5G多接入融合与协同的网络架构

 2020年4月10日第37卷第7期Telecom Power TechnologyＡｐｒ．　　１０，２０２０，Ｖｏｌ．　３７　Ｎｏ．　７　doi：10.19399/j.cnki.tpt.2020.07.050通信技术5G多接入融合与协同的网络架构张弛龙（中网联通信发展集团有限公司，北京 100061）摘要：5G时代，多张无线网络共存的情况变得日益复杂和突出。为了满足5G下更高的流量、业务需求以及多网络下的高效组网和运营需求，迫切需要研究支持多种无线技术协同的网络架构。因此，分析4G LTE中的多网络融合技术，包括LTE和LTE-WLAN场景，并重点分析了5G的部署场景和网络架构，进一步研究了5G、4G和WLAN的融合架构。关键词：5G；多网络融合；网络架构5G Multi Access Fusion and Collaborative Network ArchitectureZHANG Chi-long（China Unicom Development Group Co.，Ltd.，Beijing 100061，China）Abstract：In the 5G era，the coexistence of multiple wireless networks has become increasingly complex and prominent. In order to meet the higher traffic and service requirements under 5G，as well as the efficient networking and operation requirements under multi networks，it is urgent to study the network architecture supporting the cooperation of multiple wireless technologies. Therefore，this paper analyzes the multi network fusion technology in 4G LTE，including LTE and lte-wlan scenarios，and focuses on 5G deployment scenarios and network architecture，and further studies the fusion architecture of 5G，4G and WLAN.Key words：5G；multi network convergence；network architecture0 引 言无线通信系统从第1代到第4代，经历了迅猛发展，逐步形成了包含多种无线制式、频谱利用和覆盖范围的复杂网络现状，其中多种接入技术长期共存成为突出特征。在5G时代，同一运营商拥有的多张不同制式的网络状况将长期共存。多制式网络将至少包括4G LTE、5G RAN以及WLAN[1]。多接入网络的融合是未来5G无线通信网络架构考虑的重点趋势。Aggregation，LWA）操作。根据LTE和WLAN之间的回程连接，支持两种场景——共址场景和非共址场景[3]。在共址场景中，eNB和WLAN AP实体通过理想链路连接并集成于公共节点。基于异构网络现有的部署，eNB和WLAN AP都是独立的存在，并没有集成在一个节点中；非共址场景是指当eNB和WLAN实体并没有集成在一个公共节点中，主要使用非理 想回程。非共址场景的部署提出了用于WLAN系统逻辑表示的无线终端（Wireless Terminal，WT）节点概念。同时，UE与eNB、WT三者两两采用双连接模式，相互连接。其中，eNB与WT在控制面与用户面通过Xw链路连接。在非共址的LWA场景中，eNB通过Xw接口连接到一个或多个WTs。对于LWA，到核心网络的唯一需要接口是S1-U和S1-MME，它们在eNB端终止。WLAN不需要核心网络接口。1.2.2 基于IPSec隧道的LTE/WLAN无线集成（LWIP）基于IPSec隧道的LTE/WLAN无线集成（LTE/WLAN Radio Level Integration with IPsec Tunnel，LWIP），允许eNB配置RRC_CONNECTED中的UE通过IPsec隧道利用WLAN无线资源。eNB和LWIP-SeGW之间的连接由Xw接口提供[4]。1 4G LTE中的多网络融合技术1.1 LTE中的多连接技术E-UTRAN支持双连接（Dual Connectivity，DC）， 存在MCG承载、SCG承载和split承载3种承载类型。对于双连接，允许使用两种不同的用户平面架构[2]：一种架构中，S-GW通过S1-U只与MeNB连接，用户平面数据使用X2-U从MeNB传输到SeNB；另一种架构中，S-GW可以通过S1-U与SeNB连接。1.2 LTE-WLAN融合网络架构1.2.1 LTE-WLAN聚合（LWA）E-UTRAN支持LTE-WLAN聚合（LTE-WLAN 收稿日期：2019-12-13作者简介：张弛龙（1968-），男，湖北仙桃人，清华大学，通信专业高级工程师，主要研究方向为通信工程建设。·　１８４　· 2020年4月10日第37卷第7期张弛龙：5G多接入融合与协同的 网络架构Telecom Power TechnologyＡｐｒ．　　１０，２０２０，Ｖｏｌ．　３７　Ｎｏ．　７　2 5G部署场景与网络架构2.1 可能的部署场景2.1.1 非集中部署如图1所示，在这个场景中，gNB支持完整的协议栈，如在宏部署或室内热点环境中（可以是公共的或企业的）。gNB可以连接到“任何”传输。假设gNB能够通过运行接口连接到其他gNB或（e）LTE eNBs。CoreRAN-CNInterfaceRAN-CNRAN-CNInterfaceInterfacegNBgNB(e)LTE Inter-BSeNBInterface图1 非集中部署2.1.2 与E-UTRA联合部署如图2所示，在这个场景中，NR功能与E-UTRA功能可以作为同一基站的一部分，也可以作为同一站点上的多个基站。联合部署可以适用于所有NR部署场景，如城市宏观。CoreSite ASite BE-UTRANRE-UTRANR图2 与E-UTRA的联合部署2.1.3 集中式部署此时可以在中心单元和gNB节点的低层之间使用不同的协议分割选项。gNB节点的中心单元和下层之间的功能划分可能依赖于传输层。集中式部署如图3所示。2.1.4 共享RAN部署NR应该支持共享运行部署，支持多个托管的核心运营商。共享RAN可以覆盖较大的地理区域，就像国家或区域网络共享一样。2.2 5G RAN架构5G RAN的逻辑节点通过Xn接口相互连接。New RAN的逻辑节点通过NG接口连接到NGC。NG接口支持NG-CP/UPGWs与New RAN中的逻辑节点之间的多对多关系。CoreCentral Unit/Upper layer of gNBLower layers Lower layers Lower layers of gNBof gNBof gNB图3 集中式部署3 5G中的多网络融合技术3.1 5G RAN体系结构3.1.1 一般的MR-DC准则MR-DC是一种泛化的Intra-E-UTRA双连接，其中多个Rx/Tx UE可以利用两个不同的节点的理想回程连接提供的资源来配置。两个节点中，一个提供NR访问，另一个提供E-UTRA或NR访问；一个作为MN，一个作为SN[5]。MN和SN通过网络接口连接，其中至少有MN连接到核心网络。3.1.2 MR-DC with EPCE-UTRAN通过E-UTRA-NR DC（EN-DC）支持MR-DC，其中UE连接到一个充当MN的eNB和一个充当SN的en-gNB。eNB通过S1接口连接到EPC，通过X2接口连接到en-gNB。3.1.3 MR-DC with 5GC（1）E-UTRA-NR Dual Connectivity NGEN-DC。NG-RAN支持NG-RAN E-UTRA-NR双重连接（NGEN-DC），其中UE连接到一个ng-eNB作为MN，一个gNB作为SN。ng-eNB连接到5GC，gNB通过Xn接口连接到ng-eNB。（2）NR-E-UTRA Dual Connectivity NE-DC。NG-RAN支持NR-E-UTRA DC（NE-DC），其中UE连接到一个充当MN的gNB和一个充当SN的ng-eNB。gNB连接到5GC，ng-eNB通过Xn接口连接到gNB。（3）NR-NR Dual Connectivity。NG-RAN支持NR-NR DC（NR-DC），其中UE连接到一个充当MN的gNB和另一个充当SN的gNB。主gNB通过NG接口连接到5GC，通过Xn接口连接到辅助gNB，辅助gNB也可以通过NG-U接口连接 到5GC。·　１８５　· 2020年4月10日第37卷第7期Telecom Power TechnologyＡｐｒ．　　１０，２０２０，Ｖｏｌ．　３７　Ｎｏ．　７　3.2 5G RAN架构选择在讨论RAN-CN接口和E-UTRA与NR RAN的接口时，应考虑以下选项[6]，以提供NR访问合适功能的UE。3.2.1 Option 2在Option 2中，gNB与NGC相连。3.2.2 Option 3、Option 3a和Option 3x在Option 3/3a中，LTE eNB控制面接口用户面接口均直接连接到EPC，NR的控制面接口通过LTE eNB连接到EPC。NR与EPC的用户平面连接或通过LTE eNB（Option 3）连接或直接（Option 3a）连接。为了支持SCG spilt承载器，需要支持Option 3x的部署。NR gNB的用户面接口直接连接到EPC，NR gNB的控制面接口通过LTE eNB连接到EPC。3.2.3 Option 4和Option 4a在Option 4/4a中，非独立的E-UTRA中gNB连接到NGC。E-UTRA用户到NGC的用户面连接通过gNB（Option 4）或直接（Option 4a）进行。3.2.4 Option 5在Option 5中，eLTE eNB连接到NGC。3.2.5 Option 7、Option 7a和Option 7x在Option 7/7a中，eLTE eNB与非独立NR连接到NGC。NR与NGC的用户平面连接通过eLTE eNB（Option 7）或直接（Option 7a）进行。NR gNB的用户面接口直接连接到NGC，NR gNB的控制面接口通过eLTE eNB连接到NGC。以上架构都可以称为多网络融合架构（Multi RAT Dual Activity，MR-DC）。3.3 NR-LTE DC3.3.1 控制面在MR-DC中，UE基于MN RRC，具有单RRC状态，并与核心网络有a single C-plane连接[7]。每个无线电节点都有自己的RRC实体（如果节点是eNB，则为E-UTRA版本；如果节点是gNB，则为NR版本），可以生成RRC PDUs发送到UE。3.3.2 用户面在MR-DC中，从UE的角度来看，存在MCG承载、SCG承载和split承载3种承载类型。从网络角度来看，每个承载（MCG、SCG和split承载）都可以在MN或SN中终止。·　１８６　·3.4 NR-WLAN融合网络架构4G时代引入了多种LTE-WLAN聚合技术，包括LWA、LWIP等。在5G时代，这种与WLAN融合的趋势还在继续。预计4G时代与WLAN融合的技术，5G还会继续支持。这些技术为传统网络运营商接入家庭和个人部署的WLAN提供了重要的技术支持。然而，5G的一个重要特征在于对垂直行业的支持。垂直行业可能部署了自己的WLAN，多数业务可能不经过传统网络运营商的核心网，且对于业务的服务质量要求会高于普通家庭用户，体现在更精细的业务管理和更短的业务时延方面，而传统的LTE-WLAN聚合技术无法满足这种需求。因此，为了满足不同应用场景的需求，提出了如下3种NR-WLAN[8]。3.4.1 运营商部署在这种架构中，核心网、接入网和WLAN都由传统网络运营商部署，所有数据业务都来自运营商网络。这种部署类似于LTE-WLAN的融合架构，可以提供一站式服务，保证较高的安全性和可靠性。但是，用户无法定制服务内容，也不能控制接入网和WLAN间的业务分流，比较适合家庭和个人用户。3.4.2 运营商和第三方混合部署在这种架构中，核心网和接入网还是由传统网络运营商部署，但是WLAN是由第三方部署。这个第三方可以是任何垂直行业的企业。第三方可以根据自己的需求控制WLAN的业务分流和WLAN接入节点之间的移动性管理[8]。除了来自运营商网络的业务，WLAN还可以传输第三方提供的定制业务。第三方对于WLAN掌握了更多的管理权限。3.4.3 第三方部署在这种架构中，核心网、接入网和WLAN都由第三方部署，这个第三方可以是任何垂直行业企业。相比于第二种网络架构，这种架构中第三方可以在接入网和WLAN传输定制的业务，提供了更高的灵活性和管理权[8]。4 结 论将来5G开始进行广泛部署后，考虑到对现有设备的支持以及提供广域覆盖的优势，4G将长期存在于网络中，同时WLAN在对室内和热点提供覆盖上也扮演着重要角色。本文基于4G LTE中的多网络融 （下转第190页） 2020年4月10日第37卷第7期Telecom Power TechnologyＡｐｒ．　　１０，２０２０，Ｖｏｌ．　３７　Ｎｏ．　７　复杂（VoNR、Fallback、OTT）。在建设改造难度方面，NSA组网支持双连接，LTE网改动较多，X2/Xn接口、PDCP和MAC层均需部分改动，SA组网仅需RRC层新增邻区测量和配置，核心网需升级4G核心网，支持与5G互操作，且需建设5G核心网。在组网灵活度方面，NSA组网异厂家支持灵活度相对较差。根据RAN架构不同，可能存在传输路由迂回问题。SA组网主要是切换关系，耦合度低。在建设改造投资方面，NSA组网初期不需要建设5GC，最终演进至SA，需增加4G基站分流改造、EPC升级等成本，SA组网需同时建设5G无线网和核心网。枣矿集团付村煤业规划初期考虑使用NSA组网方式，同时需要新增AAU设备和4G板状天线，传输侧需新增1台4G传输分组和1台5G传输分组。规划后期，根据山东联通下发的5G建设指导意见采用SA组网，节省了新增4G天线和4G传输分组的投资。与以往的移动通信系统主要强调用户峰值速率不同，5G关键性能指标更加丰富。除用户峰值速率外，5G关键性能还包括用户体验速率、连接数密度、端到端时延、流量密度和移动性等[4]4 5G行业应用展望通过在枣矿集团付村煤业首批建设的4个5G基站，完成井上5G信号全覆盖，实现AGV小车在固定线路上的物料智能配送。后期在条件成熟后逐步将5G网络渗透至井下，实现井下通信、人员定位、井下交通以及无人开采等功能。5G除了在智慧能源方面的应用，还应用于智慧城市、智慧教育、智慧能源、智慧医疗和泛在低空等行业。智慧城市行业需求主要包括5G会议现场直播；智慧教育行业需求主要包括5G VR视频教学和5G图书馆；智慧能源行业需求主要包括配电智能分析，均衡输电；智慧医疗主要包含基于5G的智慧医疗建设；泛在低空主要包含5G无人机巡航。参考文献：[1] 曾 捷，粟 欣，荣丽萍，等.5G新型多址技术[M].北京：人民邮电出版社，2017.[2] Fa-Long Luo.5G权威指南：信号处理算法及实现[M].北京：机械工业出版社，2018.[3] 刘光毅，方 敏，关 皓，等.5G移动通信系统：从演进到革命[M].北京：人民邮电出版社，2016.[4] 杨学志.通信之道：从微积分到5G[M].北京：电子工业出版社，2016.。其中，用户体验速率是5G最重要的性能指标，真正体现了用户可获得的真实数据速率，是与用户感受最密切的性能指标。（上接第186页）合技术，分析了5G的部署场景和网络架构，进一步研究了5G、4G和WLAN的融合架构，为4G到5G网络的平滑演进和共存部署提供了参考架构。参考文献：[1] Recommendation ITU-R M.2083-0.IMT Vision-Framework and Overall Objectives of the Future Development of IMT for 2020 and Beyond[EB/OL].（2015-09-01）[2019-11-30].https：//www.itu.int/rec/R-REC-M.2083.[2] 3GPP TR 38.801 Study on New Radio Access Technology；Radio Access Architecture and Interfaces（Release 14）[S].2017.[3] 3GPP TS 38.401 NG-RAN；Architecture Description [S].2019.[4] 3GPP TS 33.501 Security Architecture and Procedures for 5G System[S].2019.[5] 3GPP TS 36.300 Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA） and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN）; Overall description; Stage 2[EB/OL].[2019-11-30].http：//citeseerx.ist.psu.edu/showciting?cid=11956438.[6] 3GPP TR 38.804 Study on New Radio Access Technology; Radio Interface Protocol Aspects （Release 14）[S].2017.[7] 3GPP TS 37.340 E-UTRA and NR; Multi-connectivity; Stage 2 （Release 15）[S].2017.[8] 3GPP TR 38.913 Study on Scenarios and Requirements forNext Generation Access Technologies（Release 14）[S].2017.·　１９０　·