超密集聚合异构协作：实现“四高”的5G移动通信

2009年底上映的电影《阿凡达》为3D电影开创了新纪元；2014年谷歌I/O 大会发布的虚拟现实眼镜Cardboard让很多人第一次体验到了虚拟现实；2016年3月，谷歌开发的AlphaGo战胜世界顶级棋手李世石，这场科技秀将“人工智能”推上了神坛。工业自动化、云端办公、智能城市、物联网等科技名词充斥着近两年的各大报纸和网络信息平台，这些新技术进一步将移动通信从听视觉体验推向了触觉体验。而触觉感受相较于听视觉感受更为敏感，其响应时间只有毫秒级及亚毫秒级。

这就意味着作为业务承载的移动通信网络将面临接入制式、更高速率、更短时延的传输挑战，甚至是极限性能。因此，移动通信迎来了又一次革命性的发展——第五代移动通信（5G）。根据不同业务的需求和特点，5G移动通信网络首次提出了“分场景不同目标”的设计理念，而不再延续全网统一性能的研究思路。其中，5G的三大典型场景分别是以用户体验速率/谱效/能效和流量密度为导向的增强移动宽带场景、以网络连接密度为导向的大规模机器通信场景和以延迟和移动性为导向的高可靠低时延通信场景。

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在国家863计划项目课题 “5G无线密集网络构架与关键技术研发”（课题编号：2014AA01A701）的支持下，北京邮电大学陶小峰教授带领课题组着重针对5G移动通信网络的典型场景之一——增强的移动宽带场景展开理论和技术攻关，旨在满足高速率、高谱效、高能效、高流量密度的“四高”需求。

项目参与单位有北京邮电大学、清华大学、东南大学、电子科技大学、北京大学、上海交通大学、西安交通大学、华中科技大学、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、上海无线通信研究中心、中国电信股份有限公司、电信科学技术研究院、中兴通讯股份有限公司、北京理工大学、国防科学技术大学、山东大学、重庆邮电大学、北京科技大学、华北电力大学、信息工程大学、西安电子科技大学等。

超密集聚合网络架构

针对未来5G多种网络之间的互联互通需求和资源共享等挑战，课题组构建了支持超密集聚合的无线网络架构，通过物理层、数据链路层、网络层，甚至传输层的全协作，分别实现了不同类型网络间的融合协作。特别是通过在MAC层和IP层之间构建接入方式复用子层，提出了蜂窝和热点网络协作的“融合基站”，更灵活地进行跨系统的联合资源分配与控制，有效地实现了不同网络间的动态流量卸载和无缝切换等，使网络拥塞概率下降了一个数量级。

软件定义接口体系

针对超密集聚合架构中的无线接入网和核心网融合对接问题，课题组提出了面向5G的软件定义接口（SDN+）。通过SDN 集中控制的思想，将传统分布在各个路由器中的控制平面与用户平面进行分离，将控制平面的功能集中于统一的控制器中，从而实现更加灵活的转发和策略配置功能。此外，还采用了网络功能虚拟化、业务按需编排、分组网关下沉与SDN协同优化等技术方案，以对超密集聚合的异构无线网络进行统一灵活的资源管控与调度，目前支持网络侧单用户峰值速率突破12.5千兆比特/秒。

全频谱异构超密集组网方法

针对异构超密集网络的高速率需求，课题组提出了有针对性的全频谱接入技术，利用其先天的丰富频谱资源优势，提升网络数据传输速率。但在干扰激增的异构超密集网络中，如何对全频谱进行合理高效利用是一个急需解决的关键问题。课题组通过多维融合认知和分布式资源管理两步走的方法，来实现全频谱异构超密集网络的高效组网。此外，利用端到端直通（D2D）等新型技术，进一步提升网络的性能。

5G多场景三维仿真平台

课题组面向5G三大典型场景，搭建了支持多维协作、模块重构的开放性MORE（Multi-dimensional cooperation & Openness & REconfiguration）5G三维仿真平台（ 见图1 ）。采用高效能计算和仿真方法，完成三大5G典型场景下的仿真平台设计及系统性能评估，并提供开放的接口（资源调度与分配接口、预编码接口、功率配置接口、网络选择接口，以及自定义算法接口），支持新技术评估。此外，该平台还支持统一架构下的灵活拓扑、业务的交互配置，以及2D/3D全视角的功能展示（ 见图2 ）。

5G超密集聚合原型系统

课题组分别从物理层、数据链路层、网络层、传输层出发，结合异构聚合的思想，搭建面向5G移动通信，支持多层动态协作的开放性MORE （dynaMic cooperation & Openness & viRtual Environment）5G原型系统。 图3 的（a）和（b）分别展示了密集网络的系统原理和实际搭建的密集聚合网络。其中蜂窝网络管理、控制和维持信令，4个热点网络进行数据传输，通过以上工作模式实现控制与用户（C/U）平面分离。特别是在小区切换时，只需跨宏小区进行信令切换，即可有效地提高用户接收信号的稳定性并降低切换频率。

所搭建的超密集聚合网络支持长期演进（LTE）/ Wi-Fi等多种网络融合协作，扩展性高；数据包近数据链路层，存储效率高，且协议数据在Linux内核中完成，代码执行效率高。图3所示的异构密集融合网络原型系统已经在实际无线环境中实现了12.5 千兆比特/秒的数据率（ 见图4 ），而且能进一步按需扩展，并支持高清视频流、文件传输协议（FTP）、即时通信、实时语音等业务。表1将当前系统性能与5G移动通信目标进行了对比， 从 表中 可以看出：已实现的密集网络在峰值速率、频谱效率、功率效率及流量密度方面远超5G目标值。

超密集聚合网络理论问题

课题组针对超密集聚合网络中如何确定业务的异构多连接问题，基于随机几何理论推导出业务多连接下的容量和覆盖概率，进一步提出了一种基于门限的用户接入策略，可针对用户的计算能力和流量需求等，通过调整门限值来实现容量提升或者基站复杂度的降低；针对用户需求与文件存储的空间随机性和内容流行性的特点，推导出网络的成功传输概率，并基于此构建内容缓存部署与用户接入联合优化的数学模型，利用最优化理论得到异构网络中的多内容缓存部署与用户接入策略，所提方法接近最优性能极限。

课题组已发表学术论文265篇，其中期刊论文129篇；申请发明专利105项；提交国际标准化提案文稿27篇；获国际学术会议最佳论文或展示奖3次；获省部级奖励5项。

通过3年攻关，课题组针对5G增强的移动宽带场景中的“四高”需求，探索了支持多域资源联合调用的无线资源管理和认知技术。以上述技术为基础，构建了支持超密集聚合的无线网络架构；利用控制平面与用户平面分离的思想，基于SDN+接口实现核心网到接入网的联合控制；搭建了超密集聚合原型系统，业务峰值速率达到12.5千兆比特/秒，频谱效率、功率效率分别提升到4G的10倍和100倍以上，流量密度也得到了大幅提高，为探索5G移动通信网络迈出了关键的一步。

致谢：感谢国家863计划项目课题“5G无线密集网络构架与关键技术研发”（课题编号2014AA01A701）的支持。

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