LTE—NR雙連接關鍵技術(shù)及應用

江巧捷 于佳

【摘 要】LTE-NR雙連接對5G網(wǎng)絡快速部署以及網(wǎng)絡性能深度優(yōu)化具有重要意義。對R15定義的LTE-NR雙連接關鍵技術(shù)進行了詳細的描述，重點闡述了LTE-NR雙連接技術(shù)的主要性能增益，針對不同結(jié)構(gòu)的LTE-NR雙連接技術(shù)的應用場景進行了討論。

NR；雙連接；承載分離

1 引言

3GPP在R10標準中引入了載波聚合（Carrier Aggregation，CA）技術(shù)[1]，通過聚合多個成分載波（Component Carrier，CC）同時為一個用戶終端（User Equipment，UE）服務，使得傳輸速率得到極大提升[2]。在這類場景中，要求宏基站與微基站保持嚴格的時間同步，因此需要利用理想的回程（backhaul）相連接。為實現(xiàn)非理想回程連接下的載波聚合，LTE在R12引入了雙連接的概念[3]，即用戶可在RRC（Radio Resource Control）連接狀態(tài)下同時利用兩個基站獨立的物理資源進行傳輸。LTE雙連接擴展了載波聚合的應用，能夠有效提升網(wǎng)絡容量，并能提高切換成功率及負載均衡等能力[4-5]。

3GPP基于LTE雙連接提出了LTE-NR雙連接技術(shù)[6]，定義了4G、5G緊密互操作的技術(shù)規(guī)范，開創(chuàng)性地將RAT間的互操作過程下沉至網(wǎng)絡邊緣。對于5G來說，基于LTE-NR雙連接技術(shù)的非獨立組網(wǎng)模式可使5G核心網(wǎng)和接入網(wǎng)分步部署，有利于5G的快速部署和應用。當5G部署進入到較為成熟的獨立組網(wǎng)階段，LTE-NR雙連接技術(shù)對擴展5G網(wǎng)絡的覆蓋，提升網(wǎng)絡性能仍具有重要意義。

本文首先介紹了LTE雙連接技術(shù)；然后通過分析LTE雙連接與LTE-NR雙連接的異同，介紹LTE-NR雙連接的關鍵技術(shù)；最后，在此基礎上分析了LTE-NR雙連接的突出優(yōu)勢，并分析了主要的應用場景。

2 LTE雙連接技術(shù)

LTE雙連接技術(shù)中，UE同時與兩個基站連接，分別稱為主基站（Master eNB，MeNB）和輔基站（Secondary eNB，SeNB）。雙連接可實現(xiàn)載波聚合。不同的是，載波聚合承載在MAC（Medium Access Control）層分離，需要MAC層對兩個接入點的物理層資源進行同步調(diào)度。雙連接的承載分離在PDCP（Packet Data Convergence Protocol）層進行，兩個接入點可獨立進行物理層資源的調(diào)度，不需要嚴格同步，因此可采用非理想的回程鏈路連接MeNB和SeNB。

2.1 控制面

R12定義的LTE雙連接中，僅MeNB與MME（Mobility Management Entity）有S1接口的連接，SeNB與MME之間不存在S1連接，如圖1所示。MeNB通過X2-U接口與SeNB進行協(xié)調(diào)后產(chǎn)生RRC消息，然后轉(zhuǎn)發(fā)給UE。UE對RRC消息的回復同樣只發(fā)送給MeNB。因此，在LTE雙連接中UE只保留一個RRC實體，系統(tǒng)信息廣播、切換、測量配置和報告等RRC功能都由MeNB執(zhí)行。

圖1 LTE雙連接控制面示意圖

2.2 用戶面

LTE雙連接中定義了主小區(qū)群（Master Cell Group，MCG）和輔小區(qū)群（Secondary Cell Group，SCG），并根據(jù)分離和轉(zhuǎn)發(fā)方式的不同，將數(shù)據(jù)承載分為三種形式：

◆MCG承載：MCG承載從核心網(wǎng)的S-GW路由到MeNB，并由MeNB直接轉(zhuǎn)發(fā)給UE。也就是傳統(tǒng)的下行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方式。

◆SCG承載：SCG承載從核心網(wǎng)的S-GW路由到SeNB，再由SeNB轉(zhuǎn)發(fā)給UE。

◆Split承載：Split承載在基站側(cè)進行分離，可由MeNB或SeNB向UE轉(zhuǎn)發(fā)，也可由MeNB和SeNB按分離比例同時為UE服務。

R12定義了兩種數(shù)據(jù)承載轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)構(gòu)：

（1）1a結(jié)構(gòu)

如圖2（a）所示，1a結(jié)構(gòu)中MeNB與SeNB都通過S1接口與S-GW連接。數(shù)據(jù)承載在核心網(wǎng)進行分離，并發(fā)送給MeNB或SeNB，經(jīng)由MeNB轉(zhuǎn)發(fā)給UE的即為MCG承載，由SeNB轉(zhuǎn)發(fā)給UE為SCG承載。MeNB或SeNB之間的X2回程鏈路上只需要交互協(xié)同所需的信令，不需要進行數(shù)據(jù)分組的交互，所以回程鏈路的負載較小。同時雙連接不需要MeNB和SeNB之間的嚴格時間同步，因此總體上1a結(jié)構(gòu)對X2回程鏈路的要求較低。

數(shù)據(jù)承載通過MeNB或SeNB向UE傳送，因此峰值速率取決于MeNB和SeNB單站的傳輸能力。當UE發(fā)生移動時，小區(qū)切換需要核心網(wǎng)參與，切換效率較低，并存在數(shù)據(jù)中斷的問題。

（2）3c結(jié)構(gòu)

如圖2（b）所示，3c結(jié)構(gòu)中只有MeNB與核心網(wǎng)（S-GW）通過S1-U接口連接，因此數(shù)據(jù)承載只能由核心網(wǎng)發(fā)送給MeNB。MeNB對承載進行分離，將全部或部分承載通過X2-U接口發(fā)送給SeNB。由于需要數(shù)據(jù)分組的交互，3c結(jié)構(gòu)要求X2回程鏈路有較高的容量。

3c結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)承載可由MeNB或SeNB發(fā)送給UE，也可由MeNB和SeNB同時發(fā)送給UE，因此下行傳輸?shù)姆逯邓俾士色@得顯著提升。另外，SeNB分擔了MeNB的承載，可用于負載均衡，有利于提升密集部署異構(gòu)網(wǎng)絡的整體性能。當UE發(fā)生移動時，3c結(jié)構(gòu)的切換過程對核心網(wǎng)影響較小。同時，由于UE同時連接了兩個基站，因此提升了切換成功率。

3c結(jié)構(gòu)不但對回程要求較高，還需要較復雜的層2協(xié)議。在R12版本中規(guī)定，3c結(jié)構(gòu)只用于下行傳輸，不用于上行傳輸。

3 LTE-NR雙連接技術(shù)

從全球范圍來看，各國的5G首發(fā)頻段主要有兩類：一類是毫米波頻段，如美國目前的5G商用重點為28 GHz、39 GHz等毫米波頻段的固定無線接入；另一類是3.4 GHz—3.8 GHz高頻頻段，例如我國確定的5G首發(fā)頻段為3.5 GHz。可見，相比于過去的移動通信系統(tǒng)，5G工作在較高的頻段上，因此5G單小區(qū)的覆蓋能力較差。即使可以借助大規(guī)模MIMO等技術(shù)增強覆蓋，也無法使5G單小區(qū)的覆蓋能力達到LTE的同等水平。為此，3GPP擴展了LTE雙連接技術(shù)，提出了LTE-NR雙連接，使得5G網(wǎng)絡在部署時可以借助現(xiàn)有的4G LTE覆蓋。LTE-NR雙連接有利于4G向5G的平滑演進，對快速部署和發(fā)展5G具有重要意義。

3.1 LTE-NR雙連接結(jié)構(gòu)

與LTE雙連接不同，LTE-NR雙連接涉及4G的E-UTRA和5G的NR兩種不同的無線接入技術(shù)的互操作。也就是說，在LTE-NR雙連接中，UE可同時與一個4G基站（eNB）和一個5G基站（gNB）連接，在4G網(wǎng)絡和5G網(wǎng)絡的緊密互操作之下獲得高速率、低延遲的無線傳輸服務。與LTE雙連接類似，LTE-NR雙連接將作為控制面錨點的基站稱為主節(jié)點（Master Node，MN），將起輔助作用的基站稱為輔節(jié)點（Secondary Node，SN）。

根據(jù)主節(jié)點和輔節(jié)點的類型以及連接的核心網(wǎng)的不同，R15中定義了3種LTE-NR雙連接結(jié)構(gòu)。

（1）E-UTRA-NR Dual Connectivity（EN-DC）：核心網(wǎng)接入4G EPC，4G基站eNB作為主節(jié)點，5G基站作為輔節(jié)點。EN-DC中作為輔節(jié)點的5G基站主要為UE提供NR的控制面和用戶面協(xié)議終點，但并不與5G核心網(wǎng)5GC連接，因此在R15中被稱為en-gNB。3GPP提出了多種5G網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)備選方案[7-8]。其中，除了獨立組網(wǎng)的option 2之外，目前最受關注的三種非獨立組網(wǎng)方案為option 3系列、option 7系列和option 4系列。其中，option 3系列網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)就是在EN-DC雙連接技術(shù)基礎上構(gòu)建的4G、5G混合組網(wǎng)網(wǎng)絡架構(gòu)。

（2）NG-RAN EUTRA-NR Dual Connectivity（NGEN-DC）：核心網(wǎng)接入5GC，但主節(jié)點仍然為4G基站，5G基站gNB作為輔節(jié)點。為了建立5GC與4G基站之間的連接，需要對4G eNB進行升級，稱為ng-eNB，即支持NG接口協(xié)議的eNB。NGEN-DC結(jié)構(gòu)可對應非獨立組網(wǎng)的option 7系列網(wǎng)絡架構(gòu)。

（3）NR-E-UTRA Dual Connectivity（NE-DC）：核心網(wǎng)接入5GC，主節(jié)點為5G基站gNB，輔節(jié)點為升級的LTE基站ng-eNB?；贜GEN-DC的組網(wǎng)結(jié)構(gòu)符合3GPP提出的option 4網(wǎng)絡架構(gòu)的技術(shù)特點。

表1總結(jié)了R15中定義的三種LTE-NR雙連接結(jié)構(gòu)。

3.2 控制面

LTE-NR雙連接的控制面結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3（a）表示的是EN-DC結(jié)構(gòu)下的控制面，其中核心網(wǎng)EPC與作為主節(jié)點的eNB以S1接口連接，主節(jié)點與輔節(jié)點以X2-C接口連接。圖3（b）和3（c）分別表示NGEN-DC和NE-DC兩種接口下的控制面，其中核心網(wǎng)5GC與主節(jié)點以NG-C接口連接，主節(jié)點與輔節(jié)點之間以Xn-C接口連接。可以看出，EN-DC結(jié)構(gòu)中的控制面協(xié)議依然以LTE的控制面接口協(xié)議為主，而NGEN-DC和NE-DC由于接入了5G核心網(wǎng)，相應的接口協(xié)議也采用了5G的接口協(xié)議。

值得注意的是，與LTE雙連接不同，LTE-NR雙連接中的UE既與主節(jié)點的RRC連接，也與輔節(jié)點的RRC連接。輔節(jié)點的初始RRC信息必須經(jīng)由X2-C或Xn-C轉(zhuǎn)發(fā)給主節(jié)點，再由主節(jié)點發(fā)送給UE。一旦建立了輔節(jié)點與UE之間的RRC連接，之后重新建立連接等過程可在輔節(jié)點與UE之間完成，不再需要主節(jié)點的參與。輔節(jié)點可獨立地配置測量報告，發(fā)起切換等，具有較高的自主性。但是，輔節(jié)點不能改變UE的RRC狀態(tài)，UE中只維持與主節(jié)點一致的RRC狀態(tài)。

3.3 用戶面

與LTE雙連接相同，LTE-NR雙連接中的數(shù)據(jù)承載也分為MCG承載、SCG承載和Split承載三種分離形式。

LTE-NR雙連接用戶面與LTE雙連接相比有兩點較大的不同，首先是協(xié)議棧不同。如圖4所示，在LTE-NR雙連接中，除了EN-DC結(jié)構(gòu)中的MCG承載之外，SCG承載和Split承載以及NGEN-DC和NE-DC兩種結(jié)構(gòu)中的MCG承載均在NR PDCP子層中分離。另外，由于NGEN-DC和NE-DC兩種結(jié)構(gòu)接入了5GC，因此無線側(cè)協(xié)議增加了用于QoS流與數(shù)據(jù)承載映射的SDAP（Service Data Adaptation Protocol）子層，如圖4（b）所示。

LTE-NR雙連接的另一個顯著的不同是容許輔節(jié)點進行承載分離。實際上，由于5G傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量較大，進行承載分離的基站需要具備較強的處理能力和緩存能力。如果在作為主節(jié)點的4G基站中進行分離，為了滿足承載分離需要占用大量的4G基站資源，將會對4G傳輸產(chǎn)生較大影響。這種情況下，在作為輔節(jié)點的5G基站上進行承載分離效率更高。

4 LTE-NR雙連接應用

LTE-NR雙連接技術(shù)可在容量、覆蓋、效率等多方面為網(wǎng)絡帶來性能增益，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）增強覆蓋。LTE-NR雙連接技術(shù)中，UE可同時與LTE基站和5G基站建立RRC連接。在5G基站無法覆蓋的區(qū)域，UE可通過與LTE基站的RRC連接保留在網(wǎng)絡內(nèi)，保持連接的連貫性。對于5G部署初期網(wǎng)絡覆蓋水平較差的階段，LTE-NR雙連接技術(shù)帶來的覆蓋增強對5G網(wǎng)絡具有重要意義。

（2）提升容量。在雙連接用戶面數(shù)據(jù)傳輸過程中，無論是1a結(jié)構(gòu)還是3c結(jié)構(gòu)都能夠為UE帶來一定程度的流量增益，進而達到提升覆蓋區(qū)域網(wǎng)絡容量的效果。

（3）負載均衡。在主節(jié)點負載過重的情況下，可利用SCG承載或Split承載將一部分流量負載轉(zhuǎn)移到輔節(jié)點上，從而實現(xiàn)負載均衡。在5G部署初期，gNB可作為輔節(jié)點為LTE分流。但是相比于5G，LTE網(wǎng)絡的流量負載較小，需要借助gNB分流的場景較少。更可能的場景是當5G NR覆蓋達到一定程度之后，作為主節(jié)點的gNB借助作為輔節(jié)點的eNB實現(xiàn)負載均衡。

（4）提高切換成功率和效率。5G的小區(qū)間切換繼承了LTE中使用的硬切換，及UE在釋放當前RRC連接后再建立新的RRC連接。LTE-NR雙連接技術(shù)中UE建立了兩個RRC連接，因而可以降低硬切換過程中的失敗率。另外，由于輔節(jié)點可獨立進行測量，觸發(fā)重選，因此切換的效率相比于LTE雙連接更高。

（5）降低小區(qū)間干擾。在LTE-NR雙連接中，由于LTE與5G NR工作在不同的頻段上，因而可借助不同的承載分離方式降低邊緣UE的小區(qū)間同頻干擾。

EN-DC、NGEN-DC和NE-DC三種結(jié)構(gòu)的LTE-NR雙連接技術(shù)均可帶來上述性能增益，但各自突出的優(yōu)勢各有不同，因此三種結(jié)構(gòu)的LTE-NR雙連接技術(shù)適用于不同的應用場景。

（1）EN-DC

EN-DC結(jié)構(gòu)能夠獲得一定程度的流量增益，理論上可以為單UE提供超出LTE峰值速率的高速業(yè)務。但受到主節(jié)點eNB和核心網(wǎng)EPC性能的限制，EN-DC無法支持5G新業(yè)務。EN-DC可用在對5G NR相關技術(shù)進行測試的場景中，或者某些需要較高速率的小范圍應用。EN-DC對現(xiàn)網(wǎng)影響較小，無需建設5GC，只需根據(jù)需求少量建設5G gNB。但EN-DC適用范圍和經(jīng)濟效益有限，不適于大規(guī)模應用。

（2）NGEN-DC

NGEN-DC具有5GC和NR的完整5G網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，因而能夠提供包括eMBB、uRLLC、mMTC的5G新業(yè)務。NGEN-DC結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡的覆蓋能力主要依靠LTE網(wǎng)絡，NR無須實現(xiàn)連續(xù)覆蓋，但主要的5G新業(yè)務只在具有NR覆蓋的范圍內(nèi)可實現(xiàn)。NGEN-DC結(jié)構(gòu)中，雖然5G用戶可持續(xù)地保持接入狀態(tài)，但5G業(yè)務的支持能力是不連續(xù)的。實際應用中需針對具體的業(yè)務需求進行部署。NGEN-DC結(jié)構(gòu)有助于快速開展5G業(yè)務應用，適用于5G小規(guī)模商用階段。NGEN-DC結(jié)構(gòu)需建設5GC，可根據(jù)應用需求進行NR部署，同時需要對eNB進行升級。在實現(xiàn)連續(xù)覆蓋時，雖然NR建設成本相對較低，但eNB升級的成本非常高。此外，當5G NR發(fā)展相對成熟時，為了向獨立組網(wǎng)的5G網(wǎng)絡演進，需要進行大量的割接等工作。因此，雖然可基于NGEN-DC技術(shù)快速實現(xiàn)5G的連續(xù)覆蓋，但這種結(jié)構(gòu)不適合大規(guī)模商用。

（3）NE-DC

NE-DC同樣具有完整的5G網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，可支持多樣的5G新業(yè)務。NE-DC中，eNB作為輔節(jié)點可擴展NR的覆蓋范圍、幫助填補盲點，但需要NR基本實現(xiàn)連續(xù)覆蓋。EN-DC適用于大規(guī)模5G商用階段。甚至當5G獨立組網(wǎng)能夠滿足覆蓋需求的情況下，EN-DC也為5G網(wǎng)絡提供負載均衡、干擾協(xié)調(diào)等功能。EN-DC適用于5G網(wǎng)絡建設較為成熟的階段，需要5GC的建設和大規(guī)模的NR覆蓋。但相比于NGEN-DC，eNB設備升級的成本較低，并且無需后續(xù)的割接等工作。

5 結(jié)束語

本文從網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、控制面和用戶面架構(gòu)三方面對R15中定義的LTE-NR雙連接技術(shù)進行了介紹。通過與LTE雙連接技術(shù)的對比，分析LTE-NR雙連接技術(shù)的主要性能增益。本文對LTE-NR雙連接技術(shù)的三種結(jié)構(gòu)（EN-DC、NGEN-DC和NE-DC）分別進行了深入探討，分析了不同結(jié)構(gòu)的LTE-NR雙連接技術(shù)適用的應用場景。

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