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5G与LTE双连接技术架构选择

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资料介绍

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.

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ii研究与探讨Ⅲ；；i

⁵G与LT

E双连接技术架构选择

孟颖涛

(中国移动通信集团山西有限公司太原分公司，山西太原()3(}(1()1)

【摘要】

【关键词】

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。

LTE多连接双连接载波聚合

1006—1010．2017．02．006

doi：1()3969／j．issn

中图分类号：TN929．5

文献标志码：A

文章编号：1()()6—1(】10(2叭7){)2一o(J27一05

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

on the

Dual

5Gand

be觚een

LTE

Analysis

Conne硎M够ArchitectIlre

ME]NGⅥng-协o

Mob丑e

(china

Gr0“p shan而co．，Ltd，TaiyLlan Branch，Taiyuan03(){)01，c11im)

[Abstract】

understand the function of dual

in the

of transition

LTE

from to 5G，basedon

deeply

connectivity

proeess

technical features ofIlFE

dual

in 3GPP_R12，aseries

connectivi锄the

connectivity

ofproblems were analyzed诅cluding thenecessity

of me

5G and LTEdual

selection memodofthe

and

^llserplane

con仃ol

application

plane。the

selection of MeNB and

mtIlre 5G

e!NB，the

of switch and

cons廿1lction

tlle

preference

split．In addition，me

deployment，of

ne细ork，m eoeXistence of 5G and LTE

evoIution在Dm LTEto 5G and t11e

seIection

s订ategy

system，the

memodwereand

expounded．

connectivit)r

5G LTE multi

dual

connectivity

carrier

瞰ey words】

aggregation

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

1引言

未来的5G网络建设中，可以采用5G作为宏覆盖

独立组网，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

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。

连接(Dual

connectiv“y)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

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

收稿日期：2()16一()7一06

责任编辑：袁婷．cn

z2，7

201

翥

等

年第

纛

2期ll

万方数据

；；Ⅲi研究与探讨；i

Points Transmission／

合、coMP(coordinated Multiple

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。Rl0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

接人层)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。

Sl· MME

取0

L一一)(二．(‘．一一．

SeNB

MeNB

图l 双连接技术控制面连接示意图

Radio

LTE双连接系统中，SRB(signalling

Bearer，信令无线承载)不能被分担或者分割，也就

Resource

是说，uE所需的全部RRc(Radio

control，

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

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

Resource

供较好的性能。但是，基站间采用xDsL(x DigitaI

subscriber“ne，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

(Radio

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

于用户而识i 7：专塞

曼‘’、／7’罩2年云：

Data

convergence Protoc01，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

e r

LTE系统中，处于双连接模式下的uE(u

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

3GPP

图2

R12中双连接的RRC传送方案示意图

Management Entity，移动性管理实体)之间存在s ^l-

MME连接，提供s1_MME连接的eNodeB称为MeNB

(Master eNodeB，主eNodeB)；另一个eNodeB用于

2．2

LTE双连接用户面架构

eNodeB，次

提供额外的资源，称为SeNB(secondary

eNodeB)。

LTE双连接中，数据面无线承载可以由MeNB／

seNB独立服务或者由MeNB和seNB同时服务。仅由

每个eNodeB都能够独立管理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，

Contr011ed

Group，

MeNB服务时称为MCG(MeNB

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。

contr01，x2控制

MeNB与seNB之间经由x2一c(x2

面)接口来互连。

McG承载是传统的承载模式，控制面信令通常是

l翥篱黥

万方数据

蟊研究与探讨Ⅲi；；

MCG

SeNB进行传输。

需要注意的是，分离承载和scG承载不能同时存

分离(sDlit

承载

SCG

承载

———j—————————j———

——————!———

在，即1 a和3c方式需要独立工作。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。

PDCP

X2——

’

RLC

坠

MAC

兰

一L

SeNB

5G建设中使用双连接的必要性

图3

用户面不同承载分离类型及协议栈示意图

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。

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s1一u(s1．user，s1用户面)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。

随着5G网络的大规模部署，会考虑采用独立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。

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。

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

分离承载方式下，只在MeNB与核心

网之间存在s1一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。

蛹步／秦、、、、、黑载。

、、、、b一一盛

在这种方式下，用户从两个系统中

图4双连接1a架构示意匡

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

；芝荔◆盛

议复杂性要求高，且基站间回程需要实现

SGW

它

一一一一一一无线承载2

占一一一

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

蔷划笥。

翌5

双连接3c架构示意匿

201

翥

繁

年第

黥

2期IJ

万方数据

强Ⅲi研究与探讨；；

多个小区或者服务小区组，在切换过程中有助于降低

如果5G采用独立核心网，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。

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。

4．2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la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。

G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

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。

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。

具体采用1 a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

限制。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。

◆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

◆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。

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。

当然，5G标准中也可能会采用其他新的架构来实

I磊缌磊

万方数据

i；研究与探讨Ⅲi i；

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。

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，无论采用独立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。

(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：

参考文献：

不管是采用1 a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

Item

cell

[1]RP一122033．New Study

Description：Small

enhancements fbr E-UTRA and E· UTRAN

Higher 1ayer

aspects[S]．2012．

32069．New Work Item

[2】RP一1

Description：Dual

Co皿ectiv埘for LTE[S]．2014．

TR 36．842 Vl

on SmalI CeII Enhance—

2．O．Study

[3】3GPP

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。

ments for E—UTRA and

E—UTRAN—Higher layer

aspects[S]．20^14．

TR 36．932 V13．0．0．Scenarios and

for

requirements

[4]3GPP

small cell enhancements for E-UTRAand

E—UTRAN[S]．

2015．

TS36．331 V14．1．0．Evolved Universal Tbrrestrial

Resource

[5]3GPP

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。

Radio

Access(E-UTRA)；Radio

Control(RRC)

protocol

speci6cation[S]．2016．

V14．1．0．MediumAccess

TS 36_32

[6]3GPP

C衄tml(MAC)

6．

protocol speciflcation[S]．20¹

FDD融

[7]许森，张光辉，刘晴．基于双连接的TD—LTE和LTE

合组网[J]．电信技术，2015(2)：28-3^1．

4．3

uE的支持性

[8]李先栋，于翠波，勾学荣．LTE—Advanced移动通信系统双

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。

连接技术[J]．现代电信科技，2014(9)：17．23．

architecture

[9]RP-161266．5G

options· 缸1l set[S]．2016．

38．80l

on New Radio Access

V1．0．0．Study

[10]TR

Access ArchitectIlre and Interfaces

T色chnology；Radio

(Release 14)[S]．2016．★

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。

作者简介

孟颖涛：工程师，学士毕业于大连

理工大学，现任职于中国移动通信

集团山西有限公司太原分公司网络

部，从事无线网络优化工作，主要

研究方向为TD—LTE网络规划与优

化、5G组网、MR应用等。

5结论

C：、处

本文从LTE双连接架构出发，描述了双连接相关的

秒勃通信I 01

201

7年第2期l

万方数据

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