5G IAB基站啟動建立連接過程研究*

王 俊 ，李小龍 ，謝文武 ，廖儉武

（1.武漢虹信通信技術(shù)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430079；2.湖南理工學(xué)院 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 岳陽 414006）

0 引 言

與長期演進(jìn)（Long Term Evolution，LTE）相比，5G新無線電（New Radio，NR）技術(shù)能夠使用更大的帶寬，例如可以使用毫米波頻段，并且可以應(yīng)用大規(guī)模天線和多波束系統(tǒng)，因此5G NR能夠提供更高的系統(tǒng)速率，為5G NR發(fā)展和應(yīng)用IAB基站提供了條件[1]。所謂接入和回傳一體化基站（Integrated Access and Backhaul，IAB）基站，就是該基站集成了無線接入鏈路和無線回傳鏈路，其中接入鏈路為UE與IAB基站之間通信鏈路，無線回傳鏈路為IAB基站之間的通信鏈路，進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳，因此IAB基站不需要有線傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳?；诖?，IAB基站更容易部署在密集場景，減輕了部署有線傳輸網(wǎng)絡(luò)的負(fù)擔(dān)。

1 IAB基站架構(gòu)和功能

圖1為IAB基站應(yīng)用示意圖。

圖1 IAB基站應(yīng)用示意圖

如圖1所示，IAB基站為用戶設(shè)備（User Equipment，UE）提供無線接入和接入業(yè)務(wù)的無線回傳。IAB donor基站（歸屬IAB基站）向IAB基站提供無線回傳功能，并提供UE與核心網(wǎng)的接口[2]。從圖1中可以看出，IAB donor基站與核心網(wǎng)保持有線連接，IAB基站與核心網(wǎng)之間沒有有線連接，IAB基站通過無線回傳鏈路連接到IAB donor基站，從而使UE與核心網(wǎng)進(jìn)行連接。

IAB基站將在NR已有的功能和接口上進(jìn)行必要的增強，因此IAB基站也支持Uu，F(xiàn)1，E1，NG，X2等接口，并且IAB基站包含了gNB基站的功能和移動終端（Mobile-Termination，MT）功能。其中MT功能定義為移動終端的一部分功能，集成于IAB基站之中，通過無線回傳鏈路與IAB donor基站或其他的IAB基站相連接[3]。圖2為獨立（Stand Alone，SA）模式的IAB基站參考圖[4]，包含了一個IAB donor基站和多個IAB基站。其中IAB donor基站包含了gNB-DU，gNB-CU-CP，gNB-CU-UP和潛在的其他功能。在實際部署時，IAB donor基站可以基于上述功能進(jìn)行集中式或分布式部署。

2 IAB基站建立連接過程研究

運營商在部署5G網(wǎng)絡(luò)時會根據(jù)實際需求以及具體的環(huán)境，在某一區(qū)域同時部署gNB基站和IAB基站。其中，gNB基站不支持接入和回傳一體化，并且回傳鏈路只能使用有線網(wǎng)絡(luò)，因此如果IAB基站啟動后作為UE接入gNB基站的網(wǎng)絡(luò)，則IAB基站將不能實現(xiàn)其功能。那么，當(dāng)IAB基站啟動時，IAB基站只能選擇IAB網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接入，從而實現(xiàn)其IAB基站的功能。但是，當(dāng)IAB基站啟動進(jìn)行小區(qū)選擇接入網(wǎng)絡(luò)時，由于無法從網(wǎng)絡(luò)獲取足夠的信息來選擇IAB基站進(jìn)行小區(qū)接入，例如，IAB基站啟動后進(jìn)行小區(qū)選擇可能會直接接入gNB基站。因此，IAB基站啟動后接入網(wǎng)絡(luò)需要獲取IAB網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?，從而接入IAB網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)IAB基站的功能。另外，當(dāng)IAB基站啟動獲取IAB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒑?，還需要選擇合適的IAB基站建立連接來接入網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)IAB基站的功能。

圖2 IAB基站架構(gòu)示意圖

2.1 獲取IAB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?/h3>

考慮到LTE Relay基站和IAB基站都能實現(xiàn)中繼的功能，因此IAB基站獲取IAB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒌倪^程可能與LTE Relay基站類似。因此，下文先簡單介紹下LTE Relay基站啟動后獲取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒌倪^程[5-6]。

階段I：當(dāng)LTE Relay啟動時，將作為普通UE接入LTE網(wǎng)絡(luò)并附著在相應(yīng)的核心網(wǎng)，然后從核心網(wǎng)操作和維護(hù)（Operation and Maintenance，OAM）服務(wù)器獲取DeNB基站（歸屬Relay基站）配置信息，該配置信息包括DeNB列表，以及頻率和公共陸地移動網(wǎng)絡(luò)（Public Land Mobile Network，PLMN）信息。

階段II∶ 當(dāng)LTE Relay從OAM服務(wù)器獲取到DeNB基站配置信息后，將去附著所接入的網(wǎng)絡(luò)，然后重新進(jìn)行小區(qū)選擇，選擇 DeNB基站配置信息中DeNB列表中的某個DeNB進(jìn)行接入，完成作為LTE Relay接入LTE網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)中繼功能。

對于5G IAB基站，可以考慮沿用上述LTE relay基站獲取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒌倪^程，然而與LTE Relay不同的是，5G IAB基站場景存在多跳的情況，即一個IAB基站可以與另外一個IAB基站（非IAB donor基站）相連接[7-8]。因此，如果采取與LTE Relay一樣的方案，核心網(wǎng)OAM服務(wù)器只保存IAB donor基站的配置信息，則當(dāng)IAB基站處于其他IAB基站（非IAB donor基站）覆蓋區(qū)域時，則IAB基站啟動后因為無法獲取正確的IAB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒍鵁o法接入網(wǎng)絡(luò)。

因此對于5G IAB網(wǎng)絡(luò)，其核心網(wǎng)OAM服務(wù)器不僅需要存儲IAB donor基站的信息，還要動態(tài)更新IAB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，包括核心網(wǎng)OAM服務(wù)器初始化配置IAB donor基站信息，當(dāng)IAB基站根據(jù)從核心網(wǎng)OAM服務(wù)獲取的IAB donor配置信息接入網(wǎng)絡(luò)后，OAM服務(wù)器將對應(yīng)IAB基站上報的信息添加進(jìn)IAB基站配置信息；當(dāng)已接入網(wǎng)絡(luò)的IAB基站離線后，OAM服務(wù)器刪除對應(yīng)IAB基站的配置信息，從而實現(xiàn)OAM服務(wù)器動態(tài)更新IAB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅰ＞唧w包括以下步驟：

（1）當(dāng)IAB donor基站部署完成后，核心網(wǎng)OAM服務(wù)器完成IAB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒊跏蓟渲茫?/p>

（2）當(dāng)IAB基站啟動后作為普通UE接入網(wǎng)絡(luò)從核心網(wǎng)OAM服務(wù)器獲取IAB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅲ琁AB基站通過獲取的IAB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔泶_定當(dāng)前接入的網(wǎng)絡(luò)是否在該IAB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒅?。如果?dāng)前所接入的網(wǎng)絡(luò)在上述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒅?，則IAB基站可以完成網(wǎng)絡(luò)接入。如果當(dāng)前所接入的網(wǎng)絡(luò)不在上述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒅?，則IAB基站去附著當(dāng)前接入的網(wǎng)絡(luò)，重新選擇上述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒅械腎AB基站進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接入。

（3）當(dāng)上述IAB基站成功接入網(wǎng)絡(luò)后，核心網(wǎng)OAM服務(wù)器完成IAB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒏碌摹?/p>

（4）當(dāng)已經(jīng)接入網(wǎng)絡(luò)的IAB基站關(guān)閉或者其他原因?qū)е略揑AB基站離線時，核心網(wǎng)OAM服務(wù)器刪除已保存的對應(yīng)當(dāng)?shù)腎AB基站信息，核心網(wǎng)OAM服務(wù)器完成IAB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒌母隆?/p>

（5）當(dāng)核心網(wǎng)OAM服務(wù)器完成IAB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒏潞螅绻行碌腎AB基站接入網(wǎng)絡(luò)從核心網(wǎng)OAM服務(wù)獲取IAB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?，則核心網(wǎng)OAM服務(wù)器發(fā)送更新后的IAB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

2.2 選擇合適的IAB網(wǎng)絡(luò)接入

NR UE基于其在RRC空閑態(tài)的測量結(jié)果和小區(qū)選擇準(zhǔn)則來選擇合適的小區(qū)進(jìn)行小區(qū)接入[9]。當(dāng)IAB基站啟動時，其MT功能也需要像UE一樣進(jìn)行小區(qū)選擇，接入IAB基站或IAB donor基站，從而實現(xiàn)其IAB基站的功能[10]。因此，仍需要進(jìn)一步確定IAB基站如何選擇合適的IAB基站進(jìn)行小區(qū)接入。

例如，不同的IAB基站通過不同的回傳鏈路數(shù)與IAB donor基站保持連接，因此會導(dǎo)致不同的端到端時延。如圖3所示，IAB3通過兩跳到達(dá)IAB donor基站，IAB2只需要通過一跳到達(dá)IAB donor基站。

圖3 IAB選擇合適的IAB小區(qū)建立連接

對于IAB4，其處于IAB2和IAB3的覆蓋之下，當(dāng)IAB4啟動獲取IAB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒑罂梢赃x擇IAB2或者IAB3進(jìn)行小區(qū)接入。如果IAB4選擇IAB3接入，則IAB4的數(shù)據(jù)需要三跳才能到達(dá)IAB donor基站，如果IAB4選擇IAB2接入，則IAB4的數(shù)據(jù)需要兩跳就能到達(dá)IAB donor基站。因此，當(dāng)IAB基站啟動后選擇小區(qū)接入IAB網(wǎng)絡(luò)時，如果IAB可以從網(wǎng)絡(luò)獲得輔助信息，例如回傳鏈路時延，則可以選擇合適的IAB網(wǎng)絡(luò)接入。

因此，區(qū)別于普通NR UE通常以小區(qū)質(zhì)量的測量結(jié)果進(jìn)行小區(qū)選擇，IAB基站應(yīng)該能夠從網(wǎng)絡(luò)獲取更多的輔助信息，從而有利于IAB基站接入更合適的小區(qū)，為用戶提供更好的服務(wù)。IAB網(wǎng)絡(luò)可以提供的輔助信息包括回傳鏈路的數(shù)量，回傳鏈路的負(fù)載，回傳鏈路的信號質(zhì)量，當(dāng)IAB基站啟動時則可以通過獲取上述輔助信息來選擇更合適的IAB網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行小區(qū)接入。具體的，待接入網(wǎng)絡(luò)的IAB基站利用IAB網(wǎng)絡(luò)提供的輔助信息選擇合適的小區(qū)接入包含以下步驟：

（1）IAB網(wǎng)絡(luò)以廣播的方式向其他待接入網(wǎng)絡(luò)的IAB基站提供輔助信息，輔助信息包括回傳鏈路數(shù)量，回傳鏈路負(fù)載和回傳鏈路信號質(zhì)量；其中回傳鏈路數(shù)量可以反應(yīng)時延信息，回傳鏈路負(fù)載可以描述該IAB基站的回傳鏈路是否擁塞，回傳鏈路信號質(zhì)量表示該IAB基站是否可以提供高質(zhì)量的回傳鏈路。

（2）當(dāng)IAB基站開啟后選擇小區(qū)建立網(wǎng)絡(luò)連接時，待接入網(wǎng)絡(luò)的IAB基站可以根據(jù)對IAB網(wǎng)絡(luò)的信號質(zhì)量的測量結(jié)果確定備選的IAB基站作為可以接入的小區(qū)；

（3）待接入網(wǎng)絡(luò)的IAB基站根據(jù)上述備選的IAB基站提供的步驟1中所述的輔助信息，從備選的IAB基站中選擇合適的IAB基站進(jìn)行小區(qū)接入。例如，待接入網(wǎng)絡(luò)的IAB基站可以根據(jù)其所提供的業(yè)務(wù)類型來選擇接入的小區(qū)，如果主要為URLLC業(yè)務(wù)，則優(yōu)先選擇回傳鏈路數(shù)量少的IAB基站進(jìn)行小區(qū)接入；如果主要為eMBB業(yè)務(wù)，則優(yōu)先選擇回傳鏈路負(fù)載小的IAB基站進(jìn)行小區(qū)接入。

3 結(jié) 語

本文主要對5G IAB基站啟動建立網(wǎng)絡(luò)連接過程中存在的問題進(jìn)行了探討和分析，即IAB基站在啟動后如何獲取IAB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒑瓦x擇合適的IAB網(wǎng)絡(luò)建立連接。在此基礎(chǔ)上，提出了核心網(wǎng)OAM服務(wù)器動態(tài)更新IAB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆桨负虸AB網(wǎng)絡(luò)提供輔助信息的方案，從而解決了IAB基站啟動后建立網(wǎng)絡(luò)連接的問題，使得IAB基站在啟動后能夠獲取正確的IAB網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒉⑦x擇合適的IAB網(wǎng)絡(luò)建立連接。