NR集成接入和回程技术3GPP标准演进*

张会丽

（重庆信息通信研究院，重庆 401336）

0 引言

旨在实现未来蜂窝网络部署方案和应用的潜在技术之一是对无线回程和中继链路的支持，从而可以灵活且非常密集地部署新无线（New Radio，NR）小区，而无需按比例缩小传输网络的密度。

由于与长期演进（Long Time evolution，LTE）网络相比NR 具有更大的可用带宽，再加上在NR中大规模部署了天线阵列或多波束系统，为开发和部署集成接入和回程链路提供了机会。通过在为用户设备（User Equipment，UE）提供接入而定义的许多控制和数据信道/过程的基础上，可以允许以更集成的方式部署自回程NR 小区的密集网络。图1 为具有集成接入和回程链路的网络示例图（图形来源RP-170831[1]），其中中继节点可以在时间、频率或空间中多路复用接入和回程链路。所谓集成接入和回程（Integrated Access &Backhaul，IAB）经由无线回传来取代光纤前传/回传构成无线网状网回传拓扑，从而避免挖沟架线辛苦地铺设光纤，使得基站布置变得简洁，降低成本。

图1 集成接入和回程链路

IAB 是Rel-16 重点演进技术方向之一，旨在通过NR 回程链路对NR 接入流量进行无线带内和带外中继。尽管带外中继的有效支持对于某些NR部署方案非常重要，但了解与在相同频率上运行的接入链路之间的互通更加紧密的带内操作的需求至关重要，以适应双工限制和避免/缓解干扰。此外，运行在毫米波频谱中的NR 系统面临着一些独特的挑战，其中包括基于目前标准体系的无线资源控制切换机制无法轻松缓解遇到严重的短期阻塞问题。为克服5G 毫米波系统中的短期阻塞问题，需要在传输点之间进行基于无线接入网的快速切换机制，且不一定需要核心网的参与。为减轻对毫米波频谱中NR 操作的短期阻塞需求，以及对更容易部署自回传的NR 小区的期望，引起业界开发允许快速切换接入和回传链路的集成框架的需求，3GPP 不同工作组从诸多方面持续推进IAB 技术的演进。

1 3GPP RAN 工作组IAB 研究进展

IAB 优势在网络部署和初始网络成长阶段至关重要。为了充分利用IAB 优势，在推出NR 时需使用IAB。RAN 工作组选择的IAB 体系结构支持SA 和双连接操作模式，即IAB 节点和由IAB 节点服务的UE 可能会连接到5G 核心网（5 Generation Core，5GC）或演进分组核心网（Evolved Packet Core，EPC），具体取决于部署选项，因此应该同时增强5GC 和EPC，以支持IAB 操作。

IAB 使用5G R15 中定义的集中单元（Centralized Uni，CU）/分布单元（Distributed Unit，DU）体系结构。Rel-15 UE 将IAB 节点视为普通下一代节点B（next Generation Node B，gNB），并可以通过IAB 节点透明连接到网络。每个中继节点（称为IAB 节点）由gNB-DU 功能和UE 功能（称为IAB 节点移动终端（Mobile Terminal，MT））组成。IAB 节点gNBDU 负责提供对其他UE 和子IAB 节点的NR 访问，而IAB 节点MT 等效于UE，并重用Rel-15 UE 规程连接到父IAB 节点。IAB 节点（gNB-DU 部分）由IAB 施主通过RAN3 对CU/DU 体系结构定义的F1 接口控制。

2017 年3 月，3GPP RAN 工作组在第75 次RAN 全会通过由AT&T、Qualcomm、Samsung 以及KDDI 联合提出的面向NR 的IAB 研究立项，即RP-170831[1]，着手开始进行识别和评估在NR 中支持无线回程/中继的解决方案，包括确定IAB 体系结构候选对象（TR 38.874[2]中的体系结构1a）、集成接入和回程的L2 设计以及对NR 物理层规范的增强，以满足集成回程和接入链路高效运行的要求。为继续深入研究IAB，持续致力于IAB 标准化的进度更新，3GPP RAN 工作组陆续发布更新版立项提案。具体地，2017 年9 月第77 次RAN 全会通过RP-171880，2017 年9 月第77 次RAN 全会通过RP-172290，2018 年6 月第80 次RAN 全会通过RP-181349，2018 年12 月第82 次RAN 全会通过RP-182882，2019 年3 月第83 次RAN 全会通过RP-190712，2019 年6 月第84 次RAN 全会通过RP-191558，2019 年9 月第85 次RAN 全会通过RP-192188，2019 年12 月第86 次RAN 全会通过RP-193226 和RP-193251，2020 年3 月第87-e 次RAN 全会通过RP-200084，2020 年6 月第88-e 次RAN 全会通过RP-200840 和RP-201293，2020 年9 月第89-e 次RAN 全会通过RP-201756[3]，2020年12 月第90-e 次RAN 全会通过RP-202342/RP-202343/RP-202344/RP-202382/RP-202420。综合上述对RAN 全会关于IAB 提案的更新统计可知，IAB技术和规范得到持续深入研究，并取得了一系列规范成果。

RAN 工作组的主要研究内容涉及以下方面。

（1）遵循体系结构1a 的IAB 节点的规范：IAB 节点上的路由功能可支持基于路由标识符跨多跳拓扑进行转发；信令的逐跳传播以支持低等待时间调度和跨多跳拓扑的资源协调；承载到回程无线链路控制（Backhaul Radio Link Control，BH RLC）信道的UE 承载以及入口和出口BH RLC 信道之间的映射功能。

（2）遵循架构1a 增强了gNB 功能，以用作IAB 锚点：gNB CU-CP 上用于拓扑、路由和资源管理的功能；支持到IAB 节点的IP 可路有性；gNB DU 上的承载映射功能，用于将一个或多个UE 承载的下行链路业务映射到BH RLC 信道。

（3）IAB 节点集成和拓扑调整程序的规范，包括独立组网和非独立组网模式的IAB 节点集成的过程，如非独立组网模式的演进的UMTS 陆地无线接入网（Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network，E-UTRAN）的增强；在同一个IAB 锚点下进行IAB 节点迁移的规范，其中IAB 节点的迁移可以由网络控制，也可以归因于回程无线链路失败；支持路由冗余和基于多连接性的路由选择。

（4）L2 无线传输增强功能的规范：在RLC 层之上指定适配层，适配层支持跨无线回程和IP 的路由作为下一个协议层；扩展LCID 空间以及潜在的LCG 空间，以支持UE 承载到BH RLC 信道的一对一映射；规范处理拥塞的流量控制机制；规范在逐跳ARQ 中实现无损传递的机制。

（5）L2 传输和资源管理的信令规范，包括针对以下方面的无线链路控制（Radio Resource Control，RRC）和F1-AP 程序和消息的规范：IAB节点的设置和发布；在IAB 节点和IAB 锚点DU 上配置适配层；无线链路控制信道的配置；服务质质量信息和路由表的配置；网络同步方式的配置；在回程和访问链路之间共享时域资源的配置；针对IAB 节点的IP 地址分配机制的规范；承载上下文建立/释放过程增强功能的规范，以支持跨多跳的流QoS；对上行链路资源请求过程和相关信令进行增强的规范，以实现低延迟的上行链路数据调度；回程无线链路失败（Backhaul Radio Link Failure，BH RLF）处理规范。

（6）物理层规范，具体包括：由IAB 节点假设的NR 初始访问的同步信息块周期性规范；回程随机接入信道（Random Access Channel，RACH）资源的RACH 时机和周期扩展规范；规范回程和访问链路之间的资源复用机制，包括在时分复用操作受半双工约束的情况下为IAB 节点/IAB 锚点DU 资源指定半静态配置；DU 子链接的时间资源类型规范，对子IAB 节点DU 的软资源可用性进行动态指示规范。

（7）射频（Radio Frequency，RF）和无线资源管理（Radio Resource Management，RRM）要求规范，包括：定义IAB 节点的回程和接入链路的RF 要求；为IAB 节点的回程和访问链路定义RRM核心要求；定义在父回程链路（即MT）和子回程/接入链路（即DU）之间进行通信切换的等待时间要求；定义IAB 特定网络同步的时间要求。

2 3GPP SA 工作组研究进展

3GPP 系统架构（System Architecture，SA）工作组陆续启动有关IAB 的专门研究项目，以解决安全方面的问题。

3GPP 工作组SA1 已经在标准TS 22.261[4]建立了无线自回传的服务要求，具体包括：①5G 网络将使运营商能够使用NR 和LTE 支持无线自回程；②5G 网络应支持室内和室外场景的灵活高效无线自回传；③5G 网络应支持在接入和回程功能之间灵活分配无线资源；④5G 网络应支持接入和无线自回传功能的自主配置；⑤5G 网络应支持多跳无线自回传；⑥5G 网络应支持对无线自回传网络拓扑的自主适应，以最大程度减少服务中断；⑦5G网络应支持无线自回程上的拓扑冗余连接。

2019 年9 月，3GPP SA 工作组在第85 次SA全会通过由Samsung、Qualcomm、Sprint 以及Nokia等13 家企业联合提出的SP-190902[5]提案，即New WID Security for NR Integrated Access and Backhaul。SA2 工作项旨在为EPC 和5GC 引入体系结构和系统级别的增强功能，主要聚焦有关IAB 体系结构的安全性方面的规范性工作以及相关无线回程链路的保护，提供与安全和隐私相关的规范，以支持NR基站的无线回传。SA2 研究规范成果主要聚焦于两个方面。一方面，TS 33.501 中的更新，以修改5G系统安全体系结构和过程。支持NR 的集成访问和回程的安全性。另一方面，TS 33.401 中的更新，以修改演进分组架构安全体系结构和过程，在双连接的情况下支持集成访问和回程的安全性。

2019 年9 月，3GPP SA 工作组在第85 次SA全会通过由Qualcomm、AT&T、Ericsson、Nokia 以及Samsung 等17 家企业联合提出的SP-190627[6]提案，即New WID:Architecture enhancement for the support of IAB，并于2019 年12 月完成该项目组在23.501、23.502 和23.401 的全部IAB 研究内容。SA3 工作组旨在介绍体系结构和系统级别的增强功能，以支持IAB。基于RAN 工作组的NR_IAB 工作项确定的核心网络影响，具体研究内容包括：提供IAB 体系结构及其与5G 系统结构和LTE 系统结构集成的系统级描述；向核心网提供IAB 节点能力指示支持；提供对IAB 节点的操作授权的支持和对5G 接入网或LTE 接入网的相应信令。SA3 研究规范成果主要聚焦于TS 23.501 中的IAB 体系结构和操作原理的一般阐述和TS 23.502 中的增强/更新现有程序以支持IAB。其中，后者主要包括IAB 节点MT 注册程序、向核心网CN 指示IAB 的能力、授权IAB 节点的操作、向5G 接入网指示“IAB 授权”以及IAB 的订阅数据。

为持续跟踪IAB 的标准演进技术，SA 全会陆续更新立项提案，在SA3 工作组于2019 年3 月提出的提案SP-190106 基础上，3GPP SA 工作组于2020 年12 月在第90E 次SA 全会通过SP-201016，预计于2021 年6 月第92 次SA 全会完成相关工作。该研究立项的目的在于开发解决方案，研究适用于基于NR_IAB 上的RAN Rel-16 和NR_IAB_enh 上的RAN Rel-17 各相关立项指定的新IAB 体系结构的潜在安全威胁和漏洞，并确定潜在的安全要求，为通过IAB 节点连接到NR 的UE 提供安全连接。

3 结语

本文重点介绍了R16 版本的IAB 技术标准演进路线，并针对3GPP RAN 和SA 工作组的立项研究内容进行详细阐述。5G 技术路线图正在蓬勃发展，增强版本持续发力，其中5G R17正在如火如荼开展，持续推进5G NR 网络和设备的发展和扩张。IAB 作为提高频率资源利用率和网络可靠性的关键技术，研究前景广阔。3GPP 工作组将会围绕IAB 技术解锁更多新功能，实现更高效的网络密度，减少回程成本。