NSA與SA混合組網(wǎng)下4G/5G協(xié)同優(yōu)化應(yīng)用研究

歐麗玲

（湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南 長沙 410015）

0 引言

2019年，工業(yè)和信息化部正式頒發(fā)5G商用牌照。目前，三大運(yùn)營商均完成了部分的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)部署，建設(shè)初期受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)成熟度和手機(jī)終端條件，5G基站均采用非獨(dú)立組網(wǎng)（Non-Standalone，NSA）模式，而獨(dú)立組網(wǎng)（Standalone，SA）能夠更好地滿足5G低時(shí)延、高傳輸可靠性的需求。5G作為一代全新的移動通信技術(shù)和關(guān)鍵的信息通信基礎(chǔ)設(shè)施，將深入到社會經(jīng)濟(jì)的方方面面，因此在非獨(dú)立組網(wǎng)NSA和獨(dú)立組網(wǎng)SA混合組網(wǎng)模式下，4G/5G網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同優(yōu)化也變得越來越重要。

1 5G組網(wǎng)方式

1.1 5G組網(wǎng)方案

從移動通信技術(shù)發(fā)展規(guī)律來看，5G技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展成熟需要一個(gè)長期的過程，因此4G網(wǎng)絡(luò)與5G網(wǎng)絡(luò)存在長期共存、協(xié)同發(fā)展的情景。國際標(biāo)準(zhǔn)組織提出了多種5G與4G的互操作方案，5G組網(wǎng)方案總體來說可區(qū)分為獨(dú)立組網(wǎng)（SA）和非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA）兩大類[1]。獨(dú)立組網(wǎng)SA需要建設(shè)單獨(dú)的5G核心網(wǎng)絡(luò)和5G新基站，5G業(yè)務(wù)流在5G基站的直接控制下接入5G核心網(wǎng)，基本完成5G網(wǎng)絡(luò)無線覆蓋，完全實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的所有特性和功能。而非獨(dú)立組網(wǎng)NSA方式則是融合現(xiàn)在4G基站和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)部署的5G網(wǎng)絡(luò)，5G業(yè)務(wù)流借助4G基站的控制，接入4G核心網(wǎng)或5G核心網(wǎng)。NSA非獨(dú)立組網(wǎng)方式在原有4G核心網(wǎng)上升級，使4G核心網(wǎng)具有5G核心網(wǎng)的功能。在5G部署的最早期階段，5G僅僅作為4G無線寬帶的補(bǔ)充，分擔(dān)4G網(wǎng)絡(luò)的流量，無法支持5G的功能和業(yè)務(wù)，因此5G獨(dú)立組網(wǎng)（SA）的標(biāo)準(zhǔn)化比非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA）足足慢了半年之久[2]。

1.2 NSA組網(wǎng)和SA組網(wǎng)的優(yōu)、劣勢

1.2.1 NSA組網(wǎng)方式的優(yōu)勢

（1）NSA組網(wǎng)主要面向增強(qiáng)移動帶寬業(yè)務(wù)，其下行峰值速率與較獨(dú)立組網(wǎng)SA相當(dāng)。

（2）NSA組網(wǎng)能夠有效利用4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行流量分流，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本投入；NSA組網(wǎng)可以利用現(xiàn)有的設(shè)備，節(jié)省投資快速部署5G網(wǎng)絡(luò)。

（3）NSA組網(wǎng)模式下，因?yàn)椴捎?G與5G連接方式，可以實(shí)現(xiàn)5G單站覆蓋范圍的擴(kuò)大，在覆蓋范圍層面，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)、不間斷的覆蓋[3]。

1.2.2 NSA組網(wǎng)方式的劣勢

（1）NSA組網(wǎng)無法滿足垂直行業(yè)的5G差異化業(yè)務(wù)需求，不支持5G網(wǎng)絡(luò)切片；現(xiàn)有的4G核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)無法滿足5G對于低時(shí)延和高傳輸可靠性的要求，無法支持某些5G新業(yè)務(wù)、新能力；同時(shí)NSA組網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、業(yè)務(wù)部署敏捷性和服務(wù)可靠性上，會遠(yuǎn)低于SA組網(wǎng)。

（2）NSA組網(wǎng)將4G、5G綁定，5G和4G在接入網(wǎng)級互通更加復(fù)雜，雖然利用了舊的4G設(shè)備，但是組網(wǎng)和運(yùn)營成本也大大的增加。

（3）在NSA組網(wǎng)下，終端需要支持LTE和NR雙連接，終端成本也會更高。

1.2.3 SA組網(wǎng)的優(yōu)、劣勢

（1）SA組網(wǎng)能夠滿足更高要求的5G服務(wù)，不局限于增強(qiáng)移動帶寬服務(wù)；上行速率極大地高于NSA非獨(dú)立組網(wǎng)方式。

（2）相比較于NSA組網(wǎng)，SA組網(wǎng)可以更加靈活的分配網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)等。

（3）SA組網(wǎng)是面向未來的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，支持的業(yè)務(wù)更加豐富，無線組網(wǎng)也相對更加簡單。

（4）SA組網(wǎng)的安全和開放功能更強(qiáng)，具有更強(qiáng)的加密算法、網(wǎng)間互聯(lián)和更安全的用戶數(shù)據(jù)，可全面實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)。

（5）SA組網(wǎng)需要重新建設(shè)5G基站和后端5G網(wǎng)絡(luò)，其建立網(wǎng)絡(luò)機(jī)構(gòu)的資本消耗和成本開支更高，周期也較非獨(dú)立組網(wǎng)NSA更長。

非獨(dú)立組網(wǎng)NSA和獨(dú)立組網(wǎng)SA有著各自的優(yōu)劣勢，也有著各自的待完善的地方。運(yùn)營商需要從實(shí)際情況出發(fā)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)升級需求、技術(shù)方案的成熟性、終端產(chǎn)業(yè)鏈狀況、建設(shè)成本、應(yīng)用場景等多角度配置非獨(dú)立組網(wǎng)NSA或者獨(dú)立組網(wǎng)SA模式，兼容兩種組網(wǎng)方式的優(yōu)勢，科學(xué)合理確定自身的5G組網(wǎng)方案，減少獨(dú)立組網(wǎng)時(shí)的不足，這對于5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)有著很大的意義[4]。

2 5G的組網(wǎng)架構(gòu)

對于5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，3GPP的定義是：5G是用于新的應(yīng)用案例或更新舊的應(yīng)用案例，可以在任何合適的網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行部署[5]。5G網(wǎng)絡(luò)沿用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)分為無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)；而5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)分別有兩種不同的選擇，因此，5G的組網(wǎng)架構(gòu)指的是5G無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的不同組合。無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)不同的組合方式，對應(yīng)到不同的組網(wǎng)選項(xiàng)[6]。在3GPP的協(xié)議架構(gòu)中，提出了8種組網(wǎng)選項(xiàng)，這8種組網(wǎng)選項(xiàng)分為獨(dú)立組網(wǎng)（SA）和非獨(dú)立組網(wǎng)（NSA）兩大類。根據(jù)核心網(wǎng)和無線接入網(wǎng)的不同選擇，組網(wǎng)選項(xiàng)1、2、5、6是獨(dú)立組網(wǎng)SA，組網(wǎng)選項(xiàng)3、4、7、8是非獨(dú)立組網(wǎng)NSA，非獨(dú)立組網(wǎng)選項(xiàng)3、4、7還有不同的子選項(xiàng)，如圖1所示。在這些組網(wǎng)選項(xiàng)中，選項(xiàng)1已經(jīng)在4G網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)，選項(xiàng)6和選項(xiàng)8僅僅是理論存在的部署場景，不具有實(shí)際的部署價(jià)值，這兩個(gè)選項(xiàng)3GPP并未考慮對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。獨(dú)立組網(wǎng)SA和非獨(dú)立組網(wǎng)NSA是針對不同階段和不同層次運(yùn)營商的5G業(yè)務(wù)需求而設(shè)計(jì)的[7]。

2.1 選項(xiàng)1

選項(xiàng)1是目前4G的部署方式，由4G網(wǎng)絡(luò)的4G核心網(wǎng)和4G基站組成，屬于純4G網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)架構(gòu)。

2.2 選項(xiàng)2

選項(xiàng)2是5G網(wǎng)絡(luò)部署的最終目標(biāo)和終極形態(tài)之一，完全由5G基站和5G核心網(wǎng)組成，可以支持5G的所有應(yīng)用和業(yè)務(wù)。選項(xiàng)2的核心網(wǎng)和基站需要全部更新，使用新的設(shè)備和技術(shù)來完成部署。選項(xiàng)2雖然架構(gòu)簡單，但是需要新建大量的基站和核心網(wǎng)，部署消耗巨大，建設(shè)周期長，很難一步完成，需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)。

2.3 選項(xiàng)3系列

選項(xiàng)3首先演進(jìn)無線接入網(wǎng)，同時(shí)升級4G核心網(wǎng)部分功能，該系列的基站連接的核心網(wǎng)都是4G核心網(wǎng)。選項(xiàng)3包括3種模式，即選項(xiàng)3、選項(xiàng)3a和選項(xiàng)3x，如圖2所示。

選項(xiàng)3：所有的控制面信令都經(jīng)由4G基站eNB轉(zhuǎn)發(fā)， 用戶面數(shù)據(jù)在4G基站eNB處分流，4G基站eNB將數(shù)據(jù)分流給5G基站gNB；在這個(gè)選項(xiàng)中，4G基站eNB既要負(fù)責(zé)控制面信令，又要負(fù)責(zé)用戶面數(shù)據(jù)。選項(xiàng)3a：所有的控制面信令都經(jīng)由4G基站eNB轉(zhuǎn)發(fā)，用戶面數(shù)據(jù)在4G核心網(wǎng)EPC側(cè)分流，4G核心網(wǎng)EPC將數(shù)據(jù)分流至5G基站gNB。選項(xiàng)3x：所有的控制面信令仍然由4G基站eNB轉(zhuǎn)發(fā)，用戶面數(shù)據(jù)在5G基站gNB處分流，5G基站gNB可將數(shù)據(jù)分流至4G基站eNB。

此場景以4G基站eNB為主基站，所有的控制面信令都經(jīng)由4G基站eNB轉(zhuǎn)發(fā)，控制面錨點(diǎn)都在4G基站eNB。選項(xiàng)3可以最大程度利用現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)，連接4G核心網(wǎng)，對原有的網(wǎng)絡(luò)改動小，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資小，周期短。

2.4 選項(xiàng)4

選項(xiàng)4同時(shí)加入了5G核心網(wǎng)NGC和5G基站gNB。核心網(wǎng)采用5G核心網(wǎng)NGC，4G基站eNB和5G基站gNB都連接至5G核心網(wǎng)NGC。選項(xiàng)4也包含兩種模式：選項(xiàng)4和選項(xiàng)4a，如圖3所示。

選項(xiàng)4：所有的控制面信令都經(jīng)由5G基站gNB轉(zhuǎn)發(fā)， 5G基站gNB將用戶面數(shù)據(jù)分流給4G基站eNB。選項(xiàng)4a：所有的控制面信令都經(jīng)由5G基站gNB轉(zhuǎn)發(fā)，5G核心網(wǎng)NGC將用戶面數(shù)據(jù)分流至4G基站eNB。

與選項(xiàng)3不同，此場景以5G基站gNB為主基站，控制面錨點(diǎn)都在5G基站gNB。選項(xiàng)4主要用于5G網(wǎng)絡(luò)部署的中后期，4G網(wǎng)絡(luò)在局部區(qū)域作為補(bǔ)充，而5G網(wǎng)絡(luò)能部署在熱點(diǎn)區(qū)域，增加整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的容量和提高吞吐量。

2.5 選項(xiàng)5

選項(xiàng)5部署了5G的核心網(wǎng)NGC，4G基站eNB連接至5G核心網(wǎng)NGC。選項(xiàng)5的4G基站eNB與5G基站gNB相比，在性能上存在很大差異，因此，選項(xiàng)5組網(wǎng)架構(gòu)前景不容樂觀。

2.6 選項(xiàng)6

選項(xiàng)6首先部署了5G的無線接入網(wǎng)，但暫時(shí)采用了4G的核心網(wǎng)EPC，5G基站gNB連接至4G的核心網(wǎng)EPC。此場景會限制5G網(wǎng)絡(luò)的部分功能，如網(wǎng)絡(luò)切片等。3GPP 已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)中放棄這種配置。

2.7 選項(xiàng)7系列

選項(xiàng)7與選項(xiàng)3類似，區(qū)別在于同時(shí)部署了5G基站gNB和5G核心網(wǎng)NGC，但選項(xiàng)7仍然以4G基站eNB為主基站。選項(xiàng)3系列中的4G核心網(wǎng)EPC改為5G核心網(wǎng)NGC，其他的結(jié)構(gòu)不變。所有的控制面信令還是都經(jīng)由4G基站eNB轉(zhuǎn)發(fā)。選項(xiàng)7包含3種模式:選項(xiàng)7、選項(xiàng)7a和選項(xiàng)7x，如圖4所示。

選項(xiàng)7：所有的控制面信令都經(jīng)由4G基站eNB轉(zhuǎn)發(fā)， 用戶面數(shù)據(jù)在4G基站eNB處分流，4G基站eNB將數(shù)據(jù)分流給5G基站gNB。選項(xiàng)7a：所有的控制面信令都經(jīng)由4G基站eNB轉(zhuǎn)發(fā)，用戶面數(shù)據(jù)在5G核心網(wǎng)NGC側(cè)分流，5G核心網(wǎng)NGC將數(shù)據(jù)分流至5G基站gNB。選項(xiàng)7x：所有的控制面信令都經(jīng)由4G基站eNB轉(zhuǎn)發(fā)，用戶面數(shù)據(jù)在5G基站gNB處分流，5G基站gNB可將數(shù)據(jù)分流至4G基站eNB。

3 NSA與SA混合組網(wǎng)下，4G/5G協(xié)同優(yōu)化建議措施

3.1 合理選擇組網(wǎng)方式，不斷積累維護(hù)管理經(jīng)驗(yàn)

隨著5G基站和5G核心網(wǎng)NGC的逐步建設(shè)，提升了5G網(wǎng)絡(luò)的高速率、低時(shí)延后，用戶也會對4G網(wǎng)絡(luò)的性能懷著更高的期望；因此在NSA與SA混合組網(wǎng)下，4G網(wǎng)絡(luò)與5G網(wǎng)絡(luò)協(xié)同發(fā)展，處于長期共存的狀態(tài)，對4G網(wǎng)絡(luò)的性能也需要不斷加強(qiáng)，同時(shí)不斷推動5G技術(shù)的快速發(fā)展，以適應(yīng)未來網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的高度多樣性和差異性，為未來5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的運(yùn)行維護(hù)管理不斷的積累經(jīng)驗(yàn)，奠定基礎(chǔ)[8]。

在5G建設(shè)初期，信令面仍在4G網(wǎng)絡(luò)，而5G網(wǎng)絡(luò)在用戶面表現(xiàn)為4G的輔載波，因此在優(yōu)化過程中需要聚焦4G信令新增字段、5G的新增字段、新增能力進(jìn)行業(yè)務(wù)行為分析。

3.2 提升用戶使用體驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)水平

NSA與SA混合組網(wǎng)下，5G覆蓋初期為非全覆蓋，速率是5G網(wǎng)絡(luò)相對4G網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)勢、也是最為突出的用戶感知。在5G網(wǎng)絡(luò)速率感知優(yōu)化工作中，要從NSA邊緣區(qū)域性能與體驗(yàn)提升入手，基于現(xiàn)階段5G網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)覆蓋、小連片覆蓋為主的特點(diǎn)，對5G網(wǎng)絡(luò)邊緣、以及4G側(cè)NSA小區(qū)切換對速率感知的影響進(jìn)行研究，降低用戶對速率差異的感知。

運(yùn)營商也可以根據(jù)不同的區(qū)域特點(diǎn)，進(jìn)行產(chǎn)業(yè)、行業(yè)和場景選擇，確定哪個(gè)場景更加具有剛性需求，同時(shí)注重商業(yè)模式的開發(fā)，設(shè)計(jì)4G和5G融合業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)用戶的一致性體驗(yàn)，提升用戶體驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)效率，提升網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)水平。

3.3 協(xié)調(diào)4G、5G的互操作功能

NSA與SA混合組網(wǎng)下，由于5G初期網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的有限性，與4G網(wǎng)絡(luò)的互操作過程也會頻繁觸發(fā)，因此需要對4G、5G的互操作過程中的相關(guān)信令流程、異?，F(xiàn)象差異、終端行為等進(jìn)行研究[9]。NSA與SA混合組網(wǎng)下，4G、5G雙網(wǎng)仍然存在大量的網(wǎng)絡(luò)差異覆蓋邊緣，因此需要對更復(fù)雜、更頻繁的覆蓋要求低而網(wǎng)間互操作類的功能性問題進(jìn)行探究。5G網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中，需要為大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、低時(shí)延高可靠連接業(yè)務(wù)以及超高清移動寬帶等應(yīng)用提供服務(wù)和支持，因此在4G、5G協(xié)同優(yōu)化過程中，需要結(jié)合各大品牌終端的網(wǎng)絡(luò)側(cè)參數(shù)設(shè)置，盡可能完全覆蓋各類使用場景、產(chǎn)業(yè)行業(yè)以及終端的型號，使得用戶在使用的過程中更加穩(wěn)定。

此外，4G現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)中的部分有效功能和應(yīng)用在5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中可能不能夠使用，針對此類情況需要分別針對4G網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)雙邊制定相關(guān)功能策略。對于4G網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同優(yōu)化建設(shè)中，5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展過程中需要對4G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行兼容和運(yùn)行，能夠繼續(xù)發(fā)展4G語音功能，協(xié)調(diào)4G、5G的互操作功能；在保障用戶感知、用戶需求、網(wǎng)絡(luò)效率、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的基礎(chǔ)上，保障4G網(wǎng)絡(luò)用戶向5G網(wǎng)絡(luò)用戶的平滑發(fā)展更新。

4 結(jié)語

本文從5G組網(wǎng)方案和5G組網(wǎng)架構(gòu)出發(fā)，分析了5G的組網(wǎng)架構(gòu)選項(xiàng)，同時(shí)分析了獨(dú)立組網(wǎng)SA與非獨(dú)立組網(wǎng)NSA的特點(diǎn)，并對SA組網(wǎng)和NSA非組網(wǎng)的優(yōu)劣勢進(jìn)行了對比。由于5G網(wǎng)絡(luò)在業(yè)務(wù)需求、業(yè)務(wù)體驗(yàn)、關(guān)鍵指標(biāo)、應(yīng)用場景、智能化配置、關(guān)鍵技術(shù)等方面跟以往的通信網(wǎng)絡(luò)相比，都將出現(xiàn)極大的挑戰(zhàn)和創(chuàng)新性發(fā)展，因此本文提出在NSA與SA混合組網(wǎng)下4G/5G協(xié)同優(yōu)化的建議，促進(jìn)4G網(wǎng)絡(luò)向5G網(wǎng)絡(luò)順利平滑過渡。