LTE—NR雙連接技術(shù)探討

劉瀟蔓+陳卓

【摘 要】LTE和5G NR之間的雙連接可以通過使用兩種不同接入技術(shù)的資源來實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)/信令的傳輸，具有更高的可靠性及較低的切換時延。為了更好地理解LTE-NR雙連接技術(shù)，對用戶面、控制面的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并闡述了LTE-NR雙連接相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及用戶面、控制面協(xié)議棧選擇的可能性。

【關(guān)鍵詞】LTE-NR 雙連接 SCG分離承載 MCG分離承載

中圖分類號：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-1010（2017）19-0065-06

Discussion on LTE-NR Dual Connection Technique

LIU Xiaoman， CHEN Zhuo

[Abstract] The dual connection between LTE and 5G NR， which has higher reliability and lower handover delay， can realize the transmission of user data/signaling through resources of two different access techniques. In order to better comprehend LTE-NR dual connection technique， the technical features of user plane and control plane were analyzed. The network architecture of LTE-NR dual connection was addressed. In addition， the possibility of selection of user plane and control plane protocols was elaborated.

[Key words]LTE-NR dual connection SCG separate bearing MCG separate bearing

1 引言

隨著4G LTE網(wǎng)絡(luò)的部署和推廣，以及移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的不斷推出，對網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍、熱點(diǎn)區(qū)域容量、傳輸時延、可靠性、功耗等方面的要求越來越高，這不但促進(jìn)了4G網(wǎng)絡(luò)的不斷完善，還加快了對5G NR（New Radio，新無線）的研究和推進(jìn)速度。

雙連接技術(shù)可通過使用多個小區(qū)的無線資源來為用戶提供數(shù)據(jù)或者信令的傳輸，是滿足不同技術(shù)場景下特定需求的有效手段之一。鑒于目前LTE的廣泛部署，可預(yù)見LTE網(wǎng)絡(luò)在5G NR部署初期仍將大量存在，且LTE將有很大可能演進(jìn)到eLTE，因此，LTE與NR的雙連接或?qū)⒃贜R部署初期被廣泛采用。本文主要從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、控制面、用戶面等角度對LTE-NR雙連接技術(shù)進(jìn)行介紹，并對未來網(wǎng)絡(luò)部署及協(xié)議棧選擇等方面問題進(jìn)行分析。

2 雙連接技術(shù)簡介

根據(jù)3GPP的定義，雙連接是處于RRC_CONNE- CTED態(tài)的兩個UE（User Equipment，用戶設(shè)備）使用至少兩個通過非理想回程鏈路相連的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（MN（Master Node，主節(jié)點(diǎn)），SN（Secondary Node，輔節(jié)點(diǎn)））提供的無線資源進(jìn)行通信的操作。雙連接中兩個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的角色不同，其中，MN是UE的無線側(cè)錨點(diǎn)，為UE提供與核心網(wǎng)唯一的控制面連接，而SN只為UE提供額外的無線資源，用于用戶數(shù)據(jù)、信令的傳輸。

對于LTE-NR雙連接，特指的是雙連接中的兩個節(jié)點(diǎn)使用不同的無線接入技術(shù)，一個節(jié)點(diǎn)為LTE，一個為NR，但不規(guī)定何種接入技術(shù)的節(jié)點(diǎn)是MN，MN和SN通過Xx接口交互信令、數(shù)據(jù)等。

2.1 LTE-NR雙連接網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3GPP TR 38.801規(guī)范里給出了包含5G NR獨(dú)立組網(wǎng)和非獨(dú)立組網(wǎng)在內(nèi)的多種NR網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其中“Option 3，4，7”系列是與LTE和NR間的互操作相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

圖1所示為Option 3/3A/3X三種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這三種架構(gòu)的共同點(diǎn)為NR是非獨(dú)立組網(wǎng)，控制面通過LTE eNB接入EPC。LTE eNB為MN，NR gNB為SN，三種架構(gòu)的區(qū)別在于所建立的用戶面承載類型不同，數(shù)據(jù)分流方式不同。其中，Option 3中數(shù)據(jù)面與核心網(wǎng)僅通過MN有一個連接，數(shù)據(jù)從MN進(jìn)行分流；而在Option 3A中，數(shù)據(jù)從核心網(wǎng)進(jìn)行分流，數(shù)據(jù)面與核心網(wǎng)有兩個連接；Option 3X中，數(shù)據(jù)首先從核心網(wǎng)分流，然后再從SN分流。

圖2所示為Option 4/4A，這兩種架構(gòu)的共同點(diǎn)是NR獨(dú)立組網(wǎng)，NR gNB作為MN，eLTE eNB作為SN提供額外的傳輸資源，連接到5G NR的核心網(wǎng)NGC（New Generation Core Network，新一代核心網(wǎng)）上；兩種架構(gòu)建立用戶面承載的方式不同。此外，暫不支持類似于Option 3X中的數(shù)據(jù)從SN分流到MN的方式。

圖3所示為Option 7/7A/7X三種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該組的三個架構(gòu)與Option 3/3A/3X較為相似，這里，NR是非獨(dú)立組網(wǎng)，但所接入的核心網(wǎng)為5G核心網(wǎng)NGC。

從上述介紹可以看出，不同于傳統(tǒng)LTE雙連接時的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，LTE-NR雙連接由于采用兩種無線接入技術(shù)，因而其核心網(wǎng)錨點(diǎn)及無線網(wǎng)錨點(diǎn)都有多種選擇，數(shù)據(jù)無線側(cè)分流也不再局限于僅從MN分流的方式。

2.2 LTE-NR雙連接控制面

（1）LTE-NR雙連接控制面協(xié)議棧

無論網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是上文介紹中的哪一種，處于LTE-NR雙連接的UE都僅通過MN與核心網(wǎng)保持一個控制面連接，這與傳統(tǒng)LTE雙連接是一致的。圖4所示MN與核心網(wǎng)的連接可能是S1-MME連接，也可能是NGC-AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移動性控制功能）連接，這取決于MN的屬性及所連接的核心網(wǎng)。此外，UE的RRC狀態(tài)也是唯一確定的，且與MN狀態(tài)機(jī)保持一致。endprint

但與LTE雙連接不同的是，在LTE-NR雙連接中，MN和SN各有一個RRC（Radio Resource Control，無線資源控制）實體，可以根據(jù)ASN.1產(chǎn)生RRC PDU（Protocol Data Unit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元）和節(jié)點(diǎn)間PDU。且不同于LTE雙連接中所有RRC消息都由MN產(chǎn)生發(fā)給UE，在LTE-NR雙連接中，UE可以配置在SCG（Second Cell Group，輔小區(qū)組）上建立SRB（Signaling Radio Bearer carrying control plane data，信令承載），實現(xiàn)SN產(chǎn)生RRC直接發(fā)送給UE。這是因為MN和SN所采用的是不同的接入技術(shù)，SN應(yīng)該能夠管理僅與SN相關(guān)的控制面消息。

SN產(chǎn)生的初始配置以及涉及MN重配的SN配置消息會被嵌入在MN產(chǎn)生的RRC消息中，通過MN發(fā)送給UE。對于無需和MN進(jìn)行協(xié)商的SN配置，既可以通過嵌入在MN產(chǎn)生的RRC消息中通過MN發(fā)送給UE，也可配置UE在SCG建立SRB，實現(xiàn)RRC PDU直接在SN和UE間傳送。當(dāng)SN的消息嵌入在MN的RRC消息中發(fā)給UE，UE只會給MN反饋一個聯(lián)合的成功/失敗消息，而不會單獨(dú)給SN反饋。此外，封裝了SN RRC消息的MN RRC消息一旦發(fā)生失敗，就會發(fā)起重建，無論該條消息中是否包含MN配置。

在LTE-NR雙連接中，UE是否配置SCG SRB取決于網(wǎng)絡(luò)的配置，且最終由SN決定SCG SRB的添加。對于SCG SRB，它是一種NR SRB，其使用的邏輯信道為NR-DCCH（Dedicated Control Channel，專用控制信道）。SCG SRB可以在SN添加（SN Additon）和SN改變（SN Change）中建立、釋放，并且可在SCG修正（SN Modification）中進(jìn)行重配。相比于DRB（Data Radio Bearer carrying control plane data，數(shù)據(jù)承載），SCG SRB有更高的優(yōu)先級，UE RRC層會按接收的順序?qū)νㄟ^SCG SRB傳送的消息進(jìn)行處理，但不會對MCG（Master Cell Group，主小區(qū)組）SRB和SCG SRB上傳的消息進(jìn)行重排序。因此，為了避免由于MN和SN鏈路傳輸時延不同帶來的UE行為紊亂問題，SCG釋放消息僅可以通過MCG SRB發(fā)送，而不可以通過SCG SRB發(fā)送。一旦SCG釋放，網(wǎng)絡(luò)將通過某些方式將SCG承載轉(zhuǎn)變?yōu)镸CG承載或?qū)⑵滢D(zhuǎn)移到其他SCG上。另外，當(dāng)配置了SCG SRB，SN內(nèi)移動性相關(guān)的測量報告可以直接從UE上報給SN，測量上報所使用的SRB應(yīng)當(dāng)與初始化測量流程的SRB為同一個SRB。

不同于傳統(tǒng)LTE系統(tǒng)內(nèi)部雙連接，LTE-NR雙連接支持分離SRB，且無論MN為何種無線接入技術(shù)。這里的分離SRB包含兩層含義：1）LTE/NR PDCP控制面消息復(fù)制，即在MN和SN鏈路上同時傳輸相同的控制面消息；2）控制面消息可以只在任意一條鏈路上傳，如根據(jù)鏈路質(zhì)量動態(tài)切換傳輸控制面消息的傳輸鏈路。可見，通過配置分離SRB，可以實現(xiàn)信令的高可靠或低時延傳輸。

分離SRB由MN在SN添加和修正過程中決定和添加，添加所需的SN配置由SN提供。目前僅支持對SRB1和SRB2配置分離SRB，且分離SRB1/2的SCG鏈路和SCG SRB是獨(dú)立配置的，其中MCG分離SRB1調(diào)度優(yōu)先級和SCG SRB是相同的。

（2）LTE、NR能力協(xié)調(diào)

對于同時支持LTE和NR的UE，會分別對LTE和NR上報相關(guān)的UE能力信息，因此MN和SN需要對UE能力進(jìn)行一定的協(xié)調(diào)，以免MN和SN對UE的配置超出UE能力范圍，能力協(xié)商所使用的消息為RRC節(jié)點(diǎn)間消息。

LTE-NR雙連接中的UE能力共分為三類：

類型I：該類能力的使用與所使用的無線接入技術(shù)無關(guān)；

類型II：在一種無線接入技術(shù)中使用該類能力會對另一種無線接入技術(shù)造成影響，但是另一種無線接入技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)側(cè)并不能理解該類能力的使用；

類型III：在一種無線接入技術(shù)中使用該類能力會對另一種無線接入技術(shù)造成影響，且另一種無線接入技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)側(cè)能夠理解該類能力的使用。

對于類型I能力，LTE和NR節(jié)點(diǎn)間無需進(jìn)行能力協(xié)調(diào)，MN會將僅與SN無線接入技術(shù)有關(guān)的能力發(fā)給SN，即以LTE雙連接方案為基礎(chǔ)方案。對于另外兩類UE能力，可能需要MN和SN通過Xn/Xx接口進(jìn)行協(xié)調(diào)。協(xié)調(diào)可能會帶來對UE的重新配置，但無論是否要對UE重新配置，都要保證不超過UE能力。標(biāo)準(zhǔn)上現(xiàn)已確定的需要MN和SN協(xié)調(diào)的能力包括不同接入技術(shù)間的頻帶組合以及協(xié)議棧層2的緩存。

需要注意的是，當(dāng)UE要在LTE和NR間進(jìn)行能力協(xié)調(diào)時，應(yīng)該只涉及兩個節(jié)點(diǎn)，如一個eNB和一個gNB。此外，MN、SN都可以發(fā)起UE能力重新協(xié)調(diào)過程，但是SN發(fā)起的能力重協(xié)調(diào)請求最終由MN決定是否接受。

MN和SN可獨(dú)自對處于LTE-NR雙連接的UE進(jìn)行測量配置，但MN和SN所配置的測量載波的總數(shù)量需要兩節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行協(xié)商，以免超出UE能力。當(dāng)MN和SN在相同的載波上配置了測量目標(biāo)時，二者配置需要保持一致。是否還有其他測量相關(guān)的能力需要MN和SN協(xié)調(diào)還需進(jìn)一步研究、討論。

2.3 LTE-NR雙連接用戶面

相比于傳統(tǒng)LTE雙連接中的三種承載類型：MCG承載、SCG承載、MCG分離承載，在LTE-NR雙連接中新增了SCG分離承載。

其中，MCG承載是協(xié)議棧都位于MN且僅使用MN資源的承載；SCG承載是協(xié)議棧都位于SN且僅使用SN資源的承載；分離承載是指協(xié)議分棧同時位于MN和SN兩個節(jié)點(diǎn)且同時使用MN和SN資源的承載，MCG分離承載特指通過MN和核心網(wǎng)相連，數(shù)據(jù)由MN分流至SN的分離承載；SCG分離承載則是通過SN和核心網(wǎng)相連，數(shù)據(jù)由SN分流至MN的分離承載。endprint

圖5、圖6、圖7是MCG分離承載、SCG分離承載和MCG承載以及SCG承載的協(xié)議棧示意圖，各圖中分別給出了MN是LTE eNB和NR gNB兩種情況時的承載協(xié)議棧示意。與單連接時類似，用戶面協(xié)議棧主要包含PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議）層、RLC（Radio Link Control，無線鏈路控制）層及MAC（Media Access Control，介質(zhì)訪問控制）層。且同LTE雙連接一樣，每個節(jié)點(diǎn)僅有一個MAC實體。但相比傳統(tǒng)LTE雙連接，無論哪種承載類型，其用戶面協(xié)議棧上均多了一個新的協(xié)議層：新接入子層（New AS sublayer），由于5G NR中引入了QoS（Quality of Service，服務(wù)質(zhì)量）流的概念，新接入子層主要用于QoS流和無線承載間的映射以及在上下行數(shù)據(jù)包中標(biāo)記QoS流標(biāo)識。

表1是LTE-NR雙連接中三種承載（不包括MCG承載）的分析、對比。

通過表1的對比可以發(fā)現(xiàn)，三種承載各有優(yōu)劣，有不同的使用限制和不同的應(yīng)用場景，因此LTE-NR雙連接對于承載的配置、不同類型間的相互轉(zhuǎn)換也有一定的要求。

其中，LTE-NR雙連接不支持對MCG分離承載和SCG分離承載的同時配置，也不支持MCG分離承載和SCG承載的同時配置。LTE-NR雙連接支持多種承載類型間的轉(zhuǎn)換，包括：MCG承載和MCG分離承載間的相互轉(zhuǎn)換、MCG承載和SCG承載間的相互轉(zhuǎn)換、不同MCG承載間的轉(zhuǎn)換、不同MCG分離承載間的轉(zhuǎn)換以及不同SCG分離承載間的轉(zhuǎn)換；但不支持MCG分離承載和SCG承載間的相互轉(zhuǎn)化。

相比于LTE雙連接，SCG分離承載是LTE-NR雙連接中新增的承載類型。這類承載數(shù)據(jù)面MN和SN同時與核心網(wǎng)相連，但數(shù)據(jù)的分流方向是從SN到MN，對MN和SN間回傳鏈路及SN處理能力都有一定的要求。

3 對LTE-NR雙連接的思考

從上文分析可知，LTE-NR雙連接相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議棧設(shè)計存在多個可選項。由于4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)大量部署且廣泛存在，如果5G采用非獨(dú)立組網(wǎng)，Option 3系列網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)無需額外部署NR核心網(wǎng)，同時可以減少對LTE網(wǎng)絡(luò)的改造，增強(qiáng)對LTE網(wǎng)絡(luò)的有效利用，故應(yīng)有較大可能會被應(yīng)用于實際。但如果5G采用獨(dú)立組網(wǎng)，NR gNB有完整的協(xié)議棧，既可配置為MN也可以配置為SN，這就意味著可根據(jù)實際需求靈活部署成Option 4系列和Option 7系列。

考慮到未來5G部署很有可能部署在高頻段，其覆蓋范圍有限，采用LTE eNB作為MN，提供可靠的控制面覆蓋，NR gNB作為SN，提供大帶寬、高速率的傳輸，是一種較為可能的方式。另外，還可以在控制面配置分離SRB，用以提高信令的可靠性傳輸，減少鏈路重建，以減小開銷。

在用戶面，由于LTE和NR帶寬差距較大，傳輸速率差距也可能較大，如果采用SCG分離承載，可以緩解LTE和5G傳輸帶寬的巨大差異，且無需對現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)和傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大量的升級和改造。

4 結(jié)論

本文對LTE-NR雙連接進(jìn)行了深入思考，從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、控制面和用戶面協(xié)議棧架構(gòu)對LTE-NR雙連接進(jìn)行了介紹。無論未來5G NR網(wǎng)絡(luò)采用獨(dú)立組網(wǎng)還是非獨(dú)立組網(wǎng)，在LTE與5G NR間采用雙連接技術(shù)，都可以達(dá)到提高吞吐量和可靠性、減小傳輸時延等目的。LTE-NR雙連接在LTE和5G系統(tǒng)互操作方面起到重要的作用，可以預(yù)見，該技術(shù)或?qū)⒊蔀槲磥?G NR的關(guān)鍵技術(shù)。

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