超密集無線網絡關鍵技術 節選

第1章 異構超密集網絡混合通信路徑編排方案 1.1 引言 未來的移動網絡，包括超五代通信網絡和第六代通信網絡，必須應對不斷增長的數據流量所帶來的挑戰。因此，提高移動網絡容量的技術受到了廣泛的關注和研究[1]。這些技術主要包括大規模多輸入多輸出(multiple-input multiple-output， MIMO)[2]、毫米波(millimeter-wave， mm-Wave)[3]、超密集網絡(ultra-dense network， UDN)[4]、全雙工中繼[5]、未授權頻譜[6]等。異構超密集網絡與其他通信技術(如Wi-Fi)的共存產生了理想的兼容性。它們的高系統容量和良好的兼容性使異構超密集網絡被廣泛認為是未來移動網絡的一個有前景的架構。超密集網絡盡管有著很多優勢，但是在回傳鏈路和容量瓶頸方面卻面臨著挑戰，其中包括小小區基站回傳鏈路和宏基站(macro base station， MBS)干擾問題。 端到端通信除了旨在提高回傳質量之外，也是一種緩解容量瓶頸的可行技術。使用端到端通信時，附近的用戶設備節點(用戶)可以在不使用網絡基礎設施的情況下進行通信，從而有效減少了基站處理的通信量。移動網絡和移動多播[7]的邊緣緩存內容也可以處理大量的移動網絡流量。當內容緩存得到廣泛應用時，端到端通信將發揮更大的作用。 本章提出了一種異構超密集網絡的通信路徑編排的解決方案，該方案的系統結構包括一個數據平面和一個控制平面。在數據平面上，數據可以沿著混合設備通信路徑(hybrid device communication path， HDCP)從一個內部通信節點(基站或者用戶)傳輸到另一個內部通信節點。混合設備通信路徑可用于兩個用戶之間的通信，也可以用于解決回傳鏈路的擁塞問題。在控制平面上，路徑調度程序根據各種鏈路帶寬資源集中安排混合設備通信路徑。根據上述體系結構，我們介紹了兩種混合設備通信路徑編排方法，與現有提高網絡容量的技術不同，我們提出的解決方案旨在通過充分利用可用的全球網絡資源來提高網絡服務的質量。因此，所提出的解決方案可以作為異構超密集網絡技術的一個重要補充。 超密集網絡通常采用兩層結構，其中假定宏基站位于中心，小小區基站分布在宏基站的覆蓋區域內。連接小小區基站和用戶接入鏈路的頻譜可以以集中式或分布式方式動態分配。與接入鏈路不同，回傳鏈路幾乎是靜態的[8]。不同類型的回傳鏈路可能具有明顯不同的容量。例如，毫米波(60GHz)的上下游吞吐量約為1Gbit/s[9]，而G.Fast(100m)的上下游吞吐量約為500Mbit/s[10]。超密集網絡中回傳鏈路的具體選擇取決于成本和其他幾個系統因素，如網絡容量、小小區基站部署密度和干擾問題。雖然有線鏈路，特別是光纖鏈路可以保證高容量，但高昂的成本和地理限制在一定程度上阻礙了它們的密集部署。毫米波部署方便，數據容量大，然而，由于小小區基站的數量眾多，密集的毫米波網絡的回傳代價高昂。 端到端通信，尤其是全雙工端到端通信，可以通過共享基站使用的帶寬來提高系統性能[11]。端到端對與蜂窩用戶之間的資源共享可以達到*佳的頻譜效率，但會產生干擾。使用專用頻譜不會在端到端對和蜂窩用戶之間產生干擾，然而它卻降低了頻譜效率。由于授權頻譜具有良好的可控性，所以可以將其集中分配，端到端對還可以使用或重用未經授權的頻譜資源。基于未授權頻譜資源的端到端通信，如Wi-Fi Direct，消除了端到端對與蜂窩用戶之間的干擾問題。 1.2 路徑編排體系結構 圖1-1描述了我們所提出的解決方案的系統架構。該解決方案包括一個數據平面和一個控制平面。數據平面負責通信數據，控制平面負責通信路徑編排。 圖1-1 提出方案的系統架構 1.2.1 數據平面 考慮一個典型的超密集網絡結構，如圖1-1所示。小小區基站接入鏈路(連接小小區基站和用戶)的頻譜資源以集中的方式分配。小小區基站通過異構回傳鏈路與宏基站通信。在超密集網絡區域，可能會部署Wi-Fi熱點。兩個通信節點之間通信的雙向路徑有時是不同的。對于上述情況，雙向路徑是獨立構建的。為了簡單起見，我們假設兩個內部通信節點之間通信的雙向路徑是相同的。 數據可以沿著混合設備通信路徑從一個內部通信節點傳輸到另一個內部通信節點。混合設備通信路徑中包含的鏈路可以是端到端鏈路，也可以是小區到小區鏈路，將數據從一個小小區基站傳輸到另一個小小區基站、小小區基站接入鏈路或者小小區基站回傳鏈路。端到端或小區到小區鏈路可以使用授權或者未授權的頻譜，并以集中的方式構建。如果小小區基站可以添加相應的支持，則可以將 Wi-Fi用于小區到小區鏈路。需要注意的是，混合設備通信路徑集成了不同的通信接口，這有助于充分利用網絡資源。上述集成基于應用層輔助轉發方法，如圖1-2所示。 圖1-2 應用層輔助混合設備通信路徑通信 為了沿著混合設備通信路徑將數據包發送到目的地，數據源在數據包中的應用程序數據單元(application data unit， ADU)的開頭插入一個路徑索引頭，并將數據包發送到混合設備通信路徑中的下一個節點。路徑索引頭由一系列節點地址和文件結束(end of file， EOF)標志組成。如果此混合設備通信路徑的*后一個節點是包目的地，則路徑索引頭中的*后一個地址是該混合設備通信路徑的*后一個節點地址；否則，*后一個地址就是數據包的目標地址。在后一種情況下，包的目標是一個遠程地址，混合設備通信路徑的*后一個節點是小小區基站。當一個節點接收到數據包時，它將從路徑索引頭中刪除**個通信節點地址。上述過程一直持續到數據包到達此混合設備通信路徑的*后一個節點為止。如果路徑索引頭中的*后一個地址不是這條混合設備通信路徑上的*后一個節點的地址，則將數據包轉發給宏基站。 混合設備通信路徑可用于兩個用戶之間的通信，也可用于回傳鏈路之間遷移流量，以解決回傳鏈路的擁塞問題。基于混合設備通信路徑的通信有幾個優點。**，當底層數據傳輸類型發生變化時，它可以很好地工作。這一特性對于所提出的解決方案非常重要，因為底層數據傳輸類型可能被靈活調整以獲得全局優化。第二，由于路徑索引頭的設計，數據可以沿著多個混合設備通信路徑傳遞，并且一條鏈路可以由多個混合設備通信路徑共享。第三，正常數據包和形成核心網絡不會受到影響。 1.2.2 控制平面 混合設備通信路徑由宏基站上的路徑調度程序或核心網絡中的服務器來安排。路徑調度程序由四個主要模塊組成，如圖1-1所示。混合設備通信路徑編排模塊是路徑調度的核心，其他三個模塊為混合設備通信路徑編排模塊提供了必要的支持。接下來介紹上述提及的四個模塊。 拓撲管理模塊：每個小小區基站記錄了與之相連接的用戶，并且這些小小區基站都和已知的宏基站相連接。因此，可以構建超密集網絡的兩層結構。由于在我們的解決方案中以集中式的方式構建了端到端和小區到小區鏈路，拓撲管理模塊知曉關于這些鏈路的信息。因此，一個由小小區基站接入鏈路、小小區基站回傳鏈路以及現存的端到端或者小區到小區鏈路組成的邏輯拓撲可以通過拓撲管理模塊來建立鏈路。 信號管理模塊：在所提出的解決方案中，用戶通過如文獻[12]所提到的端到端解決方案對端到端鄰近信號進行預判精準信號檢測。每個用戶將新的無效端到端鄰近信號報告給信號管理模塊。小小區基站是固定的，因此部署小小區基站時可以獲得小區到小區鄰近信號關系。用戶和小小區基站定期檢測未經授權的頻譜，例如，Wi-Fi中使用的2.4GHz和5GHz頻譜，端到端和小區到小區鏈路更適用這種頻譜。被檢測到的未授權光譜的變化也被報告給信號管理模塊。 流量監控模塊：該架構將網絡流量分為外部流量和內部流量。外部流量是指進出核心網絡的流量，內部流量是指用戶之間通信產生的流量。通過監控宏基站的流量很容易實現對外部流量的監控。內部流量使用混合設備通信路徑的目的地來監控，并報告給流量監控模塊。根據監控結果和網絡拓撲結構推導出鏈路級流量。 混合設備通信路徑編排模塊：該模塊根據擁塞避免和流量平衡的通信需求編排混合設備通信路徑。該模塊向相關通信節點發送相應的指令，以部署新的混合設備通信路徑或更新現有的混合設備通信路徑。其他三個模塊中獲得的信息為混合設備通信路徑編排提供了必要的支持。為了避免鏈路擁塞，該模塊還需要了解每個相關鏈路的容量。無線鏈路的容量可以根據香農容量定理來計算，而有線鏈路的容量可以根據鏈路的配置來計算。由于用戶的移動性，端到端鏈路容量有時會發生明顯的變化。為了適應上述情況，基于現有方法，如文獻[13]中提出的方法，檢測鏈路擁塞，并報告給混合設備通信路徑編排模塊。當收到鏈路擁塞報告時，混合設備通信路徑編排模塊將重新安排適當的混合設備通信路徑以減輕擁塞。 1.3 無擁塞的路徑編排方法 本節主要關注無擁塞路徑編排，它構造了用于兩個用戶的通信和避免回傳擁塞的混合設備通信路徑。本節介紹非侵入式和侵入式混合設備通信路徑的編排方法。前者在不更改現有混合設備通信路徑的情況下構造建立新的無擁塞混合設備通信路徑，而后者通過更改現有混合設備通信路徑構建新的無擁塞混合設備通信路徑。侵入式混合設備通信路徑業務流程會影響現有混合設備通信路徑的穩定性。因此，只有當非侵入式混合設備通信路徑業務流程無法找到合適的混合設備通信路徑時才使用它。 1.3.1 路徑編排的頻譜分配 混合設備通信路徑業務流程中，可以構造新的端到端和小區到小區鏈路，并擴展現有端到端鏈路容量，每條鏈路都涉及集中的頻譜分配。如前所述，端到端和小區到小區鏈路可以使用授權或未授權的頻譜資源。為了避免干擾，我們選擇了優先級更高的未授權頻譜。在我們的解決方案里，端到端或小區到小區鏈路沒有本質區別。因此，我們的解決方案使用現有的方法，例如，像文獻[14]中提出的方法那樣，使用授權的頻譜為端到端或小區到小區鏈路分配頻譜。在異構超密集網絡中使用未授權的頻譜時，先聽后講機制是一個理想的選擇。因此，我們所提出的解決方案應用先聽后講機制來選擇未經授權的頻譜。需要注意的是，未經授權的頻譜信號由信號管理模塊采集，無線信號的期望距離遠小于*大可達距離。 1.3.2 非侵入式路徑編排方法 當前者想要向后者發送數據時，非侵入式路徑編排方法嘗試在一個用戶和另一個用戶之間構建一個無阻塞的混合設備通信路徑。此外，該方法構造一個或多個無擁塞混合設備通信路徑以便在小小區基站的回傳鏈路擁塞時遷移流量。 我們首先介紹用于兩個用戶之間通信的非侵入式混合設備通信路徑編排。在不失一般性的前提下，我們假設一個用戶u想要發送數據到另一個用戶v，非侵入式混合設備通信路徑編排基于拓撲圖上的特定廣度優先搜索(breadth first search， BFS)，構造了一個無阻塞混合設備通信路徑，從u開始，以v結束。被接入節點i的遍歷路徑表示了搜索過程所遍歷的從u到i的路徑。當將節點從當前深度級展開到下一個深度級時，遍歷路徑中包含*少端到端和小區到小區鏈路的節點將以*高優先級展開。上述過程減少了所找到的混合設備通信路徑中的用戶數量，從而明顯提高了混合設備通信路徑的穩定性。如果兩個節點通過接入鏈路或回傳鏈路連接，則一個節點會被視為另一個節點的公共鄰點。當擴展節點時，i的未接入公共鄰點將被訪問。此外，每個未被接入的端到端或小區到小區鄰近點j將根據以下情形進行接入。 情形1：不存在從i到j的端到端或小區到小區鏈路。在這種情況下，非侵入式混合設備通信路徑編排嘗試構建一個新的從i到j的端到端或小區到小區鏈路，以便這個新鏈路的容量能滿足從u到v的通信要求，如果新鏈路構建成功，j將成為下一個深度水平點；否則，j將被忽略。 情形2：雖然一個從i到j的端到端或小區到小區存在，但該鏈路的剩余流量不能滿足從u到v的通信需求。在這種情況下，非侵入式混合設備通信路徑編排