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针对5G通信单元的自优化最后一英里回程网络
摘要 – 我们描述了一种新型无线回程解决方案，称为自优化无线网状网络（SWMN），其目标是经济高效地智能地互连5G小型蜂窝节点。 SWMN不仅具有高弹性和可扩展性，而且还配备了先进的自组织网络（SON）功能，可提供自主网络配置和流量工程功能。 SWMN的一个关键方面是创新的智能网络，结合光束可控铅笔束毫米波（mmW）高容量回程无线电。
- 引言
移动宽带流量需求预计到2020年将增长一千倍，到2025年可能增加10,000倍[1] - [3]。虽然为了满足不断增长的需求而引入更快的无线接入，但仅靠升级网络容量是不够的。下一代无处不在的超高带宽通信系统（称为5G）将涉及网络密集化，以满足2020年及以后可能出现的吞吐量和延迟需求。所需的网络单元的数量比当前的大单元的数量多一个数量级。在室外或室内街道上以这种规模部署5G小型网络是许多移动运营商面临的主要挑战。其中一个令人担忧的问题是能够有效，稳健和经济地将小型小区连接到现有的传输网络。
对于LTE和LTE-Advanced网络，可以假设无线接入层和回程连接都是通过使用某种网络规划工具一起离线规划的。对于5G网络 - 由于连接节点的数量庞大 - 需要一种更自组织的方法，其中节点相互识别并自行构建网络拓扑。一般而言，预计未来的小型蜂窝网络将逐步部署，无需详细的网络规划。小型蜂窝的最后一英里回程必须以灵活，有机的方式实现经济高效的部署，并可根据需要注入额外的网络容量。它必须满足5G回程的所有关键要求，例如高达10 Gbps的高数据速率，毫秒级的最大延迟，高可用性和可靠性，易于部署，经济高效的可扩展性，动态可扩展性和基于流量的优化，自动化管理，能源效率，小外形和低TCO（总体拥有成本）。
为了满足未来5G网络的高期望，我们开发了一种新型无线回程解决方案，针对5G室外小型蜂窝部署进行了优化，如图1所示。我们提出的5G最后一英里连接的SON回程概念包括网络无线传输位于5G小单元或大单元站点中的节点。这些节点为终端系统提供数千兆以太网连接，例如连接到它们的基站。 SWMN拓扑支持使用非常窄的波束点对点（PtP）毫米波（mmW）链路实现的部分网状网络。
在这种情况下使用mmW传输（30-300GHz）提供了许多优点。已经提出使用诸如60GHz，71-76GHz，81-86GHz的更高频带，用于接入和回程以解决上述容量增长[2]，[4] - [6]。与传统的固定无线服务微波频段（6-38 GHz）相比，可提供比传统固定无线服务微波频段（6-38 GHz）大一个数量级的频谱，并且可以提供与10 Gbps / 100 Gbps光纤连接相当的带宽，具有低延迟。例如，针对71-76,81-86 GHz频段的ITU-R F.2006建议书[7]规定信道间隔约为5 GHz，从而实现每个链路每个信道的数千兆位数据传输。 mmW频带通常不带子频带，并且由于非常窄的辐射光束，可以进行高频重复使用。与典型的微波回程频带相比，所谓的光谱许可方案提供更低的TCO和更低的每传输比特的成本。
SWMN的目标之一是最小化通常与无线回程网络相关联的详细网络和链路规划和设计工作。通过为每个节点使用许多潜在安装位置的灵活性以及网络构建和传输资源建立阶段的自动化来促进这一点。 SWMN的关键要素是创新的网络智能引擎。通过引擎，可以从移动网络层和操作人员隐藏SWMN的所有操作的复杂性。内置的路由，负载平衡和拓扑管理机制使得可以基于网络中的每个小型小区的动态业务需求在网络的节点之间最佳地共享SWMN网络的总吞吐量容量。
I． SWMN概念
SWMN是一种新颖的回程概念，针对异构网络环境中的5G小小区，超高容量移动基站最后一英里回程。 它还可以扩展为用于提供宽带数据连接 例如，办公室和家庭之间。 在SWMN中，使用PtP传输链路将特定地理区域内的一组宏/微/微微基站连接到部分网状拓扑。 这里提出使用电可控mmW笔式波束链路，因为它们具有优越的传输容量和低延迟性能，尽管我们的概念原则上是独立于传输介质。
SWMN回程解决方案是一个透明的子网络，提供边缘点之间的以太网传输服务连接，例如，在两个基站之间，具有智能SON功能，提供自主流量工程和网络配置功能，但只需要很少的OAM（操作，管理和维护）干预。 例如，SWMN解决方案提供了一套自配置机制，可以自动完成从PtP mmW链路的智能调整到完整的自动化网络部署过程以及适当的身份验证。 此外，SWMN解决方案采用全面的自动化弹性方案，旨在减少设备和链路故障对回程网络的总体影响，后者由例如雨雪中断或临时视线阻塞引起。
最后，SWMN解决方案提供了广泛的自优化功能：灵活的QoS（服务质量）方案，拥塞控制和管理机制以及广泛的负载平衡和流量管理功能。 这些机制允许灵活控制和引导网状网络内的业务流，从而可以在任何时间最大限度地利用网状网络的整个传输容量。 所有这些都是独立完成的 通过自动跟踪网络内部不断变化的流量负载和拥塞情况来进行日常网络管理。
- SWMN网络架构
在我们的概念中，传输节点被分组为称为域的本地子网。 一个域最多可包含100-200个节点。 当需要覆盖更大区域时，可以存在多个甚至部分重叠的域。 一个域内的节点通过PtP链路彼此连接。 在网络内的节点之间假设某种级别的路径冗余，以使负载平衡和保护特征有效。 图2中给出了SWMN网络的示例。在典型的5G小小区部署情况中，网关通常位于宏基站站点中，如图所示，或者可选地位于提供对核心或聚合的访问的小型小区站点中。网络和GN节点与基站共同位于小小区站点中。
如图3所示，SWMN架构中有四种类型的元素：通用节点（GN），网关节点（GW），集中控制器（WCC）和逻辑协议引擎（PE）实体。 GN节点为其客户端（例如，一个部署站点中的基站）提供到域的网络接口。 GN节点也可以没有本地客户端，因此仅作为SWMN域中的中继。
网关是专用的GN节点，用于将SWMN域连接到外部传输网络。 在较大的SWMN域中，可能存在多个网关 为外部网络提供多种保护性访问机会。
驻留在网络的所有GN和GW节点中的PE实体包括SWMN概念中的分布式SON智能。 例如，PE实体基于所收集的网络状态 信息和由集中控制器实体WCC给出的预先计算的指导信息 来负责本地转发/路由和负载平衡动作 。
除其他任务外，WCC实体负责将SWMN节点分组到域中，组成最佳域拓扑并计算这些域的路由路径和链路调度。 因为一个WCC可以控制多个SWMN域，所以它能够在由数百个SWMN节点组成的大区域中动态地优化拓扑。 部署WCC功能有三种主要替代方案：功能可以位于其中一个网关中，WCC可以是专用网络实体或驻留在核心网络“云”中。 后一种替代方案更具吸引力，因为单个WCC可以统一控制多个SWMN域。
- SWMN节点架构
图4示出了SWMN通用和网关节点的简化节点架构，其由一个PE实体和可能多个与标准1GE或10GE接口连接在一起的无线电（RF）模块组成。 在该示例中，假设无线电设备具有光束可切换天线，例如[8] - [10]。 为了控制和选择所需的天线方向，PE将波束控制处理器（BSP）控制命令插入以太网帧，并且调制解调器提取BSP的嵌入控制信息。 BSP处理波束控制功能，它根据PE命令，方向做出波束控制决策 估计和/或接收信号强度指示（RSSI）测量。
RF模块可以将RF链路状态信息提供回PE。 例如，当RF链路遭受中断时，RF模块内的调制解调器可以发送控制消息以通知PE发起补救措施。 在另一种情况下，当RF检测到显着降级时，调制解调器可以根据较低的调制和编码方案（MCS）通知PE降级的容量。
由于非常窄的辐射光束，高频重复使用成为可能。 但由于mmW通信需要视距连接，因此临时障碍和恶劣天气条件会影响链路性能。 需要在两个方向（方位角和仰角）进行电子束转向，以便于在操作期间轻松部署和应对灯柱和其他假设的5G小电池部署点的桅杆摇摆[11]。 图4所示的波束控制透镜天线是为TDD接入和回程系统而开发的[10]，已被用于发布的5G接入系统演示，例如[3]，并作为SWMN概念的基础传输媒体在[12]。
III．SWMN操作
A.基本连接和网络
1）网状链路：SWMN节点可以通过任何类型的无线或有线PtP链路相互连接，但该概念的目标是使用定向笔形波束mmW无线电可以电操纵的链接指向许多不同的方向。 定向无线链路上的通信可以用频分双工（FDD）或时分双工（TDD）方案实现。
2）网格中的路由：SWMN中的路由基于WCC中的路由信息的预计算，其知道物理网络拓扑[13]。 通过使用拓扑信息，WCC计算节点对之间的优先化端到端路径集。 该路由计算步骤可以包括流量工程参数，例如流量估计，链路或节点偏好，链路容量和路径延迟约束。 主要路由优化标准是端到端延迟。 然后，基于预先计算的信息，由每个GN节点形成本地转发表。
传入的客户端流量通过SWMN域从源传输到目标目标节点，作为通过虚拟连接（VC）的面向连接的端到端通信。 主流量是由WCC限定的边缘GN节点及其主网关之间。 还支持非网关节点之间的VC，例如，以提供基站之间的快速连接，例如，切换业务。 传入客户端数据与VC之间的映射 可以基于IEEE 802.1Q帧头中的VLAN ID（虚拟局域网标识符）和PCP（优先级代码点）。 转发是基于流和QoS感知的。 源节点始终将流量转发到路径首选项列表定义的当前最佳可用路由路径。 影响路径选择的参数是路径可用性，可用路径容量，路径拥塞状态和流量优先级。 在正常负载条件下，始终选择主路径。 高优先级流量始终获得最佳路径，甚至可以在拥塞时覆盖低优先级流量。 然后将低优先级流量移动到辅助，而不是最佳路径。 VC可以通过相反方向的不同路径进行路由。
当物理拓扑发生变化时，例如，由于永久链路故障或从网络添加或移除节点，WCC重新计算并重新确定路由路径。
3）链路调度：假设系统中的无线（mmW）链路是利用共享资源的概念实现的。 共享资源可以是例如无线收发器或天线。 随着共享硬件资源和智能波束控制算法的使用，可以最小化设备成本和安装工作，从而降低网络运营商的CAPEX和OPEX成本。
在最简化的共享资源概念中，SWMN节点一次只能与一个邻居通信。 这需要一个共同的网络范围调度，以确定哪个PtP链路在给定时间是活动的。 优点是通过调度和适当的拓扑管理几乎可以避免来自同时传输的干扰。
与路线信息类似，也是链路时间表 现在基于物理网络拓扑和预先计算的路由信息在WCC中预先计算。 调度计算的结果是（循环重复的）传输机会的序列。 在一个传输机会中，一组链路可以同时传输。 根据预先计算的路径，根据这些调度的传输机会，通过SWMN系统转发数据。
在调度计算中，首先生成可能代表性的一组传输机会。 然后通过尝试在调度周期中找到传输机会的最佳子集及其出现顺序来执行实际调度优化。 通过应用分数函数来进行时间表候选之间的比较。 由于主要关注的是网络延迟，因此目标是找到一个计划，该计划提供跨所有主路径的最坏情况路径延迟。 如果多个调度候选者给出相同的最小值，则可以在候选者之间应用诸如平均延迟的二次优化标准。
4）同步：循环链路调度和TDD操作都需要精确的时钟同步。 进入网络的新节点必须获取有关链路调度中时隙边界的信息，以便它可以在正确的时间激活其链路。 此外，所有节点必须在正常网络操作期间跟上链路调度，以避免链路激活中的滑动。
因此，SWMN具有模仿PTP的简单时钟同步过程。 它基于时隙边界的精确低级时间戳，它支持网络进入期间的初始时间分配以及操作期间的时钟调整。 节点将自动形成时钟分配树，并且如在PTP术语中，每个节点将充当边界时钟。
B.自 配置
SWMN系统可以通过高级SON机制启动和自配置到其计划的操作状态，包括无线电链路对齐，邻居发现和认证，初始同步传送以及路由和调度信息传递。 此外，内置的自配置机制可以通过在网络故障持久或链路拥塞的情况下自主地重新布置网络内的路由来适应和优化传输服务。
在SWMN概念中，支持自主增量（ad hoc）网络构建和基于传统网络规划的网络部署。
自治部署的流程步骤如下：
1）部署新节点（丢弃和离开）
2）邻居发现：现有网络检测新节点
3）网络条目：
a）新节点认证和接受/拒绝
b）新的拓扑计算（优化，路由和调度重新计算）
c）域的重新配置：新节点可以开始路由流量
当在网络中的两个现有节点之间建立新链路时，使用类似的发现和进入过程。 如果WCC拓扑优化器不增加弹性或提供任何性能优势，则可以决定不在活动网络拓扑配置中使用新链路。
1）新节点部署：对于新节点部署，假定使用丢弃原则意味着在站点上完成最少量的配置工作，并且部署不需要专业技术人员或特殊工具。 除了所需的设备特定参数之外，每个节点的强制性预配置还包括节点硬件ID和认证凭证。 节点部署是自动化的，因此站点不需要手动配置。 由于电子束控制和自配置SON功能，回程链路在上电后自动设置：无需手动天线对准。
2）邻居发现：为了自主添加新节点，需要邻居发现并且它利用电子束控制。 该想法是SWMN中的现有节点使用信标机制周期性地扫描新邻居。 扫描涉及在天线转向范围内扫描光束。 一旦天线波束对准，来自现有节点的信标和来自新节点的确认将被交换。 在交换信标消息之后，链路两端的波束方向将是固定的。 WCC被通知将通过网络进入过程添加到SWMN域的新节点。
3）网络进入：网络进入过程包括在新节点开始路由流量之前的认证和授权过程，新拓扑计算和拓扑配置变化。 在邻居发现阶段找到的新节点必须在有资格加入网络之前进行身份验证。 例如，需要节点
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