51学通信

深度解析 3GPP TS 38.300：4.7 Integrated Access and Backhaul (IAB - 集成接入与回传)

23分钟阅读

好的，我们继续带着显微镜，一探3GPP TS 38.300的究竟。在剖析了网络接口的“神经与血脉”之后，我们将进入一个极具创新性和工程挑战性的领域——集成接入与回传。

深度解析 3GPP TS 38.300：4.7 Integrated Access and Backhaul (IAB - 集成接入与回传)

本文技术原理深度参考了3GPP TS 38.300 V18.5.0 (2025-03) Release 18规范中，关于“4.7 Integrated Access and Backhaul”的核心章节，旨在为读者揭开5G基站摆脱光纤束缚，实现“无线组网”的神秘面纱。

前言：为校园的最后一个角落插上5G的翅膀

在我们的5G智慧校园项目中，工程师小玲和导师老王已经成功规划了主教学区和图书馆的5G覆盖。这些地方都有丰富的光纤资源，gNB可以轻松地连接到核心网。然而，一个新的挑战摆在了他们面前：学校将在远离主校区的一片新建运动场上举办一场大型校庆无人机灯光秀，需要稳定、高速的5G网络进行实时控制和高清直播。但这片新场地，光纤管道尚未铺设，工期也来不及。

“难道我们要放弃这个绝佳的展示机会吗？”小玲有些沮丧。

老王笑了笑，在白板上画了一个gNB，然后用一条无线的波浪线，将它连接到远处另一个gNB上。“谁说基站一定要拖着‘光纤辫子’？5G的魅力之一，就是基站自己也能变成‘用户’，通过无线的方式接入网络。这就是**集成接入与回传（Integrated Access and Backhaul, IAB）**技术。我们的‘无线组网’方案，就藏在38.300的4.7节里。”

今天，我们将跟随小玲和老王的脚步，为这个偏远的运动场设计一套IAB部署方案，并在此过程中，深入理解IAB的架构、双重身份、协议栈以及它为解决5G覆盖难题所带来的革命性思路。

1. IAB架构解构：谁是“供电方”，谁是“接线板”？(4.7.1)

IAB的核心思想是无线中继（Wireless Relaying），即用无线链路替代传统连接基站与核心网的光纤回传链路（Backhaul）。规范4.7.1节首先定义了IAB系统中的两大核心角色。

Integrated access and backhaul (IAB) enables wireless relaying in NG-RAN. The relaying node, referred to as IAB-node, supports access and backhauling via NR. The terminating node of NR backhauling on network side is referred to as the IAB-donor, which represents a gNB with additional functionality to support IAB. Backhauling can occur via a single or via multiple hops.

这段话为我们介绍了IAB的两个主角：

  • IAB-donor (IAB供体节点)：这是那个拥有有线回传（光纤）连接的gNB。在我们的场景中，它就是部署在主教学楼楼顶，已经连接到5G核心网的那个gNB。老王把它比作一个“墙上的电源插座”，它为后续的无线扩展提供了源头。

  • IAB-node (IAB节点)：这是一个没有光纤连接的gNB，它通过NR无线接口，“接入”到IAB-donor或其他IAB-node，然后再为普通用户（UE）提供5G服务。在我们的场景中，它就是即将部署在运动场上的那个新gNB。老王把它比作一个“无线接线板”，它自己通过无线“插头”从“墙上”取电，然后再提供多个“插孔”给手机、无人机等设备使用。

规范还提到了“多跳（multiple hops）”，这意味着“无线接线板”可以串联。我们可以从教学楼的IAB-donor，无线连接到体育馆的第一个IAB-node，再从这个IAB-node无线连接到更远的运动场上的第二个IAB-node，形成一条无线回传的“菊花链”。

1.1 IAB节点的“双面人生”：IAB-MT 与 IAB-DU

IAB-node最核心、最精妙的设计，在于它的“双重身份”或者说“双面人生”。为了实现无线中继，一个IAB-node在内部被逻辑地划分为两个功能实体。

In addition to the gNB-DU functionality, the IAB-node also supports a subset of the UE functionality referred to as IAB-MT, which includes, e.g., physical layer, layer-2, RRC and NAS functionality to connect to the gNB-DU of another IAB-node or the IAB-donor…

  • IAB-MT (Mobile Termination, 移动终端)：这是IAB-node作为“用户”的一面。它拥有类似UE的协议栈，负责处理与上游节点（父节点，可以是IAB-donor或其他IAB-node）之间的无线连接。它就像“无线接线板”上那个特殊的插头，用来从上游获取网络连接。

  • IAB-DU (Distributed Unit, 分布式单元)：这是IAB-node作为“基站”的一面。它拥有gNB-DU的功能，负责为下游的用户（UE）或者其他IAB-node（子节点）提供NR无线接入服务。它就是“无线接线板”上那些供大家使用的插孔。

小玲在白板上画了一个IAB-node的内部结构图：一边是“插头”（IAB-MT），面向上游；另一边是“插孔”（IAB-DU），面向下游。这两个功能实体在同一个物理设备中共存，并通过内部总线连接。这正是IAB“集成”一词的含义所在。

规范中的 Figure 4.7.1-1: IAB architecture 展示了IAB在不同组网下的架构。其中(a)图展示了在SA（独立组网）模式下，IAB-node如何通过IAB-donor接入5GC；(b)图则展示了在EN-DC模式下，IAB-node甚至可以锚定在4G MeNB上，通过IAB-donor作为辅节点来接入网络。这充分体现了IAB设计的灵活性和兼容性。

1.2 IAB拓扑：清晰的“家族树”

当多个IAB-node串联时，就形成了一个以IAB-donor为根的树状拓扑。规范为此定义了清晰的层级关系。

In this IAB topology, the neighbour node of the IAB-DU or the IAB-donor-DU is referred to as the child node and the neighbour node of the IAB-MT is referred to as the parent node. The direction toward the child node is referred to as downstream while the direction toward the parent node is referred to as upstream.

  • 父节点 (Parent node)：IAB-MT所连接的上游节点。
  • 子节点 (Child node)：连接到IAB-DU的下游节点（可以是UE或其他IAB-node）。
  • 上行 (Upstream)：从子节点到父节点的方向，即朝向核心网的方向。
  • 下行 (Downstream)：从父节点到子节点的方向，即背离核心网的方向。

规范中的 Figure 4.7.1-2: Parent- and child-node relationship for IAB-node 直观地展示了这种“家族树”关系。理解这个拓扑和方向定义，是后续理解IAB路由和调度机制的基础。

2. IAB的“灵魂”：BAP协议与协议栈 (4.7.2)

传统gNB的CU和DU之间通过F1接口通信，承载F1接口的协议通常是IP。现在，这条IP链路被换成了NR无线链路，那么IP包如何在无线协议栈（PDCP/RLC/MAC）上传输呢？这正是IAB技术需要解决的核心问题。为此，3GPP引入了一个全新的协议子层——BAP（Backhaul Adaptation Protocol，回传适配协议）。

On the wireless backhaul, the IP layer is carried over the Backhaul Adaptation Protocol (BAP) sublayer, which enables routing over multiple hops.

BAP层是IAB的“灵魂”，它在IP层和RLC层之间插入了一个适配层，专门负责在多跳无线回传链路上的路由和转发。

规范中的 Fig. 4.7.2-1: Protocol stack for the support of F1-U protocol 和 Fig. 4.7.2-2 展示了F1接口（包括用户面的F1-U和控制面的F1-C）在经过一个两跳的IAB网络时的协议栈视图。让我们跟随一个从IAB-donor发往最远端IAB-node的用户数据包，来体验一下这个过程：

  1. 在IAB-donor：来自CU的IP包（F1-U包）首先到达IAB-donor的BAP子层。BAP层为这个IP包添加一个BAP头部，其中包含了路由信息（比如最终目的地IAB-node的地址），然后将这个BAP PDU交给RLC层。
  2. 第一跳无线链路（Donor → Node 1）：BAP PDU经过RLC分段、MAC复用、PHY编码调制，通过“BH RLC信道”（Backhaul RLC Channel）发送给第一个IAB-node。
  3. 在第一个IAB-node（中继节点）：该节点的IAB-MT接收到数据，数据包被层层解包直到BAP层。BAP层检查BAP头部，发现目的地不是自己。于是，它根据内部的路由表，决定将这个BAP PDU转发给下一个节点（Node 2）。它直接将这个BAP PDU交给本地IAB-DU侧的RLC层。
  4. 第二跳无线链路（Node 1 → Node 2）：数据包再次经历RLC/MAC/PHY的封装，通过第二个BH RLC信道发送给最终的目的地IAB-node。
  5. 在第二个IAB-node（目的节点）：该节点的IAB-MT接收到数据，解包到BAP层。BAP层检查头部，发现目的地就是自己。于是，它剥离BAP头部，将原始的IP包（F1-U包）还原出来，交给本地的IP层及更高层处理。

通过BAP子层，原本为有线传输设计的IP/F1协议，被无缝地“嫁接”到了NR无线协议栈之上，并实现了跨多跳无线链路的智能路由。

此外，Figure 4.7.2-3 还展示了IAB-MT自身与网络控制面的连接。从这张图可以看出，IAB-MT拥有自己独立的RRC和NAS协议栈，直接与IAB-donor的CU（以及更上层的AMF）通信。这意味着，从网络控制的角度看，每一个IAB-node的MT部分，都被当作一个特殊的、永远在线的UE来管理。

3. 提升效率：IAB的用户面关键技术 (4.7.3)

为了让无线回传这条路既通畅又高效，IAB还引入了一些关键的用户面增强技术。

3.1 BAP层的智能路由 (4.7.3.1)

BAP协议如何知道要把数据包发往哪一跳呢？

On the BAP sublayer, packets are routed based on the BAP routing ID, which is carried in the BAP header. The BAP routing ID consists of BAP address and BAP path ID, where the BAP address indicates the destination node of the packet on the BAP sublayer, and the BAP path ID indicates the routing path the packet should follow to this destination.

  • BAP路由ID：BAP头部包含了一个由“BAP地址”（目的地）和“BAP路径ID”（沿途路径）组成的路由ID。
  • 集中式路由控制：整个IAB拓扑的路由表是由根节点——IAB-donor的CU来集中配置和下发的。CU就像一个“网络总管”，它清楚地知道整个网络的拓扑结构，并为每个IAB-node下发“路标”（路由表），告诉它去往某个地址的数据包应该从哪个下一跳出口发出。

这种集中式的路由管理，使得整个IAB网络的路径规划和优化变得简单高效。

3.2 应对拥塞：流控与拥塞控制 (4.7.3.2)

无线链路的容量是波动的，如果上游节点不顾下游节点的接收能力而“野蛮”灌包，很容易造成拥塞和丢包。

In downstream direction, … the IAB-node can send feedback information on the available buffer size for an ingress BH RLC channel or BAP routing ID to its parent node.

IAB支持基于反馈的流控机制。下游的IAB-node可以向上游的父节点反馈自己的缓冲区占用情况。当父节点收到“我快满了”的反馈后，就会减缓向这个子节点的发送速率，从而避免拥塞。

3.3 降低时延：先发制人的BSR (4.7.3.3)

在上行方向，多跳传输带来的时延累加是一个巨大挑战。一个UE的数据发送请求（通过BSR - Buffer Status Report），需要经过多跳才能到达IAB-donor，等IAB-donor最终下发调度授权（UL Grant）时，可能已经过去了很长时间。

为了解决这个问题，IAB引入了**先发制人的BSR（Pre-emptive BSR）**机制。

The IAB-node can reduce UL scheduling latency through signalling of a Pre-emptive BSR to its parent node. The IAB-node can send the Pre-emptive BSR based on UL grants it has provided to child nodes and/or UEs, or based on BSRs it has received from child nodes or UEs…

常规的BSR报告的是“已经在缓冲区的数据量”，而Pre-emptive BSR报告的是“即将到达的数据量”。

场景： 运动场上的IAB-node（Node 2）刚刚给一台正在进行直播的无人机分配了一块上行传输资源（UL Grant）。此时，数据虽然还没到Node 2的缓冲区，但Node 2已经可以预测到这部分数据即将到来。于是，它可以立即向它的父节点（Node 1）发送一个Pre-emptive BSR，提前“预告”这笔流量。Node 1收到后，可以同样的方式向IAB-donor进行“预告”。

通过这种层层“预告”的机制，IAB-donor可以提前为即将到来的上行数据流准备好调度资源，而不是被动地等待数据在多跳链路中缓慢“爬行”的BSR，从而极大地降低了端到端的上行调度时延。规范中的 Figure 4.7.3.3-1 生动地展示了这种基于UL Grant或收到的BSR来触发Pre-emptive BSR的流程。

总结：IAB——无线覆盖的“变形金刚”

通过对4.7节的深入剖析，我们为小玲的运动场覆盖难题找到了完美的解决方案。IAB技术就像一个“变形金刚”，它让一个标准的gNB，通过精巧的内部功能划分（MT/DU）和创新的协议层（BAP），摇身一变成为了一个强大的无线中继节点。

我们理解了IAB的核心精髓：

  1. 双重身份：IAB-node既是服务UE的基站(DU)，又是接入网络的终端(MT)。
  2. 灵魂协议：BAP子层是实现IP over NR的关键，它在无线L2之上构建了一个多跳路由平面。
  3. 集中控制：IAB-donor的CU作为整个拓扑的“大脑”，集中管理路由和资源。
  4. 高效机制：通过Pre-emptive BSR等技术，有效克服了多跳无线回传带来的时延挑战。

IAB技术的出现，极大地增强了5G网络的部署灵活性，使得在光纤难以到达的区域（如偏远乡村、山区、临时大型活动现场、高速移动的列车）快速部署高质量5G覆盖成为可能，真正为实现“无处不在的5G”插上了想象的翅膀。

FAQ

Q1：IAB节点（IAB-node）和传统的无线中继器（Repeater）有什么本质区别？

A1：本质区别在于协议层和智能性。传统的无线中继器（Repeater）通常是物理层（L1）设备，它只是简单地对接收到的无线信号进行放大和转发，不理解信号的内容。而IAB-node是一个完整的、智能的网络节点（L2/L3）。它会对自己接收到的信号进行完整的解调、解码，在BAP/IP层进行路由决策，然后再重新编码、调制、发射。它是一个有独立调度能力、参与网络信令交互的gNB，而不仅仅是一个“信号放大器”。

Q2：IAB节点在为UE提供服务（Access）和连接上级节点（Backhaul）时，是使用相同的频率还是不同的频率？

A2：两者都可以。如果使用相同频率（In-band），部署简单，频谱利用率高，但会面临严重的“半双工”问题，即IAB-node无法在同一时刻既接收来自父节点的信号，又向UE发送信号，这会造成性能损失。如果使用不同频率（Out-of-band），可以实现全双工通信，性能更好，但需要额外的专用回传频谱，频谱效率较低。实际部署中需要根据场景、性能要求和频谱资源情况进行权衡。

Q3：一个IAB-node的MT部分，和普通的UE有什么区别？

A3：IAB-MT可以被看作一个“超级UE”，它和普通UE有几点核心不同：1）能力更强：它通常拥有更强的发射功率、更多的天线和更强的处理能力。2）永远在线：它不像普通UE那样有IDLE/INACTIVE状态，它与父节点的连接是持续的、高优先级的。3）功能特殊：它的RRC配置会包含一些IAB特有的参数，用于支持回传链路的管理和优化。4）身份不同：它在接入网络时，会向网络表明自己的“IAB-MT”身份，从而获得不同于普通UE的特殊对待。

Q4：多跳IAB网络的主要挑战是什么？

A4：主要挑战有两个：时延累加和容量瓶颈。1）时延累加：数据每经过一跳无线中继，都会引入一次解调、解码、路由、编码、调制的处理时延。跳数越多，端到端的时延就越大，这对于时延敏感业务是致命的。Pre-emptive BSR等技术就是为了缓解这个问题。2）容量瓶颈：整个IAB链的端到端吞吐量，受限于其中最窄的一环。靠近根节点（IAB-donor）的链路需要承载其下所有子节点和UE的汇聚流量，很容易成为容量瓶颈。因此，IAB拓扑的设计和无线资源规划至关重要。

Q5：BAP协议和GTP协议有什么关系？它们都是隧道协议吗？

A5：这是一个很好的类比。两者都可以被看作是某种形式的“隧道协议”，都是为了在一种网络上传输另一种网络的协议数据。GTP-U是在IP网络上为端到端的PDU会话（用户的IP流）建立隧道，核心在gNB和UPF之间。而BAP是在NR无线协议栈（RLC/MAC）之上，为承载F1接口的IP流量建立“回传隧道”，核心在IAB-donor和IAB-node之间。可以理解为，为了把数据送到小明的手机，UPF先用GTP-U把数据“快递”到IAB-donor；然后IAB-donor的CU要通过F1接口把数据交给DU处理，但DU在远端的IAB-node上，于是它再用BAP协议把F1的IP包通过无线“接力”的方式传给远端的IAB-node。

关系图谱