LTE—NR双连接技术探讨

刘潇蔓+陈卓

【摘 要】LTE和5G NR之间的双连接可以通过使用两种不同接入技术的资源来实现用户数据/信令的传输，具有更高的可靠性及较低的切换时延。为了更好地理解LTE-NR双连接技术，对用户面、控制面的技术特点进行了分析，并阐述了LTE-NR双连接相关的网络架构及用户面、控制面协议栈选择的可能性。

【关键词】LTE-NR 双连接 SCG分离承载 MCG分离承载

中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1006-1010（2017）19-0065-06

Discussion on LTE-NR Dual Connection Technique

LIU Xiaoman， CHEN Zhuo

[Abstract] The dual connection between LTE and 5G NR， which has higher reliability and lower handover delay， can realize the transmission of user data/signaling through resources of two different access techniques. In order to better comprehend LTE-NR dual connection technique， the technical features of user plane and control plane were analyzed. The network architecture of LTE-NR dual connection was addressed. In addition， the possibility of selection of user plane and control plane protocols was elaborated.

[Key words]LTE-NR dual connection SCG separate bearing MCG separate bearing

1 引言

隨着4G LTE网络的部署和推广，以及移动互联网、物联网业务的不断推出，对网络覆盖范围、热点区域容量、传输时延、可靠性、功耗等方面的要求越来越高，这不但促进了4G网络的不断完善，还加快了对5G NR（New Radio，新无线）的研究和推进速度。

双连接技术可通过使用多个小区的无线资源来为用户提供数据或者信令的传输，是满足不同技术场景下特定需求的有效手段之一。鉴于目前LTE的广泛部署，可预见LTE网络在5G NR部署初期仍将大量存在，且LTE将有很大可能演进到eLTE，因此，LTE与NR的双连接或将在NR部署初期被广泛采用。本文主要从网络架构、控制面、用户面等角度对LTE-NR双连接技术进行介绍，并对未来网络部署及协议栈选择等方面问题进行分析。

2 双连接技术简介

根据3GPP的定义，双连接是处于RRC_CONNE- CTED态的两个UE（User Equipment，用户设备）使用至少两个通过非理想回程链路相连的网络节点（MN（Master Node，主节点），SN（Secondary Node，辅节点））提供的无线资源进行通信的操作。双连接中两个网络节点的角色不同，其中，MN是UE的无线侧锚点，为UE提供与核心网唯一的控制面连接，而SN只为UE提供额外的无线资源，用于用户数据、信令的传输。

对于LTE-NR双连接，特指的是双连接中的两个节点使用不同的无线接入技术，一个节点为LTE，一个为NR，但不规定何种接入技术的节点是MN，MN和SN通过Xx接口交互信令、数据等。

2.1 LTE-NR双连接网络结构

3GPP TR 38.801规范里给出了包含5G NR独立组网和非独立组网在内的多种NR网络架构，其中“Option 3，4，7”系列是与LTE和NR间的互操作相关的网络架构。

图1所示为Option 3/3A/3X三种网络架构，这三种架构的共同点为NR是非独立组网，控制面通过LTE eNB接入EPC。LTE eNB为MN，NR gNB为SN，三种架构的区别在于所建立的用户面承载类型不同，数据分流方式不同。其中，Option 3中数据面与核心网仅通过MN有一个连接，数据从MN进行分流；而在Option 3A中，数据从核心网进行分流，数据面与核心网有两个连接；Option 3X中，数据首先从核心网分流，然后再从SN分流。

图2所示为Option 4/4A，这两种架构的共同点是NR独立组网，NR gNB作为MN，eLTE eNB作为SN提供额外的传输资源，连接到5G NR的核心网NGC（New Generation Core Network，新一代核心网）上；两种架构建立用户面承载的方式不同。此外，暂不支持类似于Option 3X中的数据从SN分流到MN的方式。

图3所示为Option 7/7A/7X三种网络架构，该组的三个架构与Option 3/3A/3X较为相似，这里，NR是非独立组网，但所接入的核心网为5G核心网NGC。

从上述介绍可以看出，不同于传统LTE双连接时的网络架构，LTE-NR双连接由于采用两种无线接入技术，因而其核心网锚点及无线网锚点都有多种选择，数据无线侧分流也不再局限于仅从MN分流的方式。

2.2 LTE-NR双连接控制面

（1）LTE-NR双连接控制面协议栈

无论网络架构是上文介绍中的哪一种，处于LTE-NR双连接的UE都仅通过MN与核心网保持一个控制面连接，这与传统LTE双连接是一致的。图4所示MN与核心网的连接可能是S1-MME连接，也可能是NGC-AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移动性控制功能）连接，这取决于MN的属性及所连接的核心网。此外，UE的RRC状态也是唯一确定的，且与MN状态机保持一致。endprint

但与LTE双连接不同的是，在LTE-NR双连接中，MN和SN各有一个RRC（Radio Resource Control，无线资源控制）实体，可以根据ASN.1产生RRC PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元）和节点间PDU。且不同于LTE双连接中所有RRC消息都由MN产生发给UE，在LTE-NR双连接中，UE可以配置在SCG（Second Cell Group，辅小区组）上建立SRB（Signaling Radio Bearer carrying control plane data，信令承载），实现SN产生RRC直接发送给UE。这是因为MN和SN所采用的是不同的接入技术，SN应该能够管理仅与SN相关的控制面消息。

SN产生的初始配置以及涉及MN重配的SN配置消息会被嵌入在MN产生的RRC消息中，通过MN发送给UE。对于无需和MN进行协商的SN配置，既可以通过嵌入在MN产生的RRC消息中通过MN发送给UE，也可配置UE在SCG建立SRB，实现RRC PDU直接在SN和UE间传送。当SN的消息嵌入在MN的RRC消息中发给UE，UE只会给MN反馈一个联合的成功/失败消息，而不会单独给SN反馈。此外，封装了SN RRC消息的MN RRC消息一旦发生失败，就会发起重建，无论该条消息中是否包含MN配置。

在LTE-NR双连接中，UE是否配置SCG SRB取决于网络的配置，且最终由SN决定SCG SRB的添加。对于SCG SRB，它是一种NR SRB，其使用的逻辑信道为NR-DCCH（Dedicated Control Channel，专用控制信道）。SCG SRB可以在SN添加（SN Additon）和SN改变（SN Change）中建立、释放，并且可在SCG修正（SN Modification）中进行重配。相比于DRB（Data Radio Bearer carrying control plane data，数据承载），SCG SRB有更高的优先级，UE RRC层会按接收的顺序对通过SCG SRB传送的消息进行处理，但不会对MCG（Master Cell Group，主小区组）SRB和SCG SRB上传的消息进行重排序。因此，为了避免由于MN和SN链路传输时延不同带来的UE行为紊亂问题，SCG释放消息仅可以通过MCG SRB发送，而不可以通过SCG SRB发送。一旦SCG释放，网络将通过某些方式将SCG承载转变为MCG承载或将其转移到其他SCG上。另外，当配置了SCG SRB，SN内移动性相关的测量报告可以直接从UE上报给SN，测量上报所使用的SRB应当与初始化测量流程的SRB为同一个SRB。

不同于传统LTE系统内部双连接，LTE-NR双连接支持分离SRB，且无论MN为何种无线接入技术。这里的分离SRB包含两层含义：1）LTE/NR PDCP控制面消息复制，即在MN和SN链路上同时传输相同的控制面消息；2）控制面消息可以只在任意一条链路上传，如根据链路质量动态切换传输控制面消息的传输链路。可见，通过配置分离SRB，可以实现信令的高可靠或低时延传输。

分离SRB由MN在SN添加和修正过程中决定和添加，添加所需的SN配置由SN提供。目前仅支持对SRB1和SRB2配置分离SRB，且分离SRB1/2的SCG链路和SCG SRB是独立配置的，其中MCG分离SRB1调度优先级和SCG SRB是相同的。

（2）LTE、NR能力协调

对于同时支持LTE和NR的UE，会分别对LTE和NR上报相关的UE能力信息，因此MN和SN需要对UE能力进行一定的协调，以免MN和SN对UE的配置超出UE能力范围，能力协商所使用的消息为RRC节点间消息。

LTE-NR双连接中的UE能力共分为三类：

类型I：该类能力的使用与所使用的无线接入技术无关；

类型II：在一种无线接入技术中使用该类能力会对另一种无线接入技术造成影响，但是另一种无线接入技术的网络侧并不能理解该类能力的使用；

类型III：在一种无线接入技术中使用该类能力会对另一种无线接入技术造成影响，且另一种无线接入技术的网络侧能够理解该类能力的使用。

对于类型I能力，LTE和NR节点间无需进行能力协调，MN会将仅与SN无线接入技术有关的能力发给SN，即以LTE双连接方案为基础方案。对于另外两类UE能力，可能需要MN和SN通过Xn/Xx接口进行协调。协调可能会带来对UE的重新配置，但无论是否要对UE重新配置，都要保证不超过UE能力。标准上现已确定的需要MN和SN协调的能力包括不同接入技术间的频带组合以及协议栈层2的缓存。

需要注意的是，当UE要在LTE和NR间进行能力协调时，应该只涉及两个节点，如一个eNB和一个gNB。此外，MN、SN都可以发起UE能力重新协调过程，但是SN发起的能力重协调请求最终由MN决定是否接受。

MN和SN可独自对处于LTE-NR双连接的UE进行测量配置，但MN和SN所配置的测量载波的总数量需要两节点间进行协商，以免超出UE能力。当MN和SN在相同的载波上配置了测量目标时，二者配置需要保持一致。是否还有其他测量相关的能力需要MN和SN协调还需进一步研究、讨论。

2.3 LTE-NR双连接用户面

相比于传统LTE双连接中的三种承载类型：MCG承载、SCG承载、MCG分离承载，在LTE-NR双连接中新增了SCG分离承载。

其中，MCG承载是协议栈都位于MN且仅使用MN资源的承载；SCG承载是协议栈都位于SN且仅使用SN资源的承载；分离承载是指协议分栈同时位于MN和SN两个节点且同时使用MN和SN资源的承载，MCG分离承载特指通过MN和核心网相连，数据由MN分流至SN的分离承载；SCG分离承载则是通过SN和核心网相连，数据由SN分流至MN的分离承载。endprint

图5、图6、图7是MCG分离承载、SCG分离承载和MCG承载以及SCG承载的协议栈示意图，各图中分别给出了MN是LTE eNB和NR gNB两种情况时的承载协议栈示意。与单连接时类似，用户面协议栈主要包含PDCP（Packet Data Convergence Protocol，分组数据汇聚协议）层、RLC（Radio Link Control，无线链路控制）层及MAC（Media Access Control，介质访问控制）层。且同LTE双连接一样，每个节点仅有一个MAC实体。但相比传统LTE双连接，无论哪种承载类型，其用户面协议栈上均多了一个新的协议层：新接入子层（New AS sublayer），由于5G NR中引入了QoS（Quality of Service，服务质量）流的概念，新接入子层主要用于QoS流和无线承载间的映射以及在上下行数据包中标记QoS流标识。

表1是LTE-NR双连接中三种承载（不包括MCG承载）的分析、对比。

通过表1的对比可以发现，三种承载各有优劣，有不同的使用限制和不同的应用场景，因此LTE-NR双连接对于承载的配置、不同类型间的相互转换也有一定的要求。

其中，LTE-NR双连接不支持对MCG分离承载和SCG分离承载的同时配置，也不支持MCG分离承载和SCG承载的同时配置。LTE-NR双连接支持多种承载类型间的转换，包括：MCG承载和MCG分离承载间的相互转换、MCG承载和SCG承载间的相互转换、不同MCG承载间的转换、不同MCG分离承载间的转换以及不同SCG分离承载间的转换；但不支持MCG分离承载和SCG承载间的相互转化。

相比于LTE双连接，SCG分离承载是LTE-NR双连接中新增的承载类型。这类承载数据面MN和SN同时与核心网相连，但数据的分流方向是从SN到MN，对MN和SN间回传链路及SN处理能力都有一定的要求。

3 对LTE-NR双连接的思考

从上文分析可知，LTE-NR双连接相关的网络架构和协议栈设计存在多个可选项。由于4G网络已经大量部署且广泛存在，如果5G采用非独立组网，Option 3系列网络架构无需额外部署NR核心网，同时可以减少对LTE网络的改造，增强对LTE网络的有效利用，故应有较大可能会被应用于实际。但如果5G采用独立组网，NR gNB有完整的协议栈，既可配置为MN也可以配置为SN，这就意味着可根据实际需求灵活部署成Option 4系列和Option 7系列。

考虑到未来5G部署很有可能部署在高频段，其覆盖范围有限，采用LTE eNB作为MN，提供可靠的控制面覆盖，NR gNB作为SN，提供大带宽、高速率的传输，是一种较为可能的方式。另外，还可以在控制面配置分离SRB，用以提高信令的可靠性传输，减少链路重建，以减小开销。

在用户面，由于LTE和NR带宽差距较大，傳输速率差距也可能较大，如果采用SCG分离承载，可以缓解LTE和5G传输带宽的巨大差异，且无需对现有无线网络和传输网络进行大量的升级和改造。

4 结论

本文对LTE-NR双连接进行了深入思考，从网络架构、控制面和用户面协议栈架构对LTE-NR双连接进行了介绍。无论未来5G NR网络采用独立组网还是非独立组网，在LTE与5G NR间采用双连接技术，都可以达到提高吞吐量和可靠性、减小传输时延等目的。LTE-NR双连接在LTE和5G系统互操作方面起到重要的作用，可以预见，该技术或将成为未来5G NR的关键技术。

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