未来无线接入网组件化探究和实践

赵 喆，王 菲，杨 立，谢 峰

(1.中兴通讯股份有限公司，广东 深圳 518057；2.移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室，广东 深圳 518057)

0 引言

5G-NR不仅在传统通信的基础上提供更高体验速率、更大带宽的体验，并且对物联和垂直行业进行赋能，实现更高连接、高度实时、高度精密以及高度安全[1]。未来通信在5G的基础上对连接进行进一步增强，实现全球无缝连接，包括空天地海的互联互通，通感算的一体化，以及系统架构对智能、安全等需求的原生支持。

接入网烟囱式的架构在设计之初只追求让用户更高效、便利的接入网络，并没有考虑用户服务的多样性、可扩展性和兼容性[1]，所以只支持相邻层的联系，缺乏整体内部的相互联系；在引入上述新功能就会比较困难，无法平滑承接核心网下沉下来的功能。

本文将系统地思考和阐述分析5G-NR烟囱式协议栈架构的问题，以及它将面临的一系列关键问题和技术挑战。这些关键问题以5G-NR当前系统功能的缺失不足和遗漏为出发点，逐步论证接入网架构应该如何发展解耦至简的设计原则[2]，以保证对未来新场景以及智慧/安全内生的支撑。列举未来可能需要支持的新功能、功能的拆分[3]、功能的多种编排方式，并结合过去和未来场景的一些例子，向读者全面并生动地呈现诸多未来系统架构的技术细节、增强建议以及机遇和挑战。

1 面向场景的组件编排

1.1 5G空口现有协议栈背景及发展

5G-NR空口抽象协议栈如图 1所示。Layer3、Layer2、Layer1分别为高层到底层，图中Layer2中功能4的虚线框表示该功能具备可编排能力：根据不同场景和业务类型的需求，控制面可对某些协议(子)功能进行选择或者关闭。例如无线链路控制层提供确认模式、非确认模式和透明模式3种可选的传输模式供不同的业务场景选择[4]。上述5G-NR的功能已经具备可编排的雏形，但是由于仅是对固定功能的编排，无法进行新功能的扩展，功能之间的交互也仅限于相邻层。随着未来通信时代全息通信、卫星互联网、感官互联网、智慧车联网等新型场景用例的兴起[5-6]，业态和新商业模式也将提出更多的技术要求，通感算智信的一体化成为未来网络的主导趋势[7]。现有协议栈模式较难满足未来诸多差异化场景和用例需求。

图1 现有协议栈设计

另外，当前标准复杂，系统内核沉重，导致新功能影响模块多，开发效率低下。垂直行业等特殊场景，研发需要耗费大量的人力通过从大版本拉分支的方式重开发，代价极高，所以新的协议架构设计势在必行。

基于上述问题，实现功能的组件化，对组件进行分类，并且扩展组件编排的方式，支持组件的灵活编排以及扩展，在轻量化开发的前提下满足未来场景的需求。

1.2 未来系统的协议栈组件和编排原则

系统逻辑架构是标准化的范畴，侧重网元与网元、功能与功能之间的接口定义和规范。业务架构则侧重于业务在具体场景中的部署应用。从极简去冗，绿色统一的设计角度考虑，新系统的业务架构应该与逻辑架构解耦，即用一套协议逻辑架构可满足所有的业务部署场景，以确定性的架构应对不确定性的业务需求；从系统价值的角度分析，系统架构设计的目标是业务、资源和能力都可运营，可管理，可控制，可价值变现，迎合各类市场的需求。

为了实现上述目标，将未来通信众多的系统功能根据用途拆分为通用化组件和场景组件[8]。其中通用化组件指功能的“根基”，为公共组件；场景组件指非通用的，但是适用于特殊场景的组件。在系统演进中，还会不断地增加契合新价值的组件，根据组件适合的框架，对众多组件进行更新编排，才可满足未来未来通信系统“高价值，极简，兼容”等原则[9]。

1.2.1 组件介绍

通用化组件[10]为当前无线空口协议栈包含的基本功能。通用化组件是大部分场景均需要使用的功能(例如物理层处理过程、接入功能等)。表1为通用性组件的内容[11-12]。

表1 通用性组件

下面从未来亟待解决的问题入手，分析系统需要引入的场景组件：

首先，人类社会将进入智能化时代。未来通信网络将与人工智能技术进行深度融合，智慧内生成为未来通信网络的重要特征已在业界形成共识[9]。

其次，“万务智联”为人类提供便利的同时，也给网络安全带来了极大的挑战。现有系统安全性主要依赖于位级加密技术和不同层级的安全协议。这些解决方案采用的都是“补丁式”的设计思想[13]。未来网络需要在设计之初就考虑安全在不同层级的标准化，保障用户身份认证、接入控制、网络通信和数据传输等层面的安全性。

再次，智能制造、智能交通、智慧能源、智慧医疗等新兴业务对未来网络提出了更高的要求，使得通信感知一体化成为未来网络的主导趋势之一[7]。感知将不只是通信网络的辅助工具，与AI和安全一样，成为未来网络系统的内生能力，所以在架构设计之初就需要考虑基于感知的功能。

最后，把性能、算力、可信、能耗等综合考虑，需要定义一个跨层跨域、端到端的广义QoS体系，对整体性能进行综合性的把控，使系统可以同时兼顾场景需求、KPI要求以及碳达峰的要求。

表2列出了面向未来潜在的场景新用例相关的新组件[8]，其他未列出的场景组件，后续也可按需添加进未来通信系统中[14]。

表2 场景组件

1.2.2 组件编排结构

基于上述新业务场景和编排原则，系统的阐述分析支持组件的编排模式。

图 2列出了3种组件的编排形式，一是使用当前系统的栈式串行结构，并在当前协议栈的基础上叠加新的功能和接口以支持新系统的要求(图a)； 二是使用总线式架构(图b)，提升接入网功能的多样性和开放性；三是引入并行可编排架构(图c)，去除协议栈固定层数固定功能的限制，实现协议栈层数和每层的功能可编排和功能的并行处理，相比栈式结构，更加满足用户的定制化需求。

(a) 栈式

第一种结构沿用栈式结构，固定的编排带来更低的时延，且前向兼容性强，但栈式结构的限制，支持新场景新需求时，可能引入过多的接口，效率降低；第二种总线式架构适合非实时的功能，可以添加场景相关功能，提供注册、查询和发现功能，运营商和垂直行业、用户、互联网的服务都可以进行注册，支持更加开放的生态并且易于扩展；第三种并行可编排架构根据需求选取需要的功能参与编排，协议栈的层数可变，组件间的处理顺序从单纯的串行改为串行加并行的处理，达到更高的效率和弹性。

以上3类架构各有优势，在进行功能编排时，可以根据不同需求，同时选用上述架构的一种或多种形成优势互补的综合架构。总线式架构为接入网赋予了IT行业服务化部署的能力，使接入网的功能更加易于扩展，并且组件之间的交互轨迹如同mesh一般，可以实现任意功能之间的交互。这种组件间的互动方式比栈式结构更加灵活，导致时延可能有所提升。栈式结构和并行可编排架构由于是层间交互，所以实时性较好，时延也相对低。在编排时，可以从时延，性能等不同维度进行考量，根据功能的特点和业务需求选取合适的编排架构，在引入新场景的同时也考虑了性能的指标，更贴近“万物智联”的愿景。

2 未来通信组件编排场景示例

本节根据1.2.1节组件介绍和1.2.2节组件编排方式，结合经典场景给出具体场景下的组件编排示例。

2.1 栈式编排

在eMBB(Enhanced Mobile Broadband)和URLLC(Ultra Reliable Low Latency Communication)协议差异不大的场景，推荐使用栈式编排叠加网络切片技术，网络切片是一种按需组网的方式，可以让运营商在统一的基础设施上分离出多个虚拟的网络，以适配各种各样类型的应用[15-16]。在需要兼容不同连接性指标(峰值速率、连接密度、时延/抖动移动能力、频谱效率等)的场景，使用现有切片技术既可以满足需求。

2.2 物联网编排

物联网是一种低功耗广域网技术，具有低成本、低功耗、强覆盖、大连接4大关键特点。对应的协议更加轻量化，所以在传统协议栈的RRC、RLC、MAC功能上做了很多简化[4,17-19]。

根据上述特征，为该类终端提供相较于更简洁通用的编排，在支持通用“内核”功能的前提下，进行功能的扩展[20]。对于仅有上行需求的终端，只提供上行微内核组件(例如通过无连接技术进行数据传输[21])；对于仅有下行传输需求的终端，只提供下行微内核组件(下行同步信号携带部分数据，终端通过搜索下行同步完成数据的接收)。此外，由于数据传输的简化，每层协议栈的数据封装也可以进行统一。

基于上述简化，协议栈可以进一步进行融合。如图 3所示，只定义两层功能，一层是负责数据传输的物理层(其中可以包含上行内核组件和下行内核组件)，另一层是负责管理功能的高层[20]。

图3 物联网编排示例

对协议有极简需求的场景，使用可编排架构对功能进行编排，设计更加简洁的协议栈以贴近用户需求。进一步分析该架构对于当前协议栈的影响，研究如何进行功能拆分以达到功能之间的低解耦，以及功能的可重用性。

2.3 感官互联网业务组件编排

感官互联网对于感知的需求提升，涉及的指标不仅包含连接指标(速率时延等)，还包括适应性指标，如智能等级、可信等级、安全等级、能耗等级等，所以组件的编排也会产生相应的变化。

图 4给出了感官互联网业务的网络架构，管理组件(网络大脑)、注册/发现组件、AI组件、感知收集组件、计算/数据组件、安全组件选用总线结构的进行编排，组件间通过总线结构相互访问和交互。组件的先后顺序变化不影响数据包处理的组件可进行并行化处理，其他实时性要求高且流程固定的功能，例如调度和物理层处理可以使用栈式协议栈。

图4 感官互联网业务功能编排示例

总线式编排可以更方便、更灵活的支持垂直行业的多样需求，下一步需要对技术细节做进一步的研究，例如控制面组件的拆分、接口的设计、接入网注册和发现细节流程性。由于其较大的颠覆性，也要重新梳理其对于通信产业的影响，例如基站重新部署的投资、供应链增多后性能的保证、组件化的处理效率等。

3 结束语

本文系统回顾了5G-NR系统空口协议栈架构。随着未来6G新场景、新业务、新服务的引入，未来移动新系统基于组件化、按需灵活编排架构的诉求将会越来越强。这可印证在未来新业务新场景爆发式涌现的情况下，无线接入网业务部署架构应与逻辑架构之间充分解耦的必要性和必然性。文中给出了3种典型的组件化编排架构：栈式架构(串行)、并行可编排架构和总线式架构。第一种栈式架构是使用最多的传统通信模型，第二种和第三种架构由于其扩展性和兼容性强，则是最适应未来系统组件化发展趋势的架构。这两种架构给未来通信产业带来划时代的意义，使未来通信系统内生地支持按需定制、柔性弹性、极简内核，从而可以使用最少的代价轻松满足多种场景需求。当然也将带来很大的挑战：① 可作为组件进行编排的功能筛选，首先考虑接入网高层功能的组件编排，底层MAC和PHY实时性要求高的功能可能并不适合组件化；② 组件化实现细节，例如：组件化的切分粒度、组件化的接口设计、跨组件模块或组件功能的管理和编排，以及组件化和实时性/高效性的平衡，这对用户极致的通信体验有特定的意义价值；③ 组件化对产业生态影响，正面影响是设备供应链的多元化、演进升级更独立，负面影响是接口标准化复杂、板间数据传递时延大、由接口暴露带来的核心算法暴露、异厂家对接测试难、性能故障定位难；④ 架构演进兼容性研究，由于其颠覆性，如何与原有系统共存将是一个需要持续探索的问题。

总之，无线接入网组件化研究是一种迎合未来应用需求的高价值技术，应用范围很广，未来需要针对组件化设计引入的一系列问题，不断地研究提升和优化。