5GRAN架构：功能拆分与多连接集成解析

### 5G RAN架构：功能拆分与多连接集成解析 #### 1. 5G/5G多连接中的承载聚合与拆分 在5G/5G多连接场景下，当主gNB和辅gNB之间存在低延迟链路时，PDCP层的流量转向能够在较快的时间尺度上实现。此时，与MAC层聚合相比，其在吞吐量方面的优势可能相当有限。因此，在PDCP或RLC层进行承载拆分和用户平面（UP）聚合可能是5G/5G多连接的首选方案。这是因为该方案对gNB之间的Xn接口要求较低，并且在不同空中接口参数的情况下更易于处理。不过，这一结论还需要通过详细的模拟研究来进一步验证。 #### 2. 5G/Wi-Fi多连接集成 5G和Wi-Fi系统的集成有助于提高用户吞吐量，并将蜂窝网络的流量进行卸载。下面将介绍不同的集成方式： - **紧密集成（RLC或PDCP层）**：3GPP eNB作为控制平面（CP）和用户平面（UP）的锚点，负责在两个无线系统之间进行流量转向。这意味着eNB需要了解两个系统的状态，如用户数量和无线条件等。为实现紧密集成，Wi-Fi接入点（AP）应通过理想的回传（BH）与3GPP eNB连接，或者与eNB共址。这种集成方式可以选择是否进行承载拆分。虽然承载拆分由于需要将单个流的数据包调度到多个无线接入技术（RAT）而更为复杂，但它能够提供更高的用户吞吐量。由于两个无线系统在这种场景下紧密耦合，因此建议采用承载拆分。需要注意的是，这种集成方式需要对Wi-Fi侧的RLC协议进行一些调整。由于IEEE 802.11 MAC与3GPP MAC有很大差异，因此MAC层拆分（即某种形式的载波聚合）不可行。 - **松散集成（PDCP层以上）**：在这种情况下，高层根据对每个系统状态的长期平均信息，决定是否切换或拆分无线承载，以通过3GPP无线和/或Wi-Fi进行传输。5G和Wi-Fi节点之间不需要紧密集成，也不需要共址。这种解决方案类似于当前LTE Rel-13中使用IPsec隧道（LWIP）的LTE/Wi-Fi无线层集成。在这种场景下，Wi-Fi终端节点与连接到Wi-Fi的用户设备（UE）之间存在一个IPsec隧道，因此Wi-Fi网络甚至不需要知道正在与3GPP接入进行聚合。由于不同技术之间缺乏紧密协调，承载拆分场景几乎无法实现，因此不建议采用。 通过详细的模拟研究比较上述5G/Wi-Fi集成选项，可以明显看出，紧密集成能够通过跨技术的即时资源分配受益，而不是基于技术的长期平均信息进行数据路由。然而，代价是更高的实现复杂度、需要理想的BH或无线设备共址、对Wi-Fi RLC进行调整，以及最终难以开发出符合各个标准机构决策的解决方案。 #### 3. 5G RAN功能拆分与逻辑网络实体 5G RAN架构与传统系统的一个显著区别在于，它天然支持沿两个维度进行各种功能拆分：控制平面（CP）和用户平面（UP）相关网络功能（NF）的拆分，以及靠近无线侧（与无线定时紧密相关）和与无线异步的功能分别拆分为分布式单元（DU）和集中式单元（CU）。这是从4G中少数明确定义的逻辑网络实体（实际上通常对应于同一组物理实体）向一种架构的范式转变，该架构允许根据部署约束、用例需求等更灵活地将NF映射到物理网络实体。极端情况下，5G被描述为一个“功能网络”，而不是一个“实体网络”。 ##### 3.1 控制平面/用户平面拆分（垂直拆分） CP和UP功能的分离（即垂直拆分）具有以下优点： - 能够在RAN中引入软件定义网络（SDN）原则。 - 允许对CP和UP功能的放置进行单独优化，并实现CP和UP的独立扩展。 - 在多供应商网络中，标准化的CP接口能够对来自不同供应商的网络实体和NF进行一致的控制，例如在超密集网络的干扰管理方面。 - 由于当前网络中CP和UP功能紧密耦合，替换或升级CP功能通常也需要替换UP功能。将CP和UP功能设计为内在耦合度较低且更易分离的形式，可能会带来显著的成本节约。 然而，CP/UP拆分也存在一些主要缺点： - 若要扩展CP和UP之间的接口以引入新功能，则需要进行标准化，这可能会减缓新功能的引入速度。以专有方式集成额外接口并与标准化接口结合使用不是一个合适的解决方案，因为这会损害CP/UP拆分的主要优势。 - 需要额外的测试工作来保证来自不同来源的CP和UP功能的互操作性，这将工作从单个供应商转移到支持移动网络运营商的系统集成商。 - CP和UP功能在较低协议栈层通常紧密耦合。例如，MAC调度器需要与UP进行紧密交互，因为它决定了上行链路（UL）/下行链路（DL）资源的使用、编码方案、天线映射、预编码方案、秩和调制方案等。在模拟波束赋形的情况下，通常还假设MAC调度器选择要应用的相移或波束。所有这些交互都需要UP和CP之间具有理想的BH连接。 由于上述原因，在所有协议栈层进行完全的CP/UP拆分是值得怀疑的。不过，有以下两种可行的选择： - **分离RRC**：在这种情况下，可能多个小区的RRC被单独处理，而对于其余的完整协议栈，CP和UP保持在一起。这种情况非常直接，因为CP和UP之间的相关信令本质上类似于LTE Rel. 12 DC中X2接口上的信令。 - **分离异步CP功能**：在这种情况下，所有异步CP功能将与异步UP功能分离，但所有需要与UP紧密协调的同步CP功能将与UP保持在一起。实际上，这种方法如之前在某些研究中所考虑的那样，现在已在3GPP中达成一致，并且涉及的CP - UP接口现在被指定为E1接口。 ##### 3.2 集中式和分布式单元拆分（水平拆分） 将RAN功能灵活拆分为CU和DU（即水平拆分）的架构具有以下动机： - 获得集中化收益，包括通过常见的多小区和/或多AIV处理实现的性能提升，如集中式资源管理甚至多小区联合信号处理，以及规模经济收益。 - 根据用例需求将功能转移到不同位置。例如，对于对延迟敏感的通信，可能需要将完整的协议栈和应用程序更靠近边缘放置；而对于对延迟容忍的应用程序，某些功能可以集中在云端。 - 使RAN处理适应不同的部署场景，这些场景可能具有不同的基础设施特性，如可用的本地处理能力、不同程度的回传（BH）和前传（FH）基础设施等。 3GPP和其他组织（如CPR