5GNSA组网技术方案研究

5GNSA组网技术方案研究

摘要：针对近期运营商转向5GNSA组网的现状，在全面梳理并建立NSA组网方案研究框架的基础上，简单说明NSA组网基本原理、架构选择、组网规划、工程实施、发展演进等环节的关键问题，并对近期最关注的NSA锚点选择问题，从锚点产业链端到端支持情况、网络连续覆盖性能判别等方面进行深入分析，提出了利用站间距快速初选锚点的方法，并结合同厂家因素进行综合选择建议。关键词：5G，NSA，锚点，连续覆盖，站间距1引言5G组网架构可以分为SA和NSA两大类。SA方案中，5G无线网与核心网之间的NAS（Non-AccessStratum，非接入层）信令通过5G基站传递，5G可以独立工作。NSA方案中，用户通过双连接方式同时接入5G和4G基站，通过5G和4G基站之间的协作（NAS信令由“锚点”基站传递，用户数据流在5G基站和4G基站内分流）享受5G服务。SA方案的优势在于可满足多样化、垂直行业的应用需求，劣势在于技术标准及产品设备晚于NSA三个月至半年，且核心网用户数据迁移难度大、风险高。NSA方案优势在于可实现快速布网，劣势在于引入更多的4G、5G无线互操作，无线复杂度较高。出于抢占5G竞争先机的需要，大部分国内外运营商当前采用NSA方案或NSA、SA方案并举。本文在全面梳理并建立NSA组网方案研究框架基础上，简单贯通说明NSA组网的关键问题，并对近期最关注的NSA锚点选择问题进行了深入分析。2NSA组网技术方案研究框架按照认识由浅入深、从理论到实践的规律，梳理NSA组网的主要环节和关键问题，建立如表1所示的NSA组网方案研究框架。并对上述主要环节的关键问题进行简述（“锚点选择”除外，将在第3部分详细分析）。表1NSA组网方案研究框架和关键问题主要框架关键问题基本原理NSA终端双连接能力如何通知网络5G小区（SN）的添加、改变和删除过程架构选择选项3系列、选项7系列的选择选项3系列中子选项的选择组网规划锚点选择上行功率规划工程实施4G网络升级改造内容与范围5G基站与锚点基站在工程安装配置上有无特殊要求发展演进能否根据业务灵活选择4G网络直接承载或4G、5G分流承载能否根据4G网络负荷情况灵活选择锚点NSA与SA架构如何共存2.1基本原理首先，NSA终端与普通4G终端一样进行初始接入，并且在附着过程中会将支持双连接的能力通知网络。MME决定NSA终端是否可以使用DCNR（DualConnectivityNewRadio，与5GNR的双连接）。若MME同意NSA终端使用双连接，MN（MasterNode）即双连接中的4G锚点小区为NSA终端配置目标NR频点的测量控制信息，NSA终端上报针对NR频点的B1（或B2事件）的测量报告后，4G锚点小区可以触发添加SN（SecondaryNode）即5G小区的流程。相关标准[1]已经对EN-DC（E-UTRANNRDualConnectivity，以4G为锚点的4G、5G双连接）中SN的添加、改变和释放做出了明确规定，为NSA组网的移动性保障奠定了技术基础。2.2架构选择参考文献[2]列出了5G架构选项全集，其中选项3系列、7系列和8系列均为NSA架构。考虑到5G核心网尚未完全成熟，选项7系列在5G部署初期不可用。选项8系列是将5G基站作为锚点接入4G核心网，并与4G基站构成双连接，与5G部署初期5G覆盖尚不完善的现实场景完全不符。因此，选项3系列的子选项3、3a、3x成为当前阶段NSA架构选择的主要对象。参考文献[3]对选项3、3a、3x的工作模式和特点进行了详细分析。选项3x控制面由4G基站作为锚点接入4G核心网，用户面由5G基站进行数据分流，综合考虑方案的灵活性及网络整体性能，选项3x架构最优。图1为选项3x架构示意图：图1选项3x架构示意图2.3组网规划既然锚点为NSA终端提供接入网络的NAS信令通道，必然应选择网络连续覆盖性能好的4G频点作为锚点。关于锚点选择的深入分析详见第3部分。在一定的小区边缘速率要求下，4G和5G均为上行受限系统。终端上行发射总功率及其分配方式将影响NSA上行连续覆盖性能。目前上行功率分配方式有以下三种方式：半静态分配、时分方式和动态功率共享[4]。半静态功率分配通过网络提前设置终端4G上行最大功率和5G上行最大功率，且两者之和不大于终端最大上行功率。该方式配置较为简单，但上行覆盖受限较为明显。以FDD1800做锚点时，终端上行最大功率为23dBm为例，若平均分配，4G和5G上行最大功率只为20dBm，同等边缘速率要求下NSA终端的4G上行覆盖较普通4G终端约收缩20%。时分方式由网络侧对4G和5G进行上行时分调度，并分别以4G上行最大功率值和5G上行最大功率值调整用户发射功率目标值（该两值应分别不大于终端最大上行功率）。该方式适用于终端位于远点时。动态共享方式可以优先保障终端在LTE侧的网络体验。上行功率规划还需结合NSA网络开通后的实际效果进行调整。2.4工程实施NSA组网方案下，现网4G基站应进行系列改造以支持4G基站与5G基站之间的双连接建立与管理。如：X2接口上双连接建立、修改、变更、释放等信令流程，数据在X2接口上的分流、流量控制以及双连接下的移动性等。网络升级可只针对锚点小区进行。工程实施环节的基站安装，不强制要求5G基站与4G锚点基站共站址或共机框，即使X2接口通过传输环引入时延，根据传输互通的不同位置，新引入时延约0.4ms～2ms，对于eMBB业务影响不大[5]。也不强制要求5G与锚点小区天馈同方向。但从互配邻区便利性和减少4G锚点与5G辅节点间无谓切换的角度来看，5G与4G锚点小区的天线方位角最好一致。某些厂家在5G与4G锚点小区共站址同覆盖方向时，可以对5G小区采用“盲添加”策略，在一定程度上可以减少5G小区测量时间。2.5发展演进为保障用户感知，应进一步探索根据业务来配置分流的方案。例如，VoLTE只在4G上承载，不做5G分流；数据业务采用分流承载，在5G和4G间分流。若NSA架构长期存在，还应挖掘根据4G网络负荷情况灵活选择锚点的技术方案，以及NSA与SA共存的网络架构。3NSA锚点选择分析中国移动4G为多制式多频段组网，室外TDDF频段和D频段联合构成了连续覆盖，FDD1800室外连续覆盖尚在完善中。如何选择NSA锚点是近期组网规划最关注的问题。结合锚点产业链端到端支持情况和预估的中国移动2019年底的4G网络覆盖情况，选择连续覆盖性能好、边缘速率高的4G频点作为锚点是锚点选择的核心观点。下面给出对锚点产业链端到端支持情况的调研，以及判断4G单一频点网络小区边缘速率和连续覆盖性能的操作方法。这两项分析，可为锚点选择提供切实依据。3.1NSA不同频段锚点端到端支持情况分析面向2019年试商用，FDD1800锚点、TDDF频段锚点端到端产业链支持情况相对较好，具体支持情况如下所示：（1）标准化进展◆FDD1800、TDDF频段锚点已于2018年下半年完成3GPP标准化。◆TDDE频段锚点于2019年3月初刚写进3GPP标准。◆TDDD频段锚点因与5GNR同频，终端功率回退问题尚待解决，还未标准化（可能于2019年6月写入标准）。◆中国移动集团企标目前仅要求FDD1800和TDDF频段锚点。（2）芯片支持情况◆高通：5G芯片已支持NSA1.8G锚点，硬件上具备支持1.9G锚点能力。愿意根据中移动要求开发支持不同频段锚点，在标准化完成后预计2个月可以完成。◆海思：5G芯片软硬件支持1.8G和1.9G锚点。（3）终端支持情况◆Vivo等高通方案厂家硬件具备支持1.8G/1.9G锚点能力，软件目前支持1.8G锚点，高通发布其它频段锚点软件后可支持。◆华为终端支持1.8G/1.9G锚点。（4）系统侧支持情况基站侧具备全频段锚点支持能力。3.2结合小区边缘速率的4G单频点网络连续覆盖性能判别方法NSA架构中，锚点是5G基站接入网络的通道，锚点网络的连续覆盖性能影响用户对5G网络的移动性感受。尤其对于5G语音，它通过VoLTE实现，采用锚点承载。如果锚点连续覆盖性能较差，5G用户语音感受将可能劣于现网VoLTE，影响用户体验。FDD1800单站覆盖能力优于TDLF频段。但中国移动FDD1800大规模建设启动较晚，预计至2019年底，部分城市城区FDD1800基站规模较TDLF频段仍有一定差距。如何评价同一区域不同规模的FDD1800和TDLF频段网络的整体覆盖能力，本文提出3种方法进行对比分析。（1）站间距判别法1）上行/下行峰值速率峰值速率产生在小区极好点，与站间距无关。当4G锚点与5G同厂家时，通过厂家X2私有参数和算法的交互，有利于协同4G锚点和5G共同达到峰值。将中国移动的5G频段（2.6GHz频段）与友商的5G频段（3.5GHz频段）NSA组网下的峰值速率进行对比：因中国移动5G频段需要和TDDD频段对齐，上行会造成一定损失，故而上行峰值速率体验低于友商5G频段，但下行峰值速率具备一定优势。表2为不同锚点及5G频点组合条件下的终端峰值速率表：表2不同锚点及5G频点组合条件下的终端峰值速率表链路NSA（2NSA（3.5GHz）FDD1800锚点TDDF锚点异厂家锚点FDD1800锚点上行/Mb·s-114510595170下行/Gbs-11.851.811.701.65表2中峰值速率测算中，FDD1800锚点、TDDF锚点均按与5G同厂家考虑，且假定终端支持上行分流，峰值速率为锚点峰值与5G峰值之和；异厂家锚点无法协同分流，峰值速率仅为5G峰值。其它基本条件为：5GNR带宽100MHz，基站总发射功率200W、192阵子64T64R，终端总发射功率23dBm、NSA终端2T4R（4G和5G各1T），上行采用时分方式在4G和5G间分配功率。5G子载波间隔30kHz，当5G采用2.6GHz频段时帧结构为5ms（特殊时隙6:4:4），当5G采用3.5GHz频段时帧结构为2.5ms双周期（特殊时隙10:2:2）。FDD1800、TDDF频段带宽20MHz，基站发射功率40W。FDD1800基站4T4R，TDDF频段基站8T8R，NSA终端1T2R。图2和图3的计算条件与之相同。图2不同站间距下不同锚点设置的NSA上行边缘速率对比图图3不同站间距下不同锚点设置的NSA下行边缘速率图2）上行/下行边缘速率结合4G、5G基站链路预算和站间距数据，可以测算4G、5G小区边缘速率。同时考虑锚点与5G同异厂家对NSA分流策略的影响，可以得到4G不同频段作为锚点时，NSA边缘速率。相同站距区间内，基于同厂家FDD1800锚点的5G2.6GHzNSA网络性能具有明显优势；而异厂家锚点无法对业务数据进行分流，且双连接时上行只能单发，上行边缘速率极差。图2为不同站间距下不同锚点设置的NSA上行边缘速率对比图，图3为不同站间距下不同锚点设置的NSA下行边缘速率图。3）具体操作方法针对不同的业务特性，通过站间距预测边缘速率进行对比。如区域内业务对上行速率要求较高，则建议选择可提供较高上行边缘速率的网络作为4G锚点（如表3所示）；如对下行速率要求较高，则建议选择可提供较高下行边缘速率的网络作为4G锚点（如表4所示）。表3全网对上行速率要求较高时的锚点选择建议TDD-F平均站间距/mFDD1800平均站间距/m300～350350～400400～450450～500300～350FDD1800锚点FDD1800锚点FDD1800锚点TDDF锚点350～400FDD1800锚点FDD1800锚点FDD1800锚点FDD1800锚点400～450FDD1800锚点FDD1800锚点FDD1800锚点FDD1800锚点450～500FDD1800锚点FDD1800锚点FDD1800锚点FDD1800锚点表4全网对下行速率要求较高时的锚点选择建议TDD-F平均站间距/mFDD1800平均站间距/m300～350350～400400～450450～500300～350FDD1800锚点TDDF锚点TDDF锚点TDDF锚点350～400FDD1800锚点FDD1800锚点TDDF锚点TDDF锚点400～450FDD1800锚点FDD1800锚点FDD1800锚点TDDF锚点450～500FDD1800锚点FDD1800锚点FDD1800锚点FDD1800锚点因NSA中5G上行边缘速率低于4G，因此一般以上行覆盖作为标准，选择与5G同厂家的FDD1800作为锚点。只在NSA覆盖区内TDDF站点密度远大于FDD1800时（如表3中TDDF平均站间距300m～350m，而FDD1800平均站间距450m～500m时），才选择与5G同厂家的TDDF作为锚点。站间距判断法操作简单，仅依据区域内的TDDF和FDD1800规模便可对连续覆盖性能进行预判。但由于是理论测算结果，在局部区域，预判结果和网络实际性能可能存在一定偏差。（2）网络仿真法分别以TDDF和FDD1800为锚点进行NSA仿真，对比不同锚点方案可提供的5G业务速率，选择整体速率占优的网络作为锚点。网络仿真法操作较为复杂，可用图形直观呈现出不同锚点的NSA网络性能对比情况。但目前各省FDD1800规划方案暂未完全落地，若使用预估FDD1800站址清单仿真可能与实际落地方案出现较大偏差。（3）MR分析法理论上，可以通过对用户上报的MR进行分析，对比不同频点的覆盖率。但是目前FDD1800站点开通较少，无法对2019年底FDD1800大规模建成后的整体覆盖情况进行预判。另外，用户仅上报其处于连接态时所在频点的MR，该频点又受限于网络侧设置的优先级，无法指定某一频点进行上报，因此实际上报的MR体现的是所有4G频点的综合覆盖率，但无法准确体现单一频点的覆盖率。3.3锚点选择建议根据2019年锚点产业链端到端的支持情况，中国移动NSA锚点应在FDD1800和TDDF之间进行选择。可根据链路预算和站间距，采用站间距判别法，简易快速做出判断。锚点选择时还应综合考虑厂家5G设备量产时间与能力等因素，使锚点与5G设备同厂家。4结束语本文在全面梳理并建立NSA组网方案研究框架的基础上，简单说明NSA组网基本原理、架构选择、组网规划、工程实施、发展演进等环节的关键问题，并对近期最关注的NSA锚点