5G多接入融合與協(xié)同的網(wǎng)絡架構

張弛龍

（中網(wǎng)聯(lián)通信發(fā)展集團有限公司，北京 100061）

0 引 言

無線通信系統(tǒng)從第1代到第4代，經(jīng)歷了迅猛發(fā)展，逐步形成了包含多種無線制式、頻譜利用和覆蓋范圍的復雜網(wǎng)絡現(xiàn)狀，其中多種接入技術長期共存成為突出特征。在5G時代，同一運營商擁有的多張不同制式的網(wǎng)絡狀況將長期共存。多制式網(wǎng)絡將至少包括4G LTE、5G RAN以及WLAN[1]。多接入網(wǎng)絡的融合是未來5G無線通信網(wǎng)絡架構考慮的重點趨勢。

1 4G LTE中的多網(wǎng)絡融合技術

1.1 LTE中的多連接技術

E-UTRAN支持雙連接（Dual Connectivity，DC），存在MCG承載、SCG承載和split承載3種承載類型。

對于雙連接，允許使用兩種不同的用戶平面架構[2]：一種架構中，S-GW通過S1-U只與MeNB連接，用戶平面數(shù)據(jù)使用X2-U從MeNB傳輸?shù)絊eNB；另一種架構中，S-GW可以通過S1-U與SeNB連接。

1.2 LTE-WLAN融合網(wǎng)絡架構

1.2.1 LTE-WLAN聚合（LWA）

E-UTRAN支持LTE-WLAN聚合（LTE-WLAN Aggregation，LWA）操作。根據(jù)LTE和WLAN之間的回程連接，支持兩種場景——共址場景和非共址場景[3]。在共址場景中，eNB和WLAN AP實體通過理想鏈路連接并集成于公共節(jié)點?；诋悩嬀W(wǎng)絡現(xiàn)有的部署，eNB和WLAN AP都是獨立的存在，并沒有集成在一個節(jié)點中；非共址場景是指當eNB和WLAN實體并沒有集成在一個公共節(jié)點中，主要使用非理想回程。

非共址場景的部署提出了用于WLAN系統(tǒng)邏輯表示的無線終端（Wireless Terminal，WT）節(jié)點概念。同時，UE與eNB、WT三者兩兩采用雙連接模式，相互連接。其中，eNB與WT在控制面與用戶面通過Xw鏈路連接。

在非共址的LWA場景中，eNB通過Xw接口連接到一個或多個WTs。對于LWA，到核心網(wǎng)絡的唯一需要接口是S1-U和S1-MME，它們在eNB端終止。WLAN不需要核心網(wǎng)絡接口。

1.2.2 基于IPSec隧道的LTE/WLAN無線集成（LWIP）

基于IPSec隧道的LTE/WLAN無線集成（LTE/WLAN Radio Level Integration with IPsec Tunnel，LWIP），允許eNB配置RRC_CONNECTED中的UE通過IPsec隧道利用WLAN無線資源。eNB和LWIPSeGW之間的連接由Xw接口提供[4]。

2 5G部署場景與網(wǎng)絡架構

2.1 可能的部署場景

2.1.1 非集中部署

如圖1所示，在這個場景中，gNB支持完整的協(xié)議棧，如在宏部署或室內熱點環(huán)境中（可以是公共的或企業(yè)的）。gNB可以連接到“任何”傳輸。假設gNB能夠通過運行接口連接到其他gNB或（e）LTE eNBs。

圖1 非集中部署

2.1.2 與E-UTRA聯(lián)合部署

如圖2所示，在這個場景中，NR功能與E-UTRA功能可以作為同一基站的一部分，也可以作為同一站點上的多個基站。聯(lián)合部署可以適用于所有NR部署場景，如城市宏觀。

圖2 與E-UTRA的聯(lián)合部署

2.1.3 集中式部署

此時可以在中心單元和gNB節(jié)點的低層之間使用不同的協(xié)議分割選項。gNB節(jié)點的中心單元和下層之間的功能劃分可能依賴于傳輸層。集中式部署如圖3所示。

2.1.4 共享RAN部署

NR應該支持共享運行部署，支持多個托管的核心運營商。共享RAN可以覆蓋較大的地理區(qū)域，就像國家或區(qū)域網(wǎng)絡共享一樣。

2.2 5G RAN架構

5G RAN的邏輯節(jié)點通過Xn接口相互連接。New RAN的邏輯節(jié)點通過NG接口連接到NGC。NG接口支持NG-CP/UPGWs與New RAN中的邏輯節(jié)點之間的多對多關系。

圖3 集中式部署

3 5G中的多網(wǎng)絡融合技術

3.1 5G RAN體系結構

3.1.1 一般的MR-DC準則

MR-DC是一種泛化的Intra-E-UTRA雙連接，其中多個Rx/Tx UE可以利用兩個不同的節(jié)點的理想回程連接提供的資源來配置。兩個節(jié)點中，一個提供NR訪問，另一個提供E-UTRA或NR訪問；一個作為MN，一個作為SN[5]。MN和SN通過網(wǎng)絡接口連接，其中至少有MN連接到核心網(wǎng)絡。

3.1.2 MR-DC with EPC

E-UTRAN通 過E-UTRA-NR DC（EN-DC） 支持MR-DC，其中UE連接到一個充當MN的eNB和一個充當SN的en-gNB。eNB通過S1接口連接到EPC，通過X2接口連接到en-gNB。

3.1.3 MR-DC with 5GC

（1）E-UTRA-NR Dual Connectivity NGENDC。NG-RAN支持NG-RAN E-UTRA-NR雙重連接（NGEN-DC），其中UE連接到一個ng-eNB作為MN，一個gNB作為SN。ng-eNB連接到5GC，gNB通過Xn接口連接到ng-eNB。

（2）NR-E-UTRA Dual Connectivity NE-DC。NGRAN支持NR-E-UTRA DC（NE-DC），其中UE連接到一個充當MN的gNB和一個充當SN的ng-eNB。gNB連接到5GC，ng-eNB通過Xn接口連接到gNB。

（3）NR-NR Dual Connectivity。NG-RAN 支持NR-NR DC（NR-DC），其中UE連接到一個充當MN的gNB和另一個充當SN的gNB。主gNB通過NG接口連接到5GC，通過Xn接口連接到輔助gNB，輔助gNB也可以通過NG-U接口連接到5GC。

3.2 5G RAN架構選擇

在討論RAN-CN接口和E-UTRA與NR RAN的接口時，應考慮以下選項[6]，以提供NR訪問合適功能的UE。

3.2.1 Option 2

在Option 2中，gNB與NGC相連。

3.2.2 Option 3、Option 3a和Option 3x

在Option 3/3a中，LTE eNB控制面接口用戶面接口均直接連接到EPC，NR的控制面接口通過LTE eNB連接到EPC。NR與EPC的用戶平面連接或通過LTE eNB（Option 3）連接或直接（Option 3a）連接。

為了支持SCG spilt承載器，需要支持Option 3x的部署。NR gNB的用戶面接口直接連接到EPC，NR gNB的控制面接口通過LTE eNB連接到EPC。

3.2.3 Option 4和Option 4a

在Option 4/4a中，非獨立的E-UTRA中gNB連接到NGC。E-UTRA用戶到NGC的用戶面連接通過gNB（Option 4）或直接（Option 4a）進行。

3.2.4 Option 5

在Option 5中，eLTE eNB連接到NGC。

3.2.5 Option 7、Option 7a和Option 7x

在Option 7/7a中，eLTE eNB與非獨立NR連接到NGC。NR與NGC的用戶平面連接通過eLTE eNB（Option 7）或直接（Option 7a）進行。

NR gNB的用戶面接口直接連接到NGC，NR gNB的控制面接口通過eLTE eNB連接到NGC。

以上架構都可以稱為多網(wǎng)絡融合架構（Multi RAT Dual Activity，MR-DC）。

3.3 NR-LTE DC

3.3.1 控制面

在MR-DC中，UE基于MN RRC，具有單RRC狀態(tài)，并與核心網(wǎng)絡有a single C-plane連接[7]。每個無線電節(jié)點都有自己的RRC實體（如果節(jié)點是eNB，則為E-UTRA版本；如果節(jié)點是gNB，則為NR版本），可以生成RRC PDUs發(fā)送到UE。

3.3.2 用戶面

在MR-DC中，從UE的角度來看，存在MCG承載、SCG承載和split承載3種承載類型。從網(wǎng)絡角度來看，每個承載（MCG、SCG和split承載）都可以在MN或SN中終止。

3.4 NR-WLAN融合網(wǎng)絡架構

4G時代引入了多種LTE-WLAN聚合技術，包括LWA、LWIP等。在5G時代，這種與WLAN融合的趨勢還在繼續(xù)。預計4G時代與WLAN融合的技術，5G還會繼續(xù)支持。這些技術為傳統(tǒng)網(wǎng)絡運營商接入家庭和個人部署的WLAN提供了重要的技術支持。然而，5G的一個重要特征在于對垂直行業(yè)的支持。垂直行業(yè)可能部署了自己的WLAN，多數(shù)業(yè)務可能不經(jīng)過傳統(tǒng)網(wǎng)絡運營商的核心網(wǎng)，且對于業(yè)務的服務質量要求會高于普通家庭用戶，體現(xiàn)在更精細的業(yè)務管理和更短的業(yè)務時延方面，而傳統(tǒng)的LTE-WLAN聚合技術無法滿足這種需求。因此，為了滿足不同應用場景的需求，提出了如下3種NR-WLAN[8]。

3.4.1 運營商部署

在這種架構中，核心網(wǎng)、接入網(wǎng)和WLAN都由傳統(tǒng)網(wǎng)絡運營商部署，所有數(shù)據(jù)業(yè)務都來自運營商網(wǎng)絡。這種部署類似于LTE-WLAN的融合架構，可以提供一站式服務，保證較高的安全性和可靠性。但是，用戶無法定制服務內容，也不能控制接入網(wǎng)和WLAN間的業(yè)務分流，比較適合家庭和個人用戶。

3.4.2 運營商和第三方混合部署

在這種架構中，核心網(wǎng)和接入網(wǎng)還是由傳統(tǒng)網(wǎng)絡運營商部署，但是WLAN是由第三方部署。這個第三方可以是任何垂直行業(yè)的企業(yè)。第三方可以根據(jù)自己的需求控制WLAN的業(yè)務分流和WLAN接入節(jié)點之間的移動性管理[8]。除了來自運營商網(wǎng)絡的業(yè)務，WLAN還可以傳輸?shù)谌教峁┑亩ㄖ茦I(yè)務。第三方對于WLAN掌握了更多的管理權限。

3.4.3 第三方部署

在這種架構中，核心網(wǎng)、接入網(wǎng)和WLAN都由第三方部署，這個第三方可以是任何垂直行業(yè)企業(yè)。相比于第二種網(wǎng)絡架構，這種架構中第三方可以在接入網(wǎng)和WLAN傳輸定制的業(yè)務，提供了更高的靈活性和管理權[8]。

4 結 論

將來5G開始進行廣泛部署后，考慮到對現(xiàn)有設備的支持以及提供廣域覆蓋的優(yōu)勢，4G將長期存在于網(wǎng)絡中，同時WLAN在對室內和熱點提供覆蓋上也扮演著重要角色。本文基于4G LTE中的多網(wǎng)絡融合技術，分析了5G的部署場景和網(wǎng)絡架構，進一步研究了5G、4G和WLAN的融合架構，為4G到5G網(wǎng)絡的平滑演進和共存部署提供了參考架構。