基于无线中继器的UxNB网络回传无线链路故障恢复方法研究

《IEICE Transactions on Communications》：Backhaul radio link failure recovery method utilizing a wireless repeater in UxNB networks

　　本文针对无人机基站(UxNB)网络中无线回传链路易受阻塞和节点故障影响的问题，提出了一种利用无线中继器(UAV-R)的回传无线链路故障(BH RLF)恢复方法。研究人员通过设计包含中继代理(BFRR)的恢复流程，实现了在相同分布式单元(DU)下的故障恢复。结果表明，该方法能有效降低恢复成本、抑制拓扑变化、避免节点拥塞并控制跳数增加，为5G NR集成接入与回传(IAB)网络提供了可靠的容错机制。

　　

在5G网络快速发展的背景下，集成接入与回传（IAB）技术通过无线中继实现了网络覆盖的灵活扩展。特别是无人机基站（UxNB）作为 nomadic IAB-node（游牧式集成接入回传节点），能够在灾害现场或体育场馆等特定区域快速部署，为室外用户设备（UE）提供临时通信服务。然而，与有线回传相比，无线回传链路尤其容易受到移动物体遮挡、季节变化（如树叶生长）或基础设施变动（如新建建筑）的影响。此外，空中基站的节点故障率远高于地面基站。在多跳无线回传场景中，UxNB的回传无线链路故障（BH RLF）可能由与其父节点的无线链路中断或父节点本身故障引起。这种故障若不及时恢复，将导致下游节点连锁失效，严重影响网络可靠性。

现有3GPP标准（TS 38.401）虽然规定了BH RLF恢复流程，但恢复结果存在三类情况：新老父节点由同一分布式单元（DU）服务、由同一中央单元（CU）下不同DU服务、或由不同CU下不同DU服务。拓扑变化和恢复成本按此顺序递增，特别是当恢复节点携带大量后代节点时，跨DU或跨CU的恢复会触发复杂的拓扑自适应流程，不仅增加信令开销，还可能引起祖先节点拥塞。因此，如何在故障恢复过程中最小化拓扑变化成为提升网络韧性的关键挑战。

为解决这一问题，Park和Kim在《IEICE Transactions on Communications》上发表的研究中，提出了一种创新的BH RLF恢复方法——利用无人机中继器（UAV-R）辅助故障恢复。该方法的核心思想是通过部署在关键UxNB附近的无线中继器，在故障发生时维持原父节点或祖父节点与故障节点的连接，从而避免DU层级的切换。研究团队通过理论分析和仿真验证表明，该方法能显著降低恢复成本，抑制拓扑变化，并有效控制回传跳数增加。

研究人员采用的关键技术方法主要包括：首先，构建具备多对服务单元（SU_R）和捐赠单元（DU_R）的UAV-R中继器结构，支持同时连接多个UxNB；其次，设计基于中继代理（BFRR）的恢复信令流程，通过UAV-R在故障节点与地面服务器间转发BH RLF通知消息；最后，利用3GPP标准的无线资源控制（RRC）重建流程与拓扑自适应机制，实现无缝恢复。实验基于包含12个UxNB、2个DU和1个CU的网络拓扑，对比分析了链路故障与节点故障场景下的性能。

恢复机制设计

UAV-R被部署在靠近IAB捐赠者（IAB-donor）且拥有较多后代节点的关键UxNB附近。其内部包含至少一对DU_R和SU_R单元，可同时通过多个5G UE与不同UxNB连接。当某UxNB检测到BH RLF时，其BFRR客户端通过UAV-R的中继代理将故障通知转发至地面BFRR服务器。服务器优先选择故障节点的当前父节点或祖父节点作为新父节点，通过UAV-R中继无线信号，使恢复尽可能发生在同一DU下。这一设计避免了复杂的跨DU拓扑自适应流程，大幅简化了恢复步骤。

性能评估结果

研究团队从拓扑变化和恢复成本两个维度对比了所提方法与3GPP标准流程。拓扑变化方面，采用后代节点增加数（A_i）、减少数（A_d）、超限节点数（N_th）和跳数变化（C_h）作为指标；恢复成本则通过同DU恢复节点数（N_s）、异DU恢复节点数（N_d）及后代节点配置更新数（D_d）衡量。在链路故障场景中，传统方法会导致N_d=1、D_d=7（即7个后代节点需重新配置），而所提方法使N_s=1且其他指标均为零，完全避免了拓扑扩散。在节点故障场景中，当UxNB n1失效时，传统方法引起A_i=19、N_th=2、C_h=+9，而所提方法将A_i降至5、C_h优化为-5，且无节点拥塞。

故障恢复流程

所提方法的恢复流程包含八个关键步骤：故障检测、通知中继、服务器决策、恢复指令下发、中继建立、信号转发和RRC重建。特别值得注意的是，当新父节点与原父节点同属一个DU时，传输网络层（TNL）地址替换和F1接口切换均可省略，进一步降低了信令开销。UAV-R通过动态波束成形技术在中继链路上维持毫米波（mmWave）信号质量，确保了恢复过程的可靠性。

结论与意义

本研究针对UxNB网络中的BH RLF恢复问题，提出了基于无线中继器的创新解决方案。通过将恢复范围限制在UAV-R传输范围内，该方法有效避免了拓扑变化的链式反应。实验证明，在UAV-R覆盖范围内的故障恢复均可实现D_d=0和N_th=0，即无需后代节点重配置且无节点拥塞。这一特性对于靠近IAB捐赠者的关键节点尤为重要，因为这些节点通常承载大量后代流量。该研究为5G NR IAB网络的故障恢复提供了新思路，特别适用于应急通信、临时活动覆盖等场景，对提升网络韧性和降低运维成本具有重要实践价值。