5G NR組網方式下的終端實現方案研究

董文佳+阮航+王小旭

【摘 要】5G的關鍵技術指標和新特性給終端實現帶來了多方面的挑戰，其中，5G NR組網模式直接影響著終端的規劃設計。故從5G NR的組網模式出發，首先分析了獨立組網模式和非獨立組網模式所對應的多種網絡部署方案及其對終端能力的要求，然后深入探討了典型網絡部署方案對終端基帶、射頻、天線設計、功耗等方面的影響，并基于此提出了5G終端實現方案，以應對5G多樣性的網絡場景，為終端開發設計提供參考依據。

【關鍵詞】5G新空口 獨立組網模式 非獨立組網模式 終端實現方案

Research on Solution to Terminal Implementation for 5G NR Networking Mode

DONG Wenjia， RUAN Hang， WANG Xiaoxu

[Abstract] The key technical metrics and new feature requirements of 5G bring multiple challenges to the terminal implementation. Therein， the networking mode of 5G NR directly influences the planning and design of the terminal. Considering the networking mode of 5G NR， multiple network deployment solutions and requirements for the terminal capability corresponding to the standalone networking mode and non-standalone networking mode were elaborated firstly. Then， the impacts of typical network deployment solutions on terminal baseband， frequency radio， antenna designing and power consumption were discussed in depth. Finally， the suggestion on the solution to 5G terminal implementation was presented to tackle the 5G versatile network scenarios and provide the reference to the development and the design of the terminal.

[Key words]5G NR standalone networking mode non-standalone networking mode solution to terminal implementation

1 引言

隨著4G網絡的部署和商用，移動通信已經深刻地改變了人們的生活，激發了人們對更多新型業務和服務的追求。未來，以移動互聯網和物聯網為主要驅動力的第五代移動通信（5G）系統將滲透到各個領域，為用戶構建全方位的信息生態系統，以應對爆炸性的移動數據流量增長、海量設備連接，以及不斷涌現的新業務。

目前，3GPP針對5G新空口（NR，New Radio）定義了獨立組網（SA，Standalone）和非獨立組網（NSA，Non-Standalone）兩大類組網模式。組網模式不僅影響著5G系統的網絡部署策略，同時也影響著終端產品的規劃設計，因此本文主要探討5G NR組網模式對終端的影響，并分析在多樣性的網絡場景下終端的實現方案。

2 5G NR組網模式

由于目前現有LTE網絡成熟且覆蓋廣泛，為充分利用LTE網絡的已有資源，3GPP在5G NR組網模式的研究階段充分考慮了LTE和NR兩種無線技術，EPC和下一代核心網（NextGen Core，Next Generation Core）兩種核心網，以及LTE和NR兩種無線技術的聚合方案，由此派生出了多種5G系統的部署場景。其中，按組網模式可以劃分為兩大類：獨立組網模式和非獨立組網模式。

2.1 獨立組網模式

5G NR獨立組網模式，需要部署5G端到端的全新網絡，包括新接入網（NR gNB）和新核心網（NextGen Core），5G獨立承載完整的控制面（CP，Control-Plane）和用戶面（UP，User-Plane），因此5G可以不依賴LTE工作，獨立為用戶提供通信服務。

獨立組網模式下的三種主要網絡部署方案（包括接入網與核心網），如圖1所示：

（1）5G NR最基礎的獨立組網方案：終端通過NR gNB注冊在新核心網NextGen Core上，對應3GPP在研究階段定義的5G部署場景Option 2。

（2）支持NR-LTE雙連接的獨立組網方案：NR gNB和NextGen Core構成端到端的網絡基礎，承載控制面信令和用戶面數據，終端通過NR gNB注冊在新核心網上，eLTE NB作為數據傳輸的補充承載部分用戶面數據，即NR gNB和eLTE NB分別作為雙連接（DC，Dual Connectivity）的主節點（MN，Master Node）和輔節點（SN，Secondary Node），主/輔節點均接入新核心網NextGen Core。這種組網方式下，依據不同的用戶面承載類型：主節點分離承載（Split bearer via MCG）、輔節點承載（SCG bearer），分別對應3GPP在研究階段定義的5G部署場景Option 4/4a。該組網方案下需要終端支持NR-LTE雙連接模式。endprint

（3）支持NR-NR雙連接的獨立組網方案：接入網由NR gNB組成，NR gNB接入新核心網NextGen Core，NR gNB之間采用雙連接的方式承載用戶面數據。這種組網方案可以在最大程度上利用5G新空口的傳輸能力，對承載大數據量的業務十分有利，終端則需要支持NR-NR雙連接模式。

對比獨立組網模式下的主要網絡部署方案，三種方案均需要全面部署5G NR的新接入網和新核心網。此外，方案（2）還需要將LTE基站升級為eLTE基站，以支持與NR gNB間的接口、作為雙連接輔節點的相關信令和處理機制，以及接入新核心網的協議架構，還可能需要支持新核心網相關的新功能及新特性，對現有LTE基站設備影響較大。同時，考慮到現有LTE網絡負載較重，可用于作為數據傳輸補充的資源較少，對空口數據傳輸速率的提升效果有限。方案（3）可以將5G空口傳輸能力最大化，但同時對終端的實現和處理能力也提出了較大挑戰。因此，在5G系統部署初期，方案（1）是最基本的一種獨立組網部署方案。

在5G作為獨立的通信系統工作的情況下，還需要考慮與其他制式網絡的并存和互操作問題，特別是在5G網絡部署初期，5G NR與其他制式網絡的互操作可以保證覆蓋和業務的連續性，有力保障終端在移動過程中的用戶體驗。目前，3GPP協議已經明確5G NR與LTE之間存在互操作關系，可能的網絡部署場景如圖2所示：

（1）LTE和5G系統保持端到端的獨立并存，即LTE eNB接入核心網EPC、5G gNB接入新核心網NextGen Core，兩個系統在接入網與核心網層面均保持獨立。

（2）eLTE與5G NR在接入網保持獨立，各自承載完整的控制面信令和用戶面數據，而在核心網層面則采用相同的新核心網NextGen Core。這種場景下，終端在兩種不同的接入網中移動仍然存在系統間（Inter-RAT）互操作過程。

2.2 非獨立組網模式

非獨立組網模式下，5G需要依托現有的LTE網絡，將控制面錨定在LTE網絡上（即LTE承載控制信令）。對于用戶面數據則是5G NR和LTE共同承載或5G NR獨立承載。因此，對于非獨立組網方式，5G需要依賴現有的LTE網絡才能工作，而無法獨立為用戶提供完整服務。但因為5G不需要部署完整的端到端網絡，只需部署接入網來提高空口傳輸能力，因此可滿足運營商在5G上的先發需求。

非獨立組網模式下的兩種主要網絡部署方案（包括接入網與核心網），如圖3所示：

（1）在現有的LTE eNB與EPC的網絡架構基礎上，增加NR gNB作為數據傳輸的補充，NR gNB同樣接入核心網EPC，即LTE eNB作為雙連接的主節點，終端通過LTE eNB接入核心網EPC，NR gNB則作為輔節點，承載用戶面數據，從而形成了LTE-NR雙連接模式。在該組網方式下，不同的用戶面承載類型：主節點分離承載（Split bearer via MCG）、輔節點承載（SCG bearer）、輔節點分離承載（Split bearer via SCG）分別對應3GPP在研究階段定義的5G部署場景Option 3/3a/3x。在該組網方式下，終端需要支持LTE-NR雙連接模式。

（2）核心網采用NextGen Core，eLTE eNB作為主節點，構成端到端的網絡基礎；NR gNB接入新核心網NextGen Core，作為輔節點提供數據傳輸的補充。不同的用戶面承載類型：主節點分離承載（Split bearer via MCG）、輔節點承載（SCG bearer）、輔節點分離承載（Split bearer via SCG）分別對應3GPP在研究階段定義的5G部署場景Option 7/7a/7x。需要注意的是，由于需要接入新核心網NextGen Core，現有LTE eNB需要升級為eLTE eNB，在協議棧和接口方面均有變化，因此雖然這種組網方式同樣要求終端能夠支持LTE-NR雙連接模式，但與適用于方案（1）的終端相比，在協議棧等方面會存在差異。

對比非獨立組網模式下的兩種主要網絡部署方案，方案（1）需要LTE基站升級支持與NR gNB的接口以及與NR gNB進行雙連接相關的信令流程和處理機制，對現有LTE網絡設備的影響相對較小，且5G NR僅需要部署接入網即可大幅度地提升終端與接入網間的空口數據傳輸能力。而方案（2）需要全面部署5G NR的接入網和新核心網，LTE基站則需要全面升級為eLTE，即除了需要支持與NR gNB的接口以及雙連接相關的信令流程和處理機制外，還需要對協議棧進行徹底升級以接入新核心網并且能夠支持新核心網的相關新功能和新特性。因此，方案（1）是非獨立組網中最可行的一種方案。

3 5G NR組網模式下的終端實現方案

3.1 SA和NSA組網模式對終端實現和性能的影響

基于上文的分析可知，5G NR組網包括獨立組網和非獨立組網兩種模式，每種模式下有多種具體的網絡部署方案。通過對比發現，獨立組網方案（1）和非獨立組網方案（1）分別是兩種組網模式下最具典型意義的部署方案。因此，本章節基于這兩種方案，對比分析不同組網模式對于終端基帶、射頻實現以及功耗性能方面的影響。下文中分別以獨立組網模式和非獨立組網模式的描述來代表獨立組網方案（1）和非獨立組網方案（1）。

（1）基帶實現復雜度

1）基帶物理層

為了能夠在多種網絡環境下為用戶提供良好的通信服務，5G商用終端一般會采用多模多頻段的設計，即5G終端支持2G/3G/4G/5G等多種網絡制式以及對應的多個頻段。為簡化設計難度、縮短開發周期，在5G終端商用初期通常會采用獨立芯片的工作方式，即在現有已經成熟的2G/3G/4G芯片/模塊上，增加獨立的5G芯片/模塊。而隨著技術的成熟和設計開發能力的提升，基帶芯片的工作方式會得到優化，不同通信制式的處理單元和處理流程會逐漸融合，形成統一的2G/3G/4G/5G單基帶芯片，降低基帶芯片的面積及成本。endprint

對于5G終端來說，其5G芯片/模塊的基帶物理層設計主要取決于5G NR所需的數據傳輸及處理能力。在5G NR獨立組網模式下，終端不需要支持4G芯片/模塊與5G芯片/模塊同時工作，基帶物理層設計相對簡單。而對于5G NR非獨立組網模式，終端需要支持LTE-NR雙連接工作模式，即基帶物理層的實現需滿足4G和5G芯片/模塊同時供電及同時工作相關的設計需求。同時，由于4G和5G的幀結構、時隙配比等不同，空口可能無法實現同步，因此某些處理單元或存儲單元較難實現復用，在一定程度上增加了芯片/模塊的優化難度。

2）高層協議棧

由于5G NR獨立組網模式與非獨立組網模式在協議棧中存在較大差異，因此不同的組網模式對終端的協議棧及高層過程設計會產生直接影響。

獨立組網模式

協議棧：終端通過NR gNB注冊在新核心網NextGen Core上，因此終端需要支持NR控制面和用戶面完整的協議棧，包括接入層（AS，Access Stratum）中的數據鏈路層的各個子層、網絡層無線資源控制（RRC，Radio Resource Control）以及非接入層（NAS，Non-Access Stratum）。

高層過程：在移動性方面，終端需要支持5G NR與4G的異系統重選、重定向或切換等流程。同時，終端還需要支持單注冊或雙注冊等數據互操作及話音解決方案。

非獨立組網模式

協議棧：LTE eNB作為雙連接的主節點，承載控制面信令，NR gNB只作為輔節點，主要承載用戶面數據，因此，理論上終端的協議棧設計不需要支持NR的非接入層。同時，3GPP協議中定義了雙連接的用戶面數據有3種承載方式，對于主節點分離承載（Split bearer via MCG）類型，理論上終端只需要支持NR數據鏈路層中的MAC和RLC子層，但是考慮到終端的靈活性以及輔節點可能存在RRC實體，終端還是需要支持完整的數據鏈路層的各個子層、網絡層（RRC），以便靈活適用于網絡調度的用戶面數據承載方式以及NR中新增輔節點承載SRB的新特性。

層2 Buffer：針對不同的雙連接用戶面承載方式，4G和5G模塊還需要考慮增加對應的L2 Buffer來處理數據包在分組數據匯聚協議（PDCP，Packet Data Convergence Protocol）層聚合重排序的問題。對于主節點分離承載（Split bearer via MCG）方式，數據包需要在LTE的數據鏈路層中的PDCP子層進行聚合重排序，由于NR網絡的數據傳輸速率高于LTE，因此4G模塊需額外預留較大的Buffer用于聚合5G模塊接收到的數據。反之，對于輔節點分離承載（Split bearer via SCG）方式，數據包需要在5G NR的PDCP子層進行聚合重排序，5G模塊也需要預留一定量的Buffer用于聚合4G模塊接收到的數據。此外，LTE-NR雙連接也給網絡的主/輔節點的上/下行數據分裂與聚合算法設計提出了較大的挑戰，原因是4G和5G空口速率相差較大，不合理的算法設計會造成數據聚合重排序對終端存儲單元的需求量巨大。

高層過程：在非獨立組網模式下，終端需要處理雙連接主節點（LTE eNB）和輔節點（NR gNB）之間的RRC信令協調問題。

（2）射頻實現及天線設計復雜度

1）射頻實現

終端的射頻部分主要由射頻前端和射頻芯片兩部分組成。受到工作頻段和帶寬等因素的限制，以及考慮到設計實現的復雜度，支持多模多頻段的5G終端的射頻實現通常采用5G和2G/3G/4G獨立設計的原則。首先，以獨立組網模式下，5G終端的射頻實現為例進行討論：

射頻前端器件：針對5G和2G/3G/4G所對應的不同頻段，射頻前端器件（如濾波器、功率放大器等）都需要獨立實現。

射頻芯片：由于5G模塊至少要求兩個發射天線，因此5G的射頻芯片至少需要兩個上行發射通道，而在現有的4G終端上射頻芯片通常采用的是單個發射通道。

非獨立組網模式下，終端需要支持LTE-NR雙連接工作模式，因此在上述分析的基礎上，終端在射頻前端部分需要增加射頻通路開關，以支持4G和5G的同時發射及接收。此外，4G和5G的同時收發，可能需要更多的發射和接收通道，這一需求則需要通過提高射頻芯片的設計規格或增加更多的射頻芯片來得以滿足。

非獨立組網模式下，在4G和5G信號的發射過程中，還可能因為4G和5G所在的頻段而產生諧波干擾和互調干擾，這些互干擾將會嚴重影響終端的信號接收質量和數據解調性能。因此，網絡在部署階段需充分考慮到可能出現的互干擾問題，合理配置4G和5G的工作頻段。但在頻譜資源緊張的情況下，終端也需要考慮在射頻實現中增加例如諧波抑制濾波器等器件，來減緩可能出現的互干擾，保證終端的解調性能。

2）天線設計

在5G網絡中，為了進一步提升上行傳輸速率，要求終端至少支持兩根上行發射天線。因此，與4G終端只有一根發射天線的情況相比，5G終端在天線設計方面難度更高，需要對發射天線的類型、擺放位置、輻射方向、電流分布等方面進行重點考慮，以達到在保證良好的信號發射和接收性能的同時，降低終端對人體的輻射強度的目的。

比吸收率（SAR，Specific Absorption Ratio）是衡量終端輻射程度的重要指標，它是指單位時間內單位質量的物質吸收的電磁輻射能量（單位：W/kg），SAR越低，表示輻射被吸收的量越小。終端SAR值的大小直接關系到人體的健康，因此移動終端在出廠和入網測試中必須經過嚴格的檢測。

在實際中，移動終端的輻射程度會受到多方面因素的影響，例如：發射天線的位置、輻射方向，上行發射功率，TDD模式下的上/下行時隙配比，終端的工作頻段及系統帶寬等。而在SAR值測試過程中，工作頻段、系統帶寬、終端發射功率及上/下行時隙配比等條件是統一給定的，因此天線設計成為了影響SAR值重要因素。endprint

（3）功耗

通過終端功耗測試和評估發現，射頻器件（特別是功率放大器）、基帶模塊以及屏幕等在終端功耗方面問題較突出。而終端電池的電量及續航能力是直接影響用戶體驗的重要因素。

由于獨立組網模式下，終端不需要4G和5G模塊的同時收發和工作，因此，首先以獨立組網模式為例，對5G模塊相比于現有的2G/3G/4G模塊的功耗進行分析。5G模塊面臨更高的通信功能和性能方面的要求，高頻段、大帶寬、高速的數據傳輸和處理過程都有可能造成5G模塊功耗的增加，具體來說：

目前，世界各國分配給5G網絡的頻段主要集中在高頻段及毫米波頻段，以我國為例，比較確定的5G工作頻段在3.5 GHz、4.8 GHz上。工作頻段的提高、系統帶寬的增大（例如單載波帶寬大于100 MHz），以及5G物理層可能采用更加線性的波形，這些新特性和需求都可能造成射頻功率放大器（PA）的工作效率降低、功耗增加。

為提高終端上行傳輸速率，當5G模塊需要上行雙發射時，射頻部分至少會有兩個功率放大器（PA）同時工作，這將帶來功耗的增加，如果數據速率較低，則單位數據量的功耗效率也隨之降低。

5G的高速率傳輸和數據處理過程，會提高基帶芯片及應用處理復雜度，這些因素同樣也可能造成終端功耗的增加。

在此基礎上，非獨立組網模式需要終端支持4G和5G模塊同時工作，以及4G和5G信號的同時發射，因此LTE-NR雙連接工作模式將可能進一步增加5G終端功耗。

通過上述分析可知，5G終端的實現對功耗優化設計的要求更高。在終端優化設計的同時，結合一些節電機制，可以有助于進一步降低5G終端功耗，提升用戶體驗。目前，3GPP對于5G的核心規范在RRC連接態和空閑態基礎上引入了RRC_INACTIVE狀態，其設計目的之一就是降低終端功耗。此外，LTE已有的非連續接收（DRX，Discontinuous Reception）機制也同樣被引入到5G標準中。3GPP對于非獨立組網模式已經開展相關的技術研究工作，考慮4G和5G不同時進行上行發射的可行性，以降低LTE-NR雙連接時5G終端的功耗。

3.2 SA和NSA組網模式下終端實現方案分析

在5G NR的部署過程中，不同的運營商依據自身發展策略會采用不同的組網模式，典型的場景就是在國際漫游情況下，終端可能需要接入不同組網模式的網絡。此外，即使是同一個運營商，在網絡建設期間，也可能會出現不同區域采用不同的組網模式或不同網絡部署方案的情況。因此，能夠支持5G NR獨立組網和非獨立組網模式的多模多頻段5G終端將能較好地適應LTE與5G網絡部署的多種可能性，在多種網絡部署情況下給用戶帶來良好的體驗。

基于本文的分析，5G NR獨立組網模式和非獨立組網模式下，終端在基帶物理層、協議棧、射頻、天線等方面的實現存在差異。鑒于在3GPP標準化時間表中，5G NR非獨立組網模式的標準凍結早于獨立組網模式約半年的時間，5G芯片及終端通常會考慮先依據3GPP標準支持非獨立組網模式，然后再支持獨立組網模式。為降低5G芯片和終端的開發成本、縮短研發周期，并達到支持5G NR非獨立組網模式和獨立組網模式的目標，5G芯片及終端在支持非獨立組網模式的開發設計過程中應預留獨立組網模式的支持能力。具體來說：在硬件設計初期應考慮采用非獨立組網模式和獨立組網模式共平臺的設計方案，并在軟件開發過程中預留資源以便支持非獨立組網模式和獨立組網模式對應的兩套協議棧及高層處理過程。

此外，在滿足業務需求的前提下，終端的射頻和基帶等模塊的器件、處理和存儲資源應充分考慮4G和5G之間的共享和復用，并能夠在不同的工作場景下進行靈活的調用。例如，當終端只工作在5G NR網絡下時，終端資源的充分利用可以支持較高的UE等級及傳輸能力。而當開啟LTE-NR雙連接模式后，終端可以根據需要，給LTE處理預留較少的資源，LTE可使用較低的傳輸能力滿足控制信令和較小速率的數據傳輸，而將更多的資源分配給5G NR的處理，以充分利用5G傳輸能力。在為用戶提供良好通信業務體驗的同時，達到降低終端成本及功耗的目的。

4 結束語

相對于2G/3G/4G較簡單的組網方式，5G NR分為獨立組網和非獨立組網兩種模式，每種模式還可以對應多種網絡部署方案。5G系統極高的性能要求及多樣化的網絡部署場景對5G終端的設計提出了多方面的挑戰。本文重點分析了獨立組網和非獨立組網模式對終端的基帶物理層、高層協議棧、射頻實現、天線設計以及終端功耗等方面的影響。同時，為較好地適應5G網絡部署的多種可能性，建議5G終端能夠具備在獨立組網和非獨立組網兩種模式下的網絡接入能力。因此，5G芯片和終端在軟件和硬件設計開發過程中，應充分研究分析不同組網模式和部署方案下終端實現和性能的差異性，在此基礎上實現獨立組網模式和非獨立組網模式共平臺化設計，以保證5G終端的適用性，滿足5G通信系統不斷涌現的新業務和場景需要，為用戶提供極致的通信業務服務。

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