物理架构和5G部署
13.1 部署赋能工具
逻辑架构使我们可以制定接口和协议的技术规范，功能架构描述了如何将网络功能集成为完整系统。将功能分拆到物理架构中，对于实际的部署十分重要。网络功能映射 到物理节点需要优化全网成本和性能。在这个意义上，5G 需要和以前的几代技术采用相同的原理。但是，由于 5G 将引入 NFV 和 SDN 的概念，这需要我们重新考虑制定传统的协议栈的方法论。例如可以在网络功能之间而不是网络单元之间定义接口，功能之 间的接口不必是协议，而是软件接口。 引入 SDN 和 NFV 的思路主要是对核心网灵活性的需求推动的。但是，二者也被引 伸到 RAN 领域 [6]。图 3.8 展示了逻辑、功能、物理和协作架构的关系。
网络功能在网络功能池中编译。功能池实现数据处理和控制功能，使其可集中使用，包括接口信息、功能分类（同步和非同步）、分布选择，以及输入和输出的关系。在较高的层面，RAN 相关的功能可以分配到下列模块。
- 中心管理设备包括主要的网络功能，主要部署在一些*物理节点（数据中心）， 典型的例子是运行环境和频谱管理。
- 无线节点管理提供影响多个被选择的不同物理站址的无线节点（D-RAN 或者 Cloud-RAN）的功能。
- 空中接口功能提供的功能直接和无线基站和终端的空中接口相关。
- 可靠业务构成 1 是集成到业务流管理之中的*控制面，也作为和其他构成模块的接口使用。这个功能用来评估超可靠链路的可用性，或者决定开通超可靠链接服务给需要超可靠或者极低时延的业务。
灵活配置和控制模块的任务，是根据业务和运营商的需要，来实现功能有效集成。 将数据和控制的逻辑拓扑单元映射到物理单元和物理节点，同时配置网络功能和数据流， 如图 3.8 所示。因此，业务流管理的第一步是分析客户订制的业务的要求，并勾勒出网络传输该业务数据流的需求。来自第三方的业务需求（例如最小时延和带宽），可以包含在专有的 API 内。这些需求被发送给 5G 编排器和 5G SDN 控制器。5G 编排器负责建立或者实体化虚拟网络功能（VNF）、NF 或者物理网络中的逻辑单元。无线网络单元 （RNE）和核心网络单元（CNE）是逻辑节点，作为虚拟网络功能的宿主，或者硬件（非虚拟）平台。逻辑交换单元（SE）被分配给硬件交换机。为了充分满足一些同步网络功能需要的性能，RNE 将包括物理网络中的软件和硬件组合，特别是在小基站和终端内。 因此，在无线接入网络中部署 VNF 的灵活性十分有限。
由于大多网络功能的工作不需要和无线帧同步，因此对于空中接口的时钟要求并不 严格，CNE 允许更多的*度来实现网络功能虚拟化。
5G SDN 控制器和 5G 编排器可以按照业务和运营商的需求，灵活地配置网元。 进而通过物理节点（用户面）建立数据流，并执行控制面功能，包括调度和切换 功能。
从高层级来看，物理网络包括传输网络、接入网络和终端网络。传输网络实现数据中心之间通过高性能链接技术连接。传输网络站址（数据中心）容纳了处理大数据 流的物理单元，包括固定网络流量和核心网络功能。RNE 可能需要集中部署，实现 集中化基带处理（Cloud-RAN）。无线接入方面，4G 基站站址（有时称为 D-RAN） 与 Cloud-RAN 宿主站址共存，并通过前传与天线连接。换句话说，灵活的网络功能 布置，可以使传统的核心网络功能部署在更接近无线接口的位置。例如本地分流的 需求将会导致 RNE、SE 和 CNE 在无线接入站点共存。SDN 概念允许创建定制化的 虚拟网络，用于分享的资源池（网络切片）。虚拟网络可以用于实现多样化的业务， 实现优化网络资源分配的目的，例如 mMTC 和 MBB。这一技术也允许运营商分享 网络资源。
受到某些制约，5G 架构将允许终端网络，即终端作为网络基础设施的一部分，帮 助其他终端接入网络，例如通过 D2D 通信，即使在这样的终端网络，RNE 也与 SE 和 CNE 共存。
图 3.9 给出了将网络功能分配到逻辑节点的例子。
类型 2B（见第 5 章）的 D2D 网络功能在三个不同的逻辑节点互操作，包括终端、 基础设施节点和中心管理设备。赋能终端搜索的功能安排在终端和基础设施节点。终端 搜索功能基于终端在某些无线资源上的测量，D2D 搜索信号通过空中接口在这些资源上 发送。相关的基础设施节点执行终端分组，并且基于网络能力信息、业务需求和终端测 量报告进行资源分配。网络能力包括不同选项，例如由 D2D 通信和蜂窝基础设施分享 频率（underlay D2D），或者 D2D 通信和蜂窝基础设施分割频谱（overlay D2D）。搜索资 源分配由基础设施节点，根据负载状况和终端密度进行准备。终端需要发起基础设施或 者 D2D 模式的选择（模式选择）。在资源分配过程中，长期的无线资源和干扰管理决定 如何分配 D2D 资源。多运营商 D2D 可以采用专有的频谱资源实现带外 D2D 通信。在这 种情况下，需要集中运行的频谱控制器。在物理网络中，中心管理设备将会被部署在传 输网络的数据中心。其中逻辑基础设施位于接入网络，例如 Cloud-RAN 或者 D-RAN 的 位置。由于所有上述网络功能可以与无线帧异步工作，基础设施节点功能提供了潜在的 集中化的可能，这也意味着不是所有位于基站站址的 RNE 需要具备 D2D 检测和模式选 择功能。
13.2 5G 灵活的功能分布
物理层的架构决定了无线接入的一系列特点，例如网络密度、无线接入节点特性（尺寸、天线数量、发射功率）、传播特性、期望的用户终端数量、用户移动性特征和话务特征。
物理架构也决定了无线接入节点和传输网络回传技术，它的构成可能是异构混合的方式， 由固网连接和无线接入组成。而且物理部署定义了面向核心网的技术和逻辑单元。所有 这些特点包含物理特性和限制，影响着功能和逻辑移动网络元素之间的互动。 根据数据速率、网络状态和业务构成，这些制约因素的影响和处理这些制约的方式 有所不同。 功能分拆选择和物理部署的条件紧密相关，例如，某个功能分拆决定了必须由物理 基础设施提供的逻辑接口，而物理设施往往带给逻辑接口限制条件。首先要考虑网络密 度，单位面积无线接入节点的数量越多，回传的流量越大。图 3.10 给出了支持基站数量 要求的回传速率和功能分拆的关系 [7]。
在 RAN 协议中，更高协议层的功能分拆，可以支持更多的接入点。分拆方式 A（见 图 3.5）中每个无线接入点具有静态的数据速率，而分拆方式 B 和 C，传输速率随着实 际用户速率的变化而变化。因此，这两个分拆方式可以获得传输网络的统计合成增益，增益可以高达 3 倍。
相对而言，分拆方式 A 为每个接入点提供相同的速率，速率不依赖于实际的负载， 因此无法获得复合增益。回传技术不仅决定了速率，也影响可以实现的端到端时延。分拆方式 A 需要光纤或者毫米波回传技术，可以采用波长变换或者菊花链毫米波链路。对于分拆方式 A 来说，低时延非常关键，这是由于物理传输是基于 CPRI 接口实现的，其时间和频率同步来自 CPRI 的数据流。分拆方式 B 和 C 可以承受较高的若干个毫秒的时延，这样允许使用上层交换技术，例如 MPLS 或者以太网。这样显著地提升了回传网络 的*度。
分拆方式 B 和 C 的区别是方式 B 执行中心编码和解码。 目前 3GPP LTE 中有严格的时钟要求，因为 Hybrid ARQ 进程需要在接收到码字之 后 3ms 内完成。如果回传的时延达到若干毫秒，就不可能达到这一要求。因此，要么 采取降低要求的替代办法 [17]，要么 5G 移动网络必须足够灵活来调整时延的要求。尽管 如此，分拆方式 C（和内在的分拆方式 B）必须满足调度和链路自适应处理的时延需求。 后者的影响非常关键，因为不准确的信道信息导致次优的链路自适应，进而严重影响系 统性能 [18]。时延带来的影响主要来自用户移动和干扰时变特性。网络密度和用户密度都内在地影响网络功能的分拆和增益。假设每一个小区都要给大量用户提供服务，所有 的无线资源都被占用，小区间干扰将十分严重，必须通过协作算法克服。因此，在较低 RAN 协议层的功能分拆较优。这样的场景会在热点地区、体育场或者大型商场和机场之 类的室内部署时发生。相反，如果每小区的用户数较少，而用户的流量特征变化明显， 每小区被占用的资源就很低。这就增加了小区间干扰协作的*度，比如高层功能分 拆和低层协作算法有同样的效果。最后需要说明，服务组合对于功能分拆和部署有重 要影响。 分拆方式A和B比分拆方式C提供了更多的优化机会，因为更多的功能由软件实现， 可以根据实际目的进行优化，见上述12.3 节的讨论。例如，分拆方式 B 允许不同的业务 采用不同的编码技术，如 MTC 采用块编码，MBB 业务采用 LDPC 编码。而且，分拆方式 B 允许联合解码算法来有效克服干扰。因此，如果可以预见较高的服务分集，就值得 提高集中部署的比例。然而，有些业务，比如交通流量监视需要在本地处理。因此，网 络或许需要选择集中部署的等级。下面的三个例子描述了不同的部署如何决定了网络功 能的布置。 3.4.2.1 利用光纤部署的广域覆盖 这里所有无线接入网络功能都集中部署，对传输网络的容量和时延提出了最强的要 求。但是由于所有的无线网络功能都在数据中心进行，可以和核心网络功能共址部署同时最大化协作分集增益，而且可以获得软件虚拟化增益。不仅如此，其他的 RAT 标 准可以根据在数据中心的具体实现，很容易集成起来。 但是，对于光纤的依赖也限制了灵活性和部署成本。例如，对于小基站，所有的节 点都需要由光纤或者视距（LOS）的毫米波回传技术连接。
13.3 利用异构回传的广域覆盖
这种部署采用不同的回传技术，如图 3.11 所示 [19]。根据实际可用回传链接和结构 的限制，包括多跳毫米波技术、非视距回传。这样混合的回传技术支持不同的集中部署等级。因此，多个无线接入点之间的协作能力和适应网络参数变化的灵活性可能改变。 例如，如果两个无线接入点将分别采用分拆方式 B 和 C。双方可以通过 ICIC 实现资源 协作，分拆方式 B 需要实现高级定制的编码算法。这一部署场景从资本开销的角度是优化的 [20]，是大部分协作增益的来源，与传统方式相比降低了部署成本。但是，从许多其 他方面来看却挑战巨大，如无线接入点的协作、布局和规划数据处理单元、软件部署和 网络单元管理，例如，通过 SDN 进行的管理。
13.4 体育场本地网络
体育场作为网络部署的一个典型案例，如图 3.12 所示，基础设施的拥有者是体育 场的运营方。类似的部署包括机场和购物中心。在这种情况下，场馆运营方提供多个 运营商必须共享的连接。而且，这些部署需要很好地规划来满足未来预期的容量需求。 最后，硬件部署与广域部署和热点部署十分类似，但是包括无线和核心网功能的软件 部署或许差异很大。例如，核心网功能可能被部署在体育场，提供本地业务（例如视 频流）。
体育场作为网络部署的一个典型案例，如图 3.12 所示，基础设施的拥有者是体育 场的运营方。类似的部署包括机场和购物中心。在这种情况下，场馆运营方提供多个 运营商必须共享的连接。而且，这些部署需要很好地规划来满足未来预期的容量需求。 最后，硬件部署与广域部署和热点部署十分类似，但是包括无线和核心网功能的软件 部署或许差异很大。例如，核心网功能可能被部署在体育场，提供本地业务（例如视 频流）。
总结
下一代无线接入需要满足广泛的需求，未来网络设计的推动力来自于灵活性、延展 性和面向业务的管理。尽管不是直接地关联到 5G，NFV 和 SDN 技术将会相互补充，实 现这些基本的功能。 相对于 3G 或 4G 网络，5G 网络需要更快地响应市场变化。通过满足高级的要求， 例如 5G 和 LTE 演进共站部署，同时开通多 RAT 连接，高容量岛和超可靠无线连接都可 以在不需要额外的经济投入的条件下得以实现。灵活的网络功能部署促使功能更好地分 拆，满足服务要求、用户密度变化、无线传播条件和移动及流量构成，既要确保网络功 能之间通信的灵活性，又要限制需要标准化的接口来满足多厂商互操作的需要，二者的 平衡是系统设计的根本。