5G與4G協(xié)同組網(wǎng)方案分析與研究

黃毓芯

(閩南理工學(xué)院 電子與電氣工程學(xué)院，福建 石獅 362700)

第五代移動(dòng)通信技術(shù)，即5G，作為新一代關(guān)鍵技術(shù)它將在社會(huì)的各領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的影響，高速推動(dòng)各傳統(tǒng)行業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，改變?nèi)藗兊纳罘绞健?G部署勢(shì)在必行，如何令4G、5G網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同組網(wǎng)是目前熱門的話題，也是當(dāng)前急需解決的問題。

1 主要的5G架構(gòu)選項(xiàng)

當(dāng)前移動(dòng)通信領(lǐng)域廣泛認(rèn)可的網(wǎng)絡(luò)部署方式主要有SA與NSA兩種。其最關(guān)鍵的區(qū)別在于SA的控制面錨點(diǎn)在5G基站gNB側(cè)，而NSA的控制面錨點(diǎn)則在4G基站eNB側(cè)[1-2]，基于控制面數(shù)據(jù)經(jīng)由路徑的不同可分為幾種不同的部署選項(xiàng)。根據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)，目前主要的架構(gòu)選項(xiàng)有Option2-Option7，方案分為SA與NSA兩種模式。

1.1 Option2

Option2屬于SA模式，如圖1所示，通過新建5G基站直接連接至5G核心網(wǎng)構(gòu)成連接。該方式由于采用純5G設(shè)備，幾乎從零開始全新構(gòu)建5G網(wǎng)，需要新建基站及核心網(wǎng)，需投入巨大資金。但它是目前認(rèn)為的5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展目標(biāo)。

圖1 Option2組網(wǎng)架構(gòu)

1.2 Option3/3a/3x

Option3/3a/3x屬于NSA模式，此方案基于原有的4G核心網(wǎng)EPC，控制面錨點(diǎn)采用eNB實(shí)施耦合部署。由于gNB控制面不能與4G EPC直接相連，則UE的用戶面需經(jīng)由eNB到達(dá)EPC。eNB同時(shí)具有承載分離用戶面數(shù)據(jù)及下發(fā)控制信令的作用。之所以細(xì)分為3、3a及3x三種不同的選項(xiàng)，主要是因?yàn)樗鼈兊挠脩裘鏀?shù)據(jù)分流控制點(diǎn)各不相同。

如圖2所示，其中虛線是控制面接口，實(shí)線是用戶面接口。在選項(xiàng)3中，其用戶面與控制面皆采用eNB作為錨點(diǎn)。此時(shí)，大數(shù)據(jù)流量會(huì)對(duì)eNB基帶及傳輸端口容量造成沖擊，而原有的4G基站由于在處理數(shù)據(jù)方面存在局限性，需對(duì)其進(jìn)行升級(jí)，因此該方案并不理想。在3a方式下，控制面仍以4G基站為錨點(diǎn)，但5G基站的用戶面可連至核心網(wǎng)。此時(shí)，核心網(wǎng)無法基于無線空口質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)分流，只能采取靜態(tài)盲分配，效果無法保證，因此該方案也不理想。3x方式則是把用戶面數(shù)據(jù)進(jìn)行分流傳送，由于eNB本身就存在LTE用戶，用戶數(shù)據(jù)被劃分為兩組，把其中可能影響4G基站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過5G基站傳輸，此外的仍由4G基站承載。如此一來，Option 3x既充分利用了原有的4G網(wǎng)絡(luò)，又發(fā)揮了5G基站在數(shù)據(jù)處理方面的優(yōu)越性，該方式靈活可靠，是目前非組網(wǎng)方式中備受推薦的組網(wǎng)選項(xiàng)。

圖2 Option 3/3a/3x組網(wǎng)架構(gòu)

1.3 Option7/7/7x

Option7與Option3類似，此種模式下，核心網(wǎng)被部署為5G，可以支持uRLLC、網(wǎng)絡(luò)切片等新業(yè)務(wù)。但4G基站仍保留著，為了保證其能與核心網(wǎng)正常連接，4G基站要進(jìn)行升級(jí)為eLTE eNB并作為控制面錨點(diǎn)，這種模式比較適合5G發(fā)展中期階段，即覆蓋仍不全面的時(shí)期。

Option7方式也細(xì)分為7、7a及7x三種選項(xiàng)，如圖3所示。Option7的用戶面數(shù)據(jù)分流點(diǎn)在eLTE eNB，Option7a采用5G核心網(wǎng)實(shí)施用戶面數(shù)據(jù)分流，而Option 7x的分流點(diǎn)則采用gNB。

圖3 Option7/7/7x組網(wǎng)架構(gòu)

1.4 Option4/4a

Option4/4a采用的是5G核心網(wǎng)。如圖4所示，eNB控制面與NGC的連接是以gNB作為錨點(diǎn)。在這方式下，也需對(duì)4G基站進(jìn)行升級(jí)。而Option4與Option4a主要的不同點(diǎn)是采用5G基站抑或采用5G核心網(wǎng)來作為用戶面數(shù)據(jù)分流控制點(diǎn)。這種部署方式的前提是5G網(wǎng)絡(luò)幾乎實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋，而4G仍在運(yùn)行中，因此，適用于5G部署的發(fā)展階段的后期。

圖4 Option4/4a組網(wǎng)架構(gòu)

2 獨(dú)立組網(wǎng)與非獨(dú)立組網(wǎng)性能分析

獨(dú)立組網(wǎng)的部署方式由于全網(wǎng)基于5G部署，使其能全面發(fā)揮5G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性能。它不需要一個(gè)LTE網(wǎng)絡(luò)參與，不影響現(xiàn)有的2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)和用戶，因而無需對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造，且能發(fā)揮出其低時(shí)延、高速率及大規(guī)模鏈接的優(yōu)勢(shì)。然而，網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建需新建基站與核心網(wǎng)。在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期需要較大的投資，且需要較長(zhǎng)的一段時(shí)間才能保證良好的NR網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

非獨(dú)立組網(wǎng)的部署是根據(jù)發(fā)展進(jìn)程逐步推廣，不強(qiáng)制5G網(wǎng)絡(luò)短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)全面覆蓋，只需在熱點(diǎn)區(qū)域靈活部署，服務(wù)范圍逐漸拓寬。其有效利用了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，縮短建設(shè)周期，減少投資，不但能快速開展5G新業(yè)務(wù)，更能在短時(shí)間內(nèi)獲得效益。但因其融合了現(xiàn)有的4G網(wǎng)絡(luò)，業(yè)務(wù)的開展需涉及5G與4G網(wǎng)絡(luò)的互操作，過程及數(shù)據(jù)處理相對(duì)復(fù)雜。

除了組網(wǎng)方式，SA與NSA在基本性能、業(yè)務(wù)能力、語音能力方面也存在差異。

(1)業(yè)務(wù)連接性。NSA由于采用4G/5G雙連接，在原有4G網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，不僅可實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋，并能及早發(fā)展5G網(wǎng)絡(luò)，而SA模式下，5G的單站點(diǎn)覆蓋面積較有限，若要實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋需大量投入建設(shè)，且周期較長(zhǎng)。因此，從現(xiàn)階段的業(yè)務(wù)連續(xù)性考慮，4G較為成熟，采用NSA可實(shí)現(xiàn)無縫切換，并使得連接性得以保證。而SA若要實(shí)現(xiàn)5G和4G間的互操作，需通過多次重選及切換，業(yè)務(wù)連續(xù)性較難保證。

(2)業(yè)務(wù)類型。受限于4G核心網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理能力，NSA無法開展eMBB等5G新型業(yè)務(wù)。而SA可實(shí)現(xiàn)各種豐富多樣的5G三大應(yīng)用場(chǎng)景新業(yè)務(wù)，且能在各領(lǐng)域的垂直行業(yè)實(shí)現(xiàn)各種場(chǎng)景的用戶個(gè)性化需求。

(3)語音能力。由于NSA采用雙連接技術(shù)，語音實(shí)現(xiàn)上仍沿用原4G已有的VoLTE/CSFB語音方案，而SA通過4G/5G松耦合，采用互操作，采用語音回落4G及5G承載語音的VoNR策略[3]，該方式下，5G的覆蓋水平將直接影響其性能。

(4)方案實(shí)現(xiàn)。NSA的實(shí)現(xiàn)需要對(duì)4G現(xiàn)網(wǎng)做出較大的改造，而當(dāng)5G后期部署為SA時(shí)，原4G網(wǎng)將無法復(fù)用，需進(jìn)行再次改造。SA對(duì)4G現(xiàn)網(wǎng)影響較小，只需做升級(jí)支持，便可實(shí)現(xiàn)與5G的互操作。

可見，盡管5G SA在新業(yè)務(wù)方面有著優(yōu)越的性能，但在短時(shí)間內(nèi)無法全面鋪設(shè)與實(shí)現(xiàn)，使得4G網(wǎng)絡(luò)仍將在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)發(fā)揮作用，使得5G與4G協(xié)同組網(wǎng)的局面必將存在。

3 部署方案演進(jìn)

NSA與SA不僅是發(fā)展至5G的兩種主要架構(gòu)類型，同時(shí)也象征著4G向5G演進(jìn)的兩種不同的思路。

3.1 穩(wěn)中求進(jìn)的NSA思路

NSA組網(wǎng)類型的建設(shè)思路是：早期首先開發(fā)eMBB與mMTC新型業(yè)務(wù)，把eMBB與mMTC作為業(yè)務(wù)的主要應(yīng)用場(chǎng)景；在核心網(wǎng)方面，采用升級(jí)后的EPC網(wǎng)絡(luò)支持eMBB與mMTC業(yè)務(wù)[4]；在無線網(wǎng)方面，用戶面5G基站通過4G基站錨點(diǎn)到達(dá)EPC核心網(wǎng)，新增的5G站點(diǎn)提高了用戶接入數(shù)，而eMBB業(yè)務(wù)可在升級(jí)后的4G網(wǎng)絡(luò)與新建的5G網(wǎng)上接入。

在5G發(fā)展初期，NSA將成為主流架構(gòu)，其在運(yùn)營(yíng)成本上占有先機(jī)，整合原有的4G網(wǎng)絡(luò)，部署5G網(wǎng)絡(luò)的門檻較低，啟動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)也較低，性能也比較優(yōu)越。在網(wǎng)絡(luò)性能方面，增加的5G載波可作為原有4G網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，應(yīng)用于熱點(diǎn)區(qū)域或者系統(tǒng)擴(kuò)容；而其雙連接技術(shù)，對(duì)于5G和4G間的業(yè)務(wù)連續(xù)性起了有效的保障作用，帶來了較好的用戶體驗(yàn)。從運(yùn)營(yíng)商及用戶的角度來看，能盡快地體驗(yàn)到5G的新型業(yè)務(wù)。

從發(fā)展趨勢(shì)來看，盡管NSA是5G發(fā)展進(jìn)程中的必要階段，但它并非5G發(fā)展的最終目標(biāo)。隨著網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的發(fā)展，盡管影響其演進(jìn)過程的因素很多，但NSA最終會(huì)演進(jìn)為SA。實(shí)現(xiàn)4G和5G的融合運(yùn)營(yíng)存在較多困難，同時(shí)，若5G網(wǎng)的規(guī)劃是采用4G網(wǎng)作為基點(diǎn)，則在供應(yīng)商的選擇上將受到限制。因此，NSA只能是一種過渡方案。

3.2 開拓進(jìn)取的SA之路

SA網(wǎng)絡(luò)部署思路則在建設(shè)初期一步到位直接構(gòu)建5G網(wǎng)絡(luò)。核心網(wǎng)的控制面進(jìn)行集中部署，用戶面則可以靈活分布。業(yè)務(wù)方面，因?yàn)?G核心網(wǎng)可支持其5G新特性，使其能支持更豐富的5G新業(yè)務(wù)，提高了業(yè)務(wù)能力。語音方面，初期為了確保語音的連續(xù)性，可采用原有VoLTE實(shí)現(xiàn)，隨后伴隨著5G網(wǎng)絡(luò)的不斷鋪設(shè)，逐步通過VoNR等方案取代。

SA組網(wǎng)方式具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，即支持更為豐富的5G新型業(yè)務(wù)，此外，兼容4G業(yè)務(wù)，也不會(huì)產(chǎn)生難以解決的互操作困難，而全新5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的建設(shè)也存在著不容忽視的挑戰(zhàn)。相較于4G網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)要有新的技術(shù)突破，如多址方式、編碼方式、智能天線、新空口等方面。另一方面，5G將主要采用Sub-6GHz[5]，甚至毫米波等高頻段，其缺點(diǎn)是單站點(diǎn)覆蓋范圍有限，若要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的覆蓋則需投入的資金會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過4G。另外，運(yùn)營(yíng)商面臨著在垂直行業(yè)中開發(fā)5G新業(yè)務(wù)的挑戰(zhàn)。

NSA組網(wǎng)方式具備的優(yōu)點(diǎn)是顯著的，它能在短期內(nèi)快速推進(jìn)5G商用。然而，想全面開發(fā)5G三大應(yīng)用場(chǎng)景業(yè)務(wù)與實(shí)現(xiàn)垂直行業(yè)的業(yè)務(wù)個(gè)性化，只能依靠全5G的SA架構(gòu)。及早部署SA架構(gòu)，可以在開發(fā)探索5G新業(yè)務(wù)方面占有先機(jī)，收獲5G帶來的紅利，提升產(chǎn)業(yè)品牌影響力。

4 演進(jìn)策略分析

基于5G的SA與NSA方式都有著顯著的優(yōu)勢(shì)與不可忽略的劣勢(shì)，選擇哪個(gè)組網(wǎng)方式與演進(jìn)路徑是全球各大運(yùn)營(yíng)商在推進(jìn)建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程上炙手可熱的話題。Option2被定義為5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展至成熟時(shí)期的目標(biāo)架構(gòu)，若運(yùn)營(yíng)商具備足夠的可實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋的低頻資源，并具有滿足需求的可實(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)分流的高頻資源，那么直接采用Option2作為部署方式是個(gè)不錯(cuò)的選擇。然而，不是所有運(yùn)營(yíng)商都會(huì)選擇這種直達(dá)目標(biāo)的演進(jìn)路徑，大部分運(yùn)營(yíng)商還是會(huì)側(cè)重于充分利用4G網(wǎng)絡(luò)原有資源，逐步演進(jìn)。就現(xiàn)有形勢(shì)分析，可行性較高的演進(jìn)方案歸納為以下三種方式，如圖5所示。

圖5 組網(wǎng)方式演進(jìn)策略

策略1：直接采用Option2方式，一步到位。

策略2：經(jīng)由現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)(Option 1)逐步推進(jìn)，發(fā)展經(jīng)Option 3x，Option7x乃至Option 4，最終達(dá)Option 2。

策略3：經(jīng)由現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)(Option 1)逐步推進(jìn)，發(fā)展經(jīng)Option 3x，至Option 4，最終達(dá)Option 2。

其中，策略1雖然能夠一步到位，且能有效地發(fā)揮出所有5G網(wǎng)絡(luò)的高性能特性。然而，采用這個(gè)演進(jìn)策略的運(yùn)營(yíng)商必然在建網(wǎng)初期就得投入大量資本，這也是運(yùn)營(yíng)商必須面對(duì)的問題。

策略2、策略3能夠迅速鋪設(shè)5G商用網(wǎng)絡(luò)，搶占市場(chǎng)先機(jī)。雖然其演變過程無法一步到位，然而，其中間過程的方案有多種選擇性，運(yùn)營(yíng)商能夠結(jié)合自身特點(diǎn)，采用適合自己的中間演進(jìn)路徑。在5G核心網(wǎng)部署完畢后，若新空口覆蓋性能不佳，便采用策略2。先演進(jìn)為Option7x，繼續(xù)以LTE作為錨點(diǎn)。若新空口覆蓋性能好，則可跳過Option7x至Option 4，即策略3。從整體而言，策略2演進(jìn)方案的總投資會(huì)比策略1投入更多。但在現(xiàn)有市場(chǎng)中，5G業(yè)務(wù)需求仍不夠清晰，且不夠龐大。采用策略2部署能減少投資風(fēng)險(xiǎn)，也因此得到了許多運(yùn)營(yíng)商的關(guān)注。

5 結(jié)束語

5G發(fā)展初期，我國(guó)通信技術(shù)企業(yè)在積極推動(dòng)5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面發(fā)揮著不容小覷的作用。尤其是華為公司，是全球領(lǐng)先的信息與通信解決方案供應(yīng)商，引領(lǐng)且推動(dòng)著5G技術(shù)的發(fā)展。在5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入全面建設(shè)與商用階段，各產(chǎn)業(yè)界將從現(xiàn)有條件、發(fā)展計(jì)劃與前景等多方面綜合考慮，采用適合我國(guó)國(guó)情特點(diǎn)、產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)的技術(shù)路線，使5G帶來的智慧生活早日進(jìn)入國(guó)民家中，真正做到“萬物互聯(lián)”。