MR-DC雙連接技術探討

陳嘉明（中國移動通信集團廣東有限公司江門分公司，廣東江門 529000）

1 概述

雙連接是3GPP R12 引入的重要技術。通過雙連接技術，LTE 宏站可以利用現有的非理想回傳X2接口來實現載波聚合，從而為用戶提供更高的速率，以及利用宏/微組網提高頻譜效率和負荷均衡。

3GPP R14 在LTE 雙連接技術基礎上，定義了LTE和5G 的多無線雙連接技術（MR-DC——Multi-Radio Dual Connectivity）。MR-DC 是E-UTRA 雙連接的一種概括，它指1個含多個收發器的終端可配置為利用2個不同節點提供的資源，2 個節點通過非理想回傳連接，一個提供NR 訪問，另一個提供E-UTRA 或NR 訪問。一個節點充當主節點（MN——Master node），另一個節點充當輔節點（SN——Secondary node）。MN 和SN通過網絡接口連接，并且至少MN連接到核心網。

MR-DC 是運營商實現LTE 和5G 融合組網、靈活部署場景的關鍵技術。在5G 建設早期可以基于現有的LTE 核心網實現快速部署，后期可以通過LTE 和5G的聯合組網來實現全面的網絡覆蓋，提高整個網絡系統的無線資源利用率、降低系統切換時延以及提高用戶感知和系統性能。

2 5G架構選項基礎概念

2.1 8類5G架構的提出

5G 網絡的部署是一個漸進的過程。早期可以在現有LTE 網絡的基礎上部署5G 熱點，將5G 無線系統連接到現有的LTE核心網中，以實現5G系統的快速部署和方案驗證。5G 核心網建成后，5G 系統就可以實現獨立組網，這種情況下雖然5G可以提供更高速的數據業務和更高的業務質量，但是在某些覆蓋不足的地方，仍然可以借助LTE系統來提供更好的覆蓋。

3GPP TSG-RAN 的第72 次全體大會中，RP-161266 給出了12 種5G 系統整體架構，涉及8 類選項（Option），這些架構選項是從核心側和無線側相結合的角度進行考慮的，部署場景涵蓋了5G商用網絡可能存在的部署需求。在《下一代系統體系結構研究》（3GPP TR 23.799）中也提到了7 類選項。綜上，Option 1/Option 2/Option 5/Option 6 為SA 架構（LTE 與5G NR獨立部署架構），Option 3/Option 4/Option 7/Option 8 為NSA 架構（LTE與NR雙連接部署架構），如圖1所示。

從連接結構上分析，Option 1 是現有的4G 網絡架構，LTE eNodeB 連接到EPC。Option 6 為僅gNB 連接到EPC 的架構，不符合5G 網絡演進趨勢，Option 8/Option 8a 為非獨立部署架構，但其連接結構以gNB 為控制面錨點，也不符合5G 網絡演進方向，以上2 類Option 均不具有實際部署價值，標準中不予考慮。Option 2/Option 3/Option 4/Option 5/Option 7 是3GPP 標準以及業界重點關注的5G 候選組網部署方式，且其中Option 2 為5G 演進的最終形態，Option 5 為過渡方案，可能存在小部分割接到5G 核心網的LTE 基站，Option 3/Option 4/Option 7 為3GPP TR 38.801 協議中重點介紹的LTE與NR雙連接的網絡部署架構選項。

2.2 多無線技術雙連接的引入

3GPP在R15中為新的無線電系統制定了規范，為滿足部署和演進路徑的不同要求，引入了不同的架構選項。E-UTRA-NR 雙連接（EN-DC），即4G-5G 雙連接，也稱Option 3，是由LTE 輔助的非獨立版本NR。通過LTE 控制面的功能復用，該版本NR 的推出能支持NR 在規格和產品中的快速引入。在EN-DC 之后，3GPP 引入了獨立的NR，也稱為Option 2，它也是R15的一部分。EN-DC 和獨立NR 的主要區別在于后者支持到5G核心網的初始接入。此外，還將在R15中引入連接到5GC的LTE和NR-E-UTRA雙連接。

圖1 8類5G架構選項模型

EN-DC 不一定是暫時的解決方案，可能會持續一段時間。例如，在某些部署中，將低頻和高頻結合起來是很有用的解決方案。

3 MR-DC多無線技術雙連接概述

3.1 MR-DC分類

MR-DC 可根據核心網接入的類型和主節點的不同分成以下幾類，歸納如表1所示。

表1 3GPP定義的3種LTE-NR雙連接結構

a）E-UTRA-NR 雙連接。E-UTRA 通過EUTRA-NR 雙連接（EN-DC）來支持MR-DC，其中UE連接到一個充當MN 的eNodeB 和一個充當SN 的engNB。eNodeB 通過S1 接口連接到EPC，通過X2 接口連接到en-gNB。

b）NG-RAN E-UTRA-NR 雙連接。NG-RAN 支持NG-RAN E-UTRA-NR 雙連接（NGEN-DC），其中UE 連接到一個充當MN 的ng-eNB 和一個充當SN 的gNG。ng-eNB 連接到5GC，gNB 通過Xn 接口連接到ng-eNB。

c）NR-E-UTRA 雙連接。NG-RAN 支持NR-EUTRA 雙連接（NE-DC），其中UE 連接到一個充當MN的gNB 和一個充當SN 的ng-eNB。gNB 連接到5GC，ng-eNB通過Xn接口連接到gNB。

d）NR-NR 雙連接。NG-RAN 支持NR-NR 雙連接（NR-DC），其中UE連接到一個充當MN的gNB和一個充當SN 的gNB。主gNB 通過NG 接口連接到5GC，通過Xn 接口連接到輔gNB。輔gNB 也可通過NG-U接口連接到5GC。

由于LTE 和NR 的底層技術組件和功能不同，在完成3GPP R15 中的第1 個NR 版本之前，需要解決許多挑戰，而第1個要標準化的解決方案是EN-DC。

在EN-DC 中，主節點是LTE，輔節點是NR。此處的節點僅指基站。2 個節點在承載用戶數據的用戶面上與現有的EPC 有直接接口，但在控制面上，只有主節點具有與EPC 的直接接口，用以承載移動設備與核心網之間的信令信息。因此，LTE 節點負責維護連接狀態轉換，處理連接設置/釋放，并啟動第1 次輔節點的添加，即EN-DC設置。

EN-DC的Option 3系列架構如圖2所示。

圖2 Option 3/Option 3a/Option 3x架構

3.2 控制面

在MR-DC 中，UE 有一個基于主節點MN RRC 的單一RRC狀態和單一與核心網連接的控制面。

相比于LTE，MR-DC 的控制面新增的承載有分離式無線承載（Split SRB）、SRB3。一個UE 可以同時配置Split SRB 和SRB3。Split SRB 和SRB3 的輔小區組（SCG——Secondary Cell Group）分支可以獨立配置。

Split SRB 允許通過LTE 和NR（LTE 或NR）發送RRC 消息。Split SRB 的主要優點是增加了額外的健壯性，將RRC的RLC承載建立在MN側和SN側。在所有MR-DC 下，SRB1和SRB2都支持Split SRB（SRB0和SRB3 不支持Split SRB），并使用NR PDCP 對Split SRB上的RRC PDU 進行加密和完整性保護。Split SRB 可以由SN添加和（或）修改流程中的MN配置，SN配置部分由SN 提供。在Split SRB 中，下行鏈路的選擇取決于網絡的實現。對于上行鏈路，UE 是通過MN RRC 來配置的，即是否使用主小區組（MCG——Master Cell Group）路徑、SCG路徑或在MCG和SCG上復制傳輸。

SRB3 在EN-DC、NGEN-DC、NR-DC 中支持，是SN 和UE 之間的直接SRB，主要用于直傳SN 側和UE的RRC信息。

SN 決定是否建立SRB3，使用SN RRC 消息提供SRB3 配置。SRB3 的建立和釋放可以在SN 添加流程和SN 變更流程中完成。可以在SN 修改流程中進行SRB3 重配。SRB3 可以用來發送不涉及MN 的SN RRC 重配、SN RRC 重配完成、SN 測量報告消息。SN RRC 重配完成的消息被映射到與啟動該過程的消息相同的SRB。如果配置了SRB3，SN 測量報告消息被映射到SRB3。

SRB3 比所有DRBs 都具有更高的調度優先級。Split SRB 和SRB3 的默認調度優先級是相同的，Split SRB與SRB3的作用示意圖如圖3所示。

3.3 用戶面

在MR-DC 中，從UE 的角度來看，存在3種承載類型：MCG承載、SCG承載和Split承載。

在帶有5GC 的MR-DC 中，NR PDCP 始終用于所有承載類型。在NGEN-DC 中，E-UTRA 的RLC/MAC用于MN，NR 的RLC/MAC 用于SN。在NE-DC 中，NR的RLC/MAC 用于MN，E-UTRA 的RLC/MAC 用于SN。在NR-DC中，NR的RLC/MAC都用于MN和SN。

從網絡的角度來看，每個承載（MCG，SCG 和Split承載）可以在MN 或SN 上終止，網絡與用戶角度的承載類型示意圖如圖4所示。

MR-DC由于存在MN和SN，因此不同的站點提供的資源（RLC 通道）由不同的名稱區分。承載類型主要在SN 添加時，由MN 傳遞給SN 決定添加哪些承載類型。

圖3 Split SRB與SRB3的作用示意圖

圖4 網絡與用戶角度的承載類型示意圖

對于EN-DC，網絡可以配置E-UTRA PDCP 或NR PDCP 用于MN 終止MCG 承載，而NR PDCP 始終用于所有其他承載。

Option 3 的Split Bearer 可以稱為主節點終止分離承載（MN terminated Split Bearer），Option 3x 的Split Bearer 可以稱為輔節點終止分離承載（SN terminated Split Bearer）。

更寬泛的，PDCP實體在MN的DRB都可以稱為主節點終止承載（MN terminated Bearer），PDCP 實體在SN 的DRB 都可以稱為輔節點終止承載（SN terminated Bearer）。PDCP 實體的位置，既定義了空口的終止位置，也限定了S1-U的終止位置。

4 EN-DC與LTE的差異性對比

4.1 EN-DC與LTE DC的特征對比

LTE系統中，常用的多連接方式包括載波聚合、協同多點傳輸以及雙連接等。LTE 雙連接下數據流在PDCP 層分離和合并，隨后將用戶數據流通過多個基站同時傳送給用戶，而載波聚合下數據流在MAC 層分離和合并。LTE 雙連接是發生在不同站點之間的聚合，兩者間通過X2 接口相連，載波聚合一般為同基站下。

在EN-DC 中，UE 在輔節點上有第2 個無線資源控制終結點，而LTE DC 中只有一個RRC 終結點，在主節點上。LTE 和NR RRC 終結點的分離使輔節點能夠根據網絡配置，即啟動輔節點更改/釋放/修改，觸發內部NR 移動性。而在LTE DC 中，只有主節點能夠做到這一點，其特征對比如表2所示。

4.2 EN-DC的協議棧差異

上層用戶（RRC/用戶數據）對服務器是有期望的，都希望能快速、無誤、按序、安全地傳輸。為滿足上層需求，3GPP 在物理層（L1）上引入鏈路層（L2），包括分組數據匯聚協議（PDCP）、無線鏈路控制層（RLC）和MAC 3個子層，分別實現不同的功能，向上層提供可靠傳輸的服務。

EN-DC 的協議棧跟LTE 相比，MN 側最主要是增加了NR PDCP；SN 側則主要為NR PDCP、NR RLC、NR MAC；UE側則由原來的單協議棧升級為雙協議棧。

除此之外，NGEN-DC，NE-DC 的協議棧，跟ENDC 相比，最主要是減少了E-UTRA PDCP、RLC、MAC，增加了業務數據適應協議（SDAP——Service Data Ad-aptation Protocol）。5G 核心網支持基于IP 流而不是EPS承載的QoS控制，從而實現更靈活和更精細的QoS控制。在PDCP 層之上引入SDAP 層，SDAP 層執行IP流和無線承載之間的映射。在SDAP 層，封裝IP包時，IP頭包含這些數據包的QoS標識符。

表2 EN-DC與LTE DC特征比較

4.3 E-UTRA與NR二層功能對比

二層功能主要實現安全（加密、完整性）、無誤（HARQ、AMR）、按序（重排）。E-UTRA 與NR 二層功能的比較在于RLC 的串聯功能移至MAC，重排移至PDCP。

在NR 中，RLC 層移除了RLC SDU（Service Data Unit）的串聯功能（在LTE 中，允許將多個RLC SDU 或RLC SDU 分段串聯在一起生成一個RLC PDU，而在NR 中不支持），而是由MAC 層負責對RLC PDU 進行串聯，其目的是使RLC 和MAC 層能夠提前進行預處理，以減少處理時延。

在LTE 中，MAC 層的HARQ 操作可能導致到達RLC 層的報文是亂序的，所以需要RLC 層對數據進行重排序，并按序將重組后的RLC SDU 發送給PDCP 層，也就是說，RLC SDUn必須在RLC SDUn+1 之前發送給PDCP 層。但是RLC 層的按序遞送可能會給PDCP層的解密操作帶來較大的時延。假如RLC 層在SDUn之前成功接收到了SDUn+1，那么PDCP 層需要等到RLC 層收到RLC SDUn并遞送給PDCP 之后才能收到RLC SDUn+1。

在NR 中，移除了RLC 層的重排序功能，即RLC 層不支持按序遞送RLC SDU 給PDCP 層。RLC 層在收到一個完整的RLC SDU 后，就立即遞送給PDCP 層處理，而無需關心之前的RLC SDU 是否已經成功接收，從而降低了RLC 層的處理時延。也就是說，RLC 層送往PDCP 層的數據可能是亂序的，數據的按序遞送（包括重排序）由PDCP層來負責。

通過這些改進，發送方（RLC 和MAC）和接收方（RLC 和PDCP）提升了處理效率，降低了整體時延，總結如表3所示。

表3 E-TURA與NR的二層功能比較

4.4 EN-DC網元改造對比

EN-DC 組網雖然是基于LTE，但也需要核心、無線網各個網元的升級。

相同點如下。

a）核心網網元相同，包含MME、SGW、PGW、HSS等。

b）采用的信令流程和消息相同，信令流程參考3GPP TS 23.401 的附著流程，信令消息則主要參考3GPP TS 24.301的NAS消息、3GPP TS 29.274的GTPv2消息、3GPP TS 36.413 的S1AP 消息以及3GPP TS 29.272的S6a Diameter消息等。

不同點如下。

a）UE 需要支持5G NSA 的能力，也就是要對ENDC的支持。

b）MME 需要支持感知UE 的5G NSA 能力，并從HSS 下載相關的簽約數據，如果是5G NSA 終端，MME需要能夠根據終端能力選擇支持5G的SGW和PGW。

c）HSS 需要支持5G 的簽約QoS 參數，主要是AMBR。

d）EPC 的DNS 需要能幫MME 選擇5G 的SGW 和PGW。

e）eNB 需要新增協議棧，在廣播消息中增加ENDC標識。

5 結束語

本文主要從5G的架構選項的概念介紹入手，引入MR-DC 對目前4G 到5G 技術過渡的重要性，對MRDC 的控制面和用戶面進行功能解釋，最后通過ENDC 和現網LTE 的差異性對比給出NSA 組網時需關注的信息。