4G/5G多網(wǎng)協(xié)同與互操作研究

劉湘梅，熊力，段瀟君，謝卓罡，羅叢優(yōu)

【摘 ?要】NSA網(wǎng)絡(luò)中涉及較多4G/5G網(wǎng)絡(luò)交互流程，為更精準(zhǔn)高效開展5G網(wǎng)絡(luò)問題定位與運(yùn)營，從NSA基本原理、4G/5G協(xié)同優(yōu)化關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行研究，重點(diǎn)研究分析了4G/5G錨點(diǎn)小區(qū)駐留、4G/5G NR切換和4G/5G兩網(wǎng)之間參數(shù)一致性等關(guān)鍵協(xié)同優(yōu)化問題，并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，梳理總結(jié)NSA網(wǎng)絡(luò)的分析流程，為后續(xù)4G/5G協(xié)同優(yōu)化提供參考依據(jù)和優(yōu)化思路。

【關(guān)鍵詞】4G/5G協(xié)同優(yōu)化;錨點(diǎn);NR;QCI

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.12.008 ? ? ?中圖分類號(hào)：TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1006-1010（2019）12-0042-06

引用格式：劉湘梅，熊力，段瀟君，等. 4G/5G多網(wǎng)協(xié)同與互操作研究[J]. 移動(dòng)通信， 2019，43（12）： 42-47.

Research on 4G/5G Multi Network Cooperation and Interoperability

LIU Xiangmei， XIONG Li， DUAN Xiaojun， XIE Zhuogang， LUO Congyou

（Guangdong Wireless Network Optimization Center of China Telecom Co.， Ltd.， Guangzhou 510630， China）

[Abstract]?There are many 4G/5G network interaction processes in NSA network. In order to carry out the problem localization and network operation for 5G more accurately and efficiently， this paper first studies the basic principles of NSA and the key points of 4G/5G collaborative optimization. Then the key collaborative optimization issues are investigated including 4G/5G anchor cell residence， 4G/5G NR handover and the parameter consistency in 4G/5G networks. Finally， based on the practical experience， the analysis processes of NAS networks are summarized， which provide reference and optimization ideas for subsequent 4G/5G collaborative optimization.

[Key words]4G/5G collaborative optimization; anchor cell; NR; QCI

0 ? 引言

在NSA網(wǎng)絡(luò)試點(diǎn)部署中，5G網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營存在較多問題，其中較大部分會(huì)涉及新建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)同優(yōu)化，如何做好4G/5G協(xié)同優(yōu)化成為NSA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的關(guān)鍵點(diǎn)。

1 ? NSA基本理論闡述

1.1 ?NSA網(wǎng)絡(luò)概述

5G有兩種組網(wǎng)方式，一種是SA獨(dú)立組網(wǎng)，另一種是NSA非獨(dú)立組網(wǎng)[1]。NSA組網(wǎng)方式下，5G的核心網(wǎng)主要在原有LTE的核心網(wǎng)下進(jìn)行升級(jí)改造完成。5G NR控制面錨定于4G，沿用4G核心網(wǎng)EPC，這一架構(gòu)又稱為EN-DC，即EUTRA-NR雙連接技術(shù)。目前5G建網(wǎng)初期，采用以NSA為主，SA結(jié)合的方式來部署5G網(wǎng)絡(luò)。

雙連接技術(shù)最早在3GPP R12版本提出，其基本原理是讓一部手機(jī)連接到無線接入網(wǎng)中的兩個(gè)（或多個(gè)）節(jié)點(diǎn)/基站，其中一個(gè)是主節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)無線接入的控制面，即負(fù)責(zé)處理信令或控制消息;另一個(gè)（或多個(gè)）節(jié)點(diǎn)為輔助節(jié)點(diǎn)，僅負(fù)責(zé)用戶面，即負(fù)責(zé)承載數(shù)據(jù)流的傳送。雙連接技術(shù)主要是為了提升網(wǎng)絡(luò)速率，均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載以及避免切換中斷，保障穩(wěn)健的移動(dòng)性。

EN-DC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 ? ?EN-DC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖1是選項(xiàng)3x的NSA組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，也是目前電信運(yùn)營商5G NSA組網(wǎng)模式選擇最多的一種選項(xiàng)。

NSA選項(xiàng)3x的主要特點(diǎn)有：

（1）4G基站（eNB）為主節(jié)點(diǎn)（Master Node）。

（2）5G基站（gNB）為輔助節(jié)點(diǎn)（Secondary Node）。

（3）在控制面，也就是為了傳輸數(shù)據(jù)而進(jìn)行信令交互時(shí)，只有4G基站直接與4G核心網(wǎng)網(wǎng)元MME相連。

（4）在用戶面，也就是傳輸數(shù)據(jù)流量時(shí)，4G基站和5G基站均直連4G核心網(wǎng)網(wǎng)元S-GW，用戶數(shù)據(jù)流量的分流和聚合在5G基站完成，要么直接傳送到終端，要么通過X2-U接口將部分?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到4G基站再傳送到終端。

UE要想通過5G基站傳輸高速數(shù)據(jù)，需首先連接4G基站進(jìn)行信令交互，待4G基站分配完5G無線資源后，手機(jī)用戶才能享受5G高速上網(wǎng)。簡單的說，在NSA組網(wǎng)下，5G這條高速公路的指揮調(diào)度權(quán)掌握在4G手里，5G性能的某些方面參數(shù)也是在4G eNB設(shè)置的，這也是4G/5G協(xié)同優(yōu)化的一個(gè)重要體現(xiàn)。

1.2 ?EN-DC模式的5G資源添加流程

在EN-DC雙連接模式下，UE首先注冊(cè)4G網(wǎng)絡(luò)，然后再上報(bào)測(cè)量的5G信號(hào)強(qiáng)度和質(zhì)量等。比如當(dāng)UE移動(dòng)到5G小區(qū)的覆蓋范圍時(shí)，檢測(cè)到5G信號(hào)強(qiáng)度和質(zhì)量足以支持5G服務(wù)，則4G基站將與5G基站溝通為UE分配5G資源[2]。

然后4G基站通過RRC連接的RRC Connection Reconfiguration消息將5G NR分配的資源通知UE，完成RRC連接重新配置過程后，UE就同時(shí)連接到4G和5G網(wǎng)絡(luò)了，這就是DC雙連接[3]。

完成5G資源添加流程后，即手機(jī)和5G基站已經(jīng)準(zhǔn)備好了用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)?G無線資源。4G基站會(huì)通知核心網(wǎng)MME數(shù)據(jù)承載從4G-LTE切換到5G-NR，MME通知SGW更新承載，SGW將數(shù)據(jù)傳輸路徑從4G基站切換到5G基站，再通過End Marker消息告知4G基站可以休息了，5G基站就可以開始傳輸數(shù)據(jù)[4]。EN-DC雙連接增加了網(wǎng)絡(luò)信令連接的復(fù)雜程度，4G/5G協(xié)同工作的標(biāo)準(zhǔn)要求更高。

2 ? 4G/5G協(xié)同優(yōu)化

2.1 ?協(xié)同優(yōu)化概述

5G NSA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和4G錨點(diǎn)站息息相關(guān)，控制面必須通過4G側(cè)，用戶面可以通過NR側(cè)，也可以通過4G eNB到5G核心網(wǎng)，所以說4G/5G協(xié)同工作非常重要，兩端緊密相連，密不可分，5G NSA網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化必須包括有4G/5G協(xié)同優(yōu)化的內(nèi)容。

從優(yōu)化技術(shù)角度來看，4G/5G協(xié)同優(yōu)化主要包括三大方面：4G/5G錨點(diǎn)小區(qū)駐留的協(xié)同優(yōu)化、4G/5G NR切換的協(xié)同優(yōu)化和4G/5G兩網(wǎng)之間參數(shù)一致性的協(xié)同優(yōu)化。

2.2 ?協(xié)同優(yōu)化：錨點(diǎn)小區(qū)的駐留

關(guān)于NSA組網(wǎng)模式下，NR接入問題的優(yōu)化也給5G優(yōu)化帶來了新的挑戰(zhàn)。如果錨定小區(qū)優(yōu)先級(jí)不是最高，則存在NSA終端無法及時(shí)占用錨定小區(qū)的問題，如中國電信的雙載波小區(qū)有1.8G和2.1G同時(shí)覆蓋室外，2.1G載波優(yōu)先級(jí)更高時(shí)，目前現(xiàn)網(wǎng)錨定在1.8G上，UE占用2.1G沒有及時(shí)遷移到1.8G上，就會(huì)導(dǎo)致UE無法運(yùn)行5G業(yè)務(wù)。

解決方案：定向切換優(yōu)化。5G UE接入非錨點(diǎn)小區(qū)，如果它的鄰區(qū)中存在錨點(diǎn)鄰區(qū)，則在連接態(tài)下主動(dòng)發(fā)起到錨點(diǎn)鄰區(qū)的定向切換。通過連接態(tài)定向切換策略，保證5G商用終端及時(shí)遷移到錨點(diǎn)小區(qū)。為了確保NSA終端可以從非錨定小區(qū)切換到錨定小區(qū)，并在錨定小區(qū)穩(wěn)定駐留，具體步驟如下：

（1）當(dāng)NSA終端占用非錨定小區(qū)時(shí)，可以定向切換至錨定小區(qū)（非錨定小區(qū)添加錨定小區(qū)為鄰區(qū)關(guān)系），需要在非錨點(diǎn)小區(qū)配置NSA定向切換功能。

（2）NSA終端占用到錨定小區(qū)后，禁止覆蓋再切換回源頻點(diǎn)、源頻段或者源制式，需要在錨點(diǎn)小區(qū)配置防乒乓功能。

（3）NSA終端占用錨定小區(qū)時(shí)，禁止將NSA終端負(fù)荷均衡到其他頻點(diǎn)，需要在錨點(diǎn)小區(qū)配置NSA終端過濾功能。

定向切換流程[5]歸納為以下三點(diǎn)：

（1）NSA終端駐留在非錨點(diǎn)小區(qū)且與錨點(diǎn)小區(qū)配置了鄰區(qū)關(guān)系，則非錨點(diǎn)小區(qū)下發(fā)A5事件測(cè)量并啟動(dòng)EN-DC錨定功能切換測(cè)量等待定時(shí)器。

（2）定時(shí)器超時(shí)前，如錨定小區(qū)滿足測(cè)量門限且終端成功上報(bào)該MR，則非錨定小區(qū)發(fā)起向錨定小區(qū)的切換執(zhí)行流程，NSA終端成功占用錨定小區(qū)。

（3）如果錨定小區(qū)不滿足測(cè)量門限，定時(shí)器超時(shí)后，刪除本功能下發(fā)的A5事件測(cè)量。繼續(xù)執(zhí)行其他常規(guī)測(cè)量。

2.3 ?協(xié)同優(yōu)化：NR的切換

在NSA組網(wǎng)結(jié)構(gòu)下，由于控制面信令是走LTE的，NR之間的切換是和LTE息息相關(guān)的。在NSA組網(wǎng)下，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜于SA，也區(qū)別于LTE網(wǎng)絡(luò)，其原因是5G與4G在接入網(wǎng)級(jí)互通，互連更復(fù)雜。

首先，互連復(fù)雜會(huì)影響空口時(shí)延。在控制面時(shí)延上，NSA組網(wǎng)下NR錨定于LTE控制面，因此，控制面時(shí)延基本與4G一樣。在用戶面時(shí)延上，如果LTE與NR數(shù)據(jù)流聚合，用戶面時(shí)延會(huì)受限于4G。

其次，互連復(fù)雜會(huì)影響切換時(shí)延。在NSA組網(wǎng)下，由于5G NR錨定于4G LTE，NR至NR之間的切換若發(fā)生LTE錨定改變，需多個(gè)步驟才能完成，花費(fèi)時(shí)間較長。

根據(jù)圖2的流程，NSA組網(wǎng)結(jié)構(gòu)中NR與NR的切換流程如下：

（1）首先要?jiǎng)h除源副載波，釋放源NR資源;

（2）然后再執(zhí)行LTE到LTE之間的切換;

（3）接著再添加目標(biāo)副載波，新分配目標(biāo)NR資源。

圖2 ? ?NSA與SA組網(wǎng)下切換流程

NR之間的切換涉及到LTE錨點(diǎn)之間的切換，錨點(diǎn)切換失敗會(huì)導(dǎo)致NR的切換指標(biāo)，所以說錨點(diǎn)是NR切換的必要條件。5G NSA切換時(shí)延也是會(huì)比SA和LTE大，直接的原因就是切換流程的復(fù)雜度增加，流程繁瑣。根據(jù)理論資料和實(shí)際的測(cè)試結(jié)果顯示，NSA整個(gè)切換過程至少要用150 ms左右。但在SA組網(wǎng)下，NR到NR切換獨(dú)立于LTE切換，同頻切換時(shí)延僅需約40 ms，異頻切換時(shí)延僅需60 ms。至于SA與NSA之間的切換，等同于NR-LTE異系統(tǒng)切換，時(shí)延也只需約70 ms。

2.4 ?協(xié)同優(yōu)化：4G/5G參數(shù)一致性

文章的2.2節(jié)重點(diǎn)介紹了選項(xiàng)3x的現(xiàn)網(wǎng)EN-DC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式如圖3所示，5G控制面是走LTE基站，用戶面走LTE和NR都可以，所以在LTE錨點(diǎn)小區(qū)上有諸多的控制面相關(guān)參數(shù)來控制NR的接入和資源管理，5G NSA網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)就涉及到LTE錨點(diǎn)小區(qū)和NR小區(qū)兩個(gè)大方面。

（1）LTE錨點(diǎn)上的關(guān)鍵參數(shù)

1）EN-DC類參數(shù)。其屬于分流模式的控制類參數(shù)，主要包括EN-DC NR上行支路無線質(zhì)量要求門限、上行支路質(zhì)量遲滯、兩次下行NR leg激活最小時(shí)間間隔、兩次上行NR leg激活最小時(shí)間間隔等參數(shù)。

2）接入類參數(shù)。主要包括盲加腿策略、基于B1測(cè)量加腿策略。為了保障精確、快速的加腿，一般建議設(shè)置為B1測(cè)量加腿，B1測(cè)量加腿涉及到的參數(shù)有：B1測(cè)量的RSRP門限、B1遲滯Hyst、觸發(fā)B1測(cè)量的Trigger等。

3）Split承載類參數(shù)。主要包括是否允許承載建立Split承載開關(guān)以及在錨點(diǎn)上NR引用的ArpLev設(shè)置參數(shù)，ArpLev引用包括不同的QCI。在本文第三章將重點(diǎn)介紹ArpLev引用QCI錯(cuò)誤導(dǎo)致NR不能接入問題的解決措施。

（2）NR的參數(shù)

1）NR基本信道/信號(hào)類參數(shù)：PBCH信道上的SSB類參數(shù)設(shè)置。

2）NR參考信號(hào)參數(shù)：CRI-RS參考信號(hào)的參數(shù)，如周期、TRS周期和功率增強(qiáng)等級(jí)設(shè)置等。

3）NR接入類參數(shù)：前導(dǎo)碼接收功率門限值、前導(dǎo)最大傳輸次數(shù)。

4）NR功控類參數(shù)：上行功控的P0參數(shù)、最大發(fā)射功率等。

5）NR速率類參數(shù)：上下行最大MIMO調(diào)度層數(shù)，如4層、8層;PDCP重排序上下行計(jì)時(shí)器;RLC UM模式QCI List等。

2.5 ?4G/5G協(xié)同優(yōu)化故障定位流程

圖4為5G Troubleshooting的流程示意圖，主要從目前NSA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下最容易出現(xiàn)的三大方面問題來梳理流程，包括終端問題、NR接入問題、NR速率問題。

（1）終端問題

核查終端芯片能力（支持NSA/SA或單NSA）、SIM卡的5G速率權(quán)限、FTP服務(wù)器帶寬等問題，建議的SIM和FTP最低配置如下：

1）SIM卡：做5G數(shù)據(jù)，開通5G速率，一般至少要求下行20 Gb/s，上行10 Gb/s，流量使用不限流限速。

2）FTP服務(wù)器：10G帶寬，內(nèi)存32G，硬盤2T（多組使用FTP測(cè)試峰值，建議帶寬要相應(yīng)再擴(kuò)大到40G或100G）。

（2）NR速率問題

切換引起的速率問題排查切換問題，否則排查NR速率相關(guān)參數(shù)問題。

（3）NR接入問題

1）首先，檢查是否存在影響接入的告警存在，檢查的網(wǎng)元包括LTE錨定和NR小區(qū)，有告警先處理。

2）其次，在錨點(diǎn)檢查加腿方式是盲加腿還是基于B1測(cè)量的加腿，B1測(cè)量加腿更精確，建議采用B1測(cè)量加腿方式。

3）再次，核查4G/5G協(xié)同相關(guān)的策略和參數(shù)、錨點(diǎn)小區(qū)的駐留問題，是否是最好的同方向小區(qū)，是否是占用1.8G的錨點(diǎn)頻點(diǎn)以及核查4G/5G兩網(wǎng)之間的參數(shù)一致性問題。

4）最后，現(xiàn)場(chǎng)撥測(cè)，同時(shí)基站側(cè)跟蹤做進(jìn)一步的深度分析。

3 ? 典型案例分析應(yīng)用

3.1 ?NR接入問題描述

在廣東電信5G工程優(yōu)化驗(yàn)證測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)NR小區(qū)不能接入，無法進(jìn)行5G高速下載測(cè)試。通過測(cè)試軟件回放LOG信令分析，發(fā)現(xiàn)UE占用LTE錨點(diǎn)小區(qū)后，不能加腿。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試復(fù)現(xiàn)問題，測(cè)試軟件信令顯示駐留在LTE小區(qū)，無NR信息和信令，無法駐留到NR，沒有發(fā)生加腿的信令，如圖5所示。

（1）核查NR小區(qū)狀態(tài)信息：NR狀態(tài)正常;

（2）檢查錨點(diǎn)加腿方式：基于B1測(cè)量加輔站NR小區(qū)，相關(guān)參數(shù)設(shè)置正常;

（3）檢查錨點(diǎn)小區(qū)駐留是否正確，駐留在1.8G和NR同方向的LTE小區(qū)，正常。

通過以上3步核查，基本可以判斷錨點(diǎn)的駐留和加腿方式?jīng)]有問題，不能接入NR的問題與錨點(diǎn)加腿無關(guān)。

3.2 ?4G/5G協(xié)同優(yōu)化核查

根據(jù)上述核查，初步懷疑是EN-DC或4G/5G協(xié)同類有關(guān)不一致的參數(shù)導(dǎo)致的問題，為了進(jìn)一步進(jìn)行分析，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)撥測(cè)，并在eNB側(cè)進(jìn)行信令跟蹤。

eNB跟蹤顯示信令建立正常，在LTE錨點(diǎn)小區(qū)上，UE Attach是成功的，鑒權(quán)加密、上下文直傳、UE Capability上報(bào)直到EPS Bearer承載激活都正常，最后網(wǎng)路下發(fā)RRC Reconfiguration，說明在LTE上UE接入正常，但之后一直沒有B1測(cè)量的加腿發(fā)生。

在初始建立的Request信令中，Initial Context-Setup Request的詳細(xì)內(nèi)容中顯示：EPC給LTE錨點(diǎn)小區(qū)指示的QCI=9，如圖6中NR小區(qū)抓包信令所示。

廣東電信LTE核心網(wǎng)定義QCI=8為MBB業(yè)務(wù)，因此在錨點(diǎn)小區(qū)上NR的QCI引用設(shè)置為QCI8，EPC下發(fā)給LTE錨點(diǎn)的NR業(yè)務(wù)接入QCI=9，兩者QCI協(xié)商不一致，從而導(dǎo)致NR不能接入。

經(jīng)了解，是由于近期LTE核心網(wǎng)剛把MBB業(yè)務(wù)修改為QCI9，為了防止LTE核心網(wǎng)修改MBB業(yè)務(wù)的QCI導(dǎo)致NR QCI引用不一致問題，在LTE錨點(diǎn)小區(qū)上把QCI8和QCI9都添加到ArpLev0的引用中，不管LTE EPC的MBB業(yè)務(wù)是QCI8還是QCI9，都可以正常引用。

3.3 ?效果驗(yàn)證

添加QCI8和QCI9引用后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證測(cè)試，NR Cell Add加腿成功，NR接入正常，問題得到解決。

4 ? 結(jié)束語

EN-DC增加了網(wǎng)絡(luò)信令連接的復(fù)雜程度，雙連接好似5G NR和UE之間多了一個(gè)“中轉(zhuǎn)站”，本來可以直接發(fā)送給手機(jī)的NR RRC Reconfiguration消息，需經(jīng)過4G多次封裝和轉(zhuǎn)發(fā)。從技術(shù)方面出發(fā)，4G/5G協(xié)同優(yōu)化主要包括LTE錨點(diǎn)小區(qū)駐留策略、NR的切換和4G/5G兩網(wǎng)之間的參數(shù)一致性等。4G/5G協(xié)同優(yōu)化是5G NSA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)完成后優(yōu)化的重要環(huán)節(jié)之一，4G/5G協(xié)同優(yōu)化的好壞是5G優(yōu)化工作的前提條件和基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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