5G网络实施中的管理技术和方法研究

董春利 王莉

摘要：5G网络具有3个独特的特点：无处不在的连通性，非常低的延迟和非常高速的数据传输。现有的5G网络实施的管理技术，主要有干扰管理、切换管理、QoS管理、负载均衡、信道接入控制管理、安全和隐私管理。文章详细阐述干扰管理，QoS管理和信道接入控制管理。

关键词：5G网络：干扰管理；QoS管理；信道接入控制管理

多种2层体系结构已经为SG网络提出，其中，MBS位于顶层，SBS位于底层，在MBS监管下工作。宏蜂窝覆盖了所有不同类型的小蜂窝，例如毫微微蜂窝、微微蜂窝、微蜂窝。2层共享相同的频带。小蜂窝增强了宏蜂窝的覆盖和服务[1]。现有的SG网络实施的管理技术，主要有干扰管理、切换管理、QoS管理、负载均衡、信道接入控制管理、安全和隐私管理。

本文详细阐述干扰管理、QoS管理和信道接入控制管理。

1 5G网络中的干扰管理

本节将讨论一些SG网络中干扰管理的技术和方法。Nam等[2]通过使用被称为高级接收机的新型接收机设备来处理用户端干扰，该接收机设备检测，解码并且去除对接收信号的干扰。另外，由联合调度来管理网络端的干扰，根据所需要的资源（如时间、频率、传输速率、多个小区的方案）为每个用户选择相应的基站（Base Station，BS）。因此，用集中式或分布式方式实现的联合调度需要相邻小区的定位机制。

Hoss ain等[3]提出分布式小区接入和功率控制（CellAccess and Power Control，CAPC）方案来处理多层架构中的干扰。CAPC包括：（1）优先功率控制（Priority PowerControl，PPC），其假设在SBS下工作的用户具有比在MBS下工作的用户低的优先级，并且因此低优先级用户设置其功率，使所产生的干扰不能超过预定的阈值。（2）小区关联（Cell Association，CA），其注重资源的动态值，业务量，到MBS的距离，以及MBS上的可用信道，用于选择具有最优参数值的MBS。（3）资源感知CA和PPC（ RCA-PPC），其是前两种方法的组合，基于PPC和CA的准则，允许用户同时与多个BS连接，用于上行链路（Uplink，UL）和下行链路（ Downlink，DL）。

Hong等[4]在小蜂窝网络中提出了白干扰消除（Self-Interference Cancel，SIC）。由于我们已经知道SBS需要将回程数据转移到MBS的方法，所以SIC的使用可以消除对这种方法的需要，并导致自回程小蜂窝（Since the Small Cell，SSC）。 SSC使用SIC来提供服务和回程数据传输，更重要的是，它们可以获得和通过小型光纤连接到小蜂窝同样的性能。它的工作原理是：在DL信道中，SBS可以从MBS接收并同时传送给用户。在UL信道中，SBS可以从用户接收并同时发送到MBS。因此，小蜂窝可以完全去除分离回程数据传输方法的需要，从而降低成本。

2 5G网络中的QoS管理

本节将讨论一些SG网络中QoS管理的技术和方法。Zhang等[5]为各种类型的服务、应用和具有不同需求的用户提供了不同的延迟有界QoS的机制，称为异构统计延迟有界QoS供应（Heterogeneous Statistics Provi Sioning，HSP）.HSP最大化了不同类型SG体系结构的总体有效容量。HSP算法比其他方法提供了更好的性能，但是在时延有界QoS要求的覆盖下，它为不同链路的不同资源分配提出了新的挑战。

Zhou等[6]提出了在监测客户端和层间（C-RAN中的控制层和数据层）QoS的情况下，部署质量管理服务（QualityManagement Service，QME）。 RRU向QME发送无线信息（例如，CSI，参考信号接收质量和资源块利用率）。因此，QME执行服务控制算法，然后发送调度策略给RRU，以达到所需的QoS水平。

Kim等[7]门为多跳D2D通信提供了一种路由算法，为每条链路计算不同的QoS，以达到比最大一最小路由算法更好的性能。该算法增加流量，直到它提供所需的QoS或达到链路的最大容量。由于该算法考虑单独的链路，按照所希望的QoS，某些信道将与多个链路相关联。

Zhou等[8]为DL信道提供了一种QoS感知和能量有效的资源分配算法，其中用户在第一情况下被分配相同的功率，在第二情况下被分配非相同的功率。该算法在减少发射功率的同时，最大化能量有效性。

3 5G网络中的信道接入控制管理

信道接入协议允许各个用户，在利用最大信道容量的情况下，没有任何碰撞地共享传输信道。

SG网络中的信道接入控制管理，面临着与当前蜂窝网络相关的，固有的挑战，例如同步，公平性，自适应速率控制，资源保留，实时性支持，可扩展性，吞吐量和延迟。另外，提供当前可用的5G网络中的最佳信道是为了用户更高的移动性，更高的频率》3 GHz），不同的接入，密集的网络，高QoS，高链路可靠性以及应用和服务的零延迟。

Son等[9]为基于毫米波小蜂窩，提出了基于帧的介质访问控制（Frame-based Medium Access Control， FD-MAC）协议。FD-MAC由两个阶段组成：（1）调度阶段，当SBS从支持的用户收集流量需求，并为数据传输计算调度。（2）传输阶段，当用户跟随调度同时传输时，使用图形边缘着色算法计算的调度包括一系列拓扑，和用于指示每个拓扑应该维持多长时间的一系列时间间隔。

Liu等[10]为小蜂窝和宏蜂窝的用户提供了MAC协议。针对SBS的用户，提出了两种类型的MAC协议：基于竞争的随机信道接入（Contention Random Channel Access.CRCA），其中用户随机接入信道并在信道可用时发送消息，以及基于预留的信道接入（ RCA），使用时分多址。对于宏蜂窝的用户，它们为基于CRN的SG网络提供了MAC协议，其中认知用户（Secondary User，SUs）感知授权信道，直到其空闲或SUS的剩余能量超过预定阈值（以节省其电池）。此外，它们评估了网络吞吐量和感知开销之间的折衷。

Elsawy等[11]為认知SBSs提出了两种基于CRN的信道接入技术。第一种信道接入方案被称为基于竞争解决方案的信道接入（Contention Channel Access，CCA），其类似于CRCA，是基于载波监听多路接入。另一种信道接入方案被称为非协调侵入式信道接入（UCA），其工作与RCA-样，侵入式使用小蜂窝中的信道，来提高机会频谱接入性能。

4 结语

全双工无线电网络中的干扰消除对于多小区来说仍是一个悬而未决的问题。在全双工无线电网络中用于BS间DL到UL干扰和用户间UL到DL干扰消除的算法的设计将被探索。

5G网络应该能够满足最高的QoS水平。目前提出的架构体系不支持有效的触觉互联网服务。将来对感官进行编码，交换满足零延迟的数据，并使用户能够接收感觉将是一个有前景的领域。

5G网络中目前的信道接入协议不考虑QoS和延迟挑战，因此，将来设计的算法仍然是用于发现具有期望的QoS和零延迟的多个可靠链路。

参考文献

[1]WANG C， HAIDER F， GAO X， et al.Cellular architecture and key technologies for 5G wireless communication networks[J].IEEECommunications Magazine， 2014（2） ： 122-130.

[2]NAM W， BAI D， LEE J， et al.Advanced interference management for 5G cellular networks[J].IEEE Communications Magazine， 2014 （5）：52-60.

[3]HOSSAIN E， RASTI M， TABASSUM H， et al.Evolution toward 5G multi-tier cellular wireless networks： an interference managementperspective[J].IEEE Wireless Communications， 2014 （ 3） ： 118-127.

[4]HONG S S， BRAND J， CHOI J I， et al.Applications of self-interference cancellation in 5G and beyond[J].IEEE Communications Magazine，2014（2）：114-121.

[5]ZHANG X， CHENG W， ZHANG H.Heterogeneous statistical QoS provisioning over 5G mobile wireless nenvorks[J].IEEE Network， 2014 （6）：46-53.

[6]ZHOU X， ZHAO Z， LI R， et al.Toward 5G： when explosive bursts meet soft cloud[J].IEEE Network， 2014 （6）：12-17.

[7]KIM J， MOLISCH A F.Quality-aware millimeter-wave device-to-device multi-hop routing for 5G cellular networks[C].Sydney： In IEEEInternational Conference on Communications， 2014： 5251-5256.

[8]ZHOU Y， LID， WANG H， et al.QoS-aware energy-efficient optimization for massive MIMO systems in 5G[C].Sydney： In Sixth InternationalConference on Wireless Communications and Signal Processing， 2014： 1-5.

[9]SONIK， MAO S， LI Y， et al.Frame-based medium access control for 5G wireless networks[J].Mobile Networks and Applications， 2015（6）：1-10.

[10]LIU Y， ZHANG Y， YU R， et al.lntegrated energy and spectrum harvesting for SG wireless communications[J].IEEE Network， 2015（3）：75-81.

[11]ELSAWY H， HOSSAIN E， KIM D I.HetNets with cognitive small cells： user offioading and distributed channel access techniques[J].IEEECommunications Magazine， 2013 （6）：48-51.