重新思考C-RAN的協定棧 | 帶你讀《5G系統關鍵技術詳解》之十

第 2 章 5G 系統的雲無線接入網絡

2.5 虛拟化C-RAN的概念證明驗證

2.6 重新思考C-RAN的協定棧

在傳統的基站中，系統軟體架構的設計是基于供應商的傳統專有平台，由數字信号 處理器（DSP，Digital Signal Processors）、專用內建電路（ASIC，Application-SpecificIntegrated Circuits）等組成，以滿足以小區為中心的目的。對于 5G 中的 C-RAN，系統将 基于由标準化 IT 伺服器、交換機、存儲等組成的 COTS 平台進行操作。所有資源将在雲 中，并根據使用者需求進行配置設定。由于 COTS 平台和傳統的 DSP 架構平台之間的差別，更 為重要的是以小區為中心和以使用者為中心的設計原則的差異，需要重新考慮 C-RAN 中的 整個軟體系統架構，以盡可能地利用雲計算特征和 COTS 平台的能力。

2.6.1 動機

雖然傳統 LTE 協定棧架構的架構很明确，但協定棧架構中的信令互動是複雜的。傳 統的 LTE 協定棧架構無法支援高密度 5G 網絡、大量使用者和使用 5G 各種業務。我們需要 重新考慮 5G 時代的協定棧架構。協定棧架構應“以使用者為中心”，提供靈活的空中接口， 降低無線資源控制（RRC，Radio Resource Control）信令傳輸的頻率。同時，協定棧體系 結構應充分利用雲計算能力。考慮到使用者和小區的高密度、大資料，協定棧架構需要實 現空中接口資源的優化配置，例如，頻域資源、時域資源和無線資源。

2.6.2 多級集中式和分布式協定棧

在傳統的 LTE/LTE-A 中，通信網絡的基本要素是管理無線資源和連接配接使用者的“小區” 。 在如圖 2.4 所示的傳統 LTE 協定中，UE 上下文隻能基于特定小區建立。在載波聚合（CA， Carrier Aggregation）的情況下，基于主小區（Pcell，Primary cell）而不是基于僅具有數 據發送/接收信道的次小區（Scell，Secondary cell）來建立 UE 上下文。在無線系統中， 小區之間的互動（例如切換）總是導緻使用者上下文的變化，是以改變的速率将在一定程 度上影響系統性能。例如，在小區切換過程中，小區之間的信令互動是較緩慢的，持續 時間在幾秒甚至幾分鐘。在小區間幹擾協調（ICIC，Intercell Interference Coordination） 的情況下，信令互動是半靜态的。

在 5G 網絡中，引入了 UCN 來解決資料流量爆炸性增長和部署基站密度增加的問題。 UCN 中的信令互動阻礙了控制平面/使用者平面（CP/UP，Control Plane/User Plane）解耦。 此外，已經引入了諸如全雙工和混合 PHY 的多種技術來增強空中接口的能力。實作這些 技術的關鍵要求之一是小區之間的互動應該以實時的方式發生，通常在傳輸時間間隔 （TTI，Transmission Time Interval）的級别上，這對于現有的以小區為中心的協定棧架構 是困難的。在傳統架構下的信令互動太慢，難以滿足 5G 的要求。

受此驅動，參考文獻[2]提出有必要重新考慮滿足 5G 需求的空中接口的協定棧。以 小區為中心的傳統網絡已經被證明是一種簡單而實用的無線資源管理方法[13]。5G 空中接 口的協定棧應承載傳統網絡的優點，重新考慮滿足 5G 網絡的要求，并與傳統網絡協定棧 共存。

在本節中，我們介紹了 5G 空中接口的多級集中式和分布式（MCD，Multilevel Centralized and Distributed）協定棧的概念，其中，UE 獨立進行決策。在我們的建議中， “UE”和“小區”（Cell）是通信網絡的基本要素，小區成為專用的無線資源管理單元。

重新考慮的協定棧和傳統的 LTE 協定棧之間的差別如圖 2.4 所示。在傳統的 LTE 協 議棧中，UE 的所有信令和上下文将所連接配接的小區視為唯一的密鑰标簽，例如，每個小區 的小區無線網絡臨時辨別符（C-RNTI，Cell Radio Network Temporary Identifier）的範圍 是 0～65 535[14]。資料資源承載（DRB，Data Resource Bearer）和信令資源承載（SRB， Signaling Resource Bearer）以及映射到 E-UTRAN 無線接入承載（E-RAB，E-UTRAN Radio Access Bearer）的過程都在一個小區的範圍内配置設定和管理。對于 CA，UE 可以使用多個 小區的資源。然而，作為 LTE 協定棧的補充技術，CA 無法協助 LTE 網絡解決 5G 的問 題。總之，以小區為關鍵标簽，LTE 協定棧簡化了網絡無線資源管理的過程[15]。另外， 這樣的協定棧增加了管理的複雜性，并導緻 UE 移動性的較長延遲，這很難滿足 5G 的 需要。

在 MCD 協定棧中，“UE”和“小區”一樣成為基本要素。一方面，UE 負責管理所 有資訊本身，包括 UE 上下文、從 DRB 和 SRB 到 E-RAB 的映射過程、信道品質和配置設定 給 UE 的專用無線資源等。另一方面，作為協定的另一個元素，小區管理未配置設定給任何用 戶所有無線資源。如圖 2.4 所示，小區管理子產品管理小區，即小區根據小區管理器的配置設定 結果配置設定自己的無線資源。根據每個 UE 的具體要求，小區管理器向其配置設定具有所需無線 資源的相應小區，以滿足 UE 的需求。配置設定給 UE 的無線資源成為用于管理無線資源的 UE 的特定屬性。當傳輸過程結束時，UE 向小區傳回無線資源。與傳統協定棧相比，用 于資源配置設定的 MCD 協定棧是對 UE 屬性的改變，其工作方式與 UE 上下文修改相同。當 無線資源發生變化時，這種操作可以避免對 DRB 和邏輯信道的改變。從宏觀角度來看， 當 UE 移動性導緻無線資源改變時，通過空中接口更快的無線資源部署來修改 UE 無線資 源特性，進而代替切換。使用 MCD 協定棧，預計無線資源程序可以以比傳統系統更快的方式執行。

如圖 2.5 所示，協定棧中的功能塊可以分為兩類：維護 UE 端的半連接配接和 UE 的實時 信道映射。

UE 的半連接配接重點在于邏輯信道、DRB/SRB 和 E-RAB 鍊路，以及訓示 UE 的特定服 務類型（ToS，Type of Service）的鍊路。為了在混合 PHY 中實作具有特定 PHY 模式的 ToS 分解，這些連結以半靜态的方式工作。當協定在 C-RAN 網絡中運作時，這些鍊路僅 可以在建立、重新配置和删除模式下工作。當 UE 移動到另一個 C-RAN 的覆寫範圍時， 通過重新定義切換信令來實作 UE 上下文的切換。以這種方式，使用半靜态方式實作零切換，這對于具有高密度小區的場景是至關重要的。

對于實時信道映射，邏輯信道到傳輸信道和傳輸信道到實體信道的映射是實時完成的[16]。UE 向 MAC 層提供參數，例如信道的品質、所占用的緩沖區、對 PHY 的請求以及所配置設定的無線資源特性。基于所有小區的可用無線資源和接收到的參數，MAC 層配置 小區及其無線資源作為 UE 的屬性。以這種方式，邏輯信道首先比對合适的小區，然後将傳輸信道映射到該小區中的實體信道。通過空中接口的實時修改而不是切換，UE 可以從 不同的小區接收資料。

在傳統的 LTE 協定棧架構中，當 UE 跨越小區移動時，需要切換過程。然而，在 5G MAC 協定棧架構中，這種實時映射取代了切換過程。此外，僅當 UE 移動到另一個 C-RAN 時才發生 UE 子產品的半靜态連接配接切換。另外，通過降低切換的頻率和複雜度，減少信号交 互延遲，同時提高可靠性，可以實作對空中接口的靈活控制。

捆綁/拆分“UE”和“小區”的 MCD 協定棧架構不僅保持了用于無線資源管理的傳統 LTE 協定棧的優點，而且具有更大的靈活性和穩定性。一方面，通過快速 MAC 映射 完成 UE 與小區之間的映射，保證了 UE 的靈活性。另一方面，在上層協定中的鍊路上幾 乎沒有變化，這保證了小區的穩定性。

COTS 平台可能是實作 MCD 協定棧的好地點。COTS 平台被認為是實作未來 5G 網 絡的重要平台，因為它們具有強大的計算能力和動态自适應硬體管理功能。從集中式和 分布式控制平面和使用者平面的角度，MCD 協定棧重新設計協定棧的體系結構。使用 MCD， 在 RRC 中實作的傳統資源管理功能可以進一步分為兩部分。一些功能保留在 RRC 中， 而其他功能則進入 MAC 層。建議 RRC 管理低延遲要求的無線資源，MAC 層在 UE 級别 管理具有高延遲要求的無線資源。

MCD 采用分級集中式無線接入控制，實作接入點之間的快速/慢速資源排程、協調和 切換。它同時實作跨小區的空中接口的實時協作。集中式控制平面和使用者平面都可以充 分利用雲平台的計算能力。分布式控制平面根據網絡負載動态調整，充分利用雲平台硬 件資源的适應能力。當在協定棧的層之間傳輸大量資料時，分布式使用者平面可以快速啟 動不同的 I/O。MCD 協定棧從小區間 MAC 和高層協定分離 PHY 和小區内 MAC，并且 可以在加速器中實作 PHY 和小區内 MAC 的功能。

2.7 總 結

未來的 5G 網絡應該是以使用者為中心的，而不是傳統的以小區為中心，以滿足各種場景、應用和使用者需求。為此，C-RAN 被視為關鍵的推動者。在本章中，介紹了 C-RAN 的主要優點、關鍵挑戰和潛在的解決方案。

前傳一直是 C-RAN 集中化的關鍵問題。當談到 5G 時，問題會變得更加明顯。為了 應對這一挑戰，已經推出了稱為下一代前傳接口的新 FH 接口。NGFI 旨在解決傳統 FH 接口的缺點，如低傳輸效率和低可擴充性，終旨在促進 C-RAN 的大規模部署以及支援 其他 5G 技術。實作 NGFI 的關鍵在于重新設計 BBU-RRH 功能拆分和 FH 資料的分組化。 已經開發的 NGFI 平台原型，使我們能夠在未來試驗關鍵的 NGFI 相關技術，包括頻率和 時間同步以及第一層 PHY 解除安裝。

C-RAN 的終目标之一是通過實作虛拟化技術來實作資源雲化。作為這一領域的先 驅，我們開發了具有增強的實時性能的優化虛拟化平台原型。我們已經證明了平台具有 支援可承受的傳輸延遲和抖動的無線服務的能力。此外，它為進一步研究奠定了基礎并 提供指導。

協定棧重組是 C-RAN 支援 5G 的一個新的重要課題。在本章中，提出了多級集中式 和分布式（MCD）協定棧。對于 MCD，“UE”和“小區”都是通信網絡的基本要素，小區成為專用無線資源管理要素。MCD 需要協定棧重新配置設定，并且提出協定棧中的功能塊 可以分為兩類：維護 UE 的半靜态連接配接和 UE 的實時信道映射。預計 MCD 将加強多小區 協作和跨小區體驗，并更好地支援 5G 密集網絡部署。

第 3 章 雲無線接入網絡的前向回傳感覺設計