5G无线网络虚拟化演进研究

刘东升

（华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

5G无线网络虚拟化演进研究

刘东升

（华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

传统无线网络架构已无法满足未来5G超高速率、超大连接、超低时延的要求，为了解决超密集组网带来的问题，文章论证了无线网络虚拟化的必要性和可行性，并给出了面向5G的无线网络虚拟化演进建议方案。

5G 网络虚拟化 异构网 虚拟层

1 引言

目前移动通信技术已经步入后4G时代，5G相关标准规范体系正在快速构建中。与3G向4G演进的驱动力不同，当前工业4.0、新型城镇化和智慧城市、消费升级不断推动社会进步，因此4G向5G的演进将面临一个需求特征剧烈变革的时代。移动通信技术的服务对象正在从人变成物，层出不穷的垂直行业应用使得网络需求从单一的速率变为高速率、低时延、高可靠性、大连接的复杂组合。

2 5G关键特征和无线网络关键技术

2.1 5G关键特征

针对5G的需求特点，ITU在其发布的5G白皮书中定义了5G的三大场景，具体如图1所示。

ITU同时定义了5G峰值速率、用户体验速率、频谱效率、移动性、时延、连接密度、网络能效、区域容量等八方面关键能力，具体如图2所示。

这些关键能力在不同场景有着不同的需求，具体如图3所示。

从图3可以看到，这三类业务对于关键能力的需求不同。面对如此多样化的应用场景和业务能力需求，一方面，需要5G网络的无线空口资源支持按需分配，与具体业务类型实现一定程度的解耦，以实现更加灵活的无线资源调配。相应地，频谱、帧结构、物理层过程、高层处理流程等协议设计需要优化。另一方面，需要尽可能做到处理能力的软硬件解耦，按需分配处理能力和资源，实现网络能力的快速匹配和调整，以支持包括eMBB、mMTC、uRLLC在内的复杂需求，实现更加高效的网络资源复用和共享。

图1 5G目标场景

图2 IMT-Advanced向IMT-2020演进的关键能力增强

图3 不同使用场景下的关键能力重要性

2.2 5G无线网络关键技术

5G无线网络关键技术如图4所示。5G网络无线侧将引入全新空口。5G F-OFDM技术（Filtered Orthogonal Frequency Division Multiplexing，灵活自适应正交频分复用）可以实现可变子载波带宽的基础波形，稀疏码分多址技术可以提升3倍连接数，全新信道编码技术-极化码使得系统容量逼近香农极限并带来更高的可靠性，Massive-MIMO技术（Massive Multiple-Input Multiple-Output，大规模天线）成倍提升频谱效率。

5G频段主要位于3.5 GHz以及6 GHz以上。3.5 GHz频段可用于大范围连续覆盖，满足移动性需要，6 GHz以上频点可用于小微站点，吸收容量。5G网络的基站形态将更为丰富，包括宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝、RRU、有源天线单元、各类分布系统等。

3 无线网络虚拟化的必要性

无线网络需要从网络架构上进一步拓展增强“弹性”以支持5G网络特征和关键技术，因此业界均认为无线网络虚拟化是移动通信网络演进的必选途径，具体原因如下。

（1）蜂窝分裂的需要

图4 5G无线网络关键技术

由于5G网络工作频段高，覆盖范围小，因此5G网络蜂窝将进一步分裂。为避免频繁切换，影响用户感知，有必要淡化传统蜂窝小区边界，让网络更好地服务于用户和业务。

（2）超密集组网和高速率的需要

大规模天线和超密集组网等技术的引入，将导致网络接入传输的压力骤增，现有的分布式BBU（Base Band Unit，基带单元）+RRU（Remote Radio Unit，远端射频单元）架构无法满足超密集组网时多小区协作和干扰控制的要求。

（3）无线资源管理的需要

5G垂直应用场景多样化，需求各异，例如低时延类业务需要网络功能的边缘部署。面对如此多样化的应用场景需求，需要无线资源能够灵活地按需分配，尽可能使得无线资源在不同层面上与具体业务解耦。同时需要做到硬件和软件分离，更进一步提高处理能力和资源使用效率，实现无线网络能力的快速切片响应。

（4）网络运营管理的需要

预计4G和5G网络将长期共存，并且还有窄带物联网这类物联网应用为主的网络，设备平台种类繁多，网络管理维护难度大，网络扩容升级复杂度高。无线虚拟化可使多种类型的网络管理更加统一高效，网络扩容升级更加平滑，同时降低了运营商的建设和运营成本。

为此，有必要建立无线网络资源灵活高效的调度机制和面向业务需求的逻辑资源池，逐步实现无线网络的虚拟化。

4 无线网络虚拟化架构和关键技术

ITU将网络虚拟化的关键特征定义为将各种网络资源整合并抽象的能力和网络间灵活管控的能力。

前期业界针对网络虚拟化技术的研究主要集中在核心网，包括SDN（Software Defined Network，软件定义网络）、NFV（Network Function Virtualization，网络功能虚拟化）等。面向垂直行业的新需求，5G核心网需要支持垂直行业的多种接入技术，例如目前国内三大运营商已开始部署接入的窄带物联网技术。4G核心网承载基础业务，5G核心网面向多样业务生成差异化网络。

通过SDN/NFV，推进网络云化转型，使网络从中低速向高速、多层级向扁平、刚性向柔性、非智能向智能转型。NFV是一种虚拟多个网络节点以便大规模提供通信服务的服务器虚拟化技术。为提高网络的可扩展性、灵活性及效率，NFV将网络功能从专属设备转移到运行虚拟化技术的通用型服务器上。目前国内各大运营商都在进行NFV的规模试点，引入基于NFV技术的vEPC（virtual Evolved Packet Core，虚拟演进型分组核心），从而提供更为弹性的网络扩缩容能力。

4.1 无线网的架构演进

虽然早年就有软件定义无线电，但无线网架构形态一直以来没有发生显著的变化。3G和4G典型的网络架构如图5所示：

图5 3G和4G典型网络架构

4G时代提出了异构网的概念。异构网的狭义形态称为分层异构网，就是在宏蜂窝进行基础覆盖的基础上，微蜂窝用于局部区域补充，这种宏微协同分层覆盖结构在4G网络中已经部署。

然而，一方面受制于基站间X2接口能力，另一方面由于目前4G业务量对超密集组网的需求并不迫切，多点协作传输和小区间干扰协调等协同和抗干扰的关键技术并未规模应用，同频宏蜂窝和微蜂窝的重叠覆盖区域内极易产生干扰，从而恶化网络质量。尤其当微蜂窝为了分担更多宏站的业务负荷，引入小区范围扩展技术时，延伸区域干扰问题更为突出。因此，目前同频微蜂窝的使用规模受到严格控制。基于以上分析，4G LTE的异构网架构在现网中并未真正实现。

4.2 4G无线资源协同和干扰消除技术

4G多点协作传输技术是指地理位置上多个分散蜂窝之间的动态协作，协同参与一个终端的数据传输或者联合接收一个终端发送的数据，改善小区边缘用户的服务质量，从而提高小区尤其是边缘吞吐量。

4G小区间干扰协调技术可以测量相邻小区测量信号和干扰强度并产生干扰信息，通过基站间X2接口消息，相邻小区共享干扰信息，邻小区之间的X2传输时延应短于算法周期。小区根据接收到邻区的干扰信息，运行干扰协调算法确定小区边缘的资源块发射功率。

4G小区间干扰协调技术只能降低业务信道干扰，不能解决控制信道干扰。3GPP在R10版本中引入了增强型小区间干扰协调技术，用于解决异构网下的宏微蜂窝干扰问题。但该技术只能解决业务信道和控制信道的干扰问题，仍不能有效地解决小区公共信道干扰问题。

仿真数据显示，以上资源协同和干扰消除技术的使用应紧密结合现网情况，逐小区对相关小区参数进行调整优化，否则会影响现网的信噪干扰功率比和小区吞吐量指标。

4.3 5G无线网络虚拟化目标架构

高阶MIMO、大带宽和低时延的要求使得无线空口物理层难以实现虚拟化，因此目前3GPP关于5G无线网络架构的讨论集中在无线链路层控制层协议的功能划分上，无线网络虚拟化的重点也是无线链路层中对于时延敏感性较低的业务，以及无线资源控制等层三功能。根据IMT-2020推进组对5G网络架构的愿景，5G无线网络架构如图6所示。

6月29日，市人大常委会召开了一次预算绩效管理工作督导会，会上听取了市财政局、市教育局、市城管局、市卫生局等四个单位的工作汇报，深入天门市小板镇两个村实地参观了市城管局“农村垃圾集中处理”项目现场。市人大领导对存在的问题和薄弱环节提出了整改意见，提出市政府每年至少要召开一次预算绩效管理工作专题会议，将预算绩效管理工作纳入政府考核内容范围；各单位要提高认识，组建专班负责这项工作；市财政局要完善各项制度、建立平台操作机制、建立自评报告考评机制、建立动态管理项目机制。

图6 5G无线网络虚拟化目标架构

4.4 5G无线网络虚拟化关键技术

5G时代，超高带宽、超大连接、超低时延需求将推动无线网络虚拟化和超密集组网技术的发展，这离不开灵活高效的无线资源管理和干扰抑制技术。目前5G无线资源管理及干扰消除技术、虚拟小区技术标准还在研究和探讨中。

（1）灵活无线资源管理和干扰抑制技术

具体包括5G多小区协同技术、多维资源调度技术和自适应干扰消除技术。其中，5G多小区协同技术是4G增强型多点协作传输技术的进一步演进。

（2）小区虚拟化技术

小区虚拟化技术包括以用户为中心的虚拟小区、虚拟层、软小区等技术。

以用户为中心的虚拟小区技术将多个物理小区虚拟成一个逻辑小区，虚拟小区的资源构成可以根据用户的移动、业务需求、无线环境变化等实现动态配置和更改。

虚拟层技术是指通过虚拟层小区和实体层小区的划分，解决超密集组网下频繁切换重选的问题，并实现更为有效的小区间协作。

1）宏微分层：这和4G宏微分层覆盖系统有着本质的区别。5G分层结构中，宏蜂窝为虚拟层，承载控制信令，负责移动性管理；微蜂窝为实体层，承载业务数据传输。宏蜂窝和微蜂窝深度协同，显著提升用户感知。

2）载波内/载波间分层：对于单载波网络通过不同的信道构建虚拟多层网络，对于多载波网络则可以通过不同的载波构建虚拟多层网络。

软小区技术结合波束赋形，精确控制小区覆盖范围，减少干扰。软小区技术可以有效解决小区公共信道的干扰问题。

图7 无线网络虚拟化演进图

5 无线网络虚拟化实施建议

在4G向4G+网络演进的过程中，为了平滑有序地演进，应考虑提前引入符合5G应用场景的虚拟化技术。

无线网络虚拟化是一个循序渐进的过程，一方面要基于现网架构、配套和传输资源逐步推进；另一方面需要结合无线资源管理和干扰控制协作技术的发展。基于无线网络虚拟化是未来网络发展的必然方向，因此应通过逐步试点积累经验，积极进行相关技术和资源储备，一种可行的演进途径如图7所示。

当前国内4G网络采用BBU和RRU分离，BBU集中放置的部署方式，这是无线网络虚拟化的雏形。其主要基于分布式基站，将基带处理单元和远程射频单元进行分离，基带处理单元通常选取在传输资源丰富的区域中心机房集中部署，从而节省无线站址和相关配套资源。

此外，由于协作和干扰消除技术对于实现网络虚拟化至关重要，现阶段可对站内多点协作传输和小区间干扰协调进行试点研究，配合审慎的小区参数调整优化，为未来大话务量和宏微蜂窝密集组网下性能的保证提供建设和优化经验。

后期随着4G业务量的不断增加，网络需要部署大量小微蜂窝以吸收话务，协同和干扰消除成为网络必须解决的首要问题，网络逐步真正实现蜂窝甚至制式异构。为此，在BBU集中放置的基础上，推进BBU机房内的池化，形成真正意义的基带资源池，实现基带资源的动态分配。在提升资源利用率、降低能耗的同时，实现对站间多点协作传输和增强型小区间干扰协调等技术的有效支持，从而进一步提升网络性能。

在5G阶段，覆盖范围较大的宏蜂窝网络将演进为虚拟层网络，主要承载广播和寻呼等控制消息，实现移动性管理功能。星罗棋布的小微蜂窝主要承载业务数据传输，在同一个虚拟层蜂窝下跨小微蜂窝的移动不会产生切换和重选。BBU资源池可进一步裂分为中心控制节点和远端控制节点。中心控制节点实现高层协议功能，进行集中控制和统一调度；远端控制节点实现底层协议功能，有利于快速本地化资源管理和响应，远端控制节点可以和MEC（Mobile Edge Computing，移动边缘计算）合设。不同时期无线网络蜂窝结构及关键技术如图8所示。

图8 不同时期无线网络蜂窝结构及关键技术

6 结束语

当前国内4G用户数已形成相当规模，物联网业务也将迎来爆发期，移动网络承载的业务量和业务需求面临更高的要求。移动核心网已经率先迈向虚拟化，而无线网络蜂窝结构虽然采用不断分裂及载波聚合等方式，其承载能力仍捉襟见肘。切换、重选、干扰等问题越来越突出，无线网络规划、建设和优化面临重大挑战，这极大地制约了运营商的业务拓展。

针对以上背景，无线网络虚拟化是走向5G时代的必由之路。本文结合现网情况和技术演进，分析了无线资源管理和干扰抑制技术，小区虚拟化技术等虚拟化所需要的关键技术。提出了逐步试点推进基带资源池化，多点协作传输和小区间干扰协调等技术，为无线网络向5G的转型升级做准备。

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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

刘东升. 5G无线网络虚拟化演进研究[J]. 移动通信, 2017,41(18): 48-53.

2017-06-30

责任编辑：刘妙 liumiao@mbcom.cn

刘东升：高级工程师，学士毕业于浙江工业大学通信工程专业，现任华信咨询设计研究院有限公司无线院副总工，长期从事移动通信网络规划、设计和研究工作，所负责的规划设计项目多次获得国家和省部级优秀设计和咨询奖。