B5G毫米波通信无线接入网络的架构设计

Posted 2021-04-10 移动通信编辑部

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05.

原文刊发于《移动通信》2020年第8期

B5G毫米波通信无线接入网络的架构设计

杨立1,2，谢峰1,2，高波1,2

（1.中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518057；

2.移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室，广东 深圳 518055）

【摘  要】在B5G和6G时代，基于高频毫米波通信的各类先进技术将成为极大提升网络容量和促进新业务部署的关键使能因素。结合过去蜂窝无线接入网络架构的演进特点，设计出一种新型的无线接入网络架构，使得它能充分地适配高频毫米波通信的各种特点，并能实现对网络各层资源的更高效利用。

【关键词】未来移动网络；无线接入网；毫米波通信；高效灵活的资源利用

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2020.08.005      

中图分类号：TN929.5         文献标志码：A      

文章编号：1006-1010(2020)08-0021-07

引用格式：杨立,谢峰,高波. B5G毫米波通信无线接入网络的架构设计[J]. 移动通信, 2020,44(8): 21-27.

1   蜂窝无线接入网络的架构发展

蜂窝移动通信系统先后已经历了5代的发展，前3代的无线接入网架构基本以2层式为主，即中心控制单元和基站。其中，中心控制单元是下游基站的集中控制网元和数据传输汇聚点，而基站是直接面向空口进行无线资源管理和数据调度传输的网元。2层式架构基于集中控制且多级分层的设计理念，有利于减轻基站实现的复杂度，和应用各种集中式资源管理算法等。以图1的第3代UTRAN(Universal Terrestrial Radio Access Network)无线接入网架构为例，RNC(Radio Network Controller)无线网络控制器为每个RNS单元的唯一中心控制单元，而诸多NodeB节点构成了RNS内的基站，它们之间通过标准化的Iub接口连接，可进行异厂家设备的对接互操作。RNC可集中协同不同NodeB节点之间的联合互操作，比如：软切换、多流传输和邻区干扰抑制等。

蜂窝系统发展到第4代E-UTRAN(Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network)，为了能被快速地规范标准化，以满足“移动数据流量暴增”的市场紧迫需求，设计者做出了大量的架构简化，如减少网元和状态，减少层级来缩短延时，增加集成度来降成本等。图2出现了更扁平化的架构，即无任何中心控制单元，单个Aggregated eNB基站可提供终端UE和核心网之间的完整数据传输功能，各个eNB基站在逻辑地位上平等。E-UTRAN扁平化架构，虽然成功满足了当时业界快速完成4G系统规范标准化和移动宽带业务廉价部署的需求，但却失去了多级分层架构对网络各类资源和不同类型业务的分层化管理处理的优点，如网络资源云化，服务策略集中化控制，移动控制锚点高位化等。

蜂窝系统发展到第5代NG-RAN(Next Generation Radio Access Network)^[1-2]，无线接入架构一方面继承了4G的扁平化架构，即支持Aggregated gNB/ng-eNB，但同时也支持多级分层的架构，即基站CU/DU分离^[3]。NG-RAN中其实也没有类似3G系统那样的中心控制单元，用于协同控制不同的基站，而只是在NG-RAN基站内实现了多级分层。以图3中的第5代NG-RAN Disaggregated gNB无线接入网架构为例，CU为每个gNB基站内的唯一集中单元，而诸多DU节点构成了各个gNB内的分布单元，它们之间通过高层协议分离而标准化的F1接口连接[4]，可进行异厂家设备的对接互操作。Disaggregated gNB对外呈现出的架构功能和Aggregated gNB是完全一样的，因此gNB基站的CU/DU内部分离对外部网元节点是不可感知或被利用的。另外，单个gNB基站最大可支持16 384个NR服务小区，因此可形成单基站较大的物理区域覆盖，从而弱化了对gNB基站之间Xn接口的依赖，使得终端UE的移动控制锚点能尽量地维持不变。

每一代蜂窝系统设计的时代背景和业界条件不同。4G E-UTRAN架构设计之初，基本只是为了人类消费者的移动宽带类业务MBB，且面向低频(<6 GHz)信道部署，而5G NG-RAN架构设计一开始，就要面向世间万物和所有可能的通信应用（自然也包括人和传统业务），它要能承载QoS属性动态范围更宽泛的各类移动业务（从极窄到极宽，从极小到极大），且同时面向低频和中高频的(>6 GHz)信道部署。在过去从4G到5G的十年发展中，人类的芯片集成应用能力和光纤技术也得到大幅度的增强提升，相关硬件成本不断地降低，这也为5G NG-RAN架构设计提供了重要的客观条件参考。因此下面对5G Disaggregated gNB架构特点的分析，也能在一定程度上启发和预示未来B5G和6G无线接入网新架构的演进或革命特点。

（1）随着业界芯片和光纤能力的大幅度提升，出现了所谓巨型基站（单个gNB最大可支持16 384个NR小区），它需要极大的基带芯片和传输资源做支撑。未来10年，随着芯片和光纤能力的进一步发展，特别是硬件成本的继续降低，B5G新架构应该能支持更巨型的基站，它配备有更高的基带芯片和传输资源。通常蜂窝系统的集成度越高，性能会越稳定，综合成本也会变得越低。

（2）不同时延敏感协议驱动RAN功能的分离。RAN节点中的各个协议功能模块对时延的敏感程度不同，5G NG-RAN最终选择以PDCP/RLC层为CU/DU分离边界，把对时延不敏感的RRC/RRM/SDAP/PDCP等协议模块放在CU内，而把对时延敏感的RLC/MAC/PHY等协议放在DU内。面向终端UE，CU内的资源配置也被称为锚点配置/资源（Termination Point Config/Resource），而DU内的资源配置也被称为小区组配置/资源（Cell Group Config/Resource）。未来上述时延敏感驱动的RAN功能分离会继续存在，但可能会出现更多的CU/DU分离边界。在5G初始研究阶段，针对不同CU/DU分离方式的优劣已有大概分析，大致有图4中的几种典型选项。5G标准目前已支持的CU/DU高层分离（F1接口）对应着图4中的Option2选项，属于高层协议分离；而业界对如何标准化Option6/7/8也很感兴趣，它们属于低层协议分离，3GPP暂不支持标准化接口。

（3）不同RAT（Radio Access Technology）在CU单元锚点层进行功能和协议融合。无论E-UTRA还是NR，它们的RAT特征差异主要体现在DU内，而在CU锚点层都支持相同的协议，如NR SDAP/PDCP。尽管E-UTRA的RRC（TS36.331）和NR的RRC（TS38.331）有较大的规范方面差别，但TS38.331正在努力做到后向包裹和兼容TS36.331内容^[5-6]。CU单元锚点层协议的融合，有利于统一制定RRM策略和深化不同RAT之间的耦合度和联合操作。未来，B5G的CU将仍然会是一个多RAT深度融合的锚点层。

（4）对DU架构部署和复杂度的抑制。尽管DU内部不同的协议实体对时延敏感也大有不同，但5G不再进行更细的功能分离，DU自身也不具备太多的本地智能和决策权，更多依赖于CU的管控。相邻DU节点之间无直接接口的定义，即相邻DU之间的任何信息交互必须通过所属CU进行中转协同。单个逻辑DU节点只能归属于唯一CU实体，不能同时和多个逻辑CU单元建立F1接口连接实例。DU实体并不包含RF天线射频等模块，因此DU也是一个纯数字基带处理单元。未来，为了能更高效地适配高频毫米波通信的特点，B5G架构可能会减轻对DU架构部署和复杂度的抑制。

在未来B5G和6G无线接入网新架构中，上述几个特点会在某种程度上被继承延续或拓展。此外，由于B5G和6G移动通信系统，将实现对更多高频毫米波资源的开发利用，因此B5G毫米波通信无线接入网新架构必定会有其新的特点。

2   毫米波通信对无线接入网架构的影响

相比低频载波资源（<6 GHz），毫米波通信的路损衰减和易被遮挡效应非常地强烈，这使得部署在毫米波上的服务小区，常常以Small Cell（服务半径<30 m）的形态存在^[7-9]。在5G时代，通过MR-DC(Multi-Radio Dual Connectivity)双连接的工作架构^[10]，NG-RAN系统可依托于低频的宏小区去辅助聚合利用高频的毫米波Small Cell资源，但这种方式以热点容量增强为主要目的，高频毫米波小小区不需要连续地覆盖，或被终端UE稳定地抓网驻留，终端UE的主服务小区Pcell必须建立在低频的宏小区层上。为了摆脱对低频宏小区的依赖，使得终端UE能独立稳定地驻留服务在毫米波小小区层上，毫米波小小区必须要能连续地覆盖部署且提升UE抓网能力，终端UE的主服务小区Pcell要能稳定建立在高频毫米波小小区层上。如此，这使得毫米波小小区的部署个数，相比过去低频宏小区将极大地增加，同时每个毫米波小小区内终端UE个数的分布，也会更不均匀且动态变化较大，如有的小小区完全闲置，而有的则聚集了大量用户。如果继续采用海量Aggregated小基站的扁平化部署（更多依赖类似Xn接口），会造成巨大的小基站个数和部署运维成本，且各个毫米波小基站内的资源无法得到充分地利用。因此采用类似5G Disaggregated大基站的多级分层架构（更多依赖F1接口）更为合适。在Disaggregated大基站的架构下，单个CU可覆盖很大的物理区域，因此大量终端UE的锚点可尽量维持不变，无需在不同基站之间频繁地迁移；此外CU内的“锚点配置/资源”可被云化被大覆盖范围所共享。DU内的“小区组配置/资源”仍然被限定在相对较小的覆盖区域内，只能被所辖的少量终端UE所共享，这会导致DU内的基带资源闲置和低效利用，因此B5G新架构需解决这个问题，以提升低层基带资源的云化共享程度。此外，5G NG-RAN不支持跨不同DU单元的联合小区，因此跨DU不同服务小区之间的边界感很强烈。

毫米波通信通常以多天线MIMO和波束赋形技术为基础，必定依赖于更多的RF射频和多天线资源^[7-9]。随着空口工作带宽和MIMO流数的急剧增加，网络地面回程（Backhaul）和前程（Fronthaul）传输资源也必须要相应的配套增加，否则无法有效配合工作。在未来B5G和6G时代，以高速光纤为代表的高品质传输资源，将更易于获得且成本越来越能承受。今天基于各个厂家的产品私有实现，如C-RAN架构中，DU单元（也称为BBU等）和射频单元RU（Radio Unit，也称为RRU，RRH，AAU等），已可基于（e）CPRI类接口协议进行分离部署操作，于是RU可部署在更贴近终端UE的地方。C-RAN架构可理解为是一种较单一且底层的功能切割分离，（e）CPRI类接口协议基于光纤工作，在不断得到实际部署和应用验证后，它们的技术已趋于完善，在B5G和6G时代有望得到更进一步地开放和标准化。因此，B5G毫米波通信的新架构必须要得到充裕的RF射频，天线和光纤传输资源的能力支撑，否则并不能实用。

随着毫米波小小区和RU单元物理尺寸的进一步缩小，毫米波网络侧节点和终端UE的物理边界将变得越来越模糊^[10]。在5G时代，集成式接入回程技术IAB(Integrated Access and Backhaul)已使得某些特殊终端UE能扮演IAB Node的角色，为其它普通终端UE提供无线接入服务，以层2中继Relay的方式接入网络。在B5G和6G时代，随着毫米波通信的深度部署，反射智能面板RIS（Reflective Intelligent Surface）和大智能面板LIS（Large Intelligent Surface）此类射频反光板技术将会用于对毫米波信道和传输性能的改善，如规避遮挡，增强覆盖等。RIS和LIS单元在架构方面，既可属于网络侧RU单元，从而可被网管OAM系统直接管控，如角度调节，功率放大，信号再生等，同时也可属于终端侧RU单元，此时它们无法被网管OAM直接管控。此外，某些特殊终端UE的RF射频和天线资源同样也可构成毫米波泛在分布式天线的一部分，为其它普通终端UE提供毫米波信号的中继转发，这些来自辅助终端UE的RF射频和天线资源（可暂时都称为Doner-RU单元）也需要能被B5G网络节点动态地管控利用。

上述3大方面的主要影响如图5所示。综上所述，B5G毫米波通信无线接入网新架构，必须要能支持更大基站CU/DU分离方式，除了CU单元内的资源能继续被大范围云化共享，不同DU单元之间也最好能做到资源的云化共享。B5G新架构中DU和RU单元之间的接口将可能会更为开放，DU要能对众多泛在的RU单元做动态的联合利用和智能强管控配置，还要能对Doner-RU单元进行强管控和动态联合协作，不再单纯静态地依赖于OAM网管配置。从对接口信令的影响角度看，毫米波通信将更多依赖于L1或L2的低层协议信令，如PHY DCI和MAC CE命令（可由DU本地智能控制），它比L3 RRC信令（由CU控制）或网管命令能更动态快速地适配快变的毫米波通信环境，以进一步提升移动通信效率和用户体验。

3   B5G毫米波通信无线接入网络的新架构设计

图6是基于5G NG-RAN分离架构而演变出的B5G RAN毫米波无线接入网新架构。B5G毫米波基站仍然被分离成3种基本单元：CU（集中单元）、DU（分布单元）、RU（射频单元），它们之间的各个接口本文暂用RNI-X分别来标识。相邻CU单元之间的接口用RNI-1来标识，它类似5G中的Xn接口；上游CU和下游DU单元之间的接口用RNI-2来标识，它类似5G中的F1接口；相邻DU单元之间的接口用RNI-3来标识，5G不支持该接口和相关功能，但B5G可考虑支持，以实现跨不同DU单元资源共享和工作协同，从而单个B5G本地小区可以由不同的DU联合覆盖构成。上游DU和下游RU单元之间的接口用RNI-4来标识，它类似（e）CPRI接口，B5G可考虑进一步开放和标准化该接口，单个RU单元可同时被多个不同的DU单元所辖和动态强管控，因此更易于构建跨不同DU的虚拟小区。上游DU和下游Doner-RU单元之间的接口用RNI-5来标识，5G中无该标准化接口，它类似Uu空口，但协议栈终结于DU实体而非CU，单个Doner-RU单元也可同时被多个不同的DU所辖且动态强管控。

B5G RAN中的CU单元仍然承载着对时延不敏感的协议处理模块，而DU单元仍然承载着对时延敏感的协议处理模块。相比5G架构中必须通过所属CU绕环，RNI-3新接口应建立在高速大带宽的光纤承载之上，可快速传递交互相邻DU间的数据包和各自工作/资源状态。RNI-4新接口也应建立在高速大带宽的光纤承载之上，使得DU能快速动态强管控所辖的RU单元和快速反馈RU单元的工作/资源状态信息。RNI-5新接口应建立在高速空口RB承载之上，使得DU能快速动态强管控所辖的Doner-RU单元和快速反馈Doner-RU单元的工作/资源状态信息。

综上所述，该B5G RAN毫米波无线接入网新架构既继承了5G NG-RAN架构的主要特点，又引入了一些针对毫米波通信的新特点，主要通过引入新开放接口，强化低层节点单元之间的高效协作和资源共享。在对终端UE数据传输和移动性控制方面，尽量维持上层CU锚点不变，而低层的DU和RU服务单元可更灵活地自主切换迁移和协作。该B5G RAN毫米波无线接入网新架构的特点可概括为下面几点。

3.1  深入的多级分层协作

由于单个毫米波小小区的覆盖很小，为了减轻终端UE移动所带来的锚点频繁迁移和信令风暴，将移动控制锚点固定在单个或有限的高层CU单元内很合适，且有利于CU内资源云化被大物理范围所共享。相邻DU单元之间应能快速地协作和协同，构建联合服务小区，这样不同DU所辖服务小区的边界感才会减轻，也有利于DU内资源的云化被共享。众多RU和Doner-RU单元应能形成雾化分布式天线部署，被多个不同DU单元联合动态地调用和配置。

3.2  资源的云化雾化共享

B5G毫米波基站架构的多级分层化，带来最直接的效果就是：各层网络资源更容易被云化和雾化共享式利用。在毫米波小小区群的部署下，终端UE的分布将更为动态且变化剧烈。如果没有资源的云化和雾化，大量毫米波基站侧的基带和射频天线资源会被闲置或低效地利用。终端用户的通信体验也难以做到长时间内的平滑一致。过去，低频蜂窝小区的部署属于比较静态且定形的，在B5G毫米波新架构的支持下，毫米波小小区的部署和使用将呈现更加的动态且弱定形/不定形，终端UE将尽量地被服务在虚拟小区群的中心位置，以真正实现所谓User Centric服务^[10]。

3.3  终端和智能平面辅助

毫米波通信最大的技术挑战是覆盖问题，而不是容量和干扰问题。随着LIS和RIS等技术的发展，它们将很可能在B5G毫米波通信下大显身手。本质上，无论网络侧部署的智能反射面板，还是终端侧提供的RF天线资源，都是分布式天线阵列协作的某种形式。这些分布式天线群，将在DU的智能强管控下实现对毫米波信道的改善利用和对终端UE覆盖质量的增强。因此毫米波通信新架构必须要能支持低层协议单元之间的协作协同，以快速适配快变的毫米波信道。

4   新架构部署应用示例和总结

如图7所示，某终端UE可以连接和被服务于L3锚点单元CU和L2锚点单元DU1/DU2。CU基带能力配备足够的大（如能支持10万+个毫米波小小区部署），能覆盖很大的物理区域。图7中的F2类似5G中F1的接口功能（不再详述），H1类似（e）CPRI的接口功能（不再详述），F3为相邻DU单元之间的新开放接口，DU1和DU2各自产生的动态管控命令（如MAC CE，PHY DCI）和协议数据包，可快速地在F3新接口上传递。R1为DU和Doner-RU（也可以是LIS或RIS单元）之间的新开放接口，DU1可以通过R1新接口直接管控和利用各个Doner-RU单元。

某时刻T1，当前L2主锚点DU1控制利用了自己所辖RU1-1/RU1-2/RU2-1内红色的RF射频天线单元和Doner-RU单元，它们联合着为UE提供着数据传输服务。随着UE的物理移动或毫米波信道变化，在时刻T2，UE的L2主锚点从DU1迁移到DU2，新L2主锚点DU2控制利用了自己所辖RU2-1/RU2-2/RU1-2内蓝色的RF射频天线单元，它们联合着为UE继续提供着数据传输服务。DU1和DU2新旧锚点之间的上下文迁移和控制命令可直接通过F3接口快速地传输实现，也可采取DU2预配置先去激活后再快速激活，或DU1/DU2双连接激活的工作方式。

上述从T1到T2的变化过程中，F3-C接口支持L2新旧锚点的建立修改删除迁移变更和控制命令的快速传递，F3-U接口还支持相邻DU之间的协议数据包快速转发。L2新旧锚点DU单元直接通过各自的L2或L1命令对UE进行空口（重）配置和RF射频天线单元的强管控。L3锚点单元CU只需感知L2 DU新旧锚点的迁移变更，而无需感知底层RU的变化。

上述B5G毫米波通信新架构部署的优点有：整个移动过程中，UE的L3锚点单元CU基本不变，因此不会触发和核心网的流程消息和安全密钥等更新操作；DU直接高效强管控着众多RU单元的配置和使用，因此不会触发过多的空口RRC信令；相邻DU基带资源可以彼此共享被联合更均衡地利用，UE可被尽量服务在跨不同DU的虚拟小区的中心位置，获得更好的覆盖质量，小区边界感也随之减弱。总之，该B5G新架构能更好地适配毫米波通信的新特点和未来业界的技术产业发展趋势，能更好地提供网络各层资源利用率和用户通信服务质量体验。

5   结束语

文章回顾了3GPP近几代蜂窝移动通信系统无线接入网架构的发展，系统梳理了其相关演进脉络和无线生态背景变迁。随着未来毫米波技术的成熟引入和广泛应用，B5G和6G无线接入网在架构层面也需要做出相应的适配和进化，以充分发挥出其技术价值潜力。未来蜂窝系统的无线接入网的架构需要能支持更深入的多级分层协作，更好的资源的云化雾化共享和终端智能平面的辅助等，通过这些新特征的架构实现，可以更好地支撑毫米波无线通信的效率和各种优势特点。因此本文抛砖引玉，旨在促进业界同行一起探讨这一关键问题，从而为后续毫米波通信产业的商业应用奠定工程基础。

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★原文发表于《移动通信》2020年第8期★

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2020.08.005      

中图分类号：TN929.5        文献标志码：A     

文章编号：1006-1010(2020)08-0021-07

引用格式：杨立,谢峰,高波. B5G毫米波通信无线接入网络的架构设计[J]. 移动通信, 2020,44(8): 21-27.

作者简介

杨立（orcid.org/0000-0001-9982-5229）：高级工程师，现任职于中兴通讯股份有限公司算法部，南京团队负责人（技术预研资深专家），长期从事3GPP标准3G/4G/5G网络高层技术的研究，涉及ICT生态战略，移动网络架构演进，节点功能和接口流程标准化，网络基于大数大维的智能化，卫星通信和垂直行业应用等，长期担任3GPP 5G规范协议TS38.414主编，曾出版个人专著《5G UDN超密集网络》，第一作者发表国内科技核心期刊论文4篇，累计撰写输出3GPP国际标准会议文稿千余篇（逾四百篇被采纳），现拥有蜂窝通信领域国内外授权专利四十余项。

谢峰：高级工程师，博士毕业于新加坡南洋理工大学，现任职于中兴通讯股份有限公司算法部，担任6G接入网架构预研负责人，技术预研资深专家，中兴通讯青年领军人才，在英国电信创新中心和香港大学做过短期研究，2008年加入中兴通讯，历任WiMAX/LTE标准预研子项目经理，5G接入网架构预研负责人，5G原型协议设计负责人，5G产品协议负责人等。

高波：高级工程师，博士毕业于清华大学，现任职于中兴通讯股份有限公司算法部，南京团队成员，负责5G网络物理层技术的研究。

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