5GRAN架构深度解析

### 5G RAN架构深度解析 #### 1. 引言 在探索了5G端到端系统架构之后，现在我们将聚焦于5G无线接入网（RAN）架构，也就是涵盖5G系统在接入层的各个方面。下面是我们要探讨的关键要点： - 5G用例需求如何转化为RAN架构需求？ - 5G协议栈架构会是什么样子？与4G相比有哪些差异？能否根据不同服务需求定制协议栈架构和相关网络功能（NFs）？多服务和多租户将如何体现？ - 5G RAN如何原生支持基于RAN的多连接性？ - 5G RAN中合理的功能拆分有哪些？会出现哪些逻辑实体？这些如何支持不同的部署场景？ - RAN可编程性的关键推动因素有哪些？ 目前，第三代合作伙伴计划（3GPP）也在解决上述所有问题。除了简要概述3GPP中5G RAN架构的最新进展和相关决策外，我们还将从更广泛的角度解释5G RAN架构的考量因素。 #### 2. 相关工作 ##### 2.1 3GPP 3GPP RAN工作组已经完成了对下一代（NG）接入技术场景和需求的研究，以及对新无线电（NR）接入技术的研究。3GPP中5G网络（包括下一代RAN，即NG - RAN）的技术规范制定工作正在进行中。 基于对各种5G用例、部署场景、相关需求和关键性能指标（KPIs）的考虑，3GPP已经确定了NG - RAN架构和NG无线电接入技术（RATs）迁移的一系列要求。例如，NG - RAN架构应支持NG - RATs与（e）LTE的紧密互通、通过多个传输点实现连接、灵活的部署和功能拆分选项、网络切片和网络功能虚拟化（NFV）等。 一般来说，3GPP NG - RAN由NR千兆节点 - B（gNBs）组成，为朝向用户设备（UE）的无线接口提供用户平面（UP）和控制平面（CP）协议终止，该无线接口称为NG - Uu接口。gNBs之间可以通过Xn接口互连，最终预计通过NG接口连接到5G核心网（5GC），更具体地说，通过NG - C或N2接口连接到接入和移动性管理功能（AMF），通过NG - U或N3接口连接到用户平面功能（UPF）。此外，gNB可能由一个集中单元（CU）和一个或多个分布式单元（DUs）组成，它们分别通过Fs - C和Fs - U接口连接，用于CP和UP，并且CUs和DUs之间有不同的功能拆分选项。 下面是3GPP NG - RAN的高层架构图： ```mermaid graph LR classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px; UE(用户设备UE):::process -->|NG - Uu| gNB1(gNB):::process UE -->|NG - Uu| gNB2(gNB):::process gNB1 <-->|Xn| gNB2 gNB1 -->|N2| AMF(接入和移动性管理功能AMF):::process gNB1 -->|N3| UPF(用户平面功能UPF):::process gNB2 -->|N2| AMF gNB2 -->|N3| UPF gNB1 -->|Fs - C / Fs - U| CU1(集中单元CU):::process gNB2 -->|Fs - C / Fs - U| CU2(集中单元CU):::process CU1 -->|Fs - C / Fs - U| DU1(分布式单元DU):::process CU1 -->|Fs - C / Fs - U| DU2(分布式单元DU):::process CU2 -->|Fs - C / Fs - U| DU3(分布式单元DU):::process CU2 -->|Fs - C / Fs - U| DU4(分布式单元DU):::process AMF -->|NG - C| 5GC(5G核心网5GC):::process UPF -->|NG - U| 5GC ``` ##### 2.2 5G PPP 在5G PPP的第一和第二阶段，有几个项目一直在研究或仍在从事5G RAN架构设计，例如： - METIS - II开发了整体5G RAN设计，专注于演进的遗留和新型空中接口变体（AIVs）的高效集成以及网络切片的支持。 - 5G NORMA开发了一种新颖、自适应且面向未来的5G移动网络架构，强调多租户和多服务支持。 - COHERENT为5G异构接入网络开发了统一的可编程控制框架，用于协调和灵活的频谱管理。 - mmMAGIC为毫米波（mmWave）无线电接入技术开发了新的RAN架构概念，包括其与低频段的集成。 - 5G - MonArch旨在通过与切片间控制和跨域管理相关的关键创新以及云支持的协议栈来扩展现有架构。 此外，5G PPP架构工作组促进了正在开发架构概念和组件的项目之间的讨论，并在每年更新的架构白皮书中总结了各项目的综合成果。 #### 3. RAN架构需求 5G需要支持增强移动宽带（eMBB）、超可靠低延迟通信（URLLC）和大规模机器类型通信（mMTC）等用例，这些用例具有非常多样化的需求。从这些需求以及以经济可行的方式联合支持不同用例的需求出发，以下是5G RAN架构的要求： |需求类型|具体要求| | ---- | ---- | |扩展性|5G RAN应能够在吞吐量、设备数量、连接数量等方面实现极端扩展。为此，它应能够分别处理和扩展CP和UP。| |网络切片|支持下一代移动网络（NGMN）的网络切片愿景，即能够在共同的物理基础设施上部署多个逻辑网络作为独立的业务运营。切片应在RAN中可见，RAN CP和UP应支持设备的专用切片选择和关联机制，支持UE同时连接到一个或多个网络切片实例，支持切片隔离和高效的切片实例生命周期管理。| |软件可配置性|整个网络（包括RAN和CN）应具有软件可配置性，支持软件定义网络（SDN），即CP和UP数据包所经过的逻辑和物理实体应可配置。| |流量差异化|5G RAN架构应支持比传统系统更复杂的流量差异化机制，以不同方式处理异构服务并满足更严格的服务质量（QoS）要求。| |多连接性|应原生且高效地支持多连接性，包括4G和5G之间、不同5G无线电变体之间以及同一无线电变体的不同传输点和载波之间的紧密互通。| |部署灵活性|应能够在广泛的部署场景中高效运行，既能充分利用集中处理，也能在分布式基站的回传（BH）或前传（FH）基础设施不完善的情况下良好运行。这意味着需要多种功能拆分和使用NFV，以实现功能到物理架构的灵活映射。| |自回传/前传|应支持原生的自回传/前传（self - xhauling），即自由部署的基站或无线电前端可以使用与接入相同的无线电自主建立无线BH或FH连接，甚至可以设想任何终端用户设备都可以作为无线自回传的接入节点。| #### 4. 协议栈架构和网络功能 ##### 4.1 多AIV和多服务环境下的网络功能 5G与早期蜂窝技术的一个关键区别在于，5G系统将由多个高度集成的无线电变体组成，通常称为空中接口变体（AIVs）。例如，（e）LTE无线电可以紧密集成到5G系统中，在5G时代还可能引入多个新颖的无线接口。 从5G RAN的整体设计角度来看，尽管存在不同的AIVs和不同的服务，但应尽量在NFs和整体协议栈设计中保持尽可能多的共性。在5G中，以下几种类型的网络功能是相关的： - **AIV特定或服务特定的NFs**：为特定AIV或服务设计或定制的功能。例如，MAC层的特定干扰缓解机制，专为毫米波通信的帧时序、高波束方向性和链路波动性而设计。 - **AIV无关或服务无关的NFs**：对下层协议栈层或所使用的服务不敏感的功能。例如，无线电链路控制（RLC）层的数据分段功能，可应用于任何AIV或服务。 - **AIV跨域或服务跨域的NFs**：专门设计用于集成或聚合多个AIVs或处理多个服务的功能。例如，多AIV流量转向功能，根据瞬时无线电特性和QoS目标动态地将服务映射到不同的AIVs。 下面是用户平面NFs的示例图，展示了与AIVs或服务相关的特定、无关或跨域的NFs： ```mermaid gr ```