5G超密集网络虚拟化解决方案

周宏成

（广东省电信规划设计院有限公司，广东 广州 510630）

5G超密集网络虚拟化解决方案

周宏成

（广东省电信规划设计院有限公司，广东 广州 510630）

密集部署传输节点，减少小区半径，获得更大的小区分裂增益是5 G超密集网络实现容量提升目标的关键手段。本文首先介绍了5 G超密集网络的含义、典型覆盖场景和面临的挑战；其次，分析了5 G虚拟化网络架构；最后介绍了5 G移动通信系统以用户为中心的虚拟化技术，重点介绍了小区虚拟化和终端虚拟化技术在解决移动性和干扰问题方面的优势。

5 G；超密集网络；虚拟小区；网络架构；终端虚拟化

1 概述

5G移动通信系统较4G系统在网络容量方面达到1000倍的提升，减少小区半径、密集部署传达节点，获得更大的小区分裂增益是达到这一目标的关键手段。随着小区分裂技术的发展，低功率传输节点（TP）被部署在宏基站覆盖范围内，形成了由宏基站和微基站组成的多层异构网络（Het-Net）。HetNet既保证了小区覆盖，又提升了系统容量。超密集网络（UDN）是小区增强技术的进一步演进。在超密集网络中，低功率传输节点的密度进一步提高，覆盖范围进一步缩小，服务对象局限在很少几个用户。超密集网络部署拉近了低功率传输节点与终端的距离，使得他们的发射功率大大降低，且非常接近，上下行链路的差别也越来越小。随着网络密集化程度的不断提高，干扰和移动性问题变得越来越严重，以小区为中心的架构已经不能满足5G网络的需求。5G提出了以用户为中心的小区虚拟化技术，使服务区内不同位置的用户都能根据其业务QoE（Quality of Experience）的需求获得高速率、低时延的服务，解决小区边缘效应问题，达到“一致的用户体验”的目标。本文首先介绍了5G超密集网络的典型场景，然后分别介绍了5G虚拟化网络架构、小区虚拟化及终端虚拟化解决方案。

2 5G超密集典型场景

5G超密集网络是基于场景驱动的，IMT-2020归纳了6大典型的超密集网络场景，即密集住宅区、密集商务区、公寓、购物中心及交通枢纽、大型活动场馆、地铁。

(1)场景一：密集住宅区

该场景同时存在室外移动状态用户和室内静止状态用户，用户密度较高。该场景业务类型丰富多样，包括FTP业务、互动游戏、视频业务、上网浏览等。在超密集部署传输节点的情况下，系统的边缘效应会变得非常突出。如何有效解决边缘效应问题，让不同位置的终端有相同的、高质量的通信体验是这一场景需要重点解决的问题。

(2)场景二：密集商务区

密集商务区以室内用户为主，且多为高端用户，以FTP、视频业务、移动办公等业务为主。在该场景通过部署低功率传输节点提供高容量的数据传输服务。超密集部署使每个传输节点的服务终端数降低，各个传输节点处于中、低负载状态，进而产生上、下行业务量的较大波动。为了在上下行链路业务波动时充分利用资源，该场景需要使用动态上下行资源分配技术。

(3)场景三：公寓

公寓为室内低用户密度场景，用户以静止状态为主，包括高、中、低端用户，业务类型比较丰富，需要针对混合业务进行部署。该场景存在室内传输节点与室外基站间的干扰，室内传输节点之间的干扰；每个传输节点负载不均衡，需使用上下行链路动态资源分配技术。

(4)场景四：购物中心及交通枢纽

该场景包括大型商场、城市综合体、机场、火车站等，室内用户高度密集，用户处于移动状态，业务类型丰富。在该场景中，低功率节点密集部署在室内，提供大容量的数据传输业务。为了实现室内广域覆盖，在低功率传输节点的基础上再部署高功率传输节点，形成多层室内异构网络。

(5)场景五：大型活动场馆

该类场景包括体育场馆、音乐厅、会展中心等，用户密度在活动期间非常高，平时则非常低。该场景部署的低功率传输节点使用定向天线，无线信号的传播以直射为主。该场景业务以视频业务为主，且上行业务大于下行业务。该场景空旷区域较大，需要解决干扰问题、核心网信令压力和上行业务风暴问题。

(6)场景六：地铁

该场景用户超高密度分布在车厢和站台里，车厢用户处于高速移动状态，业务类型多种多样。该场景在车厢内密集部署低功率传输节点提供高速数据服务，也可以在地铁沿线部署泄露电缆，利用沿线的外部基站为车厢用户提供服务。

3 5G虚拟化网络架构

5G网络架构的虚拟化包括H0层的核心网虚拟化，H1层宏基站和微基站组成的基站层虚拟化，H2层由终端设备组成的终端云虚拟化，以及H1/H2层之间由中继站和用户设备通过虚拟化技术混合组成的中继云虚拟化。5G的虚拟化网络架构在多层实现如图1所示。

图1 5G多层虚拟化的网络架构

上述网络架构中，同一层内相对于跨层间存在高容量和低成本的同层通信技术。核心网的网元间和基站之间通过光纤进行连接，在终端层和中继层内，采用设备直通（D2D）技术以及有线直连技术。设备直通技术通过使用丰富的频谱资源、高频谱效率和近距离低功率提供的高空间重用因子，实现大容量、低成本的通信。因此，无线接入网的瓶颈在于层间通信，特别是基站层和终端层之间的通信。

终端虚拟化和小区虚拟化赋予了层间协作更大的自由度，为层间通信带来了更高的可靠性和灵活性。通过增加层内通信量，紧密的层内协作换来了更加高效的层间通信。在虚拟终端和虚拟小区间，通信链路可以被灵活选择或者联合处理以提高链路的效率。

4 5G小区虚拟化

5G小区虚拟化采用平滑的、以用户为中心的虚拟小区（Smooth Virtual Cell，SVC），用于解决超密集网络的移动性和干扰问题，为用户提供一致的服务体验。SVC基于混合控制机制进行工作，用户周围的多个传输节点形成一个虚拟小区，其中一个节点被选为主控传输节点（Master TP，MTP），负责管理虚拟小区的工作过程，以及虚拟小区内其他节点的行为。不同主控传输节点之间交互各自虚拟小区的信息，通过协商的方式实现虚拟小区之间的协作，解决冲突。虚拟小区内各个传输节点之间，以及相邻虚拟小区主控传输节点之间的距离比较近，因此SVC可以实现快速控制或协作。SVC技术在移动性和干扰方面具有一定的优势，下面分别予以说明。

(1)移动性

在LTE R8阶段引入了硬切换技术，主要解决宏小区之间的移动性问题，但随着5G异构网络的引入和网络超密集程度的提高，硬切换技术越来越不适用于5G网络。在硬切换过程中，通常需要链路质量在一段时间内持续低于某个门限才能进行切换，在切换时链路质量已经恶化。由于TCP的慢启动特性，即便在切换完成后，TCP层需要较长的时间才能恢复性能，导致用户的体验下降。在5G超密集网络中，终端数据速率较高，切换频繁，如果采取硬切换，问题会变得更严重，SVC技术能够支持灵活、快速的服务节点选择，使用户的链路质量变得更加平稳，保证了用户体验的一致性。

使用SVC技术，传输节点在加入虚拟小区之前已经完成了资源预留，在需要转换服务节点时，不会发生虚拟小区内的传输节点拒绝成为服务节点的情况，终端链路质量可以保持在平稳状态，降低了无线链路失败的概率。另外，使用SVC技术使得传输节点在加入虚拟化小区时就已完成了上行定时测量，并不断进行更新，当MTP决定转换服务节点时，可以直接将上行定时信息发送给终端，避免数据传输的中断。

(2)干扰问题

由于干扰和业务的突发性，不论用户处于移动还是静止状态，用户体验都有可能随着时间的变化而变化。小区专有参考信号是超密集网络的主要干扰源之一，极大地限制了超密集网络的增益。SVC技术利用SoTA实现虚拟小区之间的分布式协作和虚拟小区内的集中控制，根据用户的业务状态和干扰环境，动态打开或关闭传输节点，通过这种方式发送参考信号有效地解决了小区专有信号干扰问题。除此之外，突发数据产生的干扰也会导致信道质量的变化，对用户体验产生影响。通过虚拟化小区间的快速协作，可以有效控制信噪比的波动范围，实现一致的用户体验。

相对于LTE的CoMP技术，SVC技术通过混合式控制/管理机制，以及SoTA等技术手段，实现了无规划或半规划部署低功率传输节点，在有效降低网络部署成本的同时，达到干扰抑制的效果。

5 5G终端虚拟化

终端虚拟化是在邻近用户间，或同一个用户的多个设备间组成一个虚拟用户组或终端组，从基站侧联合接收或者传输数据，如图2所示。

图2 终端的虚拟化

在图2（a）中，每个终端只有单载波处理能力，4个单载波终端合起来就具备了4个载波处理能力。4个终端可以利用各自的能力和设备直通链路为其中一个终端传输数据。如果设备直通链路足够好，4个终端的协作传输将显著提升目标终端的吞吐量。

在图2（b）中，虚拟终端组可以共享彼此的能力，控制面来自其他使用更可靠的授权载波终端，用户面则直接来自基站并基于不一定可靠的非授权载波，一个虚拟终端组中的所有设备都能共享授权载波上的控制面功能。

基站和虚拟终端之间也可以进行协作接收，如图3所示。在步骤1（T0）中，基站传输复用数据给终端组，终端组内多个终端尝试接收数据；在步骤2（T1）中，终端间交互数据以及和数据接收相关的参量；在步骤3（T2）中某个选出来的终端向基站发送ACK/NACK反馈。因此，在虚拟终端组看到的有效SINR会比基站和最好的终端间SINR还要高，基站和虚拟终端组间的频谱效率也因此得以显著提升。

图3 虚拟终端组的协作接收

6 结论

5G网络以用户为中心的虚拟化技术，核心思想是以“用户为中心”分配资源，使得服务区不同位置的用户都能根据业务QoE（Quality of Experience）的需求获得高速率、低时延的通信服务，同时保证用户在运动过程中始终具有稳定的服务体验，彻底解决小区边缘效应问题，最终达到“一致的用户体验”的目标。5G系统采用平滑的虚拟小区技术SVC，很好地适应了网络密集化的需求。在5G超密集网络中，把移动通信网络带到每一个用户身边，带来的不仅是容量，而是用户体验的全面提升。

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5G Ultra Dense Network Virtualization Solution

Zhou Hongcheng
(Guangdong Planning and Design Institute of Telecommunication Co.,Ltd.,Guangzhou 510630,Guangdong)

Densely deploying transmission nodes,reducing the radius of the cell,and obtaining greater cell division gain are the key means of 5G mobile communication system to achieve the goal of capacity improvement.This paper firstly introduces the meaning,typical coverage and challenges of 5G ultra dense network;secondly,analyzes the 5G virtual network architecture;finally,introduces the user centric virtualization technology of 5G mobile communication system,focusing on the advantages of residential virtualization and terminal virtualization technology in solving mobility and interference problems.

5G;super dense network;virtual community;network architecture;terminal virtualization

TN929.5

A

1008-6609(2017)03-0036-03

周宏成(1973-)，男，重庆人，硕士研究生，高级工程师，国家注册一级建造师，国家注册咨询工程师，研究方向为通信网络规划设计、系统集成、系统咨询。