陳寶民

（北京市合力電信有限公司，北京 102699）

0 引言

2019年6月5G運(yùn)營(yíng)牌照的正式發(fā)布，標(biāo)志著5G商用時(shí)代的正式到來(lái)。5G將給人們的生活工作帶來(lái)極大變化，其極具優(yōu)勢(shì)的數(shù)據(jù)傳輸速度可以滿(mǎn)足不同領(lǐng)域之間的場(chǎng)景合并[1]。但是5G的建設(shè)過(guò)程不同于3G升級(jí)到4G，也不是核心網(wǎng)、無(wú)線接入網(wǎng)的同步升級(jí)，而是進(jìn)行拆分部署為非獨(dú)立組網(wǎng)（No-Standalone，NSA）和獨(dú)立組網(wǎng)（Standalone，SA）。總的來(lái)看，我國(guó)目前已經(jīng)走上先部署NSA再演變?yōu)镾A這一發(fā)展路徑。NSA網(wǎng)絡(luò)部署方案，可以有效節(jié)省不必要的成本投入，并為5G用戶(hù)迅速占領(lǐng)市場(chǎng)提供先行條件[2]。而NSA與SA網(wǎng)絡(luò)共存，能夠滿(mǎn)足不同終端與不同用戶(hù)的差異化需求。在5G時(shí)代，NSA與SA這兩者的區(qū)別表現(xiàn)在哪里，5G運(yùn)營(yíng)商又應(yīng)如何選擇？本文針對(duì)這些問(wèn)題，將就NSA與SA混合組網(wǎng)下的切換技術(shù)展開(kāi)研究討論，并結(jié)合實(shí)際案例做測(cè)試分析。

1 關(guān)鍵技術(shù)概述

1.1 NSA技術(shù)

NSA作為5G網(wǎng)絡(luò)的必然發(fā)展路徑，其非獨(dú)立組網(wǎng)的架構(gòu)與4G網(wǎng)絡(luò)密切相關(guān)，因此可以在4G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上建設(shè)5G，是一種成功融合4G與5G的組網(wǎng)方式，即在4G基站錨定5G控制信令，經(jīng)4G基站成功接入共用4G核心網(wǎng)（Evolved Packet Core，EPC）、5G核心網(wǎng)（5G Core，5GC）、5G空口載波，但是僅僅可以承載用戶(hù)數(shù)據(jù)，NSA依然依賴(lài)4G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)控制。NSA方案要求4G和5G基站的廠家相同，并且終端支持雙連接長(zhǎng)期演進(jìn)技術(shù)（Long Term Evolution，LTE）與新空口（New Radio，NR）兩類(lèi)無(wú)線接入技術(shù)，因此，如今的5G商用服務(wù)依然停留于標(biāo)準(zhǔn)Rel-15 NSA模式[3]。NSA組網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示，圖中的Option3x對(duì)于存量站點(diǎn)影響較小，又支持靈活分流方式，因此廣受客戶(hù)歡迎。2019年國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商采用NSA組網(wǎng)聚焦增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）場(chǎng)景，由于核心網(wǎng)繼續(xù)使用共用4G核心網(wǎng)（Evolved Packet Core，EPC），因此可以很好地滿(mǎn)足早期5G快速部署需求。

圖1 NSA組網(wǎng)架構(gòu)

1.2 SA技術(shù)

SA組網(wǎng)方案是完全獨(dú)立存在的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。利用SA組網(wǎng)，5G NR能夠直接與5GC接入，不依賴(lài)4G網(wǎng)絡(luò)控制信令，即經(jīng)核心網(wǎng)互操作能夠協(xié)同4G和5G。SA網(wǎng)絡(luò)所支持的3大應(yīng)用場(chǎng)景，分別是eMBB、海量機(jī)器類(lèi)通信（massive Machine Type of Communication，mMTC）、高可靠和低延遲通信（Ultra-reliable and Low Latency Communications，URLLC）。在SA組網(wǎng)中除了核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（Mobility Management Entity，MME）升級(jí)支持N26接口，基站僅需較少升級(jí)（增加4G切換5G相關(guān)參數(shù)），4G和5G基站可以廠家組網(wǎng)，無(wú)須終端雙連接。SA作為發(fā)展5G網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)網(wǎng)，將新核心（New Core）引入核心網(wǎng)，并依據(jù)國(guó)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)技術(shù)演進(jìn)，以O(shè)ption3x作為初期NSA方案的首選，之后可以?xún)?yōu)選Option2作為SA方案[4]。SA組網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示，圖中Option2架構(gòu)設(shè)計(jì)端到端的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在無(wú)線新空口、終端和核心網(wǎng)均運(yùn)用5G標(biāo)準(zhǔn)，Option2架構(gòu)涵蓋核心網(wǎng)5G基站（gNodeB，5G）、5GC、用戶(hù)設(shè)備（User Equipment，UE）。NG接口可以連接5GC與gNodeB，經(jīng)Xn接口連接gNodeB和UE。

圖2 SA組網(wǎng)架構(gòu)

1.3 NSA/SA混合組網(wǎng)

考慮到運(yùn)營(yíng)商5G網(wǎng)絡(luò)部署及演進(jìn)趨勢(shì)，部分情境下運(yùn)營(yíng)商應(yīng)當(dāng)布設(shè)NSA/SA混合組網(wǎng)，此時(shí)就應(yīng)當(dāng)以公共陸地移動(dòng)網(wǎng)（Public Land Mobile Network，PLMN）粒度為依據(jù)，在基站范圍內(nèi)設(shè)計(jì)NSA/SA混合組網(wǎng)。核心網(wǎng)應(yīng)當(dāng)以支持NSA/SA簽約為條件，滿(mǎn)足NSA非獨(dú)立組網(wǎng)和SA獨(dú)立組網(wǎng)雙方共存[5]。NSA/SA混合組網(wǎng)架構(gòu)如圖3所示。在該架構(gòu)中，在SA小區(qū)基礎(chǔ)上又存在NSA小區(qū)的重疊覆蓋區(qū)域，那么這一區(qū)域就作為NSA/SA同頻小區(qū)，在NSA/SA混合組網(wǎng)中可以雙模終端支持接入NSA與SA兩大網(wǎng)絡(luò)。

圖3 NSA/SA混合組網(wǎng)架構(gòu)

NSA、SA二者之間的連接態(tài)互操作主要包括切換、重定向這兩種方式。對(duì)于跨系統(tǒng)連接態(tài)互操作來(lái)說(shuō)，一般情況下運(yùn)營(yíng)商會(huì)選擇經(jīng)EPC MME、5GC 認(rèn)證管理功能（AuthenticationManagementFunct ion，AMF）部署N26接口方案。N26接口可以在連接態(tài)互操作過(guò)程中，滿(mǎn)足源網(wǎng)絡(luò)和目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理狀態(tài)傳送，還可以實(shí)現(xiàn)會(huì)話(huà)管理狀態(tài)傳送，所以運(yùn)營(yíng)商通過(guò)部署N26接口，僅需單注冊(cè)模式運(yùn)行UE，網(wǎng)絡(luò)可以保持UE的一種可用移動(dòng)性管理狀態(tài)，從而確保用戶(hù)無(wú)縫業(yè)務(wù)及通話(huà)連續(xù)性。然而，如果部署N26接口互操作方案，一旦業(yè)務(wù)中斷可能會(huì)造成約100 ms量級(jí)時(shí)延，但是未設(shè)計(jì)N26接口互操作方案時(shí)，如果發(fā)生業(yè)務(wù)中斷則會(huì)導(dǎo)致1 s量級(jí)時(shí)延[6]。

2 NSA與SA混合組網(wǎng)連接態(tài)切換技術(shù)流程

本節(jié)分析了5G雙模網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)共存條件下，5G中斷在NSA、SA重疊覆蓋區(qū)域內(nèi)，即NSA/SA混合組網(wǎng)的連接態(tài)切換流程。在NSA組網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，因?yàn)橹饕ㄟ^(guò)LTE核心網(wǎng)MME來(lái)傳輸控制信令，在NSA和SA之間的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)互操作，和SA與LTE互操作密切關(guān)聯(lián)，在連接態(tài)UE移動(dòng)到NSA/SA混合組網(wǎng)時(shí)，在混合組網(wǎng)覆蓋邊界就會(huì)形成NSA和SA之間的連接態(tài)跨區(qū)域切換[7]。

2.1 SA向NSA切換

3GPP R15協(xié)議可以支持NR、LTE互操作，在SA向NSA切換時(shí)，需要先完成NR切換至LTE，之后將NSA輔載波加入后即可成功切換。具體流程應(yīng)當(dāng)在SA小區(qū)內(nèi)，5GC錨定SA控制信令，UE作為連接態(tài)經(jīng)SA向NSA兩小區(qū)移動(dòng)時(shí)，對(duì)于超出SA覆蓋區(qū)域的UE，同時(shí)要和4G系統(tǒng)測(cè)量，如果5G鄰區(qū)并不存在，就會(huì)自動(dòng)觸發(fā)異系統(tǒng)切換LTE，直至成功切換后恢復(fù)業(yè)務(wù)。

2.2 NSA向SA切換

UE由NSA區(qū)域向SA區(qū)域移動(dòng)，假若存在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載，那么就會(huì)觸發(fā)業(yè)務(wù)異系統(tǒng)測(cè)量，NSA錨點(diǎn)站也能夠以UE的移動(dòng)性與配置移動(dòng)策略，為UE下發(fā)測(cè)量配置信息，經(jīng)無(wú)線資源控制（Connection Reconflgruation，RRC）消息攜帶下發(fā)。在實(shí)際測(cè)量模式中，可以根據(jù)測(cè)量事件所上報(bào)相關(guān)測(cè)量報(bào)告，成功獲取區(qū)域信號(hào)質(zhì)量狀態(tài)。在UE成功接收由NSA錨點(diǎn)站所下發(fā)的4G基站（eNodeB，eNB）測(cè)量配置相關(guān)信息后，即可根據(jù)測(cè)量配置執(zhí)行實(shí)際測(cè)量工作。確定信息上報(bào)條件相符，即可向eNB上報(bào)UE測(cè)量報(bào)告，在eNB成功接收一事件測(cè)量報(bào)告后，下發(fā)二事件測(cè)量報(bào)告，依據(jù)NR頻點(diǎn)由高至低的優(yōu)先級(jí)，完成異系統(tǒng)雙事件的測(cè)量排序。在測(cè)量至NR小區(qū)后，假如UE處于NSA狀態(tài)，需要?jiǎng)h除NR輔助載波，即可成功將LTE的UE切換為NR[8]。

3 NSA與SA混合組網(wǎng)演進(jìn)方式

就目前來(lái)看，NSA向SA演進(jìn)方式主要包括全SA組網(wǎng)、NSA+SA分區(qū)組網(wǎng)、全NSA/SA雙模組網(wǎng)和NSA/SA+SA混合組網(wǎng)4種情況，接下來(lái)將進(jìn)行分析說(shuō)明。

3.1 全SA組網(wǎng)

通過(guò)改造原本NSA區(qū)域，可以新建5G核心網(wǎng)，在5G基站內(nèi)與4G斷開(kāi)連接，上聯(lián)5G核心網(wǎng)成功升級(jí)SA網(wǎng)絡(luò)。新建5G區(qū)域經(jīng)SA組網(wǎng)建設(shè)，可以達(dá)到全SA組網(wǎng)架構(gòu)建設(shè)目標(biāo)。在這種一步到位的推進(jìn)方式中，因?yàn)榇嬖谇捌贜SA終端，在后續(xù)網(wǎng)絡(luò)推進(jìn)過(guò)程中僅可應(yīng)用4G網(wǎng)，導(dǎo)致5G網(wǎng)無(wú)法正常使用，所以此種演進(jìn)方式不可取。

3.2 NSA+SA分區(qū)組網(wǎng)

結(jié)合上述分析，在NSA切換至SA時(shí)，并不需要改造原本的NSA部署區(qū)域，在維持原樣的基礎(chǔ)上，可以設(shè)計(jì)對(duì)后建5G區(qū)域選用SA組網(wǎng)架構(gòu)建設(shè)即可。這樣的演進(jìn)方式要求終端可以依據(jù)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)能力選擇不同網(wǎng)絡(luò)中的不同終端駐留，會(huì)對(duì)用戶(hù)的直接體驗(yàn)產(chǎn)生影響。這種組網(wǎng)方案需要注意有效避免插花式部署NSA、SA結(jié)構(gòu)的情況。在這種組網(wǎng)方案下，規(guī)定NSA網(wǎng)絡(luò)內(nèi)支持NSA終端使用5G網(wǎng)絡(luò)，在SA網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不允許使用，因此此種演進(jìn)方式也不可取。

3.3 全NSA/SA雙模組網(wǎng)

設(shè)計(jì)全網(wǎng)均為NSA/SA雙模組網(wǎng)，在原本NSA區(qū)域內(nèi)升級(jí)組建NSA/SA雙模，并且在新建區(qū)域內(nèi)也可建設(shè)NSA/SA雙模組網(wǎng)。終端經(jīng)自適應(yīng)選擇網(wǎng)絡(luò)，可以在終端擁有SA能力下優(yōu)先選擇SA組網(wǎng)。因?yàn)槿W(wǎng)區(qū)域內(nèi)均具備N(xiāo)SA、SA能力，所以全網(wǎng)內(nèi)NSA終端均可享受5G網(wǎng)絡(luò)，只要終端具備SA能力，那么全網(wǎng)均可支持3種應(yīng)用場(chǎng)景。

通過(guò)全網(wǎng)設(shè)計(jì)NSA/SA雙模組網(wǎng)的方式，可以要求4G和5G同步配合。在NSA網(wǎng)絡(luò)向NSA/SA組網(wǎng)演變中，除了不改變?cè)镜腘SA網(wǎng)絡(luò)接口的連續(xù)性，還要構(gòu)建核心網(wǎng)NG接口。與此同時(shí)，運(yùn)營(yíng)商還要具備N(xiāo)SA網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和SA系統(tǒng)，這樣會(huì)造成兩大組網(wǎng)更加復(fù)雜，因此就要對(duì)NSA和SA網(wǎng)絡(luò)密切監(jiān)控。在網(wǎng)絡(luò)升級(jí)中還要兼顧4G和5G同步升級(jí)。NSA/SA雙模組網(wǎng)中不管是本網(wǎng)用戶(hù)還是共享用戶(hù)，都能夠獲得最佳體驗(yàn)。

3.4 NSA/SA+SA混合組網(wǎng)

通過(guò)在NSA區(qū)域的基礎(chǔ)上升級(jí)構(gòu)建NSA/SA雙模組網(wǎng)架構(gòu)，能夠在5G區(qū)域內(nèi)建設(shè)SA組網(wǎng)，這種混合組網(wǎng)架構(gòu)方案允許NSA網(wǎng)絡(luò)中的用戶(hù)同樣可以應(yīng)用5G網(wǎng)絡(luò)。

3.5 網(wǎng)絡(luò)覆蓋測(cè)試對(duì)比

結(jié)合我國(guó)現(xiàn)階段的運(yùn)營(yíng)商情況，在上述4種NSA/SA組網(wǎng)架構(gòu)運(yùn)營(yíng)方式中，可以選用NSA/SA雙模組網(wǎng)架構(gòu)方式，從而使用戶(hù)獲得良好的5G使用體驗(yàn)。在NSA演進(jìn)至SA網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中，以目前混合組網(wǎng)的建構(gòu)形式與投資現(xiàn)狀，電聯(lián)的NSA/SA雙模組網(wǎng)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)基本上可以實(shí)現(xiàn)終端自適應(yīng)，此外，通過(guò)設(shè)計(jì)NSA/SA混合組網(wǎng)模式，可以保證同區(qū)域內(nèi)允許不同網(wǎng)絡(luò)接入。以某電務(wù)工程機(jī)械修配廠附近的光明小區(qū)為例，設(shè)有18 m增高架，經(jīng)前期查明3個(gè)小區(qū)的方位角，分別為0°，120°，240°，均為1°下傾角，對(duì)NSA/SA混合組網(wǎng)進(jìn)行測(cè)試。

3.5.1 速率測(cè)試對(duì)比

對(duì)區(qū)域內(nèi)NSA與SA混合組網(wǎng)的速率進(jìn)行測(cè)試，比較其在不同業(yè)務(wù)、不同定點(diǎn)的平均參考信號(hào)接收功率（Reference Signal Receiving Power，RSRP）、平均信號(hào)與干擾加噪聲比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）和平均速率，測(cè)試結(jié)果如表1所示。由表1可知，SA在中點(diǎn)達(dá)到的上傳速率超出NSA將近一倍，二者的下載速率整體上不存在較大差異。

表1 速率測(cè)試結(jié)果

3.5.2 時(shí)延測(cè)試對(duì)比

本節(jié)針對(duì)NSA和SA混合組網(wǎng)進(jìn)行了對(duì)比網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)。本次測(cè)試原理主要利用Ping時(shí)延，得到兩端之間的傳輸KPI值，主要經(jīng)測(cè)試設(shè)備發(fā)出Ping request獲得服務(wù)器對(duì)應(yīng)Ping reply往返時(shí)延?？倳r(shí)延Ping reply減去Ping request之后，可以隔離大時(shí)延引入節(jié)點(diǎn)，基于UDP的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議（UDP-based Data Transfer Protocol，UDT）跟蹤或抓包文件確認(rèn)。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)NSA和SA組網(wǎng)達(dá)到的單向空口時(shí)延平均值分別為3.75 ms和2.83 ms，端到端時(shí)延分別為13.21 ms和7.25 ms，這證明NSA/SA混合組網(wǎng)已經(jīng)能夠達(dá)到較好的網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)效果，尤其SA已經(jīng)可以在上傳下載的速率和時(shí)延業(yè)務(wù)中達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 優(yōu)化切換技術(shù)

4.1 優(yōu)化切換流程

通過(guò)運(yùn)用已更新的3GPP R16協(xié)議，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化了NR以4G為主節(jié)點(diǎn)，5G為輔節(jié)點(diǎn)的雙連接（UTRA-NR Dual Connection，EN-DC）的混合組網(wǎng)切換場(chǎng)景，在UE能力中新增從SA切換至NSA這一指示，gNB能夠達(dá)到SA向NSA切換的具體指示要求，并在準(zhǔn)備切換中將攜帶支持NSA的NR候選區(qū)提供給eNB。之后eNB即可以候選區(qū)為依據(jù)選擇性添加SN，成功生成NR配置和相應(yīng)的密鑰單元，再向eNB發(fā)送切換準(zhǔn)備信息，從而能夠向連接態(tài)發(fā)起空口重配信息，直至終端成功獲得重配消息后，即可攜帶SCG切換準(zhǔn)備配置信息，最終添加雙連接。

4.2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

在NSA和SA混合組網(wǎng)中，UE作為連接態(tài)性能指標(biāo)，能夠根據(jù)UE在切換中的面速率具體變化情況，判斷NSA和SA混合組網(wǎng)的切換性能。還要統(tǒng)計(jì)控制面板內(nèi)的切換時(shí)延，以及用戶(hù)面的切換時(shí)延，這樣才能夠綜合評(píng)估。因?yàn)閮?yōu)化采用R16協(xié)議，在NSA/SA混合組網(wǎng)中添加輔載波，這樣能夠在NR向LTE切換前期，保持更平穩(wěn)的NSA/SA混合組網(wǎng)切換業(yè)務(wù)速率。這一新協(xié)議優(yōu)化用于NSA/SA混合組網(wǎng)切換技術(shù)中，能夠?yàn)?G終端用戶(hù)帶來(lái)更好的使用體驗(yàn)。當(dāng)然也由于NSA/SA混合組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，需要在后續(xù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)化中，增加相關(guān)運(yùn)維人員優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的操作難度。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)研究NSA和SA混合組網(wǎng)架構(gòu)下的切換技術(shù)，分析可知可以經(jīng)運(yùn)營(yíng)商同步部署NSA/SA混合組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)由NSA非獨(dú)立組網(wǎng)切換至SA獨(dú)立組網(wǎng)。在混合組網(wǎng)架構(gòu)中，分區(qū)域部署兩大網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)雙模終端的可兼容性，保證了5G用戶(hù)可以在NSA/SA混合組網(wǎng)覆蓋區(qū)域，獲得良好的雙模終端應(yīng)用體驗(yàn)。本文結(jié)合實(shí)例通過(guò)應(yīng)用3GPP R16協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了NSA和SA混合組網(wǎng)切換技術(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化，R16添加輔載波SN的操作準(zhǔn)備會(huì)在NR切換至LTE之前發(fā)生，保證NSA切換至SA時(shí)的業(yè)務(wù)速率更平緩，對(duì)比R15預(yù)計(jì)可以減少切換時(shí)延500 ms。