5G架構演進Option4技術分析及部署建議

高松濤，馬向辰，于一鳴，潘都

工程與應用

5G架構演進Option4技術分析及部署建議

高松濤，馬向辰，于一鳴，潘都

（中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080）

5G Option4架構通過以5G為錨點的4G/5G雙連接（NR E-UTRAN dual connectivity，NE-DC）在5G獨立組網(wǎng)（standalone，SA）基礎上聚合4G鏈路能力，提升5G網(wǎng)絡性能，同時可兼顧現(xiàn)有4G用戶體驗，是受運營商關注的潛在5G架構演進方向。介紹了Option4技術原理，多維度詳細分析了Option4關鍵性能，探討了Option4對運維復雜度的影響，提出了5G Option4架構部署建議。

5G架構；Option4；NE-DC

0 引言

綜合考慮5G引入速度及建設成本等因素，第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）定義了非獨立組網(wǎng)（non-standalone，NSA）和獨立組網(wǎng)（standalone，SA）兩類5G組網(wǎng)架構，并進一步細分了多種技術選項（option）[1]，運營商可根據(jù)實際情況靈活選擇。我國5G網(wǎng)絡目前支持Option3x（NSA）和Option2（SA）混合組網(wǎng)，且明確將Option2作為5G目標架構。但在4G/5G網(wǎng)絡長期共存成為行業(yè)共識的背景下[2]，Option4作為能夠盤活現(xiàn)有4G資源，兼顧存量4G用戶體驗的同時實現(xiàn)5G網(wǎng)絡性能增強的技術選項，已受到運營商關注并作為潛在技術演進方向進行研究。

1 Option4技術原理

1.1 網(wǎng)絡架構

5G部署初期，為借助現(xiàn)有4G網(wǎng)絡實現(xiàn)5G低成本快速商用，我國運營商普遍采用Option3x進行組網(wǎng)[3]。該方式無須新建5G核心網(wǎng)（5G core，5GC），只需要軟件升級4G的核心網(wǎng)演進分組核心網(wǎng)（evolved packet core，EPC），控制面信令將4G基站作為錨點，用戶面數(shù)據(jù)由5G基站進行分流[4]。這種方式也稱為以4G為錨點的4G/5G雙連接（E-UTRAN NR dual connectivity，EN-DC），E在前面代表控制由4G的E-UTRAN來實現(xiàn)。由于控制面由4G承載，Option3x僅能發(fā)揮5G高速率能力，無法支持大連接物聯(lián)網(wǎng)（massive machine-type communication，mMTC）和超可靠低時延通信（ultra-reliable and low-latency communication，URLLC）兩類行業(yè)場景需求，經(jīng)過短暫的過渡階段后升級為Option2進行建設[5]。

Option2是一張5G SA網(wǎng)絡，需要新建5GC，5G用戶面和控制面均由5GC承載[6]。只有SA才能實現(xiàn)更低時延和更大連接[7]，有效支持5G全部應用場景，這是5G的內(nèi)涵和本質，也是我國運營商將建設成一張全球先進的5G SA網(wǎng)絡作為目標的驅動力。我國大部分已建5G基站采用基于Option2架構的SA單模方式，前期少量建設的NSA基站也已完成NSA/SA雙模升級。

Option4以Option2為組網(wǎng)前提，是Option2的進一步升級。Option4控制面由5G承載，同時5G基站可將用戶面數(shù)據(jù)分流至4G基站，因此也稱為以5G為錨點的4G/5G雙連接（NR E-UTRAN dual connectivity，NE-DC）。通過雙連接技術，Option4實現(xiàn)了與4G深度融合的5G組網(wǎng)，兼具Option2和Option3x的優(yōu)勢，既能夠提供面向5G全場景的服務，又能夠通過4G分流提升5G網(wǎng)絡容量和用戶峰值速率。同時，Option4通過合理的調度算法設計保留了4G網(wǎng)絡給4G用戶使用，基本不影響現(xiàn)有4G用戶體驗。另外，Option4系列下還有一種Option4a架構，4G用戶面接口在Option4a架構下與5GC對接，和5G基站之間沒有用戶面接口，與Option4的差異在于用戶面數(shù)據(jù)由5GC分流至4G基站，但5GC無法感知空口狀態(tài)，無法基于空口狀態(tài)進行動態(tài)分流[8]。由于Option4業(yè)務分流的靈活度更好、分流能力強于Option4a，因此重點考慮采用Option4，不推薦Option4a。

Option3x/2/4/4a架構對比如圖1所示。

圖1 Option3x/Option2/Option4/Option4a架構對比

1.2 標準及產(chǎn)業(yè)進展

3GPP對Option4架構的標準化在Release 15（Rel-15）規(guī)范中已經(jīng)完成，Rel-17 RAN4已明確NE-DC允許的部分5G和4G頻段組合[9]，Rel-17 RAN5將通過立項支持驗證Option4功能所需要的所有互操作性測試[10]。

為支持Option4，網(wǎng)絡側和終端側都需要進行升級改造。對于網(wǎng)絡側，首先需要新增4G與5G之間的Xn接口，以支持4G的數(shù)據(jù)分流和數(shù)據(jù)交互。相應地，5G基站需要升級Xn接口信令（包括輔節(jié)點的添加/數(shù)據(jù)量上報/信令傳輸?shù)龋11]和分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（packet data convergence protocol，PDCP）層（處理4G能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并轉發(fā)）；4G基站需要升級支持5G Option4終端的分流。對于終端側，軟件需要升級以支持NE-DC；射頻若不支持相應的NE-DC頻段組合則需要對硬件進行重新設計[12]。

由于涉及改造較多，且運營商尚未明確釋放產(chǎn)業(yè)引導信息，目前主設備廠商暫無支持Option4的商用設備，芯片和終端廠商也沒有明確的計劃。根據(jù)調研，預計2023—2024年Option4能夠具備商用條件。

2 Option4關鍵性能

2.1 速率能力

用戶峰值速率基于網(wǎng)絡帶寬、多輸入多輸出（multiple-input multiple-output，MIMO）層數(shù)、調制階數(shù)、開銷占比等參數(shù)進行測算[13]，用戶體驗速率根據(jù)外場測試數(shù)據(jù)整理，國內(nèi)運營商5G和4G網(wǎng)絡典型單載波配置下的用戶峰值和體驗速率見表1。

表1 國內(nèi)運營商5G和4G網(wǎng)絡典型單載波配置下的用戶峰值和體驗速率

表2 Option4用戶峰值速率及對應增益

基于Option4的技術原理，用戶峰值及體驗速率相當于處于雙連接狀態(tài)的5G和4G相應速率疊加，不同雙連接組合對應的Option4用戶峰值速率和用戶體驗速率情況及對應的增益分別見表2和表3。

由表2和表3可以看出，5G錨點基站帶寬越小，升級Option4獲得的性能增益越明顯。如在NR 700 MHz或NR 2.1 GHz部署Option4，用戶峰值速率及體驗速率基本可提升20%以上。而對于NR 2.6 GHz和NR 3.5 GHz，由于單載波帶寬達100 MHz，本身可提供較高的5G用戶峰值速率和體驗速率，Option4帶來的下行增益低于10%；雖然上行可帶來更大提升，但鑒于運營商已積極試點應用載波聚合（carrier aggregation，CA）[14]、補充上行（supplementary uplink，SUL）[15]等5G上行增強技術，部署Option4的需求并不明顯。TD-LTE上行時隙占比低，作為4G輔節(jié)點時，上行峰值速率及體驗速率增益基本小于10%。

表3 Option4用戶體驗速率及對應增益

對于4G輔節(jié)點的選擇，同等條件下建議優(yōu)先使用FDD，可獲得相對較大增益且上下行較為均衡。另外，實際應用中雙連接存在一定的分流效率損失[16]，整體性能增益會略有下降。

2.2 覆蓋能力

如前所述，Option2是Option4部署的前提，用戶首先需要接入5G錨點站，然后通過添加4G輔節(jié)點方式實現(xiàn)Option4雙連接，因此，Option4不會對5G網(wǎng)絡原有覆蓋產(chǎn)生影響，且會受限于5G錨點站覆蓋范圍[17]。

但是Option4的可激活范圍小于5G錨點站范圍，原因是Option4的激活需要用戶設備（user equipment，UE）上行雙發(fā)，UE發(fā)射功率需要分配到4G和5G兩條鏈路，處于Option4狀態(tài)下的UE上行覆蓋范圍相比Option2收縮3 dB，導致約30%的5G小區(qū)邊緣用戶由于覆蓋受限無法激活Option4。

以NR 700 MHz終端（23 dBm）為例，Option2和Option4上行覆蓋差異對比如圖2所示。

為擴大Option4的激活范圍，建議推動3GPP相關標準[18]定義的NE-DC狀態(tài)下LTE和NR間的動態(tài)功率共享（dynamic power sharing，DPS）特性演進，在小區(qū)邊緣將終端功率優(yōu)先分配給5G使用，減少Option4與Option2間的覆蓋差異。

圖2 Option2與Option4上行覆蓋對比

2.3 語音及行業(yè)能力

針對語音這類小包業(yè)務[19]，在Option4架構下可選擇不向4G分流，完全由5G鏈路承載，提供等同于Option2的新空口承載語音（voice over new radio，VoNR）體驗。極端情況下，若5G Option2網(wǎng)絡面臨高負荷問題，通過升級Option4向4G分流部分數(shù)據(jù)流量，可適當降低5G鏈路承載壓力，進而為VoNR釋放更多資源，在一定程度上提升語音業(yè)務體驗。

由于Option4有完整的NR+5GC結構，因此能夠支持5G定義增強型移動寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB）、URLLC和mMTC場景中的全部應用，具備行業(yè)要求的切片、超低時延、超高可靠等各項能力。具體來說，Option4支持靈活幀結構、迷你時隙（mini-slot）、上行免授權等Option2架構下的URLLC關鍵技術，同樣可實現(xiàn)1 ms空口雙向時延要求；Option4完全兼容現(xiàn)有的NB-IoT和eMTC等mMTC核心技術，且支持后續(xù)5G低能力終端（reduced capability，RedCap）接入，滿足5G海量物聯(lián)需求。

另外，擴展現(xiàn)實（extended reality，XR）業(yè)務作為5G潛在的“殺手級”業(yè)務，對速率和時延有較高的要求。基于前述分析，Option4相比Option2速率更高、時延能力相同，因此能夠更好地支持XR業(yè)務。

2.4 終端及網(wǎng)絡功耗

Option4終端處于NE-DC激活狀態(tài)時，需要保持LTE和NR雙發(fā)，因此終端功耗相比SA更高。類比Option3x EN-DC激活狀態(tài)下的終端功耗情況，預計NE-DC終端功耗比SA狀態(tài)下高約20%[20]。

但Option4可通過優(yōu)化基于業(yè)務場景的NE-DC激活和去激活策略，保證僅在中高流量場景按需激活NE-DC，在數(shù)據(jù)包傳輸結束后及時釋放4G連接，達到降低終端功耗的目的。按此策略評估，在低流量業(yè)務場景中，系統(tǒng)大概率不會激活NE-DC，Option4終端實際保持NR單連接狀態(tài)，Option4功耗等于SA功耗；在中高流量業(yè)務場景中，NE-DC被激活，Option4瞬時功耗大于SA功耗，但此時Option4的瞬時速率同樣更高，需要的傳輸時間減少，若數(shù)據(jù)傳完后盡快釋放4G連接，實際功耗并未明顯增加。

從網(wǎng)絡角度分析，由于4G和5G網(wǎng)絡場景共存，無論是否部署Option4，4G網(wǎng)絡均需要保持正常開通以承載現(xiàn)有大量的4G存量業(yè)務和5G回落業(yè)務，Option4將4G添加為輔節(jié)點后因分流增加的4G網(wǎng)絡額外運行功耗和數(shù)據(jù)處理功耗基本可忽略。

3 Option4操作復雜度

Option4由于引入雙連接，網(wǎng)絡適配、鄰區(qū)規(guī)劃、移動性管理等各種規(guī)劃和后期優(yōu)化的復雜程度有所提高，同時還要求4G站點升級調度算法，按需保證4G/5G用戶性能。相關方面的具體影響如下。

網(wǎng)絡適配：Option4雙連接僅支持同廠商，但當前運營商4G/5G網(wǎng)絡在相當一部分地區(qū)采用異廠商方式建設[21]，Option4規(guī)劃實施前需要更詳細的網(wǎng)絡評估。

鄰區(qū)規(guī)劃：由于不同功能對鄰區(qū)的要求不一樣，Option4無法直接復用現(xiàn)有的4G/5G互操作、CA等鄰區(qū)列表[22]，需要基于現(xiàn)有列表配置每個鄰區(qū)中的參數(shù)設置和篩選原則以激活Option4功能，或為Option4單獨設置鄰區(qū)。

移動性管理：需要規(guī)劃當Option4終端處于不同狀態(tài)下的4G/5G/Option4網(wǎng)絡駐留策略。另外，連接態(tài)移動性算法需要考慮錨點改變、輔節(jié)點改變、錨點/輔節(jié)點同時改變等不同移動性場景[23]，其復雜程度和后期網(wǎng)絡優(yōu)化要求較高。

4G基站調度算法升級：4G基站需要基于承載區(qū)分4G/5G用戶，根據(jù)運營商市場策略采用差異化調度機制。當前4G用戶滲透率最高，且4G仍是數(shù)據(jù)業(yè)務的主力承載網(wǎng)絡，因此調度算法以優(yōu)先保證4G用戶體驗為主；后期隨著5G用戶滲透率和5G網(wǎng)絡流量占比提升，調度算法應及時適配5G用戶體驗。

但是Option4建設投資較小，主要以軟件升級許可證（license）為主，無須新增硬件和工程改造，預估單站投資僅0.9萬元，同時可充分利用現(xiàn)網(wǎng)4G資源保護原有網(wǎng)絡投資。受此優(yōu)勢吸引，德國電信聯(lián)合英國電信等國際運營商，以下一代移動網(wǎng)絡（Next Generation Mobile Networks，NGMN）聯(lián)盟的名義于2021年2月發(fā)布了《5G Option4需求白皮書》[24]，積極推進Option4的試點驗證工作，預計在2年內(nèi)帶動產(chǎn)業(yè)鏈成熟。

4 Option4部署建議

我國運營商已經(jīng)實現(xiàn)了全球領先的5G SA組網(wǎng)，具備了Option4部署基礎。從長遠來看，只要有專用于4G的頻譜，Option4就持續(xù)具備提升5G SA性能的價值。另外，Option4還減輕了4G頻譜重耕的壓力，從而能在更長時間內(nèi)保證存量4G用戶體驗。因此，建議運營商能夠盡快明確Option4部署場景，積極引導產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

4.1 部署場景

綜合考慮Option4性能增益、操作難度、投資效益等因素，同時結合國內(nèi)運營商4G/5G網(wǎng)絡覆蓋現(xiàn)狀和未來5G建設規(guī)劃情況，建議在農(nóng)村場景推動Option4部署，主要原因有以下3點。

（1）根據(jù)運營商規(guī)劃，城區(qū)5G網(wǎng)絡至少實現(xiàn)雙層網(wǎng)覆蓋，且頻譜資源豐富，5G網(wǎng)絡自身能力較強，部署Option4意義不大。以中國移動為例，城區(qū)5G網(wǎng)絡將實現(xiàn)2.6 GHz（100 MHz）+700 MHz（2×30 MHz）基礎覆蓋，熱點區(qū)域甚至開通2.6 GHz第二載波（60 MHz）或疊加4.9 GHz（100 MHz）提高網(wǎng)絡厚度，Option4能夠提升的性能的增益遠低于10%。中國電信和中國聯(lián)通情況類似，城區(qū)5G網(wǎng)絡具備3.5 GHz（200 MHz）+2.1 GHz（2×40 MHz）的基礎[25]。

（2）農(nóng)村主要為5G薄網(wǎng)，Option4可以以較低投資顯著提升5G用戶體驗。中國移動已明確在農(nóng)村以700 MHz提供打底覆蓋，Option4的部署能夠帶來30%～40%的峰值速率增益。國家當前正在推進邊遠地區(qū)的5G異網(wǎng)漫游工作[26]，若后期中國電信和中國聯(lián)通在農(nóng)村成功共享5G 700 MHz，Option4作為低成本擴容手段，部署的必要性和應用價值將會更高。即使中國電信和中國聯(lián)通在農(nóng)村單獨建設5G 2.1 GHz，部署Option4后也可獲得20%以上的性能增益。

（3）農(nóng)村4G和5G網(wǎng)絡均比較簡單，Option4的部署不會明顯提高網(wǎng)絡操作復雜度。各運營商在農(nóng)村基本維持以單層網(wǎng)為主的4G和5G網(wǎng)絡，Option4鄰區(qū)規(guī)劃和移動性管理等網(wǎng)絡配置工作難度較低。

4.2 推進建議

產(chǎn)業(yè)層面，建議運營商明確釋放Option4商用目標和詳細推進計劃，列入企業(yè)標準/行業(yè)標準等技術規(guī)范，對產(chǎn)業(yè)鏈形成明確的牽引作用。由于主流網(wǎng)絡設備和終端芯片產(chǎn)業(yè)支持力度較弱，后續(xù)需要采用多種手段加大推動力度，如考慮納入功能可選包以及設置集采加分項等，提升積極度，指引產(chǎn)業(yè)盡快完成技術選型和產(chǎn)品開發(fā)。以白皮書、研究報告、企業(yè)標準/行業(yè)標準等成果為載體，借助多個產(chǎn)業(yè)合作平臺進行專題攻關，形成產(chǎn)業(yè)合力，擴大市場規(guī)模。

技術層面，聚焦Option4較為突出的終端功耗高和操作復雜問題，優(yōu)化NE-DC節(jié)能算法和輔節(jié)點激活/去激活策略，研究鄰區(qū)輔載波自動配置、參數(shù)自優(yōu)化等網(wǎng)絡“自智”技術方案[27]，確保Option4技術既“能用”，又“好用”。

5 結束語

Option4作為潛在的低成本5G性能增強技術，既有其技術優(yōu)勢，也有一定的負面影響。本文圍繞Option4技術開展了較為全面的分析，并結合運營商5G網(wǎng)絡的覆蓋現(xiàn)狀和后續(xù)規(guī)劃，明確了Option4在農(nóng)村場景的應用價值。建議運營商后續(xù)加強對產(chǎn)業(yè)界Option4技術和產(chǎn)品的引導，為Option4的商用做好相關儲備。

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5G architectural evolution Option4 technology analysis and deployment suggestions

GAO Songtao, MA Xiangchen, YU Yiming, PAN Du

China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China

Option4 architecture improves 5G network performance by aggregating 4G link capabilities on the basis of 5G SA, while taking into account the existing 4G user experience. It is a potential 5G architecture evolution direction that operators are concerned about. The technical principles of Option4 was introduced, the key performance of Option4 from multiple dimensions was analyzed in detail, the impact of Option4 on the complexity of operation and maintenance was discussed, and 5G Option4 architecture deployment suggestions were proposed.

5G architecture, Option4, NE-DC

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2022148

2022?01?24；

2022?06?16

高松濤（1987? ），男，中國移動通信集團設計院有限公司高級工程師，主要研究方向為無線網(wǎng)絡關鍵技術、網(wǎng)絡組網(wǎng)技術、網(wǎng)絡規(guī)劃技術等。

馬向辰（1971? ），男，中國移動通信集團設計院有限公司教授級高級工程師，主要研究方向為無線網(wǎng)絡規(guī)劃、網(wǎng)絡演進、關鍵技術等。

于一鳴（1994? ），男，中國移動通信集團設計院有限公司工程師，主要研究方向為無線網(wǎng)絡規(guī)劃技術、前沿組網(wǎng)技術等。

潘都（1994? ），女，中國移動通信集團設計院有限公司助理咨詢設計師，主要研究方向為5G空口新技術、特殊場景解決方案、5G行業(yè)網(wǎng)組網(wǎng)技術與應用等。