曲 樺 ，欒智榮 ，趙季紅 ，2，徐西光 ，張 濤

（1.西安交通大學電子與信息工程學院 西安710049；2.西安郵電大學通信與信息工程學院 西安 710061）

1 引言

移動通信已經(jīng)改變了人們的生活，隨著人們對高性能移動通信的不斷追求，5G移動通信系統(tǒng)的研發(fā)在全世界受到廣泛關注[1]。5G移動通信系統(tǒng)是面向2020年以后社會信息需求的無線通信系統(tǒng)，其支持業(yè)務總速率要達到10 Gbit/s，空中接口頻譜效率和功率效率相較于4G要提升 10 倍[1]。

5G典型場景涉及未來人們居住、工作、休閑和交通等各種區(qū)域，特別是密集住宅區(qū)、辦公室、體育場、露天集會、地鐵、快速路、高鐵和廣域覆蓋等場景[1]。從5G的典型應用場景可以看出，未來的通信網(wǎng)絡需要在各種復雜的網(wǎng)絡環(huán)境中時刻為用戶提供良好的無線傳輸服務。同時，5G網(wǎng)絡還需要根據(jù)不同用戶的業(yè)務需求，為用戶制定有針對性的服務方案，體現(xiàn)個性化的網(wǎng)絡服務。

在用戶對無線傳輸需求的驅使下，無線網(wǎng)絡提升了傳輸性能，但也出現(xiàn)了新的技術挑戰(zhàn)。無線網(wǎng)絡空中接口技術的不斷更新導致了多種接入技術并存的現(xiàn)狀。目前的無線接入網(wǎng)絡包含GSM網(wǎng)絡、CDMA網(wǎng)絡、3G網(wǎng)絡、LTE網(wǎng)絡等，不同制式的網(wǎng)絡體現(xiàn)出縱向分布、相互封閉的特點。傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構下，不同制式的網(wǎng)絡由各自獨立的控制單元進行管理，網(wǎng)絡間缺乏信息交互與協(xié)同，這限制了網(wǎng)絡性能。

未來的5G網(wǎng)絡是一個多種無線接入技術并存的網(wǎng)絡，為了最大化網(wǎng)絡性能，需要提出一種全新的網(wǎng)絡架構，統(tǒng)一管理不同的接入網(wǎng)絡，實現(xiàn)提高網(wǎng)絡傳輸速率和頻譜效率的目標。通過分析當前無線網(wǎng)絡控制架構的缺陷和未來無線網(wǎng)絡需求，本文提出了一種新的基于軟件定義的以用戶為中心的無線網(wǎng)絡控制架構。該架構一方面借鑒軟件定義的思想控制不同制式的網(wǎng)絡，另一方面以用戶為中心，保證每個用戶的傳輸性能，為用戶提供個性化的傳輸服務。

2 現(xiàn)有無線網(wǎng)絡存在的問題

現(xiàn)有無線異構網(wǎng)絡是一種多種制式網(wǎng)絡并存的無線接入環(huán)境，并朝著越來越密集的方向發(fā)展。通過對現(xiàn)有相關研究[2～8]的分析，將無線網(wǎng)絡存在的問題歸納如下。

2.1 從網(wǎng)絡的角度

首先，現(xiàn)有無線網(wǎng)絡架構缺乏協(xié)同感知網(wǎng)絡環(huán)境的能力。頻譜資源有限，密集網(wǎng)絡中存在嚴重干擾。如何協(xié)調網(wǎng)絡間資源是密集異構網(wǎng)絡能否充分發(fā)揮性能的關鍵。有效的資源管理需要基站和用戶在局部和大范圍協(xié)同感知網(wǎng)絡環(huán)境，并交互信息?，F(xiàn)有的相關協(xié)作處理方案研究大都假設網(wǎng)絡之間的信息可以任意交互，而實際上接入網(wǎng)并沒有統(tǒng)一的信息交互協(xié)作處理平臺。

其次，網(wǎng)絡中信令開銷與信息交互量會占用大量網(wǎng)絡資源。無線資源協(xié)同管理的前提是網(wǎng)絡節(jié)點（基站和終端）間的數(shù)據(jù)交互。為了更好地提供網(wǎng)絡服務，未來的網(wǎng)絡會在局部（如多基站為一個用戶服務）和大范圍（如頻譜資源動態(tài)規(guī)劃等）共同進行協(xié)作?；诓煌６鹊膮f(xié)作都依賴于大量的信息交互，包括環(huán)境信息、控制信息等。隨著網(wǎng)絡的逐漸密集部署，節(jié)點數(shù)量急劇增加，信息交互的開銷會爆炸式增長，從而占據(jù)大量網(wǎng)絡資源，而信息本身的可靠性也影響了網(wǎng)絡性能的發(fā)揮。如何降低信令開銷并增加信息的頑健性是未來密集網(wǎng)絡迫切需要解決的問題。

再次，不同制式的網(wǎng)絡難以協(xié)調資源。現(xiàn)有網(wǎng)絡可以通過協(xié)作通信小范圍協(xié)調同制式的網(wǎng)絡資源，而缺少不同制式網(wǎng)絡的資源協(xié)調能力，網(wǎng)絡無法利用所有網(wǎng)絡為用戶提供可靠的服務。雖然同制式網(wǎng)絡的負載均衡已經(jīng)得到廣泛研究，但不同網(wǎng)絡間的負載均衡問題難以解決。需要提出一種網(wǎng)絡資源的統(tǒng)一管理方法（稱為接入網(wǎng)絡的虛擬化技術），以統(tǒng)一調配無線資源，實現(xiàn)不同網(wǎng)絡的負載均衡與協(xié)作，將所有無線網(wǎng)絡虛擬化為統(tǒng)一的無線資源。

最后，用戶的個性化服務難以實現(xiàn)。網(wǎng)絡資源控制以小區(qū)為單位，難以顧及網(wǎng)絡中的每個用戶，尤其是處于多個網(wǎng)絡邊緣的用戶。網(wǎng)絡之間的獨立性和封閉性降低了處于多個網(wǎng)絡覆蓋下用戶的性能。

2.2 從用戶的角度

網(wǎng)絡環(huán)境越發(fā)復雜，而對于用戶來說，相較于越來越復雜的網(wǎng)絡，用戶則希望感受到更簡潔的網(wǎng)絡服務。而對網(wǎng)絡本身沒有感受，終端需要做的決策越少越好，不論用戶處于何種場景（多網(wǎng)絡、單網(wǎng)絡、密集、松散），用戶只是希望得到高速服務，而不用關心具體的過程。對用戶來說，現(xiàn)有密集網(wǎng)絡的管理方法存在以下問題。

首先，用戶需要繁瑣的網(wǎng)絡選擇方法，人為選擇不同制式的網(wǎng)絡，如Wi-Fi、LTE等。而這種網(wǎng)絡選擇方法不一定能保證用戶始終處于最佳通信質量。同時，由于用戶數(shù)量大，這種網(wǎng)絡選擇方式也大大增加了信令開銷和控制開銷。

其次，網(wǎng)絡穩(wěn)定性和公平性差。用戶大都以自身的通信狀態(tài)和網(wǎng)絡剩余負載作為網(wǎng)絡接入的參考依據(jù)，忽視了其他用戶的網(wǎng)絡感受。用戶在網(wǎng)絡中的服務質量不穩(wěn)定，不同用戶間的服務質量公平性差。同時，隨著用戶的移動，在多種網(wǎng)絡間進行網(wǎng)絡選擇會產生大量切換，降低了網(wǎng)絡傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

根據(jù)上述分析，5G網(wǎng)絡需要一種全新的網(wǎng)絡架構，這種網(wǎng)絡架構需要體現(xiàn)出更針對用戶、更靈活、更開放、更易操作的特性。

3 相關研究

目前已經(jīng)有大量國內外研究機構針對5G無線網(wǎng)絡架構展開研究。為了高效地控制無線網(wǎng)絡，相關5G無線網(wǎng)絡架構研究都引入了軟件定義的思想，以實現(xiàn)對無線網(wǎng)絡的統(tǒng)一控制。

對于國內的5G架構相關研究，中國移動通信集團公司提出了C-RAN架構[9]，通過RRU和BBU的分離，設計了虛擬基站集群的架構模式，由集中式的基站資源池統(tǒng)一控制無線資源，實現(xiàn)實時物理資源的全局最優(yōu)。中國電信集團公司提出了一種基于SDN的虛擬化融合移動核心控制網(wǎng)絡架構[10]，將網(wǎng)絡劃分為業(yè)務層、控制層、轉發(fā)層、接入層，能夠支持包括2G網(wǎng)絡、3G網(wǎng)絡、Wi-Fi網(wǎng)絡、LTE網(wǎng)絡等在內的多種接入技術。中興通訊股份有限公司提出了一種基于云的網(wǎng)絡架構[11]，主要包含3部分結構：無線云，將無線接入網(wǎng)虛擬化；網(wǎng)絡功能云，具備無線控制功能與核心網(wǎng)功能；業(yè)務云，提供各種業(yè)務服務。清華大學提出了OpenRAN架構[12]，該架構提出無線接入點以支持多種接入制式，可以根據(jù)具體網(wǎng)絡需求更改傳輸協(xié)議，在上層利用SDN控制器實現(xiàn)網(wǎng)絡的集中式控制。

在國外的5G架構研究中，美國斯坦福大學的團隊已經(jīng)獲得大量研究成果。斯坦福大學提出的Open Radio技術[13]，在無線協(xié)議棧中加入可編程無線數(shù)據(jù)平面，該平面模塊化和可編程接口聲明。這種設計允許運營商根據(jù)功能需求靈活生成控制協(xié)議。另外，斯坦福大學還提出了SoftRAN架構[6]。該架構是一個集中式的軟件定義無線接入網(wǎng)，為有效執(zhí)行切換和分配無線資源，對所有LTE基站進行集中控制，所有基站被抽象為一個虛擬元素，由一個邏輯中央控制器管理。另外，還有一些研究[4,14]從總體架構的角度提出需要在無線接入網(wǎng)上層增加一個軟件定義控制層，主要描述了網(wǎng)絡功能和粗略網(wǎng)絡架構，沒有給出詳細的架構。

4 一種基于軟件定義的以用戶為中心的網(wǎng)絡架構

目前已有的5G網(wǎng)絡架構研究的關注點大都集中在如何統(tǒng)一管理不同制式的基站，而忽略了對用戶的管理。用戶依然需要繁瑣的網(wǎng)絡選擇和優(yōu)化才能擁有較好的通信質量。針對上述問題，提出了一種基于軟件定義思想的以用戶為中心的網(wǎng)絡架構。該架構同時考慮了未來網(wǎng)絡的演進需求和用戶簡單化的接入需求，一方面利用集中式的方法統(tǒng)一控制不同制式的接入網(wǎng)絡，另一方面針對每一個用戶優(yōu)化網(wǎng)絡資源。

圖1表示一種以用戶為中心的網(wǎng)絡結構。以用戶為中心設定小區(qū)，用戶可以與其通信范圍內的所有基站通信，基站可以是傳統(tǒng)的基站，也可以是多模基站（能夠使用不同制式通信）。該架構打破了以往以基站為中心的小區(qū)概念，改為針對每個用戶進行無線資源管理和優(yōu)化。

以用戶為中心的網(wǎng)絡架構包含3層結構：接入層、本地控制與資源層、控制層。接入層負責用戶數(shù)據(jù)的無線傳輸，本地控制與資源層由每個基站的本地控制器（local controller，LC）構成，控制層用軟件定義的方式為每個用戶生成一個虛擬用戶控制器（virtual user controller，VUC），該 VUC 能夠控制與這個用戶通信的所有基站。LC受VUC的控制，具體執(zhí)行無線資源管理過程。3個層的功能具體介紹如下。

圖1 以用戶為中心的網(wǎng)絡架構示意

（1）接入層

在接入層，用戶根據(jù)其附近的無線接入點信號強度構建以用戶為中心的小區(qū)。傳統(tǒng)小區(qū)中，基站是小區(qū)的中心，一個基站能夠為多個用戶提供服務。隨著無線網(wǎng)絡的密集化，傳統(tǒng)小區(qū)難以保證其邊緣用戶的性能，不同小區(qū)的負載不易均衡?？紤]到無線接入點的密集化，提出了以用戶為中心的小區(qū)。相較于傳統(tǒng)小區(qū)，以用戶為中心的小區(qū)更強調每個用戶的性能，用戶是小區(qū)的中心，每個用戶可以由多個基站提供服務。由于不同無線接入點的發(fā)射功率不同，以用戶為中心的小區(qū)形狀不規(guī)則。以用戶為中心的小區(qū)生成過程可以描述為：用戶檢測周圍無線接入點信號強度；將所檢測的無線信號強度與預先設定的功率門限對比，如果高于此門限，則認為該無線接入點能夠為其服務。由于實際網(wǎng)絡中用戶的位置在發(fā)生變化，同時，通信環(huán)境也在發(fā)生變化，所以對無線接入點的檢測是一個在線的過程，以用戶為中心的小區(qū)會隨時根據(jù)網(wǎng)絡環(huán)境的變化而改變。用戶可以根據(jù)基站的負載情況、信號質量等因素選擇與其小區(qū)中的多個基站同時通信。

（2）本地控制與資源層

本地控制與資源層負責控制每個基站的底層物理資源。LC是一種模塊化的BBU結構，為不同制式的通信協(xié)議提供統(tǒng)一的控制平臺。相較于傳統(tǒng)BBU，LC對所有物理層控制功能進行模塊化，如調制形式、編碼形式等。每個LC通過對模塊的選擇實現(xiàn)物理層資源管理，它具有足夠的靈活性，以實現(xiàn)不同制式的通信。不同制式的通信系統(tǒng)在物理層中都需要實現(xiàn)諸如卷積、FFT、信道估計、交織等功能見表1，同時這些功能在不同制式的通信系統(tǒng)中只是所選取的參數(shù)或類型不同。隨著硬件的快速發(fā)展，已有功能強大的商用DSP平臺可以全面地實現(xiàn)表1中的所有功能。因此，可以將BBU中不同的處理功能進行模塊化設計，這樣BBU可以根據(jù)上層發(fā)來的控制信息選擇特定制式通信所需要的處理模塊進行通信。這種將控制和數(shù)據(jù)分離的架構，使得控制協(xié)議與處理硬件解耦，減小了控制協(xié)議更新?lián)Q代的成本。由于以前控制協(xié)議與處理硬件之間的緊耦合關系，更新協(xié)議必須同時更新處理硬件，所以更新成本很大。這是一種物理層資源虛擬化理念，能夠實現(xiàn)不同制式、不同網(wǎng)絡狀態(tài)的無線資源的統(tǒng)一管理。上層控制單元通過統(tǒng)一的控制信令就能夠統(tǒng)一管理所有的無線接入點。

表1 各制式物理層功能模塊

（3）控制層

控制層的集中控制器通過軟件定義的形式管理資源層的LC。集中控制器為每個用戶虛擬化出一個VUC。VUC用于管理與該用戶通信的所有基站，以便為用戶提供隨時隨地的高質量無線傳輸服務。VUC根據(jù)用戶當前的業(yè)務需求和每個基站當前的通信環(huán)境、負載情況等信息，管理由哪些基站進行通信。同時，VUC也負責控制這些基站的頻譜資源，以減小基站間的干擾，最大化頻譜效率。VUC之間具有自組織功能，主要用于協(xié)調不同用戶之間的資源，通過協(xié)同管理的方法降低用戶間干擾，以均衡不同用戶間的性能，提高網(wǎng)絡的頻譜效率。

該架構的優(yōu)點可以概括如下。

· 不同于傳統(tǒng)的以基站為中心的小區(qū)，一個基站為多個用戶服務，其根據(jù)用戶附近無線接入點信號強度，構建以用戶為中心的小區(qū)，小區(qū)內的基站為用戶服務，不僅可以在復雜的網(wǎng)絡環(huán)境中為用戶提供良好的無線傳輸服務，保證每個用戶的通信質量，還能夠根據(jù)不同用戶對業(yè)務的不同需求，為用戶提供有針對性的個性化服務。

·通過接入層基站和用戶在局部和大范圍協(xié)同感知網(wǎng)絡環(huán)境，使得在密集異構網(wǎng)絡下合理協(xié)調網(wǎng)絡間資源成為可能。而且通過無線資源的協(xié)同管理，實現(xiàn)了不同網(wǎng)絡的負載均衡與協(xié)作，降低了網(wǎng)絡中的干擾，提升了頻譜效率。

·對物理層控制功能的模塊化實現(xiàn)了所有無線接入點的統(tǒng)一控制，使得網(wǎng)絡具有足夠的靈活性。同時，模塊化的設計可以根據(jù)上層發(fā)來的控制信息選擇特定制式通信所需要的處理模塊進行通信，打破了不同網(wǎng)絡間相互隔離的問題。另外，這種將控制和處理分離的架構，使得控制協(xié)議與處理硬件解耦，減小了控制協(xié)議更新?lián)Q代的成本。

·提出了基于軟件定義的虛擬用戶控制器概念，VUC管理用戶小區(qū)中的所有基站，根據(jù)用戶的業(yè)務需求和當前的無線網(wǎng)絡環(huán)境為用戶選擇合適的網(wǎng)絡制式，不需要用戶人為地選擇網(wǎng)絡，大大降低了信令的開銷與控制成本，提高了網(wǎng)絡的公平性。同時通過VUC之間的自組織功能，為多個用戶合理分配網(wǎng)絡資源，提升了網(wǎng)絡的穩(wěn)定性。

5 結束語

未來無線網(wǎng)絡將朝著密集、異構的方向發(fā)展，不同網(wǎng)絡間的封閉性限制了網(wǎng)絡性能。通過分析當前網(wǎng)絡存在的問題和已有的相關5G網(wǎng)絡架構，提出了一種基于軟件定義的以用戶為中心的新型無線網(wǎng)絡架構，該架構能夠為用戶提供個性化的服務。本文從功能的角度對所提出的架構進行了描述，5G網(wǎng)絡架構各個模塊的細化功能還有待進一步研究。

1 IMT-2020(5G)推進組.5G愿景與需求白皮書,2014 IMT-2020(5G)Promoting Group.5G Vision and Demand White Paper,2014

2 Costanzo S,Galluccio L,Morabito G,et al.Software defined wireless networks:unbridling sdns.Proceedings of European Workshop on the Software Defined Networking(EWSDN),Roma,Italy,2012

3 Ali-Ahmad H,CicconettiC,DeLaOlivaA,etal.An SDN-based network architecture for extremely dense wireless networks.Proceedings of IEEE SDN for the Future Networks and Services(SDN4FNS),Trento,Italy,2013

4 Ali-AhmadH.CROWD:anSDN approachforDenseNets.Proceedings of European Workshop on the Software Defined Networks(EWSDN),Berlin,Germany,2013

5 Bansal M, SachinKatti J M, Levis P. OpenRadio: a programmable wireless data plane.Proceedings of the First Workshop on HotTopics in Software Defined Networks(HotSDN’12),New York,NY,USA,2012

6 Gudipati A,Perry D,Li L E,et al.Softran:software defined radio access network.Proceedings of the Second ACMSIGCOMM Workshop on HotTopicsin SoftwareDefined Networking,Beijing,China,2013

7 Li L E,Mao Z M,Rexford J.Toward software defined cellular networks.ProceedingsofEuropean Workshop on Software Defined Networking(EWSDN),Darmstadt,Germany,2012

8 Yang M,Li Y,Jin D,et al.OpenRAN:a software-defined ran architecture via virtualization. Proceedings of the ACM SIGCOMM 2013 Conference on SIGCOMM,Hong Kong,China,2013

9 中國移動通信集團有限公司.C-RAN白皮書，2010

China Mobile Communications Corporation Ltd.C-RAN White Paper,2010

10 胡曉娟,張園,夏旭等.基于SDN融合的虛擬化移動核心網(wǎng)絡研究.電信科學,2013,29(9):51～54

Hu X J,Zhang Y,Xia X,et al.Research on the SDN-based and virtualized mobile control network.Telecommunications Science,2013,29(9):51～54

11 中興通訊股份有限公司.Realizing mobile internet&IoT in 5G networks.Proceedings of IMT2020,Beijing,China,2014

ZTE Corporation.Realizingmobileinternet& IoT in 5G networks.Proceedings of IMT2020,Beijing,China,2014

12 Yang M,Li Y,Jin D P,et al.OpenRAN:a software-defined RAN architecture via virtualization.Proceedings of the ACM SIGCOMM Conference,Hong Kong,China,2013

13 BansalM,Mehlman J,KattiS,etal.OpenRadio:a programmable wirelessdataplane.Proceedingsofthe First Workshop on HotTopics in Software Defined Networks(HotSDN’12),New York,NY,USA,2012

14 E leni P.Network virtualization trends:virtually anything is possible by connecting the unconnected.Proceedings of IEEE SDN for Future Networks and Services(SDN4FNS),Trento,Italy,2013