1.12 能量收集通信

第 2 章 5G 系统的云无线接入网络

根据思科[1]的报告，全球移动数据流量从 2015 年到 2020 年将继续快速增长。同时，第 5G 需要加强电信基础设施，提供新的信息服务，以支持农业、医药、金融、交通运输、制 造业、教育等各个行业领域的垂直应用。因此，5G 需要创新的解决方案，以满足移动互联 网和物联网（IoT，Internet of Things）对用户体验数据速率提升、延迟降低、连接密度和地 区容量密度增强、移动性增强、频谱效率和能效等方面的新需求。 根据国际电信联盟的分类方法，目前的 5G 方案可分为 3 类：增强型移动宽带（eMBB， Enhanced Mobile Broadband）、大量机器类型通信（mMTC，massive Machine Type Communications）和高可靠低延迟通信（uRLLC，ultra-Reliable Low-Latency Communications） 。 热点（室内/室外）、广域覆盖和高速率都是典型的用例。以人为中心的通信性能指标（如 终用户体验）是 eMBB 场景的主要目标。mMTC 的使用案例包括建筑物和基础设施的监控 和自动化、智能农业、物流、跟踪和车队管理。连接密度高、复杂度低、成本低、电池使 用寿命长，是 mMTC 场景的重要目标。与 uRLLC 相关的有很多有代表性的用例，如远程 机器和智能交通系统。低延迟和高可靠性是无线电技术设计中需要考虑的关键点，以解决 uRLLC 场景中具体要求的问题。

2.1 重新思考5G的基础知识

5G 网络预计是软件化的、绿色的、超快的[2]。为了满足各种场景的关键要求，5G 仅以现在的第四代（4G）系统为基础发展还不够。相反，它需要一条革命之路。在参考文 献[2~4]中，提出从 7 个角度重新思考基础设施，如架构、协议和功能，以重新设计未来 的 5G 网络。
（1）重新思考香农，将能源效率等绿色指标作为无线系统的关键性能指标。
（2）重新思考打破了传统小区边界的环。随着 2020 年的到来，异构网络（HetNet， Heterogeneous Network）和超密集网络（UDN，Ultra-Dense Network）被引入，多层无线电网络已经形成。移动网络传统的以均匀小区为中心的设计与流量变化和不同的无线 电环境不匹配。因此，提出了“不再有小区” （NMC，No More Cell）或“以用户为中 心的小区” （UCC，User-Centric Cell）的原理，脱离了基于小区的覆盖、资源管理和信 号处理。
（3）重新思考信令和控制，以使得网络可以上下文感知和服务定制。在 5G 时代，用 户和流量特征将更加多样化和差异化，资源竞争环境将更加复杂。因此，移动网络必须 基于差异化用户和流量特性的定制信令控制来提供不同的网络功能，例如，移动性管理 和安全控制。网络需要高效率地满足各种需求。 （4）重新思考天线，使基站不可见，并推动新型低成本天线的实现。到 2020 年，针 对容量的大幅度增加，通过大量天线以分布式或集中式方式部署，5G 网络将变得超密集。 然而，在传统的小区站点中，将几百个天线和收发器链整合在一个结构上几乎是不可能 的。从根本上改变蜂窝网络的未来外观：通过在城市建筑和城镇的墙壁上灵活配置有源 天线阵列，使基站不可见。同时，需要设计新颖的天线设备来实现这一目标。
（5）重新思考频谱和空中接口，使无线信号能够适合各种场景。为了提供具有所 有频谱接入能力的高数据速率，5G 空中接口必须根据多元化服务要求提供灵活的配 置。因此，传统的“一刀切”的空中接口范式需要经历根本性的变化。软件定义的空 中接口（SDAI，Software Defined Air Interface）将通过从能量效率-频谱效率（EE-SE， Energy Efficiency-Spectrum Efficiency）共同优化的一组物理层构建块的重新配置来满 足 5G 的多种需求，包括帧结构双工模式、波形、多址方案、调制和编码方案以及空 间处理方案。
（6）重新思考前传，其本质上是重新设计前传接口，使得前传数据变得依赖于用户 流量和独立于天线，同时仍然支持小区协调算法。通过这种方式，与传统的前端解决方 案相比，前端传输网络的效率和可扩展性可以更高，因此，可以更好地支持 5G 的关键技 术，如云无线接入网（C-RAN，Cloud Radio Access Network）和大规模的多入多出（MIMO， Multiple-Input Multiple-Output）。
（7）重新思考协议栈，以将用户设备（UE，User Equipment）和小区作为两个独立 的资源实体进行管理，增强多小区合作和跨小区体验，并且更好地支持 5G 密集网络部署。

2.2 用户为中心的网络

到目前为止，无线接入网络（RAN，Radio Access Network）架构在涉及的网络元件、 网络信令和控制以及网络协议方面对所有用户相同。但是，正如前面提到的，在 5G 时代，不仅服务会更加多元化，网络接入点和拓扑结构也将更加复杂。为了实现 5G 愿景，RAN 架构必须重新设计，以适应上述 7 个“反思点”。答案在于以用户为中心的网络（UCN， User Centric Network）。UCN 的本质是以用户为中心而不是以小区为中心，具有以下主要 属性。

• 根据用户的需求，网络应支持统一的接入和传统小区的无缝移动性，从而满足用 户达到体验目标的数据速率的需求。
• 网络功能应灵活分布在不同的无线网络实体上，以有效支持多种业务、有效组织 异构网络实体。不同的网络实体在服务需求上共同提供一整套网络功能。例如，集中式 网络实体提供公共高层网络服务，而分布式网络接入点为具有多个链路的用户提供服务。 与 uRLLC 服务一样，所有网络功能仍然可以推送到分布式接入点。
• UCN 应了解用户服务，并提供特定的最佳网络决策，区分不同的网络服务，优化服 务体验。它应该对本地缓存流量、本地流量分配和服务特定的 RAN 优化做出明智的决定。
• 为了实现低成本和高效率的网络运行，可以借用诸如软件定义网络（SDN， Software Defined Network）、网络功能虚拟化（NFV，Network Functions Virtualization）和 大数据分析等 IT 技术，从而可以自动优化网络、持续收集网络认知。

UCN 的概念揭示了 5G 的设计原则。在实现方面，建议采用集中式、协同式、基于 云的和简洁的 RAN，或简称为 C-RAN[5, 6]，它是关键的推动因素之一。
2.3 C-RAN基础知识