4G/5G多网协同与互操作研究

刘湘梅，熊力，段潇君，谢卓罡，罗丛优

【摘  要】NSA网络中涉及较多4G/5G网络交互流程，为更精准高效开展5G网络问题定位与运营，从NSA基本原理、4G/5G协同优化关键点进行研究，重点研究分析了4G/5G锚点小区驻留、4G/5G NR切换和4G/5G两网之间参数一致性等关键协同优化问题，并结合实践经验，梳理总结NSA网络的分析流程，为后续4G/5G协同优化提供参考依据和优化思路。

【关键词】4G/5G协同优化;锚点;NR;QCI

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.12.008      中图分类号：TN929.5

文献标志码：A      文章编号：1006-1010（2019）12-0042-06

引用格式：刘湘梅，熊力，段潇君，等. 4G/5G多网协同与互操作研究[J]. 移动通信， 2019，43（12）： 42-47.

Research on 4G/5G Multi Network Cooperation and Interoperability

LIU Xiangmei， XIONG Li， DUAN Xiaojun， XIE Zhuogang， LUO Congyou

（Guangdong Wireless Network Optimization Center of China Telecom Co.， Ltd.， Guangzhou 510630， China）

[Abstract] There are many 4G/5G network interaction processes in NSA network. In order to carry out the problem localization and network operation for 5G more accurately and efficiently， this paper first studies the basic principles of NSA and the key points of 4G/5G collaborative optimization. Then the key collaborative optimization issues are investigated including 4G/5G anchor cell residence， 4G/5G NR handover and the parameter consistency in 4G/5G networks. Finally， based on the practical experience， the analysis processes of NAS networks are summarized， which provide reference and optimization ideas for subsequent 4G/5G collaborative optimization.

[Key words]4G/5G collaborative optimization; anchor cell; NR; QCI

0   引言

在NSA网络试点部署中，5G网络运营存在较多问题，其中较大部分会涉及新建设5G网络和现有的4G网络之间的协同优化，如何做好4G/5G协同优化成为NSA网络建设的关键点。

1   NSA基本理论阐述

1.1  NSA网络概述

5G有两种组网方式，一種是SA独立组网，另一种是NSA非独立组网[1]。NSA组网方式下，5G的核心网主要在原有LTE的核心网下进行升级改造完成。5G NR控制面锚定于4G，沿用4G核心网EPC，这一架构又称为EN-DC，即EUTRA-NR双连接技术。目前5G建网初期，采用以NSA为主，SA结合的方式来部署5G网络。

双连接技术最早在3GPP R12版本提出，其基本原理是让一部手机连接到无线接入网中的两个（或多个）节点/基站，其中一个是主节点，负责无线接入的控制面，即负责处理信令或控制消息;另一个（或多个）节点为辅助节点，仅负责用户面，即负责承载数据流的传送。双连接技术主要是为了提升网络速率，均衡网络负载以及避免切换中断，保障稳健的移动性。

EN-DC网络结构如图1所示：

图1    EN-DC网络结构

图1是选项3x的NSA组网结构，也是目前电信运营商5G NSA组网模式选择最多的一种选项。

NSA选项3x的主要特点有：

（1）4G基站（eNB）为主节点（Master Node）。

（2）5G基站（gNB）为辅助节点（Secondary Node）。

（3）在控制面，也就是为了传输数据而进行信令交互时，只有4G基站直接与4G核心网网元MME相连。

（4）在用户面，也就是传输数据流量时，4G基站和5G基站均直连4G核心网网元S-GW，用户数据流量的分流和聚合在5G基站完成，要么直接传送到终端，要么通过X2-U接口将部分数据转发到4G基站再传送到终端。

UE要想通过5G基站传输高速数据，需首先连接4G基站进行信令交互，待4G基站分配完5G无线资源后，手机用户才能享受5G高速上网。简单的说，在NSA组网下，5G这条高速公路的指挥调度权掌握在4G手里，5G性能的某些方面参数也是在4G eNB设置的，这也是4G/5G协同优化的一个重要体现。

1.2  EN-DC模式的5G资源添加流程

在EN-DC双连接模式下，UE首先注册4G网络，然后再上报测量的5G信号强度和质量等。比如当UE移动到5G小区的覆盖范围时，检测到5G信号强度和质量足以支持5G服务，则4G基站将与5G基站沟通为UE分配5G资源[2]。

然后4G基站通过RRC连接的RRC Connection Reconfiguration消息将5G NR分配的资源通知UE，完成RRC连接重新配置过程后，UE就同时连接到4G和5G网络了，这就是DC双连接[3]。

完成5G資源添加流程后，即手机和5G基站已经准备好了用于数据传输的5G无线资源。4G基站会通知核心网MME数据承载从4G-LTE切换到5G-NR，MME通知SGW更新承载，SGW将数据传输路径从4G基站切换到5G基站，再通过End Marker消息告知4G基站可以休息了，5G基站就可以开始传输数据[4]。EN-DC双连接增加了网络信令连接的复杂程度，4G/5G协同工作的标准要求更高。

2   4G/5G协同优化

2.1  协同优化概述

5G NSA网络结构和4G锚点站息息相关，控制面必须通过4G侧，用户面可以通过NR侧，也可以通过4G eNB到5G核心网，所以说4G/5G协同工作非常重要，两端紧密相连，密不可分，5G NSA网络的优化必须包括有4G/5G协同优化的内容。

从优化技术角度来看，4G/5G协同优化主要包括三大方面：4G/5G锚点小区驻留的协同优化、4G/5G NR切换的协同优化和4G/5G两网之间参数一致性的协同优化。

2.2  协同优化：锚点小区的驻留

关于NSA组网模式下，NR接入问题的优化也给5G优化带来了新的挑战。如果锚定小区优先级不是最高，则存在NSA终端无法及时占用锚定小区的问题，如中国电信的双载波小区有1.8G和2.1G同时覆盖室外，2.1G载波优先级更高时，目前现网锚定在1.8G上，UE占用2.1G没有及时迁移到1.8G上，就会导致UE无法运行5G业务。

解决方案：定向切换优化。5G UE接入非锚点小区，如果它的邻区中存在锚点邻区，则在连接态下主动发起到锚点邻区的定向切换。通过连接态定向切换策略，保证5G商用终端及时迁移到锚点小区。为了确保NSA终端可以从非锚定小区切换到锚定小区，并在锚定小区稳定驻留，具体步骤如下：

（1）当NSA终端占用非锚定小区时，可以定向切换至锚定小区（非锚定小区添加锚定小区为邻区关系），需要在非锚点小区配置NSA定向切换功能。

（2）NSA终端占用到锚定小区后，禁止覆盖再切换回源频点、源频段或者源制式，需要在锚点小区配置防乒乓功能。

（3）NSA终端占用锚定小区时，禁止将NSA终端负荷均衡到其他频点，需要在锚点小区配置NSA终端过滤功能。

定向切换流程[5]归纳为以下三点：

（1）NSA终端驻留在非锚点小区且与锚点小区配置了邻区关系，则非锚点小区下发A5事件测量并启动EN-DC锚定功能切换测量等待定时器。

（2）定时器超时前，如锚定小区满足测量门限且终端成功上报该MR，则非锚定小区发起向锚定小区的切换执行流程，NSA终端成功占用锚定小区。

（3）如果锚定小区不满足测量门限，定时器超时后，删除本功能下发的A5事件测量。继续执行其他常规测量。

2.3  协同优化：NR的切换

在NSA组网结构下，由于控制面信令是走LTE的，NR之间的切换是和LTE息息相关的。在NSA组网下，网络结构复杂于SA，也区别于LTE网络，其原因是5G与4G在接入网级互通，互连更复杂。

首先，互连复杂会影响空口时延。在控制面时延上，NSA组网下NR锚定于LTE控制面，因此，控制面时延基本与4G一样。在用户面时延上，如果LTE与NR数据流聚合，用户面时延会受限于4G。

其次，互连复杂会影响切换时延。在NSA组网下，由于5G NR锚定于4G LTE，NR至NR之间的切换若发生LTE锚定改变，需多个步骤才能完成，花费时间较长。

根据图2的流程，NSA组网结构中NR与NR的切换流程如下：

（1）首先要删除源副载波，释放源NR资源;

（2）然后再执行LTE到LTE之间的切换;

（3）接着再添加目标副载波，新分配目标NR资源。

图2    NSA与SA组网下切换流程

NR之间的切换涉及到LTE锚点之间的切换，锚点切换失败会导致NR的切换指标，所以说锚点是NR切换的必要条件。5G NSA切换时延也是会比SA和LTE大，直接的原因就是切换流程的复杂度增加，流程繁琐。根据理论资料和实际的测试结果显示，NSA整个切换过程至少要用150 ms左右。但在SA组网下，NR到NR切换独立于LTE切换，同频切换时延仅需约40 ms，异频切换时延仅需60 ms。至于SA与NSA之间的切换，等同于NR-LTE异系统切换，时延也只需约70 ms。

2.4  协同优化：4G/5G参数一致性

文章的2.2节重点介绍了选项3x的现网EN-DC网络架构模式如图3所示，5G控制面是走LTE基站，用户面走LTE和NR都可以，所以在LTE锚点小区上有诸多的控制面相关参数来控制NR的接入和资源管理，5G NSA网络的参数就涉及到LTE锚点小区和NR小区两个大方面。

（1）LTE锚点上的关键参数

1）EN-DC类参数。其属于分流模式的控制类参数，主要包括EN-DC NR上行支路无线质量要求门限、上行支路质量迟滞、两次下行NR leg激活最小时间间隔、两次上行NR leg激活最小时间间隔等参数。

2）接入类参数。主要包括盲加腿策略、基于B1测量加腿策略。为了保障精确、快速的加腿，一般建议设置为B1测量加腿，B1测量加腿涉及到的参数有：B1测量的RSRP门限、B1迟滞Hyst、触发B1测量的Trigger等。

3）Split承载类参数。主要包括是否允许承载建立Split承载开关以及在锚点上NR引用的ArpLev设置参数，ArpLev引用包括不同的QCI。在本文第三章将重点介绍ArpLev引用QCI错误导致NR不能接入问题的解决措施。

（2）NR的参数

1）NR基本信道/信号类参数：PBCH信道上的SSB类参数设置。

2）NR参考信号参数：CRI-RS参考信号的参数，如周期、TRS周期和功率增强等级设置等。

3）NR接入类参数：前导码接收功率门限值、前导最大传输次数。

4）NR功控类参数：上行功控的P0参数、最大发射功率等。

5）NR速率类参数：上下行最大MIMO调度层数，如4层、8层;PDCP重排序上下行计时器;RLC UM模式QCI List等。

2.5  4G/5G协同优化故障定位流程

图4为5G Troubleshooting的流程示意图，主要从目前NSA网络架构下最容易出现的三大方面问题来梳理流程，包括终端问题、NR接入问题、NR速率问题。

（1）终端问题

核查终端芯片能力（支持NSA/SA或单NSA）、SIM卡的5G速率权限、FTP服务器带宽等问题，建议的SIM和FTP最低配置如下：

1）SIM卡：做5G數据，开通5G速率，一般至少要求下行20 Gb/s，上行10 Gb/s，流量使用不限流限速。

2）FTP服务器：10G带宽，内存32G，硬盘2T（多组使用FTP测试峰值，建议带宽要相应再扩大到40G或100G）。

（2）NR速率问题

切换引起的速率问题排查切换问题，否则排查NR速率相关参数问题。

（3）NR接入问题

1）首先，检查是否存在影响接入的告警存在，检查的网元包括LTE锚定和NR小区，有告警先处理。

2）其次，在锚点检查加腿方式是盲加腿还是基于B1测量的加腿，B1测量加腿更精确，建议采用B1测量加腿方式。

3）再次，核查4G/5G协同相关的策略和参数、锚点小区的驻留问题，是否是最好的同方向小区，是否是占用1.8G的锚点频点以及核查4G/5G两网之间的参数一致性问题。

4）最后，现场拨测，同时基站侧跟踪做进一步的深度分析。

3   典型案例分析应用

3.1  NR接入问题描述

在广东电信5G工程优化验证测试中，发现NR小区不能接入，无法进行5G高速下载测试。通过测试软件回放LOG信令分析，发现UE占用LTE锚点小区后，不能加腿。

现场测试复现问题，测试软件信令显示驻留在LTE小区，无NR信息和信令，无法驻留到NR，没有发生加腿的信令，如图5所示。

（1）核查NR小区状态信息：NR状态正常;

（2）检查锚点加腿方式：基于B1测量加辅站NR小区，相关参数设置正常;

（3）检查锚点小区驻留是否正确，驻留在1.8G和NR同方向的LTE小区，正常。

通过以上3步核查，基本可以判断锚点的驻留和加腿方式没有问题，不能接入NR的问题与锚点加腿无关。

3.2  4G/5G协同优化核查

根据上述核查，初步怀疑是EN-DC或4G/5G协同类有关不一致的参数导致的问题，为了进一步进行分析，进行现场拨测，并在eNB侧进行信令跟踪。

eNB跟踪显示信令建立正常，在LTE锚点小区上，UE Attach是成功的，鉴权加密、上下文直传、UE Capability上报直到EPS Bearer承载激活都正常，最后网路下发RRC Reconfiguration，说明在LTE上UE接入正常，但之后一直没有B1测量的加腿发生。

在初始建立的Request信令中，Initial Context-Setup Request的详细内容中显示：EPC给LTE锚点小区指示的QCI=9，如图6中NR小区抓包信令所示。

广东电信LTE核心网定义QCI=8为MBB业务，因此在锚点小区上NR的QCI引用设置为QCI8，EPC下发给LTE锚点的NR业务接入QCI=9，两者QCI协商不一致，从而导致NR不能接入。

经了解，是由于近期LTE核心网刚把MBB业务修改为QCI9，为了防止LTE核心网修改MBB业务的QCI导致NR QCI引用不一致问题，在LTE锚点小区上把QCI8和QCI9都添加到ArpLev0的引用中，不管LTE EPC的MBB业务是QCI8还是QCI9，都可以正常引用。

3.3  效果验证

添加QCI8和QCI9引用后，经现场验证测试，NR Cell Add加腿成功，NR接入正常，问题得到解决。

4   结束语

EN-DC增加了网络信令连接的复杂程度，双连接好似5G NR和UE之间多了一个“中转站”，本来可以直接发送给手机的NR RRC Reconfiguration消息，需经过4G多次封装和转发。从技术方面出发，4G/5G协同优化主要包括LTE锚点小区驻留策略、NR的切换和4G/5G两网之间的参数一致性等。4G/5G协同优化是5G NSA网络建设完成后优化的重要环节之一，4G/5G协同优化的好坏是5G优化工作的前提条件和基础。

参考文献：

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