5G 網(wǎng)絡(luò)移動性能優(yōu)化研究

劉光海，李 一，肖 天，朱小萌，鄭雨婷

(中國聯(lián)通研究院，北京 100048)

0 引言

隨著5G 的商用部署和技術(shù)演進，移動通信網(wǎng)絡(luò)面臨2G/3G/4G/5G 多制式并存，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)日益復雜。而5G網(wǎng)絡(luò)制式和終端的多樣性又進一步加劇了網(wǎng)絡(luò)拓撲和邊界場景的復雜度。如何保障用戶的移動性感知成為影響網(wǎng)絡(luò)口碑的關(guān)鍵一環(huán)。

本文聚焦4G/5G 網(wǎng)絡(luò)互操作策略及配置方案，針對5G 網(wǎng)絡(luò)移動性能保障方案進行深入細致的研究，創(chuàng)新設(shè)計網(wǎng)間移動性策略，真正實現(xiàn)端網(wǎng)協(xié)同、多網(wǎng)協(xié)同，提升5G 網(wǎng)絡(luò)的用戶感知及口碑。

1 概述

1.1 5G 組網(wǎng)

5G 網(wǎng)絡(luò)包含NSA(Non-Standalone)單棧、SA(Standalone)單棧和NSA&SA 雙棧3 種組網(wǎng)方式，如圖1 所示[1]。

圖1 5G 3 種組網(wǎng)方式對比

NSA 單棧組網(wǎng)下，5G 用戶只能采用以4G 網(wǎng)絡(luò)作為移動性管理和覆蓋的錨點，在連接態(tài)時通過雙連接的方式新增5G 用戶面接入[2-3]。

SA 單棧組網(wǎng)下，NR(New Radio)獨立組網(wǎng)，5G用戶只能直接與NR 連接之后接入5G 核心網(wǎng)[4]。

NSA&SA 雙棧組網(wǎng)下，5G 用戶既可以通過NSA 方式接入5G 網(wǎng)絡(luò)，又可以通過SA 方式接入5G 網(wǎng)絡(luò)。通過差異化5G 網(wǎng)絡(luò)移動性方案設(shè)計，可以實現(xiàn)終端使用各種場景下可能的最高能力網(wǎng)絡(luò)，保障用戶感知最優(yōu)。

1.2 5G 終端

5G 終端包含NSA 單模、SA 單模和NSA&SA 雙模3種終端[5]。

NSA 單模終端為只支持NSA 模式的終端，用戶在空口進行能力上報時會攜帶EN-DC-R15-Supported 字段。

SA 單模終端為只支持SA 模式的終端，用戶在空口進行能力上報時會攜帶SA-NR-R15 字段。

NSA&SA 雙模終端為既支持NSA 模式又支持SA 模式的終端，用戶在空口進行能力上報時會同時攜帶ENDC-R15-Supported 字段和SA-NR-R15 字段。

不同種類終端能力不同，其在空閑態(tài)和連接態(tài)下的移動性策略也應(yīng)差異化配置。網(wǎng)絡(luò)側(cè)需基于不同的終端能力配置不同的互操作策略及參數(shù)，保證各類終端根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際情況及時、合理在網(wǎng)絡(luò)間駐留、移動。

1.3 RRC(Radio Resource Control)狀態(tài)

NSA 網(wǎng)絡(luò)以4G 網(wǎng)絡(luò)為信令錨點，只有進入連接態(tài)才會觸發(fā)與NR 網(wǎng)絡(luò)的雙連接。因此，NSA 網(wǎng)絡(luò)下用戶的RRC 狀態(tài)完全遵從4G 網(wǎng)絡(luò)，當前4G 現(xiàn)網(wǎng)只包含RRC Idle 和RRC Connected[6-7]。

而對于SA 網(wǎng)絡(luò)，3GPP 協(xié)議定義了3 種RRC 狀態(tài)：RRC Idle、RRC Inactive 和RRC Connected，如圖2 所示[8-10]?？紤]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5G 網(wǎng)絡(luò)移動性能優(yōu)化方案研究。

圖2 4G/5G 網(wǎng)絡(luò)間RRC 狀態(tài)遷移示意圖

2 空閑態(tài)5G 網(wǎng)絡(luò)移動性

空閑態(tài)5G 網(wǎng)絡(luò)移動性主要指5G 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)空閑態(tài)重選和4G/5G 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)間空閑態(tài)重選?？臻e態(tài)重選主要通過公共頻率優(yōu)先級和專用頻率優(yōu)先級實現(xiàn)。公共頻率優(yōu)先級通過廣播消息下發(fā)，專用頻點優(yōu)先級會在用戶從連接態(tài)進入空閑態(tài)的時候下發(fā)。具體表現(xiàn)是通過RRC 連接釋放消息中攜帶信元IdleModeMobilityControlInfo(IMMCI)。IMMCI 中包含網(wǎng)絡(luò)給用戶下發(fā)的專用頻點及頻點優(yōu)先級信息。用戶收到IMMCI 中攜帶的頻點和頻率優(yōu)先級消息后，即忽略廣播消息中的頻點和頻率優(yōu)先級，而是按照IMMCI 中攜帶的頻點和頻率優(yōu)先級進行后續(xù)網(wǎng)絡(luò)行為[11]。

為保障不同終端優(yōu)先駐留在各自能夠匹配的能力最高或性能最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)上，空閑態(tài)小區(qū)重選總體遵循以下原則：

(1)不同制式間，通過頻率重選優(yōu)先級控制UE 優(yōu)先駐留5G：駐留優(yōu)先級為5G>4G>3G。

(2)相同制式內(nèi)，針對不同覆蓋場景，可以通過頻率重選優(yōu)先級控制用戶駐留特定載波，也可以通過小區(qū)偏置控制用戶優(yōu)先駐留在特定小區(qū)上；原則上容量層≥覆蓋層，室內(nèi)微站≥室外宏站。

(3)不同優(yōu)先級之間，基于高優(yōu)先級到低優(yōu)先級或低優(yōu)先級到高優(yōu)先級準則進行空閑態(tài)重選。

(4)同優(yōu)先級之間，基于信號強度遵循R 準則進行重選。R 準則是指服務(wù)小區(qū)的Rs 和目標小區(qū)的Rt 分別滿足Rs=Qmeas，s+Qhyst，Rt=Qmeas，t-Qoffset，其中Qmeas是測量小區(qū)的RSRP(Reference Signal Receiving Power)值，Qhyst 定義了小區(qū)重選遲滯，Qoffset 定義了目標小區(qū)的偏移值。如果目標小區(qū)在Treselection 時間內(nèi)，Rt 持續(xù)超過Rs，那么終端就會重選到目標小區(qū)。

在滿足總體小區(qū)重選原則的基礎(chǔ)上，不同區(qū)域還應(yīng)差異化配置頻率重選優(yōu)先級。

2.1 NSA&SA 雙棧組網(wǎng)區(qū)域

NSA&SA 雙棧組網(wǎng)區(qū)域內(nèi)的空閑態(tài)策略需滿足如圖3所示原則：

圖3 NSA/SA 雙棧區(qū)域空閑態(tài)互操作示意圖

(1)對于NSA&SA 雙模終端及NSA 單模終端，在向5G 覆蓋邊緣移動時，優(yōu)先駐留錨點4G 載波。

(2)對于SA 單模終端，在向5G 覆蓋邊緣移動時，優(yōu)先駐留在4G 載波(不區(qū)分錨點4G 載波與非錨點載波)。

基于上述原則，本文分別給出NSA&SA 雙棧組網(wǎng)區(qū)域的5G->4G 和4G->5G 空閑態(tài)重選策略。

2.1.1 5G->4G 空閑態(tài)重選

5G 到4G 的空閑態(tài)重選策略主要通過5G 側(cè)公共頻率優(yōu)先級和5G 側(cè)專用頻率優(yōu)先級實現(xiàn)。

(1)5G 側(cè)公共頻率優(yōu)先級配置

系統(tǒng)間公共頻點優(yōu)先級配置應(yīng)滿足5G>4G，系統(tǒng)內(nèi)公共頻點優(yōu)先級配置應(yīng)滿足容量層≥覆蓋層，室內(nèi)微站≥室外宏站。因此，5G 側(cè)公共頻率優(yōu)先級配置策略為：3.3 GHz 頻段5G 載波>3.4 GHz 頻段5G 載波=3.5 GHz頻段5G 載波>預留5G 頻段載波>1.8 GHz 頻段4G 載波>其他4G 頻點載波。其中，預留5G 頻段載波指2.1 GHz載波5G 小區(qū)。

(2)5G 側(cè)專用頻率優(yōu)先級配置

當用戶從5G 向4G 網(wǎng)絡(luò)移動時，NSA/SA 雙模終端和NSA 單模終端應(yīng)優(yōu)先回落4G 錨點，SA 單模終端回落4G 錨點或其他4G 載波均可。因此，5G 側(cè)專用頻率優(yōu)先級配置策略如表1 所示。

表1 5G 側(cè)專用頻率優(yōu)先級

2.1.2 4G->5G 空閑態(tài)重選

4G 到5G 的空閑態(tài)重選策略主要通過4G 側(cè)公共頻率優(yōu)先級和4G 側(cè)專用頻率優(yōu)先級實現(xiàn)[12]。

(1)4G 側(cè)公共頻率優(yōu)先級配置

考慮盡量減少對現(xiàn)網(wǎng)配置的更改，公共頻率優(yōu)先級配置策略為：在保持現(xiàn)網(wǎng)4G 配置優(yōu)先級順序的前提下，增加配置NR 頻點為優(yōu)先級7 或6，高于所有4G、3G 頻點。同時4G 錨點載波優(yōu)先級高于4G 其他載波優(yōu)先級。

(2)4G 側(cè)專用頻率優(yōu)先級配置

NSA/SA 雙棧網(wǎng)絡(luò)下，存在4G 錨點小區(qū)和4G 非錨點小區(qū)。對于4G 錨點小區(qū)，無需配置專用頻點優(yōu)先級，整體頻率優(yōu)先級策略遵循公共頻點優(yōu)先級；對于4G 非錨點小區(qū)，需區(qū)分終端類型配置不同的專用頻點優(yōu)先級，避免不必要的異頻測量，從而影響用戶感知。具體策略如表2 所示。

表2 4G 非錨點小區(qū)專用頻率優(yōu)先級

2.2 SA 單棧組網(wǎng)區(qū)域

對于SA 單棧組網(wǎng)區(qū)域，由于網(wǎng)絡(luò)僅支持SA 模式，無需考慮NSA 終端，因此，4G、5G 側(cè)僅配置公共頻點優(yōu)先級與NSA&SA 雙棧的4G、5G 公共頻點優(yōu)先級保持一致。

2.3 NSA 單棧組網(wǎng)區(qū)域

NSA 單棧組網(wǎng)區(qū)域下，NR 僅在雙連接時生效，因此5G 側(cè)無需配置任何頻點優(yōu)先級策略，僅在4G 側(cè)配置頻點優(yōu)先級策略。同時，考慮此時網(wǎng)絡(luò)僅支持NSA 模式，因此僅配置公共優(yōu)先級，具體策略為：4G 錨點載波>其他4G 載波。

3 連接態(tài)5G 網(wǎng)絡(luò)移動性

系統(tǒng)內(nèi)5G 網(wǎng)絡(luò)移動性主要通過異頻切換實現(xiàn)。若兩個5G 載波同優(yōu)先級(例如3.4 GHz 頻段和3.5 GHz 頻段)，可采用A2+A3 方式實現(xiàn)以保障載波間的負載均衡。若兩個載波優(yōu)先級不同，當高優(yōu)先級向低優(yōu)先級切換時，采用A2+A4 或A2+A5 方式實現(xiàn)，即只有當高優(yōu)先級載波小區(qū)低于某一門限且低優(yōu)先級載波小區(qū)高于某一門限，才觸發(fā)切換；當?shù)蛢?yōu)先級向高優(yōu)先級切換時，采用周期性觸發(fā)方式實現(xiàn)對高優(yōu)先級載波的周期性測量[13]。切換事件的具體說明如表3 所示。

表3 切換事件說明

4G、5G 連接態(tài)的互操作包含重定向和切換兩種[14]。若N26 接口具備且鄰區(qū)配置完善，優(yōu)選切換方式進行4G 和5G 之間的互操作。若采用重定向方式，則4G 返回5G 時須要采用基于測量的重定向防止5G 踏空；5G 返回4G 時根據(jù)實際情況采用基于測量的重定向或者盲重定向。切換和重定向的具體說明如表4 所示。

表4 連接態(tài)下用戶移動性3 種方式對比

為滿足不同終端在不同組網(wǎng)下的感知最優(yōu)，不同區(qū)域應(yīng)根據(jù)終端類型差異化配置移動性策略。

3.1 NSA&SA 雙棧組網(wǎng)區(qū)域

為實現(xiàn)終端在連接態(tài)使用各種場景下可能的最高能力網(wǎng)絡(luò)，保障用戶感知最優(yōu)，NSA&SA 雙棧組網(wǎng)區(qū)域連接態(tài)策略需滿足如下原則：

(1)NSA&SA 雙模終端在NSA 模式和SA 模式共同覆蓋區(qū)域優(yōu)先駐留SA 網(wǎng)絡(luò)。

(2)NSA&SA 雙模終端從4G 網(wǎng)絡(luò)向NSA&SA 雙棧覆蓋區(qū)移動時，會率先達到NSA 網(wǎng)絡(luò)要求。主要考慮NSA網(wǎng)絡(luò)下4G 可以補充上行，從而擴展NR 下行覆蓋。

(3)4G 錨點應(yīng)支持NSA&SA 雙模終端從NSA 網(wǎng)絡(luò)向SA 網(wǎng)絡(luò)的遷移。

(4)NSA&SA 雙模終端從4G 網(wǎng)絡(luò)移動到4G 錨點和SA 同覆蓋區(qū)域時，應(yīng)優(yōu)先向SA 網(wǎng)絡(luò)遷移。

基于上述原則，本文分別給出NSA&SA 雙模區(qū)域5G->4G 的連接態(tài)互操作和4G->5G 的連接態(tài)互操作策略。

3.1.1 5G->4G 連接態(tài)互操作

由于5G 屬于高優(yōu)先級網(wǎng)絡(luò)，4G 屬于低優(yōu)先級網(wǎng)絡(luò)，因此5G 到4G 的連接態(tài)互操作采用A2+B1 或A2+B2方式實現(xiàn)。即只有源5G 小區(qū)低于一定門限同時目標4G 小區(qū)高于一定門限時，才觸發(fā)5G 到4G 的互操作流程[15]。

(1)對于SA 單模終端，目標4G 小區(qū)優(yōu)選業(yè)務(wù)主力承載且本區(qū)域內(nèi)連續(xù)覆蓋的頻段。

(2)對于NSA/SA 雙模及單NSA 單模終端，目標4G小區(qū)優(yōu)選4G 錨點載波。

3.1.2 4G->5G 連接態(tài)互操作

NSA/SA 雙棧組網(wǎng)區(qū)域下的4G 網(wǎng)絡(luò)既包含4G 錨點小區(qū)，又包含4G 非錨點小區(qū)。下面針對4G 錨點小區(qū)和4G 非錨點小區(qū)分別給出互操作策略。

(1)4G 錨點小區(qū)

4G 錨點小區(qū)互操作策略如下：

①對于NSA 單模終端，只需按照B1 事件添加NR小區(qū)、A2 事件刪除NR 小區(qū)。

②對于SA 單模終端，考慮4G 向5G 遷移屬于低優(yōu)先級到高優(yōu)先級的遷移。在SA 覆蓋區(qū)域，應(yīng)周期性觸發(fā)B1 測量，加快SA 單模終端返回5G 網(wǎng)絡(luò)。

③對于NSA&SA 雙模終端：在SA 覆蓋較好區(qū)域，無論終端是否處于雙連接狀態(tài)，終端均應(yīng)優(yōu)先實現(xiàn)向SA 遷移；在SA 弱覆蓋區(qū)域或覆蓋邊緣，終端通過周期性的B1 測量觸發(fā)NSA 添腿流程。例如，網(wǎng)絡(luò)側(cè)可以通過將SA B1 的TTT 設(shè)置得小于NSA B1 的TTT，來實現(xiàn)NSA&SA 雙模終端優(yōu)先向SA 遷移。

(2)4G 非錨點小區(qū)

4G 非錨點小區(qū)互操作策略如下：

①對于4G 終端，無需修改現(xiàn)網(wǎng)配置，執(zhí)行4G 現(xiàn)網(wǎng)移動性要求。

②對于NSA 單模終端，優(yōu)先遷移至4G 錨點載波上進行業(yè)務(wù)。

③對于SA 單模終端，優(yōu)先遷移至SA 載波進行業(yè)務(wù)。

④對于NSA&SA 雙模終端，按照以下優(yōu)先級進行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的遷移：5G SA 載波>4G 錨點載波>4G 當前載波。同時，在非錨點小區(qū)配置向錨點的定向切換相對于SA 的B1 測量延時啟動定時器，以實現(xiàn)優(yōu)先SA 切換，具體如圖4 所示。

圖4 NSA/SA 雙棧組網(wǎng)區(qū)域下NSA/SA 雙模終端連接態(tài)移動性示意圖

3.2 SA 單棧組網(wǎng)區(qū)域

對于SA 單棧組網(wǎng)區(qū)域，由于網(wǎng)絡(luò)僅支持SA 模式，無需考慮NSA 終端，因此4G、5G 側(cè)僅配置互操作策略與NSA&SA 雙棧下對于SA 終端的互操作策略保持一致。

3.3 NSA 單棧組網(wǎng)區(qū)域

對于NSA 單棧組網(wǎng)區(qū)域，由于網(wǎng)絡(luò)僅支持NSA 模式，因此NR 只能通過雙連接方式添加。此時5G 側(cè)只需配置A2 事件，即刪除NR 事件。4G 側(cè)配置互操作策略與NSA&SA 雙棧區(qū)域?qū)τ贜SA 單模終端的要求保持一致。

4 結(jié)論

5G 網(wǎng)絡(luò)具有多組網(wǎng)方式、多終端類別等顯著特征，多條件下的混合組網(wǎng)帶來了復雜的網(wǎng)絡(luò)拓撲及邊界場景，用戶的網(wǎng)間移動性保障優(yōu)化難度呈幾何倍數(shù)增長。本文基于5G 網(wǎng)絡(luò)移動性優(yōu)化方案進行深入研究，首先介紹5G 組網(wǎng)方式和5G 終端類型，同時根據(jù)終端的不同RRC 狀態(tài)，引出互操作策略下的不同場景：空閑態(tài)移動性和連接態(tài)移動性。本文詳細介紹了不同組網(wǎng)方式下不同終端的互操作策略，可以為現(xiàn)網(wǎng)互操作策略制定提供依據(jù)，有效牽引了5G 網(wǎng)絡(luò)移動性能優(yōu)化。