极简系统控制面 | 《5G移动无线通信技术》之十-阿里云开发者社区

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极简系统控制面 | 《5G移动无线通信技术》之十

简介: 5G 系统的控制信令必须重新设计来容纳三个典型 5G 服务要求,实现必要的频谱灵活性和能耗性能。

第九节:动态无线接入系统

极简系统控制面

5G 系统的控制信令必须重新设计来容纳三个典型 5G 服务要求,实现必要的频谱灵活性和能耗性能。极简系统控制面(LSCP)的作用如下:

  • 提供公共系统接入;
  • 提供特定业务信令;
  • 支持控制面(C- 平面)和用户面(U- 平面)分离;
  • 不同频谱和不同站间距离资源集成(特别是对于 xMBB 业务);
  • 确保能耗性能。

最后,LSCP 必须具有足够的灵活性,容纳任何未知的新业务。

10.1 公共系统接入

初始 5G 系统接入通过广播的方式进行,第一个信令对于所有服务是相同的,见图 2.8。不断发送的广播信令应当在满足系统检测要求的条件下,降到最低程度。通过 LSCP 的公共系统接入发送,既要集成一般 5G 业务,也要允许选择原有技术接入。
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10.2 特定业务信令

新增的特定业务信令,仅用于某用户 / 终端设备需要使用该业务发送数据的时候, 而且需要避免特定业务参考信号在空白域发送的情况,见图2.8。为了支持极高数据速率,xMBB 需要特定业务信令来获得精确的信道状态信息,提高频谱利用率。特定业务的实 现取决于 xMBB 的频段。mMTC 对终端电池的使用需要优化,例如引入休眠模式、最简化移动性信令和测量过程。uMTC需要确保低时延和高可靠性,并且这里的“简化信令” 应当考虑影响发送给定数据包的全部时延预算。对于关键 uMTC 应用,信令设计应当确 保在各种条件下的快速连接恢复能力。

10.3 控制和用户面分离

5G 典型业务可以采用不同的控制面和用户面分离技术。对于 xMBB,控制面和用户面的分离,应当允许在不同的频率发送,例如控制面(C 面)在覆盖好的较低的频 段发送,而用户面(U 面)在较高的频率高速发送。在网络控制的 D2D 负载分流场景, 用户面(U 面)在 D2D 链接上传送。对于 mMTC,集成 C 面和 U 面的方案较好 [12],参见第4章。从信令开销、能耗性能和覆盖的因素来看,目前 LTE 的方案还不够完善。潜 在的 uMTC 双连接意味着更多的 C 面和 U 面的组合。

10.4 支持不同频段

为了实现 xMBB,5G系统需要集成覆盖范围大小不同的节点,他们工作在不同的频段,例如宏蜂窝工作在 6GHz 以下,而固定站点和 / 或游牧的站点采用厘米波和 / 或者毫米波。LSCP 提供在不同的频段无缝操作的机制。

10.5 能耗性能

能耗性能可以通过采用分离独立的信令方案来达到覆盖和容量的要求。覆盖信令通 过上述公共系统接入实现。容量信令必须比当前的方案更具适应性,因为不同的业务在 不同的时间和地点使用。这可以通过特定业务信令来实现。分离的C面和U面最小化“不 断”发送的信令,支持数据面非连续发送和接收,这样可以提升系统能耗性能。激活和 关闭网络站点也可以提高能量性能,参见9.5章节。

10.6 本地内容和数据流

降低时延是 5G 面对的重要挑战之一。端到端通信中最大的时延来自核心网和互联 网的部分。数据流量分流、聚合、缓存和本地路由可以加以利用来达到时延的要求 [13]。 通过把应用服务器向无线边缘移动也能够降低时延并提升可靠性。增长的数据流量不仅 给无线接入带来挑战,也给回传和传输网络带来挑战。而有些信息只在本地使用,例如 流量安全信息和邻近区域广告。通过识别这些内容并把他们保留在无线边缘,可以最小化传输网络的压力。本地内容和数据流具有降低时延和传输网络分流的功能。

10.6.1 反过渡使用

过渡使用是指在相邻区域内,两个终端之间交互数据流量被路由到网络中心的位置, 又反向回到网络边缘的过程 [14]。反过渡使用技术允许流量在网络中尽早“回路”,从而 降低时延和传输负载,见图 2.9。除了识别数据流量流向附近节点的技术的挑战,还存 在管制和法律的问题,因为网络中发送的数据需要进行必要的检查和分析。

10.6.2 终端到终端分流

反过渡使用技术之一是将数据分流到 D2D 通信链接,见图 2.9。U 面直接在 D2D 连接发送,C 面由网络保持(例如确保干扰协同、鉴权和安全性等功能)。因为用户面流 量完全没有进入网络,所以 D2D 通信实现了本地流量最大化。终端发现方法可以在有 覆盖和没有覆盖的条件下,用来识别适用于 D2D 分流的配对,参见第 5 章。
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在V2X应用中,为了减少时延,信息不用经过发现过程就被广播出去。在mMTC中, 集中器作为本地网关,允许在一个局部区域内的传感器之间进行通信,而不需要接入核 心网网关,参见图 2.4。对于 MTC,本地化的数据流允许低功耗接入网络。mMTC 操作 的必要信息也可以在本地存储。

10.6.3 服务器和内容部署在无线网络边缘

为了满足某些时延敏感业务的要求,如自动车辆控制,有必要将应用服务器移动到 无线接入网络边缘,使关键运算靠近用户。这和 C-RAN 集中化是相反的策略,同时影 响到系统架构,参见第 3 章。将应用服务器布置到无线边缘,不仅需要终端移动性管理, 也需要无线边缘服务器上运行的相关应用的移动性管理。内容的分发和缓存也可以放置 在(包括接入节点的)无线边缘。当终端内存保存有需要的内容时,也可以作为代理, 将内容存储于终端设备,允许在时间域变换通信的时间(预先下载需要的内容),但是 电子版权管理的问题需要加以探讨。

10.7 频谱工具箱

5G 典型业务需要在可用频谱上支持大量需求各异的用例,例如频谱带宽、信号带 宽和鉴权机制。此外,5G 业务的组合也会变化,因此需要在以小时计算的周期内进行 频谱再分配。而且,除了能够接入不同的频谱,5G 频谱的使用需要非常灵活,具备在不同频段不同授权模式使用的能力。频谱工具箱提供了满足这些要求的工具。本节介绍 5G 三个典型应用(xMBB、mMTC 和 uMTC)的频谱需求,同时对频谱工具箱做了简要 介绍,更多细节参见第 12 章。

10.7.1 xMBB 所需频谱

xMBB 要满足流量增长和数据速率增长需求,以及可靠适中的速率要求,因此需要 新增的频谱,尤其是 6GHz 以上较宽的连续频段。在厘米波频段,希望获得几百兆赫兹 的连续频段,而毫米波频段希望获得超过 1GHz 的可用频段。为了满足适中速率的要求, 低频段是不可或缺的。因此,xMBB 需要低频段满足覆盖要求和高频段满足容量要求, 以及回传解决方案中的混合频谱搭配方案。
专有的频谱用于接入,来保证覆盖和QoS。同时配合使用其他的授权方式来提升频谱 可用性和容量,例如LAA,LSA或者非授权接入(比如Wi-Fi分流) 。在无线回传中,相同 的频率资源可以用于接入和回传。同时,需要足够的频谱资源来满足高速率接入和回传需求。

10.7.2 mMTC

所需频谱 mMTC 需要良好的覆盖和穿透能力,对带宽的要求相对较低。从覆盖和传播的角度 来说,6GHz 以下的频谱较为适合,而低于 1GHz 的频谱则是必要的。这一部分的频谱 是充足的,因为 mMTC 需要的频谱较少,1 ~ 2MHz 被认为是足够使用的 [1]。但是,为了满足未来 mMTC 的需要,应当能够分配给 mMTC 更多的频谱。因此,不应当采取固 定的频谱分配。传感器是简单的装置,几乎不会在部署后的漫长生命周期内进行升级。 因此,需要稳定的(频谱)管理框架,专有授权频谱是理想选择。其他的授权方式应当 基于特别应用的要求和是否期望国际协同等因素灵活采用。

10.7.3 uMTC 所需频谱

uMTC 需要高可靠性和低时延。为了实现低时延,提高信号带宽可以缩短传输的时 间。频率分集技术可以增加可靠性。专有的频谱或者极高的频谱接入权限是可靠性的必 要条件。对于V2X通信,即智能交通系统(ITS),存在可用的统一的频段 [15],参见第2章。

10.7.4 频谱工具箱的特点

频谱工具箱提供了可以灵活使用的频谱资源,从而提升了频谱利用效率。因此,它是运行多种业务和实现频谱灵活使用的空中接口的基础赋能工具。
这个工具箱提供的功能如下。

  • 赋予系统在广阔的频谱工作的能力,包括高频谱和低频谱。同时考虑了基于应 用的不同频谱适用性; - 通过应用不同的独享或者组合的机制,提供了不同的频谱分享方式;
  • 为了支持高数据速率,提供了能够实现灵活频谱使用的空中接口所需要的小带 宽和大带宽的操作能力; - 对于不同的服务采用不同的规则,例如,某一频谱仅用于特定的服务。

频谱工具箱的功能被分为三个方面:管理机构框架、频谱使用和赋能工具,参见 第 12 章。

10.8 小结

本章总结了重要的 5G 用例和需求,以及 5G 总体概念。被认可的 5G 用例可以按照 5G 极限要求,归纳为三个主要的类别:极限移动宽带服务(xMBB),其中重点是无所 不在的高速率;海量的机器类通信(mMTC),其中覆盖和终端侧成本和功率限制是主 要挑战;还有超可靠机器类通信(uMTC),其特点是严格的时延和可靠性需求。 本章进一步描述了 4 个基本系统概念,通过提供效率、延展性和多样性来满足上述 用例的广泛的要求。这些概念是动态无线接入网络、极简系统控制面、内容本地化和数 据流以及频谱工具箱。 尽管ITU-R 5G需求还没有最终完成,目前看到的5G用例和系统概念也许需要更新, 但是可以预见上述对于用例的分类和主要系统概念应该是有效的。
第十一节:5G架构之NFV和SDN

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