NSA組網下2G/3G/4G/5G系統協同策略的研究

【摘? 要】從NSA組網原理出發，以中國移動的現網實際情況和需求為例，通過分析不同系統的特點，探討了NSA模式下2G/3G/4G/5G組網下不同網絡間的協同策略。經測試驗證，該套策略對5G網絡的覆蓋、質量以及用戶的下載速率等指標均有較好的改善，能夠滿足現網實際網絡的組網要求，同時也可為后續5G大規模基站建設和入網提供行之有效的參考方案。

【關鍵詞】NSA;互操作;協同策略

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.10.004? ? ? ? 中圖分類號：TN915.08

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）10-0019-06

引用格式：李暉暉. NSA組網下2G/3G/4G/5G系統協同策略的研究[J]. 移動通信， 2020，44（10）： 19-24.

0? ?引言

隨著5G牌照發放，各大運營商必須解決2G/3G/4G/5G協同組網問題[1-2]。5G作為新一代的移動通信系統，因缺少實際網絡測試環境，因此協同方面相關的研究案例較少。現有的協同研究只是針對網絡建設以及結合理論進行研究，缺少實際測試數據支撐，在實際的5G無線優化參考價值不高。如文獻[3]主要研究的是在5G網絡建設期間，和4G頻譜、站點、天面和基站等關鍵要素方面的協同，文獻[4]主要從信令出發，研究4G/5G協同過程以及可能出現的故障。

本文以中國移動的現網實際情況和需求為例，從NSA網絡、互操作等原理出發，提出了5G用戶在不同系統和不同狀態下的協同策略，通過大量的測試數據和性能統計數據驗證該套策略對5G網絡的覆蓋、質量以及用戶的下載速率等指標均有較好的提升，對一線無線網優工作具有很大的指導意義。

1? ?5G組網方式

根據3GPP協議，5G主要采用兩種組網方式，一種是獨立組網（SA StandAlone）;一種是非獨立組網（NSA NonStandAlone）[5]。

SA和NSA組網分別又分為不同的系列，具體如表1所示：

考慮到現有實際情況并盡快實現5G的商用，國內三大運營商初期以NSA為主，同時為了最大限度實現5G性能，有效分擔現有LTE的高話務區域，NSA組網中主要選用option3系列中的option3X模式。不過NSA無法支持5G某些的新業務和新功能，因此隨著5G建設規模不斷擴大，后期運營商將會采用SA獨立組網方式。

對于option3系列，通過不同的分流控制點來區分option3、option3a還是option3x。三者的區域以及優缺點[6]如表2所示。

對于option3來說，分流控制節點是4G主基站，MeNB既要處理控制面的信息，也要處理用戶面的數據，因此需要對現有的4G基站進行軟件升級，部分老設備涉及到硬件更換;另外，部分區域的4G基站本來負荷較高，加上對5G處理，對于高話務區域的4G網絡影響較大，嚴重影響客戶感知。

option3a分流控制節點為為EPC，即4G核心網，由核心網分別向4G和5G基站分發用戶面數據，此種方法也需要對現有的4G核心網升級。

option3x的分流控制點為5G基站，即由5G基站進行數據流量分流，這種方式不用升級4G的基站，同時可以發揮5G基站的處理能力，為運營商5G的建設節省時間和成本，因此3x方式受到了各大運營商的歡迎，也是目前5G NSA建網的首選方式[6]。

2? ?不同系統間的互操作原理及其策略

2.1? 互操作原理

所謂互操作是指終端可以在現有不同的移動系統間進行重選和切換，以確保良好的客戶感知。

3GPP系統互操作示意圖如圖1所示，從圖中可知，E-UTRAN和NG-RAN之間沒有物理和邏輯端口，終端從NG-RAN切換到E-UTRAN，需要經由4G的核心網EPC和5G的核心網5GC之間的接口。如果5G終端回落核心網到4G后，4G無線網絡存在弱覆蓋或者干擾等質量問題，終端則經由4G核心網和2G核心新網之間接口回落到2G[8]。

當前5G業務主要分為數據業務和話音業務，兩種業務采用的承載方式不同，因此協同策略也有所不同。

（1）對于數據業務，在5G建網初期，主要采用NSA Option 3X來組網，其承載通過5G基站來進行分流，可通過4G和5G進行承載分擔。

（2）對于話音業務，5G建網初期和NSA組網下，語音采用過渡方案[7]，當5G終端發起語音呼叫時，將在LTE基站錨點進行，通過VoLTE提供語音業務，如果4G基站出現嚴重的質量問題，如干擾或者弱覆蓋，則有可能話音進一步回落到3G或者2G網絡。為避免頻繁切換引起的話音中斷，做好2G/3G/4G/5G網絡之間的協同，對于提升5G用戶的感知有著非常重要的意義。

不同的狀態下的5G終端，采用不同的準則和事件來實現網絡間互操作。3GPP定義5GRRC狀態（無線資源管理）共有3種情況[9]：分別是RRC_IDLE、RRC_INACTIVE、RRC_CONNECTED。RRC_IDLE和RRC_CONNECTED兩種狀態和LTE的IDLE和CONNECT狀態相似，RRC_INACTIVE是5G新增的，當終端進入RRC_INACTIVE狀態時，終端在核心網的上下文仍會保留，此時如果有數據要接收或者發送，則只要空口再次進行隨機接入進入RRC_CONNETED狀態即可。此狀態既可以節約終端耗電還可以降低時延。對于RRC_IDLE和RRC_INACTIVE狀態，小區為空閑狀態，可以執行小區選擇和重選，小區選擇采用S準則[10]，即：

其中：Srxlev=Qrxlevmeas–（Qrxlevmin+Qrxlevminoffset）–Pcompensation-Qoffsettemp;Squal=Qqualmeas–（Qqualmin+Qqualminoffset）-Qoffsettemp。

Srxlev是SSB的信號強度（LTE中為RS的信號強度），一般要求SSB的RSRP強度>-110 dBm;Squal是SSB的信號質量，Qrxlevmeas為終端的接收電平。

為了利用不同頻段的覆蓋的特點，5G系統和4G系統一樣，引用了優先級。不同的頻率或者IRAT頻率之間的絕對優先級可以通過系統消息、RRC ConnectionRelease以及從其他頻點或者系統繼承而來。

對于RRC_CONNECTED狀態的終端，其主要通過不同的事件來實現5G終端在不同系統間和頻段間進行切換，以保證業務的連續性。5G終端的切換事件包括系統內切換和系統間切換，分別通過A1～A6，B1～B2事件來表示。

對于2G/3G/4G/5G系統，其相關的互操作原理如表3所示。

從互操作原理來看，做好4G與5G、4G與2G/3G之間的協同，對于提升5G用戶的感知有著非常重要的意義。在所有的互操作中，4G錨點站與5G之間的協同成為所有互操作成功的關鍵。下面將著重對NSA組網下4G和5G之間的策略進行詳細描述。

2.2? NSA組網下不同系統間互操作策略

（1）4G與5G的協同

NSA Option3x組網下，5G和4G基站都連接在EPC為核心網上，NR中控制面的消息由4G基站進行處理，用戶面數據分流控制節點由5G基站進行控制。5G終端在空閑態時，其優先駐留和重選到錨點站。在連接態下，NR終端在FDD1800錨點上發起EN-DC雙連接，NR添加或者刪除分別通過B1和A2事件。連接態下，進行數據業務時，NR主要采用A1+A3事件;進行語音業務時，在現有VoNR未開通的情況下，由錨點站FDD1800來承擔，主要基于A1+A3、A1+A4、A1+A5或者A1+B2事件來完成。

NR在不同系統中，其空閑態和連接態的策略如表4所示。

（2）錨點站與非錨點站互操作

對于NSA（3x）組網來說，5G基站要連接到4G核心網，控制信令通過4G基站來處理，其在開機和空閑模式下，均需要駐留在4G基站上，因此對于4G錨點站的選擇至關重要。目前，各大運營商基本上建成了FDD/TDD兩種制式，尤其是中國移動，大規模的城市為了解決容量問題，包含了FDD900、FDD1800、A頻段、D頻段、E頻段和F頻段等多種頻段。在此種情況下，一般錨點選擇的原則大致如下。

覆蓋好：較好的覆蓋能夠保證5G終端較好的駐留在4G網絡上，話音結束后，能夠盡快的返回重新駐留;

質量好：選擇的4G頻段最好干擾小，二次諧波干擾造成的影響小;

負荷不高：選擇容量承載較小的頻段，有利于5G基站完成節點控制分流;

支持VoLTE：5G建網初期，話音暫時無法支持VoNR，需要回落到4G，通過4G的VoLTE完成話音業務。

不同的頻段其覆蓋特性和容量存在差異，以中國移動為例，LTE包含了TDD和FDD兩種制式，而TDD中又包含了F頻段、A頻段、D頻段、E頻段;FDD主要包含FDD900和FDD1800。一般TDD主要用于吸收容量，FDD主要為了補充邊緣覆蓋。不同的場景采用頻段以及覆蓋情況說明如表5所示。

從表5來看，FDD1800在不同的場景均有覆蓋，尤其在城區，基本上形成了連續的覆蓋。隨著2G陸續退網，FDD1800的頻段帶寬有望從現有的10 MHz帶寬擴展在20 MHz的帶寬，容量得到進一步的提升。另外，FDD1800為5G提供上行補充頻率，可實現對5G的上下行解耦，整個移動選用的FDD1800作為錨點應該就是基于以上原因。

對于NSA系統來說，為確保空閑態和連接態釋放后5G終端盡量駐留或者重選在錨點站上，如果NR連接態時處于LTE網絡，也盡量保持在錨點站點上，因此需要對錨點站和非錨點站的重選和切換策略分別進行設置。本文利用小區重選優先級的消息發放方式，創新性提出了錨點站和非錨點站采用不同的互操作策略，利用該套策略可以確保NR用戶能夠準確、穩定地駐留在錨點站點上，減少NR用戶在錨點站和非錨點站間的互操作，從而提升客戶感知。

小區重選優先級一般分為兩種：廣播小區重選優先級，這類型的消息主要通過廣播信道中的消息下發給終端;另外一個專用小區的重選優先級，其重要通過RRC連接釋放空閑模式移動控制消息下發（IMMCI）[11]。錨點站點和非錨點站點通過專業小區重選優先級，來確保NR能夠準確、穩定地駐留在錨點站點上。

而在連接態，為了讓NR終端盡量保持在錨點站，其切換策略在錨點站側和非錨點站側又有所不同，具體為：錨點站側，其切換主要采用A1+A3（用于錨點與錨點之間）和A1+A4算法（用于錨點站切向于非錨點站），非錨點站側主要采用A1+A3（用于非錨點站間）和A1+A5（用于非錨點站向錨點站之間）。

錨點站和非錨點站的互操作策略如表6所示。

結合上述策略，空閑態和連接態相關的門限設置如表7和表8所示。

3? ?結果驗證

該套策略已在全國18個城市進行效果驗證，共涉及1.5萬個5G基站（主要為中興設備），測試時間在400個小時左右。從收集來的數據來看，該策略用于現網后，對現有5G的質量和覆蓋均有所提升。圖2和圖3分別是全國18個城市策略運用前后質量和覆蓋提升情況。

實施前后，接通率、掉線率、切換成功率、下載速率等5G相關的性能指標也有明顯的改善。該套策略實施前后的性能指標改善情況如表9所示：

選取某市商業區域現場測試，該區域共有TDD50個站，156個小區，其中118個宏站小區，38個室分小區;FDD25個站、75個小區、NR網25個站、75個小區。

策略實施后測試效果對比如表10所示：

測試結果如圖4所示：

實施前后相關的性能指標對比如表11所示：

從實施前后的效果對比來看，該套策略能夠有效改善5G用戶的客戶感知。

4? ?結論

本文從NSA組網原理出發，通過分析不同系統的特點，結合中國移動網絡的實際情況和需求，總結出一套2G/3G/4G/5G網絡間的互操作策略。大量的測試數據和性能統計數據說明，該套策略對現網的質量有較大的提升，為后續5G大規模基站建設、入網后的優化工作提供一定的前提和基礎。目前5G建設優先覆蓋城區，該項策略只部署在城區，因此缺少其在其他場景下的應用。隨著5G網絡建設規模的不斷擴大，后續研究方向將會考慮進行在農村、鄉鎮、縣城等場景下的策略研究。

參考文獻：

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