5G环境下双连接
目录
问题：
双连接与多连接
无线接入网双连接
LTE无线网双连接
基于不同核心网的双连接
基于4G核心网EPC的4G与5G双连接
基于5G核心网NGC的5G与4G双连接
基于EPC与NGC的双连接对比
LTE/5G双连接建立的触发机制
问题：
之前看5G网络架构的过程中，包括无线接入网、承载网和核心网，之后就产生了疑惑，为什么有的核心网采用EPC架构而有的采用SBA架构呢？
通过查找资料发现了答案，下面做详细的介绍：
双连接与多连接
多连接：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，这种方式通常称之为多连接。
双连接：用户在一个区域内可能接收到两个基站传来的信号，通过基站之间的协同调度进行资源传送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一定的帮助。
由于5G网络部署是一个渐进的过程，所以在完全利用5G网络替换现有的4G网络架构之前，这种双连接、多连接机制会长期存在。
无线接入网双连接
LTE无线网双连接
LTE双连接控制面架构
LTE系统中，提供S1-MME连接的eNodeB称为主eNodeB(即MeNB)，另一个eNodeB用于提供额外的资源，称为次eNodeB(即SeNB)。处于双连接模式下的UE，只在MeNB与MME之间存在一个S1-MME连接。
每个eNodeB都能够独立管理UE和各自的小区中的无线资源。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。上图中为双连接模式下的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来互连。
UE所需的全部RRC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的无线资源管理(RRM)功能在协调后，由MeNB产生最终的RRC消息发送到UE
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或者SeNB独立服务，也可由MeNB和SeNB同时服务。仅由MeNB服务时称为MCG承载 (MCG：MeNB控制的服务小区组)，仅由SeNB服务时称为SCG承载 (SCG：SeNB控制的服务小区组)，同时由MeNB和SeNB服务时称为分离承载。说简单点，一个用户与两个基站相连，其中有一个是MeNB，另一个是SeNB，数据仅通过MeNB进行传输的叫MCG，仅通过SeNB传输的叫SCG，通过两种基站进行协作传输的叫分离承载（Split承载）。
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连接，数据流在核心网分割后，经由MeNB和seNB独立进行传送，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(split)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，再经MeNB按照一定算法和比例进行分割后，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，此架构称为3c方式，如图5所示。这种方式下，用户从2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，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。另外，R12版本中规定，分离承载方式只适用于下行方向。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。
基于不同核心网的双连接
基于4G核心网EPC的4G与5G双连接
基于4G核心网EPC的4G与5G双连接架构是在原有的4G覆盖基础上增加5G NR新覆盖,5G无线网通过4G LTE网络融合到4G的核心网,融合的锚点在4G无线网,但控制面依然继承原有的4G。LTE eNodeB与NR gNB采用双连接的形式为用户提供高数据速率服务。以eNodeB为主基站,所有的控制面信令都经由eNodeB转发。
在基于4G核心网EPC的4G与5G双连接架构中,UE连接的LTE eNodeB为主节点MN,UE连接的NR gNB为辅节点SN；LTE eNodeB通过S1接口连接到EPC,LTE eNodeB通过X2接口连接到NR gNB；NR gNB可以通过S1-U连接到EPC,NR gNB可以通过X2-U连接到其他en-gNB。
基于4G核心网EPC的4G与5G双连接架构根据用户面选择的不同分为Option3、Option3a和Option3x 3种,如图1所示。Option3架构中所有的控制面信令都经由eNodeB转发,用户平面经由LTE基站连接到EPC,eNodeB将数据分流给gNB。Option3a架构中所有的控制面信令都经由eNodeB转发,用户平面经由LTE基站与5G基站同时连接到EPC,EPC将数据分流至gNB。Option3x架构中所有的控制面信令都经由eNodeB转发,用户平面经由5G基站连接到EPC,gNB可将数据分流至eNodeB。
基于5G核心网NGC的5G与4G双连接
基于5G核心网NGC的5G与4G双连接架构需要同时部署5G RAN和NGC,5G NR通过4G网络融合到5G的NGC,融合的锚点在4G无线网。当核心网采用5G核心网NGC时,LTE eNodeB需升级到eLTE eNodeB,以支持5G新空口并支持5G核心网的连接。eLTE eNodeB与NR gNB采用双连接的形式为用户提供高数据速率服务。以eLTE eNodeB为主基站,所有的控制面信令都经由eLTE eNodeB转发。
在基于5G核心网NGC的5G与4G双连接架构中,UE连接的eLTE eNodeB为主节点MN,UE连接的gNB为辅节点SN；eLTE eNodeB连接到5GC,eLTE eNodeB通过Xn接口连接到gNB。
基于5G核心网NGC的5G与4G双连接架构根据用户面选择的不同分为Option7、Option7a和Option7x 3种,如下图2所示。Option7架构中所有的控制面信令都经由eLTE eNodeB转发,5G gNode B用户面经由eLTE eNodeB连接,eLTE eNodeB将数据分流给gNB。Option7a架构中所有的控制面信令都经由eLTE eNodeB转发,5G gNode B用户面直接连接到5G核心网,NGC将数据分流至gNB。Option7x架构中所有的控制面信令都经由eLTE eNodeB转发,5G gNode B用户面直接连接到5G核心网且由5G gNode B进行分流控制提供eLTE eNodeB数据传输,gNB可将数据分流至eLTE eNodeB。
基于EPC与NGC的双连接对比
基于4G核心网EPC的4G与5G双连接和基于5G核心网NGC的5G与4G双连接之间的差别可以从基本性能、业务能力、网络升级改造难度等几个方面进行分析。
a)基本性能对比。基于4G核心网EPC的双连接架构Option3/3a/3x由于支持5G NR和LTE的双连接,带来4G eLTE的流量增益,可以部署在热点区域,增加系统的容量的吞吐率。基于5G核心网NGC的双连接架构Option7/7a/7x同样支持5G NR和LTE的双连接,与Option3/3a/3x相比都实现了流量增益。在语音实现方案上,由于有原有的4G网络做基础,两者都继承4G现有语音方案,即VoLTE/CSFB,语音业务连续性有保证,对网络的改动小。
b)业务能力对比。基于4G核心网EPC的双连接架构Option3/3a/3x可以用于NR非连续覆盖时期,与现网4G网络深度耦合,继承现有4G网络的覆盖,可以在5G热点区域之外的4G覆盖区域提供4G能力。但是由于采用新的5G NR,没有引入NGC,不支持5G新功能新业务,不可以在5G覆盖区域实现全5G业务能力。基于5G核心网NGC的双连接架构Option7/7a/7x采用新的5G NR,引入了新核心网NGC,可以支持5G新功能新业务。Option7/7a/7x架构可以用于NR非连续覆盖时期,既可以在5G覆盖区域实现全5G业务能力,又可与现网4G网络深度耦合,继承现有4G网络覆盖,在5G热点区域之外的4G覆盖区域提供4G能力。
c)网络升级改造难度对比。不同双连接架构对应的网络升级改造难度不同。基于4G核心网EPC的双连接架构Option3/3a/3x是在原有的4G覆盖基础上增加5G NR新覆盖,保持LTE系统核心网不动的同时先演进无线接入网,控制面依然继承原有的4G。在网络建设初期,主要工作为对LTE核心网和无线网进行升级改造,升级EPC支持5G终端,或增加LTE PDCP层的缓存以支持对5G的分流。由于对NR覆盖没有要求,不需要连续覆盖,网络投资小,建设速度快,可以有效降低初期的部署成本,可一定程度上满足运营商初期需求,适用于传统运营商从LTE向NR逐步演进。基于5G核心网NGC的双连接架构Option7/7a/7x,涉及LTE eNodeB的升级工作,工作量大,对现网影响也较大。相对而言,Option7/7a/7x架构满足5G网络发展中期需求。当然,对于4G网络建设不足,积极部署5G网络的运营商,可优选Option7/7a/7x架构,使用新NGC,便于向独立组网演进,同时兼顾局部区域通过LTE接入增强覆盖的需求。
LTE/5G双连接建立的触发机制
下图展示了LTE/5G双连接模式3的情形下SgNB的添加过程。其中如何触发双连接的建立过程是由作为MeNB的LTE eNB来决定的，合理的双连接建立触发机制决定了双连接的最终性能。从实现的角度，一般有以下几种主要双连接建立触发机制。
- SgNB盲添加：终端接入LTE后，LTE eNB根据终端上报的UE能力，如是否支持LTE/5G双连接，邻区列表中是否有支持LTE/5G双连接的5G小区，以及和这些5G小区的Xx链路状态来决定是否为该终端添加SgNB。如果终端支持LTE/5G双连接，而且LTE小区配置了支持LTE/5G双连接的5G邻区，且Xx链路状态是通的，就触发双连接建立过程为该终端添加一个SgNB。
- 基于邻区测量报告的SgNB添加：终端接入LTE后，如果满足SgNB盲添加条件，LTE eNB会给终端配置一个测量事件来触发终端对5G邻区进行测量。LTE eNB根据终端上报的测量结果，选择满足条件的5G邻区进行SgNB添加的过程。这种添加方式能够保证选择的SgNB能够给终端提供更稳定可靠的双连接服务。SgNB添加过程如图6所示：
- 基于流量的SgNB添加：
根据终端测量上报的结果，LTE eNB会把满足SgNB添加条件的5G邻区保存下来。然后根据终端的流量或者待调度的数据量来决定是否添加SgNB。如果某个终端待调度数据量超过一定的门限，LTE eNB可以针对该终端选择一个最好的5G邻区发起SgNB添加流程。这种基于流量的SgNB添加方式只会给有需要的终端进行SgNB的添加，可以降低Xx接口上的信令负载。
上述三种SgNB添加方式各有优缺点。SgNB盲添加的方式实现简单，但可能会将信号质量不够好的5G邻区添加为终端的SgNB，从而导致双连接性能下降。基于邻区测量报告的SgNB添加方式会根据终端的测量报告来选择5G邻区，所以针对每个终端来说，所添加的SgNB都会有比较好的信号质量，保证了双连接的性能。但由于没有考虑终端的实际带宽需求，基于邻区测量报告的SgNB添加方式会增加Xx接口上的信令负载，并且会带来一些资源的浪费。基于终端流量的SgNB添加方式综合考虑了邻区的测量结果以及终端的实际带宽需求，是一种既能保证双连接性能，又能降低系统负载的SgNB添加方式。
参考文献：
https://www.sohu.com/a/121469548_472928
文章介绍了RP-161266定义的12种5G系统整体架构
https://www.sohu.com/a/311641912_468661