5G小基站协议栈软件技术研究

5G 小基站协议栈软件技术研究
孙磊1，谢圣东2，任冶冰2，董江波2，缪庆兵1
(1 中国移动通信集团云南有限公司，昆明 650228；2 中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080)
摘　要　随着5G时代的到来，小基站凭借其组网灵活和建设成本低等优势，会逐渐普及应用。

协议栈软件是5G小基站
的核心软件部分，本文对5G小基站的协议栈软件相关技术进行了探讨，介绍了5G网络架构，对协议栈组成和软件架构进行了分析研究。

关键词　5G小基站；协议栈软件；软件架构
中图分类号 TN929.5 文献标识码 A 文章编号 1008-5599（2020）04-0077-05
收稿日期：2020-03-18
5G 移动通信技术致力于实现一个万物互联的全连接时代，被称为是“面向2020年的新一代移动通信系统”。

为了将用户体验做到极致，5G 峰值速率预计提高到10 Gbit/s，是现有LTE 速率的近100倍。

5G 也将致力于更加先进技术的开发，提高频谱效率，缩短通信时延，可以支持更加多样化的业务。

未来的5G 网络需要通过一张网络向客户提供eMBB、uRLLC 和mMTC 三大类业务。

统计表明，目前的4G 移动网络中，超过70%的业务发生在室内场景。

伴随5G 业务种类持续增多和行业边界不断扩展，室内移动网络覆盖将更加重要，是运营商在5G 时代的核心竞争力之一。

在4G 移动网络搭建中，小基站开始逐渐崭露头角，它的信号覆盖范围相比传统宏基站要小很多，并主要运用在4G 流量需求特别高的室内区域用于数据分流，以提升用户体验。

而在5G 时代，随着信号频率的进一步提高，借助于自身在发射功率、部署方式和覆盖范围等方面的优势，5G 小基站将
发挥更大作用。

本文介绍了5G 网络架构，着重研究了5G 小基站的软件协议栈相关内容，包括分析了4G 协议与5G 协议的区别、5G 协议栈组成，以及软件架构和关键技术等。

1 5G 网络架构
5G 网络架构包括5G 接入网和5G 核心网。

如图1所示，其中NG-RAN 代表5G 接入网，5GC 代表5G 核心网，NG-RAN 和5GC 之间的接口为NG 接口。

5G 接入网主要包含5G 基站和4G 基站两个节点，5G 核心网包括接入和移动管理功能、用户面管理功能和会话管理功能3个节点。

5G 接入网和5G 核心网的各网元功能如下。

5G 基站（gNode B）:为5G 网络用户提供NR 的用户平面和控制平面协议和功能。

4G 基站（NG-eNode B）：为4G 网络用户提供NR 的用户平面和控制平面的协议和功能。

其中gNode B
和gNode B之间、gNode B和NG-eNode B之间、NG-eNode B和gNode B之间的接口为Xn接口。

接入和移动管理功能（AMF）：主要负责访问和移动管理功能(控制面)。

用户面管理功能（UPF）：用于支持用户平面功能。

会话管理功能（SMF）：用于负责会话管理功能。

2 5G小基站的协议栈组成与架构
2.1 4G协议与5G协议的区别
5G协议与4G协议相比，5GC与NG-RAN之间
为NG接口协议，NG-RAN的水
平接口为Xn接口协议。

此外，增
加了NR多连接、SDAP、F1和
E1口等协议。

5G在空口协议和信
令方面都做了针对性、优化性和增
强性的设计，要求协议栈支持更加
灵活的带宽配置和帧结构配置，引
入了F1接口以支持gNode B-CU
和gNode B-DU分离架构，增加
了E1接口为gNode B-CU-CP和
gNode B-CU-UP之间的点对点
接口。

此外，5G添加了新的UE态
非激活态（RRC Inactive），用户面协议新增SDAP协议层。

2.2 5G NR协议栈组成
5G RAN需同时连接到EPC和5GC，支持NSA 和SA两种模式、基站的分布式部署和CU/DU分离。

5G NR协议栈分为控制面和用户面，由PHY、MAC、RLC、PDCP、RRC和SDAP等层组成，如图2所示。

NR用户面（UP）需支持5G QoS flow的实现、不同numerology业务流的复用、数据分组的预处理和快速分组组装；NR控制面（CP）支持BWP、新的RRC Inactive、基于点播的系统信息发送、基于区域的系统信息和RAN
切片。

图1 5G网络架构图
图2 5G用户面和控制面协议栈架构图
2.2.1 PHY
物理层（PHY）是任何一种无线通信技术的核心，5G新空口物理层的设计，遵循灵活性和可扩展性两个原则。

5G新空口物理层的关键技术包括调制方式、波形、灵活帧结构、参考信号设计、多天线传输和信道编码等。

（1）调制方式：现有4G LTE具有QPSK、16 QAM、64 QAM和256 QAM这4种调制方式，5G新空口也将支持。

此外，3GPP对5G新空口的上行调制新增了л/2-BPSK，以进一步降低峰均功率比。

由于5G新空口将可为范围很广的用例提供服务，因此新增1 024 QAM。

（2）波形：5G新空口的上行与下行方向均采取具有可扩展特性的循环前缀—正交频分复用（CP-OFDM）技术，这样上行与下行就有着相同的波形，从而就可简化5G新空口的整体设计。

（3）灵活帧结构：5G新空口帧结构的设计需要遵循以下3大原则：传输是自包含的、传输要在时域及频域得到良好的定义、避免跨槽以及跨不同传输方向的固定时序。

此外，5G新空口的帧结构也能容许进行快速HARQ。

（4）参考信号设计：与LTE中的相关设置相比，5G新空口的参考信号仅在需要时才传输，主要有解调参考信号（DMRS）、相位追踪参考信号（PTRS）、测量参考信号（SRS）和信道状态信息参考信号（CSI-RS）这4种5G新空口参考信号。

（5）多天线传输：根据不同的工作频段，5G新空口将采取不同的天线解决方案与技术。

对于较低频段，可采用少量或中度数量的有源天线（最高约32副发射天线）。

对于较高频段，可以在给定空间内部署大量的天线，从而可增大波束赋型以及MU-MIMO的能力。

（6）信道编码：5G新空口的数据信道采取低密度奇偶校验（LDPC）编码，控制信道采取极化编码。

2.2.2 MAC
5G NR MAC层为上层提供数据传输和无线资源分配服务，主要实现功能如下。

（1） 逻辑信道与传输信道之间的映射。

（2） 将来自一个或不同逻辑信道的MAC SDU复用到传输块（TB）上，以便传输到传输信道上的物理层。

（3）将来自传输信道上物理层传送的传输块以MAC SDU解复用到一个或不同的逻辑信道。

（4） 调度信息报告。

（5） HARQ纠错。

（6） 逻辑信道优先级。

与4G相比，5G的上行HARQ为异步方式，这样带来的变化如下。

（1） 调度时机更加灵活，尤其在TDD制式下，资源分配会更加灵活。

（2）数据缓存压力会加大，与LTE的上行同步HARQ不同，异步HARQ可能会有更长的重传间隔，这个时间内UE必须将未ACK的数据进行缓存，这样会导致缓存压力的增加。

（3） DCI0的变化。

在异步HARQ中，DCI0必须下发HARQ ID字段，来告诉UE重传调度的是哪个分组数据。

因此，在NR的DCI0_0和DCI0_1中均可以看到HARQ process number字段。

2.2.3 RLC
与LTE系统一样，5G NR RLC也包含透明模式（TM）、非确认模式（UM）和确认模式（AM）3种传输模式。

每个逻辑信道对应一种RLC配置，RLC配置和ARQ都不依赖于物理层子载波间隔、CP类型和TTI长度等。

SRB0承载、寻呼和系统信息广播采用TM传输模式，其它SRB承载采用AM传输模式，DRB承载可以采用AM或UM模式。

RLC层提供的服务和功能有上层PDU的传输、通过ARQ纠错（仅适用于AM数据传输）、RLC SDU 的分段和重组（仅用于UM和AM数据传输）、重新分割RLC SDU段（仅用于AM数据传输）、重复检测（仅适用于AM数据传输）、RLC SDU丢弃（仅适用于UM和AM数据传输）、RLC重建、协议错误检测（仅
适用于AM数据传输）。

2.2.4 PDCP
5G NR PDCP层引入了冗余传输功能（packet duplication），以支持uRLLC 业务的可靠性。

此外，其支持的服务和功能包括编号、头压缩和解压缩（ROHC 算法）、数据传输（用户平面或控制平面）、加密和解密、完整性保护和完整性验
证、重排序和重复检测、PDCP重建、PDCP SDU重传、PDCP SDU丢弃、PDCP PDU路由、PDCP PDU复制等。

2.2.5 RRC
5G NR中RRC的配置参数变得更加复杂，是为了更好地支持不同的使用场景，例如eMBB、eMTC 和uRLLC。

相较于4G LTE只有空闲态和连接态两种RRC状态，5G NR引入了一个新状态非激活态。

在非激活态下，RRC和NAS上下文仍部分保留在终端、基站和核心网中，此时终端状态几乎与RRC IDLE 状态相同，因此可更省电。

同时，还可快速从RRC Inactive状态转移到RRC Connected状态，减少信令数量，非常适合小分组发送的百万级大规模物联网业务和时延敏感的uRLLC业务。

5G NR RRC支持的功能有为NAS层提供连接管理和消息传递等服务，对接入网的底层协议实体提供参数配置的功能，负责UE移动性管理相关的测量和控制等功能。

2.2.6 SDAP
5G NR在用户面PDCP层上新增SDAP层，如图3所示。

SDAP子层是通过RRC信令来配置的，SDAP 子层负责将QoS流映射到对应的DRB上。

对于下行数据，一个或者多个QoS流可以映射到同一个DRB上。

对于上行数据，一个QoS流只能映射到一个DRB上。

SDAP子层支持如下功能。

（1）传输用户面数据。

（2）为上下行数据进行QoS Flow到DRB的映射。

（3）在上下行数据分组中标记QoS FLow ID。

（4）为上行SDAP数据进行反射QoS流到DRB的映射。

2.2.7 CU/DU分离
根据处理内容的实时性，5G RAN将BBU重构为CU/DU两个功能实体。

CU主要用于承载非实时的无线高层协议栈功能，也支持部分核心网功能下沉和MEC边缘应用业务的部署，实现资源的集中管理和协作控制等功能。

DU主要处理物理层功能和实时性需求高的2层功能。

同时，为了节省RRU与DU之间的传输资源，部分物理层功能也可下移至RRU实现。

采用CU/DU分离的架构，并结合不同的场景和传输网络特性，可以应对各种场景的需求。

CU/DU的逻辑分割方式有8种，如图4所示。

Option1～6为CU/DU的高层切分，R15阶段CU/ DU高层分割采用Option2，即将PDCP/RRC作为集中单元、RLC/MAC/PHY作为分布单元、Option7～8为DU/AAU的低层切分。

2.3 5G NR协议栈软件架构设计
根据协议标准要求，5G小基站可根据不同场景进行分布式或一体化部署，因此提出如下协议栈软件架构，以支持CU/DU分离，如图5所示。

其中，CU-CP
部图3 SDAP子层结构图
参考文献
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Research on the software technology of 5G small cell protocol stack
SUN Lei 1, XIE Sheng-dong 2, REN Ye-bing 2, DONG Jiang-bo 2, MIAO Qing-bing 1
(1 China Mobile Group Yunnan Co., Ltd., Kunming 650228, China; 2 China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)
Abstract With the coming of 5G era, small cell will gradually gain popularity due to its fl exible networking and
low construction cost. The protocol stack software is the core software part of the 5G small cell. This paper discusses the protocol stack software related technologies of the 5G small cell, introduces the 5G network architecture, and analyzes the composition and software architecture of the protocol stack.
Keywords 5G small cell; protocol stack software; software architecture
分包括NGAP、XnAP、RRC、E1AP、SON、OAM、RRM 和F1AP 等功能模块，CU-UP
部分包括Xn-U、PDCP、SDAP、NG-U、E1AP 和
F1-U 等功能模块，DU 部分包括F1AP、RLC、F1-U、OAM 和MAC 等功能模块，PHY 为L1协议栈模块。

图4 CU/DU切分选项图
图5 5G NR协议栈软件架构图
3 结束语
本文对5G 小基站的协议栈软件相关技术进行了研究，介绍了5G 网络架构，着重研究了5G 小基站的软件协议栈相关内容，包括分析了4G 协议与5G 协议功能特性的变化、5G 协议栈组成和软件架构等内容。