第一章 5G 前蜂窩移動曆史
1.1 5G前蜂窩移動系統和業務概述
|1.2 4G LTE同構宏蜂窩和異構微蜂窩概述 |
4G 時代最有代表性的蜂窩移動系統就是 LTE，對應的無線接入技術就是 E-UTRA，它由 3GPP 項目組織上司進行了多版本的标準化。從 2008 年的 Rel-8 初始版本開始（準 4G 系統），演進到 2010 年被稱為 LTE-A（真正 4G 系統）的 Rel-10 版本，至 2017 年已演進到 Rel-15 版本。由于是長期演進， 是以 E-UTRA 每個新版本都必須保證後向相容性，即低版本的終端也能正常 接入和使用高版本的 E-UTRA 網絡。LTE 網絡相比過去的 2G/3G 網絡，采取 了無線接入網（RAN，Radio Access Network）“扁平化架構”，如圖 1-3 所示。 基站 eNB 是無線接入網 E-UTRAN 内的唯一邏輯節點（注：eNB 實體實作上 也可以通過裝置廠家的私有接口分開，但标準邏輯上是同一網元節點），UE 隻 有兩個 RRC 狀态，即空閑态 RRC_IDLE 和連接配接态 RRC_CONNECTED。“扁 平化架構”使得無線接入側的所有網絡功能，如接入控制、無線資源配置設定排程、信令和使用者資料傳輸最大限度地靠近空中接口（空口 Uu），以快速适配空口動 态變化的無線資源環境，進而提升系統的效率性能。同時它還能進一步降低基 站 eNB 和終端 UE 之間的資料傳輸時延。LTE 系統 E-UTRAN 中的邏輯節點 和接口類型精簡，避免了很多不同網元節點間的互聯互通測試（IOT，InterOperatability Test）等問題，進而增強了蜂窩系統的穩定性和運維性。
eNB 通過直連的邏輯接口 S1，和核心網控制面網元節點 MME 以及使用者 面網元節點 SGW 相連接配接，它們之間可以是多對多的 Flex 連接配接關系。由于架構 扁平化的特征，處于相同邏輯架構層級的基站 eNB 之間，可以通過直連的邏輯 接口 X2 進行移動性操作和資料協作傳輸聯合操作，這也可以一定程度地增強 LTE 小區邊緣的容量和性能，克服終端和 eNB 基站之間通信的“遠近效應”， 形成相對平滑一緻的無線覆寫和系統容量供給（注：這裡相鄰的 eNB 基站雖處 于相同的邏輯架構層級，但它們可以是不同類型和功能集合的基站，可扮演着 不同的邏輯角色）。不同于過去的2G/3G網絡，LTE采取了“單一核心網PS域”， 不再獨立區分傳統蜂窩的 CS 域和 PS 域，用統一 PS 域提供了所有 EPS 承載 級别的使用者業務承載。各種擁有不同服務品質要求（QoS Profile，Quality of Service Profile）和屬性特征（QCI、GBR、AMBR、ARP）的業務資料包（包 括話音資料包），都要通過基站 eNB 配置的資料無線承載（DRB，Data Radio Bearer）來進行統一且差分的處理和上下行資料包在空口的傳輸。LTE 系統 既能支援一些 QoS 被标準化的常見資料業務類型，用标準化的 QCI 來表達其 QoS 特征，也可以支援那些 QoS 沒被标準化的其他資料業務。
早期，在 LTE 同構宏蜂窩的部署方式下，每個宏基站 eNB 内，可在一個 或者多個 LTE 載波頻點上，重疊配置着多個宏服務小區（無線覆寫範圍從幾百 米到幾十千米），進而相鄰的多個宏基站 eNB，共同形成較為規整的宏蜂窩狀 的無線覆寫。如圖 1-4 所示，在某個實體區域内，若幹形狀大小基本相同的宏 小區有規律地部署在 4 個不同的 LTE 載波頻點上，頻率垂直方向有重疊覆寫， 位置水準方向的宏小區邊緣也有重疊覆寫。在 LTE 同構宏蜂窩中，LTE 無線 覆寫和容量的供給，通常随着實體位置的變化而呈現出單一的拓撲結構，越往 宏小區中心的地方越好。同構宏蜂窩的部署方式，在蜂窩移動網絡早期特别強 調無線全覆寫的要求下，較為普遍适用，在未來 5G 蜂窩部署中，移動錨點控 制信令層或基本類業務層，通常也可采取同構宏蜂窩的部署方式。
如圖 1-4 所示，“同構”意味着大部分部署的基站 eNB 所提供的無線容量 和處理能力，甚至配置參數（包括天線數目、形态、增益、角度朝向）都基本一緻， 營運商不需要在衆多的基站裝置之間，進行太多的差分對待和精細化管理配置， 是以，相應的裝置采購管理、網絡規劃優化、管理運維等任務，則變得相對 “千篇一律”，相對簡單、輕松一些。“宏蜂窩”意味着單個宏基站 eNB，通常 就能無線覆寫較大的實體區域範圍，是以整個蜂窩網絡中部署的基站總數目和 CAPEX/OPEX 成本就容易控制在特定的預算範圍内。在特定的 LTE 宏服務小 區下，對于大部分終端，由于自身的實體活動範圍有限，大部分時間内可能隻 是處在單個宏基站 eNB 所轄的服務範圍内，偶爾才會離開移動到其他相鄰的宏 基站服務小區内，是以可避免很多宏基站間的移動性重配置、幹擾協調等操作。 是以，同構宏蜂窩通常保證好從核心網→無線接入網→終端這一垂直資料服務 路徑即可，對基站之間的水準資料服務路徑的要求，可以相對略微地降低。
總的說來，“同構宏蜂窩”的部署方式，能夠簡化營運商對蜂窩移動網絡的 部署和運維，是一種較為初級、粗糙的方式，但它很不利于蜂窩移動網絡資源 的差分化管理和精細化利用，這主要基于下面幾點理由和事實。
（1）終端使用者的密度和資料流量需求的實體分布通常是不均勻的，有的區 域多，有的區域少，有的區域甚至是“無人區”。由于不同地域和室内外環境之 間的較大差異，使用者的移動特性也是不一緻的。“同構宏蜂窩”的部署方式，不 利于針對局部區域的具體業務分布需求特性，來進行無線覆寫和系統容量方面 的定制化供給輸出。
（2）宏基站 eNB 為了實作遠距離無線覆寫，需要較大的射頻輸出功率，同 理，處于小區遠端的終端也需要較大的射頻輸出功率，才能保證上行資料傳輸 性能，這是很耗能的。由于單個宏服務小區内使用者數衆多，它必須長時間處于 激活且持續穩定的工作狀态，這對宏基站的能耗和運作穩定性要求很高，比如， 宏基站 eNB 在白天正常工作時段，幾乎很難被關閉和參數重配重新開機。一旦宏基 站 eNB 發生故障重新開機，常常會帶來很大的斷網影響。
（3）宏小區覆寫造成位于宏服務小區遠端和邊緣的終端，需要經曆“無線 鍊路長徑”才能和基站進行上下行資料傳輸，這需要消耗更多的空口無線資源 和發射功率資源，以抵抗路損和無線幹擾，但同時必然會對環境造成更大的無 線幹擾，是以，“無線鍊路短徑”對于空口資料傳輸更為高效和有利，也更能節 省基站能量和終端電量。後面讀者将會發現：通過小小區和 Relay 中繼技術，可 把無線鍊路長徑轉化成分段的多條短徑，這樣可有效地管理空口的無線幹擾疊加。
（4）單個大型宏基站 eNB 因為要服務衆多的使用者（>1 000 人），這對宏基 站的基帶處理能力、排程能力 / 算法效率等方面的挑戰都很大，比如，能同時 高效服務排程 1 000 個使用者和 10 個使用者所帶來的算法複雜度和基帶處理效率 開銷是不同的。由于衆多使用者的實體位置、蜂窩業務特性、無線環境等因素差 别可能很大，是以極易造成宏服務小區的平均譜效和實際無線覆寫、容量被某 些使用者拉低，使用者間服務的公平度下降，進而無法達到系統的性能目标。
（5）宏基站 eNB 的宏小區，通常隻能配置工作在帶寬資源較稀缺的低頻段（< 3.5 GHz），由于裝置發射功率限制（20 MHz 工作帶寬典型值為 46 dBm）、空 間實體障礙物導緻的不同路損等因素，通常無法在中高頻段載波上進行部署工 作。是以宏小區無法利用廣闊充裕的中高頻段載波資源，此時，微小區或小小 區就自然地适用于中高頻段部署。UDN 部署的一個前提就是基站小型化和服務 小小區化。
基于上述“同構宏蜂窩”的多重缺點、弊端，以及營運商們不斷強調精細 化其網絡營運和更高效、靈活地提供各類蜂窩業務應用的需要，LTE 網絡從Rel-10開始，逐漸從“同構宏蜂窩”的部署方式，向各種“異構微蜂窩”（HetNet， Heterogeneous Network）的部署方式轉變、演化。簡單地定義，“異構微蜂 窩”是指特定實體服務區域内，存在着不同系統容量、不同處理能力和不同配 置參數的各種基站 eNB（從大型宏基站到各類型的微基站甚至家庭基站），外加 其他不同 RAT 技術制式的基站節點（如 RN、WLAN AP、gNB 等），它們之 間混合搭配着異構化部署，不需要像“同構宏蜂窩”那樣規律有序，營運商可 根據待服務使用者和蜂窩業務的客觀具體需求按需、靈活、動态地去建構網絡拓 撲，進而實作區域定制化的無線覆寫和容量供給輸出。如圖 1-5 所示，在某個 實體服務區域内，若幹個覆寫形狀大小不同的宏微服務小區，無特定規律地部 署在 4 個不同的 LTE 載波頻點上，進而蜂窩網絡提供的無線通信容量可針對特 定實體位置的具體需求情況而動态變化和定制，可以是同頻或異頻部署，形成 多樣化的拓撲結構，而且可能是“無定形的”。對于“異構微蜂窩”，不僅要保 證好核心網→無線接入網→終端這一垂直資料服務基本路徑，還要對基站之間 的水準資料服務路徑提出更高的性能要求，因為此時終端很容易且很需要和多個相鄰的基站産生聯合互操作的關聯。
支撐 4G LTE“異構微蜂窩”的相關關鍵技術，将在後續的章節中詳細地 進行介紹分析，5G UDN 本質上也屬于一種“異構微蜂窩”的部署方式，此時 除了“異構”和“微蜂窩”的基本特征，還外加了“小區密集化”和“高度協 作化”的重要特征。當 5G UDN 内的小小區部署變得越來越密、越來越小時， 無線接入網節點的上層基帶資源和下層無線資源仿似被“雲化了”，這就能對 5G 在部署組網成本、工作效率、網絡系統性能等方面都帶來很大的提升空間， 同時也伴随有很多新的技術挑戰。這一技術趨勢，其實就是蜂窩移動系統對“雲 計算”的基本技術理念，在無線接入網側的深入應用。