面向6G的多頻段智能融合組網(wǎng)

謝峰/XIE Feng，王菲/WANG Fei，劉漢超/LIU Hanchao

（1.中興通訊股份有限公司，中國 深圳 518057；2.移動網(wǎng)絡(luò)和移動多媒體技術(shù)國家重點實驗室，中國 深圳 518055）

從1G到5G，無線通信的頻段從Sub-1 GHz逐漸發(fā)展到6 GHz以上。工作頻段和帶寬范圍越來越寬，不同頻段的載波物理傳播特性差異和帶寬差異也越來越大。相應(yīng)地，多頻段融合組網(wǎng)逐漸成為無線通信的常態(tài)。在5G中，載波聚合（CA）、補充上行（SUL）和雙連接（DC）構(gòu)成多頻段融合組網(wǎng)的主要特性[1-2]。這些多頻段融合組網(wǎng)技術(shù)陸續(xù)被引入第3代合作伙伴計劃（3GPP）標準中，基本遵循用例（技術(shù)痛點）驅(qū)動的原則。載波聚合可提升用戶峰值速率，補充上行能夠改善用戶設(shè)備（UE）上行覆蓋。雙連接中的4G/5G雙連接有助于實現(xiàn)4G/5G協(xié)同組網(wǎng)（特別是在5G初期，將4G作為基礎(chǔ)覆蓋層、5G作為容量層的協(xié)同組網(wǎng)），新空口（NR）雙連接有助于實現(xiàn)5G中的高低頻融合組網(wǎng)（將低頻作為基礎(chǔ)覆蓋層、高頻作為容量層的協(xié)同組網(wǎng)），例如毫米波超密集組網(wǎng)的架構(gòu)場景[3]。學(xué)術(shù)界對B5G多頻段融合媒體接入控制（MAC）協(xié)議的設(shè)計也同樣遵循用例驅(qū)動的原則[4]。

用例驅(qū)動的原則使得每一項新增特性都有對應(yīng)的收益，但是會不可避免地存在打補丁和協(xié)議復(fù)雜度累積問題。每一項新增的特性都沒有充分考慮面向未來潛在用例的前向兼容和可擴展性。5G系統(tǒng)在原生設(shè)計階段也缺乏自上而下的整體設(shè)計。這些會帶來功能重疊、額外復(fù)雜性和非全局優(yōu)化等問題。

隨著5G-Advanced和6G更多頻段和更大帶寬的引入，以及更靈活的組網(wǎng)和業(yè)務(wù)需求的提出，這種用例驅(qū)動的弊端就越來越凸顯。為滿足業(yè)務(wù)場景下以機器視覺為代表的大上行需求，載波聚合技術(shù)需要做進一步增強。同時網(wǎng)絡(luò)節(jié)能也需要載波間的協(xié)同。例如，系統(tǒng)消息的協(xié)同增強、終端移動性和非地面衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)部署的增強，均需要綜合考慮載波聚合、雙連接等場景下的增強[5-6]。由于缺乏原生整體設(shè)計，這些增強將為網(wǎng)絡(luò)帶來越來越多打補丁式的復(fù)雜性。

此外，中低頻段碎片化頻譜的情況也會給傳統(tǒng)的多載波基礎(chǔ)框架帶來挑戰(zhàn)。從全球移動通信系統(tǒng)（GSM）的200 kHz到寬帶碼分多址（WCDMA）的5 MHz，再到長期演進（LTE）的20 MHz，2G/3G/4G空口技術(shù)本身支持的單載波最大帶寬均較小，因此在2G/3G/4G的頻譜分配中，分給各個運營商的連續(xù)帶寬明顯小于5G NR所支持的單載波最大帶寬（低頻40 MHz，中頻100 MHz）。當這些2G/3G/4G頻譜在未來被重耕用于5G NR時，較小的連續(xù)頻譜帶寬資源極大地限制了NR的頻譜效率和利用率。具體來說，每一個NR的載波都需要發(fā)送包括同步信號塊（SSB）、系統(tǒng)消息和尋呼消息在內(nèi)的公共消息，也需要配置公共和專用的控制信道。這樣，碎片化的頻譜導(dǎo)致了過高占比的公共消息開銷和控制信道開銷，也阻礙了網(wǎng)絡(luò)的能量效率的提升。不僅如此，碎片化的頻譜還會導(dǎo)致設(shè)備（無論是基站還是終端）的算力不能被高效利用，會使算力效率降低、設(shè)備能耗增加。

因此，面向未來6G越來越豐富的新業(yè)務(wù)需求場景和組網(wǎng)場景，以及由此帶來的大規(guī)模差異化定制要求[7-15]，多載波融合組網(wǎng)需要從整體設(shè)計出發(fā)，升級為多載波原生和智能融合的組網(wǎng)，即在6G系統(tǒng)設(shè)計之初就將多載波融合和人工智能（AI）的結(jié)合作為基本設(shè)計要素。這樣就可以支持高中低任意頻段資源的智能編排組合，從而按需滿足不同的組網(wǎng)要求，實現(xiàn)極高的業(yè)務(wù)適應(yīng)能力[16]。此外，針對B5G演進的需求，6G中一些適合B5G業(yè)務(wù)場景和組網(wǎng)需求的方案也可以應(yīng)用到5G演進技術(shù)中，從而提前獲得6G收益。

1 面向6G的多頻段原生組網(wǎng)設(shè)計

6G需要支持多頻段多載波原生組網(wǎng)設(shè)計。作為銜接載波、物理信道和L2/L3服務(wù)的關(guān)鍵，小區(qū)必須在6G中重新被定義和建模。

1.1 從“煙囪式”小區(qū)模型到池化的Meta-cell元小區(qū)模型

傳統(tǒng)的小區(qū)模型以“煙囪式”的方式將載波、物理信道、傳輸信道和L2/L3服務(wù)綁定起來形成多個物理小區(qū)。這種方式是一種針對單頻段單載波原生的設(shè)計，沒有在一開始就考慮多頻段多載波融合組網(wǎng)場景的需求，因而對多頻段的支持效率不高，其靈活性和按需定制能力也不足。這種“煙囪式”緊耦合的方式不僅極大地限制了移動網(wǎng)絡(luò)對未來業(yè)務(wù)場景和需求的適配能力，還限制了接入網(wǎng)對無線資源的使用效率、接入網(wǎng)的可擴展性和易演進性，以及與AI、大數(shù)據(jù)等智能化技術(shù)的內(nèi)生式的融合。面向未來的新需求、新技術(shù)、新業(yè)務(wù)和新場景，下一代小區(qū)需要滿足靈活編排、按需定制、彈性伸縮等要求。

面向運營、數(shù)據(jù)、信息、通信技術(shù)（ODICT）深度融合的未來，為了更好地滿足不同需求，適配不同業(yè)務(wù)場景和不同服務(wù)類型，兼容新技術(shù)，下一代接入網(wǎng)的小區(qū)模型可采用解耦原則[17]、池化和虛擬化的設(shè)計思想，以形成資源可編排、資源與服務(wù)關(guān)系可編排、上下行鏈路關(guān)系可編排的技術(shù)特征，進而形成Meta-cell元小區(qū)的技術(shù)體系。需要說明的是，Meta-cell暗含“小區(qū)之源”“小區(qū)的本質(zhì)”“小區(qū)的抽象”之意，我們也可以將它理解為未來小區(qū)形態(tài)。

圖1為Meta-cell元小區(qū)的模型架構(gòu)和傳統(tǒng)小區(qū)模型的對比。Meta-cell元小區(qū)將空口資源和服務(wù)分為不同的層級，自下而上分別為載波層、物理信道層、傳輸信道層、服務(wù)層。其中，每一層級的資源都通過池化形成載波池、物理信道池、傳輸信道池、L2服務(wù)池、L3服務(wù)池。不同層級的資源與資源之間、資源與服務(wù)之間能夠進行靈活映射。系統(tǒng)可通過智能配置和編排這些資源、服務(wù)以及映射關(guān)系來實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的按需定制。Meta-cell元小區(qū)的模型架構(gòu)能夠根據(jù)業(yè)務(wù)場景和組網(wǎng)需求智能編排與配置資源和服務(wù)，能夠定制高效的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)和組網(wǎng)模式，在滿足各種業(yè)務(wù)場景需求的同時兼顧效率和能耗，甚至催生出新的業(yè)務(wù)模式。

圖1 “煙囪式”小區(qū)模型和池化的Meta-cell元小區(qū)模型的對比

1.2 Meta-cell元小區(qū)對多頻段原生組網(wǎng)的支持

Meta-cell對相同或不同頻域范圍（例如低頻/中頻/高頻）內(nèi)的相同或不同頻帶的頻譜資源或載波資源進行按需組合使用。例如，載波級聯(lián)或虛擬帶寬部分（BWP）形成較大帶寬的頻譜資源可用于滿足大吞吐量的需求，根據(jù)不同電磁波特征選擇的載波資源可用于滿足大容量或廣覆蓋需求，如圖2和圖3所示。這種全頻譜組合的編排方式不僅可以實現(xiàn)不同頻譜資源的高效利用，也可以通過頻譜資源的靈活編排適配不同業(yè)務(wù)場景。為此，Meta-cell需要支持基帶與射頻的解耦和射頻載波的池化：將多個零散的射頻載波池化為一個連續(xù)的基帶載波。基于連續(xù)的基帶載波進行基帶處理可以達到如下效果：降低網(wǎng)管的復(fù)雜度，減少網(wǎng)管、網(wǎng)規(guī)、網(wǎng)優(yōu)工作量，提升零散頻譜（例如重耕的頻分雙工頻譜或時分雙工頻譜）利用效率，擴大物理下行共享信道（PDSCH）、物理上行共享信道（PUSCH）等的傳輸帶寬，提高流量，減少配置、調(diào)度、反饋方面的開銷。

圖2 針對碎片化載波的載波級聯(lián)示意圖

圖3 針對碎片化載波的虛擬BWP

載波級聯(lián)的優(yōu)勢來自射頻載波池化和虛擬化。類似地，虛擬BWP通過將BWP池化和虛擬化，也可以在一定程度上提升管控效率，降低管控開銷和系統(tǒng)復(fù)雜度。

為實現(xiàn)全頻段融合組網(wǎng)，Meta-cell還支持上下行鏈路的解耦和上下行載波鏈路的獨立池化，以實現(xiàn)上下行載波的按需編排和組合，從而優(yōu)化覆蓋，提升系統(tǒng)性能。例如，在面向企業(yè)（ToB）大上行的場景中，Meta-cell支持多個上行載波的聚合或者上行載波數(shù)大于下行載波數(shù)的聚合，如圖4所示。

圖4 針對大上行需求的上下行鏈路的解耦和各自的池化示意圖

Meta-cell還支持傳輸信道到物理信道的解耦和傳輸信道的池化。在現(xiàn)有小區(qū)中，擴展現(xiàn)實（XR）的大量數(shù)據(jù)包被封裝成一個包含多個編碼塊（CB）的傳輸塊（TB）。此時任何一個CB出錯都會造成整個TB無法遞交，進而導(dǎo)致時延過大。對此，可將原來一個數(shù)據(jù)流、傳輸信道、TB拆分成多個數(shù)據(jù)子流、傳輸信道、TB，這樣在接收端任何一個TB出錯都不會有礙于其他TB的遞交，從而可大幅提升XR這類的大帶寬低時延業(yè)務(wù)的性能，如圖5所示。

圖5 針對大帶寬低時延業(yè)務(wù)的TB池化示意圖

Meta-cell還支持系統(tǒng)信息（SI）的池化，即可以將包括多個載波鏈路在內(nèi)的物理資源池的系統(tǒng)消息SI匯聚在一個載波上發(fā)送。這有利于那些不發(fā)送SI的載波進行更長時間的休眠，在降低基站能耗的同時降低SI發(fā)布的工作量和開銷（配置、調(diào)度），簡化網(wǎng)絡(luò)運維。

終端通過Meta-cell接收物理資源池信息后，可以獲得多個池化的物理隨機接入信道（PRACH）資源配置。不同的接入信道可以對應(yīng)不同頻譜資源和不同波束。終端可以根據(jù)覆蓋、頻點、空口質(zhì)量來選擇最優(yōu)的PRACH資源進行接入。PRACH的最優(yōu)選擇可以提高接入的成功率，有助于系統(tǒng)快速構(gòu)建覆蓋/能效最優(yōu)頻段的連接。

對于移動性場景，通過L1鏈路和L2/L3服務(wù)的解耦以及L1鏈路的池化，當終端從源側(cè)向目標側(cè)移動時，即使L1鏈路（載波/信道）發(fā)生變化，L2傳輸服務(wù)（以及L3連接服務(wù)）可以保持連續(xù)服務(wù)，在L2的協(xié)議功能錨點不變的情況下，不需要重置或者重建立。如圖6所示。這樣可以最大程度地保證平滑的業(yè)務(wù)連續(xù)性，實現(xiàn)無縫移動性。

圖6 針對移動性需求的L1鏈路和L2/L3服務(wù)的解耦

2 Stack-free非棧式用戶面對多頻段原生組網(wǎng)的支持

與Meta-cell元小區(qū)的理念和目標類似，為了實現(xiàn)靈活彈性、通用化、智能可定制的6G網(wǎng)絡(luò)，如圖7所示，Stackfree非棧式用戶面（或轉(zhuǎn)發(fā)面）使用組件化、靈活編排、解耦、池化、矢量化等信息技術(shù)（IT）理念以及智能化思想對當前通信架構(gòu)用戶面進行重構(gòu)[18]。6G非棧式的新用戶面設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能按需定制和靈活編排部署，能夠面向服務(wù)構(gòu)建現(xiàn)場自適應(yīng)柔性智能網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)灰度迭代升級，對各種復(fù)雜多變未知的場景具有極強的適應(yīng)能力，例如，可靈活適配面對用戶業(yè)務(wù)從巨大數(shù)據(jù)包到小微數(shù)據(jù)包的動態(tài)傳輸跨度[19]。

圖7 從傳統(tǒng)的協(xié)議棧到非棧式Stack-free組件庫

如圖8所示，面向多頻段原生組網(wǎng)，Stack-free非棧式用戶面既支持傳統(tǒng)的載波聚合分流方式，也支持傳統(tǒng)的雙連接分流方式。前者對應(yīng)非棧式中自動重傳請求（ARQ）組件之下、混合自動重傳請求（HARQ）組件之上，后者對應(yīng)非棧式中加密完保之下、ARQ組件之上。非棧式用戶面可以通過可編排、可配置的方式支持上下行解耦的分流。例如，在高低頻原生組網(wǎng)場景中，下行數(shù)據(jù)分流到高頻，上行數(shù)據(jù)分流到低頻。這樣可以充分適配上下行業(yè)務(wù)負荷和上下行覆蓋/傳輸能力，使高頻分流占比達到最大、用戶體驗達到最優(yōu)。此外，非棧式用戶面還可以支持新傳重傳解耦的分流，例如將首傳數(shù)據(jù)分流到高頻，并使重傳數(shù)據(jù)分流到低頻。這里的首傳和重傳既可以是ARQ的也可以是HARQ的，以便整體優(yōu)化傳輸魯棒性，提高頻譜利用率。

圖8 針對高低頻融合組網(wǎng)場景的上下行解耦和首傳/重傳解耦

3 面向多頻段融合原生組網(wǎng)的智能化編排體系

面向越來越豐富的業(yè)務(wù)和組網(wǎng)場景，在Meta-cell元小區(qū)和Stack-free非棧式用戶面的基礎(chǔ)上，需要通過智能化的手段對Meta-cell元小區(qū)和Stack-free非棧式用戶面進行編排配置（智能化編排配置也適用于控制面）。如圖9所示，當輸入意圖、業(yè)務(wù)和用戶、環(huán)境和場景信息時，智能化編排體系中的廣義感知引擎將為用例生成模塊提供輸入[20]，從而支撐ToB/面向消費者（ToC）乃至更廣義的面向一切（ToX）的用例生成。用例生成模板進一步驅(qū)動通感算一體化的工作流編排，形成包括信息流、決策流、執(zhí)行流、反饋流的全流程閉環(huán)。接著，工作流編排進一步驅(qū)動資源編排，為相關(guān)的工作流和工作流組件提供相應(yīng)的通信資源、算力資源和邏輯資源。工作流編排模塊和資源編排模塊產(chǎn)生的編排信息下達到Metacell元小區(qū)、非棧式用戶面以及控制面，從而促使它們完成各自的操作（包括提供感知信息給廣義感知引擎）。

圖9 智能化編排體系

對于多頻段融合組網(wǎng)來說，智能化編排體系同智能無線資源管理和調(diào)度相結(jié)合。智能化編排體系主要用于制定不同頻段之間的組合和協(xié)同策略，而智能無線資源管理和調(diào)度主要針對特定策略下的指標優(yōu)化。兩者的結(jié)合可以滿足以下需求：

（1）最大化系統(tǒng)效率和能效，其中系統(tǒng)效率包括系統(tǒng)容量效率和頻譜效率；

（2）提供差異化的用戶體驗，例如最大化用戶速率，或者降低時延；

（3）適配特定環(huán)境的要求，例如衛(wèi)星、高鐵、室內(nèi)場景等；

（4）滿足垂直行業(yè)定制化的要求，例如對部署、切片的要求等。

4 結(jié)束語

從現(xiàn)有多頻段協(xié)同組網(wǎng)到6G的多頻段原生智能融合組網(wǎng)的轉(zhuǎn)變，是未來無線通信系統(tǒng)解決碎片化頻譜和應(yīng)對多樣化場景挑戰(zhàn)的必由之路。相比于現(xiàn)在以載波聚合、雙連接、補充上行為代表的多頻段協(xié)同組網(wǎng)，多頻段原生智能融合組網(wǎng)在靈活自適應(yīng)能力、頻譜和能量效率、大帶寬低時延支持能力、無縫切換能力以及簡化運維方面都有大幅提升。在未來6G時代，這將為運營商和垂直行業(yè)最大化頻譜價值和用戶體驗、滿足節(jié)能低碳要求提供強有力的支撐。此外，多頻段原生智能融合組網(wǎng)除了需要面對頻域上碎片化頻譜挑戰(zhàn)和業(yè)務(wù)需求的多樣化挑戰(zhàn)之外，還需要面對空域組網(wǎng)（例如密集組網(wǎng)、異構(gòu)組網(wǎng)）挑戰(zhàn)和部署（靈活部署、多跳部署）挑戰(zhàn)。針對這些挑戰(zhàn)，中興通訊將進行持續(xù)研究和完善。

致謝

本研究得到中興通訊股份有限公司技術(shù)預(yù)研專家薛妍、楊立的幫助，謹致謝意！