劉東升

（華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

5G無線網(wǎng)絡虛擬化演進研究

劉東升

（華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡架構(gòu)已無法滿足未來5G超高速率、超大連接、超低時延的要求，為了解決超密集組網(wǎng)帶來的問題，文章論證了無線網(wǎng)絡虛擬化的必要性和可行性，并給出了面向5G的無線網(wǎng)絡虛擬化演進建議方案。

5G 網(wǎng)絡虛擬化 異構(gòu)網(wǎng) 虛擬層

1 引言

目前移動通信技術(shù)已經(jīng)步入后4G時代，5G相關(guān)標準規(guī)范體系正在快速構(gòu)建中。與3G向4G演進的驅(qū)動力不同，當前工業(yè)4.0、新型城鎮(zhèn)化和智慧城市、消費升級不斷推動社會進步，因此4G向5G的演進將面臨一個需求特征劇烈變革的時代。移動通信技術(shù)的服務對象正在從人變成物，層出不窮的垂直行業(yè)應用使得網(wǎng)絡需求從單一的速率變?yōu)楦咚俾?、低時延、高可靠性、大連接的復雜組合。

2 5G關(guān)鍵特征和無線網(wǎng)絡關(guān)鍵技術(shù)

2.1 5G關(guān)鍵特征

針對5G的需求特點，ITU在其發(fā)布的5G白皮書中定義了5G的三大場景，具體如圖1所示。

ITU同時定義了5G峰值速率、用戶體驗速率、頻譜效率、移動性、時延、連接密度、網(wǎng)絡能效、區(qū)域容量等八方面關(guān)鍵能力，具體如圖2所示。

這些關(guān)鍵能力在不同場景有著不同的需求，具體如圖3所示。

從圖3可以看到，這三類業(yè)務對于關(guān)鍵能力的需求不同。面對如此多樣化的應用場景和業(yè)務能力需求，一方面，需要5G網(wǎng)絡的無線空口資源支持按需分配，與具體業(yè)務類型實現(xiàn)一定程度的解耦，以實現(xiàn)更加靈活的無線資源調(diào)配。相應地，頻譜、幀結(jié)構(gòu)、物理層過程、高層處理流程等協(xié)議設計需要優(yōu)化。另一方面，需要盡可能做到處理能力的軟硬件解耦，按需分配處理能力和資源，實現(xiàn)網(wǎng)絡能力的快速匹配和調(diào)整，以支持包括eMBB、mMTC、uRLLC在內(nèi)的復雜需求，實現(xiàn)更加高效的網(wǎng)絡資源復用和共享。

圖1 5G目標場景

圖2 IMT-Advanced向IMT-2020演進的關(guān)鍵能力增強

圖3 不同使用場景下的關(guān)鍵能力重要性

2.2 5G無線網(wǎng)絡關(guān)鍵技術(shù)

5G無線網(wǎng)絡關(guān)鍵技術(shù)如圖4所示。5G網(wǎng)絡無線側(cè)將引入全新空口。5G F-OFDM技術(shù)（Filtered Orthogonal Frequency Division Multiplexing，靈活自適應正交頻分復用）可以實現(xiàn)可變子載波帶寬的基礎波形，稀疏碼分多址技術(shù)可以提升3倍連接數(shù)，全新信道編碼技術(shù)-極化碼使得系統(tǒng)容量逼近香農(nóng)極限并帶來更高的可靠性，Massive-MIMO技術(shù)（Massive Multiple-Input Multiple-Output，大規(guī)模天線）成倍提升頻譜效率。

5G頻段主要位于3.5 GHz以及6 GHz以上。3.5 GHz頻段可用于大范圍連續(xù)覆蓋，滿足移動性需要，6 GHz以上頻點可用于小微站點，吸收容量。5G網(wǎng)絡的基站形態(tài)將更為豐富，包括宏蜂窩、微蜂窩、微微蜂窩、RRU、有源天線單元、各類分布系統(tǒng)等。

3 無線網(wǎng)絡虛擬化的必要性

無線網(wǎng)絡需要從網(wǎng)絡架構(gòu)上進一步拓展增強“彈性”以支持5G網(wǎng)絡特征和關(guān)鍵技術(shù)，因此業(yè)界均認為無線網(wǎng)絡虛擬化是移動通信網(wǎng)絡演進的必選途徑，具體原因如下。

（1）蜂窩分裂的需要

圖4 5G無線網(wǎng)絡關(guān)鍵技術(shù)

由于5G網(wǎng)絡工作頻段高，覆蓋范圍小，因此5G網(wǎng)絡蜂窩將進一步分裂。為避免頻繁切換，影響用戶感知，有必要淡化傳統(tǒng)蜂窩小區(qū)邊界，讓網(wǎng)絡更好地服務于用戶和業(yè)務。

（2）超密集組網(wǎng)和高速率的需要

大規(guī)模天線和超密集組網(wǎng)等技術(shù)的引入，將導致網(wǎng)絡接入傳輸?shù)膲毫E增，現(xiàn)有的分布式BBU（Base Band Unit，基帶單元）+RRU（Remote Radio Unit，遠端射頻單元）架構(gòu)無法滿足超密集組網(wǎng)時多小區(qū)協(xié)作和干擾控制的要求。

（3）無線資源管理的需要

5G垂直應用場景多樣化，需求各異，例如低時延類業(yè)務需要網(wǎng)絡功能的邊緣部署。面對如此多樣化的應用場景需求，需要無線資源能夠靈活地按需分配，盡可能使得無線資源在不同層面上與具體業(yè)務解耦。同時需要做到硬件和軟件分離，更進一步提高處理能力和資源使用效率，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡能力的快速切片響應。

（4）網(wǎng)絡運營管理的需要

預計4G和5G網(wǎng)絡將長期共存，并且還有窄帶物聯(lián)網(wǎng)這類物聯(lián)網(wǎng)應用為主的網(wǎng)絡，設備平臺種類繁多，網(wǎng)絡管理維護難度大，網(wǎng)絡擴容升級復雜度高。無線虛擬化可使多種類型的網(wǎng)絡管理更加統(tǒng)一高效，網(wǎng)絡擴容升級更加平滑，同時降低了運營商的建設和運營成本。

為此，有必要建立無線網(wǎng)絡資源靈活高效的調(diào)度機制和面向業(yè)務需求的邏輯資源池，逐步實現(xiàn)無線網(wǎng)絡的虛擬化。

4 無線網(wǎng)絡虛擬化架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)

ITU將網(wǎng)絡虛擬化的關(guān)鍵特征定義為將各種網(wǎng)絡資源整合并抽象的能力和網(wǎng)絡間靈活管控的能力。

前期業(yè)界針對網(wǎng)絡虛擬化技術(shù)的研究主要集中在核心網(wǎng)，包括SDN（Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡）、NFV（Network Function Virtualization，網(wǎng)絡功能虛擬化）等。面向垂直行業(yè)的新需求，5G核心網(wǎng)需要支持垂直行業(yè)的多種接入技術(shù)，例如目前國內(nèi)三大運營商已開始部署接入的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。4G核心網(wǎng)承載基礎業(yè)務，5G核心網(wǎng)面向多樣業(yè)務生成差異化網(wǎng)絡。

通過SDN/NFV，推進網(wǎng)絡云化轉(zhuǎn)型，使網(wǎng)絡從中低速向高速、多層級向扁平、剛性向柔性、非智能向智能轉(zhuǎn)型。NFV是一種虛擬多個網(wǎng)絡節(jié)點以便大規(guī)模提供通信服務的服務器虛擬化技術(shù)。為提高網(wǎng)絡的可擴展性、靈活性及效率，NFV將網(wǎng)絡功能從專屬設備轉(zhuǎn)移到運行虛擬化技術(shù)的通用型服務器上。目前國內(nèi)各大運營商都在進行NFV的規(guī)模試點，引入基于NFV技術(shù)的vEPC（virtual Evolved Packet Core，虛擬演進型分組核心），從而提供更為彈性的網(wǎng)絡擴縮容能力。

4.1 無線網(wǎng)的架構(gòu)演進

雖然早年就有軟件定義無線電，但無線網(wǎng)架構(gòu)形態(tài)一直以來沒有發(fā)生顯著的變化。3G和4G典型的網(wǎng)絡架構(gòu)如圖5所示：

圖5 3G和4G典型網(wǎng)絡架構(gòu)

4G時代提出了異構(gòu)網(wǎng)的概念。異構(gòu)網(wǎng)的狹義形態(tài)稱為分層異構(gòu)網(wǎng)，就是在宏蜂窩進行基礎覆蓋的基礎上，微蜂窩用于局部區(qū)域補充，這種宏微協(xié)同分層覆蓋結(jié)構(gòu)在4G網(wǎng)絡中已經(jīng)部署。

然而，一方面受制于基站間X2接口能力，另一方面由于目前4G業(yè)務量對超密集組網(wǎng)的需求并不迫切，多點協(xié)作傳輸和小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)等協(xié)同和抗干擾的關(guān)鍵技術(shù)并未規(guī)模應用，同頻宏蜂窩和微蜂窩的重疊覆蓋區(qū)域內(nèi)極易產(chǎn)生干擾，從而惡化網(wǎng)絡質(zhì)量。尤其當微蜂窩為了分擔更多宏站的業(yè)務負荷，引入小區(qū)范圍擴展技術(shù)時，延伸區(qū)域干擾問題更為突出。因此，目前同頻微蜂窩的使用規(guī)模受到嚴格控制。基于以上分析，4G LTE的異構(gòu)網(wǎng)架構(gòu)在現(xiàn)網(wǎng)中并未真正實現(xiàn)。

4.2 4G無線資源協(xié)同和干擾消除技術(shù)

4G多點協(xié)作傳輸技術(shù)是指地理位置上多個分散蜂窩之間的動態(tài)協(xié)作，協(xié)同參與一個終端的數(shù)據(jù)傳輸或者聯(lián)合接收一個終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，改善小區(qū)邊緣用戶的服務質(zhì)量，從而提高小區(qū)尤其是邊緣吞吐量。

4G小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)可以測量相鄰小區(qū)測量信號和干擾強度并產(chǎn)生干擾信息，通過基站間X2接口消息，相鄰小區(qū)共享干擾信息，鄰小區(qū)之間的X2傳輸時延應短于算法周期。小區(qū)根據(jù)接收到鄰區(qū)的干擾信息，運行干擾協(xié)調(diào)算法確定小區(qū)邊緣的資源塊發(fā)射功率。

4G小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)只能降低業(yè)務信道干擾，不能解決控制信道干擾。3GPP在R10版本中引入了增強型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù)，用于解決異構(gòu)網(wǎng)下的宏微蜂窩干擾問題。但該技術(shù)只能解決業(yè)務信道和控制信道的干擾問題，仍不能有效地解決小區(qū)公共信道干擾問題。

仿真數(shù)據(jù)顯示，以上資源協(xié)同和干擾消除技術(shù)的使用應緊密結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)情況，逐小區(qū)對相關(guān)小區(qū)參數(shù)進行調(diào)整優(yōu)化，否則會影響現(xiàn)網(wǎng)的信噪干擾功率比和小區(qū)吞吐量指標。

4.3 5G無線網(wǎng)絡虛擬化目標架構(gòu)

高階MIMO、大帶寬和低時延的要求使得無線空口物理層難以實現(xiàn)虛擬化，因此目前3GPP關(guān)于5G無線網(wǎng)絡架構(gòu)的討論集中在無線鏈路層控制層協(xié)議的功能劃分上，無線網(wǎng)絡虛擬化的重點也是無線鏈路層中對于時延敏感性較低的業(yè)務，以及無線資源控制等層三功能。根據(jù)IMT-2020推進組對5G網(wǎng)絡架構(gòu)的愿景，5G無線網(wǎng)絡架構(gòu)如圖6所示。

6月29日，市人大常委會召開了一次預算績效管理工作督導會，會上聽取了市財政局、市教育局、市城管局、市衛(wèi)生局等四個單位的工作匯報，深入天門市小板鎮(zhèn)兩個村實地參觀了市城管局“農(nóng)村垃圾集中處理”項目現(xiàn)場。市人大領導對存在的問題和薄弱環(huán)節(jié)提出了整改意見，提出市政府每年至少要召開一次預算績效管理工作專題會議，將預算績效管理工作納入政府考核內(nèi)容范圍；各單位要提高認識，組建專班負責這項工作；市財政局要完善各項制度、建立平臺操作機制、建立自評報告考評機制、建立動態(tài)管理項目機制。

圖6 5G無線網(wǎng)絡虛擬化目標架構(gòu)

4.4 5G無線網(wǎng)絡虛擬化關(guān)鍵技術(shù)

5G時代，超高帶寬、超大連接、超低時延需求將推動無線網(wǎng)絡虛擬化和超密集組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，這離不開靈活高效的無線資源管理和干擾抑制技術(shù)。目前5G無線資源管理及干擾消除技術(shù)、虛擬小區(qū)技術(shù)標準還在研究和探討中。

（1）靈活無線資源管理和干擾抑制技術(shù)

具體包括5G多小區(qū)協(xié)同技術(shù)、多維資源調(diào)度技術(shù)和自適應干擾消除技術(shù)。其中，5G多小區(qū)協(xié)同技術(shù)是4G增強型多點協(xié)作傳輸技術(shù)的進一步演進。

（2）小區(qū)虛擬化技術(shù)

小區(qū)虛擬化技術(shù)包括以用戶為中心的虛擬小區(qū)、虛擬層、軟小區(qū)等技術(shù)。

以用戶為中心的虛擬小區(qū)技術(shù)將多個物理小區(qū)虛擬成一個邏輯小區(qū)，虛擬小區(qū)的資源構(gòu)成可以根據(jù)用戶的移動、業(yè)務需求、無線環(huán)境變化等實現(xiàn)動態(tài)配置和更改。

虛擬層技術(shù)是指通過虛擬層小區(qū)和實體層小區(qū)的劃分，解決超密集組網(wǎng)下頻繁切換重選的問題，并實現(xiàn)更為有效的小區(qū)間協(xié)作。

1）宏微分層：這和4G宏微分層覆蓋系統(tǒng)有著本質(zhì)的區(qū)別。5G分層結(jié)構(gòu)中，宏蜂窩為虛擬層，承載控制信令，負責移動性管理；微蜂窩為實體層，承載業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸。宏蜂窩和微蜂窩深度協(xié)同，顯著提升用戶感知。

2）載波內(nèi)/載波間分層：對于單載波網(wǎng)絡通過不同的信道構(gòu)建虛擬多層網(wǎng)絡，對于多載波網(wǎng)絡則可以通過不同的載波構(gòu)建虛擬多層網(wǎng)絡。

軟小區(qū)技術(shù)結(jié)合波束賦形，精確控制小區(qū)覆蓋范圍，減少干擾。軟小區(qū)技術(shù)可以有效解決小區(qū)公共信道的干擾問題。

圖7 無線網(wǎng)絡虛擬化演進圖

5 無線網(wǎng)絡虛擬化實施建議

在4G向4G+網(wǎng)絡演進的過程中，為了平滑有序地演進，應考慮提前引入符合5G應用場景的虛擬化技術(shù)。

無線網(wǎng)絡虛擬化是一個循序漸進的過程，一方面要基于現(xiàn)網(wǎng)架構(gòu)、配套和傳輸資源逐步推進；另一方面需要結(jié)合無線資源管理和干擾控制協(xié)作技術(shù)的發(fā)展?；跓o線網(wǎng)絡虛擬化是未來網(wǎng)絡發(fā)展的必然方向，因此應通過逐步試點積累經(jīng)驗，積極進行相關(guān)技術(shù)和資源儲備，一種可行的演進途徑如圖7所示。

當前國內(nèi)4G網(wǎng)絡采用BBU和RRU分離，BBU集中放置的部署方式，這是無線網(wǎng)絡虛擬化的雛形。其主要基于分布式基站，將基帶處理單元和遠程射頻單元進行分離，基帶處理單元通常選取在傳輸資源豐富的區(qū)域中心機房集中部署，從而節(jié)省無線站址和相關(guān)配套資源。

此外，由于協(xié)作和干擾消除技術(shù)對于實現(xiàn)網(wǎng)絡虛擬化至關(guān)重要，現(xiàn)階段可對站內(nèi)多點協(xié)作傳輸和小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)進行試點研究，配合審慎的小區(qū)參數(shù)調(diào)整優(yōu)化，為未來大話務量和宏微蜂窩密集組網(wǎng)下性能的保證提供建設和優(yōu)化經(jīng)驗。

后期隨著4G業(yè)務量的不斷增加，網(wǎng)絡需要部署大量小微蜂窩以吸收話務，協(xié)同和干擾消除成為網(wǎng)絡必須解決的首要問題，網(wǎng)絡逐步真正實現(xiàn)蜂窩甚至制式異構(gòu)。為此，在BBU集中放置的基礎上，推進BBU機房內(nèi)的池化，形成真正意義的基帶資源池，實現(xiàn)基帶資源的動態(tài)分配。在提升資源利用率、降低能耗的同時，實現(xiàn)對站間多點協(xié)作傳輸和增強型小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)等技術(shù)的有效支持，從而進一步提升網(wǎng)絡性能。

在5G階段，覆蓋范圍較大的宏蜂窩網(wǎng)絡將演進為虛擬層網(wǎng)絡，主要承載廣播和尋呼等控制消息，實現(xiàn)移動性管理功能。星羅棋布的小微蜂窩主要承載業(yè)務數(shù)據(jù)傳輸，在同一個虛擬層蜂窩下跨小微蜂窩的移動不會產(chǎn)生切換和重選。BBU資源池可進一步裂分為中心控制節(jié)點和遠端控制節(jié)點。中心控制節(jié)點實現(xiàn)高層協(xié)議功能，進行集中控制和統(tǒng)一調(diào)度；遠端控制節(jié)點實現(xiàn)底層協(xié)議功能，有利于快速本地化資源管理和響應，遠端控制節(jié)點可以和MEC（Mobile Edge Computing，移動邊緣計算）合設。不同時期無線網(wǎng)絡蜂窩結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)如圖8所示。

圖8 不同時期無線網(wǎng)絡蜂窩結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

6 結(jié)束語

當前國內(nèi)4G用戶數(shù)已形成相當規(guī)模，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務也將迎來爆發(fā)期，移動網(wǎng)絡承載的業(yè)務量和業(yè)務需求面臨更高的要求。移動核心網(wǎng)已經(jīng)率先邁向虛擬化，而無線網(wǎng)絡蜂窩結(jié)構(gòu)雖然采用不斷分裂及載波聚合等方式，其承載能力仍捉襟見肘。切換、重選、干擾等問題越來越突出，無線網(wǎng)絡規(guī)劃、建設和優(yōu)化面臨重大挑戰(zhàn)，這極大地制約了運營商的業(yè)務拓展。

針對以上背景，無線網(wǎng)絡虛擬化是走向5G時代的必由之路。本文結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)情況和技術(shù)演進，分析了無線資源管理和干擾抑制技術(shù)，小區(qū)虛擬化技術(shù)等虛擬化所需要的關(guān)鍵技術(shù)。提出了逐步試點推進基帶資源池化，多點協(xié)作傳輸和小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)等技術(shù)，為無線網(wǎng)絡向5G的轉(zhuǎn)型升級做準備。

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Research on Evolution of 5G Wireless Network Virtualization

LIU Dongsheng
（Huaxing Consulting and Designing Institute Co., Ltd., Hangzhou 310014, China）

The conventional network architecture can not meet the requirements of ultra high speed, massive connections and ultra-low latency for 5G in the future. In order to deal with the problems of ultra-dense network, the necessity and feasibility of wireless network virtualization were demonstrated, and then the suggested evolution solution to wireless network virtualization oriented to 5G was put forward.

5G network virtualization heterogeneous network virtual layer

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.18.009

TN929.5

A

1006-1010(2017)18-0048-06

劉東升. 5G無線網(wǎng)絡虛擬化演進研究[J]. 移動通信, 2017,41(18): 48-53.

2017-06-30

責任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn

劉東升：高級工程師，學士畢業(yè)于浙江工業(yè)大學通信工程專業(yè)，現(xiàn)任華信咨詢設計研究院有限公司無線院副總工，長期從事移動通信網(wǎng)絡規(guī)劃、設計和研究工作，所負責的規(guī)劃設計項目多次獲得國家和省部級優(yōu)秀設計和咨詢獎。