NSA組網(wǎng)及加密方式研究

劉少聰 朱志浩 劉大洋

摘 要：隨著5G的來臨，運營商必然面臨著組網(wǎng)方式的選擇，5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)部署模式和演進(jìn)路徑是運營商需要考慮的重要問題。基于新空口（NR）標(biāo)準(zhǔn)的無線接入網(wǎng)絡(luò)將提供高級別的容量和低時延的超高峰值速率。這些網(wǎng)絡(luò)可以同時向成千上萬的用戶提供每秒數(shù)十兆比特的數(shù)據(jù)。運營商有機(jī)會通過滿足不斷增長的移動流量需求來展示技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)性能的領(lǐng)先地位，這可以通過5G來實現(xiàn)。本文著重研究了4G5G融合組網(wǎng)NSA以及加密方式的研究，為運營商的部署NSA提供參考。

關(guān)鍵詞：LTE;5G;NR;NSA;加密;網(wǎng)絡(luò)部署

一、引言

3GPP在第15版中引入了5G標(biāo)準(zhǔn)，以提供5G網(wǎng)絡(luò)的指南。 這些標(biāo)準(zhǔn)旨在為最終用戶提供低時延和超高速網(wǎng)絡(luò)。3GPP已為5G網(wǎng)絡(luò)定義了兩種解決方案，其中一種是非獨立組網(wǎng)NSA，也就是本文研究的重點：

5G Non Standalone （NSA）：

非獨立組網(wǎng)架構(gòu)（NSA）將包括現(xiàn)網(wǎng)的LTE無線接入和核心網(wǎng)絡(luò)（EPC），作為移動性管理和覆蓋的錨點（anchor），用來添加5G NR網(wǎng)絡(luò)。 該解決方案將更具成本效益，并且可以讓運營商在更短的時間內(nèi)部署提供5G網(wǎng)絡(luò)。

二、4G5G融合組網(wǎng)研究

（一） 非獨立組網(wǎng)NSA方案

（1）Option3/3a/3x：EN-DC （EUTRA-NR Dual Connectivity）

Option3/3a/3x表示具有LTE和NR無線接入的網(wǎng)絡(luò)，但控制面僅使用LTE的EPC核心網(wǎng)。 在該選項中，LTE用作NR的控制面錨點，并且LTE和NR都可用于用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（用戶面）。由于在此選項中運營商不需要新建5G Core，在部署的早期5G階段，選項3/3a/3x將成為許多運營商的可能選擇，由于這種方法和LTE相關(guān)，因此不需要破壞現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)。運營商在部署雙連接時可以選擇下行使用NR來達(dá)到數(shù)據(jù)的高吞吐量和上行選擇LTE來達(dá)到最佳覆蓋范圍，同時語音可以完全在LTE上來承載。

為了支持EN-DC，傳統(tǒng)的LTE網(wǎng)絡(luò)需要升級到3GPP R15版本，稱為eLTE。如TS 36.300和TS 36.423中所述，在Option3/3a/3x中，由于雙連接（EN-DC）的存在，EPC不會受到影響。而對于gNB和LTE eNB之間的Xx接口，將保持類似于EN-DC的過程和協(xié)議，如TS 36.423中所定義，Xx-U將具有用于LTE DC操作的X2-U的所有功能，因此S1接口也不會產(chǎn)生任何影響。

Option3/3a/3x在用戶面分流路徑上有所不同，分別是在eNodeB上、EPC上和5G Cell上進(jìn)行分流。

在Option3中，所有的上下行數(shù)據(jù)都會流經(jīng)eNB，eNB通過Xx接口決定它將哪些數(shù)據(jù)分流到5G gNB。 簡單來說，5G gNB從不直接與4G核心網(wǎng)絡(luò)通信！使用Option3組網(wǎng)方式，UE將連接到5G NR和4G LTE，控制平面依賴于EPS LTE S1-MME接口和LTE RRC控制，用戶平面可能會分流承載。帶來的好處是能夠重復(fù)使用EPC和S1，投資低（僅需新建5G BS gNB），可以通過小幅升級重復(fù)使用VoLTE。但是需要升級eNB以通過Xx/Xn接口連接到gNB，gNB和eNB之間的回傳要求為5-30ms，5G UE需要支持EN-DC。

在Option3a下，LTE eNB和5G gNB都可以直接與EPS核心網(wǎng)絡(luò)通信，但是它們不能通過Xx（X2）接口直接相互通信來共享用戶面數(shù)據(jù)， 這意味著單個數(shù)據(jù)承載不能通過LTE和NR共享話務(wù)。 例如，用戶的VoLTE語音流量由LTE處理，而其互聯(lián)網(wǎng)流量由5G處理。如果用戶頻繁進(jìn)出5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，那么這種場景下不利于部署Option3a這種組網(wǎng)架構(gòu)。

Option3x是3和3a的組合，可用于LTE覆蓋范圍優(yōu)于NR的情況，從而利用LTE的覆蓋優(yōu)勢。在此組網(wǎng)方式中，用戶面數(shù)據(jù)流量將直接流向5G gNB，從那里，它通過空口傳送到UE，一部分?jǐn)?shù)據(jù)也可以通過X2接口轉(zhuǎn)發(fā)到LTE eNB并從那里轉(zhuǎn)發(fā)到UE。 慢速數(shù)據(jù)流（低數(shù)據(jù)），例如擁有不同IP地址的VoLTE承載可以直接從核心網(wǎng)絡(luò)傳送到LTE eNB。 優(yōu)點是5G基站可以升級到性能更好的IP接口，因此能夠適合處理更高的數(shù)據(jù)速率。LTE eNB作為主控節(jié)點（MeNB），通過MeNB，MME要求S-GW 建立S1-U承載到具體的節(jié)點（LTE 或者5GNR），如果NR的無線質(zhì)量惡化，到NR的S1-U承載在NR處可以進(jìn)行分解，通過X2 接口把部分或者全部數(shù)據(jù)傳送到MeNB，或者可以觸發(fā)PATH SWITCH，其中所有S1-U將到達(dá)MeNB。Option3x提供接近零中斷時間的LTE-5G移動性;還可以提供LTE中的語音，無需使用RAT回退（EPS fallback）。

（2）Option4：NE-DC（NR-EUTRA Dual Connectivity）

Option4/4a表示使用下一代核心網(wǎng)（NGC）。控制面信令將通過NR RAN來承載。Option4和4a之間的唯一區(qū)別是基于用戶平面數(shù)據(jù)是NGC直接發(fā)送到LTE還是通過NR RAN發(fā)送。而部署的先決條件是升級到eLTE（R15版本），并具有完善的5G覆蓋范圍。

（3） Option7：Dual Connectivity（4G/5G）

Option7/7a/7x表示下一代核心網(wǎng)（NGC）將與LTE和NR空口混合使用，這個組網(wǎng)方式會使用下一代信令，但是會通過LTE連接NGC來承載。從gNB的角度來看，這是NSA，因為它需要ng-eNB作為到核心網(wǎng)5GC的信令面連接的錨點。和Option3/3a/3x類似，Option7和7a的不同之處在于用戶面數(shù)據(jù)是直接發(fā)送到NR還是通過LTE發(fā)送，option7x則是7和7a的混合體，用戶面的數(shù)據(jù)分流是在5G Cell上，而option7則是在LTE上，option7a在5GC上。option3和option7的區(qū)別主要是在是否使用5G核心網(wǎng)，空口信令是否使用NR來承載。Option7是5G核心網(wǎng)下的NSA NR，部署option7必須首先要對現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)升級到eLTE，也需要新建下一代核心網(wǎng)NGC，這種組網(wǎng)方式對于準(zhǔn)備把傳統(tǒng)LTE、EPC升級到NGeNB（eLTE）和5GC的區(qū)域和運營商特別有吸引力。

三、NSA option3x 雙連接

（一）概念

NSA Mode 3x雙連接操作需要要使用傳統(tǒng)EPC核心網(wǎng)、以及LTEeNB和NR 5GNB之間的互操作：

·LTEeNB作為MeNB （MastereNB）提供了與EPC/MME之間的控制面（C-Plane）連接

· NRgNB作為SgNB （SecondarygNB）提供了與EPC/S-GW之間的用戶面（U-Plane）連接

空口上，支持雙連接功能的UE同時與LTE 和5G小區(qū)連接

·MeNB提供/控制面和用戶面的連接

·SgNB僅提供用戶面數(shù)據(jù)的連續(xù)

（二） 接入流程

·UE在LTE小區(qū)上接入，并建立 RRC連接

·建立 QCI6...9的non-GBR EPS承 栽（EPS Bearer〉

·MeNB確認(rèn)：

相應(yīng)Bearer適用于雙連接模式， 即用戶面數(shù)據(jù)可以H時通過 LTE和5G上傳或下栽：

相應(yīng)UE支持雙連接功能

·eNB在X2-C接口上觸發(fā)SgNB添 加（SgNB addition） 過程

·SgNB側(cè)準(zhǔn)備并預(yù)留無線資源

·SgNB在X2-C接口上向MeNB確認(rèn) SgNB addition成功

·MeNBM過LTE空 口通知UE： SgMB資源已經(jīng)準(zhǔn)備好，UE可以開始雙 連接模式

·UE接入5G小區(qū)：

S1-U 接口從S-GW+*>MeNB 轉(zhuǎn) 到 S-GW ++SgNB：

SgMB側(cè)？用戶數(shù)據(jù)split成兩條 可選路柃：一條古接走5G空口、 另一條通過X2-U接口空口

（三） MCG Bearer vs SCG Split Bearer

MCG Bearerr轉(zhuǎn)換為SCG Bearer Split后，NR PDCP負(fù)責(zé)用戶數(shù)據(jù)在LTE和5G中的 split

四、NSA option3x 加密

（一）概念

根據(jù)3GPP 33.401，空口上的數(shù)據(jù)加密需要下面輸入：

·KEY

·COUNT

·BEARER

·DIRECTION

·LENGTH

· 選擇的EEA加密算法

在NSA架構(gòu)下，對于不支持雙連接的UE會接入到傳統(tǒng)的LTE中，使用傳統(tǒng)的LTE加密算法和完整性保護(hù)算法，在這不做探討。

對于支持LTE、5G雙連接的UE在接入層的加密算法的選擇分為三種情況：

（1）通常情況下的CPLANE數(shù)據(jù)是由LTE側(cè)PDCP層負(fù)責(zé)選擇加密和完整性保護(hù)，與傳統(tǒng)LTE一致。

（2）UPLANE數(shù)據(jù)是由5G基站側(cè) PDCP層來負(fù)責(zé)選擇加密。

（3）特殊情況下的CPLANE數(shù)據(jù)，也可以由5G基站側(cè)PDCP層來負(fù)責(zé)加密和完整性保護(hù)。

（二）原理

在轉(zhuǎn)換到SCG Bearer Split模式之后，位1SgNB中的NR PDCP負(fù)責(zé)分組數(shù)據(jù)的加密功能（packet encryption）

（三）加密流程

通過X2AP：SGNB ADDITION REQUEST信令，gNB-CU通過NR UE Security Capabilities字段獲取UE支持哪些加密（encryption）和完整性保護(hù)（integrity protection）算法的信息。

· MeNB負(fù)責(zé)把UE終端支持的算法前轉(zhuǎn)給SgNB;而gNB-CU最終 決定采用哪一種算法

·只要提供加密算法用于用戶面數(shù)據(jù)加密

·無需提供完整性保護(hù)算法，因為5G空中無法傳送控制面消息

（四）加密所需輸入取值

由于NR PDCP—個實體對LTE和5G兩個空口上傳送的數(shù)據(jù) 都做了加密，所以UE中的兩個PDCP實體必須使用相同的 輸入進(jìn)行加密/解密

·KEY：gNB-CU利用SgNB Security Key字段推導(dǎo)值KsgNB UP-en，該值是5G空口加密必須用到的。

·COUNT：COUNT為32位的一個值，由HFN和PDCPSN組成（對于下行 用戶數(shù)據(jù)來說，PDCP SN作為PDCP頭被添加到每個PDCP SDU中;對于上行用戶數(shù)據(jù)來說，PDCPSN宜接從RLCM前轉(zhuǎn) 過來的PDCP PDU的PDCP頭中讀取）

· BEARER：即X2AP： SGNB ADDITION REQUEST消總中的IE：DRB

ID （range 3...32>字段的5比特的值

·DIRECTION：上行取值為0，下行取值為1

·LENGTH：設(shè)罝為128比特

·選擇的EEA加密算法：由 SgNB從X2AP： SGNB ADDITION REQUESmg、的IE：NR UE Security Capabilities的字段提供的選項中選取，選擇UE支持的最高優(yōu)先級的加密算法。

被選擇的加密算法通過X2AP： SGNB ADDITION REQUEST ACKNOWLEDGE消息通知到MeNB，并通過RRC重配過程 （RRC Connection Reconfiguration）前轉(zhuǎn)到UE終端。

4.5 KEY的繼承

KEY的繼承結(jié)構(gòu)如上圖所示， 5G基站所用到的KEYs（KUPenc、KRRCenc、KRRCint）都是通過LTE發(fā)送的KeNB來產(chǎn)生

參考文獻(xiàn)：

[1]3GPP TR38.801 V14.0.0 Study on new radio access technology： Radio access architecture and interfaces

[2]3GPP TR23.799 V14.0.0 Study on Architecture for Next Generation System

[3]陳鵬.5G 關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)演進(jìn)[D]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016