NSA組網(wǎng)下2G/3G/4G/5G系統(tǒng)協(xié)同策略的研究

【摘? 要】從NSA組網(wǎng)原理出發(fā)，以中國移動的現(xiàn)網(wǎng)實際情況和需求為例，通過分析不同系統(tǒng)的特點，探討了NSA模式下2G/3G/4G/5G組網(wǎng)下不同網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)同策略。經(jīng)測試驗證，該套策略對5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋、質(zhì)量以及用戶的下載速率等指標(biāo)均有較好的改善，能夠滿足現(xiàn)網(wǎng)實際網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)要求，同時也可為后續(xù)5G大規(guī)模基站建設(shè)和入網(wǎng)提供行之有效的參考方案。

【關(guān)鍵詞】NSA;互操作;協(xié)同策略

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.10.004? ? ? ? 中圖分類號：TN915.08

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）10-0019-06

引用格式：李暉暉. NSA組網(wǎng)下2G/3G/4G/5G系統(tǒng)協(xié)同策略的研究[J]. 移動通信， 2020，44（10）： 19-24.

0? ?引言

隨著5G牌照發(fā)放，各大運營商必須解決2G/3G/4G/5G協(xié)同組網(wǎng)問題[1-2]。5G作為新一代的移動通信系統(tǒng)，因缺少實際網(wǎng)絡(luò)測試環(huán)境，因此協(xié)同方面相關(guān)的研究案例較少?，F(xiàn)有的協(xié)同研究只是針對網(wǎng)絡(luò)建設(shè)以及結(jié)合理論進(jìn)行研究，缺少實際測試數(shù)據(jù)支撐，在實際的5G無線優(yōu)化參考價值不高。如文獻(xiàn)[3]主要研究的是在5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)期間，和4G頻譜、站點、天面和基站等關(guān)鍵要素方面的協(xié)同，文獻(xiàn)[4]主要從信令出發(fā)，研究4G/5G協(xié)同過程以及可能出現(xiàn)的故障。

本文以中國移動的現(xiàn)網(wǎng)實際情況和需求為例，從NSA網(wǎng)絡(luò)、互操作等原理出發(fā)，提出了5G用戶在不同系統(tǒng)和不同狀態(tài)下的協(xié)同策略，通過大量的測試數(shù)據(jù)和性能統(tǒng)計數(shù)據(jù)驗證該套策略對5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋、質(zhì)量以及用戶的下載速率等指標(biāo)均有較好的提升，對一線無線網(wǎng)優(yōu)工作具有很大的指導(dǎo)意義。

1? ?5G組網(wǎng)方式

根據(jù)3GPP協(xié)議，5G主要采用兩種組網(wǎng)方式，一種是獨立組網(wǎng)（SA StandAlone）;一種是非獨立組網(wǎng)（NSA NonStandAlone）[5]。

SA和NSA組網(wǎng)分別又分為不同的系列，具體如表1所示：

考慮到現(xiàn)有實際情況并盡快實現(xiàn)5G的商用，國內(nèi)三大運營商初期以NSA為主，同時為了最大限度實現(xiàn)5G性能，有效分擔(dān)現(xiàn)有LTE的高話務(wù)區(qū)域，NSA組網(wǎng)中主要選用option3系列中的option3X模式。不過NSA無法支持5G某些的新業(yè)務(wù)和新功能，因此隨著5G建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，后期運營商將會采用SA獨立組網(wǎng)方式。

對于option3系列，通過不同的分流控制點來區(qū)分option3、option3a還是option3x。三者的區(qū)域以及優(yōu)缺點[6]如表2所示。

對于option3來說，分流控制節(jié)點是4G主基站，MeNB既要處理控制面的信息，也要處理用戶面的數(shù)據(jù)，因此需要對現(xiàn)有的4G基站進(jìn)行軟件升級，部分老設(shè)備涉及到硬件更換;另外，部分區(qū)域的4G基站本來負(fù)荷較高，加上對5G處理，對于高話務(wù)區(qū)域的4G網(wǎng)絡(luò)影響較大，嚴(yán)重影響客戶感知。

option3a分流控制節(jié)點為為EPC，即4G核心網(wǎng)，由核心網(wǎng)分別向4G和5G基站分發(fā)用戶面數(shù)據(jù)，此種方法也需要對現(xiàn)有的4G核心網(wǎng)升級。

option3x的分流控制點為5G基站，即由5G基站進(jìn)行數(shù)據(jù)流量分流，這種方式不用升級4G的基站，同時可以發(fā)揮5G基站的處理能力，為運營商5G的建設(shè)節(jié)省時間和成本，因此3x方式受到了各大運營商的歡迎，也是目前5G NSA建網(wǎng)的首選方式[6]。

2? ?不同系統(tǒng)間的互操作原理及其策略

2.1? 互操作原理

所謂互操作是指終端可以在現(xiàn)有不同的移動系統(tǒng)間進(jìn)行重選和切換，以確保良好的客戶感知。

3GPP系統(tǒng)互操作示意圖如圖1所示，從圖中可知，E-UTRAN和NG-RAN之間沒有物理和邏輯端口，終端從NG-RAN切換到E-UTRAN，需要經(jīng)由4G的核心網(wǎng)EPC和5G的核心網(wǎng)5GC之間的接口。如果5G終端回落核心網(wǎng)到4G后，4G無線網(wǎng)絡(luò)存在弱覆蓋或者干擾等質(zhì)量問題，終端則經(jīng)由4G核心網(wǎng)和2G核心新網(wǎng)之間接口回落到2G[8]。

當(dāng)前5G業(yè)務(wù)主要分為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和話音業(yè)務(wù)，兩種業(yè)務(wù)采用的承載方式不同，因此協(xié)同策略也有所不同。

（1）對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，在5G建網(wǎng)初期，主要采用NSA Option 3X來組網(wǎng)，其承載通過5G基站來進(jìn)行分流，可通過4G和5G進(jìn)行承載分擔(dān)。

（2）對于話音業(yè)務(wù)，5G建網(wǎng)初期和NSA組網(wǎng)下，語音采用過渡方案[7]，當(dāng)5G終端發(fā)起語音呼叫時，將在LTE基站錨點進(jìn)行，通過VoLTE提供語音業(yè)務(wù)，如果4G基站出現(xiàn)嚴(yán)重的質(zhì)量問題，如干擾或者弱覆蓋，則有可能話音進(jìn)一步回落到3G或者2G網(wǎng)絡(luò)。為避免頻繁切換引起的話音中斷，做好2G/3G/4G/5G網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)同，對于提升5G用戶的感知有著非常重要的意義。

不同的狀態(tài)下的5G終端，采用不同的準(zhǔn)則和事件來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間互操作。3GPP定義5GRRC狀態(tài)（無線資源管理）共有3種情況[9]：分別是RRC_IDLE、RRC_INACTIVE、RRC_CONNECTED。RRC_IDLE和RRC_CONNECTED兩種狀態(tài)和LTE的IDLE和CONNECT狀態(tài)相似，RRC_INACTIVE是5G新增的，當(dāng)終端進(jìn)入RRC_INACTIVE狀態(tài)時，終端在核心網(wǎng)的上下文仍會保留，此時如果有數(shù)據(jù)要接收或者發(fā)送，則只要空口再次進(jìn)行隨機(jī)接入進(jìn)入RRC_CONNETED狀態(tài)即可。此狀態(tài)既可以節(jié)約終端耗電還可以降低時延。對于RRC_IDLE和RRC_INACTIVE狀態(tài)，小區(qū)為空閑狀態(tài)，可以執(zhí)行小區(qū)選擇和重選，小區(qū)選擇采用S準(zhǔn)則[10]，即：

其中：Srxlev=Qrxlevmeas–（Qrxlevmin+Qrxlevminoffset）–Pcompensation-Qoffsettemp;Squal=Qqualmeas–（Qqualmin+Qqualminoffset）-Qoffsettemp。

Srxlev是SSB的信號強(qiáng)度（LTE中為RS的信號強(qiáng)度），一般要求SSB的RSRP強(qiáng)度>-110 dBm;Squal是SSB的信號質(zhì)量，Qrxlevmeas為終端的接收電平。

為了利用不同頻段的覆蓋的特點，5G系統(tǒng)和4G系統(tǒng)一樣，引用了優(yōu)先級。不同的頻率或者IRAT頻率之間的絕對優(yōu)先級可以通過系統(tǒng)消息、RRC ConnectionRelease以及從其他頻點或者系統(tǒng)繼承而來。

對于RRC_CONNECTED狀態(tài)的終端，其主要通過不同的事件來實現(xiàn)5G終端在不同系統(tǒng)間和頻段間進(jìn)行切換，以保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性。5G終端的切換事件包括系統(tǒng)內(nèi)切換和系統(tǒng)間切換，分別通過A1～A6，B1～B2事件來表示。

對于2G/3G/4G/5G系統(tǒng)，其相關(guān)的互操作原理如表3所示。

從互操作原理來看，做好4G與5G、4G與2G/3G之間的協(xié)同，對于提升5G用戶的感知有著非常重要的意義。在所有的互操作中，4G錨點站與5G之間的協(xié)同成為所有互操作成功的關(guān)鍵。下面將著重對NSA組網(wǎng)下4G和5G之間的策略進(jìn)行詳細(xì)描述。

2.2? NSA組網(wǎng)下不同系統(tǒng)間互操作策略

（1）4G與5G的協(xié)同

NSA Option3x組網(wǎng)下，5G和4G基站都連接在EPC為核心網(wǎng)上，NR中控制面的消息由4G基站進(jìn)行處理，用戶面數(shù)據(jù)分流控制節(jié)點由5G基站進(jìn)行控制。5G終端在空閑態(tài)時，其優(yōu)先駐留和重選到錨點站。在連接態(tài)下，NR終端在FDD1800錨點上發(fā)起EN-DC雙連接，NR添加或者刪除分別通過B1和A2事件。連接態(tài)下，進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時，NR主要采用A1+A3事件;進(jìn)行語音業(yè)務(wù)時，在現(xiàn)有VoNR未開通的情況下，由錨點站FDD1800來承擔(dān)，主要基于A1+A3、A1+A4、A1+A5或者A1+B2事件來完成。

NR在不同系統(tǒng)中，其空閑態(tài)和連接態(tài)的策略如表4所示。

（2）錨點站與非錨點站互操作

對于NSA（3x）組網(wǎng)來說，5G基站要連接到4G核心網(wǎng)，控制信令通過4G基站來處理，其在開機(jī)和空閑模式下，均需要駐留在4G基站上，因此對于4G錨點站的選擇至關(guān)重要。目前，各大運營商基本上建成了FDD/TDD兩種制式，尤其是中國移動，大規(guī)模的城市為了解決容量問題，包含了FDD900、FDD1800、A頻段、D頻段、E頻段和F頻段等多種頻段。在此種情況下，一般錨點選擇的原則大致如下。

覆蓋好：較好的覆蓋能夠保證5G終端較好的駐留在4G網(wǎng)絡(luò)上，話音結(jié)束后，能夠盡快的返回重新駐留;

質(zhì)量好：選擇的4G頻段最好干擾小，二次諧波干擾造成的影響小;

負(fù)荷不高：選擇容量承載較小的頻段，有利于5G基站完成節(jié)點控制分流;

支持VoLTE：5G建網(wǎng)初期，話音暫時無法支持VoNR，需要回落到4G，通過4G的VoLTE完成話音業(yè)務(wù)。

不同的頻段其覆蓋特性和容量存在差異，以中國移動為例，LTE包含了TDD和FDD兩種制式，而TDD中又包含了F頻段、A頻段、D頻段、E頻段;FDD主要包含F(xiàn)DD900和FDD1800。一般TDD主要用于吸收容量，F(xiàn)DD主要為了補充邊緣覆蓋。不同的場景采用頻段以及覆蓋情況說明如表5所示。

從表5來看，F(xiàn)DD1800在不同的場景均有覆蓋，尤其在城區(qū)，基本上形成了連續(xù)的覆蓋。隨著2G陸續(xù)退網(wǎng)，F(xiàn)DD1800的頻段帶寬有望從現(xiàn)有的10 MHz帶寬擴(kuò)展在20 MHz的帶寬，容量得到進(jìn)一步的提升。另外，F(xiàn)DD1800為5G提供上行補充頻率，可實現(xiàn)對5G的上下行解耦，整個移動選用的FDD1800作為錨點應(yīng)該就是基于以上原因。

對于NSA系統(tǒng)來說，為確保空閑態(tài)和連接態(tài)釋放后5G終端盡量駐留或者重選在錨點站上，如果NR連接態(tài)時處于LTE網(wǎng)絡(luò)，也盡量保持在錨點站點上，因此需要對錨點站和非錨點站的重選和切換策略分別進(jìn)行設(shè)置。本文利用小區(qū)重選優(yōu)先級的消息發(fā)放方式，創(chuàng)新性提出了錨點站和非錨點站采用不同的互操作策略，利用該套策略可以確保NR用戶能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定地駐留在錨點站點上，減少NR用戶在錨點站和非錨點站間的互操作，從而提升客戶感知。

小區(qū)重選優(yōu)先級一般分為兩種：廣播小區(qū)重選優(yōu)先級，這類型的消息主要通過廣播信道中的消息下發(fā)給終端;另外一個專用小區(qū)的重選優(yōu)先級，其重要通過RRC連接釋放空閑模式移動控制消息下發(fā)（IMMCI）[11]。錨點站點和非錨點站點通過專業(yè)小區(qū)重選優(yōu)先級，來確保NR能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定地駐留在錨點站點上。

而在連接態(tài)，為了讓NR終端盡量保持在錨點站，其切換策略在錨點站側(cè)和非錨點站側(cè)又有所不同，具體為：錨點站側(cè)，其切換主要采用A1+A3（用于錨點與錨點之間）和A1+A4算法（用于錨點站切向于非錨點站），非錨點站側(cè)主要采用A1+A3（用于非錨點站間）和A1+A5（用于非錨點站向錨點站之間）。

錨點站和非錨點站的互操作策略如表6所示。

結(jié)合上述策略，空閑態(tài)和連接態(tài)相關(guān)的門限設(shè)置如表7和表8所示。

3? ?結(jié)果驗證

該套策略已在全國18個城市進(jìn)行效果驗證，共涉及1.5萬個5G基站（主要為中興設(shè)備），測試時間在400個小時左右。從收集來的數(shù)據(jù)來看，該策略用于現(xiàn)網(wǎng)后，對現(xiàn)有5G的質(zhì)量和覆蓋均有所提升。圖2和圖3分別是全國18個城市策略運用前后質(zhì)量和覆蓋提升情況。

實施前后，接通率、掉線率、切換成功率、下載速率等5G相關(guān)的性能指標(biāo)也有明顯的改善。該套策略實施前后的性能指標(biāo)改善情況如表9所示：

選取某市商業(yè)區(qū)域現(xiàn)場測試，該區(qū)域共有TDD50個站，156個小區(qū)，其中118個宏站小區(qū)，38個室分小區(qū);FDD25個站、75個小區(qū)、NR網(wǎng)25個站、75個小區(qū)。

策略實施后測試效果對比如表10所示：

測試結(jié)果如圖4所示：

實施前后相關(guān)的性能指標(biāo)對比如表11所示：

從實施前后的效果對比來看，該套策略能夠有效改善5G用戶的客戶感知。

4? ?結(jié)論

本文從NSA組網(wǎng)原理出發(fā)，通過分析不同系統(tǒng)的特點，結(jié)合中國移動網(wǎng)絡(luò)的實際情況和需求，總結(jié)出一套2G/3G/4G/5G網(wǎng)絡(luò)間的互操作策略。大量的測試數(shù)據(jù)和性能統(tǒng)計數(shù)據(jù)說明，該套策略對現(xiàn)網(wǎng)的質(zhì)量有較大的提升，為后續(xù)5G大規(guī)?；窘ㄔO(shè)、入網(wǎng)后的優(yōu)化工作提供一定的前提和基礎(chǔ)。目前5G建設(shè)優(yōu)先覆蓋城區(qū)，該項策略只部署在城區(qū)，因此缺少其在其他場景下的應(yīng)用。隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，后續(xù)研究方向?qū)紤]進(jìn)行在農(nóng)村、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、縣城等場景下的策略研究。

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