基于5G-NR演進淺析和展望未來6G系統中去蜂窩化技術的應用

任 震 楊 立 謝 峰 夏樹強 韓志強

1 中興通訊股份有限公司 深圳 518057

2 移動網絡和移動多媒體技術國家重點實驗室 深圳 518057

1 業界背景和綜述

1.1 蜂窩與非蜂窩組網的對比

2019年是5G-NR蜂窩移動通信系統在中國商用的元年。5G-NR旨在實現萬物互聯和改變社會，它不僅提升了面向普通移動消費者(to Customer,2C)的數字化消費能力和移動業務豐富度，更深度賦能了眾多的垂直行業，促進它們生產關系的重構升級和生產力提升，因此5G可謂全人類至今最強大的DICT基礎設施平臺。5G-NR系統所對應的第三代合作伙伴項目(3GPP)，目前正在進行Rel-17版本功能的標準化開發[1]，其反映出的B5G網絡異構化、垂直化和輕量化的特征和趨勢愈發明顯。

過去，移動電信運營商都是以蜂窩組網(Cellular Based)且服務2C類用戶為主，即在某個特定的中心頻點和頻段帶寬上，蜂窩服務小區(Cell)被同頻重用的連續構建，并且彼此之間可有相鄰重疊覆蓋。隨著異構組網、射頻拉遠和波束賦形(Beamforming，BF)等技術的發展應用，蜂窩Cell可根據目標覆蓋和容量的需要，呈現出不同的覆蓋形狀。與蜂窩組網相對立的是以IEEE 802.11標準所制定的無線局域網(WLAN)為代表的非蜂窩技術，它們的服務小區無需但可被連續地構建，彼此之間無需但可有重疊覆蓋。在非蜂窩系統中，各個相鄰服務小區和無線接入節點(AP)之間不需要有緊密或動態協作互操作，例如WLAN中沒有跨小區干擾協調和切換/雙連接等復雜操作。非蜂窩系統主要面向準靜止和游牧式終端用戶，主要照顧處于覆蓋中心地帶的用戶，無線服務方面盡力而為，用戶體驗無法被嚴格地保證；而3GPP蜂窩系統不僅面向準靜止和游牧式終端，更重要能面向廣域移動甚至高速移動終端，且能提供保證的用戶體驗，非常強調無線服務的連續性、魯棒性、低丟包率和處于小區邊緣地帶的通信性能。

因此，蜂窩和非蜂窩移動通信系統最核心的差別不是在峰值速率、吞吐率、傳輸延時等這些KPI關鍵指標方面，而是在能否高質量地支持服務連續性、魯棒性、小區邊緣和中心用戶的一致性性能等方面。過去，主流通信運營商之所以選擇蜂窩組網，主要考慮了2C場景用戶需求，各類終端用戶的不同體驗需求，和大尺度范圍內移動和較廣闊的位置分布等特征訴求。

1.2 蜂窩小區坍塌(去蜂窩化)

眾所周知，5G-NR系統技術和組網部署遠比WLAN的要復雜得多。它不僅表現在對各個5G-NR蜂窩小區的縝密規劃、參數設置、各種網絡接口協議棧和機制流程設計方面，更表現在空口數據調度傳輸管控更嚴密精準方面[2-3]。5G-NR復雜設計帶來的好處是系統內各種資源的利用效率高、業務質量可被精準管控，但它也有明顯的缺點，比如技術標準化和開發測試過程很復雜，耗時耗力，系統綜合成本和組網部署運維費用高。若以此方式演進到6G時代，很可能難以承受和駕馭，必須極大地依賴人工智能(AI)等輔助手段。為了平衡上述優劣點，主流通信運營商通常采取以多頻點、大帶寬、大容量的宏蜂窩小區覆蓋為主，同時在熱點部署微/皮基站小小區(Small Cell)和非蜂窩小區(WLAN)熱點疊加覆蓋為輔的異構組網模式，如圖1所示。實踐證明，這在一定程度上能降低系統綜合成本，但卻又帶來異構節點生態和異構化網絡管控等負面問題。

圖1 蜂窩為主、非蜂窩為輔的異構組網模式

再進一步，如果運營商想更大程度地去簡化網絡和降“規建維優營”成本，可嘗試如圖2類似的異構部署：即以Small Cell和非蜂窩小區覆蓋為主，而蜂窩超大宏小區連續無縫覆蓋為輔(超大宏小區可覆蓋目標區域的大部分，但僅提供基本的接入信令管控服務，用戶面業務數據傳輸主要依賴于眾多的Small Cell和非蜂窩小區)，就會出現所謂的“蜂窩小區坍塌”或“去蜂窩化”。在蜂窩小區坍塌的系統中，除了配置較窄帶寬和有限容量的信令管控層之外，主體業務容量層不再構建起無縫的連續覆蓋，甚至在某些時刻和某些地區，會出現有益的無線覆蓋空洞。因為那里暫時沒有用戶業務，根本不需要原本無謂浪費的無線信號覆蓋。

蜂窩小區坍塌(去蜂窩化)的理念在于：終端用戶并非均勻或完全隨機的物理分布，網絡中流量消耗和QoE需求有一定的區域統計特征；更加精準有效的按需無線覆蓋既能降低能耗，還能減少空口電波干擾。上述特征在垂直行業(to Business，2B)某些場景(例如工業園區、礦區港口等)比2C場景更為明顯。蜂窩小區坍塌(去蜂窩化)的根本訴求在于：通信運營商渴求能進一步降低系統和組網復雜度、CAPEX和OPEX成本，充分利用好2C和2B各種場景下的特征條件，實現無線服務的按需精準投放和資源投入產出更高性價比。因此，蜂窩小區坍塌一方面關系到移動系統制式的本身設計(如何讓系統變得更精簡、更高效和性價比更高)，另一方面還關系到組網運維等。總體上，蜂窩小區坍塌(去蜂窩化)有著特定的市場和商業應用前景，尤其在未來非常廣闊的2B垂直行業領域。

圖2 非蜂窩熱點為主&蜂窩保底為輔的異構組網模式

1.3 蜂窩小區坍塌與Cell Free類技術

為了解決蜂窩組網中小區邊界性能差，難以做到以用戶為中心的痛點，業界很早就開始了所謂Cell Free(也稱作虛擬小區、軟小區等)[4-5]和分布式多天線MiMo技術的研究[6-7]。本質上，所有Cell Free類和分布式MiMo類技術，都是建立在無線收發節點天線(基站TRP)之間緊密協同和協作的基礎之上，因此網絡要進行較大的超寬帶光纖布設，無線資源管控和調度計算復雜度也明顯提升。從終端角度看，UE獲得了多點的收發分集和空分容量增益，確實提升了通信性能，但這可能不是對每個終端UE都那么必要。因此，Cell Free類技術其實就是以更大的系統復雜度和成本代價，去構建起一個更大的蜂窩小區，等效于有機合并了原本若干個獨立小小區。Cell Free主要解決了蜂窩小區邊界通信性能一致性問題，而移動系統上層的諸多痛點問題基本不管。這不同于上述蜂窩小區坍塌(去蜂窩化)更廣內涵和原始意圖，例如：各種系統機制的靈活簡化和基站節點進一步被輕量化等方面。

2 去蜂窩化訴求的啟示和3GPP如何應對

2.1 WLAN非蜂窩化的特點和啟示

下面從WLAN非蜂窩系統的機制特點出發，看看蜂窩小區坍塌(去蜂窩化)背后的訴求到底是什么？而5G-NR又是如何應對的？

1)WLAN最大優點是可部署工作在零成本的非授權頻段載波上，AP設備即插即用，部署組網服務非常精簡方便。WLAN基站AP(除了后來Wi-Fi6/11.ax基于調度)通常不以正交時頻資源塊調度方式服務STA終端，因此不要求同一WLAN小區內的所有終端之間進行上下行時頻精準同步，每個終端STA或基站AP以CSMA/CA搶占方式，輪流著去使用一定的信道資源(競爭碰撞會導致低譜效)。WLAN系統中不存在高度集權的無線節點，每個無線節點的身份地位基本相同，即使它們在能力配置方面有差異。因此蜂窩坍塌訴求的第一個啟示是，應降低基站類節點工作機制的復雜度和集成度，削弱基站類節點的高度集權，賦予終端類無線節點相對平等的地位權力。

2)WLAN系統是個超扁平(只標準化PHY/MAC層)、分布式且弱信令控制面的系統，它在MAC層只有管理幀、控制幀和數據幀的三種格式定義，WLAN系統的標準化開發更多聚焦于用戶面業務數據的傳輸機制；而以5G-NR為代表的蜂窩系統中，網絡和空口各種信令流程的定義和設計要復雜地多，甚至大大超越了其用戶面設計工作，這導致5G-NR標準化規范和開發測試的工作任務非常繁重，部署上市周期被拉長。大量的信令信息還導致額外的系統資源開銷和兼容性測試。因此蜂窩坍塌訴求的第二個啟示是，應減少移動通信系統不必要的控制信令設計和相關資源開銷，更多聚焦和提升用戶面的數據傳輸性能。

3)WLAN系統中的數據傳輸不需要基于無線鏈路(RL)，終端完成服務AP認證關聯鑒權后，在空口也是無確定狀態的；而以5G-NR為代表的蜂窩系統中，任何用戶業務數據傳輸都是基于RL的(伴隨著RLM監控過程)，且終端UE在空口有著確定RRC狀態的。面向無線鏈路和空口狀態的管理，會導致額外的控制信令和系統資源開銷，有時更會導致較大的業務數據傳輸時延。因此蜂窩坍塌訴求的第三個啟示是，應在特定條件下，適當地采用基于無連接或無狀態的業務數據傳輸機制，盡量避免面向連接和狀態的管控。

4)蜂窩系統正在朝著小小區方向拓展，形成超密集網絡(UDN)[8]。服務小區越小，里面同時服務的終端個數就會越少，甚至只有一個UE，那么網絡就更容易做Per UE級別的小區管控服務。如果整個小小區的時頻資源可供單個終端完全使用，就可實現多用戶之間的空分隔離，避免多用戶間動態干擾。基于競爭搶占資源的非蜂窩小區，如果做成大覆蓋，里面同時服務的終端個數就很多，這會導致巨大的競爭擁塞災難和資源效率劣化，因此非蜂窩WLAN小區都是小小區。因此蜂窩坍塌訴求的第四個技術啟示是：盡量采取更小的小小區部署服務，以實現多用戶間的空分隔離，減少多用戶間的沖突串擾。

圖3 WLAN為代表的非蜂窩制式四大技術特征優勢

如圖3所示，上述四個啟示就是以WLAN為代表的非蜂窩系統的主要優點，其實也是蜂窩小區坍塌(去蜂窩化)訴求者及追捧者們的技術訴求。事實上，5G-NR在系統頂層設計之初，就已充分考慮到了這些技術訴求和啟示，并努力通過一些蜂窩系統制式框架內的技術手段，去逼近和實現上述四個特點優點方面。這說明5G-NR在維持自己蜂窩化主特性的同時，也在積極地借鑒和融合著(去)非蜂窩的某些技術優勢，下文將作具體分析。

2.2 5G-NR(B5G)功能演進特點和應對之策

針對上述第一點“精簡便宜平等”的特征，5G-NR系統已支持和實現了在非授權載波上的standalone獨立部署和服務。若去除掉不必要的冗余功能之后，Lite gNB可演變成更便宜的輕量級無線基站，用于特殊場景的部署。隨著集成接入后程技術(Integrated Access Backhaul，IAB)的引入發展[1]，中繼節點IAB Node(包含MT和DU兩部分功能)具備了終端和基站的“二義性特征”。為了簡化網絡拓撲，3GPP早期版本規定IAB Node必須是固定的無線節點，因此它的基站屬性特性更強一些，但它至少分化了IAB Doner基站內的部分功能權力。未來IAB Node也可能是可隨意移動的，那時它的終端屬性特性就更強一些。未來，當用戶終端UE能力足夠強大的時候，它們都可成為移動網絡中的有機部分，甚至被賦予更高的地位權力。此外，基于NR終端間直連Sidelink的系列功能也正被開發得越來越強大。因此可預見，3GPP網絡架構正趨向于多樣化和多拓撲化，UE地位權力在不斷地被提升和利用，原先純基站蜂窩組網中已被融入了大量的非蜂窩組網元素。

針對上述第二點“弱信令、少冗余”的特征，5G-NR系統在減少控制面信令方面已做了不少方面的優化。例如：為了減少不必要的系統廣播消息SI，5G-NR Rel-15初始版本就采取了On Demand SI按需發送機制，即除了周期性廣播必要的系統消息之外，其它SIBx系統消息塊，可由UE通過RACH請求觸發基站廣播。5G-NR Rel-15就支持RRC_INACTIVE新狀態，后來又支持了對雙連接下MCG/SCG底層配置的保存功能，因此當UE回到單/雙連接工作狀態的時候，只需相對較少的控制信令即可完成單/雙連接操作恢復。5G-NR Rel-15還支持NG-U用戶面 TS38.415[9]新協議，即通過PDU Session會話用戶面帶內In-band信令的方式，實現對各個IP Flow包傳輸控制，這比用控制面信令的方式更加輕量簡約。因此我們可預見，3GPP網絡未來會一直致力于對控制面信令的簡化、縮減去冗和不斷地優化利用。

針對上述第三點“無連接無狀態”的特征，5G-NR 系統在Rel-17之前只能支持在RRC_CONNECTED連接狀態下傳輸用戶業務數據，但隨著Rel-17 Small Data新傳輸手段的引入實現，也支持在RRC_INACTIVE狀態下直接傳輸小微量的業務數據[10]，UE不再需要總是進入RRC_CONNECTED狀態，且和基站之間無需建立維持無線鏈路。由于安全等因素，目前終端尚不支持在RRC_IDLE狀態下直接傳輸業務數據，但不排除未來的可能性。因此我們可預見，3GPP網絡未來會支持基于無連接無狀態的數據傳輸新手段，還會有各種非正交接入(Non Orthogonal Multiple Access，NOMA)傳輸技術[11-12]。Rel-17 Small Data方式的傳輸效率和資源利用率未必最好，但卻很適用于大并發、小微量、低延時數據包傳輸場景；而NOMA系列技術的未來應用則有望進一步提升無線譜效。

針對上述第四點“小小區弱互擾”的特征，5G-NR Rel-15已支持多天線波束賦形Beamforming操作。Beam其實就是之前Small Cell的升級版(更狹長強指向的小小區)[13]，它通過智能多天線實現了更小空間粒度的空分傳輸操作，較大減輕了多用戶之間的沖突串擾和空間干擾能耗。對于Above-3GHz中高頻段，為了獲得理想覆蓋，基于Beam的傳輸基本都是標配；隨著Beam技術成熟優勢凸顯，未來在Sub-3GHz低頻段，也會廣泛地使用Beams。當未來6G移動網絡中的Beam個數越來越多，終端使用越來越窄的Beams，用戶就猶如能和基站之間拉起一根或多根“無線光纖”，此時Beam也可看成蜂窩小區某種形態的坍塌。我們可預見，3GPP網絡未來大部分的網絡資源和能量開銷都將集中在眾多Beams上，而非傳統蜂窩小區似的能量大范圍投射。

如圖4所示，參考圖3中WLAN為代表的非蜂窩制式的主要優點，以5G-NR為代表的3GPP蜂窩系統正在進行相應的“去蜂窩化”技術融合和自身機制的優化增強。(B)5G蜂窩小區相比傳統的2/3/4G蜂窩小區，其實已有外觀和內在的較大不同，已呈現出許多的“去蜂窩化”特征，并且這種“去蜂窩化”融合趨勢，未來還會繼續地被深化拓展。

圖4 5G-NR為代表的蜂窩系統已融合了多種非蜂窩化技術

3 如何面對未來潛在的6G小區去蜂窩化

未來6G移動通信系統將面向“全覆蓋”、“全頻譜”、“全應用”和“強安全”[7,14]。業界普遍預測3GPP將會在Rel-20階段(2026年前后)，針對6G系統開始進行標準化工作。屆時6G系統的設計起點將是(B)5G業已完成的各種系統特征功能(包含了Rel-15/16/17/18/19)和上述(B)5G諸多“去蜂窩化”技術的使用實效證明，因此6G系統將會以原生內生的姿態，集“蜂窩 vs 非蜂窩”各自理念和優勢技術古今之大成，深度融合共存發展。

未來，潛在的“6G去蜂窩化”訴求，主要關系到“全頻譜”、“全應用”和“強安全”三方面。隨著6G基于5G毫米波的開發應用經驗，進一步朝著更高頻段(太赫茲、可見光等)拓展，6G服務小區必將以更窄的波束Beam和光束形式體現，服務指向性更強更準。隨著6G基于5G在當今局部垂直行業的部署應用經驗，進一步朝著更廣闊的垂直行業應用領域(上行超大視頻、高級智能體聯網、數字孿生等)拓展，6G服務小區和其相關部署組網必將體現出更多的異構化、定制化、輕量化和本地化等特征，進一步較大拓展通信運營商的盈利增收空間[15]。隨著業界對6G“強安全”的訴求，6G服務小區必須要能體現出用戶按需的物理/邏輯隔離性、連接可信性、隱私性等安全特征。上述面向未來6G服務小區的特征訴求，不僅要依賴更先進的蜂窩技術手段，還要依賴于各種去蜂窩化的理念和技術手段。因此可以推斷，未來6G移動通信系統仍將會以蜂窩制式為主體，6G服務小區不會完全的蜂窩坍塌(去蜂窩化)，但6G蜂窩服務小區將會支持和實現更多的去/非蜂窩化的特征功能，以滿足通信運營商6G時代下，更簡約、實效、低成本的“規建維優營”需要。

4 總結和展望

在5G時代，通信運營商們沒再在蜂窩與非蜂窩組網之間過多地糾結，堅定地選擇了兩者之間異構融合組網方式，只是各家的異構組網程度有所不同。5G-NR系統技術在堅持自身蜂窩主體特性的同時，開始吸收非蜂窩制式的多種先進理念和優點，進一步讓(B)5G系統變得更靈活、高效、精簡、便宜和綠色輕量化。基于3GPP當前Rel-17標準化狀態，未來B5G和6G服務小區不僅不會坍塌，應會繼續融入和支持更多的去蜂窩化技術優點和特性。無論“蜂窩坍塌”(去蜂窩化)最終會有什么新叫法或新變種，通信運營商們只是期待更低成本、更高效、更高質量的移動解決方案，和能支撐未來更大盈利增收空間的空口網絡技術組合[15]。因此蜂窩和非蜂窩制式之間彼此借鑒、取長補短、相互融合共存是大勢所趨，它們之間不存在彼此替代和被顛覆的關系，會從如今的異構共存協作，走向更深的原生內生融合演進，但保守起見，未來6G網絡仍可利用蜂窩制式為主體架構。例如，NR-U已率先支持了多個非授權載波聚合，而Wi-Fi 7.0也正在通過Multi-Link技術，去實現類似的載波聚合效果；Wi-Fi已開始研究通信感知融合一體化技術，而3GPP系統未來也會朝著這個目標和技術領域去拓展。未來B5G和6G系統理應朝著端到端的云化、服務化和更加輕量化的方向去發展，從而徹底打破過去蜂窩與非蜂窩制式之間的楚河漢界。