LTE—NR双连接关键技术及应用

江巧捷 于佳

【摘 要】LTE-NR双连接对5G网络快速部署以及网络性能深度优化具有重要意义。对R15定义的LTE-NR双连接关键技术进行了详细的描述，重点阐述了LTE-NR双连接技术的主要性能增益，针对不同结构的LTE-NR双连接技术的应用场景进行了讨论。

NR；双连接；承载分离

1 引言

3GPP在R10标准中引入了载波聚合（Carrier Aggregation，CA）技术[1]，通过聚合多个成分载波（Component Carrier，CC）同时为一个用户终端（User Equipment，UE）服务，使得传输速率得到极大提升[2]。在这类场景中，要求宏基站与微基站保持严格的时间同步，因此需要利用理想的回程（backhaul）相连接。为实现非理想回程连接下的载波聚合，LTE在R12引入了双连接的概念[3]，即用户可在RRC（Radio Resource Control）连接状态下同时利用两个基站独立的物理资源进行传输。LTE双连接扩展了载波聚合的应用，能够有效提升网络容量，并能提高切换成功率及负载均衡等能力[4-5]。

3GPP基于LTE双连接提出了LTE-NR双连接技术[6]，定义了4G、5G紧密互操作的技术规范，开创性地将RAT间的互操作过程下沉至网络边缘。对于5G来说，基于LTE-NR双连接技术的非独立组网模式可使5G核心网和接入网分步部署，有利于5G的快速部署和应用。当5G部署进入到较为成熟的独立组网阶段，LTE-NR双连接技术对扩展5G网络的覆盖，提升网络性能仍具有重要意义。

本文首先介绍了LTE双连接技术；然后通过分析LTE双连接与LTE-NR双连接的异同，介绍LTE-NR双连接的关键技术；最后，在此基础上分析了LTE-NR双连接的突出优势，并分析了主要的应用场景。

2 LTE双连接技术

LTE双连接技术中，UE同时与两个基站连接，分别称为主基站（Master eNB，MeNB）和辅基站（Secondary eNB，SeNB）。双连接可实现载波聚合。不同的是，载波聚合承载在MAC（Medium Access Control）层分离，需要MAC层对两个接入点的物理层资源进行同步调度。双连接的承载分离在PDCP（Packet Data Convergence Protocol）层进行，两个接入点可独立进行物理层资源的调度，不需要严格同步，因此可采用非理想的回程链路连接MeNB和SeNB。

2.1 控制面

R12定义的LTE双连接中，仅MeNB与MME（Mobility Management Entity）有S1接口的连接，SeNB与MME之间不存在S1连接，如图1所示。MeNB通过X2-U接口与SeNB进行协调后产生RRC消息，然后转发给UE。UE对RRC消息的回复同样只发送给MeNB。因此，在LTE双连接中UE只保留一个RRC实体，系统信息广播、切换、测量配置和报告等RRC功能都由MeNB执行。

图1 LTE双连接控制面示意图

2.2 用户面

LTE双连接中定义了主小区群（Master Cell Group，MCG）和辅小区群（Secondary Cell Group，SCG），并根据分离和转发方式的不同，将数据承载分为三种形式：

◆MCG承载：MCG承载从核心网的S-GW路由到MeNB，并由MeNB直接转发给UE。也就是传统的下行数据转发方式。

◆SCG承载：SCG承载从核心网的S-GW路由到SeNB，再由SeNB转发给UE。

◆Split承载：Split承载在基站侧进行分离，可由MeNB或SeNB向UE转发，也可由MeNB和SeNB按分离比例同时为UE服务。

R12定义了两种数据承载转发结构：

（1）1a结构

如图2（a）所示，1a结构中MeNB与SeNB都通过S1接口与S-GW连接。数据承载在核心网进行分离，并发送给MeNB或SeNB，经由MeNB转发给UE的即为MCG承载，由SeNB转发给UE为SCG承载。MeNB或SeNB之间的X2回程链路上只需要交互协同所需的信令，不需要进行数据分组的交互，所以回程链路的负载较小。同时双连接不需要MeNB和SeNB之间的严格时间同步，因此总体上1a结构对X2回程链路的要求较低。

数据承载通过MeNB或SeNB向UE传送，因此峰值速率取决于MeNB和SeNB单站的传输能力。当UE发生移动时，小区切换需要核心网参与，切换效率较低，并存在数据中断的问题。

（2）3c结构

如图2（b）所示，3c结构中只有MeNB与核心网（S-GW）通过S1-U接口连接，因此数据承载只能由核心网发送给MeNB。MeNB对承载进行分离，将全部或部分承载通过X2-U接口发送给SeNB。由于需要数据分组的交互，3c结构要求X2回程链路有较高的容量。

3c结构中数据承载可由MeNB或SeNB发送给UE，也可由MeNB和SeNB同时发送给UE，因此下行传输的峰值速率可获得显著提升。另外，SeNB分担了MeNB的承载，可用于负载均衡，有利于提升密集部署异构网络的整体性能。当UE发生移动时，3c结构的切换过程对核心网影响较小。同时，由于UE同时连接了两个基站，因此提升了切换成功率。

3c结构不但对回程要求较高，还需要较复杂的层2协议。在R12版本中规定，3c结构只用于下行传输，不用于上行传输。

3 LTE-NR双连接技术

从全球范围来看，各国的5G首发频段主要有两类：一类是毫米波频段，如美国目前的5G商用重点为28 GHz、39 GHz等毫米波频段的固定无线接入；另一类是3.4 GHz—3.8 GHz高頻频段，例如我国确定的5G首发频段为3.5 GHz。可见，相比于过去的移动通信系统，5G工作在较高的频段上，因此5G单小区的覆盖能力较差。即使可以借助大规模MIMO等技术增强覆盖，也无法使5G单小区的覆盖能力达到LTE的同等水平。为此，3GPP扩展了LTE双连接技术，提出了LTE-NR双连接，使得5G网络在部署时可以借助现有的4G LTE覆盖。LTE-NR双连接有利于4G向5G的平滑演进，对快速部署和发展5G具有重要意义。

3.1 LTE-NR双连接结构

与LTE双连接不同，LTE-NR双连接涉及4G的E-UTRA和5G的NR两种不同的无线接入技术的互操作。也就是说，在LTE-NR双连接中，UE可同时与一个4G基站（eNB）和一个5G基站（gNB）连接，在4G网络和5G网络的紧密互操作之下获得高速率、低延迟的无线传输服务。与LTE双连接类似，LTE-NR双连接将作为控制面锚点的基站称为主节点（Master Node，MN），将起辅助作用的基站称为辅节点（Secondary Node，SN）。

根据主节点和辅节点的类型以及连接的核心网的不同，R15中定义了3种LTE-NR双连接结构。

（1）E-UTRA-NR Dual Connectivity（EN-DC）：核心网接入4G EPC，4G基站eNB作为主节点，5G基站作为辅节点。EN-DC中作为辅节点的5G基站主要为UE提供NR的控制面和用户面协议终点，但并不与5G核心网5GC连接，因此在R15中被称为en-gNB。3GPP提出了多种5G网络结构备选方案[7-8]。其中，除了独立组网的option 2之外，目前最受关注的三种非独立组网方案为option 3系列、option 7系列和option 4系列。其中，option 3系列网络结构就是在EN-DC双连接技术基础上构建的4G、5G混合组网网络架构。

（2）NG-RAN EUTRA-NR Dual Connectivity（NGEN-DC）：核心网接入5GC，但主节点仍然为4G基站，5G基站gNB作为辅节点。为了建立5GC与4G基站之間的连接，需要对4G eNB进行升级，称为ng-eNB，即支持NG接口协议的eNB。NGEN-DC结构可对应非独立组网的option 7系列网络架构。

（3）NR-E-UTRA Dual Connectivity（NE-DC）：核心网接入5GC，主节点为5G基站gNB，辅节点为升级的LTE基站ng-eNB。基于NGEN-DC的组网结构符合3GPP提出的option 4网络架构的技术特点。

表1总结了R15中定义的三种LTE-NR双连接结构。

3.2 控制面

LTE-NR双连接的控制面结构如图3所示。图3（a）表示的是EN-DC结构下的控制面，其中核心网EPC与作为主节点的eNB以S1接口连接，主节点与辅节点以X2-C接口连接。图3（b）和3（c）分别表示NGEN-DC和NE-DC两种接口下的控制面，其中核心网5GC与主节点以NG-C接口连接，主节点与辅节点之间以Xn-C接口连接。可以看出，EN-DC结构中的控制面协议依然以LTE的控制面接口协议为主，而NGEN-DC和NE-DC由于接入了5G核心网，相应的接口协议也采用了5G的接口协议。

值得注意的是，与LTE双连接不同，LTE-NR双连接中的UE既与主节点的RRC连接，也与辅节点的RRC连接。辅节点的初始RRC信息必须经由X2-C或Xn-C转发给主节点，再由主节点发送给UE。一旦建立了辅节点与UE之间的RRC连接，之后重新建立连接等过程可在辅节点与UE之间完成，不再需要主节点的参与。辅节点可独立地配置测量报告，发起切换等，具有较高的自主性。但是，辅节点不能改变UE的RRC状态，UE中只维持与主节点一致的RRC状态。

3.3 用户面

与LTE双连接相同，LTE-NR双连接中的数据承载也分为MCG承载、SCG承载和Split承载三种分离形式。

LTE-NR双连接用户面与LTE双连接相比有两点较大的不同，首先是协议栈不同。如图4所示，在LTE-NR双连接中，除了EN-DC结构中的MCG承载之外，SCG承载和Split承载以及NGEN-DC和NE-DC两种结构中的MCG承载均在NR PDCP子层中分离。另外，由于NGEN-DC和NE-DC两种结构接入了5GC，因此无线侧协议增加了用于QoS流与数据承载映射的SDAP（Service Data Adaptation Protocol）子层，如图4（b）所示。

LTE-NR双连接的另一个显著的不同是容许辅节点进行承载分离。实际上，由于5G传输的数据流量较大，进行承载分离的基站需要具备较强的处理能力和缓存能力。如果在作为主节点的4G基站中进行分离，为了满足承载分离需要占用大量的4G基站资源，将会对4G传输产生较大影响。这种情况下，在作为辅节点的5G基站上进行承载分离效率更高。

4 LTE-NR双连接应用

LTE-NR双连接技术可在容量、覆盖、效率等多方面为网络带来性能增益，主要体现在以下几个方面：

（1）增强覆盖。LTE-NR双连接技术中，UE可同时与LTE基站和5G基站建立RRC连接。在5G基站无法覆盖的区域，UE可通过与LTE基站的RRC连接保留在网络内，保持连接的连贯性。对于5G部署初期网络覆盖水平较差的阶段，LTE-NR双连接技术带来的覆盖增强对5G网络具有重要意义。

（2）提升容量。在双连接用户面数据传输过程中，无论是1a结构还是3c结构都能够为UE带来一定程度的流量增益，进而达到提升覆盖区域网络容量的效果。

（3）负载均衡。在主节点负载过重的情况下，可利用SCG承载或Split承载将一部分流量负载转移到辅节点上，从而实现负载均衡。在5G部署初期，gNB可作为辅节点为LTE分流。但是相比于5G，LTE网络的流量负载较小，需要借助gNB分流的场景较少。更可能的场景是当5G NR覆盖达到一定程度之后，作为主节点的gNB借助作为辅节点的eNB实现负载均衡。

（4）提高切换成功率和效率。5G的小区间切换继承了LTE中使用的硬切换，及UE在释放当前RRC连接后再建立新的RRC连接。LTE-NR双连接技术中UE建立了两个RRC连接，因而可以降低硬切换过程中的失败率。另外，由于辅节点可独立进行测量，触发重选，因此切换的效率相比于LTE双连接更高。

（5）降低小区间干扰。在LTE-NR双连接中，由于LTE与5G NR工作在不同的频段上，因而可借助不同的承载分离方式降低边缘UE的小区间同频干扰。

EN-DC、NGEN-DC和NE-DC三种结构的LTE-NR双连接技术均可带来上述性能增益，但各自突出的优势各有不同，因此三种结构的LTE-NR双连接技术适用于不同的应用场景。

（1）EN-DC

EN-DC结构能够获得一定程度的流量增益，理论上可以为单UE提供超出LTE峰值速率的高速业务。但受到主节点eNB和核心网EPC性能的限制，EN-DC无法支持5G新业务。EN-DC可用在对5G NR相关技术进行测试的场景中，或者某些需要较高速率的小范围应用。EN-DC对现网影响较小，无需建设5GC，只需根据需求少量建设5G gNB。但EN-DC适用范围和经济效益有限，不适于大规模应用。

（2）NGEN-DC

NGEN-DC具有5GC和NR的完整5G网络结构，因而能够提供包括eMBB、uRLLC、mMTC的5G新业务。NGEN-DC结构中，网络的覆盖能力主要依靠LTE网络，NR无须实现连续覆盖，但主要的5G新业务只在具有NR覆盖的范围内可实现。NGEN-DC结构中，虽然5G用户可持续地保持接入状态，但5G业务的支持能力是不连续的。实际应用中需针对具体的业务需求进行部署。NGEN-DC结构有助于快速开展5G业务应用，适用于5G小规模商用阶段。NGEN-DC结构需建设5GC，可根据应用需求进行NR部署，同时需要对eNB进行升级。在实现连续覆盖时，虽然NR建设成本相对较低，但eNB升级的成本非常高。此外，当5G NR发展相对成熟时，为了向独立组网的5G网络演进，需要进行大量的割接等工作。因此，虽然可基于NGEN-DC技术快速实现5G的连续覆盖，但这种结构不适合大规模商用。

（3）NE-DC

NE-DC同样具有完整的5G网络结构，可支持多样的5G新业务。NE-DC中，eNB作为辅节点可扩展NR的覆盖范围、帮助填补盲点，但需要NR基本实现连续覆盖。EN-DC适用于大规模5G商用阶段。甚至当5G独立组网能够满足覆盖需求的情况下，EN-DC也为5G网络提供负载均衡、干扰协调等功能。EN-DC适用于5G网络建设较为成熟的阶段，需要5GC的建设和大规模的NR覆盖。但相比于NGEN-DC，eNB设备升级的成本较低，并且无需后续的割接等工作。

5 结束语

本文从网络结构、控制面和用户面架构三方面对R15中定义的LTE-NR双连接技术进行了介绍。通过与LTE双连接技术的对比，分析LTE-NR双连接技术的主要性能增益。本文对LTE-NR双连接技术的三种结构（EN-DC、NGEN-DC和NE-DC）分别进行了深入探讨，分析了不同结构的LTE-NR双连接技术适用的应用场景。

参考文献：

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[2] Ye Wang， Peipei Chen， Qinyu Zhang， et al. Cross entropy based component carrier allocation in LTE-Advanced wireless communication system[C]//2012 International Conference on Wireless Communications and Signal Processing （WCSP）， 2012： 1-6.

[3] 3GPP TS 36.300. Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA） and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN） V12.4.0[S]. 2014.

[4] 杜忠達. 双连接关键技术和发展前景分析[J]. 电信网技术， 2014（11）： 12-17.

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