4G-5G 雙連接技術(shù)分析*

李海振，周昌林，葉旭偉

（中國移動浙江有限公司麗水分公司，浙江 麗水 323000）

0 引 言

隨著各大運營商5G頻段的公布，距離5G商用的時間也是越來越短。由于受高頻段的影響，5G在未來密集組網(wǎng)將成為趨勢，同時也帶來了負載不均、切換冗余[1]、干擾嚴重的問題。在3GPP R12版本中，引入了雙連接技術(shù)的概念，主要解決在密集組網(wǎng)下帶來的部分問題。本文從無線側(cè)出發(fā)，對雙連接技術(shù)在互操作、組網(wǎng)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、網(wǎng)絡(luò)容量和移動性管理等方面進行了探討。

1 4G-5G互操作概述及分類

相對于傳統(tǒng)的具有獨立接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)，5G NSA并不具備獨立的核心網(wǎng)，而是LTE&NR共用核心網(wǎng)。初期LTE&NR共用升級后的4G核心網(wǎng)EPC+，后期LTE&NR共用5G核心網(wǎng)NGC，具體的分類后面展開。

5G SA（Standalone）與傳統(tǒng)的2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)相似，具有獨立的接入網(wǎng)NR和核心網(wǎng)NGC。

基于5G新增5G NSA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，同時需要兼顧5G SA的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將4G-5G互操作分為兩類[2]：

（1）4G-5G RAN側(cè) 互 操 作， 又 稱 Dual Connectivity雙連接，主要特點是LTE&NR共用核心網(wǎng)（LTE&NR連接到EPC+，或LTE&NR連接到NGC），4G基站和5G基站之間必須存在連接，UE在同一個核心網(wǎng)下互操作。

（2）4G-5G CN側(cè)互操作，主要特點是：LTE&NR具有獨立核心網(wǎng)（LTE連接到EPC，NR連接到NGC），4G基站和5G基站之間不必存在連接，互操作前后UE連接的核心網(wǎng)發(fā)生變化（注：由于雙注冊模式的存在，UE連接核心網(wǎng)的改變可能是相對的，如會話部分在EPC&NGC之間的遷移等）。

2 4G-5G互操作的場景分類

根據(jù)4G-5G互操作的分類原則，參考協(xié)議中的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Options，得出4G-5G互操作的場景分類如下：

（1）4G-5G RAN側(cè) 互 操 作：Option 3/3A，Option 4/4A，Option 7/7A；

（2）4G-5G CN側(cè)互操作：Option 2，Option 5。

網(wǎng)絡(luò)演進初期5G NSA架構(gòu)，核心網(wǎng)為EPC+，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為Option3/3A，如圖1所示。

圖1 Options 3 and 3A

Option 3/3A，NSA NR架構(gòu)，LTE eNB連接到EPC+，5G控制面（圖1中虛線）經(jīng)由eNB和gNB之間的接口連接到eNB，然后由eNB連接到EPC+。

5G NR用戶面（圖1中實線）經(jīng)由LTE eNB連接到EPC+為Option 3，5G NR用戶面（圖1中實線）由gNB直接連接到EPC+為Option 3A。

3 4G-5G RAN側(cè)互操作介紹

3.1 多制式雙連接MR-DC基本概念

多制式雙連接MR-DC（Multi-RAT Dual Connectivity）是站在UE的角度去看，UE在接入側(cè)同時接入兩個制式，目前主要為4G E-UTRA和5G NR，同時接入側(cè)的兩個制式共用一個核心網(wǎng)（LTE&NR連接到EPC+，或LTE&NR連接到NGC）。

MN&SN：以O(shè)ption 3/3A為例進行說明（如圖2所示）。MR-DC中，控制面（如圖2所示虛線）直接連接到核心網(wǎng)的節(jié)點（圖2中為LTE eNB）稱為MN（Master Node，主節(jié)點），另外一個制式或者節(jié)點（圖2中為gNB）稱為SN（Secondary Node，輔助節(jié)點）。

圖2 MN/SN

MCG&SCG：MCG（Master Cell Group） 主小區(qū)組是與主節(jié)點MN相關(guān)聯(lián)的服務(wù)小區(qū)，SCG（Secondary Cell Group）輔小區(qū)組是與輔節(jié)點SN相關(guān)聯(lián)的服務(wù)小區(qū)，以O(shè)ption 3/3A為例進行說明，如圖3所示。

圖3 MCG/SCG

3.2 MR-DC分類及特點

根據(jù)MR-DC連接的核心網(wǎng)不同，將MR-DC分為兩個大類：MR-DC with EPC和MR-DC with 5GC。具體的分類和主要架構(gòu)特點如表1所示。

表1 MR-DC分類及架構(gòu)特點

3.3 MR-DC對RRC的影響

3.3.1 系統(tǒng)消息處理的影響

在MR-DC場景中，對SN來說，除了無線幀定時和SFN，并不要求SN廣播系統(tǒng)消息。

3.3.2 對UE能力協(xié)同的影響

在MR-DC場景中，需要將UE支持E-UTRA和NR的能力提供給MN和SN，MR-DC頻段組合、支持的E-UTRA和NR頻段組合列表、NR PDCP能力對MN和SN均可見。

3.3.3 Combined MN/SN RRC Message處理

為了與MN協(xié)同，在MCG和SCG重配置時，SN RRC Reconfiguration Message封裝在MN RRC Message中。此MN RRC Message同時攜帶對應(yīng)的MCG Reconfiguration，以確保Combined Reconfiguration由UE聯(lián)合處理。

如果MN終止使用NR PDCP的承載，MN生成NR PDCP配置；如果SN終止承載，SN生成NR PDCP配置并發(fā)送到MN。

3.3.4 SRB 3

由SN決定是否建立SRB 3。SRB 3建立和釋放可以在SN Addition&SN Change中完成，SRB 3重配可以在SN Modification中完成；SRB3可用于發(fā)送SN RRC Reconfiguration/SN RRC Reconfiguration Complete/SN Measurement Report消息，僅針對不涉及MN的場景。SCG釋放時，SRB 3同步釋放。

3.3.5 MCG/SCG失敗處理

（1）RLF（Radio Link Failure）獨立向MCG和SCG上報；

（2）如果檢測到MCG RLF，UE發(fā)起RRC連接重建流程；

（3）在EN-DC和NGEN-DC場景中，支持如下SCG失敗：

①SCG RLF；

②SN change failure；

③SCG configuration failure（only for messages on SRB3）；

④ SCG RRC integrity check failure（on SRB3）。

（4）EN-DC和NGEN-DC場景中，一旦SCG失敗發(fā)生，UE暫停所有RB的SCG傳輸，并將SCG失敗上報給MN，而不是觸發(fā)重建。

（5）在所有的SCG失敗場景中，UE維持當前的來自MN和SN的測量配置，且UE繼續(xù)基于當前的來自MN和SN的測量配置進行測量。

（6）UE在 SCG Failure Information message中帶上基于當前MN和SN測量配置的測量結(jié)果，MN處理SCG Failure Information message，然后決定保留、改變或者釋放SN/SCG。在所有場景中，基于SN配置的測量結(jié)果可能需要轉(zhuǎn)發(fā)到舊SN and/or新SN。

3.3.6 UE ID

在MR-DC場景中，給UE分配兩個獨立的C-RNTI，一個用于MCG，一個用于SCG。

4 MR-DC對網(wǎng)絡(luò)的影響分析

4.1 MR-DC場景下組網(wǎng)演進路線

按照前面所述，5G建網(wǎng)初期組網(wǎng)選擇為Option 3/3A，因此本文從Option 3A出發(fā)，給出MR-DC場景下5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的一個參考演進路線。

參考演進路線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的網(wǎng)元及角色變化參考如表2所示。

表2 MR-DC組網(wǎng)演進

鑒于NSA架構(gòu)向SA架構(gòu)的演進需求在未來較長時間內(nèi)都將持續(xù)存在，因此4G-5G雙連接將長期存在于網(wǎng)絡(luò)中。

4.2 MR-DC對覆蓋的影響分析

MR-DC引入后，對NR<E的網(wǎng)絡(luò)覆蓋進行分析，是規(guī)劃階段的重要任務(wù)。

目前，本文僅從鏈路預(yù)算方面展開，對MR-DC場景中的NR<E覆蓋進行分析對比。由于NR的頻率普遍高于LTE的頻率，高頻電磁波的傳播路徑損耗較低頻電磁波的傳播路徑損耗大，因此通常情況下，單站點的NR的覆蓋范圍小于LTE的覆蓋范圍，即NR的覆蓋為LTE覆蓋的子集。

MR-DC鏈路預(yù)算基本輸入條件，含NR<E的數(shù)據(jù)如表3所示，其中需要重點指出：

邊緣速率：① NR UL/DL：1 Mbps/10 Mbps；②LTE UL/DL：256 kbps/1 024 kbps

系統(tǒng)頻率：①NR：3.5 GHz；②LTE：2.6 GHz。

表3 MR-DC鏈路預(yù)算輸入條件

基于上述輸入，通過鏈路預(yù)算工具，可以得到如下小區(qū)半徑：LTE上行1 400 m，下行1 510 m，NR上行802 m，下行1 347.3 m。從中可發(fā)現(xiàn)，LTE和NR均為上行覆蓋受限，得到LTE的覆蓋半徑為1 400 m，NR的覆蓋半徑為802 m。

根據(jù)鏈路預(yù)算計算的小區(qū)半徑，即可算出單站點的覆蓋面積，計算公式為：

通過計算覆蓋面積不難發(fā)現(xiàn)，在上述條件下，單個NR站點的覆蓋面積為1.25 km2，遠小于LTE的單站覆蓋面積3.82 km2。因此，針對MR-DC場景，如果LTE&NR采用1∶1比例建站，則NR僅能覆蓋站點附近的部分范圍，NR覆蓋范圍為LTE覆蓋范圍的33%（1.25/3.82×100%）。

從覆蓋角度來看，如果需要使NR達到LTE連續(xù)覆蓋的情況，需要通過新增規(guī)劃微站和拉遠站點來解決。

4.3 MR-DC對容量的影響分析

MR-DC的引入，站在傳統(tǒng)LTE網(wǎng)絡(luò)的角度看，NR的容量即為MR-DC引入的容量增益。按照3GPP的定義，NR的容量為LTE容量的20倍。NR的引入，帶來了容量的大幅提升。針對網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)的容量需求，可優(yōu)先規(guī)劃5G NR站點。

按照2017-2018年中國用戶的同比150%流量的增速，考慮進入5G后流量的使用會加快，NR的容量只能滿足當前用戶的3～4年需求。

4.4 MR-DC對移動性管理的影響分析

站在傳統(tǒng)LTE網(wǎng)絡(luò)的角度來看，MR-DC的引入多數(shù)情況為EN-DC場景。為了適應(yīng)MR-DC的無線資源管理，新增了很多管理場景，部分典型場景如下：

（1）UE的上下文在MR-DC與非MR-DC之間切換；

（2）MN在不同站點之間切換；

（3）SN在不同站點之間切換；

（4）SN建立、更改、釋放等。

為了實現(xiàn)相關(guān)場景的UE上下文和網(wǎng)絡(luò)資源的管理，協(xié)議定義了相關(guān)流程。UE、MN、SN、CN等之間進行信令交付來完成相關(guān)的移動性管理任務(wù)。

在5G建網(wǎng)初期，也可能在5G建網(wǎng)后的相當長時間內(nèi)，5G的覆蓋都為4G覆蓋的子集?；诖?，MR-DC可能在很長一段時間內(nèi)存在于網(wǎng)絡(luò)中，而移動性的問題分析，與掉話率、吞吐率、時延、容量等問題的分析相輔相成。

因此，對網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化而言，需要了解和熟悉MR-DC流程的基本內(nèi)容，理解每個流程發(fā)生的場景及其對應(yīng)的信令流程、話統(tǒng)打點、信令中的關(guān)鍵信元IE等，才能在實踐中分辨出UE所處的狀態(tài)（MR-DC、非MR-DC）、MN或SN是否發(fā)生了切換、MN或SN是否發(fā)生了變更等。因此，這些知識是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作中路測數(shù)據(jù)分析、話統(tǒng)數(shù)據(jù)分析和網(wǎng)絡(luò)問題定位處理的基礎(chǔ)。

5 結(jié) 語

本文基于5G雙連接技術(shù)進行網(wǎng)絡(luò)分析，針對網(wǎng)絡(luò)演進、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、網(wǎng)絡(luò)容量和移動管理方面提出了見解。目前，雙連接技術(shù)的引用，在網(wǎng)絡(luò)的速率、容量、體驗上有了很大改進，但是同時由于5G頻段本身的不足，需要在網(wǎng)絡(luò)的覆蓋、容量規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化上做好長遠計劃。因此，MR-DC的移動性管理是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作中需要重點學(xué)習的內(nèi)容。