未來無線接入網(wǎng)組件化探究和實踐

趙 喆，王 菲，楊 立，謝 峰

(1.中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057；2.移動網(wǎng)絡和移動多媒體技術(shù)國家重點實驗室，廣東 深圳 518057)

0 引言

5G-NR不僅在傳統(tǒng)通信的基礎上提供更高體驗速率、更大帶寬的體驗，并且對物聯(lián)和垂直行業(yè)進行賦能，實現(xiàn)更高連接、高度實時、高度精密以及高度安全[1]。未來通信在5G的基礎上對連接進行進一步增強，實現(xiàn)全球無縫連接，包括空天地海的互聯(lián)互通，通感算的一體化，以及系統(tǒng)架構(gòu)對智能、安全等需求的原生支持。

接入網(wǎng)煙囪式的架構(gòu)在設計之初只追求讓用戶更高效、便利的接入網(wǎng)絡，并沒有考慮用戶服務的多樣性、可擴展性和兼容性[1]，所以只支持相鄰層的聯(lián)系，缺乏整體內(nèi)部的相互聯(lián)系；在引入上述新功能就會比較困難，無法平滑承接核心網(wǎng)下沉下來的功能。

本文將系統(tǒng)地思考和闡述分析5G-NR煙囪式協(xié)議棧架構(gòu)的問題，以及它將面臨的一系列關(guān)鍵問題和技術(shù)挑戰(zhàn)。這些關(guān)鍵問題以5G-NR當前系統(tǒng)功能的缺失不足和遺漏為出發(fā)點，逐步論證接入網(wǎng)架構(gòu)應該如何發(fā)展解耦至簡的設計原則[2]，以保證對未來新場景以及智慧/安全內(nèi)生的支撐。列舉未來可能需要支持的新功能、功能的拆分[3]、功能的多種編排方式，并結(jié)合過去和未來場景的一些例子，向讀者全面并生動地呈現(xiàn)諸多未來系統(tǒng)架構(gòu)的技術(shù)細節(jié)、增強建議以及機遇和挑戰(zhàn)。

1 面向場景的組件編排

1.1 5G空口現(xiàn)有協(xié)議棧背景及發(fā)展

5G-NR空口抽象協(xié)議棧如圖 1所示。Layer3、Layer2、Layer1分別為高層到底層，圖中Layer2中功能4的虛線框表示該功能具備可編排能力：根據(jù)不同場景和業(yè)務類型的需求，控制面可對某些協(xié)議(子)功能進行選擇或者關(guān)閉。例如無線鏈路控制層提供確認模式、非確認模式和透明模式3種可選的傳輸模式供不同的業(yè)務場景選擇[4]。上述5G-NR的功能已經(jīng)具備可編排的雛形，但是由于僅是對固定功能的編排，無法進行新功能的擴展，功能之間的交互也僅限于相鄰層。隨著未來通信時代全息通信、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、感官互聯(lián)網(wǎng)、智慧車聯(lián)網(wǎng)等新型場景用例的興起[5-6]，業(yè)態(tài)和新商業(yè)模式也將提出更多的技術(shù)要求，通感算智信的一體化成為未來網(wǎng)絡的主導趨勢[7]?，F(xiàn)有協(xié)議棧模式較難滿足未來諸多差異化場景和用例需求。

圖1 現(xiàn)有協(xié)議棧設計

另外，當前標準復雜，系統(tǒng)內(nèi)核沉重，導致新功能影響模塊多，開發(fā)效率低下。垂直行業(yè)等特殊場景，研發(fā)需要耗費大量的人力通過從大版本拉分支的方式重開發(fā)，代價極高，所以新的協(xié)議架構(gòu)設計勢在必行。

基于上述問題，實現(xiàn)功能的組件化，對組件進行分類，并且擴展組件編排的方式，支持組件的靈活編排以及擴展，在輕量化開發(fā)的前提下滿足未來場景的需求。

1.2 未來系統(tǒng)的協(xié)議棧組件和編排原則

系統(tǒng)邏輯架構(gòu)是標準化的范疇，側(cè)重網(wǎng)元與網(wǎng)元、功能與功能之間的接口定義和規(guī)范。業(yè)務架構(gòu)則側(cè)重于業(yè)務在具體場景中的部署應用。從極簡去冗，綠色統(tǒng)一的設計角度考慮，新系統(tǒng)的業(yè)務架構(gòu)應該與邏輯架構(gòu)解耦，即用一套協(xié)議邏輯架構(gòu)可滿足所有的業(yè)務部署場景，以確定性的架構(gòu)應對不確定性的業(yè)務需求；從系統(tǒng)價值的角度分析，系統(tǒng)架構(gòu)設計的目標是業(yè)務、資源和能力都可運營，可管理，可控制，可價值變現(xiàn)，迎合各類市場的需求。

為了實現(xiàn)上述目標，將未來通信眾多的系統(tǒng)功能根據(jù)用途拆分為通用化組件和場景組件[8]。其中通用化組件指功能的“根基”，為公共組件；場景組件指非通用的，但是適用于特殊場景的組件。在系統(tǒng)演進中，還會不斷地增加契合新價值的組件，根據(jù)組件適合的框架，對眾多組件進行更新編排，才可滿足未來未來通信系統(tǒng)“高價值，極簡，兼容”等原則[9]。

1.2.1 組件介紹

通用化組件[10]為當前無線空口協(xié)議棧包含的基本功能。通用化組件是大部分場景均需要使用的功能(例如物理層處理過程、接入功能等)。表1為通用性組件的內(nèi)容[11-12]。

表1 通用性組件

下面從未來亟待解決的問題入手，分析系統(tǒng)需要引入的場景組件：

首先，人類社會將進入智能化時代。未來通信網(wǎng)絡將與人工智能技術(shù)進行深度融合，智慧內(nèi)生成為未來通信網(wǎng)絡的重要特征已在業(yè)界形成共識[9]。

其次，“萬務智聯(lián)”為人類提供便利的同時，也給網(wǎng)絡安全帶來了極大的挑戰(zhàn)。現(xiàn)有系統(tǒng)安全性主要依賴于位級加密技術(shù)和不同層級的安全協(xié)議。這些解決方案采用的都是“補丁式”的設計思想[13]。未來網(wǎng)絡需要在設計之初就考慮安全在不同層級的標準化，保障用戶身份認證、接入控制、網(wǎng)絡通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)葘用娴陌踩浴?/p>

再次，智能制造、智能交通、智慧能源、智慧醫(yī)療等新興業(yè)務對未來網(wǎng)絡提出了更高的要求，使得通信感知一體化成為未來網(wǎng)絡的主導趨勢之一[7]。感知將不只是通信網(wǎng)絡的輔助工具，與AI和安全一樣，成為未來網(wǎng)絡系統(tǒng)的內(nèi)生能力，所以在架構(gòu)設計之初就需要考慮基于感知的功能。

最后，把性能、算力、可信、能耗等綜合考慮，需要定義一個跨層跨域、端到端的廣義QoS體系，對整體性能進行綜合性的把控，使系統(tǒng)可以同時兼顧場景需求、KPI要求以及碳達峰的要求。

表2列出了面向未來潛在的場景新用例相關(guān)的新組件[8]，其他未列出的場景組件，后續(xù)也可按需添加進未來通信系統(tǒng)中[14]。

表2 場景組件

1.2.2 組件編排結(jié)構(gòu)

基于上述新業(yè)務場景和編排原則，系統(tǒng)的闡述分析支持組件的編排模式。

圖 2列出了3種組件的編排形式，一是使用當前系統(tǒng)的棧式串行結(jié)構(gòu)，并在當前協(xié)議棧的基礎上疊加新的功能和接口以支持新系統(tǒng)的要求(圖a)； 二是使用總線式架構(gòu)(圖b)，提升接入網(wǎng)功能的多樣性和開放性；三是引入并行可編排架構(gòu)(圖c)，去除協(xié)議棧固定層數(shù)固定功能的限制，實現(xiàn)協(xié)議棧層數(shù)和每層的功能可編排和功能的并行處理，相比棧式結(jié)構(gòu)，更加滿足用戶的定制化需求。

(a) 棧式

第一種結(jié)構(gòu)沿用棧式結(jié)構(gòu)，固定的編排帶來更低的時延，且前向兼容性強，但棧式結(jié)構(gòu)的限制，支持新場景新需求時，可能引入過多的接口，效率降低；第二種總線式架構(gòu)適合非實時的功能，可以添加場景相關(guān)功能，提供注冊、查詢和發(fā)現(xiàn)功能，運營商和垂直行業(yè)、用戶、互聯(lián)網(wǎng)的服務都可以進行注冊，支持更加開放的生態(tài)并且易于擴展；第三種并行可編排架構(gòu)根據(jù)需求選取需要的功能參與編排，協(xié)議棧的層數(shù)可變，組件間的處理順序從單純的串行改為串行加并行的處理，達到更高的效率和彈性。

以上3類架構(gòu)各有優(yōu)勢，在進行功能編排時，可以根據(jù)不同需求，同時選用上述架構(gòu)的一種或多種形成優(yōu)勢互補的綜合架構(gòu)。總線式架構(gòu)為接入網(wǎng)賦予了IT行業(yè)服務化部署的能力，使接入網(wǎng)的功能更加易于擴展，并且組件之間的交互軌跡如同mesh一般，可以實現(xiàn)任意功能之間的交互。這種組件間的互動方式比棧式結(jié)構(gòu)更加靈活，導致時延可能有所提升。棧式結(jié)構(gòu)和并行可編排架構(gòu)由于是層間交互，所以實時性較好，時延也相對低。在編排時，可以從時延，性能等不同維度進行考量，根據(jù)功能的特點和業(yè)務需求選取合適的編排架構(gòu)，在引入新場景的同時也考慮了性能的指標，更貼近“萬物智聯(lián)”的愿景。

2 未來通信組件編排場景示例

本節(jié)根據(jù)1.2.1節(jié)組件介紹和1.2.2節(jié)組件編排方式，結(jié)合經(jīng)典場景給出具體場景下的組件編排示例。

2.1 棧式編排

在eMBB(Enhanced Mobile Broadband)和URLLC(Ultra Reliable Low Latency Communication)協(xié)議差異不大的場景，推薦使用棧式編排疊加網(wǎng)絡切片技術(shù)，網(wǎng)絡切片是一種按需組網(wǎng)的方式，可以讓運營商在統(tǒng)一的基礎設施上分離出多個虛擬的網(wǎng)絡，以適配各種各樣類型的應用[15-16]。在需要兼容不同連接性指標(峰值速率、連接密度、時延/抖動移動能力、頻譜效率等)的場景，使用現(xiàn)有切片技術(shù)既可以滿足需求。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)編排

物聯(lián)網(wǎng)是一種低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)，具有低成本、低功耗、強覆蓋、大連接4大關(guān)鍵特點。對應的協(xié)議更加輕量化，所以在傳統(tǒng)協(xié)議棧的RRC、RLC、MAC功能上做了很多簡化[4,17-19]。

根據(jù)上述特征，為該類終端提供相較于更簡潔通用的編排，在支持通用“內(nèi)核”功能的前提下，進行功能的擴展[20]。對于僅有上行需求的終端，只提供上行微內(nèi)核組件(例如通過無連接技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸[21])；對于僅有下行傳輸需求的終端，只提供下行微內(nèi)核組件(下行同步信號攜帶部分數(shù)據(jù)，終端通過搜索下行同步完成數(shù)據(jù)的接收)。此外，由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮喕繉訁f(xié)議棧的數(shù)據(jù)封裝也可以進行統(tǒng)一。

基于上述簡化，協(xié)議?？梢赃M一步進行融合。如圖 3所示，只定義兩層功能，一層是負責數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢韺?其中可以包含上行內(nèi)核組件和下行內(nèi)核組件)，另一層是負責管理功能的高層[20]。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)編排示例

對協(xié)議有極簡需求的場景，使用可編排架構(gòu)對功能進行編排，設計更加簡潔的協(xié)議棧以貼近用戶需求。進一步分析該架構(gòu)對于當前協(xié)議棧的影響，研究如何進行功能拆分以達到功能之間的低解耦，以及功能的可重用性。

2.3 感官互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務組件編排

感官互聯(lián)網(wǎng)對于感知的需求提升，涉及的指標不僅包含連接指標(速率時延等)，還包括適應性指標，如智能等級、可信等級、安全等級、能耗等級等，所以組件的編排也會產(chǎn)生相應的變化。

圖 4給出了感官互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的網(wǎng)絡架構(gòu)，管理組件(網(wǎng)絡大腦)、注冊/發(fā)現(xiàn)組件、AI組件、感知收集組件、計算/數(shù)據(jù)組件、安全組件選用總線結(jié)構(gòu)的進行編排，組件間通過總線結(jié)構(gòu)相互訪問和交互。組件的先后順序變化不影響數(shù)據(jù)包處理的組件可進行并行化處理，其他實時性要求高且流程固定的功能，例如調(diào)度和物理層處理可以使用棧式協(xié)議棧。

圖4 感官互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務功能編排示例

總線式編排可以更方便、更靈活的支持垂直行業(yè)的多樣需求，下一步需要對技術(shù)細節(jié)做進一步的研究，例如控制面組件的拆分、接口的設計、接入網(wǎng)注冊和發(fā)現(xiàn)細節(jié)流程性。由于其較大的顛覆性，也要重新梳理其對于通信產(chǎn)業(yè)的影響，例如基站重新部署的投資、供應鏈增多后性能的保證、組件化的處理效率等。

3 結(jié)束語

本文系統(tǒng)回顧了5G-NR系統(tǒng)空口協(xié)議棧架構(gòu)。隨著未來6G新場景、新業(yè)務、新服務的引入，未來移動新系統(tǒng)基于組件化、按需靈活編排架構(gòu)的訴求將會越來越強。這可印證在未來新業(yè)務新場景爆發(fā)式涌現(xiàn)的情況下，無線接入網(wǎng)業(yè)務部署架構(gòu)應與邏輯架構(gòu)之間充分解耦的必要性和必然性。文中給出了3種典型的組件化編排架構(gòu)：棧式架構(gòu)(串行)、并行可編排架構(gòu)和總線式架構(gòu)。第一種棧式架構(gòu)是使用最多的傳統(tǒng)通信模型，第二種和第三種架構(gòu)由于其擴展性和兼容性強，則是最適應未來系統(tǒng)組件化發(fā)展趨勢的架構(gòu)。這兩種架構(gòu)給未來通信產(chǎn)業(yè)帶來劃時代的意義，使未來通信系統(tǒng)內(nèi)生地支持按需定制、柔性彈性、極簡內(nèi)核，從而可以使用最少的代價輕松滿足多種場景需求。當然也將帶來很大的挑戰(zhàn)：① 可作為組件進行編排的功能篩選，首先考慮接入網(wǎng)高層功能的組件編排，底層MAC和PHY實時性要求高的功能可能并不適合組件化；② 組件化實現(xiàn)細節(jié)，例如：組件化的切分粒度、組件化的接口設計、跨組件模塊或組件功能的管理和編排，以及組件化和實時性/高效性的平衡，這對用戶極致的通信體驗有特定的意義價值；③ 組件化對產(chǎn)業(yè)生態(tài)影響，正面影響是設備供應鏈的多元化、演進升級更獨立，負面影響是接口標準化復雜、板間數(shù)據(jù)傳遞時延大、由接口暴露帶來的核心算法暴露、異廠家對接測試難、性能故障定位難；④ 架構(gòu)演進兼容性研究，由于其顛覆性，如何與原有系統(tǒng)共存將是一個需要持續(xù)探索的問題。

總之，無線接入網(wǎng)組件化研究是一種迎合未來應用需求的高價值技術(shù)，應用范圍很廣，未來需要針對組件化設計引入的一系列問題，不斷地研究提升和優(yōu)化。