CN109005600A - 一种5g nr系统中终端接入层的实现系统及方法 - Google Patents

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郑建宏
罗静
罗一静
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Abstract

本发明涉及一种5G NR系统中终端接入层的实现系统及方法，属于移动通信领域。该系统包括RRC模块、PDCP模块、RLC模块、MAC模块；所述RRC模块包括4G RRC模块和5G RRC模块；所述PDCP模块包括4G PDCP模块和5G PDCP模块；所述RLC模块包括4G RLC模块和5G RLC模块；所述MAC模块包括4G MAC模块和5G MAC模块；所述4G RRC、4G PDCP、4G RLC和4G MAC模块支持E‑UTRAN接入网；所述5G RRC、5G PDCP、5G RLC和5G MAC模块支持5G NR接入网。本发明使终端接入层满足5G单模，4G单模和MR‑DC模式。

Description

一种5G NR系统中终端接入层的实现系统及方法
技术领域
本发明属于移动通信技术领域，涉及一种5G移动通信终端的接入层实现系统及方法。
背景技术
在5G网络架构中，各个系统厂家以及运营商在3GPP讨论时候提出了多种备选方案，重点研究E-UTRAN接入网络和5G接入网络的各种组合方式，在3GPP的接入网工作组78次(RAN78)会议上基本达成一致意见，具体输出标准讨论文稿号是RP-172627，在该文稿中记录了未来5G系统中，各大运营商基本认可采用组合方式，具体有：非独立组网选择3x方案(NSA Option3x(EN-DC))，非独立组网选择7x方案(NSA Option 7x)，非独立组网选择4方案(NSA Option 4)，以及独立组网方案(SA Option 2)和E-UTRAN基站和5G组网选择5方案(LTE connected to 5GC via Option 5)。
在2018年6月的RAN 80次会议上，3GPP冻结的5G标准REL15版本，该版本首先完成了NSA中的EN-DC组网方案，包括物理层技术和协议控制，属于3GPP在5G系统中具有里程碑意义的冻结版本，为各家进行5G相关商用产品开发提供了标准支持。此外，在RAN80次会议上同时完成5G系统SA方式的技术讨论，在2018年9月份将提供完成的SA冻结版本。
在讨论终端接入层实现之前，首先介绍一下多接入双连接(简称：MR-DC)内容。2018年6月冻结的REL15版本，完成了NSA组网中的EN-DC方案，也称为增强分组核心网络(简称EPC)的MR-DC方案(MR-DC with EPC)，如图1所示，在该方案中，终端(简称：UE)同时连接到作为主节点(简称MN)的eNB和作为辅节点(简称：SN)的en-gNB。eNB与EPC相连而en-gNB通过X2接口与eNB相连。其中的eNB表示E-UTRAN基站(4G基站)，en-gNB表示向UE提供5G的用户平面和控制平面，核心网则接入到E-UTRAN网络中。
EN-DC组网方案将是5G商用的一种前向兼容使用方式，利用了现有的EPC核心网络，兼容目前使用的4G终端，在此基础上增加了新无线(简称，NR，5G空中接口)一个新连接方式，并由此组成了双连接。
在移动通信系统中，5G网络的演进不仅仅升级了接入网络，而且在核心网上也做了大量调整，并且命名为5G核心网(简称：5GC)。以5GC作为核心网的MR-DC也存在很多种组合方式，如图2所示。gNB和ng-eNB通过Xn接口实现节点之间的相互连接。gNB和ng-eNB通过NG接口连接到5GC。其中NG-RAN节点通过NG-C接口连接到AMF(Access and MobilityManagement Function，接入和移动管理功能)，并通过NG-U接口连接到UPF(User PlaneFunction，用户平面功能)，其中gNB表示其向UE提供NR用户平面和控制平面协议的终结；ng-eNB表示其向UE提供E-UTRA用户平面和控制平面协议的终结。
在具体的操作方案中，由于选择gNB还是ng-eNB作为主节点，将MR-DC with 5GC分成了两种MR-DC方式，即NGEN-DC和NE-DC，如表1所示。
表1 MR-DC with 5GC的两种组合方式
MR-DC with the 5GC(5G核心网的MR-DC) 主站(MN) 辅站(SN)
E-UTRA-NR Dual Connectivity(NGEN-DC) Ng-eNB(5GC) gNB(Xn)
NR-E-UTRA Dual Connectivity(NE-DC) gNB(5GC) ng-eNB(Xn)
在3GPP工作组讨论中，具体参见E-UTRAN和新无线(简称：NR)的多连接的技术研究报告TS37.340，重点给出了各种多连接的层2组合方案，在实际工程实现中，网络侧可以直接在该架构基础上进行实现设计。例如图3和图4所示。MN和SN隶属于不同的基站设备，它们存在于不同的基站设备中，各自有独立层2结构和无线资源控制模块(简称：RRC)，MN和SN的RRC模块之间是通过X2接口或Xn接口进行协调通信。
但是在终端侧3GPP提供的层2结构，如图5和图6所示。MN和SN的数据在NR PDCP是合并在一起的，并且在3GPP推荐说明MR-DC组网场景中，网络侧的RRC在MN和SN中实现，其中的SN中的RRC受到MN的RRC控制和协调。在具体实现中，根据MN和SN之间接口协调即可实现。但是MR-DC的终端侧，3GPP仅仅推荐使用单RRC来实现。
3GPP推荐使用的单RRC来实现MR-DC方案，仅仅从标准角度上讲不存在技术问题，终端和主节点之间存在信令连接，辅节点和终端之间连接时隶属于终端和主节点信令连接，并且MN和SN的RRC信令处理都在终端中完成，所以可以采用单RRC模块来实现。
但是在MR-DC中，终端采用单RRC模块来实现MR-DC双连接的无线资源功能是存在一些问题。具体问题如下：
第一：从移动通信演进角度来讲，无论是MR-DC with EPC还是MR-DC with 5GC方案，这种组合较交多，在实际商用终端中，终端不可能仅仅支持一种组合方式。这就要求终端在前期设计的构架上需要灵活支持各种MR-DC方式。如果采用单RRC方式来实现，那么使得RRC很难模块化设计，并且RRC模块设计显得非常复杂，不利于代码后期的升级和维护。
第二：随着移动通信网络的演进，在很长一段时间将存在5G和4G网络共存的场景，目前4G终端已经大量商用，因此在MR-DC的终端设计中，基本都是基于在4G终端的协议架构上进行升级实现，所以在原来的4G的RRC模块上直接增加5G RRC功能，容易打破原有4G的RRC设计架构，并且不利于4G单模的稳定。
第三：目前虽然5G标准已经冻结，但是还存在一段时间的修改调整阶段，在工程实现中很难保证对5G RRC不做修改。如果4G和5G RRC在一个模块中实现，每次修改5G RRC部分都会增加代码错误概率，所以需要将5G的RRC模块独立出来。
第四：在目前MR-DC方案中，EN-DC组合采用的是EPC的核心网，但是在演进的MR-DCwith 5GC中，主节点的RRC不一定是4G的RRC，可能是5G NR的RRC节点。MR-DC with5GC的RRC设计和MR-DC with EPC的RRC存在很大差异，造成MR-DC with EPC的终端RRC很难直接修改升级到MR-DC with 5GC。
在RRC模块的功能架构划分上，在层2链路实现也存在很多挑战，具体体现如下：
第一：在MR-DC终端的高层协议软件中存在两种方式的PDCP(Packet DataConvergence Protocol，分组数据汇聚协议)模块，即NR PDCP和E-UTRAN PDCP；两种方式的RLC模块，即NR RLC和E-UTRAN RLC；以及两种方式的MAC模块，即NR MAC和E-UTRAN MAC。根据网络组网方式以及网络具体配置情况，终端可以使用单NR的层2结构，也可以使用单E-UTRAN的层2结构，当然也可以同时支持两种方式，这给终端实现带来了复杂性。
第二：根据5G系统中的MR-DC双连接特点，不同的接入制式的PDCP和RLC之间可以互相交互。即NR PDCP和E-UTRAN的RLC，以及NR RLC都可以进行数据交互。这大大增加了终端协议栈设计的复杂程度。如何管理不同的PDCP和RLC之间映射，以及不同的RLC和MAC之间映射，也变得非常复杂。
第三：在MR-DC的场景中，不仅存在不同制式的PDCP，RLC和MAC，并且其中的PDCP和RLC还存在多实例应用场景，那么对PDCP和RLC多实例的管理也非常复杂，如何进行模块化设计，简化设计流程显得非常关键。
本发明是针对目前5G NR系统中，终端接入层实现过程中存在的各种挑战而提出来的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种5G NR系统中终端接入层的实现系统及方法，(1)满足4G单模终端和5G单模终端的设计要求；(2)使终端支持各种配置的MR-DC情况，便于终端接入层代码的升级维护；(3)使得整个终端接入设计架构清晰，便于开发代码稳定；(4)使终端接入层架构满足5G单模，4G单模，以及MR-DC各种组合模式。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种5G NR系统中终端接入层的实现系统，包括RRC模块、PDCP模块、无线链路控制RLC模块、MAC模块；接入层实现架构如图7所示，所述RRC模块包括4G RRC模块和5G RRC模块；所述PDCP模块包括4G PDCP模块和5G PDCP模块；所述RLC模块包括4G RLC模块和5G RLC模块；所述MAC模块包括4G MAC模块和5G MAC模块；
所述4G RRC模块、4G PDCP模块、4G RLC模块和4G MAC模块支持E-UTRAN接入网；所述5G RRC模块、5G PDCP模块、5G RLC模块和5G MAC模块支持5G NR接入网；
所述PDCP模块和RLC模块都采用多实例方式实现，多实例的实例编号对应无线承载标识号；所述MAC模块采用单实例方式实现。
进一步，在单模接入实现架构中：4G RRC、4G PDCP、4G RLC和4G MAC模块通过组合完成4G接入网的接入层任务，支持4G单模网络，如图7中的4G单模接入层协议栈；5G RRC、5GPDCP、5G RLC和5G MAC模块通过组合完成5G接入网的接入层任务，支持5G单模网络，如图7中5G单模接入层协议栈。
进一步，在多模接入网MR-DC实现架构中：终端接入层支持4G单模接入层功能和5G单模接入层功能，还支持4G和5G共同承载的控制和业务数据，图7中的MR-DC分裂承载处理部分；
在上行控制平面，4G/5G PDCP模块支持发送来自4G RRC和5G RRC的数据包；在上行业务平面，4G/5G PDCP模块支持发送来自应用层的数据，并且将数据发送到对应的4GRLC模块或5G RLC模块，或是两个模块都同时发送；
在下行控制平面，无论4G RLC模块还是5G RLC模块，收到来自网络的信令数据提交到对应PDCP模块，由PDCP模块处理之后，提交到主站的RRC模块；在下行业务平面，收到来自RLC的数据包，由4G/5G PDCP处理之后直接提交到应用层。
进一步，4G/5G PDCP模块，根据网络配置是4G PDCP实例或5G PDCP实例，如果是4GPDCP实例，则由4G RRC模块管理，如果是5G PDCP，则由5G RRC模块管理。
进一步，所述4G RRC模块完成4G PDCP和4G RLC实例的创建和删除，以及4G RLC实例的配置参数修改功能；所述4G RRC模块还配置4G MAC层参数；所述5G RRC模块完成5GPDCP和5G RLC实例的创建和删除，以及5G RLC实例的配置参数修改功能；所述5G RRC模块还配置5G MAC层参数。
下面具体说明本发明中各个接入层模块的创建，修改，删除过程，以及数据链路控制方式，如图8所示，实线表示终端和网络之间的交互数据流，虚线表示终端接入层内部各个模块之间的控制流。
一种5G NR系统中终端接入层的实现方法，终端接入层各个模块内部之间的控制流：4G RRC模块和5G RRC模块之间存在控制通路，4G RRC模块仅处理来自网络的4G RRC消息，如果在4G RRC消息中包含了5G RRC消息内容，则4G RRC模块将从4G RRC消息中提取出5G RRC消息，并且直接转发到5G RRC模块，由5G RRC进行消息解析和处理；同样过程，5GRRC模块仅处理来自网络的5G RRC消息，如果在5G RRC消息中包含了4G RRC消息内容，则5GRRC模块将从5G RRC消息中提取出4G RRC消息，并且直接转发到4G RRC模块，由4G RRC进行消息解析和处理。
进一步，终端和网络之间的数据流：
在下行方向，在MAC模块(4G MAC模块或是5G MAC模块)中记录了MAC层对应的逻辑信道号(Logic Channel Identifier,LCID)以及无线承载标识(简称rb Identity)，MAC模块接收到来自物理层的数据，则MAC模块根据数据包中的LCID，搜索到对应RLC实例(4G RLC实例或是5G RLC实例)，并且将接收到的数据块转发到该RLC实例中；RLC实例收到来自MAC层的数据包之后，进行数据重组操作，根据RLC的无线资源标识找到对应的PDCP实例号，并且将RLC实例收到的数据块转发到PDCP模块(4G PDCP或是5G PDCP)；
在上行方向，应用层发送数据到PDCP模块，根据PDCP的配置，PDCP模块把数据包发送到对应的优先RLC实例，或是发送到所有对应的RLC实例，由RLC实例通过MAC层发送到物理层。
本发明的有益效果在于：
第一：在不影响5G NR的一致性的信令交互情况下，5G NR接入层中的RRC模块采用了双模块方式实现，即在终端侧存在独立的4G RRC模块和5G RRC模块。这种架构设计可以满足4G单模终端，也可以满足5G单模终端的设计要求。
第二：在4G RRC模块和5G RRC模块之间建立消息传输机制，可以用于传输4G RRC消息中携带的5G RRC消息场景，也可以用于传输5G RRC消息中携带有4G RRC消息的场景，方便4G RRC模块仅仅处理4G RRC消息，5G RRC模块仅仅处理5G RRC消息。这个架构方式便于终端支持各种配置的MR-DC情况，有利于终端接入层代码的升级维护。
第三：4G RRC负责4G PDCP，4G RLC多实例管理，包括实例创建和删除，以及参数配置。5G RRC负责5G PDCP，5G RLC多实例管理，包括实例创建和删除，以及参数配置。使得整个终端接入设计架构清晰，便于开发代码稳定。
第四：从目前5G的商用产品开发来分析，终端基带形态可以有5G单模，4G单模，以及MR-DC各种组合模式，特别在MR-DC中，主站和辅站可以是4G基站也可以是5G基站，并且在4G和5G的传输上还存在分离的承载，需要终端支持的场景非常多，在实际的终端基带开发中，不可能仅仅考虑其中一种场景，该接入层架构有利于各种组合。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为5G系统中的EN-DC双连接方案图；
图2为5G系统中的5G核心网的MR-DC双连接解决方案图；
图3为网络侧的MR-DC with EPC图；
图4为网络侧的MR-DC with 5GC图；
图5为终端侧的MR-DC with EPC图；
图6为终端侧的MR-DC with 5GC图；
图7为MR-DC中终端接入层设计架构图；
图8为MR-DC中终端接入层内部模块之间控制关系图；
图9为5G MR-DC基带接入层架构图；
图10为5G MR-DC基带接入层模块的4G单模场景图；
图11为5G MR-DC基带接入层模块的5G单模场景图；
图12为5G MR-DC基带接入层模块的4G/5G双连接场景图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本发明提供了在5G多模终端中的接入层基带设计方案。5G多模终端需要支持单模4G接入技术，单模5G接入技术，以及多模MR-DC接入技术。其中MR-DC场景中，5G多模终端接入层需要支持MR-DC with EPC和MR-DC with 5GC场景，在MR-DC with EPC场景中，支持4G基站作为主站节点，5G基站作为辅站节点使用，亦称为EN-DC场景；在MR-DC with 5GC场景中，5G多模终端接入层的主站节点是4G基站或是5G基站，辅站节点可以是4G基站或是5G基站。
根据本发明，5G MR-DC基带的接入层架构如图9所示，整个架构设计包含模块如下。
有两个单实例RRC模块，其中一个是4G RRC，该模块满足3GPP TS36.331的功能要求，另外一个是5G RRC，该模块满足3GPP TS38.331的功能要求；有两个独立的PDCP模块，每个PDCP模块采用多实例方式设计，PDCP实例号和PDCP分配的无线承载标识相同，其中一个是4G PDCP模块，满足3GPP TS36.323的功能要求，另外一个是5G PDCP模块，满足TS38.323功能要求；有两个独立的RLC模块，每个RLC模块采用多实例方式设计，RLC实例号和RLC分配的无线承载标识相同，其中一个4G RLC模块，满足3GPP TS36.322功能要求，另外一个是5GRLC模块，满足3GPP 38.322功能要求。有两个独立MAC功能模块，每个MAC模块都采用单实例方式设计，其中一个4G MAC模块，满足3GPP TS36.321功能要求，另外一个是5G MAC模块，满足3GPP TS38.321功能要求。
根据本发明，5G MR-DC基带的接入层架构如图9所示，整个架构设计的接口包括4G单模接口，如表2所示；5G单模接口，如表3所示；以及4G/5G协调接口，如表4所示。
表2：5G MR-DC基带接入层内部4G单模接口
表3：5G MR-DC基带接入层内部5G单模接口
表4：5G MR-DC基带接入层内部4G/5G协调接口
上面根据本发明定义了5G MR-DC基带接入层模块以及它们之间的接口，下面根据本发明的内容，介绍5G MR-DC基带接入层模块功能实现方式。
(一)4G单模场景
在4G单模场景中，5G MR-DC基带接入层模块根据网络的无线资源配置，5G MR-DC基带接入层模块仅仅启动4G相关模块，每个模块满足4G的3GPP相关标准要求，如图10所示，其它模块代码也存在终端基带中，但是处于不激活状态。
(二)5G单模场景
在5G单模场景中，5G MR-DC基带接入层模块根据网络的无线资源配置，5G MR-DC基带接入层模块仅仅启动5G相关模块，每个模块满足5G的3GPP相关标准要求，如图11所示，其它模块代码也存在终端基带中，但是处于不激活状态。
(三)4G/5G MR-DC双连接场景
在4G/5G MR-DC双连接场景中，5G MR-DC基带接入层模块根据网络的无线资源配置，5G MR-DC基带接入层模块既启动了5G相关模块，同时还需要启动4G相关模块，如图12所示。
在该图12中，网络配置MR-DC场景的时候，如果4G站点是主节点，那么4G/5G PDCP，则由4G RRC创建和删除，并且进行参数配置，4G/5G PDCP满足3GPP 36.323的功能要求。如果5G站点是主节点，那么4G/5G PDCP，则由5G RRC创建和删除，并且进行参数配置，4G/5GPDCP满足3GPP 38.323的功能要求。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种5G NR系统中终端接入层的实现系统，其特征在于：该系统包括无线资源控制(radio resource control,RRC)模块、分组数据汇聚协议(Packet Data ConvergenceProtocol,PDCP)模块、无线链路控制(radio link control,RLC)模块、媒体接入控制(Media Access Control,MAC)模块；所述RRC模块包括4G RRC模块和5G RRC模块；所述PDCP模块包括4G PDCP模块和5G PDCP模块；所述RLC模块包括4G RLC模块和5G RLC模块；所述MAC模块包括4G MAC模块和5G MAC模块；
所述4G RRC模块、4G PDCP模块、4G RLC模块和4G MAC模块支持E-UTRAN接入网；所述5GRRC模块、5G PDCP模块、5G RLC模块和5G MAC模块支持5G NR接入网；
所述PDCP模块和RLC模块都采用多实例方式实现，多实例的实例编号对应无线承载标识号；所述MAC模块采用单实例方式实现。
2.根据权利要求1所述的5G NR系统中终端接入层的实现系统，其特征在于：
在单模接入实现架构中：4G RRC、4G PDCP、4G RLC和4G MAC模块通过组合完成4G接入网的接入层任务，支持4G单模网络；5G RRC、5G PDCP、5G RLC和5G MAC模块通过组合完成5G接入网的接入层任务，支持5G单模网络。
3.根据权利要求1所述的5G NR系统中终端接入层的实现系统，其特征在于：
在多模接入网多接入双连接MR-DC实现架构中：终端接入层支持4G单模接入层功能和5G单模接入层功能，还支持4G和5G共同承载的控制和业务数据；
在上行控制平面，4G/5G PDCP模块支持发送来自4G RRC和5G RRC的数据包；在上行业务平面，4G/5G PDCP模块支持发送来自应用层的数据，并且将数据发送到对应的4G RLC模块或5G RLC模块，或是两个模块都同时发送；
在下行控制平面，无论4G RLC模块还是5G RLC模块，收到来自网络的信令数据提交到对应PDCP模块，由PDCP模块处理之后，提交到主站的RRC模块；在下行业务平面，收到来自RLC的数据包，由4G/5G PDCP处理之后直接提交到应用层。
4.根据权利要求1所述的5G NR系统中终端接入层的实现系统，其特征在于：4G/5GPDCP模块，根据网络配置是4G PDCP实例或5G PDCP实例，如果是4G PDCP实例，则由4G RRC模块管理，如果是5G PDCP，则由5G RRC模块管理。
5.根据权利要求1所述的5G NR系统中终端接入层的实现系统，其特征在于：所述4GRRC模块完成4G PDCP和4G RLC实例的创建和删除，以及4G RLC实例的配置参数修改功能；所述4G RRC模块还配置4G MAC层参数；所述5G RRC模块完成5G PDCP和5G RLC实例的创建和删除，以及5G RLC实例的配置参数修改功能；所述5G RRC模块还配置5GMAC层参数。
6.适用于权利要求1所述的系统的一种5G NR系统中终端接入层的实现方法，其特征在于：终端接入层各个模块内部之间的控制流：4G RRC模块和5G RRC模块之间存在控制通路，4G RRC模块仅处理来自网络的4G RRC消息，如果在4G RRC消息中包含了5G RRC消息内容，则4G RRC模块将从4G RRC消息中提取出5G RRC消息，并且直接转发到5G RRC模块，由5GRRC进行消息解析和处理；5G RRC模块仅处理来自网络的5G RRC消息，如果在5G RRC消息中包含了4G RRC消息内容，则5G RRC模块将从5G RRC消息中提取出4G RRC消息，并且直接转发到4G RRC模块，由4G RRC进行消息解析和处理。
7.根据权利要求6所述的5G NR系统中终端接入层的实现方法，其特征在于：终端和网络之间的数据流：
在下行方向，在MAC模块中记录了MAC层对应的逻辑信道号(LogicChannelIdentifier,LCID)以及无线承载标识，MAC模块接收到来自物理层的数据，则MAC模块根据数据包中的LCID，搜索到对应RLC实例，并且将接收到的数据块转发到该RLC实例中；RLC实例收到来自MAC层的数据包之后，进行数据重组操作，根据RLC的无线资源标识找到对应的PDCP实例号，并且将RLC实例收到的数据块转发到PDCP模块；
在上行方向，应用层发送数据到PDCP模块，根据PDCP的配置，PDCP模块把数据包发送到对应的优先RLC实例，或是发送到所有对应的RLC实例，由RLC实例通过MAC层发送到物理层。
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