑戰(zhàn)H-CRAN作為對HetNet和C-RAN的增強演進，雖然已經(jīng)提出了清晰的系統(tǒng)架構和關鍵技術，但仍有技 術挑戰(zhàn)亟需解決，才能推進其成熟和未來應用。4.1理論組網(wǎng)性能限分析和HetNet及C-RAN的理論組網(wǎng)性能研究類似，H-CRAN的理論組網(wǎng)性能限需要刻畫RRH的隨機分布， 挖掘去程鏈路容量受限對大規(guī)模集中信號處理性能的影響RRH的隨機分布將通過泊松點（PPP）分布進行表 征，利用隨機幾何，推導單用戶的覆蓋成功率、小區(qū)的平均頻譜效率和能量效率等。利用推導的性能限閉 式解，需要描述影響性能限的關鍵因素，指導

23、無線資源分配和網(wǎng)絡配置等。此外，從用戶角度出發(fā)，研究 以用戶為中心的動態(tài)RRH選擇和集合設置，在減少去程鏈路開銷和實時計算復雜度的同時，減少性能損失 7。4.2去程鏈路受限的性能優(yōu)化在RRH和BBU之間非理想的去程鏈路受限會惡化H-CRAN的整體頻譜效率和能量效率。為了減少去程 鏈路的業(yè)務傳輸帶寬要求，一般都需要對來自RRH的無線符號進行壓縮處理。如何減少壓縮處理后的影響， 是未來仍亟需突破的核心關鍵問題。一種可行方法是打破傳統(tǒng)的完全集中式架構，充分利用分布式存儲和 分布式信號處理功能，讓部分業(yè)務傳輸發(fā)生在本地，而不需上傳至BBU池，從而有利的降低去程鏈路的開 銷8。另外一種方法是通過HPN的

24、分流，但這是以犧牲BBU池的大規(guī)模協(xié)作增益為代價。4.3 H-CRAN未來標準化工作H-CRAN的標準化工作應該在未來5G標準框架下，實現(xiàn)C-RAN和HetNet的平滑演進。在3GPP的Release 12中已經(jīng)對高階調制，幾乎空白幀，小區(qū)自動開/關，SON，節(jié)能，非理想回程的CoMP等技術進行標準化 工作。作為這些技術的增強演進，有望在未來的Release 13和Release 14中對H-CRAN的網(wǎng)絡架構、系統(tǒng)組 成、RRH智能開/關策略、CC-CoMP、LS-CMA、CC-CRRM和CC-SON等進行標準化定義。5結論異構云無線接入網(wǎng)絡(H-CRAN)通過結合云計算和HetNe t技術

25、優(yōu)勢，能夠實現(xiàn)高譜效率和高能效率 的組網(wǎng)，可以視為未來5G無線接入網(wǎng)的一個重要可選方案。本論文系統(tǒng)介紹TH-CRAN的系統(tǒng)架構和關鍵 技術，同時指明了未來技術挑戰(zhàn)和相應的可能解決方法。參考文獻M. Peng, et al., “Hierarchical cooperative relay based heterogeneous networks,” IEEE Wireless Communications, vol. 18, no. 3, pp.48-56, Jun. 2011.M. Peng, et al., “Heterogeneous cloud radio access network

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