6G 无线电协议设计的新颖方法(诺基亚白皮书）-他山之石（第一部分）

在讨论未来的应用场景和部署方案时，了解6G的发展方向和需求是非常重要的。同时，也需要尽早考虑6G对实施者的新需求。这份白皮书回顾了自2G以来无线电协议的演变，讨论了5G面临的最近的挑战，并提出了一个6G无线电协议设计框架的范式转变。新的框架建议采用双栈的方法，第一个栈承载控制层的功能和低比特率服务的优化，第二个栈针对无线电处理单元的并行处理进行优化。

AI文章分析：

本文档讨论了自 2G 以来无线电协议的演变以及 5G 面临的挑战。该论文提出了一种用于 6G 无线电协议设计的新框架，其中涉及双堆栈方法，其中一个堆栈针对低比特率服务进行了优化，另一个堆栈针对无线电处理单元 (RPU) 上的并行处理进行了优化。该文件的要点和关键论点是：

- 当前使用上一代协议栈作为下一代无线电协议起点的方法不适合6G。

- 当处理非常高的比特率服务时，单堆栈方法变得复杂且低效。

- 所提出的双栈方法将低比特率服务的优化与高比特率服务的优化分开。

- 锚定协议栈 (APS) 专为低比特率服务、覆盖范围和可靠性而设计。

- 快速协议栈 (FPS) 专为高比特率服务而设计，并采用 RPU 概念进行并行执行。

- 6G协议栈设计的目标是简单性、可扩展性、智能性、可持续性、安全性和稳定性。

- APS 负责控制平面功能，而 FPS 则专注于用户平面传输，以简化设计。

- RPU管理对于最大化节能至关重要，激活的RPU数量可以根据瞬时比特率或负载进行调整。

- FPS 的设计原则包括对 AI/ML 的本机支持、通过 RPU 激活节省功耗以及通过固定标头简化 L2 处理。

总体而言，该文件提出了一种新的 6G 无线电协议设计方法，可解决高比特率服务、功耗和复杂性的挑战。所提出的具有 RPU 和优化协议设计原则的双栈框架旨在实现 6G 无线电协议的简单性、可扩展性、智能性、可持续性、安全性和稳定性。

以下为原文翻译：

一、****前言

自从引入了2G分组数据服务（GPRS：通用分组无线业务）以来，将前一代的协议栈作为下一代无线电协议设计的起点已经成为一种习惯。这种工具箱方法配置了一个无线电协议栈，以支持各种服务——一栈统治一切。

例如，长期演进（LTE）无线电协议主要是为了提供通过扁平架构的分组交换（PS）服务而设计的。它们相比于前几代技术有了很大的改进，摒弃了支持电路交换（CS）服务和复杂架构所带来的复杂性。自从3GPP发布第8版以来，LTE的许多原始原理一直保持不变。在5G标准化的早期阶段，人们就同意将LTE无线电协议作为5G的基础，并对其进行增强，以支持非常高的数据速率、低延迟、动态频谱使用和灵活的服务质量（QoS）。单一协议栈的方法仍然存在，并且由于从第一天开始就要支持5G的大量服务，协议栈的大小和复杂度急剧增加。

Figure 1. 3GPP radio protocols

单一协议栈的主要问题是，对于低比特率服务而言，某些优化可以被认为是有益的，但是对于高比特率服务而言，同样的优化就变得无关紧要甚至有害。在低比特率时运行某些类型的优化是完全可以接受的，但是在千兆级服务中运行同样的优化要么变得无意义（例如，开销优化），要么太昂贵（例如，功耗和硬件尺寸），或者两者兼而有之。

对于高比特率服务、增强的安全性和降低的功耗的不断增长的需求，给单一协议栈的无线电协议设计带来了更多的挑战。在本文中，我们将介绍诺基亚对下一代无线电协议设计的可行原则的愿景，这些原则可以克服这些挑战。

二、6G 协议栈设****计的六大目标

在解释我们对 6G 设计原则的愿景之前，必须确定我们的目标。下图概括了我们为 6G 无线电协议设定的六个目标：简单、可扩展、智能、可持续、安全和稳定。

Figure 2. Six goals for 6G

（1）简单（Simple）：

保持无线协议简单具有明显的好处。更简单的协议更容易实现，调试成本更低，上市速度更快。另一个经常被忽视的显著优势是它们消耗更少的功率。在微处理器体系结构的历史中可以找到一个有效的类比。CISC（复杂指令集计算机）处理器最初被RISC（精简指令集计算机）处理器替代（除了Intel x86计算机之外），因为它们更容易编程和扩展。ARM处理器（高级RISC机器）现在在移动设备中占主导地位（包括iOS和Android），因为它们节省能量。由于能效和可持续性是6G的关键驱动因素，更简单的体系结构成为首选的替代方案。

AI观点：

6G无线电协议应该尽可能简单，以便于实现、部署和维护。简单的协议可以降低网络的复杂性、成本和能耗，提高网络的可靠性和效率。简单的协议还可以促进网络的互操作性和兼容性，支持多种通信场景和服务。

****（2）可扩展（Scalable）：

对极高比特率服务的支持突显了一栈方法中可能存在的瓶颈。处理器体系结构再次提供了一个类比。在21世纪初，提高单个核心的时钟速度变得不如增加具有较慢时钟的核心效率高（无论是在总体处理能力还是功耗方面）。包含了无线处理单元（RPUs）概念以实现并行执行的无线协议有望提供相同的好处。

AI观点：

可持续（Scalable）：

6G无线电协议应该具有良好的可扩展性，能够适应不同的网络规模、用户密度、数据速率和服务需求。可扩展的协议可以提高网络的灵活性和适应性，满足未来通信的多样化和动态化的特点。可扩展的协议还可以支持网络的分层和分布式架构，实现网络的高效管理和优化。

****（3）智能（Smart）：

无线协议应本地支持人工智能（AI）/机器学习（ML）。对于管理多个无线处理单元（RPUs）的需求还需要对无线协议的操作方式增加智能进行本地支持。

AI观点：

6G无线电协议应该利用人工智能和机器学习等技术，实现网络的自主学习、自适应调整和自 主决策。智能的协议可以提高网络的智能水平和性能，实现网络的自组织、自愈合和自优化。智能的协议还可以支持网络的认知和感知能力，实现网络的情景感知和预测控制。

****（4）可持续（Sustainable）

减少功耗以增加电池寿命并减少环境影响的需求从未如此迫切。通过RPUs的概 念，可以根据需求激活核心，因此低数据速率只需要一个核心以实现最大功耗节约。

AI观点：

6G无线电协议应该注重网络的可持续发展，实现网络的节能、环保和社会责任。可持续的协 议可以降低网络的能源消耗和碳排放，提高网络的能源效率和环境友好性。可持续的协议还可以支持网络的社会公益和社会价值，实现网络的普惠、公平和包容。

（********5）安全（Secure）

加密位置随着时间的推移而发展。在GSM中，CS的加密是在信道编码和交织之后，但在调制之前进行的。随着GPRS和分组交换服务的引入，不是所有的内容都可以加密。例如，头字段必须由多个UE解码。因此，加密上移到了媒体访问控制（MAC）和无线链路控制（RLC）层。在LTE中，加密最初被考虑在核心网（CN）中，然后又移回到无线接入网（RAN），在5G中也保持了这样。在后量子时代，对隐私和安全通信的需求增加了，这强调了对更强安全性的需要，并为讨论安全性应该位于哪里打开了大门。

**AI观点：
**

6G无线电协议应该重视网络的安全保障，实现网络的防攻击、防泄露和防篡改。安全的协议可以提高网络的安全性和可信度，实现网络的加密、认证和完整性。安全的协议还可以支持网络的隐私保护和合规性，实现网络的匿名、授权和审计。

（6）稳定（Stable）

除了 GSM 之外，第一版的高复杂度总是需要后续的版本来采取措施降低复杂度，例如，LTE 的机器类型通信（MTC）和窄带物联网（NB-IoT），以及新无线电（NR）的降低能力（RedCap）。6G 的无线电协议应该足够简单，以避免这种情况，例如，通过允许从初始版本开始只使用一个 RPU 来实现简单的实现。

AI观点：

6G无线电协议应该保证网络的稳定运行，实现网络的高可靠、高可用和高鲁棒。稳定的协议可以提高网络的质量和可靠性，实现网络的容错、恢复和备份。稳定的协议还可以支持网络的负载均衡和拥塞控制，实现网络的流畅、高效和低延迟。

二、****协议设计

在确定了六个目标之后，我们将现在描述下一代无线协议设计的原则。我们首先将专注于提供简单、可扩展、可持续和稳定的无线协议。我们相信这样的基线可以轻松支持使无线协议安全和智能的机制。

2.1 总体框架

正如介绍中所述，针对低比特率服务所需的优化在处理非常高比特率服务时变得无关甚至有害。然而，低比特率服务的覆盖仍然是6G中至关重要的；因此，这些优化仍然有价值。然而，也要承认，它们可能并不总是需要的，尤其是当它们对非常高比特率服务造成伤害时。因此，我们建议采用两个堆栈的方法（见图3），而不是将所有的机制和优化混合在一个复杂的堆栈中。

1. 一个无线电协议栈是为低比特率服务、覆盖（例如，比特级优化）和可靠性（例如，RLC ARQ）而设计的。让我们将这个协议栈称为锚协议栈（APS）。

2. 第二个无线电协议栈是为高比特率服务而设计的，其中重点是一个处理友好和实现友好的设计，采用前面提到的 RPU 的概念，并放弃一些实现只能用于低比特率服务的优化。让我们将这个协议栈称为快速协议栈（FPS）。

Figure 3. A novel approach to 6G radio protocols

采用这种方法，对于低比特率服务完全合理的复杂机制和优化，就不需要用于非常高比特率的服务。一个简单的设备可能只实现第一个协议栈（APS），可能消除了引入MTC、NB-IoT和RedCap等价物的需要。一个更复杂和更强大的设备将实现两个协议栈。设备支持的比特率越高，FPS将包含的RPU的数量就越大，如下图4所示，其中描绘了三种类型的UE。

Figure 4. UE types for 6G

2.1 RPU management（待叙）