5G演進：網絡控制直放站

張楠，栗子陽，李儒岳，曹偉

（1. 移動網絡和移動多媒體技術國家重點實驗室，廣東 深圳 518055； 2.中興通訊股份有限公司，廣東 深圳 518057）

0 引言

蜂窩網絡的覆蓋是運營商在系統部署和網絡性能優化時關注的核心指標，也是制約連續廣域高速數據服務的重要因素。尤其是由于頻域資源的短缺，通信系統所能使用的頻段資源逐步向中高頻拓展，如新空口（new ra2io，NR）系統FR1頻段的部署包含3.5 GHz，且大量使用FR2頻段的網絡工作在28 GHz、39 GHz，甚至可以達到60 GHz[1]。隨著工作頻段的提升，無線信道不可避免地會遭受更高的路徑損耗，極易受到障礙物（如建筑物）的阻擋[2]，并存在散射、繞射以及高穿透損耗等現象[3-5]，因此覆蓋性能面臨與傳統的無線系統相比更大的挑戰。

為了增強5G的系統性能，業界針對覆蓋問題引入了不同層次的增強。

從信號處理的角度，針對當前通信系統中的覆蓋受限信道，通過3GPP Release 17（簡稱Rel-17）NR覆蓋增強課題的研究[6]，確定了通過增加重復次數以及支持在多個時隙上的傳輸塊處理等方式提升上行數據和控制信號的強度。有研究表明[7]，不同的覆蓋增強的方式可以對上行信號產生0.7～3 2B的增益。此外，3GPP Rel-17增加了對跨物理上行共享信通（physical uplink share2 channel，PUSCH）重 復 的 解 調 參 考 信 號（2emo2ulation reference signal，DM-RS）綁定以及對動態物理上行鏈路控制信道（physical uplink control channel，PUCCH）重復因子指示信令的支持機制[8]。

從網絡拓撲設計的角度，工業界和學術界也對多類型傳輸節點進行了研究，以實現網絡的密集部署，從而提升系統性能和移動運營商網絡部署的靈活性。

· 早在3GPP Rel-10中，中繼（relay）就被納入了3GPP標準[9]。在Rel-10中支持的中繼對UE是非透明的，這些中繼擁有自己的物理標識（physical ID），并向UE發送所有下行物理信道，從UE的視角在網絡中部署的中繼節點與常規eNB（evolve2 No2eB） 具有相同功能[10]。

· 在3GPP Rel-16/ Rel-17中引入了集成接入和回傳（integrate2 access an2 backhaul，IAB）[1,11]，運營商利用其擁有的部分無線頻段實現回傳，減少了密集部署下的光纖需求。IAB節點的功能與普通基站一致，可以通過對接入和回程數據進行全協議棧處理，完成對網絡拓撲的有效拓展。

· 文獻[12]依照節點設備本身的復雜度以及轉發節點包含的協議棧等級定義的不同類型中繼器也在網絡中有所部屬，且在3GPP Rel-17中的研究主要集中在層2/層3中繼。具體來看，層2中繼對接收的數據塊進行解碼和重新編碼，由于這種附加的信號處理，層2中繼無法同時接收和發送信號，轉發信號存在一定的時延，而且層2中繼無法利用業務流的服務質量（quality of service，QoS） 區分其轉發的優先級。層2中繼的優勢在于噪聲和干擾不會被轉發。層3中繼是更高級別的中繼，它在IP層轉發用戶面流量數據包，可以支持QoS調度、緩存管理、流量控制、增強切換等功能，可以認為是自回程的基站。相應地，層3中繼的復雜度和成本也較高。 · 除了上述具備對用戶數據進行處理并轉發能力的節點，在5G應用下，工業界也對傳統的射頻直放站進行了研究。由于該類節點僅具備放大和轉發其所接收到信道的能力，因此其實現復雜度和成本較低。基于這些特征，傳統射頻直放站在 2G、3G 和 4G 中均有部署，以改善常規蜂窩小區的整體覆蓋。然而，傳統的射頻直放站不但會轉發和放大信號，同樣也會放大網絡的干擾和噪聲，針對該類直放站特征，學術界對其網絡性能的影響展開了分析[14-18]。

本文研究內容是在3GPP Rel-18 中引入的網絡控制直放站[19]，作為對傳統射頻直放站的增強，具有從網絡側接收和處理直放站控制信息的能力。該機制允許網絡控制直放站以更有效的方式執行其放大和轉發信號操作，包括實現信號在空間域的定向增強、直放站的動態使能和簡化的網絡集成。

1 網絡控制直放站總體分析

1.1 直放站的功能和結構

傳統的直放站主要通過射頻模塊完成對信號的放大和轉發操作，射頻直放站結構如圖1所示。主要組成部分包括收/發端天線功放（包括低噪放）和濾波器。在時分雙工（time 2ivision 2uplex，TDD）模式下，直放站上下行鏈路的開關鍵控可以依照網絡部署進行預先設置。此外，部分直放站也有進行收發信號移頻的功能[20]，可以進一步按實際傳輸需求進行收/發頻點匹配，提升傳輸距離和降低干擾。

圖1 射頻直放站結構

網絡控制直放站，除了能夠對網絡內基站和用戶的數據進行簡單的放大轉發外，也存在與網絡之間的控制信息的交互。網絡控制直放站結構如圖2所示，網絡控制直放站主要由兩個功能模塊——控制單元和轉發單元組成，并通過控制鏈路（指網絡控制直放站與基站進行通信的鏈路，該鏈路能夠完成直放站與基站間的信息交互）和轉發鏈路（指網絡控制直放站對于基站/終端數據通過射頻接收-放大-轉發操作的鏈路，網絡控制直放站對于該鏈路所承載內容不進行任何處理）完成相關功能。

· 控制單元：主要作用包括接收與解調基站下發的控制信息，并且根據控制信息調整轉發單元的配置。控制單元可以按需生成直放站對網絡側的傳輸信號。圖2中，控制鏈路1為用于基站下發控制信息至網絡控制直放站，而控制鏈路2則可用于傳遞控制單元發送至基站的上行信息，如隨機接入信號和針對基站下發信息的反饋信號等。

· 轉發單元：主要作用為依照相應的配置和指示信息完成對接收數據的放大轉發操作。與傳統直放站一樣，該行為包含了兩條不同方向的轉發鏈路。圖2中，轉發鏈路1和轉發鏈路3構成了一條完整的基站到UE的轉發鏈路，而轉發鏈路2和轉發鏈路4構成了一條完整的UE到基站的轉發鏈路。

在這兩個模塊的共同作用下，基站可以通過控制鏈路1下發的控制信息，以不同的控制粒度調整轉發單元的配置和工作狀態。例如，控制鏈路1的控制信息為轉發鏈路3所需的波束信息時，網絡控制直放站會據此調整轉發單元的轉發鏈路3所使用的波束實現精準的基站到特定用戶的數據轉發。

圖2 網絡控制直放站結構

1.2 部署場景和假設

關于網絡控制的直放站，業內針對其潛在部署場景進行了詳細研究并確認其能夠靈活適用于FR1/FR2頻點下的室內外和室外覆蓋室內（out2oor to in2oor，O2I）場景。在后續研究評估中，考慮場景的典型性，會優先考慮FR2 頻段，以及室外和O2I場景。與此同時，考慮直放站以輕量化協議棧為主要設計目標，因此重點關注單跳固定網絡控制直放站部署方式。

此外，考慮目前5G網絡建設和商用化日趨成熟，為了兼容網絡現有終端，因此確定網絡控制直放站相關的增強需對終端透明。在該假設下，作為對現有無線覆蓋的拓展，直放站的部署和使用由運營商主導，通過與現有基站的耦合部署能夠提供有效的網絡性能增強，并能有效規避由第三方影響（如終端控制直放站模式）導致的網絡擁塞的現象。

2 網絡控制信息

2.1 網絡側控制信息

網絡側控制信息主要指網絡通過圖 2所示控制鏈路向所關聯直放站傳輸的用于控制直放站運行配置的波束信息、定時信息、TDD上下行配置信息、開關信息、功控信息。

（1）波束信息

多天線技術對無線通信網絡的性能提升具有重大的作用，尤其是5G通信系統設計時，針對中高頻通信的特點，創新性地引入了模擬波束成形和波束管理技術。該技術能夠使傳統通信鏈路在目標方向獲得最大的天線和波束成形增益，并通過空間濾波特性降低干擾。直放站服務－干擾示意圖如圖 3所示，傳統射頻直放站在多天線配置僅能基于網絡勘測規劃等方式對目標區域實現固定方向或者全向覆蓋，提升盲點覆蓋但易對其他用戶產生干擾。

圖3 直放站服務—干擾示意圖

在網絡控制直放站研究中，進一步引入波束指示信息，以實現針對圖 2所示各鏈路（如轉發鏈路）最佳波束的指示。通過初步的仿真驗證，該特征的引入能夠進一步強化直放站部署對網絡性能的改善。

（2）定時信息

傳統的設備在通過無線方式接入網絡時，需要通過接收檢測同步信號等方式完成系統同步和定時信息獲取。對網絡控制直放站，除了為保障控制鏈路正常運行（如直放站接入、控制信息接收和上行反饋等）外，也需要研究是否需要額外基站指示信息以完成轉發鏈路的正常維護和運行。

（3）TDD上下行配置信息

TDD上下行配置信息主要指示網絡中所使用的幀結構信息，如上行、下行以及靈活幀的配置。圖1（b）中，在TDD系統中，為了準確完成基站－終端數據的雙向轉發，直放站系統必須能夠準確獲知網絡TDD上下行配置信息。在傳統的網絡（如4G）實現中，該項配置一般固定不變，在相應的直放站使用中，通過部署時預設置方式對該配置信息進行固化。在5G系統中，引入了對于該配置信息的指示更新機制，因此需要研究相應的機制保證直放站的適配使用，但該機制的必要性主要取決于現網中是否會使用動態TDD的配置特征。不同時變等級的更新方案也會對直放站本身的實現復雜度產生影響，在方案設計時需要綜合考慮。

（4）開關和功控信息

圖3中，傳統射頻直放站在完成網規部署時無法根據目標服務區域內的用戶業務、信道變化等對自身狀態完成調整，可能引起不必要的干擾。本文針對網絡控制直放站，討論使能/關閉直放站的轉發功能或功率水平的機制，以便降低由直放站部署而引入的干擾。

從直放站應用角度來看，開關和功控信息可以是控制一個或多個網絡控制直放站的指示，也可以是對一個直放站的某一個或多個鏈路的控制。例如，為了避免對用戶設備的干擾，又不想影響用戶設備到基站的信號強度，僅對轉發鏈路3進行關閉或降低功率，保持轉發鏈路2和鏈路4的開啟和功控狀態。需要強調的是，由于網絡控制直放站采用透明轉發工作模式，通過轉發鏈路傳遞的數據（如物理信道）對網絡控制直放站均是不可見的，因此為了完成針對轉發信道的功率調整，現有協議中針對物理信道的功控機制需要增強。

2.2 信令承載

在網絡控制直放站系統中，對傳輸網絡控制信息的信令承載設計主要依照直放站與基站交互功能的定義完成圖2所示的控制鏈路的協議棧設計。在現有5G通信系統中，為了完成基站與用戶間的數據傳輸，需要支持用戶面和控制面的完整協議棧（包括無線資源控制（ra2io resource control，RRC）、介質訪問控制（me2ium access control，MAC）和物理層（physical layer，PHY）協議）。對直放站系統而言，考慮其場景應用的靈活度（如單跳固定部署）、鏈路信道特征和業務數據量等特征，并參考內部控制單元實現的復雜度，其所需的信令配置設計存在進一步簡化的空間。當圖2所示的直放站內部控制單元僅具有有限通信功能，在信令承載設計時，可以側重于采用O&M （operation an2 management） 完成特定信息的預配置（如配置特定資源位置），或者簡化現有配置信令架構（如裁剪冗余配置參數和功能）等。

3 直放站管理

在現有網絡中，考慮接入網絡中的節點所具備的功能，以及其對無線電接入網（ra2io access network，RAN）側調度和核心網功能的影響，需要采用不同程度的管理（包含識別和鑒權）。網絡控制直放站除了具備傳統直放站的轉發功能外，還引入了與基站交互的功能，進而使能網絡對直放站的控制。本文對網絡控制直放站的管理過程進行研究。

3.1 直放站識別

由于網絡控制直放站與傳統用戶具有不同的調度需求，以及直放站引入對正常終端調度存在潛在影響，因此在RAN側（即基站側）需要完成對直放站的識別。除了基于實現的方式外，考慮直放站可能采用現有初始接入過程完成網絡接入，對直放站的識別可以在該過程完成，以降低RAN側對直放站的響應時延。例如，隨機接入機制流程如圖 4所示，通過四步隨機接入和兩步隨機接入過程完成RAN側識別。

圖4 隨機接入機制流程

具體來看，四步隨機接入過程的步驟1通過特定配置給網絡控制直放站的隨機接入時機和/或前導碼，由基站識別接入的設備是否為網絡控制直放站。步驟3通過特定設計用于網絡控制直放站的消息3的內容，使基站識別接入設備。對于兩步隨機接入過程，可以在步驟1中通過基站接收特定前導碼和識別信息，完成RAN側對直放站的識別。

同時，由于直放站對基站－用戶雙向數據的采用透明化轉發，并且直放站本身對網絡側收費等功能均無額外影響，因此不需要在核心網側進行識別。

3.2 直放站鑒權

傳統的網絡節點，如IAB、中繼等，需要支持靈活的拓撲調整（支持多跳和移動性）以及對所傳輸的數據完成不同層級的解調處理，因此需要在核心網側實現深度識別和鑒權過程。對直放站系統，考慮其有限的功能，與傳統直放站類似，并不存在安全問題，所以不需要支持接入網級別的鑒權過程，相應的識別和鑒權功能均可以在RAN側實現。

4 仿真與分析

引入網絡側控制信息后，新型直放站系統有望克服傳統直放站部署引起的局部網絡干擾惡化現象，進一步提升網絡總體性能。本節在典型蜂窩網絡部署模型下，對波束信息的作用進行分析。

4.1 仿真假設和布局

仿真布局示例如圖5所示，為了在如圖5（a）所示的典型蜂窩網絡中驗證引入網絡控制直放站的性能，本文仿真中除了原有基站層，還引入了如圖 5（b）所示的直放站。其中，直放站建模由兩個背靠背面板組成，分別模擬對基站側的單元（虛線表示該單元法線方向）和用于服務用戶的單元（實線表示該單元法線方向）。仿真中，直放站在各服務扇區中均勻分布，傳統射頻直放站在面向終端側采用固定方向波束，而網絡控制直放站，可以基于基站控制靈活改變其所使用的波束，采用與基站相同方式，對每個用戶使用基于波束訓練后的服務波束。系統仿真假設見表 1。

4.2 仿真結果及分析

基于前文所述仿真配置，本文評估了直放站部署不同密度的網絡性能。下行SINR CDF分布如圖 6所示，相比于僅含有宏基站的部署，在引入傳統射頻直放站和網絡控制直放站后，網絡側的信干燥比（signal to interference an2 noise ratio，SINR）性能均有提升（尤其是在低SINR和中SINR區域），隨著直放站數目增加，該增益進一步擴大。該結果表明，在5G系統尤其高頻應用下，直放站系統能夠有效彌補網絡覆蓋空洞。

圖5 仿真布局示例

圖6 下行SINR CDF分布

表1 系統仿真假設

進一步，對比基于傳統直放站與網絡控制直放站的結果可以看到，隨著引入基站指示的波束信息，網絡側的SINR性能得到明顯提升，其增益值最大可提升1.2倍。與此同時，可以看到在高SINR區域，隨著直放站數目的增強，傳統直放站系統的服務鏈路由于采用固定波束方向，在對本小區用戶進行服務的同時，容易對該波束覆蓋范圍內位于其他小區中心的用戶產生干擾，使部分高SINR用戶性能惡化。在網絡控制直放站下，通過對本小區目標終端服務側波束的調整，可以有效抑制波束指向不匹配以及旁瓣泄露等因素造成的干擾惡化，有效地保障網絡性能。

5 結束語

本文介紹了在5G 演進中引入的網絡控制直放站項目的研究內容和基本方向，并對使能網絡側指示波束信息的新型直放站性能進行了評估。結果表明，在5G部署下，直放站系統能夠有效提升現有的網絡性能，并且相較于傳統直放站，新型直放站能有效結合基站指示信息，針對性地優化轉發鏈路的傳輸，進一步提升接收信號質量并有效降低干擾。此外，基于本文的成果和經驗，將為后續演進方向的智能超表面（reconfigurable intelligent surface，RIS）的研究和標準化提供基礎，更好地發揮智能超表面的優勢[21-25]。