5G網(wǎng)絡(luò)NSA與SA模式互操作策略研究

李 一，劉光海，許國平，龍青良（.中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京 00048；.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司，北京 00033）

1 概述

2019 年6 月6 日，工業(yè)和信息化部發(fā)放5G 牌照，中國正式進(jìn)入5G 元年。5G 制式與已有2G/3G/4G 制式有一個重要的區(qū)別：5G 制式包含NSA 與SA 2 種網(wǎng)絡(luò)模式。NSA 模式復(fù)用4G 核心網(wǎng)，以4G 基站為信令錨點，通過與5G 基站雙連接方式傳遞用戶數(shù)據(jù)。SA模式下，5G基站直接接入5G核心網(wǎng)。2種模式的主要優(yōu)缺點如表1所示。

當(dāng)前，4G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已非常成熟，且現(xiàn)有規(guī)模龐大。NSA 模式以4G 網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，可以快速發(fā)展和普及5G網(wǎng)絡(luò)。這樣不但極大地降低了5G 技術(shù)不成熟帶來的各種風(fēng)險，還能夠有效控制運(yùn)營商付出的時間和資金成本。因此5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，三大運(yùn)營商為加快網(wǎng)絡(luò)建設(shè)步伐、節(jié)約網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營成本，紛紛采用NSA 模式組網(wǎng)。

表1 NSA模式與SA模式優(yōu)缺點

NSA 是現(xiàn)在，SA 卻是未來。如工業(yè)和信息化部部長苗圩所述：SA 由于可運(yùn)用場景更多，所以有著更大的商用想象空間。NSA 僅能支持eMBB 業(yè)務(wù)場景，SA未來還可用于支持mMTC 和uRLLC 業(yè)務(wù)，從而改變工業(yè)和商業(yè)的生產(chǎn)管理方式。也就是說，SA 會是5G 發(fā)展的最終形態(tài)。

由上可見，NSA 和SA 模式都會是5G 網(wǎng)絡(luò)的實際形態(tài)，而這2 種模式也會在一段時間內(nèi)共存。那么NSA和SA模式之間如何互操作，是我們應(yīng)該重點關(guān)注的問題。

2 整體介紹

當(dāng)前NSA 采用Option3x方式組網(wǎng)，以4G 網(wǎng)絡(luò)為信令錨點，只有進(jìn)入連接態(tài)才會觸發(fā)與NR 網(wǎng)絡(luò)的雙連接。因此，NSA 與SA 模式無法直接進(jìn)行互操作，需要4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行中轉(zhuǎn)。

4G 網(wǎng)絡(luò)包含2 種RRC 連接狀態(tài)：RRC Idle 和RRC Connected。5G網(wǎng)絡(luò)為了減少信令和功耗，引入了一種新的RRC 狀態(tài)：RRC Inactive。即5G 網(wǎng)絡(luò)包含3 種RRC 連接狀態(tài)：RRC Idle、RRC Inactive 和RRC Con?nected。4G與5G網(wǎng)絡(luò)之間的狀態(tài)遷移如圖1所示。

圖1 4G與5G網(wǎng)絡(luò)之間的狀態(tài)遷移

考慮RRC Inactive 主要應(yīng)用于mMTC 業(yè)務(wù)場景，本文主要基于空閑態(tài)和連接態(tài)開展NSA 與SA 模式互操作策略研究。只有SA終端才會存在NSA與SA模式之間的互操作，本文所述終端均為SA終端。

3 互操作場景與流程

互操作場景主要包括空閑態(tài)NSA?SA 重選、連接態(tài)NSA?SA互操作。

3.1 空閑態(tài)NSA?SA重選

當(dāng)終端在NSA 模式下處于空閑態(tài)時，會刪除NR雙連接。因此，空閑態(tài)的NSA 模式實際為終端在4G網(wǎng)絡(luò)的空閑態(tài)?？臻e態(tài)NSA?SA 重選即為4G?SA 重選。

3.1.1 NSA→SA重選

當(dāng)終端處于NSA 模式下的空閑態(tài)，也就是4G 網(wǎng)絡(luò)的空閑態(tài)時，會接收4G 網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)消息。4G 系統(tǒng)消息除MIB、SIB1、SIB2 等一些常見的廣播消息外，還包含SIB24 消息。SIB24 消息為5G RAT 重選消息，默認(rèn)配置5G 頻點為最高優(yōu)先級。關(guān)于SIB24 的詳細(xì)描述可參見3GPP TS 36.331協(xié)議6.3小節(jié)。

-SystemInformationBlockType24

The IE SystemInformationBlockType24 contains in?formation relevant only for inter-RAT cell re-selection i.e.information about NR frequencies and NR neighbour?ing cells relevant for cell re-selection.The IE includes cell re-selection parameters common for a frequency.

當(dāng)處于NSA 模式空閑態(tài)的終端進(jìn)入SA 網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域并滿足SA NR 信號質(zhì)量大于某一門限時，會基于優(yōu)先級的小區(qū)重選準(zhǔn)則駐留到SA網(wǎng)絡(luò)。

3.1.2 SA→NSA重選

SA 網(wǎng)絡(luò)默認(rèn)配置5G 頻點為最高優(yōu)先級，因此當(dāng)終端處于SA 模式空閑態(tài)時，只有當(dāng)離開SA 覆蓋區(qū)域并進(jìn)入4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，才會通過基于低優(yōu)先級的小區(qū)重選準(zhǔn)則，駐留到4G 網(wǎng)絡(luò)。即當(dāng)終端滿足SA 網(wǎng)絡(luò)NR 小區(qū)小于某一門限且4G 小區(qū)高于某一門限，會離開SA網(wǎng)絡(luò)而駐留4G網(wǎng)絡(luò)。

若4G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域存在NSA 單模式基站，終端在4G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)起業(yè)務(wù)后會執(zhí)行5G 小區(qū)添加流程，與NR小區(qū)建立雙連接，從而進(jìn)入NSA模式。

3.2 連接態(tài)NSA?SA互操作

連接態(tài)的互操作包含重定向和切換2 種。當(dāng)4G核心網(wǎng)與5G 核心網(wǎng)配置N26接口時，可通過切換和重定向2 種方式進(jìn)行互操作。當(dāng)4G 核心網(wǎng)與5G 核心網(wǎng)未配置N26接口時，只能通過重定向方式進(jìn)行互操作。其中，N26 接口為連接4G MME 與5G AMF 之間的接口。

圖2示出的是4G/5G融合互操作系統(tǒng)架構(gòu)。

3.2.1 NSA→SA互操作

終端在連接態(tài)觸發(fā)NSA→SA的互操作場景包括：a）覆蓋觸發(fā)：當(dāng)前4G 小區(qū)覆蓋變差或NSA 模式的NR 小區(qū)覆蓋弱于SA 模式的NR 小區(qū)，可以觸發(fā)NSA→SA的連接態(tài)互操作。

圖2 4G/5G融合互操作系統(tǒng)架構(gòu)

b）UE 能力觸發(fā)：只要UE 支持SA，即可觸發(fā)NSA→SA的連接態(tài)互操作。

c）業(yè)務(wù)觸發(fā)：SA建網(wǎng)初期，語音業(yè)務(wù)仍將由4G網(wǎng)絡(luò)VoLTE 承載，當(dāng)VoLTE 業(yè)務(wù)結(jié)束后，可通過Fast Re?turn回到SA網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)前NSA 模式為Option3x 組網(wǎng)，4G 基站接入4G核心網(wǎng)。因此終端在連接態(tài)從NSA 模式到SA 模式時，須先刪除NR 小區(qū)進(jìn)入4G 網(wǎng)絡(luò)，再在4G 網(wǎng)絡(luò)下發(fā)起向SA 網(wǎng)絡(luò)的互操作請求。當(dāng)未來NSA 模式轉(zhuǎn)換為Option7x 組網(wǎng)時，4G 基站接入5G 核心網(wǎng)，那么終端在連接態(tài)從NSA 模式到SA 模式時，可以直接向SA 網(wǎng)絡(luò)發(fā)起互操作請求，再刪除NR小區(qū)。

本文仍以O(shè)ption3x 組網(wǎng)方式進(jìn)行互操作策略說明，并基于切換和重定向2種方式開展研究。

3.2.1.1 基于切換的NSA→SA互操作

當(dāng)4G 核心網(wǎng)與5G 核心網(wǎng)配置N26 接口時，終端可在連接態(tài)從NSA 模式切換到SA 模式：網(wǎng)絡(luò)先刪除NSA模式下的NR小區(qū)，使終端進(jìn)入4G網(wǎng)絡(luò)，之后終端從4G網(wǎng)絡(luò)切換到SA模式。具體流程包括：

a）切換觸發(fā)。

b）刪除NR小區(qū)：終端從NSA模式轉(zhuǎn)入4G網(wǎng)絡(luò)。

c）切換準(zhǔn)備：源eNB 向目標(biāo)gNB 發(fā)送切換請求，通知目標(biāo)gNB做好資源預(yù)留工作。

d）切換執(zhí)行：終端刪除與源eNB 的RRC 連接，執(zhí)行與目標(biāo)gNB的隨機(jī)接入過程。

e）切換完成：核心網(wǎng)完成相關(guān)資源轉(zhuǎn)移，并釋放4G網(wǎng)絡(luò)MME的UE上下文。

圖3示出的是基于切換的NSA→SA互操作流程。

圖3 基于切換的NSA→SA互操作流程

3.2.1.2 基于重定向的NSA→SA互操作

圖4 示出的是基于重定向的NSA→SA 互操作流程。當(dāng)4G 核心網(wǎng)與5G 核心網(wǎng)未配置N26 接口時，終端在連接態(tài)只能通過重定向從NSA 模式轉(zhuǎn)換到SA 模式：網(wǎng)絡(luò)先刪除NSA模式下的NR小區(qū)，使終端進(jìn)入4G網(wǎng)絡(luò)，之后終端從4G 網(wǎng)絡(luò)重定向到SA 模式。具體流程包括：

a）觸發(fā)互操作。

b）刪除NR小區(qū)：終端從NSA模式轉(zhuǎn)入4G網(wǎng)絡(luò)。

c）重定向：源eNB 下發(fā)RRC connection release，同時攜帶SA網(wǎng)絡(luò)NR小區(qū)頻點。

d）5G 小區(qū)接入：終端收到RRC connection release消息后與4G 網(wǎng)絡(luò)斷開連接，并進(jìn)行NR 小區(qū)搜索，讀取NR廣播消息，并接入SA網(wǎng)絡(luò)。

3.2.2 SA→NSA互操作

終端在連接態(tài)觸發(fā)SA→NSA的互操作場景包括：

a）覆蓋觸發(fā)：當(dāng)前SA 網(wǎng)絡(luò)NR 小區(qū)覆蓋變差，可以觸發(fā)SA→NSA的連接態(tài)互操作。

b）業(yè)務(wù)觸發(fā)：SA建網(wǎng)初期，語音業(yè)務(wù)仍將由4G網(wǎng)絡(luò)VoLTE 承載。當(dāng)發(fā)起語音呼叫請求時，終端執(zhí)行EPS Fallback VoLTE 從SA 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入4G 網(wǎng)絡(luò)。若此時4G網(wǎng)絡(luò)有NSA基站，則終端進(jìn)入NSA模式。

3GPP 協(xié)議不支持SA 直接互操作至NSA，終端在連接態(tài)從SA模式到NSA模式時，須先回落4G網(wǎng)絡(luò)，再在4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)起NR雙連接進(jìn)入NSA模式。

3.2.2.1 基于切換的SA→NSA互操作

基于切換的SA→NSA互操作流程包括：

a）切換觸發(fā)。

b）切換準(zhǔn)備：源gNB 向目標(biāo)eNB 發(fā)送切換請求，通知目標(biāo)eNB做好資源預(yù)留工作。

c）切換執(zhí)行：終端刪除與源gNB 的RRC 連接，執(zhí)行與目標(biāo)eNB的隨機(jī)接入過程。

d）切換完成：核心網(wǎng)完成相關(guān)資源轉(zhuǎn)移，并釋放SA網(wǎng)絡(luò)AMF的UE上下文。

e）添加NR 小區(qū)：目標(biāo)eNB 下發(fā)測控消息，終端執(zhí)行NR小區(qū)添加流程進(jìn)行雙連接狀態(tài)。

圖5示出的是基于切換的SA→NSA互操作流程。

3.2.2.2 基于重定向的SA→NSA互操作

圖6 示出的是基于重定向的SA→NSA 互操作流程?；谥囟ㄏ虻腟A→NSA互操作流程包括：

a）觸發(fā)互操作。

b）重定向：源gNB 下發(fā)RRC release，同時攜帶4G網(wǎng)絡(luò)頻點。

c）4G 小區(qū)接入：終端收到RRC release 消息后與SA 網(wǎng)絡(luò)斷開連接，并進(jìn)行4G 小區(qū)搜索，讀取4G 廣播消息，并接入4G網(wǎng)絡(luò)。

d）添加NR 小區(qū)：目標(biāo)eNB 下發(fā)測控消息，終端執(zhí)行NR小區(qū)添加流程進(jìn)行雙連接狀態(tài)。

4 互操作策略研究

5G 網(wǎng)絡(luò)NSA 模式與SA 模式共存是運(yùn)營商在建設(shè)工程周期、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營成本與整體業(yè)務(wù)感知三者權(quán)衡后的必然選擇。運(yùn)營商在NSA 與SA 模式互操作場景將面臨如下挑戰(zhàn)。

圖4 基于重定向的NSA→SA互操作流程

圖5 基于切換的SA→NSA互操作流程

圖6 基于重定向的SA→NSA互操作流程

a）中國聯(lián)通與中國電信5G 網(wǎng)絡(luò)采用共建共享方式組網(wǎng)，共建共享場景下的NSA 與SA 模式互操作場景過于繁多，流程過于復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)感知難以保障。

b）終端在NSA 模式與SA 模式之間容易發(fā)生乒乓互操作。

c）5G 網(wǎng)絡(luò)初期5GC 與EPC 之間的接口打通難度大，若直接在連接態(tài)下采用切換方式互操作，復(fù)雜度高，實現(xiàn)難度大。

基于上述考量，本文從網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)策略選擇3個方面給出相關(guān)建議。

4.1 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)建議

5G 網(wǎng)絡(luò)初期，三大運(yùn)營商為加快網(wǎng)絡(luò)建設(shè)步伐、節(jié)約網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營成本，紛紛采用NSA 模式組網(wǎng)。隨著網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的鋪開以及工業(yè)和商業(yè)對于網(wǎng)絡(luò)的更高需求，SA模式將會是一種必然。

考慮當(dāng)前現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)主要為eMBB 業(yè)務(wù)，而該業(yè)務(wù)場景NSA 模式與SA 模式速率相當(dāng)，因此在后續(xù)SA 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進(jìn)程中，除重要口碑影響區(qū)域需NSA網(wǎng)絡(luò)與SA網(wǎng)絡(luò)共存，其他區(qū)域若已有NSA 網(wǎng)絡(luò)，建議新建5G 基站向NSA 未覆蓋區(qū)域傾斜，從而在廣度上保證5G 用戶的整體感知。當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)步入發(fā)展成熟期，NSA終端占用比例較少甚至沒有，全網(wǎng)可以統(tǒng)一升級到SA 網(wǎng)絡(luò)。

另外，考慮共建共享網(wǎng)絡(luò)下互操作場景的復(fù)雜度，建議NSA 模式的共建共享區(qū)域與SA 模式的共建共享區(qū)域盡量避免重疊。

4.2 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化建議

考慮NSA 模式與SA 模式互操作時容易存在乒乓現(xiàn)象，在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程中應(yīng)開展以下工作。

a）NSA→SA 與SA→NSA 的觸發(fā)電平設(shè)置須存在不小于3 dB 的偏置，以防止終端剛從模式A 進(jìn)入模式B便觸發(fā)模式B向模式A的互操作。

b）NSA?SA 模式轉(zhuǎn)換的觸發(fā)時間需滿足不小于640 ms。

c）NSA 模式下的NR 小區(qū)和SA 模式下的NR 小區(qū)須嚴(yán)格控制其覆蓋區(qū)域，避免重疊覆蓋度過高導(dǎo)致干擾嚴(yán)重。

4.3 互操作策略選擇建議

連接態(tài)下的互操作包含切換和重定向方式。

切換流程包含切換判決、切換準(zhǔn)備和切換執(zhí)行3個流程。在終端執(zhí)行切換前目標(biāo)小區(qū)已完成資源預(yù)留、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等工作，可以減少終端切換失敗概率同時縮短業(yè)務(wù)中斷時延。但切換流程涉及源無線網(wǎng)、源核心網(wǎng)以及目標(biāo)無線網(wǎng)、目標(biāo)核心網(wǎng)等大量網(wǎng)元設(shè)備，并要求終端支持切換方式，復(fù)雜度高，影響范圍廣，實現(xiàn)難度大。

重定向流程沒有切換準(zhǔn)備過程，通過release 消息攜帶目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)頻點，終端發(fā)起小區(qū)搜索接入目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。該方案由于需要終端自行完成小區(qū)搜索且不確定目標(biāo)小區(qū)資源情況，因此存在一定的失敗風(fēng)險，可靠性低。另外，release 消息下發(fā)同時源小區(qū)會刪除用戶所有資源，即使流程失敗也不可再返回源小區(qū)。

綜上所述，重定向通常為網(wǎng)絡(luò)終端不支持切換或網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期的一種過渡手段。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)逐漸成熟，建議使用基于切換的異系統(tǒng)互操作，既能提高成功率又可以縮短時延，有效保障用戶感知。

5 結(jié)束語

在5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與發(fā)展的過程中，NSA 模式和SA模式將會在一段時間內(nèi)共存。本文基于5G 網(wǎng)絡(luò)NSA與SA 模式互操作策略開展深入研究，首先介紹5G 網(wǎng)絡(luò)下終端的不同RRC 狀態(tài)，根據(jù)不同的RRC 狀態(tài)，引出互操作策略下的不同場景：空閑態(tài)重選和連接態(tài)互操作。本文詳細(xì)介紹了2 種互操作場景的信令流程，給出了運(yùn)營商面臨的建設(shè)與優(yōu)化挑戰(zhàn)，并從網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化以及互操作策略層面分別給出了相關(guān)建議。本文開展的互操作策略研究，一方面可以為5G 網(wǎng)絡(luò)NSA與SA模式互操作優(yōu)化提供基本理論依據(jù)，另一方面指明了互操作策略發(fā)展的方向，有效指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)建設(shè)。