基站无线回传技术研究

摘 要

某些网络环境光纤部署存在诸多挑战包括成本高昂周期漫长等局限性因此有必要探索通过无线传输手段建立基站与核心网之间的连接以解决这些问题
详细阐述了 wireless backhaul技术在哪些应用场景中的应用前景系统分析并比较了几种实现方案的技术可行性
探讨了影响 wireless backhaul性能的关键因素及其相互作用关系并据此提出了适用于不同网络环境的技术方案建议

引 言

光纤传输具有短延迟和大容量的特点，在基站与核心网的连接中被优先考虑［1］。然而，在成本方面存在较高的投入，在实际施工中面临较大的技术和组织复杂性，并且需要较长的时间才能完成项目［2］。当业务需求较为有限时，光纤网络的带宽使用效率较低，从而导致投资回报率下降。在特定应用场景下，如应急通信等特殊需求场景中，则可以通过卫星、微波或无线回传技术来弥补光纤回传能力的不足。卫星回传操作简便灵活，在资源紧张的情况下能够快速部署，并能提供较高的通信效率；然而其高昂的通信费用以及较大的延迟时间限制了其在日常应用中的广泛使用［3］。微波回传技术相较于传统光纤技术具有成熟的技术基础以及较大的带宽范围，并且其信号传输延迟较小；但同时也面临着较高的建设成本以及复杂的施工工艺要求，并且容易受到恶劣天气条件（如雨雾天气）的影响［4］。值得注意的是，在微波频段由于其较强的衍射能力特性，在视距条件下能够提供良好的通信效果；但在非视距环境下则无法发挥应有的作用。”

随着无线通信技术的发展, 4G/5G网络在带宽性能上实现了质的飞跃, 其调制级别进一步优化, 同时天线组数量增加, 承载能力也相应提升. 此外, 该技术还具备良好的回传性能. 在本研究中, 首先系统阐述了3GPP标准下的4G/5G无线回传方案, 然后深入探讨了基于现有技术实现无线回传的其他创新方案, 最后对多种先进的无线回传技术进行了全面比较.

多种回传途径各有优缺点，在具体情境下需要做出相应选择。如表1所示，则是对比分析了多种回传方案的不同特点及其适用范围。

表1 各种回传方案对比

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无线回传应用场景分析

基于4G/5G技术实现的主站不仅服务于一般用户的无线传输需求，并且也能支持那些传输资源有限的基站完成无线数据传输，在特定复杂环境或特殊需求下同样适用

1.1 传输部署困难场景

海岛站点部署海底光缆面临高昂费用、工艺复杂以及耗时较长的挑战，在网络容量需求有限的情况下（即需求不高），可用无线中继站方式进行站点建设较为经济可行的选择。对于偏远地区而言（即人口密度较低的农村及山区等区域），由于其对网络容量的需求较小（即即便仅能接收微弱信号），同样可以选择无线中继站的技术方案来满足通信基本需求，并且这种选择还能有效降低建设费用。

1.2 超密组网场景

随着无线用户数的飞速增长和业务类型的层出不穷，5G超密集组网技术可极大扩展网络容量，提高网络覆盖范围，为用户提供更好的使用体验［4］。但5G超密集组网时，数量众多的小站采用有线电缆或光纤回传会导致部署和租赁成本、站址选择和维护成本都较高。基站密集部署场景下，每个小基站业务容量需求波动较大，回传链路可能处于空闲状态，会导致有线回传链路使用效率低，也造成投资成本浪费［5］。

5G系统采用了更高容量的通信通道FR1（Frequency Range），其单载波最高承载能力可达100M；而FR2则进一步提升至400M；此外，在通过载波聚合技术显著提升整体数据传输速率的同时也能有效扩展网络覆盖范围。基于这一优势性能，在高速率场景下不仅能够保障接入用户的需求，并且还能实现基站与用户设备之间的高效信息回传；因此，在RAN新标准中对集成化接入与回传能力进行了新增功能项的定义——IAB（Integrated Access and Backhaul）功能［6］

超密集组网场景下引入IAB具有如下优势。

无需布线即可灵活部署节点位置，并显著降低了部署成本与站点选址的难度。

b）接入和回传都使用无线传输技术，减少频谱及硬件成本。

c）基于网络负载状况动态优化接入与回传的资源分配比率，并以提升无线网络的整体效率为目标

1.3 移动基站场景

随着乘坐地铁、高铁以及邮轮旅游人数的增多，在其内部产生的网络需求也随之提升；然而由于地铁车厢壁及座椅等部位采用新型材料后对于无线信号衰减较为敏感，在这种情况下常规设置下的基站无法实现对这些交通工具内部区域的有效覆盖；因此可以通过部署移动基站在这些交通工具内部并采用无线回传技术来实现舱内基站与核心网的有效连接。

随着无人机技术的发展，在应急通信领域中可以搭载空中移动基站以迅速实现受灾区域的无线网络覆盖［7］。针对这一问题可以通过采用无线传输方式进行解决方案

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无线回传技术分析

移动通信系统由终端设备、接入网络、传输网络以及核心网络四个组成部分构成。其中各组成部分分别负责处理不同的业务功能：终端设备主要完成与用户的交互；基站则在覆盖区域内提供稳定的通信连接；而核心网络则负责数据的安全传输与管理。每个组成部分都各自承担相应的功能角色必不可少。为了实现无线数据传输需求，在设计无线回传系统时必须确保该系统包含完整的终端设备集合及其相关的接入架构，并通过现有的技术手段保证信号的有效传递路径如图1所示

图1 无线回传网络架构

为了实现无线接入传输，在基站与核心网之间构建完整的无线网络架构可能会带来一定的复杂性挑战；为此可采取措施简化现有架构以提升效率并降低维护成本；主要的技术方案包括：一种技术方案是将宿主核心网功能下移至各基站从而减少资源浪费；另一种方案是共享宿主型与中继型核心网功能以优化资源利用率同时兼顾不同业务需求

2.1 LTE Relay技术

LTE Relay是LTE-Advanced的重要组成部分, 有助于扩大小区覆盖范围, 提高终端在边缘地区的传输速度(参考文献8). 由3GPP定义的LTE Relay网络架构如图2所示(参考文献9).

图2 3GPP定义LTE Relay架构

LTE Relays包含三种基本架构。其中一种是基础架构，在该配置下主站核心网作为独立设备部署。另外两种方案则通过将主站核心网功能下沉至基站实现网络功能扩展：方案二不仅将SGW/PGW功能下放至基站台型，并且增加了GW代理功能；方案三则进一步简化了网络部署流程。参考图2所示的架构配置，在实际产品开发中，也可以将MME（Mobility Management Entity）功能维持独立部署状态；不过在工程实践过程中建议逐步实现MME下沉至基站的可能性也是值得考虑的方向

根据图2的数据可知，在Relay回传装置与主机基站在Un接口的基础上实现了数据传输连接；该系统中主机基站不仅能够识别出Relay回传装置，并且对其进行了独立的处理工作；值得注意的是，在这种架构下核心网功能由Relay装置向下转移至主机基站运行，并对主机基站所拥有的软硬件配置提出了更高的具体要求；此外这一设计使得产品的整体实现过程同样较为复杂

2.2 NR IAB技术

5G规范的无线回传技术是IAB。LTE Rel的技术路线导致核心网下沉至宿主站的方式使宿主基站实现更加复杂。5G借鉴了LTE Rel的经验并融合了CU与DU分离架构。IAB通过F1接口实现了CU与DU间的无线中传连接［11］。这种架构对核心网的影响较小且具体网络架构如图3所示［12］。

图3 IAB网络架构

IAB规范涵盖了NSA（Non-Standalone）与SA（Standalone）两种组网模式［13］。为实现对数据的路由与流量控制，在空口域引入了新的BAP（Backhaul Adaptation Protocol）协议层［14］。由此可知，在5G网络中DU必须同时支持两套空口协议栈配置，并且IAB管理面与用户面的协议架构如图4所示。

图4 IAB协议栈

5G无需宿主站点即可实现核心网功能；相比4G而言更为简便；但必须同时支持两套空口接口协议栈，并还需同时处理流量控制和路由等功能；无线基站的实现难度也较大程度上。

从LTE Relays到NR IAB都涉及软硬件开发，并且LTE与NR无线回传架构存在显著差异，在这种情况下仅通过升级现有技术无法直接支持从LTE Relays演进至NR IAB的技术路径。基于此背景分析的基础上,本研究致力于探索替代无线传输方案,最大限度地利用现有技术和设备实现传输功能,从而减少对基站软硬件体系的整体性设计需求

2.3 桥接模式无线回传

LTE Relaying模式及NR Intelligent Access（IAB）功能的引入显著增加了宿主基站的软硬件开发负担。因此本研究重点将聚焦于探索宿主基站与Relay基站共用核心网技术路径，在此方案下，宿主基站完全无需承担核心网相关功能实现任务。为进一步降低回传模块硬件设计复杂度，则可采用室外CPE（Customer Premise Equipment）设备作为回传设备辅助设计，在这种架构下网络布局如图5所示

图5 CPE Relay网络架构

宿主基站在有线传输下直接连接至核心网及网络管理单元，在网络接入方面具备了与Relay站协同工作的能力。在用户数据接收、处理环节中, RelaY站及宿主站均需封装GTP（General Data Transfer Platform）报文头,因此, RelaY站发来的数据包必须先由核心网上的UPF/PGW设备对宿主机的GTP包进行解封装,随后基于目标IP地址完成转发操作。例如,在回传链路中, RelaY站的控制面数据经由CPE设备返回至宿主机,随后该机发送的数据信号会被传递至UPF/PGW端并完成解封装;同样地用于管理面对应操作流程时,下行数据的封装则遵循相反的操作步骤

空口接入点（AirPort）接口（AirPort Downlink）由 UPF/PGW 分配资源以支持 CPE 的接入需求；规划型基站（规划型接入点）通过获取固定 IP 地址实现通信功能；然而由于 UPF/PGW 无法自动识别这些规划型基站的接入需求；为此需要对 CPE 进行特殊配置；具体而言；将 CPE 设置为桥接模式后；其作用类似于搭建了一座桥梁连接到 Relay 基站；通过这种方式；CPE 可以获取来自空口接入点（AirPort）接口的 IP 地址并将其传递给 Relay 基站；从而使得 UPF/xGW 设备能够正确识别和处理 Relay 基站的 IP 地址信息；最后通过采用桥接模式构建的无线回传方案各设备之间的控制面协议栈结构如图 6 所示。

图6 桥接模式无线回传控制面协议栈

采用桥接模式实现无线数据传输方案，在对核心网SGW/PGW进行路由优化调整后，当回传CPE具备4G及5G接入能力时，则能够实现灵活配置以支持相应的 wireless transmission. 同时可无缝过渡至基于5G技术的 wireless data transmission mode.

2.4 隧道模式无线回传

由于CPE仅可获取单个空口IP地址，在采用桥接模式进行无线回传时的Relay基站仅能分配一个IP地址，并因此无法实现控制面、用户面及管理面上各自独立分配专用IP地址的目标。为此，在UPF/PGW设备后方应部署一台 Relay GW设备，并将其与核心网中的控制平面、用户界面及网络管理模块保持连接；随后通过在 Relay基站报文中附加携带 CPE空口IP地址的报文头的方式，在其基础上构建VPN隧道连接至 CPE终端及 RelayGW设备；最终形成如图7所示的隧道式无线回传网络架构

图7 隧道模式无线回传网络架构

支持采用隧道模式进行无线回传的方案包括L2TP（Layer 2 Tunneling Protocol） VPN通道、IPSec VPN通道以及VxLAN VPN通道等技术路线。通过这种技术路线，在 Relay基站中能够灵活地配置多个公网IPv4地址；然而这也会导致每个公网IPv4地址对应的公网IPv4报文头部信息量有所增加。基于L2TP VPN通道的技术架构，在 Relay节点上的无线电信号回传过程涉及两个方向的数据传输——即管理面上的数据流量与业务面上的数据流量如图8和图9所示详细展示了这一过程的具体运行机制。

图8 隧道模式无线回传控制面

图9 隧道模式无线回传用户面

2.5 多种无线回传技术对比

3GPP规范对LTE Relay及NR IAB无线回传技术进行了全面定义，并对其功能进行了完善描述；然而，在设备接口、基站架构以及核心网集成等方面均进行了相应的调整优化；这种改进虽然带来了更高的系统性能保障；但却显著增加了系统的集成难度；尤其是在不同厂商的技术适配性方面存在较大挑战；因此建议考虑采用另外两种更为成熟的无线回传方案以规避上述技术难点；参考表2可获得多种无线回传技术的性能对比数据

表2 多种回传方案对比

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无线回传性能分析

3.1 性能分析

使用室外回传CPE进行回传时，CPE一般位于宿主基站的中远点，宿主站下面还有其他用户，故CPE很难达到上下行峰值速率，另外Relay基站会增加GTP协议头，以及Relay站的控制面和管理面的开销。因此，Relay站小区的速率小于CPE的速率。从分析来看，Relay站用户报文长度越小，则头开销占比越大，Relay站用户报文长度越大，则头开销占比越小，报文长度为1 300 B时，头开销在10%以下。桥接模式方案头开销占比最小，IPSec隧道方案头开销占比最大，所以在没有特殊安全要求的情况下，没有必要使用IPSec隧道模式。无线回传方案主要通过Relay基站扩展覆盖，对容量基本没有提升。图10所示为不同无线回传方案头开销的对比。

图10 不同无线回传方案头开销对比

采用IPSec隧道方案完成Relay端到端通信测试，在无线环境下进行相关性能评估。其中CPE节点的上传带宽为78.3 Mbit/s, 下载带宽为8.3 Mbit/s; 对应的-relay节点用户上传速率为68.6 Mbit/s; 无线传输引起的开销占比约为10%, 与上述计算结果吻合。

3.2 Relay基站MTU设置

通常情况下，设备的最大传输单元（Maximum Transmission Unit, MTU）设定为1 500字节。当 Relay站点下用户的 MTU 较大时，则会经历以下过程： Relay基站添加GTP 头部、CPE 添加头部以及宿主基站再添加头部；这一过程会导致一个 IP 报文被分割成多部分发送出去。 这不仅会因设备分片处理而导致性能下降，并且还会延长重组 IP 报文所需的时间。 因此建议将 Relay站点的 MTU 设置较小一些，在新增了头部之后仍需确保其小于等于 1 500字节。 参考表3中的 MTU 值设定示例，请根据具体需求进行调整设置

表3 Relay站报文MTU设置

当采用L2TP隧道技术时，在考虑网络性能的情况下, 建议将 Relay 站的 MTU 值设定为不大于 1 350 B。对于其他类型的隧道方式，则应按照该方法合理配置 Relay 站的 MTU 值。

3.3 时延分析

相较于常规基站系统而言，无线回传方案将带来时延上的提升。这种提升主要涉及回传CPE端口在空口传输过程中的延迟积累、经过xGW进行SGi接口转发后再转接到目的网络设备的过程中的延迟累积以及相关设备处理数据的时间消耗。整体上预计总延迟将在20至30毫秒之间波动（如图11所示）。

图11 无线回传时延分析

该设备（Ping延迟）在包大小设置为32字节的情况下表现出较低的传输时间；而针对Relay站用户提供服务的设备则显示出显著较长的响应时间；对比分析显示，在这种配置下整体传输时间增加了大约32毫秒；对于较大的数据流量处理单元——即CPE设备而言，在采用更大的数据块尺寸（1,500字节）的情况下其响应时间进一步缩短至50毫秒；同样地，在这种设置下针对Relay站用户的响应时间也达到了91毫秒；进一步对比表明，在这种配置下整体传输时间增加了约41毫秒；这也表明分片操作会增加传输时间

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结束语

文章阐述了无线回传的重要性及其主要应用场景，并深入探讨了实现无线回传的主要技术路径。详细剖析了3GPP协议中定义的LTE Relay传输机制以及NR IAB提出的无线回传方案，并对其它几类典型传输方式进行了深入研究。系统评估了开销对Relay站点性能的影响程度，并提出了优化配置Relay站点Maximum transmission unit（MTU）的有效策略。研究发现采用Relay传输可能会导致通信时延出现增长情况，并指出不同方案各自具有的独特优势特点，在综合考虑成本投入及具体应用需求的基础上可灵活选择最优传输方案进行部署