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）

0 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。

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 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LWIPSeGW之间的连接由Xw接口提供[4]。

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。

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。

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。

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 EPC

E-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 NGENDC。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。NGRAN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。

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 DC

3.3.1 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。

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。