5GRAN架构：优化与多连接性探索

### 5G RAN架构：MAC、协议栈优化与多连接性解析 #### 1. 5G MAC层功能与挑战 5G系统中，MAC层承担着多项关键功能，包括调度信息报告、通过混合自动重传请求（HARQ）进行纠错、通过随机接入信道（RACH）进行初始接入以请求上行资源，以及通过动态调度进行传输格式选择和用户设备（UE）间的优先级处理。 然而，5G MAC层面临着诸多挑战。首先，要基于不同参数集的物理层（PHY）实例实现MAC操作。其次，需明确支持基于波束的通信，例如毫米波频段。此外，还要具备满足和处理多样化服务质量（QoS）要求的能力，这可能需要多个MAC实体在不同小区间进行更广泛的协调。 为应对这些挑战，3GPP已达成以下共识： - 单个MAC实体可支持一种或多种参数集和传输时间间隔（TTI）长度。 - 对于新空口（NR）的上行和下行，异步HARQ是更优选择。 - MAC子头应与MAC服务数据单元（SDU）交错排列，MAC控制元素不应置于MAC协议数据单元（PDU）中间，而应放在开头或结尾，以实现高效的头部设计，加快头部处理速度并减少开销，同时支持在MAC层进行拼接（尽管这需要引入额外字段）。 - 当有有效负载数据且剩余传输块大小大于预定义字节数（LTE中为7字节）时，UE不应发送填充数据。 - MAC控制元素可用于控制上行数据复制，相比仅依赖无线资源控制（RRC）配置，能更快速、更精细地控制数据复制。 此外，为实现更好的服务差异化，MAC应能将上行授权映射到具有不同MAC配置的一个或多个逻辑信道（例如，增强移动宽带（eMBB）和超可靠低延迟通信（URLLC）采用不同的HARQ设置）。同时，为在初始接入阶段实现服务优先级，有人提议引入特定优先级的物理RACH（PRACH）前导码，以提高高优先级服务初始接入的成功率，同时不影响其他服务的初始接入。 在5G中，还考虑对协议栈层进行更好的、针对特定服务或接入层实例（AIV）的跨层优化。例如，对于URLLC用例，可更注重通过改进的HARQ来实现可靠性，跳过自动重传请求（ARQ）以避免引入过多延迟；而对于eMBB用例，可简化HARQ，通过ARQ更有效地实现可靠性。 #### 2. 5G特定服务的协议栈优化 5G系统的一个关键要求是高效处理具有不同需求的服务，特别是涉及严格延迟要求的新型服务。然而，长期演进（LTE）协议栈存在一定局限性，它对所有用户平面（UP）数据应用几乎相同的固定功能集，仅在不同的无线链路控制（RLC）模式和鲁棒头部压缩（RoHC）配置文件方面有一定灵活性。此外，由于重复的头部处理和数据重组，协议栈存在处理效率低下的问题。 为解决这些问题，5G考虑引入两层架构。该架构将分组数据汇聚协议（PDCP）、RLC和MAC功能分为两组，以避免重复处理，并根据特定服务需求高度定制详细功能，甚至可能停用或硬编码某些功能。 ##### 2.1 两层架构介绍 - **下层**：包含传统的MAC功能，并根据服务需求灵活包含一些RLC功能。 - **上层**：包括剩余的RLC和PDCP功能。 通过这种两层架构，可减少头部处理、实现单一重复检测和重排序，以及模块化重传控制（使用两层重传而非三层，即MAC、RLC和PDCP层），从而实现处理和延迟方面的收益。此外，该架构还能更好地支持多连接性以及无线接入网（RAN）拆分为集中单元（CU）和分布单元（DU），其中DU可对应不同的AIV。 ##### 2.2 不同服务类型的优化收益 - **eMBB服务**：eMBB服务有望从更高频率和更大带宽的操作中获益，但这需要使用定向天线来补偿高路径损耗。然而，定向天线可能带来单/多信道定向隐藏终端、耳聋等挑战。因此，eMBB服务的协议设计可针对动态波束管理进行优化，实现基于资源到波束分配、波束扫描和转向的定向MAC。此外，eMBB服务对延迟要求相对宽松，可受益于UP功能的高度集中化以及协作多点（CoMP）传输，以获得高频谱效率。 - **URLLC服务**：多连接性和载波聚合对URLLC服务的超高可靠性至关重要。通过两层架构，上层可连接到多个下层实体，从而降低处理延迟（同时考虑重传过程）。由于URLLC数据包通常较小且大小固定，可能无需分段功能，可使用固定大小的逻辑信道优先级（LCP），并跳过RoHC和加密功能，假设关键任务服务将提供应用层安全机制。 - **海量机器类型通信（mMTC）服务**：mMTC服务的连接密度高且移动性低，适合使用基于组的功能，并停用与移动性相关的功能。 不同服务类型在两层架构下的协议栈配置如下表所示： | 服务类型 | 5G上层（PDCP / RLC） | 5G下层（RLC / MAC） | | --- | --- | --- | | eMBB | 加密、RoHC、每段ARQ、数据包重排序、重复检测、分段 | MAC复用、动态波束管理、动态服务到AIV映射、调度、逻辑信道优先级（LCP）、不连续接收（DRX）/不连续发送（DTX）、RACH | | URLLC | 无加密、可选RoHC、PDCP层重传、半静态服务到AIV映射 | 固定大小LCP、可选MAC复用、优先RACH、调度、Chase合并HARQ | | mMTC | 可选RoHC、基于组的调度、半静态服务到AIV映射 | MAC复用、调度、固定大小LCP、针对覆盖优化的HARQ、基于组的RACH | #### 3. 多服务和多租户支持的网络功能实例化 在多服务和多租户环境中，特别是多个服务和租户共享一个多服务无线电时，关键在于将网络功能（NF）分解为特定服务和与服务无关的组件。 以一个支持eMBB、URLLC、mMTC和增强