曹亙+呂婷+李軼群+馮毅

【摘 要】為了研究3GPP R15 5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)、協(xié)議棧功能、CU/DU功能切分、多連接功能、RRC功能等技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作，最后探討了后續(xù)5G標(biāo)準(zhǔn)制定需關(guān)注的重點(diǎn)工作。

【關(guān)鍵詞】5G無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；3GPP R15；5G網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)

3GPP Standardization Progress for 5G RAN Architecture

CAO Gen， LV Ting， LI Yiqun， FENG Yi

（China Unicom Network Technology Research Institute， Beijing 100048， China）

[Abstract]

In order to investigate the standardization progress of 3GPP R15 5G RAN architecture， the research and standardization of architecture design， protocol stack function， CU/DU function division， multi-connection function and RRC function for 5G network were mainly introduced. The further concerned standardization work was discussed at the end of the paper.

[Key words]5G RAN architecture； 3GPP R15； 5G network evolution

1 引言

2017年3月，3GPP RAN#74次全會(huì)通過5G New Radio（NR），即5G新空口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間表[1]，如圖1所示。按照3GPP RAN規(guī)劃時(shí)間表，至2017年12月，3GPP將完成Non-Standalone（NSA） Option 3（包含支持低時(shí)延）架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)制定工作；于2018年3月完成NAS Option 3架構(gòu)ASN.1標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)。其余NSA和Standalone（SA）架構(gòu)將在2018年6月完成標(biāo)準(zhǔn)制定，ASN.1將于2018年9月全部凍結(jié)。

根據(jù)3GPP R15 Phase 1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展，本文從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、協(xié)議棧功能、CU/DU功能切分、無線多連接功能、RRC功能等介紹現(xiàn)階段R15標(biāo)準(zhǔn)主要工作及其進(jìn)展。

2 NSA和SA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)概述

3GPP R14階段在NR候選網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[2]課題已開展大量技術(shù)方案研究工作，其中網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要按照4G和5G基站耦合方式，劃分為Non-Standalone（NSA）緊耦合架構(gòu)和Standalone獨(dú)立架構(gòu)兩種架構(gòu)。其中，NSA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)根據(jù)無線接入網(wǎng)演進(jìn)需求，考慮連接EPC和5G核心網(wǎng)（5GC）兩種場景（如圖2所示）。連接EPC的NSA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[3]（圖2左圖）中，eNB之間、eNB與en-gNB之間為X2接口；而en-gNB之間僅有X2用戶面（X2-U）接口。en-gNB基站的控制面由eNB處理，不能獨(dú)立處理控制面相關(guān)功能，僅支持處理NR用戶面數(shù)據(jù)。目前，3GPP以O(shè)ption 3/3A/3X架構(gòu)為R15階段1的重點(diǎn)工作。連接5G核心網(wǎng)的NSA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[4]（圖2右圖）中，ng-eNB與gNB之間、gNB之間為Xn接口連接。gNB與gNB之間的Xn接口功能與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)類型相關(guān)（如Option 7/7A/7X和Option 4/4A）。

NSA組網(wǎng)方案基于LTE與NR緊耦合架構(gòu)，3GPP重點(diǎn)關(guān)注Option 3/3A/3X（如圖3所示）、Option 7/7A/7X（如圖4所示）、Option 4/4A（如圖5所示）三種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案。核心網(wǎng)與無線側(cè)主基站（MN， Master Node）之間存在唯一的控制面連接，而核心網(wǎng)可以與輔基站（SN， Second Node）建立用戶面連接，如eNB/ng-eNB基站或gNB/en-gNB基站。在雙連接模式下，LTE基站或NR基站中只有一個(gè)基站為主基站，另一個(gè)基站為輔基站。主基站與核心網(wǎng)之間存在控制面連接，具備完整的協(xié)議棧功能。輔基站只有用戶面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、處理等功能，用戶面相關(guān)的控制信令需要經(jīng)過主基站與核心網(wǎng)進(jìn)行通信。

Standalone（SA）獨(dú)立組網(wǎng)架構(gòu)，5G網(wǎng)絡(luò)是一張獨(dú)立于4G網(wǎng)絡(luò)的全新網(wǎng)絡(luò)。3GPP只討論2種SA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Opion 2（圖6左圖）與Option 5（圖6右圖）。在Option 2架構(gòu)中，gNB只連接5G核心網(wǎng)（5GC）。而Opiton 5架構(gòu)中，eLTE eNB只連接至5GC，eLTE eNB是指支持5G核心網(wǎng)并且具備E-UTRA空口能力的eNB基站。

3 無線協(xié)議架構(gòu)概述

3GPP在R15第一階段的標(biāo)準(zhǔn)制定工作，重點(diǎn)解決NR協(xié)議棧以及NSA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的協(xié)議功能設(shè)計(jì)，其中控制面協(xié)議棧（圖7左圖）和用戶面協(xié)議棧（圖7右圖）是兩個(gè)重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容[3-4]。

3.1 控制面架構(gòu)

NR控制面協(xié)議與LTE控制面協(xié)議棧架構(gòu)基本一致，主要區(qū)別在于控制面連接的核心網(wǎng)網(wǎng)元為AMF，其中NAS控制協(xié)議相關(guān)功能參考文獻(xiàn)[5]，PDCP/RLC/MAC/PHY協(xié)議功能參考NR系列協(xié)議文獻(xiàn)[6-9]。

為了支持NSA架構(gòu)，控制面協(xié)議棧設(shè)計(jì)如圖8所示，UE與核心網(wǎng)僅通過LTE或者NR保持RRC連接。例如Option 3/3A/3x架構(gòu)，控制面是通過eNB RRC功能實(shí)現(xiàn)。但是eNB（圖8中MeNB）和en-gNB（圖8中SgNB）都有RRC實(shí)體單元。其中，en-gNB生成的RRC PDU通過eNB轉(zhuǎn)發(fā)給UE；eNB必須通過SRB1消息轉(zhuǎn)發(fā)Initial SN RRC配置消息，但是重配置消息可以由eNB或者en-gNB發(fā)送。eNB不能修改en-gNB生成的RRC消息。endprint

若gNB/en-gNB作為輔助節(jié)點(diǎn)，UE會(huì)被配置建立SRB3（SRB3是EN-DC和NGEN-DC場景，en-gNB/gNB與UE之間直接建立的SRB類型），從而gNB/en-gNB可與UE之間發(fā)送RRC PDU。僅有RRC重配置信息可以由gNB/en-gNB發(fā)送給UE，在SRB3配置的前提下，移動(dòng)性測量報(bào)告可以由UE直接發(fā)送給gNB/en-gNB。為了支持RRC PDU冗余傳輸，eNB可以從直傳路徑和gNB/en-gNB分流路徑生成MCG Split SRB，現(xiàn)在3GPP標(biāo)準(zhǔn)還不支持SCG Split SRB技術(shù)方案。

3.2 用戶面架構(gòu)

與LTE用戶面協(xié)議相比，NR用戶面協(xié)議新增SDAP協(xié)議層，該層協(xié)議主要包括兩個(gè)功能：Qos flow與數(shù)據(jù)無線承載的映射功能，上行/下行數(shù)據(jù)包Qos flow ID（QFI）標(biāo)記。為了支持NSA架構(gòu)，用戶面功能設(shè)計(jì)需要考慮不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。在MR-DC場景（MR-DC泛指E-UTRAN和NR DC組合，包括EN-DC、NGEN-DC和NE-DC三種），定義了終端需支持三種承載類型，分別是MCG承載、SCG承載和Split承載。Split承載可以是MCG Split承載，也可以是SCG Split承載。在EN-DC場景，如圖9所示，網(wǎng)絡(luò)側(cè)為MCG配置E-UTRAN PDCP或者NR PDCP，但是NR PDCP只能用于配置SCG和Split承載。

在連接5GC的MR-DC場景僅有NR PDCP，不存在E-UTRAN PDCP協(xié)議層。在連接5GC的E-UTRAN和NR DC場景（即NGEN-DC，MN為ng-eNB，SN為gNB），E-UTRAN RLC/MAC用于MN，NR RLC/MAC用于SN。在NR和E-UTRAN DC場景（即NE-DC，MN為gNB，SN為ng-eNB），NR RLC/MAC用于MN而E-UTRAN RLC/MAC用于SN。

從網(wǎng)絡(luò)側(cè)角度看，由于各種承載（MCG、SCG和Split承載）都可終結(jié)于MN或SN，網(wǎng)絡(luò)側(cè)協(xié)議設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。EN-DC場景存在三種類型承載（圖10 （a））；NGEN-DC、NE-DC場景存在三種類型承載（圖10（b））。

4 5G gNB CU/DU功能切分架構(gòu)

3GPP R14細(xì)致研究并比較各種NR RAN邏輯功能切分方案[2]，其中包括高層切分方案（Option 1、Option 2和Option 3及其子方案）和低層切分方案（Option 4～8及其子方案）。R15基于Option 2（PDCP/RLC層切分）架構(gòu)繼續(xù)開展標(biāo)準(zhǔn)制定工作，同時(shí)，3GPP也開展基于低層Option 6/7/8功能切分的多種技術(shù)方案研究[10]，以及在eNB/ng-eNB CU/DU高層切分技術(shù)方案研究[11]。

gNB CU/DU功能切分場景下，NG-RAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖11所示。gNB可以由1個(gè)gNB-CU和多個(gè)gNB-DU組成，gNB之間通過Xn接口連接，gNB-CU和gNB-DU之間通過F1接口連接，gNB-DU可以連接一個(gè)或多個(gè)gNB-CU。

gNB-CU支持RRC、SDAP和PDCP協(xié)議棧功能（連接5GC場景），或者RRC和PDCP協(xié)議棧功能（連接EPC場景），gNB-CU可以管理一個(gè)或多個(gè)gNB-DU。gNB-DU支持RLC、MAC和PHY協(xié)議棧功能。按照3GPP協(xié)議規(guī)定，gNB-DU只能支持一個(gè)邏輯小區(qū)，暫不支持多個(gè)邏輯小區(qū)。

NG-RAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，NG[12]、Xn[13]和F1[14]接口功能對比如表1所示。NG接口是5GC與NG-RAN之間接口，但過載功能和AMF負(fù)載功能還未完成。Xn接口為NG-RAN水平接口，Xn接口功能（與X2接口功能類似）基本制定完成。F1接口為gNB CU/DU功能切分架構(gòu)下gNB-CU和gNB-DU之間的邏輯接口，目前F1接口規(guī)范支持的功能最少，后續(xù)仍需要大量標(biāo)準(zhǔn)化工作以支持異廠家設(shè)備的互通性。

gNB-CU和gNB-DU分離架構(gòu)，CU和DU功能切分按照F1接口功能進(jìn)行相關(guān)技術(shù)方案設(shè)計(jì)。3GPP制定F1接口功能（如表2所示）。目前，根據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展，初步劃分gNB-CU和gNB-DU需支持的功能，如表3所示。由于3GPP技術(shù)規(guī)范制定進(jìn)度有差異，雖然gNB-CU或gNB-DU可支持某些功能，但不表示標(biāo)準(zhǔn)已完全支持該功能。3GPP標(biāo)準(zhǔn)支持intra-gNB-CU場景下inter-/intra-DU移動(dòng)性功能，以及EN-DC場景下inter-gNB-DU MCG SRB/SCG SRB移動(dòng)性功能的標(biāo)準(zhǔn)。

5 Multi-Connectivity標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

多連接（Multi-Connectivity）流程主要參考LTE雙連接（DC）相應(yīng)流程[16]，標(biāo)準(zhǔn)[3]已制定EN-DC和連接5GC MR-DC兩類場景，支持如下功能流程：

（1）Secondary Node Addition；

（2）Secondary Node Modification（MN/SN發(fā)起）；

（3）Secondary Node Release （MN/SN發(fā)起）；

（4）Secondary Node Change （MN/SN發(fā)起）；

（5）PSCell Change；

（6）Inter-Master Node handover with/without Secondary Node Change；

（7）Master Node to eNB/gNB Change；

（8）eNB/gNB to Master Node Change；

（9）RRC Transfer；

（10）Secondary RAT data volume reporting。endprint

連接5GC場景的MR-DC場景（NGEN-DC和NE-DC場景）也需要定義上述流程，3GPP將于2018年6月最終制定完成。

6 RRC功能

目前，3GPP R15協(xié)議對MR-DC場景下，RRC相關(guān)功能已基本完成。主要功能如下[3]：

（1）系統(tǒng)信息：MR-DC場景，SN只廣播無線幀定時(shí)和SFN信息。MN通過特定的RRC信令為UE配置初始接入信息，包括無線幀定時(shí)信息等。

（2）測量：支持SN添加/更改、intra-SN移動(dòng)等場景，MN或SN為UE配置RRC測量信息。在EN-DC場景，eNB需要根據(jù)NR RRC編碼測量配置信息。

（3）終端能力協(xié)同：SN RRC重配置信息封裝在MN RRC消息，MN和SN采用NR PDCP配置。

（4）SRB3：SN可建立SRB3，使用NR-DCCH邏輯信道傳輸。SRB3傳輸?shù)腞RC PDU采用NR PDCP加密和完整性保護(hù)；但采用E-UTRAN MCG SRB傳輸?shù)腘R SCG RRC消息采用E-UTRA MCG SRB加密。

（5）Split SRB：Split SRB支持SRB1和SRB2。Split SRB傳輸RRC PDU采用NR PDCP協(xié)議加密和完整性保護(hù)。MN和SN都可配置Split SRB，UE可同時(shí)配置Split SRB和SRB3。SRB3和SCG Split SRB可獨(dú)立配置。Split SRB可獨(dú)立選擇下行傳輸路徑，UE也可通過MN RRC信令確定上行MCG路徑或/和SCG路徑。

（6）SCG/MCG失敗處理：MCG和SCG處理無線鏈路失?。≧LF）采用不同的方案。MCG RLF發(fā)生后，UE在MN（即DC架構(gòu)的Pcell）發(fā)起RRC連接重建立流程。EN-DC和NGEN-DC場景下，SCG失敗需支持四種場景：SCG RLF、SN修改失敗、SRB3傳輸?shù)腟CG配置失敗和SCG RRC完整性檢驗(yàn)失敗。

（7）UE標(biāo)識(shí)：MR-DC場景，UE獨(dú)立分配兩個(gè)C-RNTI，一個(gè)用于MCG，另一個(gè)用于SCG。

7 5G標(biāo)準(zhǔn)化工作總結(jié)及展望

3GPP RAN于2017年12月RAN#78次全會(huì)正式宣布完成R15階段1-NSA Option 3/3A/3X協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)制定，2018年3月按計(jì)劃將凍結(jié)R15階段1 ASN.1。本文總結(jié)了R15協(xié)議中NSA Option 3/3A/3X，完成了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、協(xié)議棧功能、接口等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以及gNB CU/DU功能分離架構(gòu)。但是，3GPP還需要繼續(xù)完善L1/L2協(xié)議設(shè)計(jì)以及相關(guān)流程和信息設(shè)計(jì)。展望R15后續(xù)工作，3GPP在R15時(shí)間表需要完成SA組網(wǎng)場景的Option 2和Option 5架構(gòu)；NSA組網(wǎng)場景的Option 4/4x、Option 7/7A/7x等架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)制定工作。

3GPP 5G標(biāo)準(zhǔn)制定也需要考慮同步推進(jìn)終端設(shè)計(jì)和核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)工作。在5G終端指標(biāo)方面，需要解決LTE和NR部署頻段潛在的干擾問題、終端發(fā)射功率對上行覆蓋影響等問題。而在5G核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)方面，仍需加快5GC功能制定，支持與4G、3G等系統(tǒng)間互操作等功能。

隨著國內(nèi)5G商用步伐日趨加快，3GPP R15系列標(biāo)準(zhǔn)的凍結(jié)（2018年9月）必將加快5G試商用/商用部署節(jié)奏，運(yùn)營商、主設(shè)備廠家、終端廠家等產(chǎn)業(yè)鏈合作伙伴需要通力協(xié)作，密切配合，加快國內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)步伐，以早日實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)商用部署。

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