5G網(wǎng)絡演進與雙模5G基站

蔡博文 張化 郭瀚 謝偉良

【摘? 要】2020年5G網(wǎng)絡將大規(guī)模商用，為更高效部署5G網(wǎng)絡，在全面梳理5G網(wǎng)絡架構與演進的基礎上，重點研究了雙模5G基站的原理，并結合外場測試數(shù)據(jù)，對雙模5G基站的測試性能進行了分析，最后對后續(xù)電信運營商部署5G網(wǎng)絡進行了建議。

【關鍵詞】 5G網(wǎng)絡;雙模基站;NSA;SA

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.010? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）04-0045-05

引用格式：蔡博文，張化，郭瀚，等. 5G網(wǎng)絡演進與雙模5G基站[J]. 移動通信， 2020，44（4）： 45-49.

5G Network Evolution and Dual-Mode 5G Base Station

CAI Bowen， ZHANG Hua， GUO Han， XIE Weiliang

（China Telecom Research Institute， Beijing 102209， China）

[Abstract]

5G network will be widely commercialized in 2020. In order to deploy 5G networks more efficiently， this paper investigates the principle of dual-mode 5G base stations based on a comprehensive review of 5G network architecture and evolution， and analyzes the testing performance of dual-mode 5G base stations with the field test data. Finally， recommendations are provided to subsequent telecom operators for 5G network deployment.

[Key words]5G network; dual-mode base station; NSA; SA

0? ?引言

自2019年6月6日工信部向電信運營商發(fā)放5G牌照以來，運營商不斷加快5G網(wǎng)絡的建設步伐。5G網(wǎng)絡的組網(wǎng)方式分為NSA和SA兩種，NSA模式只支持大帶寬的業(yè)務，SA網(wǎng)絡架構可以為千行百業(yè)提供5G網(wǎng)絡超低時延、端到端網(wǎng)絡切片等特性。

由于5G網(wǎng)絡必然要完成NSA向SA網(wǎng)絡的過渡，為了實現(xiàn)5G網(wǎng)絡平滑演進和減少網(wǎng)絡改造，產(chǎn)業(yè)界提出了一種NSA/SA雙模5G基站。雙模5G基站可以同時支持NSA和SA設備接入，部署雙模基站可以使得電信運營商能在未來5G網(wǎng)絡建設中，既能保障5G NSA組網(wǎng)架構快速商用的訴求，也能在當前行業(yè)需求爆發(fā)式增長環(huán)境下，從容應對5G網(wǎng)絡從NSA向SA的快速切換和平滑演進，最終實現(xiàn)5G全業(yè)務場景。

1? ? 5G組網(wǎng)架構

5G NR組網(wǎng)架構相對4G更為靈活，隨著3GPP對5G標準的加速推進，NSA和SA組網(wǎng)方案中各種選項相關的國際標準都已凍結。由于NSA組網(wǎng)方案中部分選項無需5GC，可依托運營商4G網(wǎng)絡以LTE做錨點，具有部署快的優(yōu)勢，使得運營商在5G初期能快速實現(xiàn)大帶寬業(yè)務。然而受垂直物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的驅動，SA架構才是運營商未來的目標網(wǎng)絡。原因是SA為滿足eMBB、URLLC和mMTC三大業(yè)務場景的全業(yè)務需求提供了可能，支持網(wǎng)絡切片和邊緣計算等新技術應用。對于多數(shù)運營商來說，NSA的普遍選擇方案是Option 3x，SA的普遍選擇是Option 2[1]。

Option 3系列架構采用4G基站（eNB）作為主節(jié)點（Master Node），5G基站（gNB）作為輔助節(jié)點（Secondary Node）的雙連接架構，稱之為EN-DC（EUTRA-NR Dual Connection）。EN-DC雙連接場景中，UE連接到作為主節(jié)點的eNB和作為輔節(jié)點的gNB，其中eNB通過S1-MME和S1-U接口分別連接到MME和S-GW，并同時通過X2-C和X2-U接口連接到gNB，gNB也可以通過S1-U接口連接到S-GW，連接示意圖如圖1所示：

Option 3所有的控制面信令都經(jīng)由eNB轉發(fā)。Option 3又可以分為Option 3/3a/3x三個子選項，分別通過eNB/EPC/gNB進行數(shù)據(jù)分流。三種架構中，Option 3對LTE基站吞吐量以及與5G NR基站之間X2接口的傳輸要求較高;Option 3a要求LTE基站具備較為靈活的機制選擇用戶承載面的錨點，并能動態(tài)調整，但對X2接口的傳輸要求較低;Option 3x在控制面由4G基站作為錨點直接與4G核心網(wǎng)網(wǎng)元MME相連，用戶數(shù)據(jù)流量的分流和聚合在5G基站完成，5G基站可直接傳送到終端，也可通過X2-U接口將部分數(shù)據(jù)轉發(fā)到4G基站再傳送到終端。綜上所述，Option 3x網(wǎng)絡可以充分利用已有4G網(wǎng)絡的良好覆蓋作為網(wǎng)絡的控制面?zhèn)鬏敚虼诉\營商普遍用此方案部署NSA網(wǎng)絡。

Option 2架構中，5G核心網(wǎng)與5G基站通過NG接口直接相連，傳遞NAS信令和數(shù)據(jù)，5G無線空口的RRC信令、廣播信令、數(shù)據(jù)都通過5G基站的NR空口直接傳遞。Option 2架構對現(xiàn)有2G/3G/4G網(wǎng)絡架構無影響，可獨立部署5G新網(wǎng)元。Option 2架構如圖2所示，支持5G核心網(wǎng)能力，并可提供支持增強移動寬帶和基礎低時延高可靠業(yè)務的能力，為不同的業(yè)務提供差異化的服務，便于拓展垂直行業(yè)，提供5G網(wǎng)絡切片、邊緣計算等新功能。

由于NSA與SA兩種組網(wǎng)方案在產(chǎn)業(yè)鏈成熟度上存在一定差異，同時考慮到國際NSA用戶漫游需求，因此運營商在部分場景下需要部署NSA/SA雙模網(wǎng)絡來同時支持NSA用戶和SA用戶的接入。由于NSA和SA網(wǎng)絡在NR空口協(xié)議上基本一致，只在無線網(wǎng)絡高層協(xié)議上存在一定差異，所以在一套NR無線網(wǎng)絡中同時支持NSA用戶和SA用戶成為可能[2]。

2? ? 雙模5G基站技術

2.1? 雙模5G基站架構和調度

雙模5G基站NR側同時運行Option 3和Option 2兩種架構，可以同時支持SA和NSA兩種類型的終端接入。如圖3所示，雙模5G基站通過NG接口連接到核心網(wǎng)5GC，即通過NC-C接口與AMF（接入和移動性管理功能）實體連接，通過NG-U接口與UPF（用戶平面功能）實體連接。雙模基站可以通過S1接口接入EPC，也可以通過X2接口連接eNodeB。4G核心網(wǎng)和5G核心網(wǎng)之間可通過N26接口連接。

以NSA模式接入雙模5G基站的用戶，LTE eNodeB作為主基站（MeNB），5G gNodeB作為輔基站（SeNB）。根據(jù)數(shù)據(jù)分離和轉發(fā)方式的不同，雙模5G基站的無線承載（Radio Bearer）分為三種形式（如圖4所示）。圖4? ? 雙模5G基站無線承載示意圖

MCG（Master Cell Group，主小區(qū)群）承載：MCG承載是傳統(tǒng)的承載模式。MCG承載從核心網(wǎng)的S-GW路由到MeNB，并由MeNB直接轉發(fā)給UE，即只從LTE側進行數(shù)據(jù)轉發(fā)。

SCG（Secondary Cell Group，輔小區(qū)群）承載：SCG承載從核心網(wǎng)的S-GW路由到SeNB，再由SeNB轉發(fā)給UE，即只從雙模基站NR側進行數(shù)據(jù)轉發(fā)。

Split承載：Split承載在基站側進行分離，由MeNB和SeNB按分離比例同時向UE轉發(fā)，即LTE和NR共同完成數(shù)據(jù)轉發(fā)。用戶從2個系統(tǒng)中獲取下行數(shù)據(jù)，便于實現(xiàn)負荷分擔和資源協(xié)調功能，也有利于提高用戶速率。其缺點在于，對基站間傳輸要求高，MAC層協(xié)議復雜性要求高，且基站間傳輸鏈路需要實現(xiàn)流控等功能。

雙模基站的承載分離在PDCP（Packet Data Conver-gence Protocol）層進行，兩個接入點可獨立進行物理層資源的調度。如果雙模基站關閉Split分流模式，可以簡化為LTE和NR MAC層各自調度，NR側NSA和SA用戶等優(yōu)先級調度，LTE側在NR中低負載時僅LTE用戶調度[3]。

2.2? 雙模基站接入與切換

雙模基站在初始接入時，對于SA的終端，優(yōu)先選擇SA模式接入，接入成功后自動駐留5G小區(qū)，否則回落到LTE。對于NSA終端，優(yōu)先從LTE接入，始終駐留在LTE小區(qū)，根據(jù)雙模基站覆蓋情況選擇LTE only或NSA狀態(tài)。

如圖5所示，由于LTE基站和雙模基站的站址和覆蓋存在差異。對于NSA用戶，在雙模基站小區(qū)邊緣存在5G載波的配置和去配置過程，而SA用戶在NR覆蓋連續(xù)時，僅存在NR切換[4]。

2.3? 雙模基站組網(wǎng)

雙模基站之間可以通過Xn接口連接。雙模基站和LTE基站eNB間通過X2接口連接。雙模基站通過NR新空口向SA UE提供NR用戶面、控制面連接。對于NSA終端而言，LTE制式的eNB作為UE的主基站（即MeNB），NR制式的en-gNB作為輔基站（即SgNB）[5]。

雙模基站具體組網(wǎng)方式有以下兩種：

（1）雙模基站連片組網(wǎng)。雙模基站連片部署，雙模基站區(qū)域內同覆蓋的LTE基站需要升級支持雙模基站LTE側的相關功能。終端需要能夠在雙模基站之間正常切換。

（2）雙模基站與NSA/SA基站相鄰組網(wǎng)。雙模基站以插花的方式部署在NSA/SA網(wǎng)絡中。同樣，雙模基站區(qū)域內同覆蓋的LTE基站需要升級支持雙模基站LTE側的相關功能。終端需要能夠在雙模基站之間、雙模基站與SA/NSA基站間正常切換。

2.4? 雙模基站優(yōu)劣分析

雙模基站可通過軟件配置實現(xiàn)模式轉換，當網(wǎng)絡由NSA組網(wǎng)向SA演進時，只需要對基站進行軟件配置升級即可，使得運營商在硬件投資上一步到位，達到“網(wǎng)絡一次投資，長遠演進”的目的。另外，雙模基站一個載波能夠支持兩種制式的終端接入，即當網(wǎng)絡最終升級到SA時，終端用戶也無需更換手機，實現(xiàn)真正的平滑演進。

雙模5G基站功能更復雜，優(yōu)化和維護難度大。雙模基站需要支持NSA和SA基站的所有功能，既需要支持與現(xiàn)有4G網(wǎng)絡互聯(lián)以實現(xiàn)NSA功能，又需要部署5G核心網(wǎng)以支持SA的新功能，功能上更為復雜。同時，雙模5G基站組網(wǎng)需要考慮4G、5G聯(lián)合優(yōu)化，增加了網(wǎng)絡的復雜度和優(yōu)化難度，雙模基站需要維護X2、NG和S1三種接口，需要完成NSA和SA兩套參數(shù)配置和網(wǎng)絡優(yōu)化，網(wǎng)絡優(yōu)化和維護的難度更高[6]。

3? ? 雙模基站測試

3.1? 性能指標

圖6為雙模5G基站下行定點測試結果，以SA等比例映射。從測試結果看，在遠中近點位，SA終端的下行速率優(yōu)于NSA。NSA Split模式速率因可以從LTE側分流，進而在遠中近點處速率高于NSA SCG模式。

圖7為控制面時延測試外場測試結果。從時延測試結果來看，LTE終端控制面時延和SA終端控制面時延基本相當，NSA終端控制面時延較高，相當于LTE終端或SA終端控制面時延的一倍。統(tǒng)計SA平均控制面時延在84 ms左右，近中遠點位無明顯區(qū)別。LTE平均控制面時延在93 ms左右，近中遠點位無明顯區(qū)別。NSA平均控制面時延在180 ms左右，近中遠點位無明顯區(qū)別。其中NSA控制面信令在LTE側承載，與LTE的時延對比增加了87 ms左右，主要差異是NSA終端接入雙模基站時需要進行兩次UE能力級查詢，包括LTE能力和NR能力，這將導致控制面時延增加。而SA終端和LTE終端只需要進行一次UE能力查詢。

3.2? 雙模基站對現(xiàn)網(wǎng)影響

圖8為雙模基站開啟前后CPU利用率的變化。在雙模站點開啟后，當前實驗網(wǎng)NSA用戶數(shù)較少，基站負荷無明顯增加，CPU利用率基本保持一致。從現(xiàn)網(wǎng)性能指標統(tǒng)計結果來看，雙模基站開啟前后對現(xiàn)網(wǎng)LTE主要指標沒有明顯影響。

4? ?結束語

5G網(wǎng)絡的建設還需要很長一段時間才能完成，雙模5G基站可以同時支持NSA和SA用戶的接入，使得網(wǎng)絡可以從NSA向SA有序演進。電信運營商可以優(yōu)先部署雙模基站，利用NSA模式滿足大量移動設備eMBB的場景需求。待產(chǎn)業(yè)鏈成熟后，可以進一步部署5G核心網(wǎng)，滿足更多的場景需求。

參考文獻：

[1]? ? ? 3GPP. 3GPP TS 23.501 V16.2.0： System Architecture for the 5G System[S]. 2019.

[2]? ? 王丹，孫滔，段曉東，等. 面向垂直行業(yè)的5G核心網(wǎng)關鍵技術演進分析[J]. 移動通信， 2020，44（1）： 8-13.

[3]? ? ?汪鋒，葛中魁，趙霞. 5G NR與LTE的系統(tǒng)間協(xié)同研究[J].?移動通信， 2019，43（10）： 74-79.

[4]? ? ? ?李儉偉.? 2020年5G終端發(fā)展展望NSA/SA雙模終端將?成市場主流[J]. 通信世界， 2019（33）： 24-25.

[5]? ? 肖子玉. 多模共存的5G網(wǎng)絡部署關鍵問題探討[J]. 電信工程技術與標準化， 2019，32（11）： 37-41.

[6]? ? 韓鈺昕，黃勁安. 5G NR網(wǎng)絡架構的演進路徑分析[J]. 廣東通信技術， 2019，39（11）： 26-29.★

作者簡介

蔡博文（orcid.org/0000-0001-8149-4978）：碩士畢業(yè)于北京郵電大學，現(xiàn)任職于中國電信研究院，主要從事移動通信標準、5G網(wǎng)絡演進和無線接入技術的研究工作。

張化：助理工程師，碩士畢業(yè)于悉尼大學，現(xiàn)任職于中國電信研究院，主要從事移動通信標準和5G無線技術研究工作。

郭瀚：助理工程師，碩士畢業(yè)于桂林電子科技大學，現(xiàn)任職于中國電信研究院，主要研究方向為5G標準和無線接入新技術等。