實體架構和5G部署
13.1 部署賦能工具
邏輯架構使我們可以制定接口和協定的技術規範，功能架構描述了如何将網絡功能內建為完整系統。将功能分拆到實體架構中，對于實際的部署十分重要。網絡功能映射 到實體節點需要優化全網成本和性能。在這個意義上，5G 需要和以前的幾代技術采用相同的原理。但是，由于 5G 将引入 NFV 和 SDN 的概念，這需要我們重新考慮制定傳統的協定棧的方法論。例如可以在網絡功能之間而不是網絡單元之間定義接口，功能之 間的接口不必是協定，而是軟體接口。 引入 SDN 和 NFV 的思路主要是對核心網靈活性的需求推動的。但是，二者也被引 伸到 RAN 領域 [6]。圖 3.8 展示了邏輯、功能、實體和協作架構的關系。
網絡功能在網絡功能池中編譯。功能池實作資料處理和控制功能，使其可集中使用，包括接口資訊、功能分類（同步和非同步）、分布選擇，以及輸入和輸出的關系。在較高的層面，RAN 相關的功能可以配置設定到下列子產品。
- 中心管理裝置包括主要的網絡功能，主要部署在一些中央實體節點（資料中心）， 典型的例子是運作環境和頻譜管理。
- 無線節點管理提供影響多個被選擇的不同實體站址的無線節點（D-RAN 或者 Cloud-RAN）的功能。
- 空中接口功能提供的功能直接和無線基站和終端的空中接口相關。
- 可靠業務構成 1 是內建到業務流管理之中的中央控制面，也作為和其他構成子產品的接口使用。這個功能用來評估超可靠鍊路的可用性，或者決定開通超可靠連結服務給需要超可靠或者極低延遲時間的業務。
靈活配置和控制子產品的任務，是根據業務和營運商的需要，來實作功能有效內建。 将資料和控制的邏輯拓撲單元映射到實體單元和實體節點，同時配置網絡功能和資料流， 如圖 3.8 所示。是以，業務流管理的第一步是分析客戶訂制的業務的要求，并勾勒出網絡傳輸該業務資料流的需求。來自第三方的業務需求（例如最小時延和帶寬），可以包含在專有的 API 内。這些需求被發送給 5G 編排器和 5G SDN 控制器。5G 編排器負責建立或者實體化虛拟網絡功能（VNF）、NF 或者實體網絡中的邏輯單元。無線網絡單元 （RNE）和核心網絡單元（CNE）是邏輯節點，作為虛拟網絡功能的宿主，或者硬體（非虛拟）平台。邏輯交換單元（SE）被配置設定給硬體交換機。為了充分滿足一些同步網絡功能需要的性能，RNE 将包括實體網絡中的軟體和硬體組合，特别是在小基站和終端内。 是以，在無線接入網絡中部署 VNF 的靈活性十分有限。
由于大多網絡功能的工作不需要和無線幀同步，是以對于空中接口的時鐘要求并不 嚴格，CNE 允許更多的自由度來實作網絡功能虛拟化。
5G SDN 控制器和 5G 編排器可以按照業務和營運商的需求，靈活地配置網元。 進而通過實體節點（使用者面）建立資料流，并執行控制面功能，包括排程和切換 功能。
從高層級來看，實體網絡包括傳輸網絡、接入網絡和終端網絡。傳輸網絡實作資料中心之間通過高性能連結技術連接配接。傳輸網絡站址（資料中心）容納了處理大資料 流的實體單元，包括固定網絡流量和核心網絡功能。RNE 可能需要集中部署，實作 集中化基帶處理（Cloud-RAN）。無線接入方面，4G 基站站址（有時稱為 D-RAN） 與 Cloud-RAN 宿主站址共存，并通過前傳與天線連接配接。換句話說，靈活的網絡功能 布置，可以使傳統的核心網絡功能部署在更接近無線接口的位置。例如本地分流的 需求将會導緻 RNE、SE 和 CNE 在無線接入站點共存。SDN 概念允許建立定制化的 虛拟網絡，用于分享的資源池（網絡切片）。虛拟網絡可以用于實作多樣化的業務， 實作優化網絡資源配置設定的目的，例如 mMTC 和 MBB。這一技術也允許營運商分享 網絡資源。
受到某些制約，5G 架構将允許終端網絡，即終端作為網絡基礎設施的一部分，幫 助其他終端接入網絡，例如通過 D2D 通信，即使在這樣的終端網絡，RNE 也與 SE 和 CNE 共存。
圖 3.9 給出了将網絡功能配置設定到邏輯節點的例子。
類型 2B（見第 5 章）的 D2D 網絡功能在三個不同的邏輯節點互操作，包括終端、 基礎設施節點和中心管理裝置。賦能終端搜尋的功能安排在終端和基礎設施節點。終端 搜尋功能基于終端在某些無線資源上的測量，D2D 搜尋信号通過空中接口在這些資源上 發送。相關的基礎設施節點執行終端分組，并且基于網絡能力資訊、業務需求和終端測 量報告進行資源配置設定。網絡能力包括不同選項，例如由 D2D 通信和蜂窩基礎設施分享 頻率（underlay D2D），或者 D2D 通信和蜂窩基礎設施分割頻譜（overlay D2D）。搜尋資 源配置設定由基礎設施節點，根據負載狀況和終端密度進行準備。終端需要發起基礎設施或 者 D2D 模式的選擇（模式選擇）。在資源配置設定過程中，長期的無線資源和幹擾管理決定 如何配置設定 D2D 資源。多營運商 D2D 可以采用專有的頻譜資源實作帶外 D2D 通信。在這 種情況下，需要集中運作的頻譜控制器。在實體網絡中，中心管理裝置将會被部署在傳 輸網絡的資料中心。其中邏輯基礎設施位于接入網絡，例如 Cloud-RAN 或者 D-RAN 的 位置。由于所有上述網絡功能可以與無線幀異步工作，基礎設施節點功能提供了潛在的 集中化的可能，這也意味着不是所有位于基站站址的 RNE 需要具備 D2D 檢測和模式選 擇功能。
13.2 5G 靈活的功能分布
實體層的架構決定了無線接入的一系列特點，例如網絡密度、無線接入節點特性（尺寸、天線數量、發射功率）、傳播特性、期望的使用者終端數量、使用者移動性特征和話務特征。
實體架構也決定了無線接入節點和傳輸網絡回傳技術，它的構成可能是異構混合的方式， 由固網連接配接和無線接入組成。而且實體部署定義了面向核心網的技術和邏輯單元。所有 這些特點包含實體特性和限制，影響着功能和邏輯移動網絡元素之間的互動。 根據資料速率、網絡狀态和業務構成，這些制約因素的影響和處理這些制約的方式 有所不同。 功能分拆選擇和實體部署的條件緊密相關，例如，某個功能分拆決定了必須由實體 基礎設施提供的邏輯接口，而實體設施往往帶給邏輯接口限制條件。首先要考慮網絡密 度，機關面積無線接入節點的數量越多，回傳的流量越大。圖 3.10 給出了支援基站數量 要求的回傳速率和功能分拆的關系 [7]。
在 RAN 協定中，更高協定層的功能分拆，可以支援更多的接入點。分拆方式 A（見 圖 3.5）中每個無線接入點具有靜态的資料速率，而分拆方式 B 和 C，傳輸速率随着實 際使用者速率的變化而變化。是以，這兩個分拆方式可以獲得傳輸網絡的統計合成增益，增益可以高達 3 倍。
相對而言，分拆方式 A 為每個接入點提供相同的速率，速率不依賴于實際的負載， 是以無法獲得複合增益。回傳技術不僅決定了速率，也影響可以實作的端到端時延。分拆方式 A 需要光纖或者毫米波回傳技術，可以采用波長變換或者菊花鍊毫米波鍊路。對于分拆方式 A 來說，低延遲時間非常關鍵，這是由于實體傳輸是基于 CPRI 接口實作的，其時間和頻率同步來自 CPRI 的資料流。分拆方式 B 和 C 可以承受較高的若幹個毫秒的時延，這樣允許使用上層交換技術，例如 MPLS 或者以太網。這樣顯著地提升了回傳網絡 的自由度。
分拆方式 B 和 C 的差別是方式 B 執行中心編碼和解碼。 目前 3GPP LTE 中有嚴格的時鐘要求，因為 Hybrid ARQ 程序需要在接收到碼字之 後 3ms 内完成。如果回傳的時延達到若幹毫秒，就不可能達到這一要求。是以，要麼 采取降低要求的替代辦法 [17]，要麼 5G 移動網絡必須足夠靈活來調整時延的要求。盡管 如此，分拆方式 C（和内在的分拆方式 B）必須滿足排程和鍊路自适應處理的時延需求。 後者的影響非常關鍵，因為不準确的信道資訊導緻次優的鍊路自适應，進而嚴重影響系 統性能 [18]。時延帶來的影響主要來自使用者移動和幹擾時變特性。網絡密度和使用者密度都内在地影響網絡功能的分拆和增益。假設每一個小區都要給大量使用者提供服務，所有 的無線資源都被占用，小區間幹擾将十分嚴重，必須通過協作算法克服。是以，在較低 RAN 協定層的功能分拆較優。這樣的場景會在熱點地區、體育場或者大型商場和機場之 類的室内部署時發生。相反，如果每小區的使用者數較少，而使用者的流量特征變化明顯， 每小區被占用的資源就很低。這就增加了小區間幹擾協作的自由度，比如高層功能分 拆和低層協作算法有同樣的效果。最後需要說明，服務組合對于功能分拆和部署有重 要影響。 分拆方式A和B比分拆方式C提供了更多的優化機會，因為更多的功能由軟體實作， 可以根據實際目的進行優化，見上述12.3 節的讨論。例如，分拆方式 B 允許不同的業務 采用不同的編碼技術，如 MTC 采用塊編碼，MBB 業務采用 LDPC 編碼。而且，分拆方式 B 允許聯合解碼算法來有效克服幹擾。是以，如果可以預見較高的服務分集，就值得 提高集中部署的比例。然而，有些業務，比如交通流量監視需要在本地處理。是以，網 絡或許需要選擇集中部署的等級。下面的三個例子描述了不同的部署如何決定了網絡功 能的布置。 3.4.2.1 利用光纖部署的廣域覆寫 這裡所有無線接入網絡功能都集中部署，對傳輸網絡的容量和時延提出了最強的要 求。但是由于所有的無線網絡功能都在資料中心進行，可以和核心網絡功能共址部署同時最大化協作分集增益，而且可以獲得軟體虛拟化增益。不僅如此，其他的 RAT 标 準可以根據在資料中心的具體實作，很容易內建起來。 但是，對于光纖的依賴也限制了靈活性和部署成本。例如，對于小基站，所有的節 點都需要由光纖或者視距（LOS）的毫米波回傳技術連接配接。
13.3 利用異構回傳的廣域覆寫
這種部署采用不同的回傳技術，如圖 3.11 所示 [19]。根據實際可用回傳連結和結構 的限制，包括多跳毫米波技術、非視距回傳。這樣混合的回傳技術支援不同的集中部署等級。是以，多個無線接入點之間的協作能力和适應網絡參數變化的靈活性可能改變。 例如，如果兩個無線接入點将分别采用分拆方式 B 和 C。雙方可以通過 ICIC 實作資源 協作，分拆方式 B 需要實作進階定制的編碼算法。這一部署場景從資本開銷的角度是優化的 [20]，是大部分協作增益的來源，與傳統方式相比降低了部署成本。但是，從許多其 他方面來看卻挑戰巨大，如無線接入點的協作、布局和規劃資料處理單元、軟體部署和 網絡單元管理，例如，通過 SDN 進行的管理。
13.4 體育場本地網絡
體育場作為網絡部署的一個典型案例，如圖 3.12 所示，基礎設施的擁有者是體育 場的營運方。類似的部署包括機場和購物中心。在這種情況下，場館營運方提供多個 營運商必須共享的連接配接。而且，這些部署需要很好地規劃來滿足未來預期的容量需求。 最後，硬體部署與廣域部署和熱點部署十分類似，但是包括無線和核心網功能的軟體 部署或許差異很大。例如，核心網功能可能被部署在體育場，提供本地業務（例如視 頻流）。
總結
下一代無線接入需要滿足廣泛的需求，未來網絡設計的推動力來自于靈活性、延展 性和面向業務的管理。盡管不是直接地關聯到 5G，NFV 和 SDN 技術将會互相補充，實 現這些基本的功能。 相對于 3G 或 4G 網絡，5G 網絡需要更快地響應市場變化。通過滿足進階的要求， 例如 5G 和 LTE 演進共站部署，同時開通多 RAT 連接配接，高容量島和超可靠無線連接配接都可 以在不需要額外的經濟投入的條件下得以實作。靈活的網絡功能部署促使功能更好地分 拆，滿足服務要求、使用者密度變化、無線傳播條件和移動及流量構成，既要確定網絡功 能之間通信的靈活性，又要限制需要标準化的接口來滿足多廠商互操作的需要，二者的 平衡是系統設計的根本。