未來無線接入網組件化探究和實踐

趙 喆，王 菲，楊 立，謝 峰

(1.中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057；2.移動網絡和移動多媒體技術國家重點實驗室，廣東 深圳 518057)

0 引言

5G-NR不僅在傳統通信的基礎上提供更高體驗速率、更大帶寬的體驗，并且對物聯和垂直行業進行賦能，實現更高連接、高度實時、高度精密以及高度安全[1]。未來通信在5G的基礎上對連接進行進一步增強，實現全球無縫連接，包括空天地海的互聯互通，通感算的一體化，以及系統架構對智能、安全等需求的原生支持。

接入網煙囪式的架構在設計之初只追求讓用戶更高效、便利的接入網絡，并沒有考慮用戶服務的多樣性、可擴展性和兼容性[1]，所以只支持相鄰層的聯系，缺乏整體內部的相互聯系；在引入上述新功能就會比較困難，無法平滑承接核心網下沉下來的功能。

本文將系統地思考和闡述分析5G-NR煙囪式協議棧架構的問題，以及它將面臨的一系列關鍵問題和技術挑戰。這些關鍵問題以5G-NR當前系統功能的缺失不足和遺漏為出發點，逐步論證接入網架構應該如何發展解耦至簡的設計原則[2]，以保證對未來新場景以及智慧/安全內生的支撐。列舉未來可能需要支持的新功能、功能的拆分[3]、功能的多種編排方式，并結合過去和未來場景的一些例子，向讀者全面并生動地呈現諸多未來系統架構的技術細節、增強建議以及機遇和挑戰。

1 面向場景的組件編排

1.1 5G空口現有協議棧背景及發展

5G-NR空口抽象協議棧如圖 1所示。Layer3、Layer2、Layer1分別為高層到底層，圖中Layer2中功能4的虛線框表示該功能具備可編排能力：根據不同場景和業務類型的需求，控制面可對某些協議(子)功能進行選擇或者關閉。例如無線鏈路控制層提供確認模式、非確認模式和透明模式3種可選的傳輸模式供不同的業務場景選擇[4]。上述5G-NR的功能已經具備可編排的雛形，但是由于僅是對固定功能的編排，無法進行新功能的擴展，功能之間的交互也僅限于相鄰層。隨著未來通信時代全息通信、衛星互聯網、感官互聯網、智慧車聯網等新型場景用例的興起[5-6]，業態和新商業模式也將提出更多的技術要求，通感算智信的一體化成為未來網絡的主導趨勢[7]。現有協議棧模式較難滿足未來諸多差異化場景和用例需求。

圖1 現有協議棧設計

另外，當前標準復雜，系統內核沉重，導致新功能影響模塊多，開發效率低下。垂直行業等特殊場景，研發需要耗費大量的人力通過從大版本拉分支的方式重開發，代價極高，所以新的協議架構設計勢在必行。

基于上述問題，實現功能的組件化，對組件進行分類，并且擴展組件編排的方式，支持組件的靈活編排以及擴展，在輕量化開發的前提下滿足未來場景的需求。

1.2 未來系統的協議棧組件和編排原則

系統邏輯架構是標準化的范疇，側重網元與網元、功能與功能之間的接口定義和規范。業務架構則側重于業務在具體場景中的部署應用。從極簡去冗，綠色統一的設計角度考慮，新系統的業務架構應該與邏輯架構解耦，即用一套協議邏輯架構可滿足所有的業務部署場景，以確定性的架構應對不確定性的業務需求；從系統價值的角度分析，系統架構設計的目標是業務、資源和能力都可運營，可管理，可控制，可價值變現，迎合各類市場的需求。

為了實現上述目標，將未來通信眾多的系統功能根據用途拆分為通用化組件和場景組件[8]。其中通用化組件指功能的“根基”，為公共組件；場景組件指非通用的，但是適用于特殊場景的組件。在系統演進中，還會不斷地增加契合新價值的組件，根據組件適合的框架，對眾多組件進行更新編排，才可滿足未來未來通信系統“高價值，極簡，兼容”等原則[9]。

1.2.1 組件介紹

通用化組件[10]為當前無線空口協議棧包含的基本功能。通用化組件是大部分場景均需要使用的功能(例如物理層處理過程、接入功能等)。表1為通用性組件的內容[11-12]。

表1 通用性組件

下面從未來亟待解決的問題入手，分析系統需要引入的場景組件：

首先，人類社會將進入智能化時代。未來通信網絡將與人工智能技術進行深度融合，智慧內生成為未來通信網絡的重要特征已在業界形成共識[9]。

其次，“萬務智聯”為人類提供便利的同時，也給網絡安全帶來了極大的挑戰。現有系統安全性主要依賴于位級加密技術和不同層級的安全協議。這些解決方案采用的都是“補丁式”的設計思想[13]。未來網絡需要在設計之初就考慮安全在不同層級的標準化，保障用戶身份認證、接入控制、網絡通信和數據傳輸等層面的安全性。

再次，智能制造、智能交通、智慧能源、智慧醫療等新興業務對未來網絡提出了更高的要求，使得通信感知一體化成為未來網絡的主導趨勢之一[7]。感知將不只是通信網絡的輔助工具，與AI和安全一樣，成為未來網絡系統的內生能力，所以在架構設計之初就需要考慮基于感知的功能。

最后，把性能、算力、可信、能耗等綜合考慮，需要定義一個跨層跨域、端到端的廣義QoS體系，對整體性能進行綜合性的把控，使系統可以同時兼顧場景需求、KPI要求以及碳達峰的要求。

表2列出了面向未來潛在的場景新用例相關的新組件[8]，其他未列出的場景組件，后續也可按需添加進未來通信系統中[14]。

表2 場景組件

1.2.2 組件編排結構

基于上述新業務場景和編排原則，系統的闡述分析支持組件的編排模式。

圖 2列出了3種組件的編排形式，一是使用當前系統的棧式串行結構，并在當前協議棧的基礎上疊加新的功能和接口以支持新系統的要求(圖a)； 二是使用總線式架構(圖b)，提升接入網功能的多樣性和開放性；三是引入并行可編排架構(圖c)，去除協議棧固定層數固定功能的限制，實現協議棧層數和每層的功能可編排和功能的并行處理，相比棧式結構，更加滿足用戶的定制化需求。

(a) 棧式

第一種結構沿用棧式結構，固定的編排帶來更低的時延，且前向兼容性強，但棧式結構的限制，支持新場景新需求時，可能引入過多的接口，效率降低；第二種總線式架構適合非實時的功能，可以添加場景相關功能，提供注冊、查詢和發現功能，運營商和垂直行業、用戶、互聯網的服務都可以進行注冊，支持更加開放的生態并且易于擴展；第三種并行可編排架構根據需求選取需要的功能參與編排，協議棧的層數可變，組件間的處理順序從單純的串行改為串行加并行的處理，達到更高的效率和彈性。

以上3類架構各有優勢，在進行功能編排時，可以根據不同需求，同時選用上述架構的一種或多種形成優勢互補的綜合架構。總線式架構為接入網賦予了IT行業服務化部署的能力，使接入網的功能更加易于擴展，并且組件之間的交互軌跡如同mesh一般，可以實現任意功能之間的交互。這種組件間的互動方式比棧式結構更加靈活，導致時延可能有所提升。棧式結構和并行可編排架構由于是層間交互，所以實時性較好，時延也相對低。在編排時，可以從時延，性能等不同維度進行考量，根據功能的特點和業務需求選取合適的編排架構，在引入新場景的同時也考慮了性能的指標，更貼近“萬物智聯”的愿景。

2 未來通信組件編排場景示例

本節根據1.2.1節組件介紹和1.2.2節組件編排方式，結合經典場景給出具體場景下的組件編排示例。

2.1 棧式編排

在eMBB(Enhanced Mobile Broadband)和URLLC(Ultra Reliable Low Latency Communication)協議差異不大的場景，推薦使用棧式編排疊加網絡切片技術，網絡切片是一種按需組網的方式，可以讓運營商在統一的基礎設施上分離出多個虛擬的網絡，以適配各種各樣類型的應用[15-16]。在需要兼容不同連接性指標(峰值速率、連接密度、時延/抖動移動能力、頻譜效率等)的場景，使用現有切片技術既可以滿足需求。

2.2 物聯網編排

物聯網是一種低功耗廣域網技術，具有低成本、低功耗、強覆蓋、大連接4大關鍵特點。對應的協議更加輕量化，所以在傳統協議棧的RRC、RLC、MAC功能上做了很多簡化[4,17-19]。

根據上述特征，為該類終端提供相較于更簡潔通用的編排，在支持通用“內核”功能的前提下，進行功能的擴展[20]。對于僅有上行需求的終端，只提供上行微內核組件(例如通過無連接技術進行數據傳輸[21])；對于僅有下行傳輸需求的終端，只提供下行微內核組件(下行同步信號攜帶部分數據，終端通過搜索下行同步完成數據的接收)。此外，由于數據傳輸的簡化，每層協議棧的數據封裝也可以進行統一。

基于上述簡化，協議棧可以進一步進行融合。如圖 3所示，只定義兩層功能，一層是負責數據傳輸的物理層(其中可以包含上行內核組件和下行內核組件)，另一層是負責管理功能的高層[20]。

圖3 物聯網編排示例

對協議有極簡需求的場景，使用可編排架構對功能進行編排，設計更加簡潔的協議棧以貼近用戶需求。進一步分析該架構對于當前協議棧的影響，研究如何進行功能拆分以達到功能之間的低解耦，以及功能的可重用性。

2.3 感官互聯網業務組件編排

感官互聯網對于感知的需求提升，涉及的指標不僅包含連接指標(速率時延等)，還包括適應性指標，如智能等級、可信等級、安全等級、能耗等級等，所以組件的編排也會產生相應的變化。

圖 4給出了感官互聯網業務的網絡架構，管理組件(網絡大腦)、注冊/發現組件、AI組件、感知收集組件、計算/數據組件、安全組件選用總線結構的進行編排，組件間通過總線結構相互訪問和交互。組件的先后順序變化不影響數據包處理的組件可進行并行化處理，其他實時性要求高且流程固定的功能，例如調度和物理層處理可以使用棧式協議棧。

圖4 感官互聯網業務功能編排示例

總線式編排可以更方便、更靈活的支持垂直行業的多樣需求，下一步需要對技術細節做進一步的研究，例如控制面組件的拆分、接口的設計、接入網注冊和發現細節流程性。由于其較大的顛覆性，也要重新梳理其對于通信產業的影響，例如基站重新部署的投資、供應鏈增多后性能的保證、組件化的處理效率等。

3 結束語

本文系統回顧了5G-NR系統空口協議棧架構。隨著未來6G新場景、新業務、新服務的引入，未來移動新系統基于組件化、按需靈活編排架構的訴求將會越來越強。這可印證在未來新業務新場景爆發式涌現的情況下，無線接入網業務部署架構應與邏輯架構之間充分解耦的必要性和必然性。文中給出了3種典型的組件化編排架構：棧式架構(串行)、并行可編排架構和總線式架構。第一種棧式架構是使用最多的傳統通信模型，第二種和第三種架構由于其擴展性和兼容性強，則是最適應未來系統組件化發展趨勢的架構。這兩種架構給未來通信產業帶來劃時代的意義，使未來通信系統內生地支持按需定制、柔性彈性、極簡內核，從而可以使用最少的代價輕松滿足多種場景需求。當然也將帶來很大的挑戰：① 可作為組件進行編排的功能篩選，首先考慮接入網高層功能的組件編排，底層MAC和PHY實時性要求高的功能可能并不適合組件化；② 組件化實現細節，例如：組件化的切分粒度、組件化的接口設計、跨組件模塊或組件功能的管理和編排，以及組件化和實時性/高效性的平衡，這對用戶極致的通信體驗有特定的意義價值；③ 組件化對產業生態影響，正面影響是設備供應鏈的多元化、演進升級更獨立，負面影響是接口標準化復雜、板間數據傳遞時延大、由接口暴露帶來的核心算法暴露、異廠家對接測試難、性能故障定位難；④ 架構演進兼容性研究，由于其顛覆性，如何與原有系統共存將是一個需要持續探索的問題。

總之，無線接入網組件化研究是一種迎合未來應用需求的高價值技術，應用范圍很廣，未來需要針對組件化設計引入的一系列問題，不斷地研究提升和優化。