重新思考5G的基礎知識 | 帶你讀《5G系統關鍵技術詳解》之六

1.12 能量收集通信

第 2 章 5G 系統的雲無線接入網絡

根據思科[1]的報告，全球移動資料流量從 2015 年到 2020 年将繼續快速增長。同時，第 5G 需要加強電信基礎設施，提供新的資訊服務，以支援農業、醫藥、金融、交通運輸、制 造業、教育等各個行業領域的垂直應用。是以，5G 需要創新的解決方案，以滿足移動互聯 網和物聯網（IoT，Internet of Things）對使用者體驗資料速率提升、延遲降低、連接配接密度和地 區容量密度增強、移動性增強、頻譜效率和能效等方面的新需求。 根據國際電信聯盟的分類方法，目前的 5G 方案可分為 3 類：增強型移動寬帶（eMBB， Enhanced Mobile Broadband）、大量機器類型通信（mMTC，massive Machine Type Communications）和高可靠低延遲通信（uRLLC，ultra-Reliable Low-Latency Communications） 。 熱點（室内/室外）、廣域覆寫和高速率都是典型的用例。以人為中心的通信性能名額（如 終使用者體驗）是 eMBB 場景的主要目标。mMTC 的使用案例包括建築物和基礎設施的監控 和自動化、智能農業、物流、跟蹤和車隊管理。連接配接密度高、複雜度低、成本低、電池使 用壽命長，是 mMTC 場景的重要目标。與 uRLLC 相關的有很多有代表性的用例，如遠端 機器和智能交通系統。低延遲和高可靠性是無線電技術設計中需要考慮的關鍵點，以解決 uRLLC 場景中具體要求的問題。

2.1 重新思考5G的基礎知識

5G 網絡預計是軟體化的、綠色的、超快的[2]。為了滿足各種場景的關鍵要求，5G 僅以現在的第四代（4G）系統為基礎發展還不夠。相反，它需要一條革命之路。在參考文 獻[2~4]中，提出從 7 個角度重新思考基礎設施，如架構、協定和功能，以重新設計未來 的 5G 網絡。

（1）重新思考香農，将能源效率等綠色名額作為無線系統的關鍵性能名額。

（2）重新思考打破了傳統小區邊界的環。随着 2020 年的到來，異構網絡（HetNet， Heterogeneous Network）和超密集網絡（UDN，Ultra-Dense Network）被引入，多層無線電網絡已經形成。移動網絡傳統的以均勻小區為中心的設計與流量變化和不同的無線 電環境不比對。是以，提出了“不再有小區” （NMC，No More Cell）或“以使用者為中 心的小區” （UCC，User-Centric Cell）的原理，脫離了基于小區的覆寫、資源管理和信 号處理。

（3）重新思考信令和控制，以使得網絡可以上下文感覺和服務定制。在 5G 時代，用 戶和流量特征将更加多樣化和差異化，資源競争環境将更加複雜。是以，移動網絡必須 基于差異化使用者和流量特性的定制信令控制來提供不同的網絡功能，例如，移動性管理 和安全控制。網絡需要高效率地滿足各種需求。 （4）重新思考天線，使基站不可見，并推動新型低成本天線的實作。到 2020 年，針 對容量的大幅度增加，通過大量天線以分布式或集中式方式部署，5G 網絡将變得超密集。 然而，在傳統的小區站點中，将幾百個天線和收發器鍊整合在一個結構上幾乎是不可能 的。從根本上改變蜂窩網絡的未來外觀：通過在城市建築和城鎮的牆壁上靈活配置有源 天線陣列，使基站不可見。同時，需要設計新穎的天線裝置來實作這一目标。

（5）重新思考頻譜和空中接口，使無線信号能夠适合各種場景。為了提供具有所 有頻譜接入能力的高資料速率，5G 空中接口必須根據多元化服務要求提供靈活的配 置。是以，傳統的“一刀切”的空中接口範式需要經曆根本性的變化。軟體定義的空 中接口（SDAI，Software Defined Air Interface）将通過從能量效率-頻譜效率（EE-SE， Energy Efficiency-Spectrum Efficiency）共同優化的一組實體層建構塊的重新配置來滿 足 5G 的多種需求，包括幀結構雙工模式、波形、多址方案、調制和編碼方案以及空 間處理方案。

（6）重新思考前傳，其本質上是重新設計前傳接口，使得前傳資料變得依賴于使用者 流量和獨立于天線，同時仍然支援小區協調算法。通過這種方式，與傳統的前端解決方 案相比，前端傳輸網絡的效率和可擴充性可以更高，是以，可以更好地支援 5G 的關鍵技 術，如雲無線接入網（C-RAN，Cloud Radio Access Network）和大規模的多入多出（MIMO， Multiple-Input Multiple-Output）。

（7）重新思考協定棧，以将使用者裝置（UE，User Equipment）和小區作為兩個獨立 的資源實體進行管理，增強多小區合作和跨小區體驗，并且更好地支援 5G 密集網絡部署。

2.2 使用者為中心的網絡

到目前為止，無線接入網絡（RAN，Radio Access Network）架構在涉及的網絡元件、 網絡信令和控制以及網絡協定方面對所有使用者相同。但是，正如前面提到的，在 5G 時代，不僅服務會更加多元化，網絡接入點和拓撲結構也将更加複雜。為了實作 5G 願景，RAN 架構必須重新設計，以适應上述 7 個“反思點”。答案在于以使用者為中心的網絡（UCN， User Centric Network）。UCN 的本質是以使用者為中心而不是以小區為中心，具有以下主要 屬性。

• 根據使用者的需求，網絡應支援統一的接入和傳統小區的無縫移動性，進而滿足用 戶達到體驗目标的資料速率的需求。
• 網絡功能應靈活分布在不同的無線網絡實體上，以有效支援多種業務、有效組織 異構網絡實體。不同的網絡實體在服務需求上共同提供一整套網絡功能。例如，集中式 網絡實體提供公共高層網絡服務，而分布式網絡接入點為具有多個鍊路的使用者提供服務。 與 uRLLC 服務一樣，所有網絡功能仍然可以推送到分布式接入點。
• UCN 應了解使用者服務，并提供特定的最佳網絡決策，區分不同的網絡服務，優化服 務體驗。它應該對本地緩存流量、本地流量配置設定和服務特定的 RAN 優化做出明智的決定。
• 為了實作低成本和高效率的網絡運作，可以借用諸如軟體定義網絡（SDN， Software Defined Network）、網絡功能虛拟化（NFV，Network Functions Virtualization）和 大資料分析等 IT 技術，進而可以自動優化網絡、持續收集網絡認知。

UCN 的概念揭示了 5G 的設計原則。在實作方面，建議采用集中式、協同式、基于 雲的和簡潔的 RAN，或簡稱為 C-RAN[5, 6]，它是關鍵的推動因素之一。

2.3 C-RAN基礎知識