C-RAN环境下MBSFN网络切片的形成

曾菊玲 夏凌 解冰 张春雷

【摘  要】通过分析MBSFN系统结构，提出了C-RAN及CU/DU分离环境下的MBSFN网络切片架构，对切片的基础设施与虚拟网络划分、基于CU//DU分离的协议及信道划分、主要通信过程以及切片的功能实体和性能做了详细讨论。基于提出的CU-DU-RRU三层可重配切片架构，提出了一种低代价的基于距离的位置更新机制，将MCE控制的小区列表更新TAL转变为MCE辅助的RRU控制、基于距离测量的搜索和更新，克服了MCE完全控制导致的搜索次数和信令开销较大的缺点。建立MARKOV模型对机制进行了性能分析，仿真表明，在搜索次数和信令开销两方面均优于LTE中的TAL机制，进而说明所提出的MBSFN网络切片架构的合理性。

【关键词】C-RAN及CU/DU分离;MBSFN;网络切片;协议分割;基于距离的位置更新

By analyzing the MBSFN system structure， this paper proposes a three-layer reconfigurable architecture of MBSFN network slice in the C-RAN and CU/DU separation environment. The division between slice infrastructure and virtual network， the partition of CU/DU separation-based protocol and the allocation of logical channel， the main communication process， the functional entities and performance of slices are discussed in detail. Based on the CU-DU-RRU three-layer reconfigurable slice architecture in this paper， a low-cost distance-based location updating strategy is proposed. Searching user and updating location in this strategy is done by RRU and aided by MCE based on the distance changed from the cell listing， which avoid the more searching times and bigger overhead resulted by MCEs only finishing all that. The performance of this strategy is addressed based on MARKOV link. The simulation results shows that the mechanism is better than the time-based TAL mechanism in LTE，in searching times and signaling overheads.. This demonstrate the MBSFN slice framework in this paper is reasonable.

C-RAN and CU/DU sepration; MBSFN; network slice; protocol partition; distance-based location updation

0   引言

隨着5G的发展，流媒体业务以及面向物联网的订阅业务越来越多，基于应答确认式的点对点单播通信方式已经不能满足要求，以较少资源为大量具有相同需求的用户同时提供业务的高效MBMS（多媒体广播/组播业务）技术越来越得到重视[1]。

蜂窝移动通信中的MBMS最初由3GPP在R6、R7版本中提出。eMBMS（enhanced MBMS）在R9中正式提出，引入MCE、MBMS GW、BM_SC等新的网络功能实体以提供对eMBMS业务的支持。同时，在接入网中还定义了MBSFN（多播广播单频网）传输模式，MBSFN由于同时同频在多个小区进行MBMS业务的同步传输，不仅提高了系统频谱效率，而且能利用相邻小区干扰信号，产生分集效应和提高盲区覆盖率，得到了广泛研究。文献[2]、[3]研究了MBSFN的资源分配以及区域形成，文献[4]对基于MBSFN的集群通信系统业务连续性、移动性管理及越区切换进行了研究。但是，MBSFN的关键技术——动态区域策略在设备与管理固化耦合的传统网络中难以实现，大量的大范围间歇式业务所需的专网建设浪费资源、建设周期长等问题阻碍了MBSFN发展。基于虚拟资源的网络切片技术具有多租户、易订制、可编程性以及隔离性好等特点，不仅方便MBSFN快速实现和管理，而且能提供QoS保证，因此，切片是MBSFN较好的实现方式。

C-RAN由于具有集中、协作、无线云化和绿色节能等特点，是未来5G无线接入的主要架构，尤其是NFV和SDN技术的引入以及基带池BBU中CU/DU（Centralized Unit/Distributed Unit）的进一步分离，提升了对网络切片的支持能力。未来5G中，MBSFN业务将运行在C-RAN中，云平台以及CU/DU分离架构能够很好地支撑MBSFN网络切片。如何在C-RAN架构下定义MBSFN网络切片的架构、功能实体、通信方式、协议结构以及信道划分、部署MBMS业务，且与终端及核心网兼容，是C-RAN环境下实现MBSFN切片的挑战。

目前对C-RAN的研究主要在基带部分的负载均衡以及射频部分的无线协作[8]，对无线网络切片的研究目前主要集中在面向用户的核心网络切片，如文献[6]提出了面向CDN业务的网络切片，无线接入网络切片的研究则主要讨论一般性原则及虚拟功能链部署[7-8]，对于切片的形成研究较少，目前还没有面向承载的C-RAN架构下的MBSFN网络切片设计。因此，研究基于C-RAN的MBSFN网络切片形成具有重大意义。

MBSFN切片形成以后，MBMS业务通过CU-DU-RRU三层可重构功能链实现，QoS保证更容易实现，比如，通过功能链重配置，容易保证多播树的各枝QoS参数相等，协议迁移和功能重定义可减小时延等。切片中MBMS业务QoS性能的提高较好地证明了切片设计的合理性。

用户搜索和位置更新的有效性较大地影响了无线链路建立时延，能否利用网络切片的可重构特点，设计高效的位置更新策略是切片性能的体现。关于位置更新，GSM和UMTS采用静态位置更新方案，开销大，容易引起乒乓效应和信令拥塞。LTE采用基于跟踪区列表的动态更新方案（TAL）[9]，用户在TAL内部移动时无需更新，当进入一个新的TA时，更新TAL，常访问区列表可避免乒乓效应。但该机制是由MCE发起的，每一次搜索或更新都要通过MCE实现，开销和时延较大，难以满足MBMS业务快速跟踪用户的要求，在CU-DU-RRU三层可重构的MBSFN切片架构中，可以通过协议重构减小搜索次数和信令开销。

在位置更新策略中，位置管理是关键技术，有3种方案：基于时间的位置管理、基于运动的位置管理、基于距离的位置管理。在3种方式中，基于距离的位置管理方案优于其他2种[10]。MBSFN切片架构中较容易采用基于距离的位置管理策略。

综合上述因素，本文首先提出C-RAN及CU/DU分离环境下CU-DU-RRU三层可重配的MBSFN网络切片架构，详细讨论切片的基础设施与虚拟网络划分、基于CU/DU分离的协议及信道划分、主要通信过程以及切片的功能实体和性能。然后，基于本文所提架构，提出一种低代价的基于距离的位置更新机制，将MCE控制的小区列表更新改变为MCE辅助、RRU控制的距离测量的更新，建立MARKOV模型进行性能分析，并仿真验证其在搜索次数和信令开销两方面相比基于时间的TAL的优越性，进而说明本文所提MBSFN网络切片架构的合理性。

1    MBSFN系统结构及业务流程分析

1.1  MBSFN系统结构

讨论系统结构以确定网络切片的功能模块。图1为MBSFN系统结构，MBMS业务中心（BM-SC）提供用户业务接口，用以用户认证、承载业务初始化、调度及传输，MBMS（MBMS GW）网关处理从BM-SC到MBSFN区中所有参与eNodeB传输的多播IP包，MME处理会话控制信令，MCE处理MBSFN区中各小区的无线资源分配和设定传输参数（时间-频率资源和传输格式），可控制多个eNodeB，每个eNodeB处理一个或多个小区业务传输。图1中M1接口是E-MBMS网关和eNodeB之间的用户面接口，对于MBSFN多小区传输，使用SYNC协议来保证MBMS内容同步。M2接口是MCE和eNodeB之间的控制面接口，MCE通过该接口对eNodeB进行无线资源管理以及传递MBMS会话控制信令。M3接口是MCE和MME之间的接口，负责传递MBMS会话控制信令。

1.2  MBSFN信道结构及映射模式

讨论信道结构以确定C-RAN架构下CU/DU信道划分。MBMS具有逻辑信道MCCH、MSCH、MTCH、传输信道FACH、物理信道SCCPCH等，MCCH主要用以MBMS业务相关的公共控制信息，MSCH主要用以用户与网络的RRC连接状态或空闲状态下的下行MBMS业务调度，MTCH是MBMS业务信道，FACH是逻辑控制信道MCCH、MSCH、MTCH的传输信道，SCCPCH作为携带MTCH 或 MCCH 或 MSCH信息的FACH的物理信道。信道间的映射关系如图2所示：

1.3  MBSFN主要通信过程

讨论主要通信过程以确定C-RAN架构下CU/DU功能划分。MBFSN的主要通信过程包括计数、会话开始、会话结束、无线承载等过程。

（1）计数流程

MBMS计数过程如图3所示，用以完成单播或多播广播模式选择，由MCE完成，MCE向MBSFN中的用户发起计数请求，计数请求通过多播控制信道（MCCH）的扩展消息下发。MBSFN内正在接收该E-MBMS业务或对其感兴趣的用户UE将会通过RRC回复一个计数响应消息给MCE，完成计数统计功能，当計数值超过门限时，建立无线承载，开始MBMS业务，可以看到计数过程的控制面由MCCH完成，在用户面由FACH完成。其中的信道如图3中红色字体所示：

（2）会话开始流程

MBSFN的会话开始流程如图4所示，主要包括会话消息的传递以及无线承载的建立。会话开始信息依次经由MME、MCE和eNodeB最终到达用户，之后建立无线承载，进行MBMS数据传输。可以看到，会话请求信令依次在MCCH和专用信道上传输，Iu无线承载在专用信道上实现，Iub无线承载在FACH上进行。

2    C-RAN架构下MBSFN切片设计

2.1  基于C-RAN中心化管理的MBSFN切片基础

设施与虚拟网络划分C-RAN架构中，在无线接入网中采用了基带池BBU集中和射频RRU拉远技术，集中的BBU在通用处理器上以虚拟的计算资源处理基带信号，通过共享形成云资源池，构成MBMS业务的控制中心，采用虚拟网络形式比较合适。RRU根据MBMS业务的带宽、时延等请求，通过协作提供无线链路，分配无线资源，在专用设备上形成射频信号，最终实现MBMS业务，RRU要处理的是真实的模拟无线射频信号或部分基带信号，构成MBSFN切片的基础设施。

RRU与BBU的分割点如图5所示，有PHY2/PHY1/CPRI等，选取分割点要考虑的因素有经济、接口带宽、处理时延、协作性能等因素，一般来说，分割点越靠近RRU，除接口带宽外的性能越好，考虑到接口带宽=流量带宽+信令带宽，其中流量带宽与复用的天线数、信号带宽成比例增长，信令带宽与信令周期、复用路数成正比，随着分割点位置逐渐靠近射频端，复用路数增多，流量带宽和信令带宽都逐渐增大，从而端口带宽越来越大，为了折中，对于单播业务，大多建议采用PHY2作为分割点。但是，对于MBMS业务，分割点靠近RRU，不存在复用路数增多流量带宽增大的问题，又由于不存在交换信令，只有处理信令，对接口带宽影响可忽略，而且能够方便MBMS业务实现小区间分集增益和多区域协作，所以，选择CPRI接口作分割点比较合适。

2.2  基于CU/DU分离的MBFSN切片协议结构及信道划分

C-RAN在向5G演进过程中，在BBU中进一步引入了集中和分布单元CU/DU两级协议架构，逻辑架构如图6所示：

CU对上通过NG接口连接核心网，支持部分核心网功能下沉和边缘应用业务的部署，对下通过F1接口与DU相连。CU主要包含非实时性的无线高层协议栈功能，如RRC/PDCP等，其集中控制功能可支持多小区协作，进一步支持切片隔离控制;DU主要处理物理层功能和实时性需要的层2功能，支持差异化配置、空口资源的灵活调度和定制化的切片策略，实现虚拟网络向基础设施的功能映射。当传送网资源充足时，DU可集中化部署以实现物理层协作。协议栈在CU与DU间迁移如图7所示，可在PDCP与RLC之间、RLC与MAC之间、MAC与PHY之间、PHY内部进行多种切分，各划分所对应的CU功能逐渐增强，DU功能逐渐减弱。

如图7所示CU/DU的8种分割点，后4种为地分割，本文在DU与RRU的接口中考虑。

考虑接口带宽需求，接口带宽=流量带宽+信令带宽，在BBU内，流量带宽随着协议层数增加，头部数据增大，分割点越靠近RRU，流量带宽需求越大。但对于MBMS业务来说，多播特性导致流量本身不大，又由于没有ARQ、HARQ等过程，头部增加并不明显，而信令带宽的增加一般都被忽略，因此，可以选得更靠近RRU的分割点。

考虑功能需求，Option1为PDCP-RLC，虽然所需带宽较少，但终结了集中控制，RLC/MAC/PHY都位于远端RRU中，且需要在RRU内部调度，与当前完全集成化的基站差别不大，因此，一般不被考虑。            Option2与Option3是单播常选的分割点，选择Option2主要是其与LTE兼容，但随着独立组网的出现，显然已没有竞争力。选择OptionN3主要是将ARQ放在CU，具有集中化和池化增益，DU中没有RLC信息，可以减小缓存，处理更多UE。而对于MBMS业務，不仅没有RLC要完成的ARQ，也没有MAC完成的HARQ，为了更有利CoMP及联合处理，MAC可以全部划入CU。但是，考虑到MBSFN中，既需要多区域的同步等控制协调，也需要小区间协调，前者主要在逻辑信道上通过公用广播信道等实现，后者则需要根据物理信道的测量和上报信息，因此，分割点选择为Option5，如图7中红线所示，MAC分为2部分，多区域公共控制部分划入CU，需要根据信道状态实时调整的部分划归DU，接口为F1。具体地，MBSFN中多区域共用一个PDCP＼RLC实体，PDCP＼RLC具有公共控制效应，划归CU;MAC信令中的一部分被用于多区域协调与RLC交互，具有公共控制效应，划归CU，MAC信令中的剩余部分被用做实时性差异化的空口控制或与PHY交互，在业务信道上对物理信道的信号进行分集合并，具有小区间协调效应，划归DU。

当MAC作为CU/DU分界面时，MAC的部分信令实现业务控制，部分信令控制业务传输。分析前面图3、图4所示MBSFN会话开始及计数过程，结合图2的MBFSN的信道结构与映射，可以发现，若将图3、图4中所示红色虚线框部分划归CU，且将MBMS的控制信道MCCH/MSCH以及BCCH/PCCH/CCCH等控制信道划归CU，DCCH/DTCH、MTCH/FACH划归DU，如表1所示，则CU只需保留控制面，不须对数据面操作。CU部分包含了小区、小区群RNC以及主控RNC，构成以逻辑信道为基础的虚拟网络，便以MBSFN区域内小区间协作，均衡小区间控制负载，减小MBSFN的通信时延。DU通过MTCH、DTCH＼FACH实现高速传输，在CU的控制下实现高速数据传输及业务负载均衡。

CU/DU分离使得无线接入网能够根据MBMS业务需求灵活布置硬件、协调性能和负荷管理，实现可重构并支持NFV/SDN，形成网络切片架构。

2.3  C-RAN环境下的MBSFN切片架构

C-RAN环境下的MBSFN切片架构如图8所示。面向承载的MBSFN切片的创立者是来自MBMS-GW的IP多播业务请求，通过M3接口创立或撤销MBSFN切片，进行切片生命周期管理。

协调服务器：MME及MCE是切片的协调器，与BBU的CU和DU在控制信道上通信，建立小区间协作，处理MBSFN区中各虚拟小区的无线资源分配和设定传输参数及MBSFN模式或单播模式，管理MBSFN的NFV，其中CU/DU的协议分割如图7所示，信道划分如表1所示：

编排服务器：编排器负责接收MBMS业务，创立、修改和删除MBSFN切片，当新的切片实例化时，创立或更新协调器，因此，编排器由MME、MCE以及BBU的DU中负责FACH向物理信道映射的功能部件构成。

基础物理设施：基站的射频远端RRH是基础物理设施。编排器通过FACH信道向物理信道映射实现虚拟网络向基础设施的映射。

切片的主要通信过程如图9所示，通过CU/DU/RRU划分，通信过程的信令在不同部分完成，在F1接口、CPRI接口能够形成重定向，实现各部分的灵活匹配。

2.4  MBSFN切片性能分析

切片与核心网络或终端兼容性：图6与图1对比，MBSFN切片与核心网的接口仍然是M1，负责MBMS会话管理，接口信令保持不变，故切片与核心网的兼容关系保持不变。切片内部，MME与MCE的接口仍为M2，协议、信令都不发生变化，故切片与用户端的兼容关系也保持不变，因此，MBSFN切片兼容核心网和用户终端，能够快速、及时布网。

切片QoS性能提高：网络切片虽然与原MBSFN的实体完全相同，与基站的接口仍然是M3，但是协议结构和信道结构发生了变化，能较大地提高切片QoS性能。

功能链部署可保证多播树的各枝具有相同的QoS。对比图7和图5可知，随着切片中CU/DU分离，信道已经分层（表1），CU主要实现MBFSN业务的无线控制，DU主要实现MBFSN业务的业务传输，RRU主要实现射频覆盖。MBMS业务通过CU-DU-RRU三层或者虚拟网络-基础物理设施两层可重构映射实现，在三个层面自适应选取相应的功能部件进行组合，可满足不同的MBMS业务比特率、时延等要求，特别是保证多播树的各枝具有相同的QoS，如图7中的红色虚线所示，小区i的MBMS业务既可以通过CS1-DS1-RRUi的功能链实现，也采用CS2-DS2-RRUi，满足不同要求。

协议迁移和功能重定义可简化通信过程，减小时延。图6所示的协议结构以及表1所示信道劃分，DU及RRU协议已经精简，考虑到MBMS业务通过CU-DU-RRU三层可重构功能链实现，将某些功能定义在DU或RRU中，则可减小开销和时延。图3表明，计数过程较大的时延影响了MBMS业务无线承载建立，而在计数过程中，搜索用户或位置更新的时延占较大比重。在MBFSN切片中由于多小区共用CU/DU，位置区域包括CU中所有协作的小区，而RRU只覆盖特定小区，因此，通过协议分割和功能重定义，将位置更新在CU中完成，用户搜索在RRU中完成，且采用性能更优的基于距离的算法，则通信过程将极大简化，从算法和信令流两方面降低位置更新代价和信令开销，如图9表示的MBSFN中会话开始及无线承载建立流程。

3  C-RAN环境下，一种适用于MBSFN切片的位置更新策略

GSM和UMTS采用静态位置更新方案，开销大，容易引起乒乓效应和信令拥塞。LTE采用基于跟踪区列表的动态更新方案（TAL），用户在TAL内部移动时无需更新，当进入一个新的TA时更新TAL，该机制采用常访问区列表法避免乒乓效应。但该机制是由MCE发起的，每一次搜索或更新都要通过MCE实现，也就是要经过CU-DU-RRU层才能完成，开销较大。在本文定义的MBSFN切片可重构架构中，可以分别由CU和RRU完成更新和搜索过程，减小开销和时延。

在位置更新策略中，位置管理是关键技术，有基于时间、基于运动、基于距离3种方案。在这3种方案中，除了穿越位置区边界需要进行一次位置更新，分别当流逝的时间、穿越的小区数、或穿越的距离（以小区为单位）达到某一阈值时，也需要进行一次位置更新。有文献表明，在三种方式中，基于距离的位置管理方案优于其他2种。LTE中采用了基于时间的位置管理和基于TAL的位置更新结合的机制。在本文的MBSFN切片架构中，可采用基于距离的位置更新策略。

3.1  基于距离的MBSFN切片的位置更新策略

综合上述因素，本文提出一种C-RAN环境下，基于距离的MBSFN切片的位置更新策略。如图10所示，策略以TAL机制为基础，由协调服务器MCE辅助、RRU发起完成。在MBMS业务会话建立阶段，通过CU-DU-RU三层映射，MCE将RRC＼PDCP协议的用户部分驻留在RRU中，并将MCE控制的所有协作小区在TAL中列出，同时将TAL中的最远距离D通知RRU。RRU搜索用户时，首先找到用户最后一次被报告的小区，如果当前没有找到用户，则从j=1开始搜索相邻的i±j， j=1，2，…， N/2，相应的距离记为d，d+1…，当距离为D-1时，则启动位置更新。假定更新和搜索开始于时隙起点，如果某用户在同一时隙要同时进行搜索和更新，则优先更新。

由图9可见，在上述搜索和更新策略中，当TAL转变为最大距离后，搜索仅由RRU向用户发起完成，只有当距离达到最大，位置更新时，才需要与MCE交互，相比传统LTE每次搜索都须与MCE交互，减小了信令开销，减小了时延。

3.2  策略性能分析

为了简化分析，本文只考虑一维运动。考虑一个环形蜂窝系统，如图11所示：

蜂窝i与蜂窝i+1为相邻蜂窝，蜂窝i中的移动用户只能移动到蜂窝i+1、蜂窝i-1或停留在蜂窝i中，假定时间时隙化，用户每时隙最多只能移动一次，移动方向满足独立同分布的统计规律，用户从蜂窝i移动到蜂窝i+1、蜂窝i-1的概率为p，停留在蜂窝i的概率为1-2p，令Y（t）表示用户当前所在的蜂窝与最后报告位置的蜂窝间距离，{Y（t），t=0，1，2…}是一个Markov链，令Y（t）的静态分布概率为：

可见，更新次数由参数p和D确定，p反映了用户移动速度，当用户移动速度增大时，p也随着增大，由式（7）可知，位置更新次数也增大，能够很好地跟踪用户，当路由区域D增大时，位置更新次数会降低，搜索次数仅由D确定，当D>1时，搜索次数会随着D的增大而增大，如果规定D为CU中协作小区即MBSFN的总半径，则式（7）、（8）恰好作为MBSFN切片中移动用户的位置更新策略。

此为定值，不能很好地反应用户移动状况，当用户静止或移动较慢时，会造成不必要的开销，当用户移动较快时，则不能跟踪用户位置。

3.2  信令开销

假定更新和搜索开始于时隙起点，如果某用户在同一时隙要同时进行搜索和更新，则优先更新，假定用户在小区间的移动开始于更新或搜索进行之后，任何移动的结束恰好在时隙结束点。

比较式（15）、（16），可以看出，MBSFN中每次搜索的信令开销都更小。因此，在相同搜索次数和更新次数下，MBSFN网络切片中，基于距离的位置更新比LTE中周期性位置更新信令开销更小。

4   仿真

对基于距离的位置更新和基于时间的位置更新两种策略的有效性作了比较，根据式（7）、（8）、（9）、（10），得出如图12的性能比较（概率p=0.05），可以看出，在不同运动概率下，当更新速率相同时，基于距离的更新策略的用户搜索次数小于基于时间的更新策略，再比较式（14）、（16）的信令开销，可以说明，本文提出的基于距离的更新策略优于基于时间的更新策略。

5   结论

本文提出了C-RAN及CU/DU分离环境下的MBSFN网络切片架构，并详细讨论了基础设施与虚拟网络划分、CU/DU分离的协议及信道划分、主要通信过程以及功能实体和性能，基于本文的CU-DU-RRU三层可重构架构，提出了一种低代价的MCE辅助、RRU控制的基于距离的位置更新机制，建立MARKOV模型机制进行了性能分析，仿真表明该机制在搜索次数和信令开销两方面均优于LTE中基于时间的TAL机制，说明本文提出的MBSFN网络切片架构是合理的。下一步将进一步研究MBSFN切片的虚拟功能链部署。

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