第 2 章 5G 系统的云无线接入网络
2.5 虚拟化C-RAN的概念证明验证
2.6 重新思考C-RAN的协议栈
在传统的基站中，系统软件架构的设计是基于供应商的传统专有平台，由数字信号 处理器（DSP，Digital Signal Processors）、专用集成电路（ASIC，Application-SpecificIntegrated Circuits）等组成，以满足以小区为中心的目的。对于 5G 中的 C-RAN，系统将 基于由标准化 IT 服务器、交换机、存储等组成的 COTS 平台进行操作。所有资源将在云 中，并根据用户需求进行分配。由于 COTS 平台和传统的 DSP 架构平台之间的区别，更 为重要的是以小区为中心和以用户为中心的设计原则的差异，需要重新考虑 C-RAN 中的 整个软件系统架构，以尽可能地利用云计算特征和 COTS 平台的能力。
2.6.1 动机
虽然传统 LTE 协议栈架构的框架很明确，但协议栈架构中的信令交互是复杂的。传 统的 LTE 协议栈架构无法支持高密度 5G 网络、大量用户和使用 5G 各种业务。我们需要 重新考虑 5G 时代的协议栈架构。协议栈架构应“以用户为中心”，提供灵活的空中接口， 降低无线资源控制（RRC，Radio Resource Control）信令传输的频率。同时，协议栈体系 结构应充分利用云计算能力。考虑到用户和小区的高密度、大数据，协议栈架构需要实 现空中接口资源的优化配置，例如，频域资源、时域资源和无线资源。
2.6.2 多级集中式和分布式协议栈
在传统的 LTE/LTE-A 中，通信网络的基本要素是管理无线资源和连接用户的“小区” 。 在如图 2.4 所示的传统 LTE 协议中，UE 上下文只能基于特定小区建立。在载波聚合（CA， Carrier Aggregation）的情况下，基于主小区（Pcell，Primary cell）而不是基于仅具有数 据发送/接收信道的次小区（Scell，Secondary cell）来建立 UE 上下文。在无线系统中， 小区之间的交互（例如切换）总是导致用户上下文的变化，因此改变的速率将在一定程 度上影响系统性能。例如，在小区切换过程中，小区之间的信令交互是较缓慢的，持续 时间在几秒甚至几分钟。在小区间干扰协调（ICIC，Intercell Interference Coordination） 的情况下，信令交互是半静态的。
在 5G 网络中，引入了 UCN 来解决数据流量爆炸性增长和部署基站密度增加的问题。 UCN 中的信令交互阻碍了控制平面/用户平面（CP/UP，Control Plane/User Plane）解耦。 此外，已经引入了诸如全双工和混合 PHY 的多种技术来增强空中接口的能力。实现这些 技术的关键要求之一是小区之间的交互应该以实时的方式发生，通常在传输时间间隔 （TTI，Transmission Time Interval）的级别上，这对于现有的以小区为中心的协议栈框架 是困难的。在传统架构下的信令交互太慢，难以满足 5G 的要求。
受此驱动，参考文献[2]提出有必要重新考虑满足 5G 需求的空中接口的协议栈。以 小区为中心的传统网络已经被证明是一种简单而实用的无线资源管理方法[13]。5G 空中接 口的协议栈应承载传统网络的优点，重新考虑满足 5G 网络的要求，并与传统网络协议栈 共存。
在本节中，我们介绍了 5G 空中接口的多级集中式和分布式（MCD，Multilevel Centralized and Distributed）协议栈的概念，其中，UE 独立进行决策。在我们的建议中， “UE”和“小区”（Cell）是通信网络的基本要素，小区成为专用的无线资源管理单元。
重新考虑的协议栈和传统的 LTE 协议栈之间的区别如图 2.4 所示。在传统的 LTE 协 议栈中，UE 的所有信令和上下文将所连接的小区视为唯一的密钥标签，例如，每个小区 的小区无线网络临时标识符（C-RNTI，Cell Radio Network Temporary Identifier）的范围 是 0～65 535[14]。数据资源承载（DRB，Data Resource Bearer）和信令资源承载（SRB， Signaling Resource Bearer）以及映射到 E-UTRAN 无线接入承载（E-RAB，E-UTRAN Radio Access Bearer）的过程都在一个小区的范围内分配和管理。对于 CA，UE 可以使用多个 小区的资源。然而，作为 LTE 协议栈的补充技术，CA 无法协助 LTE 网络解决 5G 的问 题。总之，以小区为关键标签，LTE 协议栈简化了网络无线资源管理的过程[15]。另外， 这样的协议栈增加了管理的复杂性，并导致 UE 移动性的较长延迟，这很难满足 5G 的 需要。
在 MCD 协议栈中，“UE”和“小区”一样成为基本要素。一方面，UE 负责管理所 有信息本身，包括 UE 上下文、从 DRB 和 SRB 到 E-RAB 的映射过程、信道质量和分配 给 UE 的专用无线资源等。另一方面，作为协议的另一个元素，小区管理未分配给任何用 户所有无线资源。如图 2.4 所示，小区管理模块管理小区，即小区根据小区管理器的分配 结果分配自己的无线资源。根据每个 UE 的具体要求，小区管理器向其分配具有所需无线 资源的相应小区，以满足 UE 的需求。分配给 UE 的无线资源成为用于管理无线资源的 UE 的特定属性。当传输过程结束时，UE 向小区返回无线资源。与传统协议栈相比，用 于资源分配的 MCD 协议栈是对 UE 属性的改变，其工作方式与 UE 上下文修改相同。当 无线资源发生变化时，这种操作可以避免对 DRB 和逻辑信道的改变。从宏观角度来看， 当 UE 移动性导致无线资源改变时，通过空中接口更快的无线资源部署来修改 UE 无线资 源特性，从而代替切换。使用 MCD 协议栈，预计无线资源进程可以以比传统系统更快的方式执行。
如图 2.5 所示，协议栈中的功能块可以分为两类：维护 UE 端的半连接和 UE 的实时 信道映射。
UE 的半连接重点在于逻辑信道、DRB/SRB 和 E-RAB 链路，以及指示 UE 的特定服 务类型（ToS，Type of Service）的链路。为了在混合 PHY 中实现具有特定 PHY 模式的 ToS 分解，这些链接以半静态的方式工作。当协议在 C-RAN 网络中运行时，这些链路仅 可以在建立、重新配置和删除模式下工作。当 UE 移动到另一个 C-RAN 的覆盖范围时， 通过重新定义切换信令来实现 UE 上下文的切换。以这种方式，使用半静态方式实现零切换，这对于具有高密度小区的场景是至关重要的。 
对于实时信道映射，逻辑信道到传输信道和传输信道到物理信道的映射是实时完成的[16]。UE 向 MAC 层提供参数，例如信道的质量、所占用的缓冲区、对 PHY 的请求以及所分配的无线资源特性。基于所有小区的可用无线资源和接收到的参数，MAC 层配置 小区及其无线资源作为 UE 的属性。以这种方式，逻辑信道首先匹配合适的小区，然后将传输信道映射到该小区中的物理信道。通过空中接口的实时修改而不是切换，UE 可以从 不同的小区接收数据。
在传统的 LTE 协议栈架构中，当 UE 跨越小区移动时，需要切换过程。然而，在 5G MAC 协议栈架构中，这种实时映射取代了切换过程。此外，仅当 UE 移动到另一个 C-RAN 时才发生 UE 模块的半静态连接切换。另外，通过降低切换的频率和复杂度，减少信号交 互延迟，同时提高可靠性，可以实现对空中接口的灵活控制。
捆绑/拆分“UE”和“小区”的 MCD 协议栈架构不仅保持了用于无线资源管理的传统 LTE 协议栈的优点，而且具有更大的灵活性和稳定性。一方面，通过快速 MAC 映射 完成 UE 与小区之间的映射，保证了 UE 的灵活性。另一方面，在上层协议中的链路上几 乎没有变化，这保证了小区的稳定性。
COTS 平台可能是实现 MCD 协议栈的好地点。COTS 平台被认为是实现未来 5G 网 络的重要平台，因为它们具有强大的计算能力和动态自适应硬件管理功能。从集中式和 分布式控制平面和用户平面的角度，MCD 协议栈重新设计协议栈的体系结构。使用 MCD， 在 RRC 中实现的传统资源管理功能可以进一步分为两部分。一些功能保留在 RRC 中， 而其他功能则进入 MAC 层。建议 RRC 管理低延迟要求的无线资源，MAC 层在 UE 级别 管理具有高延迟要求的无线资源。
MCD 采用分级集中式无线接入控制，实现接入点之间的快速/慢速资源调度、协调和 切换。它同时实现跨小区的空中接口的实时协作。集中式控制平面和用户平面都可以充 分利用云平台的计算能力。分布式控制平面根据网络负载动态调整，充分利用云平台硬 件资源的适应能力。当在协议栈的层之间传输大量数据时，分布式用户平面可以快速启 动不同的 I/O。MCD 协议栈从小区间 MAC 和高层协议分离 PHY 和小区内 MAC，并且 可以在加速器中实现 PHY 和小区内 MAC 的功能。
2.7 总 结
未来的 5G 网络应该是以用户为中心的，而不是传统的以小区为中心，以满足各种场景、应用和用户需求。为此，C-RAN 被视为关键的推动者。在本章中，介绍了 C-RAN 的主要优点、关键挑战和潜在的解决方案。
前传一直是 C-RAN 集中化的关键问题。当谈到 5G 时，问题会变得更加明显。为了 应对这一挑战，已经推出了称为下一代前传接口的新 FH 接口。NGFI 旨在解决传统 FH 接口的缺点，如低传输效率和低可扩展性，终旨在促进 C-RAN 的大规模部署以及支持 其他 5G 技术。实现 NGFI 的关键在于重新设计 BBU-RRH 功能拆分和 FH 数据的分组化。 已经开发的 NGFI 平台原型，使我们能够在未来试验关键的 NGFI 相关技术，包括频率和 时间同步以及第一层 PHY 卸载。
C-RAN 的终目标之一是通过实现虚拟化技术来实现资源云化。作为这一领域的先 驱，我们开发了具有增强的实时性能的优化虚拟化平台原型。我们已经证实了平台具有 支持可承受的传输延迟和抖动的无线服务的能力。此外，它为进一步研究奠定了基础并 提供指导。
协议栈重组是 C-RAN 支持 5G 的一个新的重要课题。在本章中，提出了多级集中式 和分布式（MCD）协议栈。对于 MCD，“UE”和“小区”都是通信网络的基本要素，小区成为专用无线资源管理要素。MCD 需要协议栈重新分配，并且提出协议栈中的功能块 可以分为两类：维护 UE 的半静态连接和 UE 的实时信道映射。预计 MCD 将加强多小区 协作和跨小区体验，并更好地支持 5G 密集网络部署。
第 3 章 云无线接入网络的前向回传感知设计
