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5G LTE联合组网与5G独立组网方式的对比分析
[ 通信界 / 高羽 马云飞 / www.cntxj.net / 2018/9/13 19:52:21 ]
 

1. 前言

 

5G网络建设过程中,是采用LTE与5G联合组网(Non-standalone,简称NSA)还是采用5G独立组网(Standalone,简称SA),是运营商必须考虑的问题。联合组网有助于利用LTE的资源来降低建设成本,而5G独立组网则便于体现出5G技术优势以提高服务质量。

 

对于这个问题,虽然一些运营商之前已经做出了不同的选择,但是目前3GPP标准还是会优先考虑联合组网,2017年底5G联合组网的标准会首先完成,2018年7月份会完成5G独立组网的相关规范。

 

那么,NSA和SA的主要区别是什么,运营商和设备商又会如何选择哪?下文从网络架构、部署方式、迁移路径等方面予以分析。

 

 

2. 5G独立组网和非独立组网的概念和架构选项

 

概括来讲,5G独立组网(SA)就是建立端到端的5G网络,非独立组网(NSA)则是5GLTE联合组网。

 

根据无线网络和核心网的不同,3GPP规范中针对组网方式定义了多种选项,以便运营商有针对性地进行选择。不同建设阶段的选择也会有所不同,比如,是考虑新建5G核心网(NGC)还是考虑EPC升级、是提供热点覆盖还是连续覆盖、是否考虑LTE与5G无线系统之间的互操作等。

 

2.1    5G非独立组网和独立组网的概念

 

2.1.1    5G非独立组网

 

5G非独立组网是指LTE与5G基于双连接技术进行联合组网的方式,也称LTE与5G之间的紧耦合(Tight-interworking)。

 

LTE系统中采用双连接时,数据在核心网或者PDCP层进行分割后,将用户数据流通过多个基站同时传送给用户。而LTE与5G系统联合组网时,核心网和无线网都存在多种选择。因此,根据所采用的核心网和控制面连接方式的不同,细分为以下几类架构:

 

核心网采用EPC

 

核心网采用EPC时,LTE eNB和5G gNB用户面可以直接连接到EPC,控制面则仅经由LTE eNB连接到EPC。用户面可以分别经由LTE eNB、EPC或者gNB进行分流,对应选项3/3a/3x,如图1所示。

 

 

1

图1 5G与LTE联合组网架构3和3a示意图

 

核心网采用NGC

 

核心网采用NGC时,5G gNB可以直接连接到NGC,而LTE eNB则需要升级到eLTE eNB后连接到NGC。根据控制面连接方式的不同,分为不同的架构类型。控制面通过gNB连接时为4/4a方式,如图2所示;而控制面通过eLTE eNB连接时对应7/7a/7x方式,如图3所示。其中的a和x等选项表示不同的分流方式。

 

2

 

图2 5G与LTE联合组网架构4和4a示意图

 

3

图3 5G与LTE联合组网架构7和7a示意图

 

2.1.2    5G独立组网

 

5G独立组网时,采用端到端的5G网络架构,从终端、无线新空口到核心网都采用5G相关标准,支持5G各类接口,实现5G各项功能,提供5G类服务。

 

这种方式下,核心网采用5GNGC,无线系统可以是5G gNB,也可以是LTE eNB升级后的eLTE eNB,它们分别对应选项2和选项5。采用gNB与NGC组网时,对应架构选项2。将LTE eNB需升级到eLTE eNB后连接到5G核心网,对应架构选项5。如图4所示。

 

 

4

 

     图4 5G与LTE联合组网架构2(左)和5示意图(右)

 

2.2    5G非独立组网下的架构选项

 

LTE中,采用双连接时,需考虑MeNB与SeNB的选择、MCG分离承载与SCG承载的选择等问题。

  

LTE与5G之间的跨系统的双连接则更为复杂,因为其中还包括核心网和无线网之间的差异。故LTE与5G联合组网时,存在以下多种架构选项。

 

2.2.1    采用LTE核心网

 

采用LTE核心网时,不需要新的5G核心网,采用EPC连接支持5G功能的无线系统即可。这种模式下,控制面经由LTE系统连接到EPC,用户面则存在多种连接方式,如图5所示。

 

5G用户面经由LTE eNB连接到EPC时对应选项3;

5G和LTE的用户面都直接连接到EPC时对应选项3a;

LTE用户面经由5G用户面连接到EPC时对应选项3x。

 

 

  5

图5 LTE/5G双连接架构选项3/3a(左侧)和3x(右侧)

 

选项3类似于LTE双连接中的1a类型,3a和3x则类似于LTE双连接中的3c类型。选项3a由MeNB控制用户面分流;而3x则由SeNB控制用户面分流。3x是考虑到5G大带宽和高流量的特性而引入的,它可以降低对LTE无线系统的影响,有助于降低数据重传率,提升业务性能。

 

2.2.2    采用5G核心网(NGC)

 

采用5G核心网时,LTE eNB需升级到eLTE eNB,以支持到5G新空口并支持到5G核心网的连接。

 

根据控制面连接方式的不同,可分为选项4和选项7两类架构。其中,根据用户面以及分流方式的区别,还可分为4/4a以及7/7a/7x。

 

控制面经由5G gNB连接到5G核心网时对应4/4A,请参见图2。这种类型还可进一步细分为:

eLTE eNB用户面经由5G gNB连接时对应选项4;

eLTE eNB用户面直接连接到5G核心网时对应选项4a。

  

控制面经由eLTE eNB连接到5G核心网时对应7/7a/7x,请参见图3。这种类型还可进一步细分为:

 

5G gNB用户面经由eLTE eNB连接时对应选项7;

5G gNB用户面直接连接到5G核心网且由核心网进行分流时,对应选项7a;

5G gNB用户面直接连接到5G核心网且由5G gNB进行分流控制时,对应选项7x。

3. 5G非独立组网和独立组网对比分析

 

5G独立组网与非独立组网之间的区别,可以从以下几个方面进行分析,详见表1。

 

表1 5G独立组网与非独立组网之间的区别

6

 

 

3.1    架构对比

 

5G独立组网时,核心网采用5G新型核心网NGC。无线系统则可以直接采用支持5G新空口的gNB,或者将LTE eNB升级到eLTE eNB来支持到5G新空口以及到NGC的连接。

 

5G非独立组网便于利用LTE网络资源实现快速部署。虽然核心网可以为EPC也可以为NGC,但是建议优先考虑选项3/3a/3x,它采用EPC支持eLTE eNB与5G gNB之间的双连接。不过,如果运营商首先部署5G核心网的话,也可以升级LTE eNB到eLTE eNB,来实现eLTE eNB与5G gNB之间的双连接。

 

连接到EPC时,需采用S1-C和S1-U接口,如架构选项3/3a/3x。

 

连接到NGC时,需采用NG-C和NG-U接口,如架构选项2、5、4/4a和7/7a/7x。

 

3.2    部署对比

 

5G独立组网可以降低对现有4G网络的依赖性,便于提供5G类业务,提升用户感知。但是,独立组网时还要考虑是提供热点覆盖还是提供连续覆盖的问题。提供热点覆盖时,5GLTE之间的重选或者切换过程可能影响到性能,而连续覆盖情况下5G是否能够提供良好覆盖也是个问题。

 

不同组网方式下网络升级改造的难度也不同。采用EPC进行组网时,存在对LTE核心网和无线网络的升级改造工作。比如,需要升级EPC来支持5G终端,或者需要增加LTE PDCP层的缓存以支持对5G的分流工作等。采用NGC组网时,涉及LTE eNB的升级工作,工作量大,对现网的影响也较大。

 

对于部署方面的区别,以下从业务、互操作性以及覆盖等方面分别进行分析和对比。

 

3.2.1    业务对比

 

采用5G核心网进行独立组网或者联合组网,都便于采用云化架构,实现网络切片,支持新型QoS。同时,还可以采用网络资源灵活调度和弹性伸缩的特性,进行业务和平台能力开放以及自动化智能的网络运维,从而可以更好地支持5G大带宽、低时延和大连接等各类业务,根据场景提供定制化服务,满足各类用户的业务的需求,大力提升客户感知。

 

网络建设初期,采用5G与EPC联合进行组网时, 5G业务方面的支持性会受到EPC能力的限制。比如,难以进行云化布署、难以进行网络切片、QoS支持能力有限等。

 

另外,独立组网时,如果进行热点覆盖,则存在用户在不同区域业务体验不一致的问题。而连续覆盖虽然能够提供一致的业务体验,但是存在初期投入大、覆盖连续性难以保障等问题。

 

3.2.2    互操作性对比

 

5G独立组网时,不管是进行热点覆盖还是连续覆盖,5G与LTE之间都是两张独立的网络,因此,需要通过重选和切换等方式进行互操作,这会对业务性能造成一定的影响。

 

5G与LTE联合组网是基于双连接方式进行的,可以实现无缝切换,切换过程中不会造成业务中断,从而能够保证业务连接性,提升用户性能。

 

3.2.3    覆盖对比

 

5G与LTE联合组网时,可以借助LTE网络实现连续覆盖,便于在全网范围内快速提供5G覆盖。

 

采用5G独立组网时,由于频段较高,因此要进行连续覆盖存在一定的难度。比如,国内初步明确采用3.5GHz和4.9GHz进行5G建设,相对于LTE的2.6GHz来讲,其路损增加,因此覆盖范围会有所缩减。虽然可以通过波束赋形等手段进一步改善,但是仍然可能存在上行受限的问题,从而需要建设更多的基站。目前,中国移动在独立组网的探索过程中,希望与LTE共站建设,其挑战会更大。目前讨论的各类解决方案中,如采用4天线终端、将终端发射功率加倍、采用900MHz或者1800MHz独立进行上行接入等方式,都有待进一步验证,但这也意味着连续覆盖和共站建设的难度有所增加。

 

3.3    终端对比

 

5G独立组网时,终端需要支持5G新空口和高层协议,采用5G新空口和5G核心网进行接入和连接建立工作。5G与LTE采用紧耦合方式联合组网时,不同架构方式下终端要求有所区别。比如,选项3/3a/3x下,终端控制面只需要支持LTE NAS协议,用户面需要支持S1-U接口和相关协议;选项4/4a和7/7a/7x下,终端控制面需要支持5G新空口NAS协议,用户面需要支持到NG-U接口及协议。

3.4    迁移路径对比

 

如果将5G独立网络作为5G部署的最终方案,则无论初期采用5G独立组网还是5G/LTE联合组网的方式,都存在一个网络迁移的过程。这个过过程中设备的升级改造工作、成本投入、终端变化和性能影响等问题,都会影响运营商对早期网络部署方式的选择。

 

即使采用选项2独立建设全新的端到端的5G网络,也需要考虑网络迁移的问题。比如,如何引入5G核心网,5G核心网与LTE核心网如何进行互操作,终端如何演进才能保证用户和业务的平滑过渡等。根据中国移动2016年8月的提案R3-161809,如果运营商采用低频提供广域覆盖,采用高频来提供容量的话,就需要考虑从LTE/EPC迁移到架构选项2的路径。这种迁移路径下,初始部署时需要避免与LTE的互操作(即频繁的NR到LTE的切换),同时需要采用双模双待终端来同时支持传统的系统和NG系统。

 

另外,从LTE/EPC直接演进到5G独立架构时,也可以首先考虑同时支持选项5和2,然后再最终演进到选项2。但是,这需要将LTE eNodeB升级到eLTE eNodeB来支持到EPC和NGC的连接。

 

采用LTE/5G联合组网时,不同组网方式下的迁移路径可能有多种选择。如果初期部署选项3类紧耦合方式,则可以选择直接迁移到选项2,或者经由选项7迁移到选项2。如果初期直接部署选项7,也可直接迁移到选项2。当然,各种迁移路径下,网络的升级改造工作内容有所不同。比如,如果采用选项3,则LTE基带板可能需要改变。同时,由于X2接口带宽的限制, EPC还需要升级改造以支持数据业务的增加。

 

从选项3/3a起步经由7/7a迁移时,运营商既可以利用eLTE,还可以获益于NGC所引入的高级业务特性。但是,同样需要考虑UE的前向兼容性问题。如果初期部署时,运营商计划将现有E-UTRAN网络升级来部署选项7的话,则后续可以从选项7直接迁移到选项2。

 

4         运营商的选择

 

5G建设初期,采用5G网络单独组网还是与LTE联合组网,不同运营商的选择会有所不同。国内运营商中,中国移动宣称要采用5G进行连续覆盖,因此考虑采用5G独立组网;而中国联通则考虑快速部署性,其白皮书中明确初期采用5G与LTE紧耦合的方式来进行网络建设。

 

随着5G标准中独立组网和非独立组网技术标准的进一步完善和明确,运营商会有更多新的考虑和选择。不过,这也与设备厂家的策略和产品进度有关。比如,5G独立组网需要功能完善的5G核心网设备和终端,如果5G核心网和终端面市较晚,也可能会阻碍独立组网的选择。

 

5         总结

 

在引入5G技术时,如何进行网络部署非常关键。是直接建设独立的5G网络,还是借助LTE进行联合组网,是运营商必须面对的问题。因此,需要从业务、覆盖、终端、网络架构、现网升级、后续迁移等多方面进行考虑,选择适合自己的模式,才能够更有效地控制成本、提升网络性能,为客户提供良好的网络体验。

 

参考资料

 

[1]    TR38.801 Study on new radio access technology:Radio access architecture and interfaces(Release 14)

[2]    R3- 161809 Analysis of migration paths towards RAN for new RAT,3GPP TSG RAN WG3 #93,Aug. 2016, CMCC

[3]    R3-162174 TIM view on 5G Migration Path,3GPPTSG-RAN WG3 #93bis,October, 2016, Telecom Italia

[4]    Guideline for 3.5GHz 5G System Prototype and Trial(V1.0),MWC’2017 Released by CMCC

[5]    中国联通5G网络演进白皮书,2016年9月

 

作者:高羽 马云飞 合作媒体:5G通信技术 编辑:顾北

 

 

 
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