5G网络演进与双模5G基站

1、5G网络演进与双模5G基站5G网络演进与双模5G基站1010202104-0045-05引用格式：蔡博文，张化，郭瀚，等. 5G网络演进与双模5G基站J. 移动通信， 2021，444： 45-49.5G Network Evolution and Dual-Mode 5G Base StationCAI Bowen， ZHANG Hua， GUO Han， XIE WeiliangChina Telecom Research Institute， Beijing 102209， ChinaAbstract5G network will be widely commercialized in

2、2021. 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， r

3、ecommendations are provided to subsequent telecom operators for 5G network deployment.Key words5G network; dual-mode base station; NSA; SA0 引言自2021年6月6日工信部向电信运营商发放5G牌照以来，运营商不断加快5G网络的建设步伐。5G网络的组网方式分为NSA和SA两种，NSA模式只支持大带宽的业务，SA网络架构可以为千行百业提供5G网络超低时延、端到端网络切片等特性。由于5G网络必定要完成NSA向SA网络的过渡，为了实现5G网络平滑演进和削减网络改造，

4、产业界提出了一种NSA/SA双模5G基站。双模5G基站可以同时支持NSA和SA设备接入，部署双模基站可以使得电信运营商能在将来5G网络建设中，既能保障5G NSA组网架构快速商用的诉求，也能在当前行业需求爆发式增长环境下，沉着应对5G网络从NSA向SA的快速切换和平滑演进，最终实现5G全业务场景。1 5G组网架构5G NR组网架构相对4G更为敏捷，随着3GPP对5G标准的加速推动，NSA和SA组网方案中各种选项相关的国际标准都已冻结。由于NSA组网方案中部分选项无需5GC，可依托运营商4G网络以LTE做锚点，具有部署快的优势，使得运营商在5G初期能快速实现大带宽业务。然而受垂直物联网业务的驱动

5、，SA架构才是运营商将来的目标网络。缘由是SA为满足eMBB、URLLC和mMTC三大业务场景的全业务需求提供了可能，支持网络切片和边缘计算等新技术应用。对于多数运营商来说，NSA的普遍选择方案是Option 3x，SA的普遍选择是Option 21。Option 3系列架构接受4G基站eNB作为主节点Master Node，5G基站gNB作为帮助节点Secondary Node的双连接架构，称之为EN-DCEUTRA-NR Dual Connection。EN-DC双连接场景中，UE连接到作为主节点的eNB和作为辅节点的gNB，其中eNB通过S1-MME和S1-U接口分别连接到MME和S-G

6、W，并同时通过X2-C和X2-U接口连接到gNB，gNB也可以通过S1-U接口连接到S-GW，连接示意图如图1所示：Option 3全部的操纵面信令都经由eNB转发。Option 3又可以分为Option 3/3a/3x三个子选项，分别通过eNB/EPC/gNB进行数据分流。三种架构中，Option 3对LTE基站吞吐量以及与5G NR基站之间X2接口的传输要求较高;Option 3a要求LTE基站具备较为敏捷的机制选择用户承载面的锚点，并能动态调整，但对X2接口的传输要求较低;Option 3x在操纵面由4G基站作为锚点直接与4G核心网网元MME相連，用户数据流量的分流和聚合在5G基站完成，

7、5G基站可直接传送到终端，也可通过X2-U接口将部分数据转发到4G基站再传送到终端。综上所述，Option 3x网络可以充分利用已有4G网络的良好覆盖作为网络的操纵面传输，因此运营商普遍用此方案部署NSA网络。Option 2架构中，5G核心网与5G基站通过NG接口直接相连，传递NAS信令和数据，5G无线空口的RRC信令、广播信令、数据都通过5G基站的NR空口直接传递。Option 2架构对现有2G/3G/4G网络架构无影响，可独立部署5G新网元。Option 2架构如图2所示，支持5G核心网能力，并可提供支持增添移动宽带和基础低时延高可靠业务的能力，为不同的业务提供差异化的服务，便于拓展垂直

8、行业，提供5G网络切片、边缘计算等新功能。 由于NSA与SA两种组网方案在产业链成熟度上存在肯定差异，同时考虑到国际NSA用户漫游需求，因此运营商在部分场景下需要部署NSA/SA双模网络来同时支持NSA用户和SA用户的接入。由于NSA和SA网络在NR空口协议上基本一致，只在无线网络高层协议上存在肯定差异，所以在一套NR无线网络中同时支持NSA用户和SA用户成为可能2。2 双模5G基站技术2.1 双模5G基站架构和调度双模5G基站NR侧同时运行Option 3和Option 2两种架构，可以同时支持SA和NSA两种类型的终端接入。如图3所示，双模5G基站通过NG接口连接到核心网5GC，即通过NC

9、-C接口与AMF接入和移动性治理功能实体连接，通过NG-U接口与UPF用户平面功能实体连接。双模基站可以通过S1接口接入EPC，也可以通过X2接口连接eNodeB。4G核心网和5G核心网之间可通过N26接口连接。以NSA模式接入双模5G基站的用户，LTE eNodeB作为主基站MeNB，5G gNodeB作为辅基站SeNB。依据数据分别和转发方式的不同，双模5G基站的无线承载Radio Bearer分为三种形式如图4所示。图4 双模5G基站无线承载示意图MCGMaster Cell Group，主小区群承载：MCG承载是传统的承载模式。MCG承载从核心网的S-GW路由到MeNB，并由MeNB直

10、接转发给UE，即只从LTE侧进行数据转发。SCGSecondary Cell Group，辅小区群承载：SCG承载从核心网的S-GW路由到SeNB，再由SeNB转发给UE，即只从双模基站NR侧进行数据转发。Split承载：Split承载在基站侧进行分别，由MeNB和SeNB按分别比例同时向UE转发，即LTE和NR共同完成数据转发。用户从2个系统中猎取下行数据，便于实现负荷分担和资源协调功能，也有利于提高用户速率。其缺点在于，对基站间传输要求高，MAC层协议冗杂性要求高，且基站间传输链路需要实现流控等功能。双模基站的承载分别在PDCPPacket Data Conver-gence Protoc

11、ol层进行，两个接入点可独立进行物理层资源的调度。假如双模基站关闭Split分流模式，可以简化为LTE和NR MAC层各自调度，NR侧NSA和SA用户等优先级调度，LTE侧在NR中低负载时仅LTE用户调度3。2.2 双模基站接入与切换双模基站在初始接入时，对于SA的终端，优先选择SA模式接入，接入胜利后自动驻留5G小区，否则回落到LTE。对于NSA终端，优先从LTE接入，始终驻留在LTE小区，依据双模基站覆盖状况选择LTE only或NSA状态。如图5所示，由于LTE基站和双模基站的站址和覆盖存在差异。对于NSA用户，在双模基站小区边缘存在5G载波的配置和去配置过程，而SA用户在NR覆盖连续时

12、，仅存在NR切换4。2.3 双模基站组网双模基站之间可以通过Xn接口连接。双模基站和LTE基站eNB间通过X2接口连接。双模基站通过NR新空口向SA UE提供NR用户面、操纵面连接。对于NSA终端而言，LTE制式的eNB作为UE的主基站即MeNB，NR制式的en-gNB作为辅基站即SgNB5。双模基站具体组网方式有以下两种：1双模基站连片组网。双模基站连片部署，双模基站区域内同覆盖的LTE基站需要升级支持双模基站LTE侧的相关功能。终端需要能够在双模基站之间正常切换。2双模基站与NSA/SA基站相邻组网。双模基站以插花的方式部署在NSA/SA网络中。同样，双模基站区域内同覆盖的LTE基站需要升

13、级支持双模基站LTE侧的相关功能。终端需要能够在双模基站之间、双模基站与SA/NSA基站间正常切换。2.4 双模基站优劣分析双模基站可通过软件配置实现模式转换，当网络由NSA组网向SA演进时，只需要對基站进行软件配置升级即可，使得运营商在硬件投资上一步到位，到达“网络一次投资，长远演进的目的。另外，双模基站一个载波能够支持两种制式的终端接入，即当网络最终升级到SA时，终端用户也无需更换手机，实现真正的平滑演进。双模5G基站功能更冗杂，优化和维护难度大。双模基站需要支持NSA和SA基站的全部功能，既需要支持与现有4G网络互联以实现NSA功能，又需要部署5G核心网以支持SA的新功能，功能上更为冗杂

14、。同时，双模5G基站组网需要考虑4G、5G联合优化，增加了网络的冗杂度和优化难度，双模基站需要维护X2、NG和S1三种接口，需要完成NSA和SA两套参数配置和网络优化，网络优化和维护的难度更高6。3 双模基站测试3.1 性能指标图6为双模5G基站下行定点测试结果，以SA等比例映射。从测试结果看，在远中近点位，SA终端的下行速率优于NSA。NSA Split模式速率因可以从LTE侧分流，进而在远中近点处速率高于NSA SCG模式。图7为操纵面时延测试外场测试结果。从时延测试结果来看，LTE终端操纵面时延和SA终端操纵面时延基本相当，NSA终端操纵面时延较高，相当于LTE终端或SA终端操纵面时延的一倍。统计SA平均操纵面时延在84 ms左右，近中远点位无明显区分。LTE平均操纵面时延在93 ms左右，近中远点位无明显区分。NSA平均操纵面时延在180 ms左右，近中远点位无明显区分。其中NSA操纵面信令在LTE侧承载，与LTE的时延对比增加了87 ms左右，主要差异是NSA终端接入双模基站时需要进行两次UE能力级查询，包括LTE能力和NR能力，这将导致操纵面时延增加。而SA终端和LTE终端只需要进行一次UE能力查询。 3.2 双模基站对现网影响图8为双模基站开启前后CPU利用率的