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LTE-NR 双连接|带你读《5G无线网络规划与设计》之十二

简介: LTE双连接扩展了载波聚合的应用,能够有效提升网络容量,并具有提高切换成功率、负载均衡等能力。3GPP 基于 LTE 双连接提出了 LTE-NR 双连接技术,定义了 4G、5G 紧密互操作的技术规范,开创性地将 RAT 间的互操作过程下沉至网络边缘。对于 5G 来说,基于 LTE-NR 双连接技术的非独立组网模式可使 5G核心网和接入网分步部署,有利于 5G 的快速部署和应用。

第 3 章 5G 无线关键技术

3.3 多天线技术

3.4 LTE-NR 双连接

LTE 在 R12 引入了双连接的概念,即用户可在无线资源控制(RRC,RadioResource Control)连接状态下同时利用两个基站独立的物理资源进行传输。LTE双连接扩展了载波聚合的应用,能够有效提升网络容量,并具有提高切换成功率、负载均衡等能力。3GPP 基于 LTE 双连接提出了 LTE-NR 双连接技术,定义了 4G、5G 紧密互操作的技术规范,开创性地将 RAT 间的互操作过程下沉至网络边缘。对于 5G 来说,基于 LTE-NR 双连接技术的非独立组网模式可使 5G核心网和接入网分步部署,有利于 5G 的快速部署和应用。当 5G 部署进入到较为成熟的独立组网阶段时,LTE-NR 双连接技术对扩展 5G 网络的覆盖、提升网络性能仍具有重要意义。

3.4.1 LTE 双连接技术

在 LTE 双连接技术中,UE 同时与两个基站连接,这两个基站分别称为主基站(MeNB,Master eNB)和辅基站(SeNB,Secondary eNB)。双连接可实现载波聚合。不同的是,载波聚合的承载在 MAC 层分离,需要 MAC 层对两个接入点的物理层资源进行同步调度。双连接的承载分离在 PDCP 层进行,两个接入点可独立进行物理层资源的调度,不需要严格同步,因此,可采用非理想的回程链路连接 MeNB 和 SeNB。
在 R12 定义的 LTE 双连接中,仅 MeNB 与移动管理实体(MME,MobilityManagement Entity)有 S1 接口的连接,SeNB 与 MME 之间不存在 S1 连接,如图 3-15 所示。MeNB 通过 X2-U 接口与 SeNB 进行协调后产生 RRC 消息,然后转发给 UE。UE 对 RRC 消息的回复同样只发送给 MeNB。因此,在 LTE 双连接中 UE 只保留一个 RRC 实体,系统信息广播、切换、测量配置和报告等RRC 功能都由 MeNB 执行。
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LTE 双连接中定义了主小区群(MCG,Master Cell Group)和辅小区群(SCG,Secondary Cell Group),并根据分离和转发方式的不同,将数据承载分为 3 种形式。
• MCG 承载:MCG 承载从核心网的 S-GW 路由到 MeNB,并由MeNB 直接转发给 UE,也就是传统的下行数据转发方式。
• SCG 承载:SCG 承载从核心网的 S-GW 路由到 SeNB,再由SeNB 转发给 UE。
• Split 承载:Split 承载在基站侧进行分离,可由 MeNB 或 SeNB 向 UE 转发,也可由 MeNB 和 SeNB 按分离比例同时为 UE 服务。
R12 定义了两种数据承载转发结构。
(1)1a 结构。
如图 3-16(a)所示,在 1a 结构中,MeNB 与 SeNB 都通过 S1 接口与 S-GW连接。数据承载在核心网进行分离,并发送给 MeNB 或 SeNB,经由 MeNB 转发给 UE 的即为 MCG 承载,由 SeNB 转发给 UE 的为 SCG 承载。MeNB 或 SeNB之间的 X2 回程链路上只需要交互协同所需的信令,不需要进行数据分组的交互,所以回程链路的负载较小。同时双连接不需要 MeNB 和 SeNB 之间的严格时间同步,因此,总体上 1a 结构对 X2 回程链路的要求较低。
数据承载通过 MeNB 或 SeNB 向 UE 传送,因此,峰值速率取决于 MeNB和 SeNB 单站的传输能力。当 UE 发生移动时,小区切换需要核心网参与,切换效率较低,并存在数据中断的问题。
效率较低,并存在数据中断的问题。
(2)3c 结构。
如图 3-16(b)所示,在 3c 结构中,只有 MeNB 与核心网(S-GW)通过S1-U 接口连接,因此,数据承载只能由核心网发送给 MeNB。MeNB 对承载进行分离,将全部或部分承载通过 X2-U 接口发送给 SeNB。由于需要数据分组的交互,3c 结构要求 X2 回程链路有较高的容量。
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3c 结构中数据承载可由 MeNB 或 SeNB 发送给 UE,也可由 MeNB 和 SeNB同时发送给 UE,因此,下行传输的峰值速率可获得显著提升。另外,SeNB 分担了 MeNB 的承载,可用于负载均衡,有利于提升密集部署异构网络的整体性能。当 UE 发生移动时,3c 结构的切换过程对核心网的影响较小。同时,由于UE 同时连接了两个基站,因此,提升了切换成功率。
3c 结构不但对回程要求较高,而且需要较复杂的层 2 协议。在 R12 版本中规定,3c 结构只用于下行传输,不用于上行传输。

3.4.2 LTE-NR 双连接技术

从全球范围内看,各国的 5G 首发频段主要有两类:一类是毫米波频段,如美国目前的 5G 商用重点为 28 GHz、39 GHz 等毫米波频段的固定无线接入;另一类是 3.4~3.8 GHz 高频频段,例如,我国确定的 5G 首发频段为 3.5 GHz。可见,相比于过去的移动通信系统,5G 工作在较高的频段上,因此,5G 单小区的覆盖能力较差。即使可以借助大规模 MIMO 等技术增强覆盖,也无法使 5G 单小区的覆盖能力达到 LTE 的同等水平。因此,3GPP 扩展了 LTE 双连接技术,提出了 LTE-NR 双连接,使得 5G 网络在部署时可以借助现有的 4G LTE 覆盖。LTENR双连接有利于 4G 向 5G 的平滑演进,对快速部署和发展 5G 具有重要意义。
与 LTE 双连接不同,LTE-NR 双连接涉及 4G 的 E-UTRA 和 5G 的 NR 两种不同的无线接入技术的互操作,也就是说,在 LTE-NR 双连接中,UE 可同时与一个 4G 基站(eNB)和一个 5G 基站(gNB)连接,在 4G 网络和 5G 网络的紧密互操作之下获得高速率、低时延的无线传输服务。与 LTE 双连接类似,LTE-NR 双连接中将作为控制面锚点的基站称为主节点(MN,Master Node),将起辅助作用的基站称为辅节点(SN,Secondary Node)。
根据主节点和辅节点的类型,以及连接的核心网的不同,R15 中定义了 3种 LTE-NR 双连接结构。
(1)EN-DC(E-UTRA-NR Dual Connectivity):核心网接入 4G EPC,4G基站 eNB 作为主节点,5G 基站作为辅节点。EN-DC 中作为辅节点的 5G 基站主要为 UE 提供 NR 的控制面和用户面协议终点,但并不与 5G 核心网(5GC)连接,因此,在 R15 中称为 en-gNB。3GPP 提出了多种 5G 网络结构备选方案。其中,除了独立组网的 option2 之外,目前最受关注的 3 种非独立组网方案为option3 系列、option7 系列和 option4 系列。其中,option3 系列的网络结构就是在 EN-DC 双连接技术基础上构建的 4G、5G 混合组网的网络架构。
(2)NGEN-DC(NG-RAN EUTRA-NR Dual Connectivity):核心网接入 5GC,但主节点仍然为 4G 基站,5G 基站 gNB 作为辅节点。为了建立 5GC 与 4G 基站之间的连接,需要对 4G eNB 进行升级,称为 ng-eNB,即支持 NG 接口协议的 eNB。NGEN-DC 结构可对应非独立组网的option7 系列网络架构。
(3)NE-DC(NR-E-UTRA Dual Connectivity):核心网接入 5GC,主节点为 5G 基站 gNB,辅节点为升级的 LTE 基站 ng-eNB。基于 NGEN-DC 的组网结构符合 3GPP 提出的 option4 网络架构的技术特点。
表 3-10 总结了 R15 中定义的 3 种 LTE-NR 双连接结构。image.png
LTE-NR 双连接的控制面结构如图 3-17 所示。图 3-17(a)表示的是 EN-DC结构下的控制面,其中核心网 EPC 与作为主节点的 eNB 以 S1 接口连接、主节点与辅节点以 X2-C 接口连接。图 3-17(b)和图 3-17(c)分别表示 NGEN-DC和 NE-DC 两种接口下的控制面,其中,核心网(5GC)与主节点以 NG-C 接口连接、主节点与辅节点之间以 Xn-C 接口连接,可以看出,EN-DC 结构中的控制面协议依然以 LTE 的控制面接口协议为主,而 NGEN-DC 和 NE-DC 由于接入 5G 核心网,相应的接口协议也采用了 5G 的接口协议。
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值得注意的是,与 LTE 双连接不同,LTE-NR 双连接中的 UE 既有与主节点的 RRC 连接,又有与辅节点的 RRC 连接。辅节点的初始 RRC 信息必须经由X2-C 或 Xn-C 转发给主节点,再由主节点发送给 UE。一旦建立了辅节点与 UE之间的 RRC 连接,之后的重新建立连接等过程可在辅节点与 UE 之间完成,不再需要主节点的参与。辅节点可独立地配置测量报告、发起切换等,具有较高的自主性。但是,辅节点不能改变 UE 的 RRC 状态,UE 中只维持与主节点一致的 RRC 状态。
的 RRC 状态。
LTE-NR 双连接用户面与 LTE 双连接相比有两点较大的不同。首先是协议栈不同。如图 3-18 所示,在 LTE-NR 双连接中,除了 EN-DC 结构中的 MCG承载之外,SCG 承载和 Split 承载以及 NGEN-DC 和 NE-DC 两种结构中的 MCG承载均在 NR PDCP 子层中分离。另外,由于 NGEN-DC 和 NE-DC 两种结构接入了 5GC,因此,无线侧协议增加了用于 QoS 流与数据承载映射的服务数据自适应协议(SDAP,Service Data Adaptation Protocol)子层,如图 3-18(b)所示。
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LTE-NR 双连接的另一个显著的不同是容许辅节点进行承载分离。实际上,由于 5G 传输的数据流量较大,进行承载分离的基站需要具备较强的处理能力和缓存能力。如果在作为主节点的 4G 基站中进行分离,为了满足承载,则分离需要占用大量的 4G 基站资源,将会对 4G 传输产生较大影响。在这种情况下,在作为辅节点的 5G 基站上进行承载分离效率更高。

3.5 上下行解耦

在 LTE 系统中,小区选择基于用户终端接收到的下行参考信号的强度。但由于基站发射功率远大于终端的发射功率,因此,实际中上、下行覆盖能力是不对称的。上下行解耦是解决这一问题的有效手段之一。将上行传输迁移到不同频段或邻近的微基站,降低了上行传输对小区覆盖的限制,扩大了小区覆盖范围,减少了基站建设的数量。

3.5.1 上下行覆盖差异

移动通信系统中的终端设备尺寸较小,因而电池容量有限。为了满足较长的续航能力,终端设备的发射功率通常不会很大,比如目前手机终端的最大发射功率一般为 23 dBm(200 mW)。相反,为了保证下行传输的质量,基站设备的发射功率可高达 46 dBm(40 W),远大于终端的发射功率。基站与移动终端发射功率的差异导致了小区上下行覆盖能力的不同。在图 3-19 中,用户所在的位置虽然能够接收到下行信号,但其发起的上行传输信号在基站端无法被识别。
在 LTE 系统中,用户终端根据接收到的下行参考信号强度进行小区选择。在图 3-19中,用户终端能够接收并解调来自基站的下行参考信号,但当其向基站发起接入或切换请求时,由于上行传输信号在基站侧无法被识别,将导致请求失败。为了保持覆盖的连续性,网络规划时通常以上行覆盖半径为标准计算站间距,但这样做一方面增加了站点建设的需求,另一方面由于小区边缘的下行信号强度较大,导致小区间干扰严重。
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对于 5G 系统来说,上下行覆盖不一致的问题对部署成本、网络性能等方面的影响更为突出。首先,5G 的频段较高,无线信号在传播过程中衰减较大,导致基站的覆盖不及 LTE。虽然可利用大规模 MIMO 及波束赋形等先进技术增强下行覆盖,但上行覆盖依然有限。以上行覆盖为基准进行 5G 网络的规划,达到连续覆盖所需的站点数量将是现有 4G 站点的 2~3 倍。另外,以往的移动通信系统中上行传输的业务量较小,因此,对信道条件的要求不高。但是 5G 的许多目标应用将会产生与下行相同量级甚至高过下行传输的业务量,比如高清的视频会议、视频直播等。这类应用需要 5G 网络具备连续的、高质量的上行覆盖能力。最后,5G 的终端要求支持全频段、具备较高的信号处理能力等,将引起耗电量的增加,因而应尽可能在不提高终端发射功率的前提下满足上行覆盖需求。

3.5.2 5G 上下行解耦策略

针对上述问题,华为携手合作伙伴向 3GPP 提交了关于上下行解耦技术的提案,建议将部分上行传输迁移至空闲的 LTE 频段,以增强上行覆盖。图 3-20以 1.8 GHz 的 LTE 频段为例,解释了上下行解耦技术。从图中可以看出,如果利用 1.8 GHz 频段进行上行传输,可显著增强 5G 上行覆盖。对此,华为与英国电信联合进行了外场测试,验证了 5G(3.5 GHz)与 LTE(1.8 GHz)共址的情况下,利用上下行解耦技术可实现相同的覆盖效果。同时,将部分上行传输迁移到 LTE 频段后,5G NR 可为下行传输分配更多的无线资源,可显著提升下行传输容量。但是为保障上下行解耦技术的有效性,需要更精准的资源调度算法。同时还需尽可能避免对 LTE 系统产生影响。
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3GPP 认同了上述提案,并将其纳入 R15 版本的技术规范中。R15 的版本明确了用于补偿上行(SUL,Supplementary Uplink)的频段,即上下行解耦技术中可用的上行低频频段,具体如表 3-11 所示。值得注意的是,表 3-11 所列频段只用于 SUL 传输模式的上行传输。
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结合表 3-11 中的 SUL 频段,R15 定义了多种 SUL 频段组合,如表 3-12 所示,其中,下行频段主要为 n78 和 n79,可分别与不同的 SUL 频段组合。
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| 3.6 载波聚合

3.6.1 LTE 载波聚合

载波聚合(CA)是指同时在两个或两个以上的载波上为用户配置传输的技术,其中每个独立的载波称为成分载波(CC,Component Carrier)。通过聚合多个成分载波,单用户的传输带宽成倍增加,可显著提高传输速率。3GPP 在LTE R10 中提出了载波聚合的概念,并在之后的 Release 版本中不断提出载波聚合的演进技术。
根据聚合的成分载波位置的不同,载波聚合可分为 3 种类型:带内连续聚合、带内非连续聚合和带间聚合,如图 3-21 所示。带内连续聚合是指聚合的成分载波是同一频段内的相邻载波,如图中成分载波 A1 与 A2。带内非连续聚合中的成分载波同样位于相同的频段上,但不要求彼此相邻,如图中成分载波 A1与 An。带间聚合是将不同频段上的成分载波聚合,如图中成分载波 A1 与 B1。带内连续聚合需要有两个或两个以上连续且可用的载波,灵活性较差,但是射频复杂度低、易于实现。非连续的载波聚合灵活性强,同时频谱利用率也更高。
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从用户的角度,载波聚合能够显著提高传输带宽,从而提高传输速率。R10中最多容许聚合 5 个成分载波。LTE 系统最大载波带宽为 20 MHz,通过载波聚合可获得 100 MHz 带宽。到了 R13,容许聚合的载波数量提高到 32 个,最大聚合带宽高达 640 MHz,上/下行传输的理论峰值传输速率可接近 25 Gbit/s。从系统的角度,载波聚合能够将空闲频段充分利用起来,显著提高系统频谱资源的利用率。

3.6.2 5G NR 载波聚合

5G 在 FR1 和 FR2 两个频率范围内分别支持如下成分载波带宽。
• FR1:5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz、25 MHz、40 MHz、50 MHz、60 MHz、80 MHz、100 MHz。
• FR2:50 MHz、100 MHz、200 MHz、400 MHz。
5G 技术将最大支持 16 个成分载波的聚合。由此可知,5G 在 FR1 内的聚合带宽最大可达 1.6 GHz,远大于 LTE 的 640 MHz 最大聚合带宽;FR2 内的聚合带宽最大可达到 6.4 GHz。
目前,R15 中对载波聚合配置的说明尚未完成。在当前版本中,可配置的最大聚合载波数量为 8,且限于带内连续载波聚合。FR1 的最大聚合带宽可达400 MHz,有两种实现方式:聚合 4 个连续的 100 MHz 载波;聚合 8 个连续的50 MHz 载波。FR2 的最大聚合带宽可达 1 600 MHz,通过聚合 4 个 400 MHz带宽的成分载波实现。FR2 上 8 载波聚合支持的最大成分载波带宽为 100 MHz,可获得最大聚合带宽为 800 MHz。R15 对带间聚合的配置仅限于两个独立频段、每频段上 1 个成分载波;FR1 上可获得的最大聚合带宽为 200 MHz,FR2 上可获得的最大聚合带宽为 800 MHz。R15 中对带内非连续载波聚合的配置尚在讨论中,将在后续版本的标准中说明。R15 中关于载波聚合的配置如表 3-13 所示。
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