由NSA切換SA混合組網下的5G優化*

陳寶民

（北京市合力電信有限公司，北京 102699）

0 引言

2019年6月5G運營牌照的正式發布，標志著5G商用時代的正式到來。5G將給人們的生活工作帶來極大變化，其極具優勢的數據傳輸速度可以滿足不同領域之間的場景合并[1]。但是5G的建設過程不同于3G升級到4G，也不是核心網、無線接入網的同步升級，而是進行拆分部署為非獨立組網（No-Standalone，NSA）和獨立組網（Standalone，SA）。總的來看，我國目前已經走上先部署NSA再演變為SA這一發展路徑。NSA網絡部署方案，可以有效節省不必要的成本投入，并為5G用戶迅速占領市場提供先行條件[2]。而NSA與SA網絡共存，能夠滿足不同終端與不同用戶的差異化需求。在5G時代，NSA與SA這兩者的區別表現在哪里，5G運營商又應如何選擇？本文針對這些問題，將就NSA與SA混合組網下的切換技術展開研究討論，并結合實際案例做測試分析。

1 關鍵技術概述

1.1 NSA技術

NSA作為5G網絡的必然發展路徑，其非獨立組網的架構與4G網絡密切相關，因此可以在4G網絡的基礎上建設5G，是一種成功融合4G與5G的組網方式，即在4G基站錨定5G控制信令，經4G基站成功接入共用4G核心網（Evolved Packet Core，EPC）、5G核心網（5G Core，5GC）、5G空口載波，但是僅僅可以承載用戶數據，NSA依然依賴4G網絡業務控制。NSA方案要求4G和5G基站的廠家相同，并且終端支持雙連接長期演進技術（Long Term Evolution，LTE）與新空口（New Radio，NR）兩類無線接入技術，因此，如今的5G商用服務依然停留于標準Rel-15 NSA模式[3]。NSA組網架構如圖1所示，圖中的Option3x對于存量站點影響較小，又支持靈活分流方式，因此廣受客戶歡迎。2019年國內運營商采用NSA組網聚焦增強移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）場景，由于核心網繼續使用共用4G核心網（Evolved Packet Core，EPC），因此可以很好地滿足早期5G快速部署需求。

圖1 NSA組網架構

1.2 SA技術

SA組網方案是完全獨立存在的5G網絡架構。利用SA組網，5G NR能夠直接與5GC接入，不依賴4G網絡控制信令，即經核心網互操作能夠協同4G和5G。SA網絡所支持的3大應用場景，分別是eMBB、海量機器類通信（massive Machine Type of Communication，mMTC）、高可靠和低延遲通信（Ultra-reliable and Low Latency Communications，URLLC）。在SA組網中除了核心網網絡節點（Mobility Management Entity，MME）升級支持N26接口，基站僅需較少升級（增加4G切換5G相關參數），4G和5G基站可以廠家組網，無須終端雙連接。SA作為發展5G網絡的目標網，將新核心（New Core）引入核心網，并依據國內網絡建設技術演進，以Option3x作為初期NSA方案的首選，之后可以優選Option2作為SA方案[4]。SA組網架構如圖2所示，圖中Option2架構設計端到端的5G網絡架構，在無線新空口、終端和核心網均運用5G標準，Option2架構涵蓋核心網5G基站（gNodeB，5G）、5GC、用戶設備（User Equipment，UE）。NG接口可以連接5GC與gNodeB，經Xn接口連接gNodeB和UE。

圖2 SA組網架構

1.3 NSA/SA混合組網

考慮到運營商5G網絡部署及演進趨勢，部分情境下運營商應當布設NSA/SA混合組網，此時就應當以公共陸地移動網（Public Land Mobile Network，PLMN）粒度為依據，在基站范圍內設計NSA/SA混合組網。核心網應當以支持NSA/SA簽約為條件，滿足NSA非獨立組網和SA獨立組網雙方共存[5]。NSA/SA混合組網架構如圖3所示。在該架構中，在SA小區基礎上又存在NSA小區的重疊覆蓋區域，那么這一區域就作為NSA/SA同頻小區，在NSA/SA混合組網中可以雙模終端支持接入NSA與SA兩大網絡。

圖3 NSA/SA混合組網架構

NSA、SA二者之間的連接態互操作主要包括切換、重定向這兩種方式。對于跨系統連接態互操作來說，一般情況下運營商會選擇經EPC MME、5GC 認證管理功能（AuthenticationManagementFunct ion，AMF）部署N26接口方案。N26接口可以在連接態互操作過程中，滿足源網絡和目標網絡移動性管理狀態傳送，還可以實現會話管理狀態傳送，所以運營商通過部署N26接口，僅需單注冊模式運行UE，網絡可以保持UE的一種可用移動性管理狀態，從而確保用戶無縫業務及通話連續性。然而，如果部署N26接口互操作方案，一旦業務中斷可能會造成約100 ms量級時延，但是未設計N26接口互操作方案時，如果發生業務中斷則會導致1 s量級時延[6]。

2 NSA與SA混合組網連接態切換技術流程

本節分析了5G雙模網絡架構共存條件下，5G中斷在NSA、SA重疊覆蓋區域內，即NSA/SA混合組網的連接態切換流程。在NSA組網結構中，因為主要通過LTE核心網MME來傳輸控制信令，在NSA和SA之間的數據業務互操作，和SA與LTE互操作密切關聯，在連接態UE移動到NSA/SA混合組網時，在混合組網覆蓋邊界就會形成NSA和SA之間的連接態跨區域切換[7]。

2.1 SA向NSA切換

3GPP R15協議可以支持NR、LTE互操作，在SA向NSA切換時，需要先完成NR切換至LTE，之后將NSA輔載波加入后即可成功切換。具體流程應當在SA小區內，5GC錨定SA控制信令，UE作為連接態經SA向NSA兩小區移動時，對于超出SA覆蓋區域的UE，同時要和4G系統測量，如果5G鄰區并不存在，就會自動觸發異系統切換LTE，直至成功切換后恢復業務。

2.2 NSA向SA切換

UE由NSA區域向SA區域移動，假若存在數據業務承載，那么就會觸發業務異系統測量，NSA錨點站也能夠以UE的移動性與配置移動策略，為UE下發測量配置信息，經無線資源控制（Connection Reconflgruation，RRC）消息攜帶下發。在實際測量模式中，可以根據測量事件所上報相關測量報告，成功獲取區域信號質量狀態。在UE成功接收由NSA錨點站所下發的4G基站（eNodeB，eNB）測量配置相關信息后，即可根據測量配置執行實際測量工作。確定信息上報條件相符，即可向eNB上報UE測量報告，在eNB成功接收一事件測量報告后，下發二事件測量報告，依據NR頻點由高至低的優先級，完成異系統雙事件的測量排序。在測量至NR小區后，假如UE處于NSA狀態，需要刪除NR輔助載波，即可成功將LTE的UE切換為NR[8]。

3 NSA與SA混合組網演進方式

就目前來看，NSA向SA演進方式主要包括全SA組網、NSA+SA分區組網、全NSA/SA雙模組網和NSA/SA+SA混合組網4種情況，接下來將進行分析說明。

3.1 全SA組網

通過改造原本NSA區域，可以新建5G核心網，在5G基站內與4G斷開連接，上聯5G核心網成功升級SA網絡。新建5G區域經SA組網建設，可以達到全SA組網架構建設目標。在這種一步到位的推進方式中，因為存在前期NSA終端，在后續網絡推進過程中僅可應用4G網，導致5G網無法正常使用，所以此種演進方式不可取。

3.2 NSA+SA分區組網

結合上述分析，在NSA切換至SA時，并不需要改造原本的NSA部署區域，在維持原樣的基礎上，可以設計對后建5G區域選用SA組網架構建設即可。這樣的演進方式要求終端可以依據網絡自適應能力選擇不同網絡中的不同終端駐留，會對用戶的直接體驗產生影響。這種組網方案需要注意有效避免插花式部署NSA、SA結構的情況。在這種組網方案下，規定NSA網絡內支持NSA終端使用5G網絡，在SA網絡內不允許使用，因此此種演進方式也不可取。

3.3 全NSA/SA雙模組網

設計全網均為NSA/SA雙模組網，在原本NSA區域內升級組建NSA/SA雙模，并且在新建區域內也可建設NSA/SA雙模組網。終端經自適應選擇網絡，可以在終端擁有SA能力下優先選擇SA組網。因為全網區域內均具備NSA、SA能力，所以全網內NSA終端均可享受5G網絡，只要終端具備SA能力，那么全網均可支持3種應用場景。

通過全網設計NSA/SA雙模組網的方式，可以要求4G和5G同步配合。在NSA網絡向NSA/SA組網演變中，除了不改變原本的NSA網絡接口的連續性，還要構建核心網NG接口。與此同時，運營商還要具備NSA網絡系統和SA系統，這樣會造成兩大組網更加復雜，因此就要對NSA和SA網絡密切監控。在網絡升級中還要兼顧4G和5G同步升級。NSA/SA雙模組網中不管是本網用戶還是共享用戶，都能夠獲得最佳體驗。

3.4 NSA/SA+SA混合組網

通過在NSA區域的基礎上升級構建NSA/SA雙模組網架構，能夠在5G區域內建設SA組網，這種混合組網架構方案允許NSA網絡中的用戶同樣可以應用5G網絡。

3.5 網絡覆蓋測試對比

結合我國現階段的運營商情況，在上述4種NSA/SA組網架構運營方式中，可以選用NSA/SA雙模組網架構方式，從而使用戶獲得良好的5G使用體驗。在NSA演進至SA網絡的過程中，以目前混合組網的建構形式與投資現狀，電聯的NSA/SA雙模組網架構網絡已經基本上可以實現終端自適應，此外，通過設計NSA/SA混合組網模式，可以保證同區域內允許不同網絡接入。以某電務工程機械修配廠附近的光明小區為例，設有18 m增高架，經前期查明3個小區的方位角，分別為0°，120°，240°，均為1°下傾角，對NSA/SA混合組網進行測試。

3.5.1 速率測試對比

對區域內NSA與SA混合組網的速率進行測試，比較其在不同業務、不同定點的平均參考信號接收功率（Reference Signal Receiving Power，RSRP）、平均信號與干擾加噪聲比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）和平均速率，測試結果如表1所示。由表1可知，SA在中點達到的上傳速率超出NSA將近一倍，二者的下載速率整體上不存在較大差異。

表1 速率測試結果

3.5.2 時延測試對比

本節針對NSA和SA混合組網進行了對比網絡實驗。本次測試原理主要利用Ping時延，得到兩端之間的傳輸KPI值，主要經測試設備發出Ping request獲得服務器對應Ping reply往返時延。總時延Ping reply減去Ping request之后，可以隔離大時延引入節點，基于UDP的數據傳輸協議（UDP-based Data Transfer Protocol，UDT）跟蹤或抓包文件確認。測試結果發現NSA和SA組網達到的單向空口時延平均值分別為3.75 ms和2.83 ms，端到端時延分別為13.21 ms和7.25 ms，這證明NSA/SA混合組網已經能夠達到較好的網絡自適應效果，尤其SA已經可以在上傳下載的速率和時延業務中達到標準要求。

4 優化切換技術

4.1 優化切換流程

通過運用已更新的3GPP R16協議，在原有基礎上進一步優化了NR以4G為主節點，5G為輔節點的雙連接（UTRA-NR Dual Connection，EN-DC）的混合組網切換場景，在UE能力中新增從SA切換至NSA這一指示，gNB能夠達到SA向NSA切換的具體指示要求，并在準備切換中將攜帶支持NSA的NR候選區提供給eNB。之后eNB即可以候選區為依據選擇性添加SN，成功生成NR配置和相應的密鑰單元，再向eNB發送切換準備信息，從而能夠向連接態發起空口重配信息，直至終端成功獲得重配消息后，即可攜帶SCG切換準備配置信息，最終添加雙連接。

4.2 技術實現

在NSA和SA混合組網中，UE作為連接態性能指標，能夠根據UE在切換中的面速率具體變化情況，判斷NSA和SA混合組網的切換性能。還要統計控制面板內的切換時延，以及用戶面的切換時延，這樣才能夠綜合評估。因為優化采用R16協議，在NSA/SA混合組網中添加輔載波，這樣能夠在NR向LTE切換前期，保持更平穩的NSA/SA混合組網切換業務速率。這一新協議優化用于NSA/SA混合組網切換技術中，能夠為5G終端用戶帶來更好的使用體驗。當然也由于NSA/SA混合組網結構的復雜性，需要在后續網絡技術優化中，增加相關運維人員優化網絡的操作難度。

5 結語

本文通過研究NSA和SA混合組網架構下的切換技術，分析可知可以經運營商同步部署NSA/SA混合組網，實現5G網絡由NSA非獨立組網切換至SA獨立組網。在混合組網架構中，分區域部署兩大網絡可以實現雙模終端的可兼容性，保證了5G用戶可以在NSA/SA混合組網覆蓋區域，獲得良好的雙模終端應用體驗。本文結合實例通過應用3GPP R16協議，實現了NSA和SA混合組網切換技術的進一步優化，R16添加輔載波SN的操作準備會在NR切換至LTE之前發生，保證NSA切換至SA時的業務速率更平緩，對比R15預計可以減少切換時延500 ms。