LTE—NR雙連接技術探討

劉瀟蔓+陳卓

【摘 要】LTE和5G NR之間的雙連接可以通過使用兩種不同接入技術的資源來實現用戶數據/信令的傳輸，具有更高的可靠性及較低的切換時延。為了更好地理解LTE-NR雙連接技術，對用戶面、控制面的技術特點進行了分析，并闡述了LTE-NR雙連接相關的網絡架構及用戶面、控制面協議棧選擇的可能性。

【關鍵詞】LTE-NR 雙連接 SCG分離承載 MCG分離承載

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010（2017）19-0065-06

Discussion on LTE-NR Dual Connection Technique

LIU Xiaoman， CHEN Zhuo

[Abstract] The dual connection between LTE and 5G NR， which has higher reliability and lower handover delay， can realize the transmission of user data/signaling through resources of two different access techniques. In order to better comprehend LTE-NR dual connection technique， the technical features of user plane and control plane were analyzed. The network architecture of LTE-NR dual connection was addressed. In addition， the possibility of selection of user plane and control plane protocols was elaborated.

[Key words]LTE-NR dual connection SCG separate bearing MCG separate bearing

1 引言

隨著4G LTE網絡的部署和推廣，以及移動互聯網、物聯網業務的不斷推出，對網絡覆蓋范圍、熱點區域容量、傳輸時延、可靠性、功耗等方面的要求越來越高，這不但促進了4G網絡的不斷完善，還加快了對5G NR（New Radio，新無線）的研究和推進速度。

雙連接技術可通過使用多個小區的無線資源來為用戶提供數據或者信令的傳輸，是滿足不同技術場景下特定需求的有效手段之一。鑒于目前LTE的廣泛部署，可預見LTE網絡在5G NR部署初期仍將大量存在，且LTE將有很大可能演進到eLTE，因此，LTE與NR的雙連接或將在NR部署初期被廣泛采用。本文主要從網絡架構、控制面、用戶面等角度對LTE-NR雙連接技術進行介紹，并對未來網絡部署及協議棧選擇等方面問題進行分析。

2 雙連接技術簡介

根據3GPP的定義，雙連接是處于RRC_CONNE- CTED態的兩個UE（User Equipment，用戶設備）使用至少兩個通過非理想回程鏈路相連的網絡節點（MN（Master Node，主節點），SN（Secondary Node，輔節點））提供的無線資源進行通信的操作。雙連接中兩個網絡節點的角色不同，其中，MN是UE的無線側錨點，為UE提供與核心網唯一的控制面連接，而SN只為UE提供額外的無線資源，用于用戶數據、信令的傳輸。

對于LTE-NR雙連接，特指的是雙連接中的兩個節點使用不同的無線接入技術，一個節點為LTE，一個為NR，但不規定何種接入技術的節點是MN，MN和SN通過Xx接口交互信令、數據等。

2.1 LTE-NR雙連接網絡結構

3GPP TR 38.801規范里給出了包含5G NR獨立組網和非獨立組網在內的多種NR網絡架構，其中“Option 3，4，7”系列是與LTE和NR間的互操作相關的網絡架構。

圖1所示為Option 3/3A/3X三種網絡架構，這三種架構的共同點為NR是非獨立組網，控制面通過LTE eNB接入EPC。LTE eNB為MN，NR gNB為SN，三種架構的區別在于所建立的用戶面承載類型不同，數據分流方式不同。其中，Option 3中數據面與核心網僅通過MN有一個連接，數據從MN進行分流；而在Option 3A中，數據從核心網進行分流，數據面與核心網有兩個連接；Option 3X中，數據首先從核心網分流，然后再從SN分流。

圖2所示為Option 4/4A，這兩種架構的共同點是NR獨立組網，NR gNB作為MN，eLTE eNB作為SN提供額外的傳輸資源，連接到5G NR的核心網NGC（New Generation Core Network，新一代核心網）上；兩種架構建立用戶面承載的方式不同。此外，暫不支持類似于Option 3X中的數據從SN分流到MN的方式。

圖3所示為Option 7/7A/7X三種網絡架構，該組的三個架構與Option 3/3A/3X較為相似，這里，NR是非獨立組網，但所接入的核心網為5G核心網NGC。

從上述介紹可以看出，不同于傳統LTE雙連接時的網絡架構，LTE-NR雙連接由于采用兩種無線接入技術，因而其核心網錨點及無線網錨點都有多種選擇，數據無線側分流也不再局限于僅從MN分流的方式。

2.2 LTE-NR雙連接控制面

（1）LTE-NR雙連接控制面協議棧

無論網絡架構是上文介紹中的哪一種，處于LTE-NR雙連接的UE都僅通過MN與核心網保持一個控制面連接，這與傳統LTE雙連接是一致的。圖4所示MN與核心網的連接可能是S1-MME連接，也可能是NGC-AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移動性控制功能）連接，這取決于MN的屬性及所連接的核心網。此外，UE的RRC狀態也是唯一確定的，且與MN狀態機保持一致。endprint

但與LTE雙連接不同的是，在LTE-NR雙連接中，MN和SN各有一個RRC（Radio Resource Control，無線資源控制）實體，可以根據ASN.1產生RRC PDU（Protocol Data Unit，協議數據單元）和節點間PDU。且不同于LTE雙連接中所有RRC消息都由MN產生發給UE，在LTE-NR雙連接中，UE可以配置在SCG（Second Cell Group，輔小區組）上建立SRB（Signaling Radio Bearer carrying control plane data，信令承載），實現SN產生RRC直接發送給UE。這是因為MN和SN所采用的是不同的接入技術，SN應該能夠管理僅與SN相關的控制面消息。

SN產生的初始配置以及涉及MN重配的SN配置消息會被嵌入在MN產生的RRC消息中，通過MN發送給UE。對于無需和MN進行協商的SN配置，既可以通過嵌入在MN產生的RRC消息中通過MN發送給UE，也可配置UE在SCG建立SRB，實現RRC PDU直接在SN和UE間傳送。當SN的消息嵌入在MN的RRC消息中發給UE，UE只會給MN反饋一個聯合的成功/失敗消息，而不會單獨給SN反饋。此外，封裝了SN RRC消息的MN RRC消息一旦發生失敗，就會發起重建，無論該條消息中是否包含MN配置。

在LTE-NR雙連接中，UE是否配置SCG SRB取決于網絡的配置，且最終由SN決定SCG SRB的添加。對于SCG SRB，它是一種NR SRB，其使用的邏輯信道為NR-DCCH（Dedicated Control Channel，專用控制信道）。SCG SRB可以在SN添加（SN Additon）和SN改變（SN Change）中建立、釋放，并且可在SCG修正（SN Modification）中進行重配。相比于DRB（Data Radio Bearer carrying control plane data，數據承載），SCG SRB有更高的優先級，UE RRC層會按接收的順序對通過SCG SRB傳送的消息進行處理，但不會對MCG（Master Cell Group，主小區組）SRB和SCG SRB上傳的消息進行重排序。因此，為了避免由于MN和SN鏈路傳輸時延不同帶來的UE行為紊亂問題，SCG釋放消息僅可以通過MCG SRB發送，而不可以通過SCG SRB發送。一旦SCG釋放，網絡將通過某些方式將SCG承載轉變為MCG承載或將其轉移到其他SCG上。另外，當配置了SCG SRB，SN內移動性相關的測量報告可以直接從UE上報給SN，測量上報所使用的SRB應當與初始化測量流程的SRB為同一個SRB。

不同于傳統LTE系統內部雙連接，LTE-NR雙連接支持分離SRB，且無論MN為何種無線接入技術。這里的分離SRB包含兩層含義：1）LTE/NR PDCP控制面消息復制，即在MN和SN鏈路上同時傳輸相同的控制面消息；2）控制面消息可以只在任意一條鏈路上傳，如根據鏈路質量動態切換傳輸控制面消息的傳輸鏈路。可見，通過配置分離SRB，可以實現信令的高可靠或低時延傳輸。

分離SRB由MN在SN添加和修正過程中決定和添加，添加所需的SN配置由SN提供。目前僅支持對SRB1和SRB2配置分離SRB，且分離SRB1/2的SCG鏈路和SCG SRB是獨立配置的，其中MCG分離SRB1調度優先級和SCG SRB是相同的。

（2）LTE、NR能力協調

對于同時支持LTE和NR的UE，會分別對LTE和NR上報相關的UE能力信息，因此MN和SN需要對UE能力進行一定的協調，以免MN和SN對UE的配置超出UE能力范圍，能力協商所使用的消息為RRC節點間消息。

LTE-NR雙連接中的UE能力共分為三類：

類型I：該類能力的使用與所使用的無線接入技術無關；

類型II：在一種無線接入技術中使用該類能力會對另一種無線接入技術造成影響，但是另一種無線接入技術的網絡側并不能理解該類能力的使用；

類型III：在一種無線接入技術中使用該類能力會對另一種無線接入技術造成影響，且另一種無線接入技術的網絡側能夠理解該類能力的使用。

對于類型I能力，LTE和NR節點間無需進行能力協調，MN會將僅與SN無線接入技術有關的能力發給SN，即以LTE雙連接方案為基礎方案。對于另外兩類UE能力，可能需要MN和SN通過Xn/Xx接口進行協調。協調可能會帶來對UE的重新配置，但無論是否要對UE重新配置，都要保證不超過UE能力。標準上現已確定的需要MN和SN協調的能力包括不同接入技術間的頻帶組合以及協議棧層2的緩存。

需要注意的是，當UE要在LTE和NR間進行能力協調時，應該只涉及兩個節點，如一個eNB和一個gNB。此外，MN、SN都可以發起UE能力重新協調過程，但是SN發起的能力重協調請求最終由MN決定是否接受。

MN和SN可獨自對處于LTE-NR雙連接的UE進行測量配置，但MN和SN所配置的測量載波的總數量需要兩節點間進行協商，以免超出UE能力。當MN和SN在相同的載波上配置了測量目標時，二者配置需要保持一致。是否還有其他測量相關的能力需要MN和SN協調還需進一步研究、討論。

2.3 LTE-NR雙連接用戶面

相比于傳統LTE雙連接中的三種承載類型：MCG承載、SCG承載、MCG分離承載，在LTE-NR雙連接中新增了SCG分離承載。

其中，MCG承載是協議棧都位于MN且僅使用MN資源的承載；SCG承載是協議棧都位于SN且僅使用SN資源的承載；分離承載是指協議分棧同時位于MN和SN兩個節點且同時使用MN和SN資源的承載，MCG分離承載特指通過MN和核心網相連，數據由MN分流至SN的分離承載；SCG分離承載則是通過SN和核心網相連，數據由SN分流至MN的分離承載。endprint

圖5、圖6、圖7是MCG分離承載、SCG分離承載和MCG承載以及SCG承載的協議棧示意圖，各圖中分別給出了MN是LTE eNB和NR gNB兩種情況時的承載協議棧示意。與單連接時類似，用戶面協議棧主要包含PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分組數據匯聚協議）層、RLC（Radio Link Control，無線鏈路控制）層及MAC（Media Access Control，介質訪問控制）層。且同LTE雙連接一樣，每個節點僅有一個MAC實體。但相比傳統LTE雙連接，無論哪種承載類型，其用戶面協議棧上均多了一個新的協議層：新接入子層（New AS sublayer），由于5G NR中引入了QoS（Quality of Service，服務質量）流的概念，新接入子層主要用于QoS流和無線承載間的映射以及在上下行數據包中標記QoS流標識。

表1是LTE-NR雙連接中三種承載（不包括MCG承載）的分析、對比。

通過表1的對比可以發現，三種承載各有優劣，有不同的使用限制和不同的應用場景，因此LTE-NR雙連接對于承載的配置、不同類型間的相互轉換也有一定的要求。

其中，LTE-NR雙連接不支持對MCG分離承載和SCG分離承載的同時配置，也不支持MCG分離承載和SCG承載的同時配置。LTE-NR雙連接支持多種承載類型間的轉換，包括：MCG承載和MCG分離承載間的相互轉換、MCG承載和SCG承載間的相互轉換、不同MCG承載間的轉換、不同MCG分離承載間的轉換以及不同SCG分離承載間的轉換；但不支持MCG分離承載和SCG承載間的相互轉化。

相比于LTE雙連接，SCG分離承載是LTE-NR雙連接中新增的承載類型。這類承載數據面MN和SN同時與核心網相連，但數據的分流方向是從SN到MN，對MN和SN間回傳鏈路及SN處理能力都有一定的要求。

3 對LTE-NR雙連接的思考

從上文分析可知，LTE-NR雙連接相關的網絡架構和協議棧設計存在多個可選項。由于4G網絡已經大量部署且廣泛存在，如果5G采用非獨立組網，Option 3系列網絡架構無需額外部署NR核心網，同時可以減少對LTE網絡的改造，增強對LTE網絡的有效利用，故應有較大可能會被應用于實際。但如果5G采用獨立組網，NR gNB有完整的協議棧，既可配置為MN也可以配置為SN，這就意味著可根據實際需求靈活部署成Option 4系列和Option 7系列。

考慮到未來5G部署很有可能部署在高頻段，其覆蓋范圍有限，采用LTE eNB作為MN，提供可靠的控制面覆蓋，NR gNB作為SN，提供大帶寬、高速率的傳輸，是一種較為可能的方式。另外，還可以在控制面配置分離SRB，用以提高信令的可靠性傳輸，減少鏈路重建，以減小開銷。

在用戶面，由于LTE和NR帶寬差距較大，傳輸速率差距也可能較大，如果采用SCG分離承載，可以緩解LTE和5G傳輸帶寬的巨大差異，且無需對現有無線網絡和傳輸網絡進行大量的升級和改造。

4 結論

本文對LTE-NR雙連接進行了深入思考，從網絡架構、控制面和用戶面協議棧架構對LTE-NR雙連接進行了介紹。無論未來5G NR網絡采用獨立組網還是非獨立組網，在LTE與5G NR間采用雙連接技術，都可以達到提高吞吐量和可靠性、減小傳輸時延等目的。LTE-NR雙連接在LTE和5G系統互操作方面起到重要的作用，可以預見，該技術或將成為未來5G NR的關鍵技術。

參考文獻：

[1] 3GPP TS 36.300 V14.3.0. Technical Specification Group Radio Access Network； Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA） and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）； Overall description； Stage 2[S]. 2017.

[2] 3GPP TR 38.804 V0.7.1. Technical Specification Group Radio Access Network； Study on New Radio Access Technology； Radio Interface Protocol Aspects （Release 14）[S]. 2017.

[3] 3GPP TR 38.801 V1.21.0. Technical Specification Group Radio Access Network； Study on New Radio Access Technology； Radio Access Architecture and Interfaces（Release 14）[S]. 2017.

[4] 3GPP TS 36.331 V13.1.0. Technical Specification Group Radio Access Network； Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Radio Resource Control （RRC）； Protocol specification（Release 13）[S]. 2016.

[5] 3GPP TR 36.842 V12.0.0. Technical Specification Group Radio Access Network； Study on Small Cell enhancements for E-UTRA and E-UTRAN； Higher layer aspects （Release 12）[S]. 2013.

[6] Nokia， Alcatel-Lucent Shanghai Bell. 3GPP R2-1702018 Report of email discussion NR-AH1#14 NR UE capability coordination[R]. 2017.

[7] Huawei， HiSilicon. 3GPP R2-1703830 Summary on offline discussion 23 on secondary node change[R]. 2017.

[8] ZTE Microelectronics. 3GPP R2-1700407 Report of Email discussion 96-33 UE capability coordination[R]. 2017.

[9] Huawei， HiSilicon. 3GPP R2-166517 Comparison of user plane architecture options for LTE-NR tight interworking[R]. 2016.

[10] NTT DoCoMo， Ericsson， CATT， et al. 3GPP R2-1700829 Leftover issues on RRC message transport for LTE-NR Dual Connectivity[R]. 2017.endprint