劉柳，李文苡，吳錦蓮

（中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630）

5G和4G融合組網(wǎng)部署方案淺析

劉柳，李文苡，吳錦蓮

（中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630）

5G基站工作頻段高、覆蓋范圍小，可能存在覆蓋不足以及頻繁切換的問題，運(yùn)營商為了提升用戶體驗(yàn)，需要對5G和4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合組網(wǎng)，因此詳細(xì)介紹了5G和4G融合組網(wǎng)的各種方案，分析各種方案的業(yè)務(wù)感知度、網(wǎng)絡(luò)改造要求、終端需求，并且進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)對比，以供設(shè)備商和運(yùn)營商參考。

核心網(wǎng)互操作 雙連接 融合組網(wǎng)

1 引言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對移動(dòng)通信服務(wù)的需求，尤其是對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求急劇增多，這給現(xiàn)有的通信系統(tǒng)帶來了挑戰(zhàn)。為了滿足用戶更高通信速率、更短通信時(shí)延、更多通信連接的需求，5G技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

在5G網(wǎng)絡(luò)部署的初期，由于頻段較高、傳播損耗較大等原因，很難做到全覆蓋，如何把5G網(wǎng)絡(luò)的大容量和現(xiàn)有覆蓋很好的4G網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合起來，是當(dāng)前亟待解決的問題。

本文將詳細(xì)介紹5G和4G融合網(wǎng)絡(luò)部署的各種方案，結(jié)合現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)條件，分析各種方案的業(yè)務(wù)感知度、網(wǎng)絡(luò)改造要求、終端需求，并且進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)對比，闡述方案的適用場景，以供廣大設(shè)備商和運(yùn)營商參考。

2 5G和4G融合組網(wǎng)部署方案介紹

根據(jù)5G RAN和4G E-UTRAN的耦合程度，融合組網(wǎng)方案分為松耦合方案和緊耦合方案：通過核心網(wǎng)切換的方案稱為松耦合方案；通過無線網(wǎng)雙連接實(shí)現(xiàn)資源聚合和移動(dòng)性增強(qiáng)的方案稱為緊耦合方案。

2.1 松耦合方案

圖1展示的是核心網(wǎng)互操作組網(wǎng)方案（非漫游），即松耦合方案（Option 2+Option 1）：

圖1 核心網(wǎng)互操作方案架構(gòu)（非漫游）

松耦合方案中，EPC和5GC的網(wǎng)元合設(shè)或新增接口，LTE和NR無線網(wǎng)之間沒有接口。LTE接入EPC、5G NR接入5GC，兩種制式接入互不影響。5GC中的網(wǎng)元UDM、PCF、SMF、UPF和EPC中的網(wǎng)元HSS、PCRF、PGW-C、PGW-U一一對應(yīng)，進(jìn)行合設(shè)。5GC AMF和EPC MME之間新增Nx接口，根據(jù)互操作策略該接口可選，支持VoLTE時(shí)則必選。PCF+PCRF、PGW-C+SMF和UPF+PGW-U專用于5GC和EPC互操作，這種基于核心網(wǎng)互操作架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了5GC和EPC的融合，可以在5GC和EPC切換過程中對相關(guān)的UE信息、策略、MM上下文、SM上下文、QoS等信息進(jìn)行直接的映射，避免了更多的交互過程，有利于減少切換時(shí)延。

核心網(wǎng)互操作方案可能存在于5G網(wǎng)絡(luò)初期，5G網(wǎng)絡(luò)以SA（Standalone）方式部署，通過此方案保障業(yè)務(wù)連續(xù)性。由于對現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)改造較少，且終端簡單（SR，Single Radio終端即可），這種方案可用于前期快速部署5G網(wǎng)絡(luò)。除此之外，這種方案可以4G、5G網(wǎng)絡(luò)異廠家部署，便于運(yùn)營商選取合適的設(shè)備廠商。

2.2 緊耦合方案

5G和4G融合組網(wǎng)緊耦合方案主要包括了雙連接方案和Xn接口切換方案。在3GPP標(biāo)準(zhǔn)中，根據(jù)使用的核心網(wǎng)絡(luò)，雙連接方案分為EPC控制方案（Option 3）和5GC控制方案（Option 7、Option 4），而Xn接口切換方案（Option 2+Option 5）也由5GC進(jìn)行控制。

（1）雙連接方案

圖2展示的是EPC控制的Option 3系列融合組網(wǎng)方案，這種方案是NR NSA（Non-Standalone）方案之一，方案的關(guān)鍵點(diǎn)是：

1）核心網(wǎng)由EPC控制，UE和核心網(wǎng)之間通過4G NAS（Non-Access Stratum）信令連接；

2）UE和網(wǎng)絡(luò)之間的控制面信令通過LTE eNB，即通過LTE Uu和S1-MME接口；

3）支持LTE和5G RAN雙連接。

這種方案引入了5G基站gNB的用戶面，通過三種方式接入EPC：

1）MCG（Master Cell Group） split bearer（Option 3方案）：通過eNB匯聚eNB和gNB的用戶面，經(jīng)S1-U接口接入EPC，gNB不需支持S1-U接口（如圖2-3所示）；

2）MCG bearer（Option 3a方案）：eNB和gNB分別通過S1-U接入EPC（如圖2-3a所示）；

3）SCG（Secondary Cell Group） split bearer（Option 3x方案）：通過gNB匯聚eNB和gNB的用戶面經(jīng)S1-U接口接入EPC（如圖2-3x所示）。

這種網(wǎng)絡(luò)部署可能存在于5G網(wǎng)絡(luò)初期，在5G標(biāo)準(zhǔn)和5G核心網(wǎng)還未成熟前，為了快速支持eMBB業(yè)務(wù)和對4G的容量補(bǔ)充，只引入了5G基站，而且5G基站只起到分擔(dān)用戶面流量的作用。

圖3展示的是5GC控制的Option 7系列融合組網(wǎng)方案，這種方案也是NR NSA方案之一，方案的關(guān)鍵點(diǎn)是：

1）核心網(wǎng)由5GC控制，UE和核心網(wǎng)之間通過5G NAS信令連接；

2）UE和網(wǎng)絡(luò)之間的控制面信令通過LTE eNB（必須升級成Evolved eNB，以支持5G網(wǎng)絡(luò)N2和N3接口），即通過LTE Uu和N2接口；

3）支持LTE和5G RAN雙連接。

這種方案相比于Option 3的差異在于引入了5GC（5G核心網(wǎng)），5G業(yè)務(wù)從Option 3的EPC控制改為5GC控制，4G基站也必須升級成Evolved eNB接入5GC。5G基站gNB也只有用戶面，通過三種方式接入5GC：

1）MCG split bearer（Option 7方案）：通過Evolved eNB匯聚Evolved eNB和gNB的用戶面經(jīng)N3接口接入5GC（圖3-7）；

2）MCG bearer（Option 7a方案）：Evolved eNB和gNB分別通過N3接口接入5GC（圖3-7a）；

3）SCG split bearer（Option 7x方案）：通過gNB匯聚Evolved eNB和gNB的用戶面經(jīng)N3接口接入5GC（圖3-7x）。

這種網(wǎng)絡(luò)部署可能存在于5G網(wǎng)絡(luò)初期，引入5G核心網(wǎng)后，由于5G基站數(shù)不多，所以覆蓋還需要通過4G基站提供，因此升級UE和4G基站接入5GC。5G基站的目的仍然是為了快速支持eMBB業(yè)務(wù)和對4G的容量進(jìn)行補(bǔ)充，因此只是起到分擔(dān)用戶面流量的作用。

圖4展示的是5GC控制的Option 4系列融合組網(wǎng)方案，這種方案是NR SA（Standalone）方案之一，方案的關(guān)鍵點(diǎn)是：

1）核心網(wǎng)由5GC控制，UE和核心網(wǎng)之間通過5G NAS信令連接；

2）UE和網(wǎng)絡(luò)之間的控制面信令通過5G gNB，即通過5G Uu和N2接口；

3）支持LTE和5G RAN雙連接。

圖4 Option 4系列融合組網(wǎng)方案

這種方案中，原4G基站eNB要升級成為Evolved eNB，Evolved eNB只有用戶面接入5GC，可以通過兩種方式接入5GC：

圖2 Option 3系列融合組網(wǎng)方案

圖3 Option 7系列融合組網(wǎng)方案

1）MCG split bearer（Option 4方案）：通過gNB匯聚Evolved eNB和gNB的用戶面經(jīng)N3接口接入5GC（圖4-4）；

2）MCG bearer：Evolved eNB和gNB分別通過N3接口接入5GC（圖4-4a）。

這種網(wǎng)絡(luò)部署可能存在于5G網(wǎng)絡(luò)后期，5G網(wǎng)絡(luò)已建設(shè)完成并有了較好的覆蓋，利用4G基站分擔(dān)一小部分業(yè)務(wù)流量。

（2）Xn接口切換方案

圖5展示的是5GC控制的Xn接口切換方案（Option 2+Option 5），這種方案的關(guān)鍵點(diǎn)是：

1）LTE和5G NR分別由同一個(gè)5GC控制；

2）LTE和5G NR之間通過Xn接口互操作（參考現(xiàn)網(wǎng)X2部署）；

3）不支持LTE和5G RAN之間的雙連接。

圖5 Xn接口切換融合組網(wǎng)方案

這種方案中，原4G基站eNB要升級成為Evolved eNB，Evolved eNB控制面和用戶面接入5GC。NR和Evolved eNB分別部署，通過無線網(wǎng)Xn接口互操作，支持連接態(tài)的UE在eLTE和NR之間基于Xn或者N2接口的切換。Xn控制面支持以下移動(dòng)性功能：

1）從源節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的上下文傳輸；

2）控制源節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的用戶面通道。

這種方案可能存在于5G部署初期，SA 5G便于5G的快速部署，LTE和5G NR可以異廠家。由于這種方案把LTE升級成eLTE接入5GC，因此LTE改造較大，但是LTE-NR切換為核心網(wǎng)內(nèi)切換，性能要好于核心網(wǎng)互操作方案。

3 方案比較分析

3.1 松耦合方案和緊耦合方案的比較

表1是5G和4G融合組網(wǎng)各種方案中業(yè)務(wù)感知度以及網(wǎng)絡(luò)容量對比。

表2是5G和4G融合組網(wǎng)各種方案中網(wǎng)絡(luò)改造要求以及終端需求對比。

表3是5G和4G融合組網(wǎng)各種方案優(yōu)缺點(diǎn)對比。

3.2 雙連接方案的比較

Option 3系列的3/3a/3x方案、Option 7系列的7/7a/7x方案以及Option 4系列的4/4a方案中有分別有如下特點(diǎn)：

（1）3/7/4方案的業(yè)務(wù)連續(xù)性較好，但是對eNB的PDCP要求高，對X2/Xn接口要求高（適應(yīng)NR速率）；

（2）3a/7a/4a對無線網(wǎng)和X2/Xn接口要求最低，但是分流的顆粒度比較大；

（3）3x/7x業(yè)務(wù)連續(xù)性好，對eNB的PDCP要求低，同時(shí)要求gNB具備較高的PDCP處理能力和Buffer，對X2/Xn接口要求較低（適應(yīng)LTE速率），并且由于gNB為新建的5G基站，要求容易得到滿足，故為相對優(yōu)選的方案。

表1 融合組網(wǎng)各種方案中業(yè)務(wù)感知度以及網(wǎng)絡(luò)容量比較

表2 融合組網(wǎng)各種方案中網(wǎng)絡(luò)改造要求以及終端需求比較

表3 融合組網(wǎng)各種方案優(yōu)缺點(diǎn)比

4 結(jié)束語

本文致力于闡述5G和4G融合組網(wǎng)的各種方案，詳細(xì)說明了各種方案的架構(gòu)、特點(diǎn)及適用的部署場景，總結(jié)出各種方案在業(yè)務(wù)感知度、網(wǎng)絡(luò)改造要求、終端需求等方面的優(yōu)缺點(diǎn)對比。方案雖多，但是網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)自身有一定的特點(diǎn)，各運(yùn)營商之間不能復(fù)制，需結(jié)合網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展策略，靈活地選擇合適的方案進(jìn)行部署。

[1] 3GPP TS 23.501. Technical Specif i cation Group Services and System Aspects; System Architecture for the 5G System; Stage 2 (Release 15)[S]. 2017.

[2] 3GPP TS 23.502. Technical Specif i cation Group Services and System Aspects; Procedures for the 5G System; Stage 2 (Release 15)[S]. 2017.

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Analysis on Deploy Scheme of 5G and 4G Network Integration

LIU Liu, LI Wenyi, WU Jinlian
(Guangzhou Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China)

Due to the high working frequency and small coverage for 5G base stations, insuf fi cient coverage and frequent handover would appear. In order to enhance user experience, operators should integrate 5G and 4G networks. Different schemes on 5G and 4G network integration were elaborated, service perception, network transformation requirements and terminal requirements were compared in advantages and disadvantages to provide the reference to the equipment manufacturer and operator.

core network interoperation dual connection network integration

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.17.005

TN92

A

1006-1010(2017)17-0023-05

劉柳,李文苡,吳錦蓮. 5G和4G融合組網(wǎng)部署方案淺析[J]. 移動(dòng)通信, 2017,41(17)： 23-27.

2017-08-25

責(zé)任編輯：黃耿東 huanggengdong@mbcom.cn

劉柳：碩士畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任職于中國電信股份有限公司廣州研究院，主要從事移動(dòng)通信新技術(shù)研究工作，多篇異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)方向文章被VTC、WCNC等國際會(huì)議錄用。

李文苡：高級工程師，畢業(yè)于南京郵電學(xué)院計(jì)算機(jī)系，現(xiàn)任職于中國電信股份有限公司廣州研究院，主要從事各種制式的移動(dòng)核心網(wǎng)技術(shù)和組網(wǎng)研究工作。

吳錦蓮：高級工程師，畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，現(xiàn)任職于中國電信股份有限公司廣州研究院，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信系統(tǒng)新技術(shù)。