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5G网络演进与双模5G基站

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  【摘  要】2020年5G网络将大规模商用,为更高效部署5G网络,在全面梳理5G网络架构与演进的基础上,重点研究了双模5G基站的原理,并结合外场测试数据,对双模5G基站的测试性能进行了分析,最后对后续电信运营商部署5G网络进行了建议。
  【关键词】 5G网络;双模基站;NSA;SA
  doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2020.04.010      中图分类号:TN929.5
  文献标志码:A      文章编号:1006-1010(2020)04-0045-05
  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, 2020,44(4): 45-49.
  5G Network Evolution and Dual-Mode 5G Base Station
  CAI Bowen, ZHANG Hua, GUO Han, XIE Weiliang
  (China Telecom Research Institute, Beijing 102209, China)
  [Abstract]
  5G network will be widely commercialized in 2020. 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, recommendations are provided to subsequent telecom operators for 5G network deployment.
  [Key words]5G network; dual-mode base station; NSA; SA
  0   引言
  自2019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网络必然要完成NSA向SA网络的过渡,为了实现5G网络平滑演进和减少网络改造,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未来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,从容应对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更为灵活,随着3GPP对5G标准的加速推进,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,SA架构才是运营商未来的目标网络。原因是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 2[1]。
  Option 3系列架构采用4G基站(eNB)作为主节点(Master Node),5G基站(gNB)作为辅助节点(Secondary Node)的双连接架构,称之为EN-DC(EUTRA-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-GW,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所有的控制面信令都经由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基站具备较为灵活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在控制面由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,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控制面传输,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,并可提供支持增强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一定差异,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一定差异,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-C接口与AMF(接入和移动性管理功能)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)。根据数据分离和转发方式的不同,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
  MCG(Master 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直接转发给UE,即只从LTE侧进行数据转发。
  SCG(Secondary 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离,由MeNB和SeNB按分离比例同时向UE转发,即LTE和NR共同完成数据转发。用户从2个系统中获取下行数据,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层协议复杂性要求高,且基站间传输链路需要实现流控等功能。
  双模基站的承载分离在PDCP(Packet Data Conver-gence Protocol)层进行,两个接入点可独立进行物理层资源的调度。如果双模基站关闭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,接入成功后自动驻留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,根据双模基站覆盖情况选择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,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、控制面连接。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SgNB)[5]。
  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,达到“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基站功能更复杂,优化和维护难度大。双模基站需要支持NSA和SA基站的所有功能,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,功能上更为复杂。同时,双模5G基站组网需要考虑4G、5G联合优化,增加了网络的复杂度和优化难度,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为控制面时延测试外场测试结果。从时延测试结果来看,LTE终端控制面时延和SA终端控制面时延基本相当,NSA终端控制面时延较高,相当于LTE终端或SA终端控制面时延的一倍。统计SA平均控制面时延在84 ms左右,近中远点位无明显区别。LTE平均控制面时延在93 ms左右,近中远点位无明显区别。NSA平均控制面时延在180 ms左右,近中远点位无明显区别。其中NSA控制面信令在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,这将导致控制面时延增加。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利用率的变化。在双模站点开启后,当前实验网NSA用户数较少,基站负荷无明显增加,CPU利用率基本保持一致。从现网性能指标统计结果来看,双模基站开启前后对现网LTE主要指标没有明显影响。
  4   结束语
  5G网络的建设还需要很长一段时间才能完成,双模5G基站可以同时支持NSA和SA用户的接入,使得网络可以从NSA向SA有序演进。电信运营商可以优先部署双模基站,利用NSA模式满足大量移动设备eMBB的场景需求。待产业链成熟后,可以进一步部署5G核心网,满足更多的场景需求。
  参考文献:
  [1]      3GPP. 3GPP TS 23.501 V16.2.0: System Architecture for the 5G System[S]. 2019.
  [2]    王丹,孙滔,段晓东,等. 面向垂直行业的5G核心网关键技术演进分析[J]. 移动通信, 2020,44(1): 8-13.
  [3]     汪锋,葛中魁,赵霞. 5G NR与LTE的系统间协同研究[J]. 移动通信, 2019,43(10): 74-79.
  [4]       李俭伟.  2020年5G终端发展展望NSA/SA双模终端将 成市场主流[J]. 通信世界, 2019(33): 24-25.
  [5]    肖子玉. 多模共存的5G网络部署关键问题探讨[J]. 电信工程技术与标准化, 2019,32(11): 37-41.
  [6]    韓钰昕,黄劲安. 5G NR网络架构的演进路径分析[J]. 广东通信技术, 2019,39(11): 26-29.★
  作者简介
  蔡博文(orcid.org/0000-0001-8149-4978):硕士毕业于北京邮电大学,现任职于中国电信研究院,主要从事移动通信标准、5G网络演进和无线接入技术的研究工作。
  张化:助理工程师,硕士毕业于悉尼大学,现任职于中国电信研究院,主要从事移动通信标准和5G无线技术研究工作。
  郭瀚:助理工程师,硕士毕业于桂林电子科技大学,现任职于中国电信研究院,主要研究方向为5G标准和无线接入新技术等。
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