桑愛(ài)民 聯(lián)發(fā)博動(dòng)科技（北京）有限公司張園園 聯(lián)發(fā)博動(dòng)科技（北京）有限公司鄭伃璇 聯(lián)發(fā)博動(dòng)科技（北京）有限公司

宏蜂窩輔助的5G毫米波通信系統(tǒng)架構(gòu)

桑愛(ài)民 聯(lián)發(fā)博動(dòng)科技（北京）有限公司
張園園 聯(lián)發(fā)博動(dòng)科技（北京）有限公司
鄭伃璇 聯(lián)發(fā)博動(dòng)科技（北京）有限公司

目前，5G系統(tǒng)各項(xiàng)需求指標(biāo)已經(jīng)基本明確，其多元化的業(yè)務(wù)對(duì)系統(tǒng)性能的要求趨于多極化，僅采用一種無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)很難滿(mǎn)足所有業(yè)務(wù)的需求。因此，5G將是一種由多項(xiàng)無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)融合而成的多元化通信系統(tǒng)。隨著對(duì)多種潛在候選技術(shù)研究的逐漸深入，工作于毫米波頻段的微蜂窩技術(shù)獲得了越來(lái)越多的關(guān)注。本文從如何將毫米波微蜂窩與現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)融合的角度出發(fā)，分析了宏蜂窩輔助的毫米波通信系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景，并對(duì)可能的系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行了探討，提出了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)按需分配的方案。

5G 毫米波通信 宏蜂窩輔助

1 引言

近年來(lái)，智能移動(dòng)終端與各種新型應(yīng)用得到了廣泛普及，同時(shí)各種形態(tài)的移動(dòng)終端被越來(lái)越多地應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)中。這種發(fā)展使得移動(dòng)通信系統(tǒng)逐漸超越了“連接人與人”的基本訴求，開(kāi)始向“連接一切”邁進(jìn)。人們的生活方式、工業(yè)的發(fā)展形態(tài)進(jìn)而人類(lèi)社會(huì)的很多方面都在這場(chǎng)變革中被迅速而深刻地改變著，移動(dòng)通信系統(tǒng)中的終端數(shù)目與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量均呈現(xiàn)出爆炸式增長(zhǎng)，現(xiàn)有的移動(dòng)通信系統(tǒng)很難滿(mǎn)足未來(lái)需求的快速增長(zhǎng)。面向2020年及未來(lái)的第五代移動(dòng)通信（5G）便應(yīng)運(yùn)而生。目前，5G愿景與關(guān)鍵能力需求已經(jīng)基本明確。除加強(qiáng)對(duì)傳統(tǒng)的移動(dòng)寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)支持外，5G還將支持海量終端連接和新型低時(shí)延高可靠性通信，各種應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)5G提出不同方面的極端要求，例如機(jī)器類(lèi)型場(chǎng)景要求能夠支持100萬(wàn)/km2設(shè)備的同時(shí)連接。采用任意單一無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)很難滿(mǎn)足所有場(chǎng)景的需求，因此5G將是一種由多項(xiàng)無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)融合而成的多元化通信系統(tǒng)?，F(xiàn)有3/4G系統(tǒng)不會(huì)迅速退出商用，而是會(huì)被整合進(jìn)5G系統(tǒng)中。

與即將面對(duì)的巨大的業(yè)務(wù)需求相對(duì)的是傳統(tǒng)移動(dòng)通信頻譜資源已趨飽和，如何將移動(dòng)通信系統(tǒng)部署在6GHz以上的毫米波（MillimeterWave，MMW）頻段正成為業(yè)界廣泛研究的課題。相比于傳統(tǒng)移動(dòng)通信頻譜的昂貴授權(quán)費(fèi)，MMW頻段中包含若干免授權(quán)頻段，使得MMW的使用成本可能會(huì)降低。MMW頻譜資源極為豐富可以尋找到帶寬為數(shù)百兆甚至數(shù)千兆的連續(xù)頻譜，連續(xù)頻譜部署在降低部署成本的同時(shí)提高了頻譜使用率。

與傳統(tǒng)的6GHz以下頻譜資源相比，MMW頻段更適合用于短距離通信，因?yàn)镸MW頻段的信道傳播路徑損耗較大，空氣或者水分會(huì)對(duì)電波產(chǎn)生很強(qiáng)的吸收作用。然而，由于波長(zhǎng)較短，MMW頻段天然地具有集成射頻元器件實(shí)現(xiàn)緊湊封裝的優(yōu)勢(shì)，即可以把非常多的天線(xiàn)集中在非常小的區(qū)域內(nèi)，這樣便可以方便地使用高指向性的波束賦型（Beam-forming）技術(shù)，用以補(bǔ)償MMW的傳播損耗。MMW信號(hào)穿透性較差很容易因障礙物的遮擋造成信號(hào)大幅度衰減，從而帶來(lái)間歇性通信中斷的問(wèn)題。由于MMW微蜂窩覆蓋范圍小且無(wú)線(xiàn)鏈路變化劇烈不穩(wěn)定，通常會(huì)采用動(dòng)態(tài)波束追蹤（Beam-tracking）算法輔以特別設(shè)計(jì)的移動(dòng)性管理策略來(lái)為移動(dòng)用戶(hù)提供服務(wù)。如果MMW被5G采納，它必將會(huì)與3/4G系統(tǒng)共存相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。如何將MMW微蜂窩系統(tǒng)與現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)融合使得二者揚(yáng)長(zhǎng)避短各自發(fā)揮優(yōu)勢(shì)將變得至關(guān)重要。

2 Macro-assistedMMW系統(tǒng)

考慮到新系統(tǒng)部署成本，MMW微蜂窩系統(tǒng)會(huì)在很多室內(nèi)和室外場(chǎng)景中被逐步部署。起初它可能會(huì)為宏蜂窩提供熱點(diǎn)覆蓋或在特定的區(qū)域獨(dú)立部署，接著在已有的移動(dòng)通信系統(tǒng)上提供連續(xù)的覆蓋，最終實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的密集部署。宏蜂窩輔助的MMW（MacroassistedMMW）系統(tǒng)就是在持續(xù)演進(jìn)的LTE/LTE-A網(wǎng)絡(luò)上重疊覆蓋MMW微蜂窩。考慮到MMW的電波特性，通過(guò)宏蜂窩的輔助，MMW可以為用戶(hù)提供可靠性好、覆蓋率高、使用經(jīng)濟(jì)且QoS多樣化的移動(dòng)業(yè)務(wù)。針對(duì)5G對(duì)用戶(hù)連接密度的極端要求和MMW微蜂窩所能支持的用戶(hù)移動(dòng)速度，主要考慮了幾個(gè)重要的應(yīng)用部署場(chǎng)景，具體參見(jiàn)圖1。

MMW基站既可以獨(dú)立為用戶(hù)提供接入和服務(wù)，也可以依賴(lài)宏基站的控制與用戶(hù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。Macro-assistedMMW系統(tǒng)需要采取合適的系統(tǒng)架構(gòu)達(dá)到其在用戶(hù)體驗(yàn)速率、網(wǎng)絡(luò)容量、移動(dòng)性能等關(guān)鍵性能的設(shè)計(jì)目標(biāo)。選擇何種融合方式，需要基于一些對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的基本假設(shè)，其中比較重要的就是回程線(xiàn)路（Backhaul）的容量和傳輸時(shí)延。理想的Backhaul一般都需要光纖，但新建光纖存在部署困局，投資回報(bào)困難，一些區(qū)域的光纖建設(shè)面臨入場(chǎng)難、要價(jià)高的問(wèn)題，尤其在密集網(wǎng)絡(luò)部署的情況下，光纖無(wú)法全面覆蓋，所以在實(shí)際系統(tǒng)中并非處處都可獲得，這就限制了必須使用理想Backhaul才能實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的可用范圍。相反，利用無(wú)線(xiàn)回傳具有成本低、易部署的優(yōu)點(diǎn)，使用MMW正逐漸成為實(shí)現(xiàn)微蜂窩回傳的重要解決手段。但利用MMW做回傳很難達(dá)到理想Backhaul要求的微秒級(jí)的傳輸時(shí)延。例如，目前的E-Band可以很容易實(shí)現(xiàn)Gbit/s的數(shù)據(jù)速率，同時(shí)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸時(shí)延可以在幾個(gè)毫秒甚至是毫秒級(jí)以下。

圖1 Macro-assistedMMW幾種重要的應(yīng)用部署場(chǎng)景

基于對(duì)非理想Backhaul的假設(shè)，MMW蜂窩可以在協(xié)議層（L2/3）上與宏蜂窩進(jìn)行融合，可以借鑒3GPP標(biāo)準(zhǔn)化的雙連接（Dual Connectivity，DuCo）的方式實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)控制/數(shù)據(jù)解耦（C/USplit）是5G系統(tǒng)架構(gòu)的趨勢(shì)，DuCo為實(shí)現(xiàn)C/U解耦提供了很好的技術(shù)基礎(chǔ)和市場(chǎng)鋪墊；而且C/U解耦是非常通用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同樣可以用于Macro-assistedMMW系統(tǒng)。

3 Macro-assistedMMW系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 控制面的系統(tǒng)架構(gòu)

基于C/U解耦的基本原則，宏蜂窩主要負(fù)責(zé)用戶(hù)的接入管理、網(wǎng)絡(luò)連接控制，以及包括廣播信息、尋呼消息、NAS消息等重要控制消息的傳輸和移動(dòng)性管理。其他的無(wú)線(xiàn)資源控制（RRC）的功能和流程，可以采用兩種系統(tǒng)架構(gòu)，即集中式RRC和分布式RRC，具體參見(jiàn)圖2。注：相對(duì)高速是以MMW微蜂窩系統(tǒng)所能支持的用戶(hù)移動(dòng)速度為限。當(dāng)用戶(hù)的移動(dòng)速度超過(guò)這個(gè)限制，將可能只與宏蜂窩通信以保證用戶(hù)的移動(dòng)性能和業(yè)務(wù)質(zhì)量。

圖2 集中式RRC和分布式RRC

集中式RRC目前已經(jīng)被3GPP標(biāo)準(zhǔn)采用，不論是對(duì)網(wǎng)絡(luò)還是用戶(hù)都實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，并與現(xiàn)有系統(tǒng)有很好的兼容性。在未來(lái)密集部署的網(wǎng)絡(luò)中所存在的海量終端連接，雖然MMW微蜂窩通過(guò)分布式RRC可以為宏蜂窩分擔(dān)一部分控制功能，但這種優(yōu)勢(shì)相較于集中式RRC優(yōu)勢(shì)并不顯著，都要求宏基站有非常強(qiáng)大的處理能力和豐富的無(wú)線(xiàn)資源。在集中式RRC中，MMW資源配置信息都要通過(guò)宏基站來(lái)傳輸，宏基站和MMW基站之間的信息交互、協(xié)作會(huì)引入額外的配置時(shí)延。對(duì)于LTE/LTEA系統(tǒng)，額外的配置時(shí)延不會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能帶來(lái)很大的影響。但MMW對(duì)無(wú)線(xiàn)環(huán)境的影響很敏感，存在遮擋問(wèn)題，信道變化快，對(duì)于中高速移動(dòng)的用戶(hù)尤為明顯，這就需要用戶(hù)能及時(shí)有效地得到與當(dāng)前MMW無(wú)線(xiàn)鏈路狀況最為匹配的配置信息。而分布式RRC在縮短配置時(shí)延上比集中式RRC更具有優(yōu)勢(shì)。MMW從物理層上來(lái)看是全新的傳輸技術(shù)，與LTE/LTE-A相比，對(duì)用戶(hù)處理能力的要求差別很大，且集中體現(xiàn)在基帶和射頻上。因此，宏基站和MMW基站并不需要像DuCo那樣進(jìn)行非常緊密的協(xié)作溝通。通過(guò)分布式RRC，MMW基站可以根據(jù)用戶(hù)當(dāng)前的信道狀況和業(yè)務(wù)特點(diǎn)直接做資源配置。但會(huì)帶來(lái)額外的處理復(fù)雜度，需要用戶(hù)支持來(lái)自不同基站的并行的RRC流程。

根據(jù)以上分析，表1總結(jié)了集中式RRC和分布式RRC在Macro-assistedMMW系統(tǒng)中的優(yōu)缺點(diǎn)。當(dāng)用戶(hù)處于靜止或低速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，并且遮擋問(wèn)題不嚴(yán)重，MMW信道變化相對(duì)緩慢，對(duì)資源配置的時(shí)延不敏感，就可以沿用集中式RRC的架構(gòu)；當(dāng)用戶(hù)處于中速或高速運(yùn)動(dòng)中，或遮擋問(wèn)題嚴(yán)重，信道變化相對(duì)劇烈，就會(huì)對(duì)資源配置的時(shí)延比較敏感，這時(shí)適合采用分布式RRC的架構(gòu)。

3.2 數(shù)據(jù)面的系統(tǒng)架構(gòu)

Macro-assistedMMW用戶(hù)面系統(tǒng)架構(gòu)主要考慮是否支持相同數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)承載（DRB）在不同數(shù)據(jù)通道上的傳輸和MMW基站從何處獲得用戶(hù)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。Macro-AssistedMMW系統(tǒng)可以采用3種系統(tǒng)架構(gòu)。

表1 集中式RRC和分布式RRC的比較

如圖3所示，方式1中用戶(hù)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)會(huì)不經(jīng)由宏基站而直接從SGW通過(guò)MMW基站傳輸給用戶(hù)；方式2中，用戶(hù)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)會(huì)從SGW由宏基站轉(zhuǎn)發(fā)給MMW基站。這兩種方式可以實(shí)現(xiàn)C/U完全解耦。方式3中用戶(hù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)除了會(huì)由宏基站轉(zhuǎn)發(fā)給MMW基站，還會(huì)參與到用戶(hù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸中。

方式1不能解決MMW間歇性鏈路中斷的問(wèn)題，因?yàn)橐坏┌l(fā)生MMW鏈路中斷，就需要核心網(wǎng)參與到SGW與不同基站之間的數(shù)據(jù)通道的轉(zhuǎn)換。這不僅會(huì)對(duì)核心網(wǎng)產(chǎn)生頻繁的信令交互，還會(huì)引起數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛啵赃@種架構(gòu)無(wú)法為用戶(hù)提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)速率體驗(yàn)。

方式2和3對(duì)Backhaul的要求會(huì)很高，尤其是在超密集用戶(hù)連接的場(chǎng)景中，由于宏基站負(fù)責(zé)為MMW基站轉(zhuǎn)發(fā)用戶(hù)數(shù)據(jù)，這對(duì)宏基站的處理能力和存儲(chǔ)器的容量都將是巨大的挑戰(zhàn)，并且宏基站到SGW的Back-haul很容易因用戶(hù)數(shù)龐大而造成網(wǎng)絡(luò)擁塞。但這兩種架構(gòu)的好處是，當(dāng)MMW出現(xiàn)間歇性鏈路中斷時(shí)，不需要執(zhí)行SGW與不同基站之間的數(shù)據(jù)通道的轉(zhuǎn)換，從而避免了對(duì)核心網(wǎng)產(chǎn)生的頻繁的信令交互。在方式2中數(shù)據(jù)傳輸也是中斷的；而方式3卻可以在宏蜂窩上持續(xù)地為用戶(hù)提供數(shù)據(jù)傳輸，幫助穩(wěn)定用戶(hù)的數(shù)據(jù)速率體驗(yàn)，不過(guò)這時(shí)用戶(hù)還是會(huì)感受數(shù)據(jù)速率的突降，同時(shí)需要注意到這樣的優(yōu)勢(shì)也只有當(dāng)宏蜂窩處于輕度或中度負(fù)載時(shí)才會(huì)體現(xiàn)。

圖3 Macro-assistedMMW數(shù)據(jù)面架構(gòu)

表2 3種數(shù)據(jù)面架構(gòu)的比較

方式3需要宏基站對(duì)MMW基站進(jìn)行非常頻繁的流量控制，在超密集用戶(hù)連接的場(chǎng)景中，帶來(lái)的復(fù)雜度和信令開(kāi)銷(xiāo)都是不可想像的，同時(shí)在Macro-assisted MMW系統(tǒng)中LTE和MMW能夠達(dá)到的數(shù)據(jù)速率差異非常大，LTE這條鏈路將可能是影響整個(gè)UE用戶(hù)體驗(yàn)速率的瓶頸。

根據(jù)以上分析，表2總結(jié)了這3種方式在Macro-assistedMMW系統(tǒng)中的優(yōu)缺點(diǎn)。由于上述3種數(shù)據(jù)面的架構(gòu)都沒(méi)有辦法很好地適應(yīng)MMW在實(shí)際環(huán)境中存在的問(wèn)題，就考慮是否可用其他的數(shù)據(jù)面架構(gòu)來(lái)解決。可能的方式是在采用用戶(hù)與多個(gè)MMW基站的多連接，這樣用戶(hù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)多個(gè)MMW基站的協(xié)作來(lái)為用戶(hù)傳輸，所以當(dāng)其中一個(gè)MMW鏈路出現(xiàn)中斷的時(shí)候，可以快速地通過(guò)另外可用的MMW鏈路繼續(xù)傳輸。只有當(dāng)所有的MMW鏈路都出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候，才有可能需要核心網(wǎng)對(duì)其做SGW到宏基站的數(shù)據(jù)通道的轉(zhuǎn)換?？紤]到MMW微蜂窩系統(tǒng)是噪聲受限系統(tǒng)而非干擾受限系統(tǒng)，MMW每個(gè)小區(qū)的小區(qū)邊界沒(méi)有非常明確，所以同一個(gè)用戶(hù)可以同時(shí)檢測(cè)到幾個(gè)MMW小區(qū)，這也為實(shí)現(xiàn)與MMW基站的多連接提供了天然的有利條件。

圖4 ORCA設(shè)定的3種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

4 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)按需配置

在實(shí)際系統(tǒng)中，沒(méi)有一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以以最優(yōu)的方式滿(mǎn)足5G用戶(hù)多樣化的需求，動(dòng)態(tài)變化的無(wú)線(xiàn)環(huán)境以及不同的應(yīng)用場(chǎng)景，Macro-assistedMMW系統(tǒng)需要一種靈活的系統(tǒng)架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)控制面和數(shù)據(jù)面的按需分配（On-demandRe-configurableControlPlaneandUser PlaneArchitecture，ORCA/ORUA），這樣對(duì)應(yīng)特定的場(chǎng)景都可以有與之對(duì)應(yīng)的最優(yōu)化的配置方式。ORCA/ ORUA都是保持系統(tǒng)的硬件架構(gòu)不變，但是會(huì)在這樣的硬件架構(gòu)上面通過(guò)軟件配置來(lái)實(shí)現(xiàn)不同架構(gòu)。圖4 以O(shè)RCA為例，進(jìn)行了3種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)定。設(shè)定1是只通過(guò)MMW基站進(jìn)行RRC的連接和控制，設(shè)定2是使用集中式的RRC，設(shè)定3是使用分布式的RRC。用戶(hù)和網(wǎng)絡(luò)都可以基于實(shí)時(shí)的需求去觸發(fā)不同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的軟件配置。ORCA/ORUA還可以通過(guò)虛擬小區(qū)的技術(shù)結(jié)合SDN和NFV演進(jìn)成為C-RAN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),這樣SGW成為可以對(duì)MMW進(jìn)行基帶處理的集中式BBU，而MMW基站則退化為RRU。通用的架構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮很多不同的場(chǎng)景，要想使網(wǎng)絡(luò)的硬件部署能長(zhǎng)期持久不頻繁改變，就需要它能很好地適應(yīng)業(yè)務(wù)密度、用戶(hù)的移動(dòng)速率、或者新的接入技術(shù)的引進(jìn)而帶來(lái)的應(yīng)用場(chǎng)景的變化。這樣就使得接入網(wǎng)架構(gòu)軟件配置成為非常自然的選擇并與SDN的概念是一致的。

5 結(jié)束語(yǔ)

5G系統(tǒng)將是一個(gè)多種無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)共存的多元化的通信系統(tǒng)。本文探討了通過(guò)Macro-assisted的方式使毫米波與LTE/LTE-A進(jìn)行融合來(lái)滿(mǎn)足5G的各項(xiàng)需求。根據(jù)C/U解耦的基本原則，分別從控制面和數(shù)據(jù)面評(píng)估了多種Macro-assistedMMW的系統(tǒng)架構(gòu)，但這些系統(tǒng)架構(gòu)都不能完美地適應(yīng)MMW本身的頻率特性以及適應(yīng)其在實(shí)現(xiàn)傳輸環(huán)境中存在的問(wèn)題。考慮到5G用戶(hù)多樣化的需求，動(dòng)態(tài)變化的無(wú)線(xiàn)環(huán)境以及不同的應(yīng)用場(chǎng)景，需要Macro-assistedMMW的系統(tǒng)架構(gòu)可以靈活自適應(yīng)地進(jìn)行按需配置，同時(shí)也能為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商和終端廠商提供一種經(jīng)濟(jì)的向后兼容的解決方案。

1 IMT-2020(5G)推進(jìn)組.5G愿景和需求白皮書(shū).2014,5

2 IMT-2020(5G)推進(jìn)組.5G概念白皮書(shū).2015,2

3 EU METIS.Summary on Preliminary Trade-off Investigations andFirstSetofPotentialNetwork-levelSolutions.ICT-317669-METIS/D4.1

4 ITU-WP5D-929.Report on theTwenty-first Meeting ofWorkingParty5D.2015

5 NGMNAlliance.NGMN5GWhitePaper.2015

6 Peng Wang,Yonghui Li,Lingyang Song,and Branka Vucetic. Multi-gigabit Millimeter Wave Wireless Communications for 5G:From FixedAccess to Cellular Networks.IEEE CommunicationsMagazine.2015

7 3GPP Specification TS36.842,V12.0.0.Study on Small Cell Enhancements for E-UTRA and E-UTRAN;Higher Layer Aspects

5GMillimeterWaveCommunicationSystemArchitecturewith Macro-assisted

5Gmobilecellularsystemwillneedtosupportdrasticallydifferentperformancerequirementsinawiderangeofdiversified scenarios.Multiple radio access technologies are expected to be integrated within 5G system and the millimeter wave(MMW)technologyisenvisionedasoneofthekeycomponentsfor5Gsystemtoaccessfruitfulspectrumresourcesover higher(>6GHz)frequencybands.InordertointegratetheMMWsmallcellsintotheexistingcellularnetwork,thispaperanalyzes the scenarios for macro-assisted MMW system,investigates the design tradeoff among different architecture alternativesanddiscussesthepossibledirectionfor5Gmacro-assistedMMWaccesssystemdesign.

5G,MMW,Macro-assisted

2015-04-30）