非均匀密集无线组网

摘要：无线密集网络作为未来移动通信系统的主要场景，能提供超高的、非均匀的数据量及海量的连接服务，并有提高无线链路的能效以及利用更高的频谱等诸多优势，将成为未来移动通信系统的主要架构之一，研究无线密集组网架构及关键技术意义重大。无线密集网络的网络架构、网络建模分析以及异构密集网络之间的融合是非均匀密集无线网络中的重要研究问题。

关键词： 无框架网络架构；异构融合；随机几何

Abstract： Dense wireless networking， seen as a major communication architecture in future mobile communication systems， can provide super high and non-uniform data traffic as well as massive connectivity services. It can also improve energy efficiency and spectrum efficiency of the wireless systems. Researches on dense wireless networks， including network architecture， network modeling and the convergence among heterogeneous networks， are meaningful and important.

2010年4G开始部署，全球范围内开始了5G研究的热潮。5G通信系统的研究预计通过已有技术与新技术的融合解决现有网络不能支撑的诸多挑战，各类新技术的融合能在支持预计移动数据量的同时扩大移动通信所能支持的应用范围[1]。国际电信联盟（ITU）结合各类业务与应用对网络性能的不同要求，将IMT-2020与已有的IMT-Advanced系统作对比，总结了5G系统的关键性能指标[2]，其中峰值速率预计可以达到10 Gbit/s且用户体验速率达到100 Mbit/s，网络能效及频谱效率分别达到现有系统的100倍和3倍。为了实现更高的用户数据率、更优的无线链路能效以及开发利用更高的频率资源，非均匀超密集组网成为无线网络的发展趋势。虽然通过不断增大网络基站或热点的非均匀密集化组网方式能提供更高的数据速率以及海量的连接，但是同样也带来了严重的干扰问题，复杂的资源分配等问题，而且随着网络的发展，用户体验需求也更加苛刻，如安全需求更高等。因此如何在非均匀的超密集组网趋势下，利用有限的无线通信资源，适应未来无线业务的空-时非均匀性和OTT等业务多样化的需求，成为5G组网面临的最大技术挑战。

1 无框架网络架构

无线组网技术的基础是无线网络架构，1G到4G移动通信系统的发展都是基于蜂窝小区架构的演进，这些无线组网方式虽然在一定程度上提高了移动通信系统的网络容量，但由于5G系统中采用非均匀高密度的异构混合组网方式，基于传统蜂窝小区架构的技术演进将难以真正解决限制5G系统网络容量的关键技术问题，进而很难实现5G无线组网架构及组网方式的真正变革。为了突破蜂窝小区架构所带来的一些的限制，并在未来5G系统拟部署的非均匀高密度异构混合无线网络环境下实现干扰可控与资源可管的容量有效提升，相关研究机构提出了“无框架组网架构（FNA）”及其相应的无线组网策略[3-7]。

1.1 无框架网络架构部署场景及特点

基于无框架网络架构及组网方法，未来网络中将不再存在具体的小区边界，而是以用户为中心，基站及其天线单元的覆盖范围可以根据用户的业务需求及干扰分布等情况进行自适应调整。

无框架网络架构中，传统基站被分解为集中处理单元和天线单元。集中处理单元与天线单元之间通过光纤回程链路、无线回程链路、有线回程链路等多种方式连接。集中处理单元承担着主要的网络控制功能，负责无线信号的处理、维护无线接入网络的控制平面及用户平面；天线单元负责无线信号的发送和接收。网络按用户的业务服务质量需求动态地选择合适的天线单元来构建针对各个用户的专属服务天线单元集合。

通过这种功能分解，天线单元被释放，成为一维新的无线资源，从而参与到多维无线资源的管理与控制过程之中。这种无框架网络架构及其组网方法具有如图1所示特点。

1.2 基于软件定义网络的无框架网络

架构演进

基于软件定义网络（SDN）及OpenFlow协议的无框架网络演进架构[3]， [7]包括由不同制式、不同类型天线单元组成的，支持各节点完全协作的虚拟化接入网结构，具体包括实现信号处理功能的集中处理单元、连接集中处理单元与天线单元的接口、连接各不同集中处理单元的集中处理单元间接口、支持OpenFlow等协议的控制器、连接集中处理单元与控制器的控制接口、实现虚拟化无线资源管理的资源池等基本组件[3]。

此外，传统移动通信中的多天线技术、协作通信技术、中继技术、载波聚合等技术可以灵活地应用到本架构中，从而实现各天线单元以及各天线单元所属的各集中处理单元等接入节点的充分协作，具体的架构[5]如图2所示。

该演进架构不仅支持无框架网络架构所支持的用户平面与控制平面的分离及自适应调整策略、以用户为中心的资源管理及移动性管理策略、自适应业务卸载策略以及集中式干扰管理策略，还融合了SDN与OpenFlow的技术优势，支持基于虚拟化的无线资源管理策略、业务分片策略等组网关键技术，实现了传统移动通信网络架构中接入网的虚拟化，提出了将SDN技术及OpenFlow等协议应用到移动通信接入网架构中的解决方案。与此同时，这种无框架的网络架构中基站、热点以及移动终端的位置更加随机，用于建模传统小区的规则六边形模型不再适用于密集网络的建模，因而需寻找适合于密集网络建模和分析的数学工具与模型。