[论文解读] RAN Functional Splits in NTN: Architectures and Challenges

Riccardo Campana, Carla Amatetti+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2023

Software-Defined Networks and 5GComputer Science被引用 3

一句话总结

本文提出了一种面向6G非地面网络（NTN）的动态功能切分架构，利用人工智能驱动的优化方法，在时延、能效和资源利用率之间实现平衡。研究分析了NTN特有的信道损伤对8种无线接入网（RAN）功能切分的影响，识别了F1接口在数据速率和往返时延方面的需求约束，并提出引入中心智能（CI）单元，以根据网络状态和业务负载约束，实现对无线网络单元（CU）与分布单元（DU）功能的实时、系统感知的重新配置。

ABSTRACT

While 5G networks are already being deployed for commercial applications, Academia and industry are focusing their effort on the development and standardization of the next generations of mobile networks, i.e., 5G-Advance and 6G. Beyond 5G networks will revolutionize communications systems providing seamless connectivity, both in time and in space, to a unique ecosystem consisting of the convergence of the digital, physical, and human domains. In this scenario, NonTerrestrial Networks (NTN) will play a crucial role by providing ubiquitous, secure, and resilient infrastructure fully integrated into the overall system. The additional network complexity introduced by the third dimension of the architecture requires the interoperability of different network elements, enabled by the disaggregation and virtualization of network components, their interconnection by standard interfaces and orchestration by data-driven network artificial intelligence. The disaggregation paradigm foresees the division of the radio access network in different virtualized block of functions, introducing the concept of functional split. Wisely selecting the RAN functional split is possible to better exploit the system resources, obtaining costs saving, and to increase the system performances. In this paper, we firstly provide a discussion of the current 6G NTN development in terms of architectural solutions and then, we thoroughly analyze the impact of the typical NTN channel impairments on the available functional splits. Finally, the benefits of introducing the dynamic optimization of the functional split in NTN are analyzed, together with the foreseen challenges.

研究动机与目标

• 解决当前在非地面网络（NTN）中针对5G/6G功能切分的研究不足，特别是针对NTN特有的信道损伤影响。
• 分析8种定义的RAN功能切分在NTN中的可行性，重点研究F1接口在数据速率和往返时延方面的要求。
• 识别在低功耗、高时延卫星载荷上实现功能切分时面临系统级挑战，包括功率供应的波动性。
• 提出一种基于人工智能的动态功能切分优化框架，可依据实时网络状态，自适应地在地面CU与星上DU之间重新配置RAN功能。
• 通过优化载荷资源使用和馈电链路利用率，实现节能且QoS有保障的NTN运行。

提出的方法

• 对NTN中8种RAN功能切分选项（S1至S7）进行全面分析，评估其与NTN特有约束（如高路径损耗、多普勒频移和长传播时延）的兼容性。
• 利用Ku、Ka、W和Q/V频段的模拟SRI（卫星回传链路）性能，评估F1接口在数据速率和往返时延方面的需求。
• 提出一个中心智能（CI）单元，用于实时采集网络KPI：用户业务类型/流量、载荷计算能力、可用功率以及馈电链路吞吐量/时延。
• 在CI中实现基于人工智能的决策引擎，动态计算并重新部署最优功能切分，优先考虑载荷节能和馈电链路利用率。
• 在两种场景下评估动态切分的可行性：(1) 严格功耗约束（最小化星上能耗），(2) 宽松功耗约束（最大化馈电链路使用）。
• 通过分析通用处理器（功耗过高）与独立专用硬件（复杂且利用率低）之间的权衡，识别硬件限制，并建议未来采用低功耗高性能处理器可提升可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在当前F1接口对数据速率和往返时延的约束下，8种RAN功能切分中哪些在NTN中是可行的？
• RQ2 NTN特有的信道损伤（如长传播时延、多普勒扩展和阴影衰落）如何影响不同功能切分的性能与可行性？
• RQ3 动态功能切分优化在多大程度上可降低近地轨道（LEO）卫星上的载荷能耗？
• RQ4 实现NTN中实时、基于人工智能的功能切分自适应机制所需的关键网络KPI有哪些？
• RQ5 在卫星载荷上实现动态功能切分面临的主要硬件与架构挑战是什么，以及如何缓解？

主要发现

• 低层级功能切分（S1–S4）在Ku和Ka频段上可行，可实现约1 GHz的足够F1数据速率，确保可靠运行。
• 高层级功能切分（S6和S7）需依赖W和Q/V频段以满足F1数据速率要求，且仅在HARQ过程定时约束放宽的前提下可行，该功能已在3GPP Release 17中引入。
• 仅低层级功能切分（S1–S4）可在不进行协议适配的情况下支持，这是由于对往返时延的严格约束。
• 通过SRI可靠传输CD-DU接口PDU对功能切分稳定性至关重要，必须通过稳健的链路层机制加以保障。
• 通过人工智能驱动的CI实现的动态功能切分优化，可通过将RAN功能从载荷迁移至地面，显著降低星上载荷能耗，但会增加馈电链路的时延和带宽需求。
• 当前动态切分的实现受限于硬件能力，仅适用于低容量业务；但未来低功耗高性能处理器的出现可使该技术扩展至所有业务类型。