5G NSA組網(wǎng)技術(shù)方案研究

鄧安達(dá) 高松濤 程日濤 馬向辰 堯文彬 王韜 馬穎

【摘? 要】針對(duì)近期運(yùn)營(yíng)商轉(zhuǎn)向5G NSA組網(wǎng)的現(xiàn)狀，在全面梳理并建立NSA組網(wǎng)方案研究框架的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)單說明NSA組網(wǎng)基本原理、架構(gòu)選擇、組網(wǎng)規(guī)劃、工程實(shí)施、發(fā)展演進(jìn)等環(huán)節(jié)的關(guān)鍵問題，并對(duì)近期最關(guān)注的NSA錨點(diǎn)選擇問題，從錨點(diǎn)產(chǎn)業(yè)鏈端到端支持情況、網(wǎng)絡(luò)連續(xù)覆蓋性能判別等方面進(jìn)行深入分析，提出了利用站間距快速初選錨點(diǎn)的方法，并結(jié)合同廠家因素進(jìn)行綜合選擇建議。

【摘? 要】5G;NSA;錨點(diǎn);連續(xù)覆蓋;站間距

1? ?引言

5G組網(wǎng)架構(gòu)可以分為SA和NSA兩大類。SA方案中，5G無線網(wǎng)與核心網(wǎng)之間的NAS（Non-Access Stratum，非接入層）信令通過5G基站傳遞，5G可以獨(dú)立工作。NSA方案中，用戶通過雙連接方式同時(shí)接入5G和4G基站，通過5G和4G基站之間的協(xié)作（NAS信令由“錨點(diǎn)”基站傳遞，用戶數(shù)據(jù)流在5G基站和4G基站內(nèi)分流）享受5G服務(wù)。

SA方案的優(yōu)勢(shì)在于可滿足多樣化、垂直行業(yè)的應(yīng)用需求，劣勢(shì)在于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品設(shè)備晚于NSA三個(gè)月至半年，且核心網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)遷移難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。NSA方案優(yōu)勢(shì)在于可實(shí)現(xiàn)快速布網(wǎng)，劣勢(shì)在于引入更多的4G、5G無線互操作，無線復(fù)雜度較高。

出于搶占5G競(jìng)爭(zhēng)先機(jī)的需要，大部分國(guó)內(nèi)外運(yùn)營(yíng)商當(dāng)前采用NSA方案或NSA、SA方案并舉。本文在全面梳理并建立NSA組網(wǎng)方案研究框架基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)單貫通說明NSA組網(wǎng)的關(guān)鍵問題，并對(duì)近期最關(guān)注的NSA錨點(diǎn)選擇問題進(jìn)行了深入分析。

2? ?NSA組網(wǎng)技術(shù)方案研究框架

按照認(rèn)識(shí)由淺入深、從理論到實(shí)踐的規(guī)律，梳理NSA組網(wǎng)的主要環(huán)節(jié)和關(guān)鍵問題，建立如表1所示的NSA組網(wǎng)方案研究框架。并對(duì)上述主要環(huán)節(jié)的關(guān)鍵問題進(jìn)行簡(jiǎn)述（“錨點(diǎn)選擇”除外，將在第3部分詳細(xì)分析）。

2.1? 基本原理

首先，NSA終端與普通4G終端一樣進(jìn)行初始接入，并且在附著過程中會(huì)將支持雙連接的能力通知網(wǎng)絡(luò)。MME決定NSA終端是否可以使用DCNR（Dual Connectivity New Radio，與5G NR的雙連接）。若MME同意NSA終端使用雙連接，MN（Master Node）即雙連接中的4G錨點(diǎn)小區(qū)為NSA終端配置目標(biāo)NR頻點(diǎn)的測(cè)量控制信息，NSA終端上報(bào)針對(duì)NR頻點(diǎn)的B1（或B2事件）的測(cè)量報(bào)告后，4G錨點(diǎn)小區(qū)可以觸發(fā)添加SN（Secondary Node）即5G小區(qū)的流程。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1]已經(jīng)對(duì)EN-DC（E-UTRAN NR Dual Connectivity，以4G為錨點(diǎn)的4G、5G雙連接）中SN的添加、改變和釋放做出了明確規(guī)定，為NSA組網(wǎng)的移動(dòng)性保障奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2.2? 架構(gòu)選擇

參考文獻(xiàn)[2]列出了5G架構(gòu)選項(xiàng)全集，其中選項(xiàng)3系列、7系列和8系列均為NSA架構(gòu)?？紤]到5G核心網(wǎng)尚未完全成熟，選項(xiàng)7系列在5G部署初期不可用。選項(xiàng)8系列是將5G基站作為錨點(diǎn)接入4G核心網(wǎng)，并與4G基站構(gòu)成雙連接，與5G部署初期5G覆蓋尚不完善的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景完全不符。因此，選項(xiàng)3系列的子選項(xiàng)3、3a、3x成為當(dāng)前階段NSA架構(gòu)選擇的主要對(duì)象。參考文獻(xiàn)[3]對(duì)選項(xiàng)3、3a、3x的工作模式和特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析。選項(xiàng)3x控制面由4G基站作為錨點(diǎn)接入4G核心網(wǎng)，用戶面由5G基站進(jìn)行數(shù)據(jù)分流，綜合考慮方案的靈活性及網(wǎng)絡(luò)整體性能，選項(xiàng)3x架構(gòu)最優(yōu)。圖1為選項(xiàng)3x架構(gòu)示意圖：

2.3? 組網(wǎng)規(guī)劃

既然錨點(diǎn)為NSA終端提供接入網(wǎng)絡(luò)的NAS信令通道，必然應(yīng)選擇網(wǎng)絡(luò)連續(xù)覆蓋性能好的4G頻點(diǎn)作為錨點(diǎn)。關(guān)于錨點(diǎn)選擇的深入分析詳見第3部分。

在一定的小區(qū)邊緣速率要求下，4G和5G均為上行受限系統(tǒng)。終端上行發(fā)射總功率及其分配方式將影響NSA上行連續(xù)覆蓋性能。目前上行功率分配方式有以下三種方式：半靜態(tài)分配、時(shí)分方式和動(dòng)態(tài)功率共享[4]。

半靜態(tài)功率分配通過網(wǎng)絡(luò)提前設(shè)置終端4G上行最大功率和5G上行最大功率，且兩者之和不大于終端最大上行功率。該方式配置較為簡(jiǎn)單，但上行覆蓋受限較為明顯。以FDD1800做錨點(diǎn)時(shí)，終端上行最大功率為23 dBm為例，若平均分配，4G和5G上行最大功率只為20 dBm，同等邊緣速率要求下NSA終端的4G上行覆蓋較普通4G終端約收縮20%。

時(shí)分方式由網(wǎng)絡(luò)側(cè)對(duì)4G和5G進(jìn)行上行時(shí)分調(diào)度，并分別以4G上行最大功率值和5G上行最大功率值調(diào)整用戶發(fā)射功率目標(biāo)值（該兩值應(yīng)分別不大于終端最大上行功率）。該方式適用于終端位于遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí)。

動(dòng)態(tài)共享方式可以優(yōu)先保障終端在LTE側(cè)的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。

上行功率規(guī)劃還需結(jié)合NSA網(wǎng)絡(luò)開通后的實(shí)際效果進(jìn)行調(diào)整。

2.4? 工程實(shí)施

NSA組網(wǎng)方案下，現(xiàn)網(wǎng)4G基站應(yīng)進(jìn)行系列改造以支持4G基站與5G基站之間的雙連接建立與管理。如：X2接口上雙連接建立、修改、變更、釋放等信令流程，數(shù)據(jù)在X2接口上的分流、流量控制以及雙連接下的移動(dòng)性等。網(wǎng)絡(luò)升級(jí)可只針對(duì)錨點(diǎn)小區(qū)進(jìn)行。

工程實(shí)施環(huán)節(jié)的基站安裝，不強(qiáng)制要求5G基站與4G錨點(diǎn)基站共站址或共機(jī)框，即使X2接口通過傳輸環(huán)引入時(shí)延，根據(jù)傳輸互通的不同位置，新引入時(shí)延約0.4 ms～2 ms，對(duì)于eMBB業(yè)務(wù)影響不大[5]。

也不強(qiáng)制要求5G與錨點(diǎn)小區(qū)天饋同方向。但從互配鄰區(qū)便利性和減少4G錨點(diǎn)與5G輔節(jié)點(diǎn)間無謂切換的角度來看，5G與4G錨點(diǎn)小區(qū)的天線方位角最好一致。某些廠家在5G與4G錨點(diǎn)小區(qū)共站址同覆蓋方向時(shí)，可以對(duì)5G小區(qū)采用“盲添加”策略，在一定程度上可以減少5G小區(qū)測(cè)量時(shí)間。

2.5? 發(fā)展演進(jìn)

為保障用戶感知，應(yīng)進(jìn)一步探索根據(jù)業(yè)務(wù)來配置分流的方案。例如，VoLTE只在4G上承載，不做5G分流;數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)采用分流承載，在5G和4G間分流。

若NSA架構(gòu)長(zhǎng)期存在，還應(yīng)挖掘根據(jù)4G網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷情況靈活選擇錨點(diǎn)的技術(shù)方案，以及NSA與SA共存的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

3? ?NSA錨點(diǎn)選擇分析

中國(guó)移動(dòng)4G為多制式多頻段組網(wǎng)，室外TDD F頻段和D頻段聯(lián)合構(gòu)成了連續(xù)覆蓋，F(xiàn)DD1800室外連續(xù)覆蓋尚在完善中。如何選擇NSA錨點(diǎn)是近期組網(wǎng)規(guī)劃最關(guān)注的問題。結(jié)合錨點(diǎn)產(chǎn)業(yè)鏈端到端支持情況和預(yù)估的中國(guó)移動(dòng)2019年底的4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況，選擇連續(xù)覆蓋性能好、邊緣速率高的4G頻點(diǎn)作為錨點(diǎn)是錨點(diǎn)選擇的核心觀點(diǎn)。下面給出對(duì)錨點(diǎn)產(chǎn)業(yè)鏈端到端支持情況的調(diào)研，以及判斷4G單一頻點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)小區(qū)邊緣速率和連續(xù)覆蓋性能的操作方法。這兩項(xiàng)分析，可為錨點(diǎn)選擇提供切實(shí)依據(jù)。

3.1? NSA不同頻段錨點(diǎn)端到端支持情況分析

面向2019年試商用，F(xiàn)DD1800錨點(diǎn)、TDD F頻段錨點(diǎn)端到端產(chǎn)業(yè)鏈支持情況相對(duì)較好，具體支持情況如下所示：

（1）標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展

◆FDD1800、TDD F頻段錨點(diǎn)已于2018年下半年完成3GPP標(biāo)準(zhǔn)化。

◆TDD E頻段錨點(diǎn)于2019年3月初剛寫進(jìn)3GPP標(biāo)準(zhǔn)。

◆TDD D頻段錨點(diǎn)因與5G NR同頻，終端功率回退問題尚待解決，還未標(biāo)準(zhǔn)化（可能于2019年6月寫入標(biāo)準(zhǔn)）。

◆中國(guó)移動(dòng)集團(tuán)企標(biāo)目前僅要求FDD1800和TDD F頻段錨點(diǎn)。

（2）芯片支持情況

◆高通：5G芯片已支持NSA 1.8G錨點(diǎn)，硬件上具備支持1.9G錨點(diǎn)能力。愿意根據(jù)中移動(dòng)要求開發(fā)支持不同頻段錨點(diǎn)，在標(biāo)準(zhǔn)化完成后預(yù)計(jì)2個(gè)月可以完成。

◆海思：5G芯片軟硬件支持1.8G和1.9G錨點(diǎn)。

（3）終端支持情況

◆Vivo等高通方案廠家硬件具備支持1.8G/1.9G錨點(diǎn)能力，軟件目前支持1.8G錨點(diǎn)，高通發(fā)布其它頻段錨點(diǎn)軟件后可支持。

◆華為終端支持1.8G/1.9G錨點(diǎn)。

（4）系統(tǒng)側(cè)支持情況

基站側(cè)具備全頻段錨點(diǎn)支持能力。

3.2 結(jié)合小區(qū)邊緣速率的4G單頻點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)連續(xù)覆蓋

性能判別方法

NSA架構(gòu)中，錨點(diǎn)是5G基站接入網(wǎng)絡(luò)的通道，錨點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)覆蓋性能影響用戶對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性感受。尤其對(duì)于5G語音，它通過VoLTE實(shí)現(xiàn)，采用錨點(diǎn)承載。如果錨點(diǎn)連續(xù)覆蓋性能較差，5G用戶語音感受將可能劣于現(xiàn)網(wǎng)VoLTE，影響用戶體驗(yàn)。

FDD 1800單站覆蓋能力優(yōu)于TDL F頻段。但中國(guó)移動(dòng)FDD1800大規(guī)模建設(shè)啟動(dòng)較晚，預(yù)計(jì)至2019年底，部分城市城區(qū)FDD1800基站規(guī)模較TDL F頻段仍有一定差距。如何評(píng)價(jià)同一區(qū)域不同規(guī)模的FDD1800和TDL F頻段網(wǎng)絡(luò)的整體覆蓋能力，本文提出3種方法進(jìn)行對(duì)比分析。

（1）站間距判別法

1）上行/下行峰值速率

峰值速率產(chǎn)生在小區(qū)極好點(diǎn)，與站間距無關(guān)。當(dāng)4G錨點(diǎn)與5G同廠家時(shí)，通過廠家X2私有參數(shù)和算法的交互，有利于協(xié)同4G錨點(diǎn)和5G共同達(dá)到峰值。將中國(guó)移動(dòng)的5G頻段（2.6 GHz頻段）與友商的5G頻段（3.5 GHz頻段）NSA組網(wǎng)下的峰值速率進(jìn)行對(duì)比：因中國(guó)移動(dòng)5G頻段需要和TDD D頻段對(duì)齊，上行會(huì)造成一定損失，故而上行峰值速率體驗(yàn)低于友商5G頻段，但下行峰值速率具備一定優(yōu)勢(shì)。表2為不同錨點(diǎn)及5G頻點(diǎn)組合條件下的終端峰值速率表：

表2中峰值速率測(cè)算中，F(xiàn)DD1800錨點(diǎn)、TDD F錨點(diǎn)均按與5G同廠家考慮，且假定終端支持上行分流，峰值速率為錨點(diǎn)峰值與5G峰值之和;異廠家錨點(diǎn)無法協(xié)同分流，峰值速率僅為5G峰值。其它基本條件為：5G NR帶寬100 MHz，基站總發(fā)射功率200 W、192陣子64T64R，終端總發(fā)射功率23 dBm、NSA終端2T4R（4G和5G各1T），上行采用時(shí)分方式在4G和5G間分配功率。5G子載波間隔30 kHz，當(dāng)5G采用2.6 GHz頻段時(shí)幀結(jié)構(gòu)為5 ms（特殊時(shí)隙6：4：4），當(dāng)5G采用3.5 GHz頻段時(shí)幀結(jié)構(gòu)為2.5 ms雙周期（特殊時(shí)隙10：2：2）。FDD1800、TDD F頻段帶寬20 MHz，基站發(fā)射功率40 W。FDD1800基站4T4R，TDD F頻段基站8T8R，NSA終端1T2R。圖2和圖3的計(jì)算條件與之相同。

2）上行/下行邊緣速率

結(jié)合4G、5G基站鏈路預(yù)算和站間距數(shù)據(jù)，可以測(cè)算4G、5G小區(qū)邊緣速率。同時(shí)考慮錨點(diǎn)與5G同異廠家對(duì)NSA分流策略的影響，可以得到4G不同頻段作為錨點(diǎn)時(shí)，NSA邊緣速率。相同站距區(qū)間內(nèi)，基于同廠家FDD1800錨點(diǎn)的5G 2.6 GHz NSA網(wǎng)絡(luò)性能具有明顯優(yōu)勢(shì);而異廠家錨點(diǎn)無法對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分流，且雙連接時(shí)上行只能單發(fā)，上行邊緣速率極差。圖2為不同站間距下不同錨點(diǎn)設(shè)置的NSA上行邊緣速率對(duì)比圖，圖3為不同站間距下不同錨點(diǎn)設(shè)置的NSA下行邊緣速率圖。

3）具體操作方法

針對(duì)不同的業(yè)務(wù)特性，通過站間距預(yù)測(cè)邊緣速率進(jìn)行對(duì)比。

如區(qū)域內(nèi)業(yè)務(wù)對(duì)上行速率要求較高，則建議選擇可提供較高上行邊緣速率的網(wǎng)絡(luò)作為4G錨點(diǎn)（如表3所示）;如對(duì)下行速率要求較高，則建議選擇可提供較高下行邊緣速率的網(wǎng)絡(luò)作為4G錨點(diǎn)（如表4所示）。

因NSA中5G上行邊緣速率低于4G，因此一般以上行覆蓋作為標(biāo)準(zhǔn)，選擇與5G同廠家的FDD1800作為錨點(diǎn)。只在NSA覆蓋區(qū)內(nèi)TDD F站點(diǎn)密度遠(yuǎn)大于FDD1800時(shí)（如表3中TDD F平均站間距300 m～350 m，而FDD1800平均站間距450 m～500 m時(shí)），才選擇與5G同廠家的TDD F作為錨點(diǎn)。

站間距判斷法操作簡(jiǎn)單，僅依據(jù)區(qū)域內(nèi)的TDD F和FDD1800規(guī)模便可對(duì)連續(xù)覆蓋性能進(jìn)行預(yù)判。但由于是理論測(cè)算結(jié)果，在局部區(qū)域，預(yù)判結(jié)果和網(wǎng)絡(luò)實(shí)際性能可能存在一定偏差。

（2）網(wǎng)絡(luò)仿真法

分別以TDD F和FDD1800為錨點(diǎn)進(jìn)行NSA仿真，對(duì)比不同錨點(diǎn)方案可提供的5G業(yè)務(wù)速率，選擇整體速率占優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)作為錨點(diǎn)。

網(wǎng)絡(luò)仿真法操作較為復(fù)雜，可用圖形直觀呈現(xiàn)出不同錨點(diǎn)的NSA網(wǎng)絡(luò)性能對(duì)比情況。但目前各省FDD1800規(guī)劃方案暫未完全落地，若使用預(yù)估FDD1800站址清單仿真可能與實(shí)際落地方案出現(xiàn)較大偏差。

（3）MR分析法

理論上，可以通過對(duì)用戶上報(bào)的MR進(jìn)行分析，對(duì)比不同頻點(diǎn)的覆蓋率。但是目前FDD1800站點(diǎn)開通較少，無法對(duì)2019年底FDD1800大規(guī)模建成后的整體覆蓋情況進(jìn)行預(yù)判。另外，用戶僅上報(bào)其處于連接態(tài)時(shí)所在頻點(diǎn)的MR，該頻點(diǎn)又受限于網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)置的優(yōu)先級(jí)，無法指定某一頻點(diǎn)進(jìn)行上報(bào)，因此實(shí)際上報(bào)的MR體現(xiàn)的是所有4G頻點(diǎn)的綜合覆蓋率，但無法準(zhǔn)確體現(xiàn)單一頻點(diǎn)的覆蓋率。

3.3? 錨點(diǎn)選擇建議

根據(jù)2019年錨點(diǎn)產(chǎn)業(yè)鏈端到端的支持情況，中國(guó)移動(dòng)NSA錨點(diǎn)應(yīng)在FDD1800和TDD F之間進(jìn)行選擇?？筛鶕?jù)鏈路預(yù)算和站間距，采用站間距判別法，簡(jiǎn)易快速做出判斷。錨點(diǎn)選擇時(shí)還應(yīng)綜合考慮廠家5G設(shè)備量產(chǎn)時(shí)間與能力等因素，使錨點(diǎn)與5G設(shè)備同廠家。

4? ?結(jié)束語

本文在全面梳理并建立NSA組網(wǎng)方案研究框架的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)單說明NSA組網(wǎng)基本原理、架構(gòu)選擇、組網(wǎng)規(guī)劃、工程實(shí)施、發(fā)展演進(jìn)等環(huán)節(jié)的關(guān)鍵問題，并對(duì)近期最關(guān)注的NSA錨點(diǎn)選擇問題，從錨點(diǎn)產(chǎn)業(yè)鏈端到端支持情況、網(wǎng)絡(luò)連續(xù)覆蓋性能判別等方面進(jìn)行深入分析，提出了利用站間距快速初選錨點(diǎn)的方法，并結(jié)合同廠家因素進(jìn)行綜合選擇。關(guān)于NSA的后續(xù)研究還可在移動(dòng)性管理、上行功率分配、發(fā)展演進(jìn)等方面進(jìn)行繼續(xù)挖掘。

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