基于5G-NR演进浅析和展望未来6G系统中去蜂窝化技术的应用 林贤贞
摘 要 蜂窝和非蜂窝移动通信体系在过去有着长久的相互竞争，并且各具优劣势。随着6G 时代即将到来，基于传统蜂窝小区的移动系统将会变得越来越复杂，其“规建维优营”的成本代价也会越来越高，因此通信运营商的相关痛点感越来越强。文章针对业界已出现的某些“未来B5G 和6G 服务小区将会坍塌(去蜂窝化)”的论调，进行深入综合的分析，结合着3GPP B5G 最新标准化动态和趋势，展望未来服务小区去蜂窝化的可能性和相关技术融合发展趋势。关键词 移动通信系统；蜂窝化；去蜂窝化；B5G ；6G
任 震1,2 杨 立1,2 谢 峰1,2 夏树强1,2 韩志强1,2
1 中兴通讯股份有限公司 深圳 518057
2 移动网络和移动多媒体技术国家重点实验室 深圳 518057
1 业界背景和综述
1.1 蜂窝与非蜂窝组网的对比
2019年是5G-NR 蜂窝移动通信系统在中国商用的元年。5G-NR 旨在实现万物互联和改变社会，它不仅提升了面向普通移动消费者(to Customer, 2C)的数字化消费能力和移动业务丰富度，更深度赋能了众多的垂直行业，促进它们生产关系的重构升级和生产力提升，因此5G 可谓全人类至今最强大的DICT 基础设施平台。5G-NR 系统所对应的第三代合作伙伴项目(3GPP)，目前正在进行Rel-17版本功能的标准化开发[1]，其反映出的B5G 网络异构化、垂直化和轻量化的特征和趋势愈发明显。
过去，移动电信运营商都是以蜂窝组网(Cellular Based)且服务2C 类用户为主，即在某个特定的中心频点和频段带宽上，蜂窝服务小区(Cell)被同频重用的连续构建，并且彼此之间可有相邻重叠覆盖。随着异构
组网、射频拉远和波束赋形(Beamforming ，BF)等技术的发展应用，蜂窝Cell 可根据目标覆盖和容量的需要，呈现出不同的覆盖形状。与蜂窝组网相对立的是以IEEE 802.11标准所制定的无线局域网(WLAN)为代表的非蜂窝技术，它们的服务小区无需但可被连续地构建，彼此之间无需但可有重叠覆盖。在非蜂窝系统中，各个相邻服务小区和无线接入节点(AP)之间不需要有紧密或动态协作互操作，例如WLAN 中没有跨小区干扰协调和切换/双连接等复杂操作。非蜂窝系统主要面向准静止和游牧式终端用户，主要照顾处于覆盖中心地带的用户，无线服务方面尽力而为，用户体验无法被严格地保证；而3GPP 蜂窝系统不仅面向准静止和游牧式终端，更重要能面向广域移动甚至高速移动终端，且能提供保证的用户体验，非常强调无线服务的连续性、鲁棒性、低丢包率和处于小区边缘地带的通信性能。
因此，蜂窝和非蜂窝移动通信系统最核心的差别不是在峰值速率、吞吐率、传输延时等这些KPI 关键指标
方面，而是在能否高质量地支持服务连续性、鲁棒性、小区边缘和中心用户的一致性性能等方面。过去，主流通信运营商之所以选择蜂窝组网，主要考虑了2C场景用户需求，各类终端用户的不同体验需求，和大尺度范围内移动和较广阔的位置分布等特征诉求。
1.2 蜂窝小区坍塌(去蜂窝化)
众所周知，5G-NR系统技术和组网部署远比WLAN 的要复杂得多。它不仅表现在对各个5G-NR蜂窝小区的缜密规划、参数设置、各种网络接口协议栈和机制流程设计方面，更表现在空口数据调度传输管控更严密精准方面[2-3]。5G-NR复杂设计带来的好处是系统内各种资源的利用效率高、业务质量可被精准管控，但它也有明显的缺点，比如技术标准化和开发测试过程很复杂，耗时耗力，系统综合成本和组网部署运维费用高。若以此方式演进到6G时代，很可能难以承受和驾驭，必须极大地依赖人工智能(AI)等辅助手段。为了平衡上述优劣点，主流通信运营商通常采取以多频点、大带宽、大容量的宏蜂窝小区覆盖为主，同时在热点部署微/皮小小区(Small Cell)和非蜂窝小区(WLAN)热点叠加覆盖为辅的异构组网模式，如图1所示。实践证明，这在一定程度上能降低系统综合成本，但却又带来异构节点生态和异构化网络管控等负面问题
。
图1 蜂窝为主、非蜂窝为辅的异构组网模式再进一步，如果运营商想更大程度地去简化网络和降“规建维优营”成本，可尝试如图2类似的异构部署：即以Small Cell和非蜂窝小区覆盖为主，而蜂窝超大宏小区连续无缝覆盖为辅(超大宏小区可覆盖目标区域的大部分，但仅提供基本的接入信令管控服务，用户面业务数据传输主要依赖于众多的Small Cell和非蜂窝小区)，就会出现所谓的“蜂窝小区坍塌”或“去蜂窝化”。在蜂窝小区坍塌的系统中，除了配置较窄带宽和有限容量的信令管控层之外，主体业务容量层不再构建起无缝的连续覆盖，甚至在某些时刻和某些地区，会出现有益的无线覆盖空洞。因为那里暂时没有用户业务，根本不需要原本无谓浪费的无线信号覆盖。
蜂窝小区坍塌(去蜂窝化)的理念在于：终端用户并非均匀或完全随机的物理分布，网络中流量消耗和QoE 需求有一定的区域统计特征；更加精准有效的按需无线覆盖既能降低能耗，还能减少空口电波干
扰。上述特征在垂直行业(to Business，2B)某些场景(例如工业园区、矿区港口等)比2C场景更为明显。蜂窝小区坍塌(去蜂窝化)的根本诉求在于：通信运营商渴求能进一步降低系统和组网复杂度、CAPEX和OPEX成本，充分利用好2C和2B各种场景下的特征条件，实现无线服务的按需精准投放和资源投入产出更高性价比。因此，蜂窝小区坍塌一方面关系到移动系统制式的本身设计(如何让系统变得更精简、更高效和性价比更高)，另一方面还关系到组网运维等。总体上，蜂窝小区坍塌(去蜂窝化)有着特定的市场和商业应用前景，尤其在未来非常广阔的2B垂直行业领域。
图2 非蜂窝热点为主&蜂窝保底为辅的异构组网模式
1.3 蜂窝小区坍塌与Cell Free类技术
为了解决蜂窝组网中小区边界性能差，难以做到以用户为中心的痛点，业界很早就开始了所谓Cell Free(也称作虚拟小区、软小区等)[4-5]和分布式多天线MiMo技术的研究[6-7]。本质上，所有Cell Free类和分布
式MiMo类技术，都是建立在无线收发节点天线(TRP)之间紧密协同和协作的基础之上，因此网络要进行较大的超宽带光纤布设，无线资源管控和调度计算复杂度也明显提升。从终端角度看，UE获得了多点的收发分集和空分容量增益，确实提升了通信性能，但这可能不是对每个终端UE都那么必要。因此，Cell Free类技术其实就是以更大的系统复杂度和成本代价，去构建起一个更大的蜂窝小区，等
效于有机合并了原本若干个独立小小区。Cell Free主要解决了蜂窝小区边界通信性能一致性问题，而移动系统上层的诸多痛点问题基本不管。这不同于上述蜂窝小区坍塌(去蜂窝化)更广内涵和原始意图，例如：各种系统机制的灵活简化和节点进一步被轻量化等方面。
2 去蜂窝化诉求的启示和3GPP如何应对
2.1 WLAN非蜂窝化的特点和启示
下面从WLAN非蜂窝系统的机制特点出发，看看蜂窝小区坍塌(去蜂窝化)背后的诉求到底是什么？而5G-NR又是如何应对的？
1)WLAN最大优点是可部署工作在零成本的非授权频段载波上，AP设备即插即用，部署组网服务非常精简方便。WLANAP(除了后来Wi-Fi6/11.ax基于调度)通常不以正交时频资源块调度方式服务STA终端，因此不要求同一WLAN小区内的所有终端之间进行上下行时频精准同步，每个终端STA或AP以CSMA/CA 抢占方式，轮流着去使用一定的信道资源(竞争碰撞会导致低谱效)。WLAN系统中不存在高度集权的无线节点，每个无线节点的身份地位基本相同，即使它们在能力配置方面有差异。因此蜂窝坍塌诉求的第一个启示是，应降低类节点工作机制的复杂度和集成度，削弱类节点的高度集权，赋予终端类无线节点相对平等的地位权力。
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2)WLAN系统是个超扁平(只标准化PHY/MAC层)、分布式且弱信令控制面的系统，它在MAC层只有管理帧、控制帧和数据帧的三种格式定义，WLAN系统的标准化开发更多聚焦于用户面业务数据的传输机制；而以5G-NR为代表的蜂窝系统中，网络和空口各种信令流程的定义和设计要复杂地多，甚至大大超越了其用户面设计工作，这导致5G-NR标准化规范和开发测试的工作任务非常繁重，部署上市周期被拉长。大量的信令信息还导致额外的系统资源开销和兼容性测试。因此蜂窝坍塌诉求的第二个启示是，应减少移动通信系统不必要的控制信令设计和相关资源开销，更多聚焦和提升用户面的数据传输性能。
3)WLAN系统中的数据传输不需要基于无线链路(RL)，终端完成服务AP认证关联鉴权后，在空口也是无确定状态的；而以5G-NR为代表的蜂窝系统中，任何用户业务数据传输都是基于RL的(伴随着RLM监控过程)，且终端UE在空口有着确定RRC状态的。面向无线链路和空口状态的管理，会导致额外的控制信令和系统资源开销，有时更会导致较大的业务数据传输时延。因此蜂窝坍塌诉求的第三个启示是，应在特定条件下，适当地采用基于无连接或无状态的业务数据传输机制，尽量避免面向连接和状态的管控。
4)蜂窝系统正在朝着小小区方向拓展，形成超密集网络(UDN)[8]。服务小区越小，里面同时服务的终端个数就会越少，甚至只有一个UE，那么网络就更容易做Per UE级别的小区管控服务。如果整个小小区的时频资源可供单个终端完全使用，就可实现多用户之间的空分隔离，避免多用户间动态干扰。
基于竞争抢占资源的非蜂窝小区，如果做成大覆盖，里面同时服务的终端个数就很多，这会导致巨大的竞争拥塞灾难和资源效率劣化，因此非蜂窝WLAN小区都是小小区。因此蜂窝坍塌诉求的第四个技术启示是：尽量采取更小的小小区部署服务，以实现多用户间的空分隔离，减少多用户间的冲突串扰。
如图3所示，上述四个启示就是以WLAN为代表的非蜂窝系统的主要优点，其实也是蜂窝小区坍塌(去蜂窝化)诉求者及追捧者们的技术诉求。事实上，5G-NR
在系统顶层设计之初，就已充分考虑到了这些技术诉求和启示，并努力通过一些蜂窝系统制式框架内的技术手段，去逼近和实现上述四个特点优点方面。这说明5G-NR 在维持自己蜂窝化主特性的同时，也在积极地借鉴和融合着(去)非蜂窝的某些技术优势，下文将作具体分析。
2.2 5G-NR(B5G)功能演进特点和应对之策
针对上述第一点“精简便宜平等”的特征，5G -N R 系统已支持和实现了在非授权载波上的standalone 独立部署和服务。若去除掉不必要的冗余功能之后，Lite gNB 可演变成更便宜的轻量级无线，用于特殊场景的部署。随着集成接入后程技术(Integrated Access Backhaul ，IAB)的引入发展[1]，中继节点IAB Node(包含MT 和DU 两部分功能)具备了终端和的“二义性特征”。为了简化网络拓扑，3GPP 早期版本规定IAB Node 必须是固定的无线节点，因此它的属性特性更强一些，但它至少分
几丁质酶
化了IAB Doner 内的
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图3 WLAN为代表的非蜂窝制式四大技
术特征优势
部分功能权力。未来IAB Node 也可能是可随意移动的，那时它的终端属性特性就更强一些。未来，当用户终端UE 能力足够强大的时候，它们都可成为移动网络中的有机部分，甚至被赋予更高的地位权力。此外，基于NR 终端间直连Sidelink 的系列功能也正被开发得越来越强大。因此可预见，3GPP 网络架构正趋向于多样化和多拓扑化，UE 地位权力在不断地被提升和利用，原先纯蜂窝组网中已被融入了大量的非蜂窝组网元素。
针对上述第二点“弱信令、少冗余”的特征，5G-NR 系统在减少控制面信令方面已做了不少方面的优化。例如：为了减少不必要的系统广播消息SI ，5G-NR Rel-15初始版本就采取了On Demand SI 按需发送机制，即除了周期性广播必要的系统消息之外，其它SIBx 系统消息块，可由UE 通过RACH 请求触发广播。5G-NR Rel-15就支持RRC_INACTIVE 新状态，后来又支持了对双连接下MCG/SCG 底层配置的保存功能，因此当UE 回到单/双连接工作状态的时候，只需相对较少的控制信令即可完成单/双连接操作恢复。5G-NR Rel-15还支持NG-U 用户面 TS38.415[9]新协议，即通过PDU Session 会话用户面带内In-band 信令的方式，实现对各个IP Flow 包传输控制，这比用控制面信令的方式更加轻量简约。因此我们可预见，3GPP 网络未来会一
直致力于对控制面信令的简化、缩减去冗和不断地优化利用。
武英高速公路针对上述第三点“无连接无状态”的特征，5G -N R 系统在Rel-17之前只能支持在RRC_CONNECTED
连接状态下传输用户业务数据，但随着Rel-17 Small Data 新传输手段的引入实现，也支持在RRC_INACTIVE 状态下直接传输小微量的业务数据[10]，UE 不再需要总是进入RRC_CONNECTED 状态，且和之间无需建立维持无线链路。由于安全等因素，目前终端尚不支持在RRC_IDLE 状态下直接传输业务数据，但不排除未来的可能性。因此我们可预见，3GPP 网络未来会支持基于无连接无状态的数据传输新手段，还会有各种非正交接入(Non Orthogonal Multiple Access ，NOMA)传输技术[11-12]。Rel-17 Small Data 方式的传输效率和资源利用率未必最好，但却很适用于大并发、小微量、低延时数据包传输场景；而NOMA 系列技术的未来应用则有望进一步提升无线谱效。
针对上述第四点“小小区弱互扰”的特征，5G-NR Rel-15已支持多天线波束赋形Beamforming 操作。Beam 其实就是之前Small Cell 的升级版(更狭长强指向的小小区)[13]，它通过智能多天线实现了更小空间粒度的空分传输操作，较大减轻了多用户之间的冲突串扰和空间干扰能耗。对于Above-
3GHz 中高频段，为了获得理想覆盖，基于Beam 的传输基本都是标配；随着Beam 技术成熟优势凸显，未来在Sub-3GHz 低频段，也会广泛地使用Beams 。当未来6G 移动网络中的Beam 个数越来越多，终端使用越来越窄的Beams ，用户就犹如能和之间拉起一根或多根“无线光纤”，此时Beam 也可看成蜂窝小区某种形态的坍塌。我们可预见，3GPP 网络未来大部分的网络资源和能量开销都将集中在众多Beams 上，而非传统蜂窝小区似的能量大范围投射。
如图4所示，参考图3中WLAN 为代表的非蜂窝制式的主要优点，以5G-NR 为代表的3GPP 蜂窝系统正在进行相应的“去蜂窝化”技术融合和自身机制的优化增强。(B)5G 蜂窝小区相比传统的2/3/4G 蜂窝小区，其实已有外观和内在的较大不同，已呈现出许多的“去蜂窝化”特征，并且这种“去蜂窝化”融合趋势，未来还会继续地被深化拓展。
NR-U, IAB ˈSidelink, Lite 䖫䟿 ㅹ
5G-NR
仁䉡⌋ ⲴゴBeams ˈSmall Cell ㅹ
On Demand SI,INACTIVE ⣦ ,User Plane ㅹ
Small Data ˈ
NOMA,Configured Grant ㅹ
˄1˅
˄2˅
˄3˅˄4˅
图4 5G-NR为代表的蜂窝系统已融合了多种非蜂窝化技术
3 如何面对未来潜在的6G小区去蜂窝化
未来6G 移动通信系统将面向“全覆盖”、“全频谱”、“全应用”和“强安全”[7,14]。业界普遍预测3GPP 将会在Rel-20阶段(2026年前后)，针对6G 系统开始进行标准化工作。届时6G 系统的设计起点将是(B)5G 业已完成的各种系统特征功能(包含了Rel-15/16/17/18/19)和上述(B)5G 诸多“去蜂窝化”技术的使用实效证明，因此6G 系统将会以原生内生的姿态，集“蜂窝 vs 非蜂窝”各自理念和优势技术古今之大
成，深度融合共存发展。
未来，潜在的“6G 去蜂窝化”诉求，主要关系到“全频谱”、“全应用”和“强安全”三方面。随着6G 基于5G 毫米波的开发应用经验，进一步朝着更高频段(太赫兹、可见光等)拓展，6G 服务小区必将以更窄的波束Beam 和光束形式体现，服务指向性更强更准。随着6G 基于5G 在当今局部垂直行业的部署应用经验，进一步朝着更广阔的垂直行业应用领域(上行超大视频、高级智能体联网、数字孪生等)拓展，6G 服务小区和其相关部署组网必将体现出更多的异构化、定制化、轻量化和本地化等特征，进一步较大
拓展通信运营商的盈利增收空间[15]。随着业界对6G “强安全”的诉求，6G 服务小区必须要能体现出用户按需的物理/逻辑隔离性、连接可信性、隐私性等安全特征。上述面向未来6G 服务小区的特征诉求，不仅要依赖更先进的蜂窝技术手段，还要依赖于各种去蜂窝化的理念和技术手段。因此可以推断，未来6G 移动通信系统仍将会以蜂窝制式为主体，6G 服务小区不会完全的蜂窝坍塌(去蜂窝化)，但6G 蜂窝服务小区将会支持和实现更多的去/非蜂窝化的
特征功能，以满足通信运营商6G 时代下，更简约、实效、低成本的“规建维优营”需要。
4 总结和展望
在5G 时代，通信运营商们没再在蜂窝与非蜂窝组网之间过多地纠结，坚定地选择了两者之间异构融合组
网方式，只是各家的异构组网程度有所不同。5G-NR 系统技术在坚持自身蜂窝主体特性的同时，开始吸收非蜂窝制式的多种先进理念和优点，进一步让(B)5G 系统变得更灵活、高效、精简、便宜和绿轻量化。基于3GPP 当前Rel-17标准化状态，未来B5G 和6G 服务小区不仅不会坍塌，应会继续融入和支持更多的去蜂窝化技术优点和特性。无论“蜂窝坍塌”(去蜂窝化)最终会有什么新叫法或新变种，通信运营商们只是期待更低成本、更高效、更高质量的移动解决方案，和能支撑未来更大盈利增收空间的空口网络技术组合[15]。因此蜂窝和
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