5G与LTE双连接技术架构选择

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来源：《移动通信》2017年第02期

        【摘 要】为了深入理解LTE向5G的演进过程中双连接技术的作用，从3GPP R12版本中的LTE双连接的技术特点出发，说明了5G与LTE双连接应用的必要性、用户面与控制面架构选择思路、MeNB与SeNB选择方法及分流方式等问题，并对未来5G网络的建设部署、5G与LTE系统的共存及LTE向5G网络的演进方式和策略选择方法进行了初步分析。

        【关键词】5G LTE 多连接 双连接 载波聚合

        doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2017.02.006 中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1006-1010（2017）02-0027-05

        引用格式：孟颖涛. 5G与LTE双连接技术架构选择[J]. 移动通信， 2017，41（2）： 27-31.

        1 引言

        未来的5G网络建设中，可以采用5G作为宏覆盖组网，也可以采用5G微小区进行热点覆盖。无论采用哪种组网方式，都可以通过5G与LTE系统间的双连接（Dual Connectivity）技术来提高无线资源利用率，降低系统切换时延，从而提升用户和系统性能。

        要实现5G与LTE间的双连接，就需要考虑如何选择双连接架构，并考虑不同架构对5G与LTE的用户面和控制面协议的影响。下面将从双连接的概念、5G与LTE间双连接应用的必要性、用户面和控制面架构的选择思路等方面进行分析。

        2 LTE多连接及双连接技术简介

        在异构无线系统中，不同类型的基站协同组网时，由于单个基站的带宽资源和覆盖范围有限，因此集中多个小区或者基站的无线资源来为用户提供服务，更易于满足用户的容量需求和覆盖要求，这种方式通常称为多连接。在LTE系统中，常用的多连接方式包括载波聚合、CoMP（Coordinated Multiple Points Transmission/Reception，多点协作传输）以及双连接等。

        移动通信系统中，带宽越大，所能提供的吞吐量就越高。R10版本中提出了LTE-A载波聚合技术，实现不同系统（FDD、TDD）、不同频段、不同带宽间频带的组合使用，以便利用更大的带宽来提升系统性能。载波聚合技术中，多个载波主要在MAC层（媒体接入层）进行聚合，多个分量载波共享MAC资源，MAC层需要支持跨载波调度，控制载波间的时域和频域联合调度。

        基站间采用时延较小的光纤链路时，基站间协同调度的性能可以得到保证，所以载波聚合技术能够提供较好的性能。但是，基站间采用xDSL（x Digital Subscriber Line，各类型数字用户线路）、微波以及其他类似中继的链路时，传输时延较大，对载波聚合以及CoMP的性能影响也较大，因此需要采用LTE R12版本中提出的双连接技术，它是基站间非理想传输条件下的性能解决方案。在这种方式下，为了规避MAC层调度过程中的时延和同步要求，数据在PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议）层进行分割和合并，随后将用户数据流通过多个基站同时传送给用户，从而有助于实现用户性能提升，对用户总体吞吐量和切换时延都有帮助。

        2.1 LTE双连接控制面架构

        LTE系统中，处于双连接模式下的UE（User Equipment，用户终端）可以同时从两个eNodeB中接收数据。其中，一个eNodeB与MME（Mobility Management Entity，移动性管理实体）之间存在S1-MME连接，提供S1-MME连接的eNodeB称为MeNB（Master eNodeB，主eNodeB）；另一个eNodeB用于提供额外的资源，称为SeNB（Secondary eNodeB，次eNodeB）。

        每个eNodeB都能够管理UE和各自小区中的无线资源，MeNB与SeNB之间的资源协调工作经由X2接口上的信令消息来传送。图1为双连接模式下UE的控制面连接示意图。其中，S1-MME终结在MeNB，MeNB与SeNB之间经由X2-C（X2 Control，X2控制面）接口来互连。

        图1 双连接技术控制面连接示意图

        LTE双连接系统中，SRB（Signalling Radio Bearer，信令无线承载）不能被分担或者分割，也就是说，UE所需的全部RRC（Radio Resource Control，无线资源控制）信令消息和功能都由MeNB进行管理，如公共无线资源配置、专用无线资源配置、测量和移动性管理等。R12规范中，MeNB与SeNB的RRM（Radio Resource Management，无线资源管理）功能在协调后，由MeNB产生最终的RRC消息发送到UE，UE认为所有RRC消息都是由MeNB发送的，因此也只对MeNB进行回应。RRC消息在底层如何传送，取决于用户面解决方案。具体如图2所示：

        图2 3GPP R12中双连接的RRC传送方案示意图

        2.2 LTE双连接用户面架构

        LTE双连接中，数据面无线承载可以由MeNB/SeNB服务或者由MeNB和SeNB同时服务。仅由MeNB服务时称为MCG（MeNB Controlled Group，MeNB控制的服务小区组）承载，仅由SeNB服务时称为SCG（SeNB Controlled Group，SeNB控制的服务小区组）承载，同时由MeNB和SeNB服务时称为分离（Split）承载。具体如图3所示。

        MCG承载是传统的承载模式，控制面信令通常是由MeNB承载来传输的。

        SCG承载方式下，同一数据承载（上行和下行）由核心网控制分配到MeNB或者SeNB中。MeNB与SeNB都存在S1-U（S1-User，S1用户面）连接，数据流在核心网分割后，经由MeNB和SeNB进行传送，SeNB起到负荷分担的作用，这种架构也称为1a方式，如图4所示。

        这种方式对基站间回程没有特殊要求，层2协议层也无需进行特殊配置，基站间不存在负荷分担功能，其峰值速率完全取决于MeNB和SeNB自身的无线能力，切换过程中需要核心网参与，并存在数据中断的问题。

        分离承载方式下，只在MeNB与核心网之间存在S1-U连接，所有下行数据流首先传送到MeNB，然后经MeNB按照一定算法和比例进行分割后，再由X2接口把部分数据发送给SeNB，最终在MeNB和SeNB上同时给UE下发数据，这种架构称为3c方式，如图5所示。

        在这种方式下，用户从两个系统中获取下行数据，便于实现负荷分担和资源协调功能，同时也有利于提高用户速率。另外，切换过程对核心网影响较小，且由于存在多条无线链路，所以切换时延低。其缺点在于对基站间回程要求高，层2协议复杂性要求高，且基站间回程需要实现流控等功能。R12版本中规定，分离承载方式只适用于下行方向。而上行方向上，数据流不进行分割，可以经由MeNB或者SeNB进行传输。

        需要注意的是，分离承载和SCG承载不能同时存在，即1a和3c方式需要工作。由于这两种方式各有优缺点，所以在实际中如何选择需要依据运营商对网络的部署以及对网络性能指标的要求的权重等因素来确定。

        3 5G建设中使用双连接的必要性

        在LTE网络基础上部署5G热点时，可以只建设5G基站，将5G无线系统连接到现有的LTE核心网络中，就可以实现5G系统的快速部署。在这种情况下，通过双连接技术实现5G与LTE系统间的协同工作，有助于提升用户速率，降低切换时延。

        随着5G网络的大规模部署，会考虑采用5G系统单独进行组网，这种情况下虽然5G可以提供高速业务和更高的业务质量，但是在某些覆盖不足的地方仍可以借助LTE系统来提供覆盖和容量，因此双连接仍将是一个不可或缺的技术手段。

        从5G部署场景来看，采用双连接技术有助于提高系统性能。在连续广域覆盖场景下，用户同时连接到多个小区或者服务小区组，在切换过程中有助于降低时延，避免业务中断，保持业务连续性。在热点高容量覆盖下，通过双连接技术，用户使用多个小区的无线资源同时传送数据，可以提高用户吞吐量，满足热点高容量需求。对于低时延高可靠场景来说，采用多个链路进行数据和控制消息的传送，可以提高数据或者信令的传输速度和可靠性。

        4 5G与LTE双连接架构考虑

        在5G与LTE系统间采用双连接方式时，需要考虑如何选择用户面和控制面架构、UE的支持状态等问题。

        4.1 双连接控制面架构选择

        （1）控制面双连接架构选择

        控制平面的多连接传输是指网络通过多个小区为用户提供控制信令的传输。对于RRC消息来说，R12版本中规定仅由MeNB控制RRC消息的处理工作。除此之外，未来5G系统中也许还可以考虑RRC的分集发送及多链路传送等技术，以提高RRC信息传送的可靠性。

        ◆RRC的分集传输

        在多个小区中传送RRC控制信令，可以保证RRC消息传送的可靠性。切换过程中，在源小区和多个目标小区内同时传输切换相关的信令，还可以避免无线链路失败及RRC连接重建过程，从而提高切换性能，以保证用户的无缝移动性。

        ◆RRC的多连接

        由多连接服务小区组内的多个小区向用户发送RRC信令，可以降低传输时延和回传链路上的信令开销，实现快速高效的RRC配置和对多连接链路的优化管理。

        对于上述多种方式，都需要考虑主服务小区和非主服务小区的RRC功能划分、RRC信令的一致性以及信令流程等问题。

        （2）MeNB与SeNB的选择

        5G系统中是否具有完整的RRC协议层，将决定5G基站在双连接网络中的角色。

        如果5G与LTE共用LTE核心网，但5G系统不支持所有的RRC消息，则UE无法通过5G网络接入，5G系统的关键RRC消息仍需通过LTE系统下发，此时LTE可作为MeNB，5G系统只能作为SeNB。

        如果5G采用核心网，则意味着5G与LTE都具有完整的RRC协议和控制面协议，因此可以灵活选择5G基站作为MeNB还是SeNB。

        4.2 双连接数据面架构选择

        （1）用户面双连接架构选择

        LTE定义的双连接用户面架构中，如果同时采用MCG承载和分离承载，则相当于3c模式；如果同时采用MCG承载和SCG承载，则相当于1a模式。那么，未来的5G与LTE采用双连接时该考虑选用哪种架构呢？

        采用1a架构时，数据流从核心网进行分割，再经由MeNB和SeNB进行传送。这种方式对无线网络中各协议层影响较小，便于快速部署，但是无线资源协调功能相对较差，从而影响系统性能。如果采用这种架构实现5G与LTE系统间的双连接功能，则可以降低对LTE无线系统的影响，且采用支持R12协议的LTE核心网即可快速实现双连接功能。

        采用3c架构时，数据流在MeNB中分流后，经由MeNB和SeNB同时下发。如果采用这种方式实现5G与LTE网络间的双连接，则需要对PDCP协议和算法进行修改，因此对无线系统影响较大。

        具体采用1a还是3c方式，可以从网络建设需求和技术开发难度两个角度来考虑：

        ◆目前5G标准尚未确定，5G核心网络也处于研发阶段，因此如果想要快速建设5G无线网络，可考虑将非标准化的5G无线系统接入LTE核心网，并采用1a双连接模式，就可以快速实现5G与LTE之间的双连接功能。这种方式既方便快捷又降低开发成本，并且还能够避免对LTE无线网络的临时性改造；缺点是由于使用LTE核心网，所以5G系统的带宽可能受到核心网的。此外，5G与LTE系统带宽差异较大时，还需要深入研究核心网络分流时用户的性能特点。

        ◆未来5G空口标准明确后，5G与LTE的PDCP协议层不再发生太大变化，就可以根据标准要求设计符合规范要求的5G无线系统，或者对LTE无线系统进行相应改造，从而设计出满足3c架构双连接需求的算法，实现类似3c的双连接网络体系，以便更好地实现无线资源间的协调和控制功能。

        当然，5G标准中也可能会采用其他新的架构来实现双连接功能。因此，未来3GPP标准中如何进行选择和取舍，还有待进一步观察、分析和研究。

        （2）3c模式下的分流方向

        3c模式下，在5G与LTE之间实现双连接功能时，由于5G系统带宽资源比LTE大很多，因此从5G还是从LTE进行分流，对用户的感知可能会产生一定的影响，具体分析如下：

        不管是采用1a还是3c架构，都需要保证用户侧数据报的有序传送和接收。正常情况下，5G与LTE性能差异较大，采用两条流速不同的链路难以保证同一用户数据的有序传送，从而导致高速链路被低速链路所拖累，使承载的整体性能下降。因此，这种情况下采用双连接对用户面性能没有太大帮助，但是控制面仍可以提供时延和可靠性的改善。为了解决用户面的问题，可以考虑全分割的方式（或称为转换方式），即同一时刻数据只在一个网络上进行传送而不同时在两个网络上传送，以避免两个网络之间速率不同所产生的问题。

        在某些场景下，5G与LTE性能差异较小，通过分流有利于实现两者资源的协同应用。鉴于未来5G核心网设备的功能较为强大，协议扩充性更强，空口性能也较好，因此可使用5G基站来控制分流，以便降低对LTE协议的影响，从而提供更好的性能。

        4.3 UE的支持性

        在5G系统中，无论采用哪种双连接网络架构，都需要终端和芯片予以支持。因此，设备商需要和芯片厂家一起研究分析相关的解决方案，对协议修改的方便性和可行性等方面进行抉择。

        比如，在现有LTE芯片上实现5G与LTE的双连接功能，需要新增5G协议处理模块以及LTE/5G数据分割和聚合模块，支持不同系统下发的数据流的有效组合和排序处理，以保证数据的有序接收和高性能，这对现有芯片的改造可能较大。此外，如果早期网络建设中以求降低工作量，加快工期，仅考虑承载全分离功能，也需要相应的芯片予以支持。

        5 结论

        本文从LTE双连接架构出发，描述了双连接相关的基本概念和架构方面的特点，并进一步分析了未来5G网络建设中5G与LTE双连接架构的选择思路和原则。在未来的5G系统中，无论采用组网还是混合组网方式，对于各种应用场景都可以借助5G与LTE系统间的双连接技术来提高吞吐量和可靠性、降低时延等性能。

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