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        LTE—NR雙連接技術(shù)探討

        2017-11-14 12:11:59劉瀟蔓陳卓
        移動通信 2017年19期

        劉瀟蔓+陳卓

        【摘 要】LTE和5G NR之間的雙連接可以通過使用兩種不同接入技術(shù)的資源來實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)/信令的傳輸,具有更高的可靠性及較低的切換時延。為了更好地理解LTE-NR雙連接技術(shù),對用戶面、控制面的技術(shù)特點進行了分析,并闡述了LTE-NR雙連接相關(guān)的網(wǎng)絡架構(gòu)及用戶面、控制面協(xié)議棧選擇的可能性。

        【關(guān)鍵詞】LTE-NR 雙連接 SCG分離承載 MCG分離承載

        中圖分類號:TN929.5 文獻標志碼:A 文章編號:1006-1010(2017)19-0065-06

        Discussion on LTE-NR Dual Connection Technique

        LIU Xiaoman, CHEN Zhuo

        [Abstract] The dual connection between LTE and 5G NR, which has higher reliability and lower handover delay, can realize the transmission of user data/signaling through resources of two different access techniques. In order to better comprehend LTE-NR dual connection technique, the technical features of user plane and control plane were analyzed. The network architecture of LTE-NR dual connection was addressed. In addition, the possibility of selection of user plane and control plane protocols was elaborated.

        [Key words]LTE-NR dual connection SCG separate bearing MCG separate bearing

        1 引言

        隨著4G LTE網(wǎng)絡的部署和推廣,以及移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的不斷推出,對網(wǎng)絡覆蓋范圍、熱點區(qū)域容量、傳輸時延、可靠性、功耗等方面的要求越來越高,這不但促進了4G網(wǎng)絡的不斷完善,還加快了對5G NR(New Radio,新無線)的研究和推進速度。

        雙連接技術(shù)可通過使用多個小區(qū)的無線資源來為用戶提供數(shù)據(jù)或者信令的傳輸,是滿足不同技術(shù)場景下特定需求的有效手段之一。鑒于目前LTE的廣泛部署,可預見LTE網(wǎng)絡在5G NR部署初期仍將大量存在,且LTE將有很大可能演進到eLTE,因此,LTE與NR的雙連接或?qū)⒃贜R部署初期被廣泛采用。本文主要從網(wǎng)絡架構(gòu)、控制面、用戶面等角度對LTE-NR雙連接技術(shù)進行介紹,并對未來網(wǎng)絡部署及協(xié)議棧選擇等方面問題進行分析。

        2 雙連接技術(shù)簡介

        根據(jù)3GPP的定義,雙連接是處于RRC_CONNE- CTED態(tài)的兩個UE(User Equipment,用戶設(shè)備)使用至少兩個通過非理想回程鏈路相連的網(wǎng)絡節(jié)點(MN(Master Node,主節(jié)點),SN(Secondary Node,輔節(jié)點))提供的無線資源進行通信的操作。雙連接中兩個網(wǎng)絡節(jié)點的角色不同,其中,MN是UE的無線側(cè)錨點,為UE提供與核心網(wǎng)唯一的控制面連接,而SN只為UE提供額外的無線資源,用于用戶數(shù)據(jù)、信令的傳輸。

        對于LTE-NR雙連接,特指的是雙連接中的兩個節(jié)點使用不同的無線接入技術(shù),一個節(jié)點為LTE,一個為NR,但不規(guī)定何種接入技術(shù)的節(jié)點是MN,MN和SN通過Xx接口交互信令、數(shù)據(jù)等。

        2.1 LTE-NR雙連接網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

        3GPP TR 38.801規(guī)范里給出了包含5G NR獨立組網(wǎng)和非獨立組網(wǎng)在內(nèi)的多種NR網(wǎng)絡架構(gòu),其中“Option 3,4,7”系列是與LTE和NR間的互操作相關(guān)的網(wǎng)絡架構(gòu)。

        圖1所示為Option 3/3A/3X三種網(wǎng)絡架構(gòu),這三種架構(gòu)的共同點為NR是非獨立組網(wǎng),控制面通過LTE eNB接入EPC。LTE eNB為MN,NR gNB為SN,三種架構(gòu)的區(qū)別在于所建立的用戶面承載類型不同,數(shù)據(jù)分流方式不同。其中,Option 3中數(shù)據(jù)面與核心網(wǎng)僅通過MN有一個連接,數(shù)據(jù)從MN進行分流;而在Option 3A中,數(shù)據(jù)從核心網(wǎng)進行分流,數(shù)據(jù)面與核心網(wǎng)有兩個連接;Option 3X中,數(shù)據(jù)首先從核心網(wǎng)分流,然后再從SN分流。

        圖2所示為Option 4/4A,這兩種架構(gòu)的共同點是NR獨立組網(wǎng),NR gNB作為MN,eLTE eNB作為SN提供額外的傳輸資源,連接到5G NR的核心網(wǎng)NGC(New Generation Core Network,新一代核心網(wǎng))上;兩種架構(gòu)建立用戶面承載的方式不同。此外,暫不支持類似于Option 3X中的數(shù)據(jù)從SN分流到MN的方式。

        圖3所示為Option 7/7A/7X三種網(wǎng)絡架構(gòu),該組的三個架構(gòu)與Option 3/3A/3X較為相似,這里,NR是非獨立組網(wǎng),但所接入的核心網(wǎng)為5G核心網(wǎng)NGC。

        從上述介紹可以看出,不同于傳統(tǒng)LTE雙連接時的網(wǎng)絡架構(gòu),LTE-NR雙連接由于采用兩種無線接入技術(shù),因而其核心網(wǎng)錨點及無線網(wǎng)錨點都有多種選擇,數(shù)據(jù)無線側(cè)分流也不再局限于僅從MN分流的方式。

        2.2 LTE-NR雙連接控制面

        (1)LTE-NR雙連接控制面協(xié)議棧

        無論網(wǎng)絡架構(gòu)是上文介紹中的哪一種,處于LTE-NR雙連接的UE都僅通過MN與核心網(wǎng)保持一個控制面連接,這與傳統(tǒng)LTE雙連接是一致的。圖4所示MN與核心網(wǎng)的連接可能是S1-MME連接,也可能是NGC-AMF(Access and Mobility Management Function,接入和移動性控制功能)連接,這取決于MN的屬性及所連接的核心網(wǎng)。此外,UE的RRC狀態(tài)也是唯一確定的,且與MN狀態(tài)機保持一致。endprint

        但與LTE雙連接不同的是,在LTE-NR雙連接中,MN和SN各有一個RRC(Radio Resource Control,無線資源控制)實體,可以根據(jù)ASN.1產(chǎn)生RRC PDU(Protocol Data Unit,協(xié)議數(shù)據(jù)單元)和節(jié)點間PDU。且不同于LTE雙連接中所有RRC消息都由MN產(chǎn)生發(fā)給UE,在LTE-NR雙連接中,UE可以配置在SCG(Second Cell Group,輔小區(qū)組)上建立SRB(Signaling Radio Bearer carrying control plane data,信令承載),實現(xiàn)SN產(chǎn)生RRC直接發(fā)送給UE。這是因為MN和SN所采用的是不同的接入技術(shù),SN應該能夠管理僅與SN相關(guān)的控制面消息。

        SN產(chǎn)生的初始配置以及涉及MN重配的SN配置消息會被嵌入在MN產(chǎn)生的RRC消息中,通過MN發(fā)送給UE。對于無需和MN進行協(xié)商的SN配置,既可以通過嵌入在MN產(chǎn)生的RRC消息中通過MN發(fā)送給UE,也可配置UE在SCG建立SRB,實現(xiàn)RRC PDU直接在SN和UE間傳送。當SN的消息嵌入在MN的RRC消息中發(fā)給UE,UE只會給MN反饋一個聯(lián)合的成功/失敗消息,而不會單獨給SN反饋。此外,封裝了SN RRC消息的MN RRC消息一旦發(fā)生失敗,就會發(fā)起重建,無論該條消息中是否包含MN配置。

        在LTE-NR雙連接中,UE是否配置SCG SRB取決于網(wǎng)絡的配置,且最終由SN決定SCG SRB的添加。對于SCG SRB,它是一種NR SRB,其使用的邏輯信道為NR-DCCH(Dedicated Control Channel,專用控制信道)。SCG SRB可以在SN添加(SN Additon)和SN改變(SN Change)中建立、釋放,并且可在SCG修正(SN Modification)中進行重配。相比于DRB(Data Radio Bearer carrying control plane data,數(shù)據(jù)承載),SCG SRB有更高的優(yōu)先級,UE RRC層會按接收的順序?qū)νㄟ^SCG SRB傳送的消息進行處理,但不會對MCG(Master Cell Group,主小區(qū)組)SRB和SCG SRB上傳的消息進行重排序。因此,為了避免由于MN和SN鏈路傳輸時延不同帶來的UE行為紊亂問題,SCG釋放消息僅可以通過MCG SRB發(fā)送,而不可以通過SCG SRB發(fā)送。一旦SCG釋放,網(wǎng)絡將通過某些方式將SCG承載轉(zhuǎn)變?yōu)镸CG承載或?qū)⑵滢D(zhuǎn)移到其他SCG上。另外,當配置了SCG SRB,SN內(nèi)移動性相關(guān)的測量報告可以直接從UE上報給SN,測量上報所使用的SRB應當與初始化測量流程的SRB為同一個SRB。

        不同于傳統(tǒng)LTE系統(tǒng)內(nèi)部雙連接,LTE-NR雙連接支持分離SRB,且無論MN為何種無線接入技術(shù)。這里的分離SRB包含兩層含義:1)LTE/NR PDCP控制面消息復制,即在MN和SN鏈路上同時傳輸相同的控制面消息;2)控制面消息可以只在任意一條鏈路上傳,如根據(jù)鏈路質(zhì)量動態(tài)切換傳輸控制面消息的傳輸鏈路??梢姡ㄟ^配置分離SRB,可以實現(xiàn)信令的高可靠或低時延傳輸。

        分離SRB由MN在SN添加和修正過程中決定和添加,添加所需的SN配置由SN提供。目前僅支持對SRB1和SRB2配置分離SRB,且分離SRB1/2的SCG鏈路和SCG SRB是獨立配置的,其中MCG分離SRB1調(diào)度優(yōu)先級和SCG SRB是相同的。

        (2)LTE、NR能力協(xié)調(diào)

        對于同時支持LTE和NR的UE,會分別對LTE和NR上報相關(guān)的UE能力信息,因此MN和SN需要對UE能力進行一定的協(xié)調(diào),以免MN和SN對UE的配置超出UE能力范圍,能力協(xié)商所使用的消息為RRC節(jié)點間消息。

        LTE-NR雙連接中的UE能力共分為三類:

        類型I:該類能力的使用與所使用的無線接入技術(shù)無關(guān);

        類型II:在一種無線接入技術(shù)中使用該類能力會對另一種無線接入技術(shù)造成影響,但是另一種無線接入技術(shù)的網(wǎng)絡側(cè)并不能理解該類能力的使用;

        類型III:在一種無線接入技術(shù)中使用該類能力會對另一種無線接入技術(shù)造成影響,且另一種無線接入技術(shù)的網(wǎng)絡側(cè)能夠理解該類能力的使用。

        對于類型I能力,LTE和NR節(jié)點間無需進行能力協(xié)調(diào),MN會將僅與SN無線接入技術(shù)有關(guān)的能力發(fā)給SN,即以LTE雙連接方案為基礎(chǔ)方案。對于另外兩類UE能力,可能需要MN和SN通過Xn/Xx接口進行協(xié)調(diào)。協(xié)調(diào)可能會帶來對UE的重新配置,但無論是否要對UE重新配置,都要保證不超過UE能力。標準上現(xiàn)已確定的需要MN和SN協(xié)調(diào)的能力包括不同接入技術(shù)間的頻帶組合以及協(xié)議棧層2的緩存。

        需要注意的是,當UE要在LTE和NR間進行能力協(xié)調(diào)時,應該只涉及兩個節(jié)點,如一個eNB和一個gNB。此外,MN、SN都可以發(fā)起UE能力重新協(xié)調(diào)過程,但是SN發(fā)起的能力重協(xié)調(diào)請求最終由MN決定是否接受。

        MN和SN可獨自對處于LTE-NR雙連接的UE進行測量配置,但MN和SN所配置的測量載波的總數(shù)量需要兩節(jié)點間進行協(xié)商,以免超出UE能力。當MN和SN在相同的載波上配置了測量目標時,二者配置需要保持一致。是否還有其他測量相關(guān)的能力需要MN和SN協(xié)調(diào)還需進一步研究、討論。

        2.3 LTE-NR雙連接用戶面

        相比于傳統(tǒng)LTE雙連接中的三種承載類型:MCG承載、SCG承載、MCG分離承載,在LTE-NR雙連接中新增了SCG分離承載。

        其中,MCG承載是協(xié)議棧都位于MN且僅使用MN資源的承載;SCG承載是協(xié)議棧都位于SN且僅使用SN資源的承載;分離承載是指協(xié)議分棧同時位于MN和SN兩個節(jié)點且同時使用MN和SN資源的承載,MCG分離承載特指通過MN和核心網(wǎng)相連,數(shù)據(jù)由MN分流至SN的分離承載;SCG分離承載則是通過SN和核心網(wǎng)相連,數(shù)據(jù)由SN分流至MN的分離承載。endprint

        圖5、圖6、圖7是MCG分離承載、SCG分離承載和MCG承載以及SCG承載的協(xié)議棧示意圖,各圖中分別給出了MN是LTE eNB和NR gNB兩種情況時的承載協(xié)議棧示意。與單連接時類似,用戶面協(xié)議棧主要包含PDCP(Packet Data Convergence Protocol,分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議)層、RLC(Radio Link Control,無線鏈路控制)層及MAC(Media Access Control,介質(zhì)訪問控制)層。且同LTE雙連接一樣,每個節(jié)點僅有一個MAC實體。但相比傳統(tǒng)LTE雙連接,無論哪種承載類型,其用戶面協(xié)議棧上均多了一個新的協(xié)議層:新接入子層(New AS sublayer),由于5G NR中引入了QoS(Quality of Service,服務質(zhì)量)流的概念,新接入子層主要用于QoS流和無線承載間的映射以及在上下行數(shù)據(jù)包中標記QoS流標識。

        表1是LTE-NR雙連接中三種承載(不包括MCG承載)的分析、對比。

        通過表1的對比可以發(fā)現(xiàn),三種承載各有優(yōu)劣,有不同的使用限制和不同的應用場景,因此LTE-NR雙連接對于承載的配置、不同類型間的相互轉(zhuǎn)換也有一定的要求。

        其中,LTE-NR雙連接不支持對MCG分離承載和SCG分離承載的同時配置,也不支持MCG分離承載和SCG承載的同時配置。LTE-NR雙連接支持多種承載類型間的轉(zhuǎn)換,包括:MCG承載和MCG分離承載間的相互轉(zhuǎn)換、MCG承載和SCG承載間的相互轉(zhuǎn)換、不同MCG承載間的轉(zhuǎn)換、不同MCG分離承載間的轉(zhuǎn)換以及不同SCG分離承載間的轉(zhuǎn)換;但不支持MCG分離承載和SCG承載間的相互轉(zhuǎn)化。

        相比于LTE雙連接,SCG分離承載是LTE-NR雙連接中新增的承載類型。這類承載數(shù)據(jù)面MN和SN同時與核心網(wǎng)相連,但數(shù)據(jù)的分流方向是從SN到MN,對MN和SN間回傳鏈路及SN處理能力都有一定的要求。

        3 對LTE-NR雙連接的思考

        從上文分析可知,LTE-NR雙連接相關(guān)的網(wǎng)絡架構(gòu)和協(xié)議棧設(shè)計存在多個可選項。由于4G網(wǎng)絡已經(jīng)大量部署且廣泛存在,如果5G采用非獨立組網(wǎng),Option 3系列網(wǎng)絡架構(gòu)無需額外部署NR核心網(wǎng),同時可以減少對LTE網(wǎng)絡的改造,增強對LTE網(wǎng)絡的有效利用,故應有較大可能會被應用于實際。但如果5G采用獨立組網(wǎng),NR gNB有完整的協(xié)議棧,既可配置為MN也可以配置為SN,這就意味著可根據(jù)實際需求靈活部署成Option 4系列和Option 7系列。

        考慮到未來5G部署很有可能部署在高頻段,其覆蓋范圍有限,采用LTE eNB作為MN,提供可靠的控制面覆蓋,NR gNB作為SN,提供大帶寬、高速率的傳輸,是一種較為可能的方式。另外,還可以在控制面配置分離SRB,用以提高信令的可靠性傳輸,減少鏈路重建,以減小開銷。

        在用戶面,由于LTE和NR帶寬差距較大,傳輸速率差距也可能較大,如果采用SCG分離承載,可以緩解LTE和5G傳輸帶寬的巨大差異,且無需對現(xiàn)有無線網(wǎng)絡和傳輸網(wǎng)絡進行大量的升級和改造。

        4 結(jié)論

        本文對LTE-NR雙連接進行了深入思考,從網(wǎng)絡架構(gòu)、控制面和用戶面協(xié)議棧架構(gòu)對LTE-NR雙連接進行了介紹。無論未來5G NR網(wǎng)絡采用獨立組網(wǎng)還是非獨立組網(wǎng),在LTE與5G NR間采用雙連接技術(shù),都可以達到提高吞吐量和可靠性、減小傳輸時延等目的。LTE-NR雙連接在LTE和5G系統(tǒng)互操作方面起到重要的作用,可以預見,該技術(shù)或?qū)⒊蔀槲磥?G NR的關(guān)鍵技術(shù)。

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