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。endprint

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。endprint

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：

[1] 3GPP RP-170741. Way Forward on the overall 5G-NR eMBB workplan[S]. 2017.

[2] 3GPP TR 38.801 v14.0.0. Study on new radio access technology： Radio access architecture and interfaces[S]. 2017.

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[4] 3GPP TS 38.300 v2.0.0. NR； NR and NG-RAN Overall Description； Stage 2[S]. 2017.

[5] 3GPP TS 23.501 v1.6.0. System Architecture for the 5G System [S]. 2017.

[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.

[8] 3GPP TS 38.321 v2.0.0. NR； Medium Access Control （MAC） protocol specification[S]. 2017.

[9] 3GPP TS 38.201 v1.1.0. NR； Physical layer； General description[S]. 2017.

[10] 3GPP TR 38.816 v1.0.0. Study on CU-DU lower layer split for NR[S]. 2017.

[11] 3GPP TR 37.876 v1.0.0. Study on eNB（s） Architecture Evolution for E-UTRAN and NG-RAN[S]. 2017.

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[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.endprint