3GPP 5G无线网络架构标准化进展

曹亘+吕婷+李轶群+冯毅



【摘 要】为了研究3GPP R15 5G无线网络架构标准化进展,重点介绍了5G网络架构设计、协议栈功能、CU/DU功能切分、多连接功能、RRC功能等技术研究和标准化工作,最后探讨了后续5G标准制定需关注的重点工作。
【关键词】5G无线网络架构;3GPP R15;5G网络演进
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次全会通过5G New Radio(NR),即5G新空口技术标准化时间表[1],如图1所示。按照3GPP RAN规划时间表,至2017年12月,3GPP将完成Non-Standalone(NSA) Option 3(包含支持低时延)架构的标准制定工作;于2018年3月完成NAS Option 3架构ASN.1标准冻结。其余NSA和Standalone(SA)架构将在2018年6月完成标准制定,ASN.1将于2018年9月全部冻结。
根据3GPP R15 Phase 1标准进展,本文从网络架构、协议栈功能、CU/DU功能切分、无线多连接功能、RRC功能等介绍现阶段R15标准主要工作及其进展。
2 NSA和SA网络架构概述
3GPP R14阶段在NR候选网络架构[2]课题已开展大量技术方案研究工作,其中网络架构主要按照4G和5G基站耦合方式,划分为Non-Standalone(NSA)紧耦合架构和Standalone独立架构两种架构。其中,NSA网络架构根据无线接入网演进需求,考虑连接EPC和5G核心网(5GC)两种场景(如图2所示)。连接EPC的NSA网络架构[3](图2左图)中,eNB之间、eNB与en-gNB之间为X2接口;而en-gNB之间仅有X2用户面(X2-U)接口。en-gNB基站的控制面由eNB处理,不能独立处理控制面相关功能,仅支持处理NR用户面数据。目前,3GPP以Option 3/3A/3X架构为R15阶段1的重点工作。连接5G核心网的NSA网络架构[4](图2右图)中,ng-eNB与gNB之间、gNB之间为Xn接口连接。gNB与gNB之间的Xn接口功能与网络架构类型相关(如Option 7/7A/7X和Option 4/4A)。
NSA组网方案基于LTE与NR紧耦合架构,3GPP重点关注Option 3/3A/3X(如图3所示)、Option 7/7A/7X(如图4所示)、Option 4/4A(如图5所示)三种网络架构方案。核心网与无线侧主基站(MN, Master Node)之间存在唯一的控制面连接,而核心网可以与辅基站(SN, Second Node)建立用户面连接,如eNB/ng-eNB基站或gNB/en-gNB基站。在双连接模式下,LTE基站或NR基站中只有一个基站为主基站,另一个基站为辅基站。主基站与核心网之间存在控制面连接,具备完整的协议栈功能。辅基站只有用户面数据转发、处理等功能,用户面相关的控制信令需要经过主基站与核心网进行通信。
Standalone(SA)独立组网架构,5G网络是一张独立于4G网络的全新网络。3GPP只讨论2种SA网络架构Opion 2(图6左图)与Option 5(图6右图)。在Option 2架构中,gNB只连接5G核心网(5GC)。而Opiton 5架构中,eLTE eNB只连接至5GC,eLTE eNB是指支持5G核心網并且具备E-UTRA空口能力的eNB基站。
3 无线协议架构概述
3GPP在R15第一阶段的标准制定工作,重点解决NR协议栈以及NSA网络架构的协议功能设计,其中控制面协议栈(图7左图)和用户面协议栈(图7右图)是两个重要的设计内容[3-4]。
3.1 控制面架构
NR控制面协议与LTE控制面协议栈架构基本一致,主要区别在于控制面连接的核心网网元为AMF,其中NAS控制协议相关功能参考文献[5],PDCP/RLC/MAC/PHY协议功能参考NR系列协议文献[6-9]。
为了支持NSA架构,控制面协议栈设计如图8所示,UE与核心网仅通过LTE或者NR保持RRC连接。例如Option 3/3A/3x架构,控制面是通过eNB RRC功能实现。但是eNB(图8中MeNB)和en-gNB(图8中SgNB)都有RRC实体单元。其中,en-gNB生成的RRC PDU通过eNB转发给UE;eNB必须通过SRB1消息转发Initial SN RRC配置消息,但是重配置消息可以由eNB或者en-gNB发送。eNB不能修改en-gNB生成的RRC消息。
若gNB/en-gNB作为辅助节点,UE会被配置建立SRB3(SRB3是EN-DC和NGEN-DC场景,en-gNB/gNB与UE之间直接建立的SRB类型),从而gNB/en-gNB可与UE之间发送RRC PDU。仅有RRC重配置信息可以由gNB/en-gNB发送给UE,在SRB3配置的前提下,移动性测量报告可以由UE直接发送给gNB/en-gNB。为了支持RRC PDU冗余传输,eNB可以从直传路径和gNB/en-gNB分流路径生成MCG Split SRB,现在3GPP标准还不支持SCG Split SRB技术方案。
3.2 用户面架构
与LTE用户面协议相比,NR用户面协议新增SDAP协议层,该层协议主要包括两个功能:Qos flow与数据无线承载的映射功能,上行/下行数据包Qos flow ID(QFI)标记。为了支持NSA架构,用户面功能设计需要考虑不同的网络架构。在MR-DC场景(MR-DC泛指E-UTRAN和NR DC组合,包括EN-DC、NGEN-DC和NE-DC三种),定义了终端需支持三种承载类型,分别是MCG承载、SCG承载和Split承载。Split承载可以是MCG Split承载,也可以是SCG Split承载。在EN-DC场景,如图9所示,网络侧为MCG配置E-UTRAN PDCP或者NR PDCP,但是NR PDCP只能用于配置SCG和Split承载。
在连接5GC的MR-DC场景仅有NR PDCP,不存在E-UTRAN PDCP协议层。在连接5GC的E-UTRAN和NR DC场景(即NGEN-DC,MN为ng-eNB,SN为gNB),E-UTRAN RLC/MAC用于MN,NR RLC/MAC用于SN。在NR和E-UTRAN DC场景(即NE-DC,MN为gNB,SN为ng-eNB),NR RLC/MAC用于MN而E-UTRAN RLC/MAC用于SN。
从网络侧角度看,由于各种承载(MCG、SCG和Split承载)都可终结于MN或SN,网络侧协议设计更加复杂。EN-DC场景存在三种类型承载(图10 (a));NGEN-DC、NE-DC场景存在三种类型承载(图10(b))。
4 5G gNB CU/DU功能切分架构
3GPP R14细致研究并比较各种NR RAN逻辑功能切分方案[2],其中包括高层切分方案(Option 1、Option 2和Option 3及其子方案)和低层切分方案(Option 4~8及其子方案)。R15基于Option 2(PDCP/RLC层切分)架構继续开展标准制定工作,同时,3GPP也开展基于低层Option 6/7/8功能切分的多种技术方案研究[10],以及在eNB/ng-eNB CU/DU高层切分技术方案研究[11]。
gNB CU/DU功能切分场景下,NG-RAN网络架构如图11所示。gNB可以由1个gNB-CU和多个gNB-DU组成,gNB之间通过Xn接口连接,gNB-CU和gNB-DU之间通过F1接口连接,gNB-DU可以连接一个或多个gNB-CU。
gNB-CU支持RRC、SDAP和PDCP协议栈功能(连接5GC场景),或者RRC和PDCP协议栈功能(连接EPC场景),gNB-CU可以管理一个或多个gNB-DU。gNB-DU支持RLC、MAC和PHY协议栈功能。按照3GPP协议规定,gNB-DU只能支持一个逻辑小区,暂不支持多个逻辑小区。
NG-RAN网络架构中,NG[12]、Xn[13]和F1[14]接口功能对比如表1所示。NG接口是5GC与NG-RAN之间接口,但过载功能和AMF负载功能还未完成。Xn接口为NG-RAN水平接口,Xn接口功能(与X2接口功能类似)基本制定完成。F1接口为gNB CU/DU功能切分架构下gNB-CU和gNB-DU之间的逻辑接口,目前F1接口规范支持的功能最少,后续仍需要大量标准化工作以支持异厂家设备的互通性。
gNB-CU和gNB-DU分离架构,CU和DU功能切分按照F1接口功能进行相关技术方案设计。3GPP制定F1接口功能(如表2所示)。目前,根据3GPP标准进展,初步划分gNB-CU和gNB-DU需支持的功能,如表3所示。由于3GPP技术规范制定进度有差异,虽然gNB-CU或gNB-DU可支持某些功能,但不表示标准已完全支持该功能。3GPP标准支持intra-gNB-CU场景下inter-/intra-DU移动性功能,以及EN-DC场景下inter-gNB-DU MCG SRB/SCG SRB移动性功能的标准。
5 Multi-Connectivity标准进展
多连接(Multi-Connectivity)流程主要参考LTE双连接(DC)相应流程[16],标准[3]已制定EN-DC和连接5GC MR-DC两类场景,支持如下功能流程:
(1)Secondary Node Addition;
(2)Secondary Node Modification(MN/SN发起);
(3)Secondary Node Release (MN/SN发起);
(4)Secondary Node Change (MN/SN发起);
(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。
连接5GC场景的MR-DC场景(NGEN-DC和NE-DC场景)也需要定义上述流程,3GPP将于2018年6月最终制定完成。
6 RRC功能
目前,3GPP R15协议对MR-DC场景下,RRC相关功能已基本完成。主要功能如下[3]:
(1)系统信息:MR-DC场景,SN只广播无线帧定时和SFN信息。MN通过特定的RRC信令为UE配置初始接入信息,包括无线帧定时信息等。
(2)测量:支持SN添加/更改、intra-SN移动等场景,MN或SN为UE配置RRC测量信息。在EN-DC场景,eNB需要根据NR RRC编码测量配置信息。
(3)终端能力协同:SN RRC重配置信息封装在MN RRC消息,MN和SN采用NR PDCP配置。
(4)SRB3:SN可建立SRB3,使用NR-DCCH逻辑信道传输。SRB3传输的RRC PDU采用NR PDCP加密和完整性保护;但采用E-UTRAN MCG SRB传输的NR SCG RRC消息采用E-UTRA MCG SRB加密。
(5)Split SRB:Split SRB支持SRB1和SRB2。Split SRB传输RRC PDU采用NR PDCP协议加密和完整性保护。MN和SN都可配置Split SRB,UE可同时配置Split SRB和SRB3。SRB3和SCG Split SRB可独立配置。Split SRB可独立选择下行传输路径,UE也可通过MN RRC信令确定上行MCG路径或/和SCG路径。
(6)SCG/MCG失败处理:MCG和SCG处理无线链路失败(RLF)采用不同的方案。MCG RLF发生后,UE在MN(即DC架构的Pcell)发起RRC连接重建立流程。EN-DC和NGEN-DC场景下,SCG失败需支持四种场景:SCG RLF、SN修改失败、SRB3传输的SCG配置失败和SCG RRC完整性检验失败。
(7)UE标识:MR-DC场景,UE独立分配两个C-RNTI,一个用于MCG,另一个用于SCG。
7 5G标准化工作总结及展望
3GPP RAN于2017年12月RAN#78次全会正式宣布完成R15阶段1-NSA Option 3/3A/3X协议标准制定,2018年3月按计划将冻结R15阶段1 ASN.1。本文总结了R15协议中NSA Option 3/3A/3X,完成了网络架构、协议栈功能、接口等相关标准,以及gNB CU/DU功能分离架构。但是,3GPP还需要继续完善L1/L2协议设计以及相关流程和信息设计。展望R15后续工作,3GPP在R15时间表需要完成SA组网场景的Option 2和Option 5架构;NSA组网场景的Option 4/4x、Option 7/7A/7x等架构的标准制定工作。
3GPP 5G标准制定也需要考虑同步推进终端设计和核心网标准工作。在5G终端指标方面,需要解决LTE和NR部署频段潜在的干扰问题、终端发射功率对上行覆盖影响等问题。而在5G核心网标准方面,仍需加快5GC功能制定,支持与4G、3G等系统间互操作等功能。
隨着国内5G商用步伐日趋加快,3GPP R15系列标准的冻结(2018年9月)必将加快5G试商用/商用部署节奏,运营商、主设备厂家、终端厂家等产业链合作伙伴需要通力协作,密切配合,加快国内5G网络建设步伐,以早日实现5G网络商用部署。
参考文献:
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[6] 3GPP TS 38.323 v2.0.0. NR; Packet Data Convergence Protocol (PDCP) specification[S]. 2017.
[7] 3GPP TS 38.322 v2.0.0 NR; Radio Link Control (RLC) protocol specification[S]. 2017.
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[14] 3GPP TS 38.470 v1.0.0. NG-RAN; F1 general aspects and principles[S]. 2017.
[15] 3GPP TS 38.425 v1.0.0. NG-RAN; Xn interface user plane protocol[S]. 2017.
[16] 3GPP TS 36.300 v14.4.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); Overall description; Stage 2[S]. 2017.
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