5G 超密集異構網絡雙連接技術架構設計

董春利

（南京交通職業技術學院 電子信息工程學院，江蘇 南京 211188）

0 引 言

根據雙連接（Dual Connectivity，DC）技術的定義可知，用戶設備（User Equipment，UE）可以同時連接到2 個基站，并使用不同的接入技術[1]。第三代合作伙伴計劃（the 3rd Generation Partner Project，3GPP）在R15 版本中解釋了各種DC 架構，包括獨立式架構和非獨立式架構，并在5G 超密集異構網絡（Heterogeneous Network，HetNet）中實現[2]。

1 DC 技術在5G 超密集HetNet 中的應用

在5G 超密集HetNet 中，UE 可以同時連接到5G新空口（New Radio，NR）和4G LTE-A核心網（Long Term Evolution-Advanced Evolved Packet Core，LTE-A EPC）[3]。DC 具有數據速率高、可靠性高、頻譜效率高等優勢，可以更好地平衡負載，且能夠與4G LTE-A 基礎設施兼容。在5G 超密集HetNet 中，使用DC 的唯一缺點是會增加射頻（Radio Frequency，RF）信號的復雜性。DC 技術在5G 超密集HetNet 中的應用如圖1 所示。

圖1 DC 技術在5G 超密集HetNet 中的應用

圖1 給出了3 種不同的應用場景。在場景1 中，UE 僅由宏蜂窩提供服務，因為其附近沒有可用的小蜂窩。場景2 是DC 的完美示例，HetNet 會向UE 提供雙重數據流，使UE 可以同時連接到宏蜂窩和小蜂窩，以提高峰值數據速率，但宏蜂窩和小蜂窩使用不同的頻帶。場景3 中，UE 僅由小蜂窩提供服務。由此可知，DC 是實現高吞吐量和更好頻譜效率的最佳選擇。

2 5G 非獨立接入架構

盡管3GPP 的R15 為5G 網絡系統的開發提供了不同的設計方案，但最合適的是非獨立接入（Non-Standalone Access，NSA）架構。在現有4G 長期演進（Long Term Evolution，LTE）基礎設施中啟用5G承載，以加速向5G 的轉變。NSA 體系結構是DC 的擴展形式，即EN-DC[4]。EN-DC 將4G LTE-A 的演進型基站（evolved Node B，eNB）作為主基站（Master eNB，MeNB），將下一代基站（next generation Node B，gNB）作為次要基站（Secondary gNB，SgNB），同時為UE 服務。EN-DC 適用于5G 超密集HetNet，因為MeNB 在LTE-A EPC 基礎設施上運行，而SgNB可以使用5G 無線接入網信道的NR。5G EN-DC NSA架構如圖2 所示。

圖2 5G EN-DC NSA 架構

由圖2 可知，UE 可以通過4 種不同的配置連接到服務網關（Serving GateWay，S-GW）。第一，主小區組（Master Cell Group，MCG）承載。在配置中，信息從S-GW 發送到MeNB，而MeNB 直接將信息轉發到UE。由于SgNB 不參與該過程，DC 無法實現。第二，MCG 拆分承載。在MCG 拆分承載配置時，MeNB 處會發生拆分承載。數據傳輸流不僅會從MeNB 直接發送到UE，還會通過SgNB 進行發送。MeNB 接收到的信息可以分為2 個部分，一部分直接傳輸給UE，另一部分傳遞給SgNB，且SgNB向UE 發送該信息。第三，輔小區蜂窩組（Secondary Cell Group，SCG）承載。與MCG 承載配置類似，SCG 承載配置不使用拆分承載方法，而是數據直接從S-GW 發送到SgNB，再發送到UE。在該特定配置中，UE 由5G NR 接入提供服務。第四，SCG 拆分承載。在該配置中，數據傳輸分為SgNB 和MeNB這2 種方式，但大部分數據是由SgNB 傳輸的。

實現NSA 架構的主要目標是啟用5G EN-DC 和現有LTE 系統中的DC。NSA 架構可以結合下一代5G 網絡系統與現有4G 網絡，從而更快地推出使用。

3 5G 獨立接入架構

獨立接入（Standalone Access，SA）架構是5G NR 接入的主要部署場景，UE 直接連接到gNB，且gNB 與5G 核心網連接。因此，需要建立一個新的核心網，而非LTE-A EPC 核心網。5G NR SA 技術要求將4G 無線接入網完全升級為NR 接入，并將LTE-A EPC 基礎設施升級為新的5G 核心網基礎設施，才能開始提供服務。5G SA 架構是一個全新升級的核心網系統，eNB 被增強為gNB，5G 核心網取代了LTE-A EPC 核心網。因此，5G SA 有望成為一個具有NR 接入的智能架構，提高終端用戶的服務質量（Quality of Service，QoS）。

4 基于DC 的切換程序設計

切換是移動通信網絡保持業務連續性的一項重要功能。5G 超密集HetNet 中的DC 切換，是對傳統移動網絡切換的進一步優化和發展，是保持DC 的重要步驟。

在設計5G 超密集HetNet 的DC 過程中，可以預測2 種不同的切換場景。第一種是當UE 在4G LTE-A 系統中從舊的MeNB 移動到新的MeNB 時；第二種是當UE 在2 個小蜂窩之間進行切換時，即從現有SgNB 切換到新的SgNB。由于小蜂窩具有超密集部署和覆蓋區域有限等特點，小蜂窩之間會發生頻繁切換，而MeNB 保持正常連接。在LTE-A EPC 和5G 超密集HetNet 中，參考信號接收功率（Reference Signal Received Power，RSRP）在切換過程中發揮著重要作用。如果新SgNB 的RSRP 值高于連接的SgNB，UE 會進行切換；反之，則連接保持不變[5]。5G 超密集HetNet 中DC 的切換過程如圖3 所示。

圖3 5G 超密集HetNet 中DC 的切換過程

UE同時連接到LTE MeNB和5G SgNB（小蜂窩1）。首先，UE 從小蜂窩1 移至小蜂窩2 時，MeNB 會向小蜂窩2 發送報警消息，通知其有新的UE 到達。其次，當UE 到達小蜂窩2 附近時，會接收來自小蜂窩2 的導頻信號。最后，小蜂窩2 向MeNB 發送請求信號，以觸發切換過程。在切換過程中，MeNB 會檢查UE 在小蜂窩2 的RSRP 值，如果UE 在小蜂窩2 處的RSRP 值高于小蜂窩1，則切換過程開始。在此過程中，UE 會連續接收2 個數據流，一個來自MeNB，另一個來自SgNB。UE 從小蜂窩2 移動到小蜂窩3時的切換過程與UE 從小蜂窩1 移至小蜂窩2 的切換過程相同。

文獻[6]詳細介紹了5G 超密集HetNet 在DC 過程中使用的切換程序。文章設計的5G 超密集HetNet新的MeNB 控制的DC 切換步驟包括以下幾步。第一步，UE 生成無線資源控制（Radio Resource Control，RRC）測量報告，并發送給現有的LTE MeNB。第二步，MeNB 接收RRC 報告，并比較RSRP 值。如果相鄰SgNB 的RSRP 值高于現有SgNB，則將其傳遞給MCG 和SCG 移動性管理組。第三步，發生切換時，MCG 和SCG 檢查相鄰的SeNB 和現有的SeNB 參數。如果相鄰的SeNB 與新的MeNB 連接，則向新的MeNB 發送確認請求。第四步，向新的MeNB 發送切換請求消息，如關于載波頻率的所有信息。第五步，發送并確認新的MeNB 消息，開始切換過程。第六步，通過舊的MeNB 向UE 發送重新連接配置消息，UE準備切換LTE-A 和5G NR 鏈路。第七步，MCG 移動組釋放現有的SgNB。第八步，S-GW 和MME 切換數據傳輸，從舊的MeNB 切換到新的MeNB。第九步，MeNB 釋放UE 上下文并轉移到新的MeNB。第十步，現有的SeNB 釋放UE 上下文，并將其傳輸給相鄰的SeNB。第十一步，生成LTE-A RRC測量報告，并發送給新的MeNB。至此，切換過程完成，數據流從新連接的SgNB 開始傳輸。

5 結 論

DC 是5G 網絡中最先進的技術，彌補了NR 部署存在的一些問題，且UE 可以同時連接到2 個基站。然而該技術使無縫切換變得更加復雜，尤其是在2 種不同網絡類型之間切換時，因此需要采用高效且有效的切換決策算法來管理移動性并實現目標。同時，傳統的基于反應式的模型必須過渡到主動式數據驅動模型。未來，相關研究者需要深入研究并分析多連接、協作切換、機器學習以及軟件定義網絡等內容，以提高切換管理的穩定性。