尹博南，艾元，彭木根

（北京郵電大學(xué)，北京 100876）

霧無線接入網(wǎng)：架構(gòu)、原理和挑戰(zhàn)

尹博南，艾元，彭木根

（北京郵電大學(xué)，北京 100876）

為 了 降 低 前 傳 （fronthaul）鏈 路 開 銷 、避 免 傳 統(tǒng) 云 無 線 接 入 網(wǎng) 基 帶 單 元 池 中 無 線 信 號(hào) 處 理 大 規(guī) 模／高 實(shí)時(shí) 要 求 、 充 分 利 用 邊 緣 網(wǎng) 絡(luò) 設(shè) 備 的 計(jì) 算 和 存 儲(chǔ) 能 力 ， 提 出 了 霧 無 線 接 入 網(wǎng) 絡(luò) （fog computing based radio access network，F(xiàn)-RAN），作為異構(gòu)云無線接入網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)。 F-RAN 的核心是利用用戶和邊緣網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的計(jì)算和存儲(chǔ)功能，進(jìn)行本地業(yè)務(wù)分發(fā)、分布式信號(hào)處理和分布式資源管理等。 詳細(xì)介紹了 F-RAN 的系統(tǒng)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及未來需研究的問題。

霧無線接入網(wǎng)；霧計(jì)算；邊緣云；邊緣緩存

1 引言

隨著 4G 移動(dòng)通信系統(tǒng)技術(shù)的成熟與標(biāo)準(zhǔn)化，5G 移動(dòng)通 信 系 統(tǒng) 的 研 究 最 近 幾 年 開 始 在 國 內(nèi) 外 陸 續(xù) 展 開［1］。歐 盟最 早 于 2012 年 11 月 宣 布 啟 動(dòng) METIS（mobile and wireless communications enablers for the 2020 information society-2，2020 年 信 息 社 會(huì) 的 無 線 移 動(dòng) 通 信 關(guān) 鍵 技 術(shù) —2）的 5G 研究項(xiàng)目，目標(biāo)是為建立下一代移動(dòng)和無線通信系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)，為未來的移動(dòng)通信和無線技術(shù)在需求、特性和指標(biāo)上達(dá)成共識(shí)，取得在概念、雛形、關(guān)鍵技術(shù)組成上的統(tǒng)一意見。我國也于 2013 年開始 5G 研發(fā)，2013 年 4 月 19日，IMT-2020 （International Mobile Telecommunications-2020，國際移動(dòng)電信—2020）推進(jìn)組第一次會(huì)議在北京召開。與此同時(shí)，為了保障國家在 5G 中的知識(shí)產(chǎn)權(quán)比例，增強(qiáng)我國在 5G 國際標(biāo)準(zhǔn)制定中的地位，我國科技部也啟動(dòng)多個(gè)與5G 相關(guān)的“863”計(jì)劃科研項(xiàng)目。2016 年 3 月，國際無線通信 主 流 標(biāo) 準(zhǔn) 化 組 織 3GPP（the 3rd Generation Partner Project）確定了第一個(gè) 5G 研究項(xiàng)目，用來定義第一個(gè) 5G標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著 5G 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)?；归_。

近 年 來 ，產(chǎn) 業(yè) 界 陸 續(xù) 提 出 了 云 無 線 接 入 網(wǎng) （cloud radio access network，C-RAN）和異構(gòu) 云無線接入 網(wǎng)（heterogeneous cloud radio access network，H-CRAN）等 先 進(jìn) 網(wǎng) 絡(luò) 架 構(gòu) ，作 為5G 的 接 入 網(wǎng) 方 案［2，3］。C-RAN 和 H-CRAN 結(jié) 合 軟 件 定 義 網(wǎng) 絡(luò)的發(fā)展，充分利用集中式大規(guī)模云計(jì)算處理，將傳統(tǒng)的基站分離 為 離 用 戶更 近 的 無 線 遠(yuǎn) 端 射 頻 單 元 （remote radio head，RRH），和 多 個(gè) 基 帶 處 理 單 元（baseband unit，BBU）集 中 到 一起形成的 BBU 池，將無線信號(hào)處理和資源管理功能都集中到 BBU 池，能夠獲得集中式大規(guī)模協(xié)同信號(hào)處理和資源管理增益，無論是網(wǎng)絡(luò)頻譜效率、能量效率，還是網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化管理等，都得到了非常明顯的改善。

C-RAN 通過把多個(gè)傳統(tǒng)基站的無線信號(hào)處理和資源管理功能集中在 BBU 池，通過大規(guī)模協(xié)同信號(hào)處理解決RRH 間的干擾， 并通過 BBU 池實(shí)現(xiàn)有限頻譜資源的共享和復(fù)用，減少了基站站址建設(shè)和空調(diào)使用以及維護(hù)等成本，提高了能量效率和網(wǎng)絡(luò)管理性能。C-RAN 主要為非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)，存儲(chǔ)、控制和通信處理等功能都集中在云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)層，沒有考慮控制平面和業(yè)務(wù)平面的分離，前傳 （fronthaul）鏈 路 容 量 受 限 和 BBU 池 的 大 規(guī) 模 集 中 協(xié) 同信號(hào)處理時(shí)延降低了網(wǎng)絡(luò)性能增益，并且也沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有 移 動(dòng) 通 信 網(wǎng) 絡(luò) 的 平 滑 過 渡 和 兼 容［4］。C-RAN 系 統(tǒng) 架 構(gòu) 如圖1所示。

H-CRAN 結(jié) 合 了 異 構(gòu) 網(wǎng) 絡(luò) （heterogeneous network，HetNet）和 C-RAN 的各自優(yōu)點(diǎn)。H-CRAN 中的 BBU 池和已有 的 大 功 率 節(jié) 點(diǎn) （high power node，HPN）相 連 ，可 以 充 分 利用 3G 和 4G 等蜂窩網(wǎng)絡(luò)的宏基站實(shí)現(xiàn)無縫覆蓋，且實(shí)現(xiàn)控制和業(yè)務(wù)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。RRH 用于滿足熱點(diǎn)區(qū)域海量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的高速傳輸需求。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(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，以實(shí)現(xiàn) BBU 池和 HPN 的協(xié)作 資 源 管 理［5］。但 實(shí) 際 中 ，RRH 和 BBU 之 間 非 理 想 的 前 傳鏈路受限依然會(huì)嚴(yán)重影響 H-CRAN 的整體頻譜效率和能量效率。 一種可行的解決思路是利用 RRH 或者智能用戶設(shè) 備 （user equipment，UE）等 邊 緣 設(shè) 備 中 的 分 布 式 存 儲(chǔ) 和分布式信號(hào)處理功能，讓部分業(yè)務(wù)傳輸發(fā)生在本地，以減輕前傳鏈路的開銷。 因此，更進(jìn)一步的新型無線接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和解決方案值得研究與探索，以滿足 5G 的性能目標(biāo)要求。 H-CRAN 系統(tǒng)架構(gòu)如圖 2 所示。

圖1 C-RAN 系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 H-CRAN 系統(tǒng)架構(gòu)

“霧計(jì)算”概念最初由思科公司提出。就像霧是更貼近地面的云，霧計(jì)算是指充分開發(fā)利用更靠近用戶的網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備的計(jì)算、存儲(chǔ)、通信、控制和管理等功能，將云計(jì)算模式擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)邊緣。通過將“霧計(jì)算”概念融入無線接入網(wǎng)架 構(gòu) 中 ，提 出 了 霧 無 線 接 入 網(wǎng) （fog computing based radio access network，F(xiàn)-RAN） 作 為 5G 無 線 接 入 網(wǎng) 解 決 方 案［6］。F-RAN 中 ，協(xié) 作 無 線 信 號(hào) 處 理 （collaboration radio signal processing，CRSP）和 協(xié) 同 無 線 資 源 管 理 （cooperative radio resource management，CRMM）功能不僅可 以 在 BBU 池 中 執(zhí)行，也可以在用戶終端 UE 和 RRH 中實(shí)現(xiàn)。如果用戶終端應(yīng)用只需在本地處理或者需求緩存內(nèi)容已經(jīng)存儲(chǔ)在鄰近的 RRH，則不必相連 BBU 池進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。F-RAN 通過將更多功能在邊緣設(shè)備實(shí)現(xiàn)，從而克服了 H-CRAN 中非理想前傳鏈路受限的影響，從而實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)性能增益。

2 F-RAN 的系統(tǒng)架構(gòu)

F-RAN 系統(tǒng)架構(gòu)如圖 3 所示，其中 BBU 池與 HPN 功能繼承于 H-CRAN。所有的信號(hào)處理單元集中工作在 BBU池中以共享整體的信令、數(shù)據(jù)以及信道狀態(tài)信息。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載升高時(shí)，運(yùn)營商僅需升級(jí) BBU 池來提高容量。HPN 主要 被 用 來 實(shí) 現(xiàn) 控 制 平 面 的 功 能 ，為 所 有 的 F-UE （fog user equipment）提供 控 制信令和 小區(qū) 特 定 參 考 信 號(hào) ，并 為 高 移動(dòng)用戶提供基本比特速率的無縫覆蓋，從而降低不必要的切換并減輕同步限制。傳統(tǒng)的 RRH 通過結(jié)合存儲(chǔ)和 CRSP和 CRRM 功 能 演 進(jìn) 為 霧 計(jì) 算 接 入 點(diǎn) （fog access point，F(xiàn)-AP），通過前傳鏈路與 BBU 池相連。鄰近的 F-UE 之間可以 通 過 D2D（device to device，D2D）模 式 或 者 中 繼 模 式 直 接通信，以提高系統(tǒng)的頻譜效率。BBU 池通過集中式大規(guī)模協(xié) 同 多 點(diǎn) （coordinated multiple points，CoMP）傳 輸 技 術(shù) 進(jìn) 行聯(lián)合處理與調(diào)度，抑制 F-AP 與 HPN 間的跨層干擾。不同的是，由于部分 CRSP 功能和 CRRM 功能被遷移到 F-AP和 F-UE 中，且用戶可通過邊緣設(shè)備的受限緩存獲得數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)而無需通過 BBU 池的集中式緩存，緩解了前傳鏈路和 BBU 池的開銷負(fù)擔(dān)，并降低了傳輸時(shí)延。

由于 F-AP 具備 CRSP 和 CRRM 功能，協(xié)同多點(diǎn)傳輸技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)抑制層內(nèi)和層間干擾。相鄰的 F-AP 之間互聯(lián)并形成不同種類的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)本地分布式 CRSP。相比于網(wǎng)狀（mesh）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)部署和維護(hù)成本約 50%，更適合實(shí)際的 F-RAN 架構(gòu)。如果分布式 CRSP 和 CRRM 技術(shù)不能有效解決干擾問題，F(xiàn)-AP的功能將退化為傳統(tǒng)的 RRH，選擇在 BBU 池實(shí)現(xiàn)全局集中式 CRSP 和 CRRM 功能進(jìn)行處理。

F-RAN 通過異構(gòu)網(wǎng)絡(luò) 和 C-RAN 演進(jìn) 而 來 ，完全兼 容其 他 5G 系統(tǒng) 。一 些 5G 先 進(jìn) 技 術(shù) ，例 如 大 規(guī) 模 MIMO（massive multiple input multiple output）、認(rèn) 知 無 線 電 、毫 米波通信和非正交多址技術(shù)都可以直接應(yīng)用到 F-RAN 中。F-RAN 利用網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備的實(shí)時(shí) CRSP 和靈活 CRRM 功能，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)流量和無線環(huán)境動(dòng)態(tài)變化的自適應(yīng)過程，通過對(duì)于 D2D、無線中繼、分布式協(xié)作和大規(guī)模集中式協(xié)作等不同模式的智能化選擇，實(shí)現(xiàn)以用戶為中心的網(wǎng)絡(luò)功能，匹配環(huán)境區(qū)域內(nèi)的業(yè)務(wù)需求。

圖3 F-RAN 系統(tǒng)架構(gòu)

3 F-RAN 的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 傳輸模式選擇

根 據(jù) 移 動(dòng) 速 度 、通 信 距 離 、位 置 、服 務(wù) 質(zhì) 量 （quality of service，QoS）需求以及處理和緩存能力等信息參數(shù)，F(xiàn)-UE有 4 種可供選擇的傳輸模式接入 F-RAN 中，分別為：D2D和中繼模式、本地分布式協(xié)作模式、全局 C-RAN 模式與HPN 模式。所有的 F-UE 周期性地接收 HPN 的控制信令，并在其監(jiān)管下做出最優(yōu)傳輸模式選擇。首先根據(jù)來自 HPN的公共廣播導(dǎo)頻信道，估計(jì) F-UE 的移動(dòng)速度以及不同F(xiàn)-UE 配對(duì)之間的距離。如果 F-UE 處于高速移動(dòng)狀態(tài)或者提供實(shí)時(shí)語音通信，則優(yōu)先觸發(fā) HPN 模式。如果相互通信的兩個(gè) F-UE 間的相對(duì)移動(dòng)速度較低并且距離不超過閾值D1，則觸發(fā) D2D 模式。 相反，如果距離在閾值 D1與 D2之間并且有相鄰的 F-UE 可以作為中繼傳輸信息，則觸發(fā)中繼模式。此外，如果兩個(gè) F-UE 移動(dòng)速率較慢，而且相互之間距離在 D2與 D3之間，或者距離不超過 D2但其中至少有一個(gè) F-UE 不支持 D2D 或中繼模式，則觸發(fā)本地分布式協(xié)作模式 ，F(xiàn)-UE 與 鄰近的 F-AP 進(jìn)行通信。 如果本地分布 式協(xié)作模式不能滿足性能要求，或者兩個(gè) F-UE 間距離超過閾值 D3，再或者需求內(nèi)容來自云服務(wù)器，則觸發(fā)全局C-RAN 模式，此時(shí)所有的 CRSP 和 CRRM 功能都在集中式BBU 池中實(shí)現(xiàn)，與 C-RAN 系統(tǒng)相同。自適應(yīng)傳輸模式選擇流程如圖4所示。

D2D 和中繼模式以用戶為中心， 通信只在終端層進(jìn)行，可獲得顯著的性能增益并減輕前傳鏈路負(fù)擔(dān)。HPN 為這種模式下的每個(gè) F-UE 分配設(shè)備標(biāo)識(shí)。因?yàn)?D2D 通信中天線高度較低，因此其快衰落受到很強(qiáng)的視距因素影響，不 同 于 傳 統(tǒng) 無 線 網(wǎng) 絡(luò) 中 的 瑞 利 分 布［7］。本 地 分 布 式 協(xié) 作 模式下，數(shù)據(jù)流量直接來自于 F-AP 而非云服務(wù)器。通過考慮實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和 CoMP 增益，F(xiàn)-AP 簇自適應(yīng)形成并執(zhí)行分布式協(xié)作。其中 CoMP 增益取決于 F-RAN 簇的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及連接 F-AP 的回傳鏈路容量。通過分布式協(xié)作，小區(qū)邊緣用戶的下行鏈路頻譜效率可以提高大約 70%，上行鏈路頻譜效率可以提高大約 122%。F-AP 的分簇策略對(duì)于頻譜效率的影響至關(guān)重要， 圖 5 比較了不同 F-AP 緩存大小下本地分布式協(xié)作模式的遍歷速率與簇半徑閾值之間的關(guān)系，其中 ，Cf表 示 緩 存 大 小 ，γth表 示 遍 歷 速 率 ，Lc表 示 簇 半 徑 閾值。 隨著簇半徑閾值的增加，簇內(nèi) F-AP 數(shù)目增多，使得更多的 F-AP 服務(wù)于用戶，同時(shí)信號(hào)強(qiáng)度增加且干擾減少，顯著 提 高 了 分 布 式 協(xié) 作 模 式 的 遍 歷 速 率［8］。此 外 ，更 大 的 緩 存空間意味著用戶有更高概率獲得所需文件，同樣提高了系統(tǒng)遍歷速率。全局 C-RAN 模式下，RRH 將接收到的無線信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)到 BBU 池，BBU 池全局集中式執(zhí)行所有的 CRSP和 CRRM 功能。不同于本地分布式協(xié)作模式，全局 C-RAN模式可通過多個(gè) RRH 共同為目標(biāo) UE 服務(wù)以提高頻譜效率。同時(shí)在其他 3種模式的協(xié)助下，前傳鏈路的容量需求顯著降低，容量和時(shí)延限制得到緩解。HPN 模式可以降低控制信道的開銷并且避免不必要的切換。此模式主要用于保 證 基 本 QoS 支 持 的 無 縫 覆 蓋 。軟 部 分 頻 率 復(fù) 用 （soft fractional frequency reuse，S-FFR） 方 案 可 以 用 于 HPN 模式，減輕 HPN 與 F-AP 的層間干擾，顯著提高系統(tǒng)能量效率 和 頻 譜 效 率［9］。

圖4 F-RAN 的自適應(yīng)傳輸模式選擇流程

圖5 本 地 分 布 式 協(xié) 作 模 式 下 不 同 F-AP 的 Cf、γth與 Lc的 關(guān) 系

3.2 干擾抑制

4 種傳輸模式下的 F-UE 共享相同的無線資源，干擾嚴(yán)重影響 了 F-RAN 的 系統(tǒng)性能 。F-RAN 中 的 干擾抑制 技術(shù)可以分為物理層的協(xié)作預(yù)編碼與媒質(zhì)訪問控制（medium access control，MAC）層的協(xié)調(diào)調(diào)度。

協(xié)作預(yù)編碼技術(shù)主要分為全局式和分布式。全局式協(xié)作預(yù)編碼包括 HPN 模式下單天線大規(guī)模 MIMO 技術(shù)以及全局 C-RAN 模式下基于分布式 F-AP 的 大規(guī)模協(xié)作 MIMO技術(shù)。分布式協(xié)作預(yù)編碼技術(shù)為本地分布式協(xié)調(diào)模式下的簇內(nèi)分布式 F-AP 間的聯(lián)合處理 CoMP。 為了平衡性能與復(fù)雜度，協(xié)作預(yù)編碼大小需稀疏化設(shè)計(jì)，以降低復(fù)雜度與信道估計(jì)開銷。參考文獻(xiàn)［10］研究了 F-AP 協(xié)作預(yù)編碼簇的形成策略，利用隨機(jī)幾何推導(dǎo)了固定的簇內(nèi)協(xié)作策略的成功接入概率的顯示表達(dá)式。將推導(dǎo)的理論結(jié)果作為效用函數(shù)，F(xiàn)-AP 的分組問題建立為聯(lián)盟形成博弈問題，得出基于合并和分裂方法的簇內(nèi)協(xié)作算法。 為了評(píng)估性能增益，體現(xiàn)完全集中式和完全分布式的大類簇形成和無簇策略作為兩種基礎(chǔ)方案用于比較分析。如圖 6 所示，τ=0.1 表示功率消耗部分的影響得到減輕，此時(shí)可以提供更靈活的選擇用于簇大小的設(shè)置，目標(biāo)數(shù)據(jù)速率隨著信號(hào)與干擾加噪聲比 （signal to interference plus noise ratio，SINR） 閾 值 的 增 加而增加，因此平均數(shù)據(jù)速率也會(huì)在 SINR 閾值的中下等區(qū)間保持增加。然而在較高的 SINR 閾值的區(qū)間中，成功接入概率會(huì)隨著閾值的增加而減少，此時(shí)平均數(shù)據(jù)速率的增長變得緩慢，甚至?xí)_始下降。由于功率消耗固定，因此能量效率曲線的趨勢(shì)與相應(yīng)的平均數(shù)據(jù)速率曲線基本相同。

圖6 不同算法下的能量效率

F-RAN 的最優(yōu)協(xié)調(diào)調(diào)度方案需要解決時(shí)延感知下多目標(biāo)跨層優(yōu)化問題，通常有 3 種解決思路，分別為等效速度約束方法、李雅普諾夫（Lyapunov）優(yōu)化方法以及馬爾可夫（Markov）決 策 過 程 方 法［11］。等 效 速 度 約 束 方 法 通 過 使 用 排隊(duì)論或大偏差理論將平均時(shí)延約束轉(zhuǎn)化為等效平均速率約束 ；Lyapunov 優(yōu) 化 方 法 將 平 均 時(shí) 延 約 束 轉(zhuǎn) 化 為 最 小 化Lyapunov 偏 移 加 效 用 函 數(shù) ；Markov 決 策 過 程 方 法 是 系 統(tǒng)性 通 過 隨 機(jī) 學(xué) 習(xí) 或 微 分 方 程 的 方 式 推 導(dǎo) 貝 爾 曼 （Bellman）方程。

3.3 邊緣緩存

邊緣緩存技術(shù)最初提出應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。已有研究表明，互聯(lián)網(wǎng)中的大部分流量主要是由相對(duì)一小部分業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和多媒體文件等信息流轉(zhuǎn)造成。通過將高流行度的互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容文件緩存在網(wǎng)絡(luò)邊緣，用戶無需向較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)中心獲取文件，可以有效降低業(yè)務(wù)流量和接入時(shí)延，減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，移動(dòng)終端的高質(zhì)量視頻流、社交網(wǎng)絡(luò)和智能應(yīng)用等呈爆炸式增長，因此，將邊緣緩存技術(shù)引入新型的移動(dòng)通信系統(tǒng)，可以極大提高性能增益，滿足日益增長的業(yè)務(wù)需求。

F-RAN 中 邊 緣 設(shè) 備 具 備 緩 存 與 計(jì) 算 的 能 力 ，可 為F-UE 提供快捷內(nèi)容訪問與檢索功能，有效緩解云服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，降低內(nèi)容傳遞時(shí)延，通過面向?qū)ο笈c內(nèi)容認(rèn)知技術(shù)提高性能增益和用戶體驗(yàn)。相比于傳統(tǒng)集中式緩存機(jī)制，F(xiàn)-AP 和 F-UE 中的緩存空間相對(duì)較小。參考文獻(xiàn)［12］研究了基于 F-AP 和 F-UE 的協(xié)作緩存策略，不同文件大小情況下的最優(yōu)緩存選擇策略如圖 7所示。仿真結(jié)果表明，對(duì)于高流行度的文件應(yīng)該優(yōu)先緩存在 F-AP 中。由于 D2D 連接的不穩(wěn)定性，可以考慮將較高流行度中較小尺寸的文件緩存在 F-UE 通過 D2D 連 接實(shí)現(xiàn)共享 。數(shù)值 結(jié)果分析表明，根據(jù)不同流行度和大小的協(xié)作資源緩存策略，可以有效地降低系統(tǒng)時(shí)延。為了更好地利用邊緣緩存技術(shù) 提 高 系 統(tǒng) 性 能 增 益 ，參 考 文 獻(xiàn) ［13］研 究 了 F-RAN 場(chǎng)景下的緩存資源與傳統(tǒng)無線資源的聯(lián)合優(yōu)化問題，并提出了兩種基于博弈的聯(lián)盟形成算法，數(shù)值結(jié)果分析表明，提出的優(yōu)化算法可以極大地提高系統(tǒng)的能量效率與服務(wù)質(zhì)量。

圖7 F-RAN 中緩存選擇的最優(yōu)策略

3.4 資源調(diào)度

D2D 技術(shù)是一種利用小區(qū)分裂增益來提升網(wǎng)絡(luò)容量、擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋以及改善鏈路傳輸頑健性的有效技術(shù)。然而，頻譜資源的復(fù)用所帶來的 F-AP 通信與 D2D 通信的跨層干擾成為了限制吞吐量提升的一個(gè)關(guān)鍵問題。F-RAN 可以通過 HPN 發(fā)送控制信令對(duì)用戶的資源調(diào)度進(jìn)行指示，因此可以設(shè)計(jì)可行的集中式 D2D 通信頻譜接入方案，以有效抑制 D2D 通信和 F-AP 之間的干擾，提高系統(tǒng)頻譜利用率。

［7］提 出 了 一 種 集 中 式 機(jī) 會(huì) 頻 譜 接 入 控 制（centralized opportunistic access control，COAC）方 案 ，利 用 隨機(jī) 幾 何 推 導(dǎo) 了 傳 統(tǒng) 的 分 布 式 隨 機(jī) 頻 譜 接 入 控制（distributed random access control，DRAC）方 案 以 及 所 提 頻 譜 接 入 控制方案下 D2D 通信以 及 F-AP 通信網(wǎng)絡(luò)的 成功傳 輸概率和平均容量的理論表達(dá)式。傳統(tǒng)的頻譜資源劃分策略通?；诠潭l譜劃分或隨機(jī)信道接入，沒有考慮利用干擾信道信息進(jìn)行機(jī)會(huì)式的頻譜接入。對(duì)于 DRAC 方案，D2D 發(fā)送用戶不知道對(duì)受干擾 F-AP 通信用戶的干擾信道信息，每個(gè)用戶隨機(jī)從子信道中選擇接入。而對(duì)于 COAC 方案，則可以利用干擾信道信息進(jìn)行機(jī)會(huì)式的頻譜接入。在一個(gè)典型的子信道上，分配到該子信道的 F-AP 通信用戶檢測(cè)D2D 發(fā)送用戶的強(qiáng)干擾源，F(xiàn)-AP 通信用戶將其強(qiáng)干擾源集合反饋到 HPN 集中控制云。HPN 通過控制信道指示每一個(gè) D2D 發(fā)送用戶的接入／空閑狀態(tài)：若該 D2D 發(fā)送用戶對(duì)于子信道上任意的 F-AP 用戶是強(qiáng)干擾源，則將其設(shè)置為空閑狀態(tài)；否則若對(duì)于子信道上所有的 F-AP 用戶都不是強(qiáng)干擾源，則將其設(shè)置為接入狀態(tài)。兩種頻譜接入控制方案的性能與 D2D 頻譜資源占用率 ε的關(guān)系如圖 8 所示。圖 8 中考慮稀疏、中等和密集 3 種 D2D 通信的密度場(chǎng)景 ，分 別 對(duì) 應(yīng) λD／λM=10、100 和 1 000 （λD是 D2D 用 戶 密度，λM是 F-AP 密度且固定）。另外，圖 8 中還描點(diǎn)繪制了漸進(jìn)表達(dá)式的結(jié)果用于驗(yàn)證該漸進(jìn)解的準(zhǔn)確度以及 ε=0（即 F-AP 通 信 網(wǎng) 絡(luò) 性 能 上界 ，用虛 線 表 示 ）和 ε=l的 場(chǎng) 景（即 F-AP 通信網(wǎng)絡(luò)性能下界，用點(diǎn)狀線表示）。F-AP 通信網(wǎng)絡(luò)成功傳輸概率隨著 D2D 頻譜資源占用率 ε的增加而降低，而且 ε→0 時(shí)的極值與上界、ε=1 時(shí)的極值與下界能夠完全對(duì)應(yīng)。由于 COAC 方案中用戶利用了干擾信道信息進(jìn)行集中式的資源調(diào)度與機(jī)會(huì)接入，相對(duì)于 DRAC 方案顯著提高了系統(tǒng)頻譜效率。

圖8 DRAC 和 COAC 方案下成功傳輸概率與 ε 的關(guān)系

4 F-RAN 的技術(shù)挑戰(zhàn)及開放問題

F-RAN 作 為 C-RAN 和 H-CRAN 的 增 強(qiáng) 演 進(jìn) 方 案 ，仍有許多技術(shù)挑戰(zhàn)亟需解決，包括社交感知、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化 （network function virtualization，NFV）和 軟 件 定 義 網(wǎng) 絡(luò)（software defined networking，SDN）技術(shù)。

4.1 社交感知

傳統(tǒng) C-RAN 中，UE 在信道滿足相應(yīng)條件下，能夠與其他 UE 建立連接進(jìn)行通信。然而在實(shí)際中，用戶個(gè)人參與構(gòu)建了復(fù)雜的社會(huì)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)。用戶攜帶的 UE通?；诎踩缘目紤]不會(huì)與不熟悉的 UE建立連接。根據(jù)不同的地理位置、興趣和背景，用戶個(gè)人或者 UE 被分為不同的社會(huì)群體。同一社會(huì)群體內(nèi)的 UE 可以交換信息，不同群體間的 UE 則很少建立連接。相比 于 C-RAN，F(xiàn)-RAN 中 邊緣設(shè)備通過緩存不同的社交媒體文件，其社交特征更加顯現(xiàn)，有助于構(gòu)建社會(huì)群體。因此，社交關(guān)系作為新的影響因素，有助于提高 D2D 通信以及 F-RAN 的性能增益。目前F-RAN 中的性能分析與資源分配都沒有考慮社交關(guān)系的影響，如何利用社交關(guān)系提高系統(tǒng)性能，并構(gòu)建社交感知下 F-RAN 通信系統(tǒng)，值得未來研究與探索。

4.2 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡(luò)

NFV 通過軟硬件解耦及網(wǎng)絡(luò)功能抽象化，旨在使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能不再依賴于專用硬件，從而實(shí)現(xiàn)新業(yè)務(wù)的快速開發(fā)和部署、資源的靈活共享以及資本和運(yùn)營開銷的顯著下降 。F-RAN 可 為 NFV 提 供 虛 擬 網(wǎng) 絡(luò) 功 能 （virtual network function，VNF）間 的 可 編 程 連 接 ，這 些 連 接 通 過 VNF 的 協(xié)調(diào)器進(jìn)行管理。F-RAN 繼承于 H-CRAN，將 控 制層和業(yè) 務(wù)層分離，通過控制器實(shí)現(xiàn)獨(dú)立于硬件的軟件重新設(shè)計(jì)和重新配置，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的靈活性與可重構(gòu)性。由于網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備需實(shí)時(shí)向 SDN 中央控制器發(fā)送信息用于決策，會(huì)嚴(yán)重增加前傳鏈路負(fù)擔(dān)，降低網(wǎng)絡(luò)性能。目前 SDN 主要研究 應(yīng) 用 于 互 聯(lián) 網(wǎng) 協(xié) 議 （internet protocol，IP）層 ，仍 然 沒 有 完善的解決方案能夠在 F-RAN 邊緣設(shè)備的 MAC 層和物理層實(shí)現(xiàn) SDN 功能。F-RAN 中 SDN 和 NFV 的功能實(shí)現(xiàn)，依然面臨著安全、計(jì)算性能、VNF 互聯(lián)、可移植性以及與傳統(tǒng)RAN 的兼容運(yùn)營和管理等眾多難題的挑戰(zhàn)。

5 結(jié)束語

本文系統(tǒng)地介紹了新型 5G 無線接入網(wǎng)架構(gòu) F-RAN。與 傳統(tǒng)基于 集 中 式云計(jì) 算 的 網(wǎng) 絡(luò) 架構(gòu) C-RAN 和 H-CRAN相比，F(xiàn)-RAN 中的 CRSP 和 CRRM 功能可以在更靠近終端用戶的網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備自適應(yīng)地實(shí)現(xiàn)。此外，重點(diǎn)介紹了F-RAN 的傳輸模式選擇、干擾消除、邊緣緩存和資源調(diào)度等關(guān)鍵技術(shù)，并提出了相應(yīng)的解決方案。 F-RAN 目前仍處于研究初期，未來有許多未解決的問題值得研究與完善。

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Fog computing based radio access networks：architecture，principles and challenges

YIN Bonan，AI Yuan，PENG Mugen
Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing 100876，China

To reduce the burden of fronthaul link，avoid large-scale wireless signal processing in centralized baseband unit （BBU）pool，and take full advantage of processing and storage capabilities in edge devices，a fog computing based radio access network （F-RAN）was presented as an evolution form of heterogeneous cloud radio access networks.The core idea of F-RAN was to take full advantage of processing and storage capabilities in edge devices which could achieve the local distributed content delivery，the local distributed collaboration radio signal processing and the local distributed cooperative radio resource management functions.System architectures of F-RAN，promising key techniques，and researching open issues of F-RAN were discussed in detail.

fog computing based radio access network，fog computing，edge cloud，edge caching

s：The National Key Basic Research Program of China（973 Program）（No.2013CB336600），The National Natural Science Foundation of China（No.61361166005），The National Program for Special Support of Eminent Professionals

TN929.53

：A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016162

尹博南（1993-），男，北京郵電大學(xué)泛網(wǎng)無線通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士生，主要研究方向?yàn)楫悩?gòu)云無線接入網(wǎng)、分子通信和身體域納米網(wǎng)絡(luò)。

艾元（1993-），男，北京郵電大學(xué)泛網(wǎng)無線通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生，主要研究方向?yàn)楫悩?gòu)云無線接入網(wǎng)。

彭木根（1978-），男，北京郵電大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，教師發(fā)展中心主任。教育部重 點(diǎn) 實(shí) 驗(yàn) 室 研 究 中 心 主 任 、IET 會(huì) 士 、 中國電子學(xué)會(huì)青年科學(xué)家俱樂部副主席、北京科技人才研究會(huì)副秘書長。獲得第三十屆北京五四青年獎(jiǎng)?wù)拢脒x首屆國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金、首屆長江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃青年學(xué)者、國家萬人計(jì)劃—青年拔尖人才項(xiàng)目等。 發(fā)表本領(lǐng)域頂級(jí)期刊論文 40 余篇，其中 7 篇論文入選 ESI高被 引 論 文 數(shù) 據(jù) 庫 ，Google 學(xué)術(shù)引用 3 200 余 次 。 擔(dān)任IEEE Communication Magazine、IEEE Access、IET Communications等期刊編委，在國際學(xué)術(shù)會(huì)議上做特邀報(bào)告 7 次，7 次獲得國際學(xué)術(shù)會(huì)議最佳論文獎(jiǎng)。 出版專著譯著 12 部，包括英文專著1部，獲得中華優(yōu)秀出版物圖書獎(jiǎng)。獲得國內(nèi)外授權(quán)技術(shù)發(fā)明專利 59 項(xiàng)，其中轉(zhuǎn)讓 28 項(xiàng)。 曾獲得高等學(xué)?？茖W(xué)研究優(yōu)秀成果獎(jiǎng)（科學(xué)技術(shù)）技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（排名第二）和自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)（排名第一）、中國通信學(xué)會(huì)技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)（排名第一）、茅以升科技獎(jiǎng)北京青年科技獎(jiǎng)、國際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)亞太區(qū)杰出青年科學(xué)家獎(jiǎng)等。

2016-05-11；

：2016-06-06

國 家 重 點(diǎn) 基 礎(chǔ) 研究發(fā)展計(jì)劃（“973”計(jì)劃）基金資助項(xiàng)目（No.2013CB336600）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61361166005）；國家高層次人才特殊支持計(jì)劃項(xiàng)目