论文部分内容阅读
[摘 要]3GPPRAN#74次全会通过5GNewRadio（NR），即5G新空口技术标准化时间表，按照3GPPRAN规划时间表，将完成Non-Standalone（NSA）Option3（包含支持低时延）架构的标准制定工作；于2018年3月完成NASOption3架构ASN.1标准冻结。其余NSA和Standalone（SA）架构将在2018年6月完成标准制定，ASN.1将于2018年9月全部冻结。根据3GPPR15Phase1标准进展，本文主要针对5G无线网络架构对传输网的影响进行简要分析。
[关键词]5G无线；网络架构；传输网；影响
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）05-0287-01
1NSA和SA网络架构概述
3GPPR14阶段在NR候选网络架构课题已开展大量技术方案研究工作，其中网络架构主要按照4G和5G基站耦合方式，划分为Non-Standalone（NSA）紧耦合架构和Standalone独立架构两种架构。其中，NSA网络架构根据无线接入网演进需求，考虑连接EPC和5G核心网（5GC）两种场景。连接EPC的NSA网络架构中，eNB之间、eNB与en-gNB之间为X2接口；而en-gNB之间仅有X2用户面（X2-U）接口。en-gNB基站的控制面由eNB处理，不能独立处理控制面相关功能，仅支持处理NR用户面数据。目前，3GPP以Option3/3A/3X架构为R15阶段1的重点工作。连接5G核心网的NSA网络架构中，ng-eNB与gNB之间、gNB之间为Xn接口连接。gNB与gNB之间的Xn接口功能与网络架构类型相关（如Option7/7A/7X和Option4/4A）。
NSA组网方案基于LTE与NR紧耦合架构，3GPP重点关注Option3/3A/3X、Option7/7A/7X、Option4/4A三种网络架构方案。核心网与无线侧主基站（MN，MasterNode）之间存在唯一的控制面连接，而核心网可以与辅基站（SN，SecondNode）建立用户面连接，如eNB/ng-eNB基站或gNB/en-gNB基站。在双连接模式下，LTE基站或NR基站中只有一个基站为主基站，另一个基站为辅基站。主基站与核心网之间存在控制面连接，具备完整的协议栈功能。辅基站只有用户面数据转发、处理等功能，用户面相关的控制信令需要经过主基站与核心网进行通信。
Standalone（SA）独立组网架构，5G网络是一张独立于4G网络的全新网络。3GPP只讨论2种SA网络架构Opion2与Option5。在Option2架构中，gNB只连接5G核心网（5GC）。而Opiton5架构中，eLTEeNB只连接至5GC，eLTEeNB是指支持5G核心網并且具备E-UTRA空口能力的eNB基站。
2CU/DU分离的标准进展
2.1分離的需求
对于5GgNB，当前标准中支持CU/DU合设和分离的两种部署方案。在合设方案中，一个基站实体上实现的全部的协议栈功能。这个架构可以适用于密集城区和室内热点场景。对于CU/DU分离架构，5G协议栈中的上层功能位于CU中，而底层协议栈位于DU中。引入CU/DU分离的动机，在3GPP的标准研究过程中主要有如下几个方面[3]：
（1）硬件实现灵活，可实现节省成本；
（2）CU和DU分离的架构下可以实现性能和负荷管理的协调、实时性能优化，并易于实现SDN/NFV功能；
（3）功能分割可配置能够满足不同应用场景的需求，如传输时延的多变性。
在实际部署中采用合适或者分离部署，主要取决于网络部署场景、业务类型以及传输网性能等因素。
此外5G网络高速、低时延的特点也对传输网提出了挑战：
（1）前传接口带宽需求。考虑到毫米波将支持1GHz系统带宽以及256通道天线。根据现有射频拉远单元（BBU）/远端射频模块（RRU）的功能划分，前传接口带宽要求随着载频频率带宽以及天线通道数量成线性增长的关系。即便在考虑使用64通道、20MHz带宽，仍需要近64Gbit/s的前传接口带宽。
（2）传输时延。考虑到当前LTE协议要求用户UE侧与系统侧的混合自动重传请求（HARQ）交互时间是固定的，若将CU/DU功能划分点仍放在HARQ过程中，对CU芯片处理时延和传输设备时延的挑战依然很大；若CU/DU功能切分点放置于HARQ以外，对CU芯片处理时延和传输设备时延的要求有所放宽，但会有过多功能前置于远端位置，将会影响多载波的协作化性能。
在CU和DU之间新定义了一个F1的新接口，用于传输控制面配置信息、用户信令以及用户面数据等信息。在CU内部控制面和用户面在部署时也可以分离，以满足不同类型业务对于时延和集中管理的差异。标准中定义CU控制面（CU-CP）和CU用户面（CU-UP）之间的接口为E1。一个逻辑DU可以支撑多个物理小区，但是逻辑上只能属于一个CU，为了可扩展性考虑能分别为CU-CP和CU-UP提供多个传输点。在5G的SI阶段，针对CU/DU划分共有8种大的划分方案。其中Option1—4被定义为高层划分方案，而Option5—8被定义为底层的划分方案。这8种划分方案从实现的角度来看都是可行的，但是为了减少后续开发的复杂度，无法同时支持上述8种方案，。因此在Rel-15WI开始时确定了Option2-1作为高层划分方案的标准化对象；而对于底层切分方案，考虑到各个厂家在物理层实现上差异较大较为难以标准化，因此在2017年11月完成底層切换方案的研究中确定不会标准化任何一种划分方案，由厂家在部署中实现决定。
2.2高层划分方案（Option2-1）
在Option2-1中，CU完成无线资源控制（RRC）、PDCP层的功能和小区调度，在DU中完成无线链路层控制协议（RLC）、多媒体接入控制（MAC）、物理层（PHY）的功能和单小区调度。在标准讨论过程中，高层划分方案采用Option2-1还是Option3-1是存在争议的。其中Option3-1是基于自动重传请求（ARQ）进行的划分，其特点为：低RLC包含分段和拼接功能，位于DU；高RLC包含ARQ以及重排序功能，位于CU。其中Option2-1的优势在于： PDCP-RLC划分方案可以复用3GPPRel-12标准化方案中已有的LTE双连接架构和接口；
LTE-NR紧互操作的对齐以及功能划分至少在用户面上对4G向5G的迁移有利；
与Option3-1相比（ARQ在CU侧），Option2-1没有RLCPDU重传的时延。CU/DU之间传输时延较大时，Option2-1可以有效提升用户吞吐量。
认为Option3更优的观点如下：
在非理想传输条件下，由于ARQ和重排序在CU侧，Option3-1具有更好的传输可靠性；
ARQ在CU侧可以提供集中化以及池化增益；
传输网络的错误可以通过CU端到端的ARQ机制进行修复，这种机制可以给重要数据以及控制面信令提供保护；
由于沒有RLC状态信息，因此没有UE上下文，没有RLC功能的DU可以处理更多连接态的UE；
由于没有ARQ协议，DU可以减少运算和缓冲的需求。
最终3GPP选择了标准化相对简单且性能更佳的Option2-1方案作为高层划分的最终方案。
2.3底层划分方案
底层划分方案主要集中在Option7，即物理层的划分方案。标准讨论初期根据实现方式的不同，又划分出3个子方案，如图8所示。其中允许对上下行分别使用不同的Option（如Option7-1用于上行，Option7-2可用于下行）。CU和DU间的传输带宽可以使用一定的压缩技术进行减少。在某月的美国会议中根据RAN1的相关结论，标准中认为所有的划分方案仅仅是一个参考方案，主要考虑到标准和实现上顺序可能无法按照图中所示进行设计，并且不同类型的业务如mMTC等其物理层处理功能和过程与eMBB可能会存在差异。
相对于其他划分方案，物理层划分方案的技术优势包括：
此Option能够使得NR以及演进的UMTS陆面无线接入（E-UTRA）集中化的传输点获得流量聚合。此外，此Option也能够便于管理NR与E-UTRA之间的流量负载；
CU侧可使用集中调度，如多点协作（CoMP）；
CU侧可使用联合处理。
同时该方案在实现和部署上也存在着一定的挑战，如需要CU侧PHY层和DU侧PHY层子帧级别时间交互，对传输网络时延也有着较高的要求。
3结束语
综上所述，5G无线网络为了满足不同业务以及运营商的部署需求，引入了NSA和SA两种4G和5G网络部署方案，以及CU/DU分离的基站架构。本文介绍了当前5G无线网络的标准进展，并结合现有架构分析了5G无线网络架构部署方案，特别针对传输网的需求进行了分析。分析结果表明：5G无线网络对于传输网的带宽和时延都提出了严苛的要求，后续在部署过程中需要根据业务需求和网络发展需要合理规划传输网络以保证5G用户的体验。
参考文献
[1]分布式架构传输网管的研究和应用[J].张满，王晓义.电信技术.2018（10）
[2]传输网技术研究[J].陈健.现代工业经济和信息化.2017（09）
[3]5G网络对传输网要求[J].赵德权.中国新通信.2017（11）
[4]通信传输网的规划及改造浅谈[J].郑建忠，赵锋.信息通信.2017（07）
[关键词]5G无线；网络架构；传输网；影响
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）05-0287-01
1NSA和SA网络架构概述
3GPPR14阶段在NR候选网络架构课题已开展大量技术方案研究工作，其中网络架构主要按照4G和5G基站耦合方式，划分为Non-Standalone（NSA）紧耦合架构和Standalone独立架构两种架构。其中，NSA网络架构根据无线接入网演进需求，考虑连接EPC和5G核心网（5GC）两种场景。连接EPC的NSA网络架构中，eNB之间、eNB与en-gNB之间为X2接口；而en-gNB之间仅有X2用户面（X2-U）接口。en-gNB基站的控制面由eNB处理，不能独立处理控制面相关功能，仅支持处理NR用户面数据。目前，3GPP以Option3/3A/3X架构为R15阶段1的重点工作。连接5G核心网的NSA网络架构中，ng-eNB与gNB之间、gNB之间为Xn接口连接。gNB与gNB之间的Xn接口功能与网络架构类型相关（如Option7/7A/7X和Option4/4A）。
NSA组网方案基于LTE与NR紧耦合架构，3GPP重点关注Option3/3A/3X、Option7/7A/7X、Option4/4A三种网络架构方案。核心网与无线侧主基站（MN，MasterNode）之间存在唯一的控制面连接，而核心网可以与辅基站（SN，SecondNode）建立用户面连接，如eNB/ng-eNB基站或gNB/en-gNB基站。在双连接模式下，LTE基站或NR基站中只有一个基站为主基站，另一个基站为辅基站。主基站与核心网之间存在控制面连接，具备完整的协议栈功能。辅基站只有用户面数据转发、处理等功能，用户面相关的控制信令需要经过主基站与核心网进行通信。
Standalone（SA）独立组网架构，5G网络是一张独立于4G网络的全新网络。3GPP只讨论2种SA网络架构Opion2与Option5。在Option2架构中，gNB只连接5G核心网（5GC）。而Opiton5架构中，eLTEeNB只连接至5GC，eLTEeNB是指支持5G核心網并且具备E-UTRA空口能力的eNB基站。
2CU/DU分离的标准进展
2.1分離的需求
对于5GgNB，当前标准中支持CU/DU合设和分离的两种部署方案。在合设方案中，一个基站实体上实现的全部的协议栈功能。这个架构可以适用于密集城区和室内热点场景。对于CU/DU分离架构，5G协议栈中的上层功能位于CU中，而底层协议栈位于DU中。引入CU/DU分离的动机，在3GPP的标准研究过程中主要有如下几个方面[3]：
（1）硬件实现灵活，可实现节省成本；
（2）CU和DU分离的架构下可以实现性能和负荷管理的协调、实时性能优化，并易于实现SDN/NFV功能；
（3）功能分割可配置能够满足不同应用场景的需求，如传输时延的多变性。
在实际部署中采用合适或者分离部署，主要取决于网络部署场景、业务类型以及传输网性能等因素。
此外5G网络高速、低时延的特点也对传输网提出了挑战：
（1）前传接口带宽需求。考虑到毫米波将支持1GHz系统带宽以及256通道天线。根据现有射频拉远单元（BBU）/远端射频模块（RRU）的功能划分，前传接口带宽要求随着载频频率带宽以及天线通道数量成线性增长的关系。即便在考虑使用64通道、20MHz带宽，仍需要近64Gbit/s的前传接口带宽。
（2）传输时延。考虑到当前LTE协议要求用户UE侧与系统侧的混合自动重传请求（HARQ）交互时间是固定的，若将CU/DU功能划分点仍放在HARQ过程中，对CU芯片处理时延和传输设备时延的挑战依然很大；若CU/DU功能切分点放置于HARQ以外，对CU芯片处理时延和传输设备时延的要求有所放宽，但会有过多功能前置于远端位置，将会影响多载波的协作化性能。
在CU和DU之间新定义了一个F1的新接口，用于传输控制面配置信息、用户信令以及用户面数据等信息。在CU内部控制面和用户面在部署时也可以分离，以满足不同类型业务对于时延和集中管理的差异。标准中定义CU控制面（CU-CP）和CU用户面（CU-UP）之间的接口为E1。一个逻辑DU可以支撑多个物理小区，但是逻辑上只能属于一个CU，为了可扩展性考虑能分别为CU-CP和CU-UP提供多个传输点。在5G的SI阶段，针对CU/DU划分共有8种大的划分方案。其中Option1—4被定义为高层划分方案，而Option5—8被定义为底层的划分方案。这8种划分方案从实现的角度来看都是可行的，但是为了减少后续开发的复杂度，无法同时支持上述8种方案，。因此在Rel-15WI开始时确定了Option2-1作为高层划分方案的标准化对象；而对于底层切分方案，考虑到各个厂家在物理层实现上差异较大较为难以标准化，因此在2017年11月完成底層切换方案的研究中确定不会标准化任何一种划分方案，由厂家在部署中实现决定。
2.2高层划分方案（Option2-1）
在Option2-1中，CU完成无线资源控制（RRC）、PDCP层的功能和小区调度，在DU中完成无线链路层控制协议（RLC）、多媒体接入控制（MAC）、物理层（PHY）的功能和单小区调度。在标准讨论过程中，高层划分方案采用Option2-1还是Option3-1是存在争议的。其中Option3-1是基于自动重传请求（ARQ）进行的划分，其特点为：低RLC包含分段和拼接功能，位于DU；高RLC包含ARQ以及重排序功能，位于CU。其中Option2-1的优势在于： PDCP-RLC划分方案可以复用3GPPRel-12标准化方案中已有的LTE双连接架构和接口；
LTE-NR紧互操作的对齐以及功能划分至少在用户面上对4G向5G的迁移有利；
与Option3-1相比（ARQ在CU侧），Option2-1没有RLCPDU重传的时延。CU/DU之间传输时延较大时，Option2-1可以有效提升用户吞吐量。
认为Option3更优的观点如下：
在非理想传输条件下，由于ARQ和重排序在CU侧，Option3-1具有更好的传输可靠性；
ARQ在CU侧可以提供集中化以及池化增益；
传输网络的错误可以通过CU端到端的ARQ机制进行修复，这种机制可以给重要数据以及控制面信令提供保护；
由于沒有RLC状态信息，因此没有UE上下文，没有RLC功能的DU可以处理更多连接态的UE；
由于没有ARQ协议，DU可以减少运算和缓冲的需求。
最终3GPP选择了标准化相对简单且性能更佳的Option2-1方案作为高层划分的最终方案。
2.3底层划分方案
底层划分方案主要集中在Option7，即物理层的划分方案。标准讨论初期根据实现方式的不同，又划分出3个子方案，如图8所示。其中允许对上下行分别使用不同的Option（如Option7-1用于上行，Option7-2可用于下行）。CU和DU间的传输带宽可以使用一定的压缩技术进行减少。在某月的美国会议中根据RAN1的相关结论，标准中认为所有的划分方案仅仅是一个参考方案，主要考虑到标准和实现上顺序可能无法按照图中所示进行设计，并且不同类型的业务如mMTC等其物理层处理功能和过程与eMBB可能会存在差异。
相对于其他划分方案，物理层划分方案的技术优势包括：
此Option能够使得NR以及演进的UMTS陆面无线接入（E-UTRA）集中化的传输点获得流量聚合。此外，此Option也能够便于管理NR与E-UTRA之间的流量负载；
CU侧可使用集中调度，如多点协作（CoMP）；
CU侧可使用联合处理。
同时该方案在实现和部署上也存在着一定的挑战，如需要CU侧PHY层和DU侧PHY层子帧级别时间交互，对传输网络时延也有着较高的要求。
3结束语
综上所述，5G无线网络为了满足不同业务以及运营商的部署需求，引入了NSA和SA两种4G和5G网络部署方案，以及CU/DU分离的基站架构。本文介绍了当前5G无线网络的标准进展，并结合现有架构分析了5G无线网络架构部署方案，特别针对传输网的需求进行了分析。分析结果表明：5G无线网络对于传输网的带宽和时延都提出了严苛的要求，后续在部署过程中需要根据业务需求和网络发展需要合理规划传输网络以保证5G用户的体验。
参考文献
[1]分布式架构传输网管的研究和应用[J].张满，王晓义.电信技术.2018（10）
[2]传输网技术研究[J].陈健.现代工业经济和信息化.2017（09）
[3]5G网络对传输网要求[J].赵德权.中国新通信.2017（11）
[4]通信传输网的规划及改造浅谈[J].郑建忠，赵锋.信息通信.2017（07）