5g和4g关键技术（双连接技术分析）

引用本文

李海振，周昌林，叶旭伟.4G-5G 双连接技术分析[J].通信技术，2019，52（01）：117-121.

LI Hai-zhen，ZHOU Chang-lin，YE Xu-wei.Analysis of 4G-5G Dual Connectivity Technology[J].Communications Technology,2019，52（01）：117-121.

进入5G初期，UE将同时连接4G & 5G接入网（E-UTRAN和NR）。4G和5G共用一个核心网（EPC 或NGC），与传统的网络架构场景相比，NSA架构下接入侧的移动性管理变得更加复杂。4G-5G互操作分为RAN侧和CN侧，从无线的角度出发，选取对NSA场景的4G-5G RAN侧互操作中的Dual Connectivity（双连接）技术进行介绍，尤其是双连接对RRC相关方面的影响。其中，重点对双连接技术未来对组网结构、网络覆盖、网络容量和移动性管理四个方面的影响进行分析。

随着各大运营商5G频段的公布，距离5G商用的时间也是越来越短。由于受高频段的影响，5G在未来密集组网将成为趋势，同时也带来了负载不均、切换冗余、干扰严重的问题。在3GPP R12版本中，引入了双连接技术的概念，主要解决在密集组网下带来的部分问题。本文从无线侧出发，对双连接技术在互操作、组网结构、网络覆盖、网络容量和移动性管理等方面进行了探讨。

1 4G-5G互操作概述及分类

相对于传统的具有独立接入网和核心网的2G/3G/4G网络，5G NSA并不具备独立的核心网，而是LTE&NR共用核心网。初期LTE&NR共用升级后的4G核心网EPC ，后期LTE&NR共用5G核心网NGC，具体的分类后面展开。

5G SA（Standalone）与传统的2G/3G/4G网络相似，具有独立的接入网NR和核心网NGC。

基于5G新增5G NSA网络架构，同时需要兼顾5G SA的网络架构，将4G-5G互操作分为两类：

（1）4G-5G RAN侧互操作，又称Dual Connectivity双连接，主要特点是LTE&NR共用核心网（LTE&NR连接到EPC ，或LTE&NR连接到NGC），4G基站和5G基站之间必须存在连接，UE在同一个核心网下互操作。

（2）4G-5G CN侧互操作，主要特点是：LTE&NR具有独立核心网（LTE连接到EPC，NR连接到NGC），4G基站和5G基站之间不必存在连接，互操作前后UE连接的核心网发生变化（注：由于双注册模式的存在，UE连接核心网的改变可能是相对的，如会话部分在EPC&NGC之间的迁移等）。

2 4G-5G互操作的场景分类

根据4G-5G互操作的分类原则，参考协议中的5G网络架构Options，得出4G-5G互操作的场景分类如下：

（1）4G-5G RAN侧互操作：Option 3/3A，Option 4/4A，Option 7/7A；

（2）4G-5G CN侧互操作：Option 2，Option 5。

网络演进初期5G NSA架构，核心网为EPC ，网络架构为Option3/3A，如图1所示。

Option 3/3A，NSA NR架构，LTE eNB连接到EPC ，5G控制面（图1中虚线）经由eNB和gNB之间的接口连接到eNB，然后由eNB连接到EPC 。

5G NR用户面（图1中实线）经由LTE eNB连接到EPC 为Option 3，5G NR用户面（图1中实线）由gNB直接连接到EPC 为Option 3A。

3 4G-5G RAN侧互操作介绍

3.1　多制式双连接MR-DC基本概念多制式双连接MR-DC（Multi-RAT Dual Connectivity）是站在UE的角度去看，UE在接入侧同时接入两个制式，目前主要为4G E-UTRA和5G NR，同时接入侧的两个制式共用一个核心网（LTE&NR连接到EPC ，或LTE&NR连接到NGC）。

MN&SN：以Option 3/3A为例进行说明（如图2所示）。MR-DC中，控制面（如图2所示虚线）直接连接到核心网的节点（图2中为LTE eNB）称为MN（Master Node，主节点），另外一个制式或者节点（图2中为gNB）称为SN（Secondary Node，辅助节点）。

MCG&SCG：MCG（Master Cell Group）主小区组是与主节点MN相关联的服务小区，SCG（Secondary Cell Group）辅小区组是与辅节点SN相关联的服务小区，以Option 3/3A为例进行说明，如图3所示。

3.2　MR-DC分类及特点

根据MR-DC连接的核心网不同，将MR-DC分为两个大类：MR-DC with EPC和MR-DC with 5GC。具体的分类和主要架构特点如表1所示。

3.3　MR-DC对RRC的影响

3.3.1　系统消息处理的影响

在MR-DC场景中，对SN来说，除了无线帧定时和SFN，并不要求SN广播系统消息。

3.3.2　对UE能力协同的影响

在MR-DC场景中，需要将UE支持E-UTRA和NR的能力提供给MN和SN，MR-DC频段组合、支持的E-UTRA和NR频段组合列表、NR PDCP能力对MN和SN均可见。

3.3.3　Combined MN/SN RRC Message处理

为了与MN协同，在MCG和SCG重配置时，SN RRC Reconfiguration Message封装在MN RRC Message中。此MN RRC Message同时携带对应的MCG Reconfiguration，以确保Combined Reconfiguration由UE联合处理。

如果MN终止使用NR PDCP的承载，MN生成NR PDCP配置；如果SN终止承载，SN生成NR PDCP配置并发送到MN。

3.3.4　SRB 3

由SN决定是否建立SRB 3。SRB 3建立和释放可以在SN Addition&SN Change中完成，SRB 3重配可以在SN Modification中完成；SRB3可用于发送SN RRC Reconfiguration/SN RRC Reconfiguration Complete/SN Measurement Report消息，仅针对不涉及MN的场景。SCG释放时，SRB 3同步释放。

3.3.5　MCG/SCG失败处理

（1）RLF（Radio Link Failure）独立向MCG和SCG上报；

（2）如果检测到MCG RLF，UE发起RRC连接重建流程；

（3）在EN-DC和NGEN-DC场景中，支持如下SCG失败：

①SCG RLF；

②SN change failure；

③SCG configuration failure（only for messages on SRB3）；

④SCG RRC integrity check failure（on SRB3）。

（4）EN-DC和NGEN-DC场景中，一旦SCG失败发生，UE暂停所有RB的SCG传输，并将SCG失败上报给MN，而不是触发重建。

（5）在所有的SCG失败场景中，UE维持当前的来自MN和SN的测量配置，且UE继续基于当前的来自MN和SN的测量配置进行测量。

（6）UE在SCG Failure Information message中带上基于当前MN和SN测量配置的测量结果，MN处理SCG Failure Information message，然后决定保留、改变或者释放SN/SCG。在所有场景中，基于SN配置的测量结果可能需要转发到旧SN and/or新SN。

3.3.6　UE ID

在MR-DC场景中，给UE分配两个独立的C-RNTI，一个用于MCG，一个用于SCG。

4 MR-DC对网络的影响分析

4.1　MR-DC场景下组网演进路线

按照前面所述，5G建网初期组网选择为Option 3/3A，因此本文从Option 3A出发，给出MR-DC场景下5G网络架构的一个参考演进路线。

参考演进路线网络架构的网元及角色变化参考如表2所示。

鉴于NSA架构向SA架构的演进需求在未来较长时间内都将持续存在，因此4G-5G双连接将长期存在于网络中。

4.2　MR-DC对覆盖的影响分析

MR-DC引入后，对NR<E的网络覆盖进行分析，是规划阶段的重要任务。

目前，本文仅从链路预算方面展开，对MR-DC场景中的NR<E覆盖进行分析对比。由于NR的频率普遍高于LTE的频率，高频电磁波的传播路径损耗较低频电磁波的传播路径损耗大，因此通常情况下，单站点的NR的覆盖范围小于LTE的覆盖范围，即NR的覆盖为LTE覆盖的子集。

MR-DC链路预算基本输入条件，含NR<E的数据如表3所示，其中需要重点指出：

边缘速率：①NR UL/DL：1 Mbps/10 Mbps；②LTE UL/DL：256 kbps/1 024 kbps

系统频率：①NR：3.5 GHz；②LTE：2.6 GHz。

基于上述输入，通过链路预算工具，可以得到如下小区半径：LTE上行1 400 m，下行1 510 m，NR上行802 m，下行1 347.3 m。从中可发现，LTE和NR均为上行覆盖受限，得到LTE的覆盖半径为1 400 m，NR的覆盖半径为802 m。

根据链路预算计算的小区半径，即可算出单站点的覆盖面积，计算公式为：

通过计算覆盖面积不难发现，在上述条件下，单个NR站点的覆盖面积为1.25 km2，远小于LTE的单站覆盖面积3.82 km2。因此，针对MR-DC场景，如果LTE&NR采用1:1比例建站，则NR仅能覆盖站点附近的部分范围，NR覆盖范围为LTE覆盖范围的33%（1.25/3.82×100%）。

从覆盖角度来看，如果需要使NR达到LTE连续覆盖的情况，需要通过新增规划微站和拉远站点来解决。

4.3　MR-DC对容量的影响分析

MR-DC的引入，站在传统LTE网络的角度看，NR的容量即为MR-DC引入的容量增益。按照3GPP的定义，NR的容量为LTE容量的20倍。NR的引入，带来了容量的大幅提升。针对网络对应的容量需求，可优先规划5G NR站点。

按照2017-2018年中国用户的同比150%流量的增速，考虑进入5G后流量的使用会加快，NR的容量只能满足当前用户的3～4年需求。

4.4　MR-DC对移动性管理的影响分析

站在传统LTE网络的角度来看，MR-DC的引入多数情况为EN-DC场景。为了适应MR-DC的无线资源管理，新增了很多管理场景，部分典型场景如下：

（1）UE的上下文在MR-DC与非MR-DC之间切换；

（2）MN在不同站点之间切换；

（3）SN在不同站点之间切换；

（4）SN建立、更改、释放等。

为了实现相关场景的UE上下文和网络资源的管理，协议定义了相关流程。UE、MN、SN、CN等之间进行信令交付来完成相关的移动性管理任务。

在5G建网初期，也可能在5G建网后的相当长时间内，5G的覆盖都为4G覆盖的子集。基于此，MR-DC可能在很长一段时间内存在于网络中，而移动性的问题分析，与掉话率、吞吐率、时延、容量等问题的分析相辅相成。

因此，对网络优化而言，需要了解和熟悉MR-DC流程的基本内容，理解每个流程发生的场景及其对应的信令流程、话统打点、信令中的关键信元IE等，才能在实践中分辨出UE所处的状态（MR-DC、非MR-DC）、MN或SN是否发生了切换、MN或SN是否发生了变更等。因此，这些知识是网络优化工作中路测数据分析、话统数据分析和网络问题定位处理的基础。

5 结 语

本文基于5G双连接技术进行网络分析，针对网络演进、网络覆盖、网络容量和移动管理方面提出了见解。目前，双连接技术的引用，在网络的速率、容量、体验上有了很大改进，但是同时由于5G频段本身的不足，需要在网络的覆盖、容量规划、网络优化上做好长远计划。因此，MR-DC的移动性管理是网络优化工作中需要重点学习的内容。

作者简介 >>>

李海振，中国移动浙江有限公司丽水分公司，硕士，高级工程师，主要研究方向为2G/3G/4G的无线网络优化；

周昌林，中国移动浙江有限公司丽水分公司，学士，高级工程师，主要研究方向为2G/3G/4G网络优化；

叶旭伟，中国移动浙江有限公司丽水分公司，学士，工程师，主要研究方向为2G/3G/4G无线网络。

选自《通信技术》2019年第一期 （为便于排版，已省去原文参考文献）

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