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5G NSA组网技术方案研究

【摘 要】 针对近期运营商转向5G NSA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

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2019.06.003      

中图分类号:TN929.5  文献标志码:A      

文章编号:1006-1010(2019)06-0016-05

引用格式:邓安达,高松涛,程日涛,等. 5G NSA组网技术方案研究[J]. 移动通信, 2019,43(6): 16-20.

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-Access Stratum,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。

2   NSA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)。

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(Dual Connectivity New Radio,与5G NR的双连接)。若MME同意NSA终端使用双连接,MN(Master Node)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(Secondary Node)即5G小区的流程。相关标准[1]已经对EN-DC(E-UTRAN NR Dual Connectivity,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:

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23 dBm为例,若平均分配,4G和5G上行最大功率只为20 dBm,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0.4 ms~2 ms,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。

3   NSA锚点选择分析

中国移动4G为多制式多频段组网,室外TDD F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。

3.1  NSA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、TDD F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、TDD F频段锚点已于2018年下半年完成3GPP标准化。

◆TDD E频段锚点于2019年3月初刚写进3GPP标准。

◆TDD D频段锚点因与5G NR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TDD F频段锚点。

(2)芯片支持情况

高通:5G芯片已支持NSA 1.8G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。

FDD 1800单站覆盖能力优于TDL F频段。但中但中国移动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TDL F频段仍有一定差距。如何评价同一区域不同规模的FDD1800和TDL F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(2.6 GHz频段)与友商的5G频段(3.5 GHz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TDD D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中峰值速率测算中,FDD1800锚点、TDD F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:5G NR带宽100 MHz,基站总发射功率200 W、192阵子64T64R,终端总发射功率23 dBm、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30 kHz,当5G采用2.6 GHz频段时帧结构为5 ms(特殊时隙6:4:4),当5G采用3.5 GHz频段时帧结构为2.5 ms双周期(特殊时隙10:2:2)。FDD1800、TDD F频段带宽20 MHz,基站发射功率40 W。FDD1800基站4T4R,TDD F频段基站8T8R,NSA终端1T2R。图2和图3的计算条件与之相同。

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5G 2.6 GHz NSA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)。

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TDD F站点密度远大于FDD1800时(如表3中TDD F平均站间距300 m~350 m,而FDD1800平均站间距450 m~500 m时),才选择与5G同厂家的TDD F作为锚点。

站间距判断法操作简单,仅依据区域内的TDD F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TDD F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TDD F之间进行选择。v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。关于NSA的后续研究还可在移动性管理、上行功率分配、发展演进等方面进行继续挖掘。

· 2019-07-29 16:40  本新闻来源自:移动通信编辑部,版权归原创方所有

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