第 2 章 LTE 微蜂窝和小小区技术

2.3.5　LTE-A 小小区开关

2.3.6　LTE-A DC 双连接

虽然前述的载波聚合技术，能提供高效的无线频谱资源之间的聚合，但在 LTE 网络侧，由于载波聚合技术架构要求多个分量载波之间，必须由同一个 MAC 实体进行统一的调度和资源管理，这就要求多个分量载波被同一基站所配 置管理，或者虽然跨不同的基站，但它们之间能用理想低时延的回程链路（Ideal Backhual）相连，因此即使是两个独立 MAC 实体，它们之间也可进行实时的 无线资源协同操作。前面的 CoMP 技术中，已阐述了 CoMP 的应用条件要求， 对节点部署成本要求相对较高，因此跨站 CoMP 实际应用并不多。在现实的异 构网络部署中，宏基站之间或者宏基站和微基站之间，可能来自不同的网络设 备供应商（异厂家），或者它们之间通过更低成本的非理想回程链路（Non-Ideal Backhual）承载连接，这就使得载波聚合技术的应用受到很大限制，甚至载波 聚合根本不能正常工作。
为了能够实现非理想回程链路相连接的基站之间的载波聚合（适用的 场景更广泛），以提高系统容量、用户平均吞吐率和峰值速率以及在异构微 蜂窝环境中的移动性能，LTE-A Rel-12 引入了双连接技术（DC，Dual Connectivity），它使得终端和两个异频配置且有独立 MAC 调度的基站，同时 分别建立无线链路（主 RL 和辅 RL），终端同时使用它们的无线资源进行上下 行数据传输。
LTE-A DC 工作模式下，终端的控制面信令无线承载（SRB，Signaling Radio Bearer）建立在主服务小区集合内（通常为宏小区），而用户面数据无线 承载可建立在任一主或辅服务小区集合内。通过 LTE-A DC 技术，不仅 LTE 网络下的无线资源能获得更多的聚合而被利用，终端的平均吞吐率也能像载波 聚合那样获得提升，当终端在不同的辅小小区之间移动切换时，由于终端可以 始终保持与主节点 MeNB 的主无线链路，因此可保证主服务小区集合（MCG， Master Cell Group，可包含一个 Pcell 和若干个 Scell）侧的 SRB 及 DRB 上 数据传输不被中断，从而使用户通信体验得到改善，同时辅服务小区集合侧 （SCG，Secondary Cell Group，可包含一个 PScell 和若干个 Scell）硬切换的 健壮性也增强。此外，MME 通过主 S1-C 连接锚定在主节点（MeNB）上，可 有效减少辅节点（SeNB）侧的小小区切换改变而带来的与核心网的信令交互，从而减少核心网侧的信令负荷。LTE-A DC 也可与各个基站内的 CA/CoMP 等 技术联合在一起应用，因为它们涉及不同的协议层操作。LTE-A 暂时不支持 终端和两个同频配置的基站之间进行双连接操作，因为同频工作的主辅服务小 区间的无线干扰，极大地降低了系统性能的增益（注：5G NR 可以支持终端和 两个同频配置的 gNB 基站之间进行 NR 双连接操作，因为通过波束赋形等增强 手段，同频工作的主辅服务小区间的无线干扰能被抑制）。
LTE-A DC 技术中，网络侧控制面和用户面的架构如图 2-11 所示。

LTE-A DC 操作下的两个 eNB 分别为主节点 MeNB（Master eNB）和辅 节点 SeNB（Secondary eNB），它们通过普通的 X2 逻辑接口相连接，X2 接 口可由回程链路或者非回程链路回程传输承载。在 LTE-A DC 中，UE 通过 MeNB 与核心网控制面节点 MME 只有唯一一个 S1-MME（S1-C）连接，终 端通过 MeNB 与核心网用户面节点 SGW 可以有多个 S1-U 连接，另外终端还 能同时通过 SeNB 和 SGW 有多个 S1-U 连接（1A 用户面分流架构）。MeNB 还可将 DRB 进行 MCG Split 承载分流操作，通过 X2-U 接口分流一部分 PDCP PDU 到 SeNB 侧，让 SeNB 辅助传输被分流的 PDCP PDU（3C 用户面 分流架构）。注：LTE-A DC 不支持 SCG Split 承载分流操作，即 SeNB 不能 通过 X2-U 接口分流一部分 PDCP PDU 到 MeNB 侧，让 MeNB 辅助传输被分 流的 PDCP PDU（3X 用户面分流架构）。
LTE-A DC 技术中，空口侧下行和上行的控制面 / 用户面架构分别如图 2-12 和图 2-13 所示。
在空口控制面 RRM 测量方面，终端在 MeNB/MCG 和 SeNB/SCG 两侧对 应的无线 RRM 测量，全由 MeNB 负责配置和管理，RRM 测量结果只在 SeNB Addtion/Modification 等流程中传递给 SeNB，辅助 SeNB 生成 SCG 具体的配置。在空口 Measurement Gap 配置使用方面，LTE-A DC 采用 Single Measurement Gap，即只配置给终端一套公共的 Measurement Gap，在 Measurement Gap 对应的时隙内，MeNB 和 SeNB 两侧和终端之间都不能进 行数据调度和传输。

在终端能力协调方面，由于 MeNB 和 SeNB 在无线资源调度和终端基 带射频能力使用消耗方面是独立进行的，因此与无线资源调度动态紧密相 关 的 终 端 能 力（ 如，Maximum number of DL-SCH transport block bits received within a TTI，Maximum number of UL-SCH transport block bits transmitted within a TTI）需在 MeNB 和 SeNB 之间提前进行预分割划 分。MeNB 负责硬分割划分这些终端基带能力，并将能力分割后的结果（SeNB 可使用的部分终端基带能力）发送给 SeNB 使用。MeNB 在终端能力硬分割划 分时，允许分配给 SeNB 的部分能力 +MeNB 自己使用的部分能力之和，稍微 超过终端的实际总能力。为了提高 UE 能力资源的使用率，可以假设：MeNB和 SeNB 会以极低概率同时使用消耗自身侧的最大终端能力部分，否则，一旦 冲突发生，会导致在该时刻两侧的数据传输都失败。

在空口数据传输安全控制方面，如图 2-14 所示，对于 LTE-A DC 中配 置的 SCG 承载，SeNB 侧使用的根密钥为 S-KeNB，用于继续推导 SCG 承载 的加密密钥 Kup，S-KeNB 是由 MeNB 自己维护的根密钥 KeNB 及小小区计 数器（SCC，Small Cell Counter）联合推导产生，并在生成 S-KeNB 后，在 SeNB Addtion/Modification 流程时发送给 SeNB 使用。每当 MeNB 不变但 SeNB 要变，SCC 都要随之更新和递加 1。SCC 由 MeNB 在空口直接发送给 UE，UE 本地推导产生 SCG 侧根密钥 S-KeNB，和 SeNB 内的 S-KeNB 相匹 配。MeNB 切换变化而导致的根密钥 KeNB 改变，或者 SCC 达到最大值翻转， 或者任何 SCG 承载对应的 PDCP SN 值达到最大值翻转，均可触发 S-KeNB 的更新过程，终端均要触发 SCG Change 流程重启 SCG 用户面。
从上述 LTE-A DC 在 RRM 相关配置、UE 能力协同、安全 S-KeNB 的产 生过程等方面可以看出，SeNB 侧操作很大程度上受到 MeNB 的约束和控制， SeNB 除了在 MAC 调度 PHY 传输上拥有灵活自主权之外，其他 RRC 高层控 制方面基本都受到 MeNB 的强控制，笔者称这种为单 RRC 模型，此时 SeNB 不具备独立的 RRC 决策和配置能力（注：在后面 5G MR-DC 技术中，还有双 RRC 模型，此时 SeNB SN 具备一定独立的 RRC 决策和配置能力，这就能削 弱主辅节点之间的耦合绑定关系）。

总的来说，LTE-A DC 是一种具有里程碑意义的关键小小区技术，它使终 端从过去的单无线链路工作方式，拓展到了双无线链路工作方式，并且未来可 能进一步拓展到更多无线链路的工作方式。多链路意味着更多的无线资源被聚 合利用和更强的无线链路健壮性。LTE-A DC 的网络侧和空口侧技术架构和主 要的工作方式，也为未来 5G NR 系统相关的多连接技术，如 MR-DC 奠定了 母胎雏形，后面读者将会看到：它不仅适用于同 RAT 系统内的双 / 多连接，还 可适用于多 RAT 系统之间的双 / 多连接操作。
在传统的单无线链路工作方式下，蜂窝网络的部署都只能以小区为中心， 处于服务小区不同物理位置的 UE，通常获得不同的无线覆盖和容量供给性能。 随着 UE 的移动，这种变化常常又会影响到用户的通信业务体验，如数据传输 速率高低变化、无线链路健壮性变差、数据传输中断等。5G UDN 部署为双 / 多无线链路协作创造了客观条件，蜂窝网络的部署可以逼近以用户为中心的终 极目标，即无论移动的 UE 处于网络中服务小区间的何种位置，都可获得多条 无线链路联合的无线覆盖和容量供给。由于多条无线链路之间的性能均衡补充 作用，用户的通信业务体验相对更容易保持前后一致，如数据传输速率保持稳 定、链路健壮性一直很好、无任何数据传输中断等。
在未来 5G UDN 部署场景下，UE 在异构微蜂窝环境下的双 / 多无线链路 协作能力，将会成为一种重要的能力标配，它不仅可以大大提高异构网络的系 统容量和无线资源利用率，还能大大提升用户对各种高性能通信业务的体验期望，如超高的用户峰值速率、超高稳定的平均数据吞吐率、极低的数据传输时 延和超可靠的无线链路健壮性等。有一些 5G 高性能要求蜂窝业务，如高清幻 真视频、移动虚拟现实、大数据同步、无人驾驶控制等，甚至只能在 5G UDN 部署下依赖多连接技术，才能顺利地开展应用，因此 5G 异构微蜂窝网络下的 CoMP 技术和双 / 多连接技术，也必将得到进一步的发展提升。
2.3.7　LTE-A LAA 及 LWA 联合互操作