Сеть радиодоступа 5G, часть 1

Архитектура базовых станций gNB

Базовые станции gNB, о которых пойдет речь в настоящем разделе, формируют сеть радиодоступа мобильной связи 5-го поколения (NR Radio Access). Если вернуться на 20 лет назад, в эпоху бурного строительства сетей 2-го поколения (2G-GSM), то мы увидим, что конструктивно каждая БС представляла собой большой железный шкаф, высотой 1,5-2 метра, установленный в кондиционированном помещении "на земле" (выгородке технического этажа, либо металлическом контейнере). От базовой станции к антеннам, размещенным башнях, столбах и т.д. прокладывались радиочастотные фидеры (сечением 7/8 дюйма или больше – в зависимости от протяженности трассы).

Около 10 лет назад производители начали выпуск так называемых распределенных базовых станций, на основе которых в настоящее время построены сети мобильной связи 2G-GSM, 3G-UMTS и 4G-LTE большинства операторов связи. Такая базовая станция включает в себя базовый блок (или BBU – Baseband Unit), по-прежнему размещаемый "на земле", и несколько радиомодулей (или RRU), размещаемых вблизи антенн сотовой связи. BBU и RRU связаны между собой оптическим кабелем, поверх которого реализуется интерфейс CPRI (Common Public Radio Interface). Радиомодуль осуществляет аналого-цифровое / цифро-аналоговое преобразование, усиление и фильтрацию сигнала, формирование радиочастотного тракта. Весь стек протоколов взаимодействия базовой станции с пользовательским терминалом и базовой станции с ядром сети, а также алгоритмы обработки сигналов реализуются базовым блоком (BBU). BBU по сути представляет собой небольшой сервер, высотой 2-3 юнита, который может быть установлен либо в телекоммуникационной стойке (если существует какое-либо выделенное помещение), либо в климатическом шкафу на крыше здания, либо непосредственно на столбе/радиомачте для BBU внешнего (outdoor) исполнения.

Следующим шагом развития архитектуры построения базовых станций стала концепция облачных BBU или "Cloud BBU", которая заключалась в отказе от локальных BBU, размещаемых непосредственно на объектах БС, и перенос их функциональности на виртуализированные ресурсы мощных серверов, размещаемых в центрах обработки данных (ЦОД). Данная концепция за счет централизации ресурсов и эффекта "масштаба" позволяет повысить надежность и емкость базовых станций, одновременно снизив затраты на их эксплуатацию. Однако она не нашла существенного применения из-за высоких требований к характеристикам CPRI каналов:

допустимая задержка (RTT) – 5мкс;
допустимый уровень битовых ошибок – 10-12;
стабильность частоты – 0.002ppm
пропускная способность для 4G-LTE в полосе 20МГц в зависимости от кол-ва потоков – до 10G (в этом случае требования к пропускной способности CPRI для сетей 5G в полосе 400МГц могут вырасти до 400G).

Архитектура базовых станций gNB сети мобильной связи 5-го поколения, предлагаемая 3GPP, представляет собой дальнейшее развитие идеологии распределенных базовых станций и "Cloud BBU". gNB включает в себя центральный модуль gNB-CU (gNB Central Unit) и один или несколько распределенных модулей gNB-DUs (gNB Distributed Unit). 3GPP (рекомендация TR 38.801 V14.0.0) определяет 8 возможных опций разделения функций между CU и DU – см. Рис. 1. При этом опция 8 соответствует классической (существующей) схеме построения распределенной базовой станции.

Рис.1

Основные функции, реализуемые на тех или иных уровнях, описаны ниже.

Рекомендация 3GPP TS 38.401 V15.0.0 определяет архитектуру построения базовой станции, основанную на 2-ой опции разделения функций. В этом случае RRC и PDCP реализуются в центральном модуле (gNB-CU), а RLC, MAC и физический уровень – в распределенном (gNB-DU). Взаимодействие между gNB-CU и gNB-DU осуществляться по интерфейсу F1.

Предположу, что производители будут проектировать базовые станции, вводя дополнительные плоскости разделения, выделяя радиоблок из распределенного модуля посредством интерфейса F2 (в соответствии с опцией 7), а также разнося PDCP уровня пользовательского трафика и уровня управления – см. Рис. 2.

Рис.2

Ожидается, что интерфейсы F1 и F2 будут стандартизованы 3GPP, что позволит использовать gNB-CU и gNB-DU от разных вендоров.

Интерфейсы базовых станций gNB

3GPP определяет следующие интерфейсы gNB:

N2 – интерфейс плоскости управления между gNB и модулем управления доступом и мобильностью ядра сети 5GC (AMF). Является развитием интерфейса S1-C сетей 4G-LTE.
N3 – интерфейс плоскости пользовательского трафика между gNB и модулем передачи пользовательского трафика ядра сети 5GC (UPF). Является развитием интерфейса S1-U сетей 4G-LTE.
Xn – интерфейс между базовыми станциями gNB.
X2 – интерфейс между gNB и eNB сети LTE.

Стек протоколов сети радиодоступа

Структуры стека протоколов сети радиодоступа плоскости пользовательского трафика (User Plane) и плоскости управления (Control Plane) показаны на Рис. 3 и Рис. 4 соответственно.

Рис. 3 (user plane)

Рис. 4 (control plane)

Кратко перечислим основные функции, реализуемые на различных уровнях:

1. RRC (Radio Resource Control) – протокол управления радиоресурсами.

Основные функции, реализуемые на уровне RRC:

передача системной информации;
управление RRC соединением (RRC connection control);
управление механизмами межтехнологической мобильности (inter-RAT mobility);
настройка измерений (measurement) и отчетности (reporting);
передача сообщений сигнального трафика, не относящегося к радиосоединению (NAS – Non Access Stratum).

Ключевые изменения по сравнению с уровнем RRC интерфейса S1 сетей LTE связаны с введением нового RRC состояния (RRC INACTIVE), призванного минимизировать сигнальный обмен для отдельных классов постоянно подключенных к сети устройств, а также с реализацией механизма передачи части системной информации (SIB3..n) не в широковещательных, а в выделенных каналах конкретным устройствам.

2. SDAP (Service Data Adaptation Protocol) – является новым уровнем, впервые введенном в 15-ом релизе 3GPP. Реализуется в рамках интерфейса NG-U сетей, построенных на базе ядра NGCN при взаимодействии с базовыми станциями не только сетей радиодоступа NR (gNb), но и E-UTRAN (ng-eNb).

Обеспечивает реализацию фреймворка архитектуры управления качеством (QoS), включая:

маркировку восходящих и нисходящих пакетов данных соответствующими параметрами QFI (QoS Flow ID);
маппинг между потоками данных с соответствующими параметрами QoS и виртуальными каналами (DRB – data radio bearer).

При этом на стороне пользовательского терминала (UE) в UL канале возможны две схемы маппинга – явная, при которой пакеты маршрутизируются в тот или иной виртуальный канал (DRB) на основании QFI, либо зеркальная, при которой UE осуществляет маппинг UL пакетов по результатам анализа параметров соответствующих пакетов DK канала.

3. PDCP (Packet Data Convergence Protocol)

Основные функции, реализуемые на уровне PDCP:

передача пользовательских данных и данных плоскости управления;
нумерация пакетов данных;
шифрование и контроль целостности данных;
восстановление порядка следования пакетов данных, удаление дубликатов;
дублирование пакетов данных с целью повышения надежности передачи;
маршрутизация пакетов "расщепленных" виртуальных каналов (split bearer) в режиме dual connectivity (только для пакетов пользовательских данных);
сжатие заголовков протоколов верхнего уровня в соответствии с методом ROHC – Robust Header Compression (только для пакетов пользовательских данных);
удаление пакетов данных по истечении таймера discardTimer (только для пакетов пользовательских данных).

Ключевые изменения по сравнению с уровнем PDCP интерфейса S1 сетей LTE заключаются в следующем:

перенос с уровня RLC на уровень PDCP функции восстановления порядка следования пакетов данных, что с одной стороны упрощает реализацию механизма расщепления виртуальных каналов (split bearer) в режиме Dual Connectivity с другой – позволяет на более ранней фазе выполнять операции дешифрования и контроля целостности поступающих из сети пакетов данных с нарушением последовательности, что в отдельных кейсах может уменьшить величину задержки;
реализация возможности дублирования данных на PDCP уровне в рамках концепции двойного подключения (Dual Connectivity).

4. RLC (Radio Link Control)

RLC может функционировать в одном из трех режимов:

прозрачный режим передачи (transparent mode, TM);
передача без подтверждения (unacknowledged mode, UM);
передача с подтверждением (acknoledged mode, AM).

Основные функции, реализуемые на уровне RLC:

передача пакетов, формируемых вышележащим уровнем (PDCP PDU);
независимая от уровня PDCP нумерация пакетов данных;
сегментация и де-сегментация пакетов данных (только в режимах AM и UM);
обнаружение и коррекция ошибок передачи RLC PDU методом автоматического запроса повторной передачи – ARQ (только в режиме AM);
обнаружение дублирующих RLC PDU (только в режиме AM);
удаление пакетов данных по запросу вышележащего PDCP уровня – RLC SDU discard (только в режимах AM и TM).

При этом функцию сегментации / де-сегментации условно относят к подуровню Low-RLC, остальные – к High-RLC.

5. MAC (Medium Access Control)

Основные функции, реализуемые на уровне MAC:

маппинг между логическими и транспортными каналами;
мультиплексирование MAC SDU, принадлежащих одному или нескольким логическим каналам, в транспортные блоки (TB), передаваемые на физический уровень;
демультиплексирование MAC-PDU, полученных в транспортных блоках от физического уровня,
динамическое распределение ресурсов с учетом приоритетов пользовательских терминалов (UE) и логических каналов, а также отчетов об интерференции – функции менеджера расписаний (scheduler);
обнаружение и коррекцию ошибок передачи MAC PDU методом гибридного автоматического запроса повторной передачи – HARQ.

При этом функцию, реализующую метод HARQ, условно относят к подуровню Low-MAC, остальные – к High-MAC.

6. Физический уровень
На физическом уровне выполняются функции, перечисленные в таблице ниже. При этом часть функций (в зависимости от опции разделения) условно относят к подуровню Low-PHY, остальные – к High-PHY.

Сценарии миграции от LTE к 5G

Наиболее востребованная операторами связи стратегия развертывания 5G будет видимо заключаться в длительном совместном существовании сетей 4-го и 5-го поколений при максимальном переиспользовании инфраструктуры, узлов и сетевых элементов. Это позволит операторам модернизировать свои сети не революционно, а поступательно (эволюционно), с одной стороны сохраняя инвестиции в строительство сетей LTE и широкую зону радиопокрытия сетей LTE, с другой - предоставлять клиентам новые, базирующиеся на 5G услуги в тех зонах, где эти услуги востребованы.

С целью реализации данной стратегии 3GPP предложил несколько возможных сценариев (или опций) внедрения 4G (LTE) и 5G (NR). Все опции разделены на две группы:

Standalone (SA) – предполагающие использование только одной технологии радиодоступа (LTE или NR – New Radio);
Non-Standalone (NSA) – использование и LTE и NR, что упрощает развертывание сетей 5G на начальном этапе.

Для развертывания 5G по сценарию Non-Standalone необходима модернизация базовых станций сети 4G-LTE до уровня eLTE (или enhanced LTE) с целью поддержки расширенного функционала взаимодействия с базовыми станциями 5G (gNb). Стандартизация данного сценария (в рамках релиза 15 3GPP) была завершена в январе 2018г.

Важным аспектом для реализации Non-Standalone опций является концепция двойного подключения (Dual Connectivity), специфицированная 3GPP в релизе 12, и подразумевающая подключение пользовательских терминалов (UE) в состоянии RRC_CONNECTED одновременно к двум базовым станциям (Master eNb и Secondary eNb). Ключевое отличие Dual Connectivity от агрегации частот заключается именно в подключении к двум различным базовым станциям, связанным посредством X2 интерфейса, и находящимся в общем случае на различных сайтах.

При этом возможны две схемы реализации:

split bearer – в этой схеме на PDCP уровне поток пользовательских данных (user plane) виртуального канала расщепляется на два подпотока в направлении Master eNb и Secondary eNb соответственно;
switch bearer – в этой схеме поток пользовательских данных (user plane) может коммутироваться либо в направлении Master eNb, либо в направлении Secondary eNb (без агрегации).

Реализация Non-Standalone накладывает дополнительные требования к сложности пользовательских терминалов (UE), включая обеспечение одновременной работы двух модемов, увеличенный размер буфера приема и дополнительная нагрузка на процессорные ресурсы уровня PDCP для восстановления порядка следования пакетов (в случае режима MCG split bearer). Также нужно отметить, что для опций 3, 4, 7, 8 вносится дополнительная задержка в передачу пакетов пользовательского трафика за счет использования интерфейса Xx.
Кратко рассмотрим все определенные 3GPP опции.

Option 1 – представляет собой реализацию классической выделенной сети LTE на базе ядра EPC и базовых станций eNb (в соответствии с 14-м или более ранними релизами 3GPP). Используется в географических зонах, где 5G сервисы не востребованы.

Option 5 – актуальна при новом строительстве выделенной сети LTE (greenfield) с возможностью последующей модернизации до комбинированной сети 5G/LTE (Option 4/4a). Используется ядро NGCN и модернизированные базовые станции сети радиодоступа E-UTRAN ng-eNb.

Option 2 – представляет собой целевую финальную архитектуру выделенной сети 5G сети на базе ядра сети NGCN и базовых станций gNb. Используется в географических зонах, где сети LTE отсутствуют и их строительство нецелесообразно.

Option 6 – может использоваться при строительстве выделенной сети 5G, но на базе существующего ядра сети LTE (EPC), например, при разворачивании тестовых зон, либо как промежуточный этап на пути к целевой архитектуре 5G в географических зонах, где сети LTE отсутствуют и их строительство нецелесообразно (Option 2).

Option 3/3a – актуальна на ранних этапах строительства 5G (в виде точечного радиопокрытия) в географических зонах, где уже развернуты сети 4G-LTE. Не требует внедрения ядра NGCN (используется ядро сети LTE – EPC). Базируется на технологии двойного подключения. В качестве интерфейса, связывающего сети радиодоступа E-UTRA/NR и EPC, и переносящего пользовательский (User Plane) и сигнальный (Control Plane) трафик используется S1. Якорной точкой для терминации S1-MME являются базовые станции сети радиодоступа E-UTRAN (eNb).

Option 8/8a – может использоваться как промежуточный этап на пути к целевой архитектуре 5G/LTE от Option 3/3a к Option 4/4a. В отличии от Option 3/3a якорной точкой для терминации S1-MME являются базовые станции сети радиодоступа NR (gNb).

Option 4/4a – представляет собой целевую финальную архитектуру комбинированной сети 5G/LTE. Используется технология двойного подключения. Требует внедрение ядра NGCN и модернизации базовых станций сети LTE до ng-eNb. Базируется на технологии двойного подключения. В качестве интерфейса, связывающего сети радиодоступа E-UTRA/NR и NGCN, и переносящего пользовательский (User Plane) и сигнальный (Control Plane) трафик используется NG. Якорной точкой для терминации NG-C являются базовые станции сети радиодоступа NR (gNb).

Option 7/7a – может использоваться как промежуточный этап на пути к целевой архитектуре 5G/LTE Option 4/4a, в отличии от которой якорной точкой для терминации NG-C являются базовые станции сети радиодоступа E-UTRAN (eNb).

Возможные сценарии внедрения сетей 5G показаны на Рис. 5.

Рис. 5

Option 1

используется ядро сети LTE (EPC);
пользовательский терминал (UE) имеет подключение только к сети радиодоступа E-UTRA.

Рис. 6

Option 2

используется ядро сети 5G (NGCN - NextGenCore);
пользовательский терминал (UE) имеет подключение только к сети радиодоступа 5G NR.

Рис. 7

Option 3

используется ядро сети LTE (EPC);
пользовательский терминал (UE) имеет двойное подключение к 5G NR и E-UTRA;
сигнальный трафик (Control Plane – CP) обрабатывается исключительно на eNb;
точкой расщепления пользовательского трафика (User Plane - UP split bearer) является eNb;
пользовательский трафик передается по двум маршрутам: EPCóeNbóUE и EPCóeNbógNbóUE;
интерфейс Xx используется для переноса трафика Control Plane и 5G User Plane.

Рис. 8

Option 3a

используется ядро сети LTE (EPC);
пользовательский терминал (UE) имеет двойное подключение к 5G NR и E-UTRA;
сигнальный трафик (Control Plane - CP) обрабатывается исключительно на eNb;
точкой расщепления пользовательского трафика (User Plane - UP split bearer) является EPC;
пользовательский трафик передается по двум маршрутам: EPCóeNbóUE и EPCógNbóUE;
интерфейс Xx используется для переноса трафика только Control Plane.

Рис. 9

Option 4

используется ядро сети 5G (NGCN);
пользовательский терминал (UE) имеет двойное подключение к 5G NR и E-UTRA;
сигнальный трафик (Control Plane - CP) обрабатывается исключительно на gNb;
точкой расщепления пользовательского трафика (User Plane - UP split bearer) является gNb;
пользовательский трафик передается по двум маршрутам: NGCNógNbóUE и NGCNógNbóeNbóUE;
интерфейс Xx используется для переноса трафика Control Plane и LTE User Plane.

Рис. 10

Option 4a

используется ядро сети 5G (NGCN);
пользовательский терминал (UE) имеет двойное подключение к 5G NR и E-UTRA;
сигнальный трафик (Control Plane - CP) обрабатывается исключительно на gNb;
точкой расщепления пользовательского трафика (User Plane - UP split bearer) является NGCN;
пользовательский трафик передается по двум маршрутам: NGCNógNbóUE и NGCNóeNbóUE;
интерфейс Xx используется для переноса трафика только Control Plane.

Рис. 11

Option 5

используется ядро сети 5G (NGCN - NextGenCore);
пользовательский терминал (UE) имеет подключение только к сети радиодоступа E-UTRA.

Рис. 12

Option 6

используется ядро сети LTE (EPC);
пользовательский терминал (UE) имеет подключение только к сети радиодоступа 5G NR.

Рис. 13

Option 7

используется ядро сети 5G (NGCN - NextGenCore);
пользовательский терминал (UE) имеет двойное подключение к 5G NR и E-UTRA;
сигнальный трафик (Control Plane – CP) обрабатывается исключительно на eNb;
точкой расщепления пользовательского трафика (User Plane - UP split bearer) является eNb;
пользовательский трафик передается по двум маршрутам: NGCNóeNbóUE и NGCNóeNbógNbóUE;
интерфейс Xx используется для переноса трафика Control Plane и 5G User Plane.

Рис. 14

Option 7a

используется ядро сети 5G (NGCN - NextGenCore);
пользовательский терминал (UE) имеет двойное подключение к 5G NR и E-UTRA;
сигнальный трафик (Control Plane - CP) обрабатывается исключительно на eNb;
точкой расщепления пользовательского трафика (User Plane - UP split bearer) является EPC;
пользовательский трафик передается по двум маршрутам: NGCNóeNbóUE и NGCNógNbóUE;
интерфейс Xx используется для переноса трафика только Control Plane.

Рис. 15

Option 8

используется ядро сети LTE (EPC);
пользовательский терминал (UE) имеет двойное подключение к 5G NR и E-UTRA;
сигнальный трафик (Control Plane - CP) обрабатывается исключительно на gNb;
точкой расщепления пользовательского трафика (User Plane - UP split bearer) является gNb;
пользовательский трафик передается по двум маршрутам: EPCógNbóUE и EPCógNbóeNbóUE;
интерфейс Xx используется для переноса трафика Control Plane и LTE User Plane.

Рис. 16

Option 8a

используется ядро сети LTE (EPC);
пользовательский терминал (UE) имеет двойное подключение к 5G NR и E-UTRA;
сигнальный трафик (Control Plane - CP) обрабатывается исключительно на gNb;
точкой расщепления пользовательского трафика (User Plane - UP split bearer) является EPC;
пользовательский трафик передается по двум маршрутам: EPCógNbóUE и EPCóeNbóUE;
интерфейс Xx используется для переноса трафика только Control Plane.

Рис. 17

Литература

3GPP TR 38.801 Study on New Radio Access Technology; Radio Access Architecture and Interfaces
3GPP TS 38.401 NG-RAN; Architecture description
3GPP TS 38.300 NR; NR and NG-RAN Overall Description; Stage 2
3GPP TS 38.321 NR; Medium Access Control (MAC) protocol specification
3GPP TS 38.322 NR; Radio Link Control (RLC) protocol specification
3GPP TS 38.323 NR; Packet Data Convergence Protocol (PDCP) specification
3GPP TS 38.331 NR; Radio Resource Control (RRC); Protocol specification
3GPP TS 37.324 E-UTRA and NR; Service Data Adaptation Protocol (SDAP) specification
MEDIATEK; 5G NR; A new Era for Enhanced Modile Broadband; White paper