B5G毫米波通信無線接入網絡的架構設計

楊立 謝峰 高波

【摘 ?要】

在B5G和6G時代，基于高頻毫米波通信的各類先進技術將成為極大提升網絡容量和促進新業務部署的關鍵使能因素。結合過去蜂窩無線接入網絡架構的演進特點，設計出一種新型的無線接入網絡架構，使得它能充分地適配高頻毫米波通信的各種特點，并能實現對網絡各層資源的更高效利用。

【關鍵詞】未來移動網絡;無線接入網;毫米波通信;高效靈活的資源利用

[Abstract]

In the era of B5G and 6G， various advanced techniques based on high-frequency millimeter wave communication will become the major enablers to boost the network capacity and promote the deployment of new services. Combining with the evolution characteristics of the past cellular radio access network architecture， this paper designs a new B5G RAN architecture， so that it can fully adapt to the various characteristics of high-frequency millimeter wave communications and thus realize efficient resource utilization of different network layers.

[Key words]future mobile network; RAN; millimeter wave communication; efficient and flexible resource utilization

1 ? 蜂窩無線接入網絡的架構發展

蜂窩移動通信系統先后已經歷了5代的發展，前3代的無線接入網架構基本以2層式為主，即中心控制單元和基站。其中，中心控制單元是下游基站的集中控制網元和數據傳輸匯聚點，而基站是直接面向空口進行無線資源管理和數據調度傳輸的網元。2層式架構基于集中控制且多級分層的設計理念，有利于減輕基站實現的復雜度，和應用各種集中式資源管理算法等。以圖1的第3代UTRAN（Universal Terrestrial Radio Access Network）無線接入網架構為例，RNC（Radio Network Controller）無線網絡控制器為每個RNS單元的唯一中心控制單元，而諸多NodeB節點構成了RNS內的基站，它們之間通過標準化的Iub接口連接，可進行異廠家設備的對接互操作。RNC可集中協同不同NodeB節點之間的聯合互操作，比如：軟切換、多流傳輸和鄰區干擾抑制等。

蜂窩系統發展到第4代E-UTRAN（Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network），為了能被快速地規范標準化，以滿足“移動數據流量暴增”的市場緊迫需求，設計者做出了大量的架構簡化，如減少網元和狀態，減少層級來縮短延時，增加集成度來降成本等。圖2出現了更扁平化的架構，即無任何中心控制單元，單個Aggregated eNB基站可提供終端UE和核心網之間的完整數據傳輸功能，各個eNB基站在邏輯地位上平等。E-UTRAN扁平化架構，雖然成功滿足了當時業界快速完成4G系統規范標準化和移動寬帶業務廉價部署的需求，但卻失去了多級分層架構對網絡各類資源和不同類型業務的分層化管理處理的優點，如網絡資源云化，服務策略集中化控制，移動控制錨點高位化等。

蜂窩系統發展到第5代NG-RAN（Next Generation Radio Access Network）[1-2]，無線接入架構一方面繼承了4G的扁平化架構，即支持Aggregated gNB/ng-eNB，但同時也支持多級分層的架構，即基站CU/DU分離[3]。NG-RAN中其實也沒有類似3G系統那樣的中心控制單元，用于協同控制不同的基站，而只是在NG-RAN基站內實現了多級分層。以圖3中的第5代NG-RAN Disaggregated gNB無線接入網架構為例，CU為每個gNB基站內的唯一集中單元，而諸多DU節點構成了各個gNB內的分布單元，它們之間通過高層協議分離而標準化的F1接口連接[4]，可進行異廠家設備的對接互操作。Disaggregated gNB對外呈現出的架構功能和Aggregated gNB是完全一樣的，因此gNB基站的CU/DU內部分離對外部網元節點是不可感知或被利用的。另外，單個gNB基站最大可支持16 384個NR服務小區，因此可形成單基站較大的物理區域覆蓋，從而弱化了對gNB基站之間Xn接口的依賴，使得終端UE的移動控制錨點能盡量地維持不變。

每一代蜂窩系統設計的時代背景和業界條件不同。4G E-UTRAN架構設計之初，基本只是為了人類消費者的移動寬帶類業務MBB，且面向低頻（<6 GHz）信道部署，而5G NG-RAN架構設計一開始，就要面向世間萬物和所有可能的通信應用（自然也包括人和傳統業務），它要能承載QoS屬性動態范圍更寬泛的各類移動業務（從極窄到極寬，從極小到極大），且同時面向低頻和中高頻的（>6 GHz）信道部署。在過去從4G到5G的十年發展中，人類的芯片集成應用能力和光纖技術也得到大幅度的增強提升，相關硬件成本不斷地降低，這也為5G NG-RAN架構設計提供了重要的客觀條件參考。因此下面對5G Disaggregated gNB架構特點的分析，也能在一定程度上啟發和預示未來B5G和6G無線接入網新架構的演進或革命特點。

（1）隨著業界芯片和光纖能力的大幅度提升，出現了所謂巨型基站（單個gNB最大可支持16 384個NR小區），它需要極大的基帶芯片和傳輸資源做支撐。未來10年，隨著芯片和光纖能力的進一步發展，特別是硬件成本的繼續降低，B5G新架構應該能支持更巨型的基站，它配備有更高的基帶芯片和傳輸資源。通常蜂窩系統的集成度越高，性能會越穩定，綜合成本也會變得越低。

（2）不同時延敏感協議驅動RAN功能的分離。RAN節點中的各個協議功能模塊對時延的敏感程度不同，5G NG-RAN最終選擇以PDCP/RLC層為CU/DU分離邊界，把對時延不敏感的RRC/RRM/SDAP/PDCP等協議模塊放在CU內，而把對時延敏感的RLC/MAC/PHY等協議放在DU內。面向終端UE，CU內的資源配置也被稱為錨點配置/資源（Termination Point Config/Resource），而DU內的資源配置也被稱為小區組配置/資源（Cell Group Config/Resource）。未來上述時延敏感驅動的RAN功能分離會繼續存在，但可能會出現更多的CU/DU分離邊界。在5G初始研究階段，針對不同CU/DU分離方式的優劣已有大概分析，大致有圖4中的幾種典型選項。5G標準目前已支持的CU/DU高層分離（F1接口）對應著圖4中的Option2選項，屬于高層協議分離;而業界對如何標準化Option6/7/8也很感興趣，它們屬于低層協議分離，3GPP暫不支持標準化接口。

（3）不同RAT（Radio Access Technology）在CU單元錨點層進行功能和協議融合。無論E-UTRA還是NR，它們的RAT特征差異主要體現在DU內，而在CU錨點層都支持相同的協議，如NR SDAP/PDCP。盡管E-UTRA的RRC（TS36.331）和NR的RRC（TS38.331）有較大的規范方面差別，但TS38.331正在努力做到后向包裹和兼容TS36.331內容[5-6]。CU單元錨點層協議的融合，有利于統一制定RRM策略和深化不同RAT之間的耦合度和聯合操作。未來，B5G的CU將仍然會是一個多RAT深度融合的錨點層。

（4）對DU架構部署和復雜度的抑制。盡管DU內部不同的協議實體對時延敏感也大有不同，但5G不再進行更細的功能分離，DU自身也不具備太多的本地智能和決策權，更多依賴于CU的管控。相鄰DU節點之間無直接接口的定義，即相鄰DU之間的任何信息交互必須通過所屬CU進行中轉協同。單個邏輯DU節點只能歸屬于唯一CU實體，不能同時和多個邏輯CU單元建立F1接口連接實例。DU實體并不包含RF天線射頻等模塊，因此DU也是一個純數字基帶處理單元。未來，為了能更高效地適配高頻毫米波通信的特點，B5G架構可能會減輕對DU架構部署和復雜度的抑制。

在未來B5G和6G無線接入網新架構中，上述幾個特點會在某種程度上被繼承延續或拓展。此外，由于B5G和6G移動通信系統，將實現對更多高頻毫米波資源的開發利用，因此B5G毫米波通信無線接入網新架構必定會有其新的特點。

2 ? 毫米波通信對無線接入網架構的影響

相比低頻載波資源（<6 GHz），毫米波通信的路損衰減和易被遮擋效應非常地強烈，這使得部署在毫米波上的服務小區，常常以Small Cell（服務半徑<30 m）的形態存在[7-9]。在5G時代，通過MR-DC（Multi-Radio Dual Connectivity）雙連接的工作架構[10]，NG-RAN系統可依托于低頻的宏小區去輔助聚合利用高頻的毫米波Small Cell資源，但這種方式以熱點容量增強為主要目的，高頻毫米波小小區不需要連續地覆蓋，或被終端UE穩定地抓網駐留，終端UE的主服務小區Pcell必須建立在低頻的宏小區層上。為了擺脫對低頻宏小區的依賴，使得終端UE能獨立穩定地駐留服務在毫米波小小區層上，毫米波小小區必須要能連續地覆蓋部署且提升UE抓網能力，終端UE的主服務小區Pcell要能穩定建立在高頻毫米波小小區層上。如此，這使得毫米波小小區的部署個數，相比過去低頻宏小區將極大地增加，同時每個毫米波小小區內終端UE個數的分布，也會更不均勻且動態變化較大，如有的小小區完全閑置，而有的則聚集了大量用戶。如果繼續采用海量Aggregated小基站的扁平化部署（更多依賴類似Xn接口），會造成巨大的小基站個數和部署運維成本，且各個毫米波小基站內的資源無法得到充分地利用。因此采用類似5G Disaggregated大基站的多級分層架構（更多依賴F1接口）更為合適。在Disaggregated大基站的架構下，單個CU可覆蓋很大的物理區域，因此大量終端UE的錨點可盡量維持不變，無需在不同基站之間頻繁地遷移;此外CU內的“錨點配置/資源”可被云化被大覆蓋范圍所共享。DU內的“小區組配置/資源”仍然被限定在相對較小的覆蓋區域內，只能被所轄的少量終端UE所共享，這會導致DU內的基帶資源閑置和低效利用，因此B5G新架構需解決這個問題，以提升低層基帶資源的云化共享程度。此外，5G NG-RAN不支持跨不同DU單元的聯合小區，因此跨DU不同服務小區之間的邊界感很強烈。

毫米波通信通常以多天線MIMO和波束賦形技術為基礎，必定依賴于更多的RF射頻和多天線資源[7-9]。隨著空口工作帶寬和MIMO流數的急劇增加，網絡地面回程（Backhaul）和前程（Fronthaul）傳輸資源也必須要相應的配套增加，否則無法有效配合工作。在未來B5G和6G時代，以高速光纖為代表的高品質傳輸資源，將更易于獲得且成本越來越能承受。今天基于各個廠家的產品私有實現，如C-RAN架構中，DU單元（也稱為BBU等）和射頻單元RU（Radio Unit，也稱為RRU，RRH，AAU等），已可基于（e）CPRI類接口協議進行分離部署操作，于是RU可部署在更貼近終端UE的地方。C-RAN架構可理解為是一種較單一且底層的功能切割分離，（e）CPRI類接口協議基于光纖工作，在不斷得到實際部署和應用驗證后，它們的技術已趨于完善，在B5G和6G時代有望得到更進一步地開放和標準化。因此，B5G毫米波通信的新架構必須要得到充裕的RF射頻，天線和光纖傳輸資源的能力支撐，否則并不能實用。

隨著毫米波小小區和RU單元物理尺寸的進一步縮小，毫米波網絡側節點和終端UE的物理邊界將變得越來越模糊[10]。在5G時代，集成式接入回程技術IAB（Integrated Access and Backhaul）已使得某些特殊終端UE能扮演IAB Node的角色，為其它普通終端UE提供無線接入服務，以層2中繼Relay的方式接入網絡。在B5G和6G時代，隨著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）此類射頻反光板技術將會用于對毫米波信道和傳輸性能的改善，如規避遮擋，增強覆蓋等。RIS和LIS單元在架構方面，既可屬于網絡側RU單元，從而可被網管OAM系統直接管控，如角度調節，功率放大，信號再生等，同時也可屬于終端側RU單元，此時它們無法被網管OAM直接管控。此外，某些特殊終端UE的RF射頻和天線資源同樣也可構成毫米波泛在分布式天線的一部分，為其它普通終端UE提供毫米波信號的中繼轉發，這些來自輔助終端UE的RF射頻和天線資源（可暫時都稱為Doner-RU單元）也需要能被B5G網絡節點動態地管控利用。

上述3大方面的主要影響如圖5所示。綜上所述，B5G毫米波通信無線接入網新架構，必須要能支持更大基站CU/DU分離方式，除了CU單元內的資源能繼續被大范圍云化共享，不同DU單元之間也最好能做到資源的云化共享。B5G新架構中DU和RU單元之間的接口將可能會更為開放，DU要能對眾多泛在的RU單元做動態的聯合利用和智能強管控配置，還要能對Doner-RU單元進行強管控和動態聯合協作，不再單純靜態地依賴于OAM網管配置。從對接口信令的影響角度看，毫米波通信將更多依賴于L1或L2的低層協議信令，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）或網管命令能更動態快速地適配快變的毫米波通信環境，以進一步提升移動通信效率和用戶體驗。

3 ? B5G毫米波通信無線接入網絡的新架構設計

圖6是基于5G NG-RAN分離架構而演變出的B5G RAN毫米波無線接入網新架構。B5G毫米波基站仍然被分離成3種基本單元：CU（集中單元）、DU（分布單元）、RU（射頻單元），它們之間的各個接口本文暫用RNI-X分別來標識。相鄰CU單元之間的接口用RNI-1來標識，它類似5G中的Xn接口;上游CU和下游DU單元之間的接口用RNI-2來標識，它類似5G中的F1接口;相鄰DU單元之間的接口用RNI-3來標識，5G不支持該接口和相關功能，但B5G可考慮支持，以實現跨不同DU單元資源共享和工作協同，從而單個B5G本地小區可以由不同的DU聯合覆蓋構成。上游DU和下游RU單元之間的接口用RNI-4來標識，它類似（e）CPRI接口，B5G可考慮進一步開放和標準化該接口，單個RU單元可同時被多個不同的DU單元所轄和動態強管控，因此更易于構建跨不同DU的虛擬小區。上游DU和下游Doner-RU單元之間的接口用RNI-5來標識，5G中無該標準化接口，它類似Uu空口，但協議棧終結于DU實體而非CU，單個Doner-RU單元也可同時被多個不同的DU所轄且動態強管控。

B5G RAN中的CU單元仍然承載著對時延不敏感的協議處理模塊，而DU單元仍然承載著對時延敏感的協議處理模塊。相比5G架構中必須通過所屬CU繞環，RNI-3新接口應建立在高速大帶寬的光纖承載之上，可快速傳遞交互相鄰DU間的數據包和各自工作/資源狀態。RNI-4新接口也應建立在高速大帶寬的光纖承載之上，使得DU能快速動態強管控所轄的RU單元和快速反饋RU單元的工作/資源狀態信息。RNI-5新接口應建立在高速空口RB承載之上，使得DU能快速動態強管控所轄的Doner-RU單元和快速反饋Doner-RU單元的工作/資源狀態信息。

綜上所述，該B5G RAN毫米波無線接入網新架構既繼承了5G NG-RAN架構的主要特點，又引入了一些針對毫米波通信的新特點，主要通過引入新開放接口，強化低層節點單元之間的高效協作和資源共享。在對終端UE數據傳輸和移動性控制方面，盡量維持上層CU錨點不變，而低層的DU和RU服務單元可更靈活地自主切換遷移和協作。該B5G RAN毫米波無線接入網新架構的特點可概括為下面幾點。

3.1 ?深入的多級分層協作

由于單個毫米波小小區的覆蓋很小，為了減輕終端UE移動所帶來的錨點頻繁遷移和信令風暴，將移動控制錨點固定在單個或有限的高層CU單元內很合適，且有利于CU內資源云化被大物理范圍所共享。相鄰DU單元之間應能快速地協作和協同，構建聯合服務小區，這樣不同DU所轄服務小區的邊界感才會減輕，也有利于DU內資源的云化被共享。眾多RU和Doner-RU單元應能形成霧化分布式天線部署，被多個不同DU單元聯合動態地調用和配置。

3.2 ?資源的云化霧化共享

B5G毫米波基站架構的多級分層化，帶來最直接的效果就是：各層網絡資源更容易被云化和霧化共享式利用。在毫米波小小區群的部署下，終端UE的分布將更為動態且變化劇烈。如果沒有資源的云化和霧化，大量毫米波基站側的基帶和射頻天線資源會被閑置或低效地利用。終端用戶的通信體驗也難以做到長時間內的平滑一致。過去，低頻蜂窩小區的部署屬于比較靜態且定形的，在B5G毫米波新架構的支持下，毫米波小小區的部署和使用將呈現更加的動態且弱定形/不定形，終端UE將盡量地被服務在虛擬小區群的中心位置，以真正實現所謂User Centric服務[10]。

3.3 ?終端和智能平面輔助

毫米波通信最大的技術挑戰是覆蓋問題，而不是容量和干擾問題。隨著LIS和RIS等技術的發展，它們將很可能在B5G毫米波通信下大顯身手。本質上，無論網絡側部署的智能反射面板，還是終端側提供的RF天線資源，都是分布式天線陣列協作的某種形式。這些分布式天線群，將在DU的智能強管控下實現對毫米波信道的改善利用和對終端UE覆蓋質量的增強。因此毫米波通信新架構必須要能支持低層協議單元之間的協作協同，以快速適配快變的毫米波信道。

4 ? 新架構部署應用示例和總結

如圖7所示，某終端UE可以連接和被服務于L3錨點單元CU和L2錨點單元DU1/DU2。CU基帶能力配備足夠的大（如能支持10萬+個毫米波小小區部署），能覆蓋很大的物理區域。圖7中的F2類似5G中F1的接口功能（不再詳述），H1類似（e）CPRI的接口功能（不再詳述），F3為相鄰DU單元之間的新開放接口，DU1和DU2各自產生的動態管控命令（如MAC CE，PHY DCI）和協議數據包，可快速地在F3新接口上傳遞。R1為DU和Doner-RU（也可以是LIS或RIS單元）之間的新開放接口，DU1可以通過R1新接口直接管控和利用各個Doner-RU單元。

某時刻T1，當前L2主錨點DU1控制利用了自己所轄RU1-1/RU1-2/RU2-1內紅色的RF射頻天線單元和Doner-RU單元，它們聯合著為UE提供著數據傳輸服務。隨著UE的物理移動或毫米波信道變化，在時刻T2，UE的L2主錨點從DU1遷移到DU2，新L2主錨點DU2控制利用了自己所轄RU2-1/RU2-2/RU1-2內藍色的RF射頻天線單元，它們聯合著為UE繼續提供著數據傳輸服務。DU1和DU2新舊錨點之間的上下文遷移和控制命令可直接通過F3接口快速地傳輸實現，也可采取DU2預配置先去激活后再快速激活，或DU1/DU2雙連接激活的工作方式。

上述從T1到T2的變化過程中，F3-C接口支持L2新舊錨點的建立修改刪除遷移變更和控制命令的快速傳遞，F3-U接口還支持相鄰DU之間的協議數據包快速轉發。L2新舊錨點DU單元直接通過各自的L2或L1命令對UE進行空口（重）配置和RF射頻天線單元的強管控。L3錨點單元CU只需感知L2 DU新舊錨點的遷移變更，而無需感知底層RU的變化。

上述B5G毫米波通信新架構部署的優點有：整個移動過程中，UE的L3錨點單元CU基本不變，因此不會觸發和核心網的流程消息和安全密鑰等更新操作;DU直接高效強管控著眾多RU單元的配置和使用，因此不會觸發過多的空口RRC信令;相鄰DU基帶資源可以彼此共享被聯合更均衡地利用，UE可被盡量服務在跨不同DU的虛擬小區的中心位置，獲得更好的覆蓋質量，小區邊界感也隨之減弱。總之，該B5G新架構能更好地適配毫米波通信的新特點和未來業界的技術產業發展趨勢，能更好地提供網絡各層資源利用率和用戶通信服務質量體驗。

5 ? 結束語

文章回顧了3GPP近幾代蜂窩移動通信系統無線接入網架構的發展，系統梳理了其相關演進脈絡和無線生態背景變遷。隨著未來毫米波技術的成熟引入和廣泛應用，B5G和6G無線接入網在架構層面也需要做出相應的適配和進化，以充分發揮出其技術價值潛力。未來蜂窩系統的無線接入網的架構需要能支持更深入的多級分層協作，更好的資源的云化霧化共享和終端智能平面的輔助等，通過這些新特征的架構實現，可以更好地支撐毫米波無線通信的效率和各種優勢特點。因此本文拋磚引玉，旨在促進業界同行一起探討這一關鍵問題，從而為后續毫米波通信產業的商業應用奠定工程基礎。

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