MR-DC双连接技术探讨

陈嘉明（中国移动通信集团广东有限公司江门分公司，广东江门 529000）

1 概述

双连接是3GPP R12 引入的重要技术。通过双连接技术，LTE 宏站可以利用现有的非理想回传X2接口来实现载波聚合，从而为用户提供更高的速率，以及利用宏/微组网提高频谱效率和负荷均衡。

3GPP R14 在LTE 双连接技术基础上，定义了LTE和5G 的多无线双连接技术（MR-DC——Multi-Radio Dual Connectivity）。MR-DC 是E-UTRA 双连接的一种概括，它指1个含多个收发器的终端可配置为利用2个不同节点提供的资源，2 个节点通过非理想回传连接，一个提供NR 访问，另一个提供E-UTRA 或NR 访问。一个节点充当主节点（MN——Master node），另一个节点充当辅节点（SN——Secondary node）。MN 和SN通过网络接口连接，并且至少MN连接到核心网。

MR-DC 是运营商实现LTE 和5G 融合组网、灵活部署场景的关键技术。在5G 建设早期可以基于现有的LTE 核心网实现快速部署，后期可以通过LTE 和5G的联合组网来实现全面的网络覆盖，提高整个网络系统的无线资源利用率、降低系统切换时延以及提高用户感知和系统性能。

2 5G架构选项基础概念

2.1 8类5G架构的提出

5G 网络的部署是一个渐进的过程。早期可以在现有LTE 网络的基础上部署5G 热点，将5G 无线系统连接到现有的LTE核心网中，以实现5G系统的快速部署和方案验证。5G 核心网建成后，5G 系统就可以实现独立组网，这种情况下虽然5G可以提供更高速的数据业务和更高的业务质量，但是在某些覆盖不足的地方，仍然可以借助LTE系统来提供更好的覆盖。

3GPP TSG-RAN 的第72 次全体大会中，RP-161266 给出了12 种5G 系统整体架构，涉及8 类选项（Option），这些架构选项是从核心侧和无线侧相结合的角度进行考虑的，部署场景涵盖了5G商用网络可能存在的部署需求。在《下一代系统体系结构研究》（3GPP TR 23.799）中也提到了7 类选项。综上，Option 1/Option 2/Option 5/Option 6 为SA 架构（LTE 与5G NR独立部署架构），Option 3/Option 4/Option 7/Option 8 为NSA 架构（LTE与NR双连接部署架构），如图1所示。

从连接结构上分析，Option 1 是现有的4G 网络架构，LTE eNodeB 连接到EPC。Option 6 为仅gNB 连接到EPC 的架构，不符合5G 网络演进趋势，Option 8/Option 8a 为非独立部署架构，但其连接结构以gNB 为控制面锚点，也不符合5G 网络演进方向，以上2 类Option 均不具有实际部署价值，标准中不予考虑。Option 2/Option 3/Option 4/Option 5/Option 7 是3GPP 标准以及业界重点关注的5G 候选组网部署方式，且其中Option 2 为5G 演进的最终形态，Option 5 为过渡方案，可能存在小部分割接到5G 核心网的LTE 基站，Option 3/Option 4/Option 7 为3GPP TR 38.801 协议中重点介绍的LTE与NR双连接的网络部署架构选项。

2.2 多无线技术双连接的引入

3GPP在R15中为新的无线电系统制定了规范，为满足部署和演进路径的不同要求，引入了不同的架构选项。E-UTRA-NR 双连接（EN-DC），即4G-5G 双连接，也称Option 3，是由LTE 辅助的非独立版本NR。通过LTE 控制面的功能复用，该版本NR 的推出能支持NR 在规格和产品中的快速引入。在EN-DC 之后，3GPP 引入了独立的NR，也称为Option 2，它也是R15的一部分。EN-DC 和独立NR 的主要区别在于后者支持到5G核心网的初始接入。此外，还将在R15中引入连接到5GC的LTE和NR-E-UTRA双连接。

图1 8类5G架构选项模型

EN-DC 不一定是暂时的解决方案，可能会持续一段时间。例如，在某些部署中，将低频和高频结合起来是很有用的解决方案。

3 MR-DC多无线技术双连接概述

3.1 MR-DC分类

MR-DC 可根据核心网接入的类型和主节点的不同分成以下几类，归纳如表1所示。

表1 3GPP定义的3种LTE-NR双连接结构

a）E-UTRA-NR 双连接。E-UTRA 通过EUTRA-NR 双连接（EN-DC）来支持MR-DC，其中UE连接到一个充当MN 的eNodeB 和一个充当SN 的engNB。eNodeB 通过S1 接口连接到EPC，通过X2 接口连接到en-gNB。

b）NG-RAN E-UTRA-NR 双连接。NG-RAN 支持NG-RAN E-UTRA-NR 双连接（NGEN-DC），其中UE 连接到一个充当MN 的ng-eNB 和一个充当SN 的gNG。ng-eNB 连接到5GC，gNB 通过Xn 接口连接到ng-eNB。

c）NR-E-UTRA 双连接。NG-RAN 支持NR-EUTRA 双连接（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。

d）NR-NR 双连接。NG-RAN 支持NR-NR 双连接（NR-DC），其中UE连接到一个充当MN的gNB和一个充当SN 的gNB。主gNB 通过NG 接口连接到5GC，通过Xn 接口连接到辅gNB。辅gNB 也可通过NG-U接口连接到5GC。

由于LTE 和NR 的底层技术组件和功能不同，在完成3GPP R15 中的第1 个NR 版本之前，需要解决许多挑战，而第1个要标准化的解决方案是EN-DC。

在EN-DC 中，主节点是LTE，辅节点是NR。此处的节点仅指基站。2 个节点在承载用户数据的用户面上与现有的EPC 有直接接口，但在控制面上，只有主节点具有与EPC 的直接接口，用以承载移动设备与核心网之间的信令信息。因此，LTE 节点负责维护连接状态转换，处理连接设置/释放，并启动第1 次辅节点的添加，即EN-DC设置。

EN-DC的Option 3系列架构如图2所示。

图2 Option 3/Option 3a/Option 3x架构

3.2 控制面

在MR-DC 中，UE 有一个基于主节点MN RRC 的单一RRC状态和单一与核心网连接的控制面。

相比于LTE，MR-DC 的控制面新增的承载有分离式无线承载（Split SRB）、SRB3。一个UE 可以同时配置Split SRB 和SRB3。Split SRB 和SRB3 的辅小区组（SCG——Secondary Cell Group）分支可以独立配置。

Split SRB 允许通过LTE 和NR（LTE 或NR）发送RRC 消息。Split SRB 的主要优点是增加了额外的健壮性，将RRC的RLC承载建立在MN侧和SN侧。在所有MR-DC 下，SRB1和SRB2都支持Split SRB（SRB0和SRB3 不支持Split SRB），并使用NR PDCP 对Split SRB上的RRC PDU 进行加密和完整性保护。Split SRB 可以由SN添加和（或）修改流程中的MN配置，SN配置部分由SN 提供。在Split SRB 中，下行链路的选择取决于网络的实现。对于上行链路，UE 是通过MN RRC 来配置的，即是否使用主小区组（MCG——Master Cell Group）路径、SCG路径或在MCG和SCG上复制传输。

SRB3 在EN-DC、NGEN-DC、NR-DC 中支持，是SN 和UE 之间的直接SRB，主要用于直传SN 侧和UE的RRC信息。

SN 决定是否建立SRB3，使用SN RRC 消息提供SRB3 配置。SRB3 的建立和释放可以在SN 添加流程和SN 变更流程中完成。可以在SN 修改流程中进行SRB3 重配。SRB3 可以用来发送不涉及MN 的SN RRC 重配、SN RRC 重配完成、SN 测量报告消息。SN RRC 重配完成的消息被映射到与启动该过程的消息相同的SRB。如果配置了SRB3，SN 测量报告消息被映射到SRB3。

SRB3 比所有DRBs 都具有更高的调度优先级。Split SRB 和SRB3 的默认调度优先级是相同的，Split SRB与SRB3的作用示意图如图3所示。

3.3 用户面

在MR-DC 中，从UE 的角度来看，存在3种承载类型：MCG承载、SCG承载和Split承载。

在带有5GC 的MR-DC 中，NR PDCP 始终用于所有承载类型。在NGEN-DC 中，E-UTRA 的RLC/MAC用于MN，NR 的RLC/MAC 用于SN。在NE-DC 中，NR的RLC/MAC 用于MN，E-UTRA 的RLC/MAC 用于SN。在NR-DC中，NR的RLC/MAC都用于MN和SN。

从网络的角度来看，每个承载（MCG，SCG 和Split承载）可以在MN 或SN 上终止，网络与用户角度的承载类型示意图如图4所示。

MR-DC由于存在MN和SN，因此不同的站点提供的资源（RLC 通道）由不同的名称区分。承载类型主要在SN 添加时，由MN 传递给SN 决定添加哪些承载类型。

图3 Split SRB与SRB3的作用示意图

图4 网络与用户角度的承载类型示意图

对于EN-DC，网络可以配置E-UTRA PDCP 或NR PDCP 用于MN 终止MCG 承载，而NR PDCP 始终用于所有其他承载。

Option 3 的Split Bearer 可以称为主节点终止分离承载（MN terminated Split Bearer），Option 3x 的Split Bearer 可以称为辅节点终止分离承载（SN terminated Split Bearer）。

更宽泛的，PDCP实体在MN的DRB都可以称为主节点终止承载（MN terminated Bearer），PDCP 实体在SN 的DRB 都可以称为辅节点终止承载（SN terminated Bearer）。PDCP 实体的位置，既定义了空口的终止位置，也限定了S1-U的终止位置。

4 EN-DC与LTE的差异性对比

4.1 EN-DC与LTE DC的特征对比

LTE系统中，常用的多连接方式包括载波聚合、协同多点传输以及双连接等。LTE 双连接下数据流在PDCP 层分离和合并，随后将用户数据流通过多个基站同时传送给用户，而载波聚合下数据流在MAC 层分离和合并。LTE 双连接是发生在不同站点之间的聚合，两者间通过X2 接口相连，载波聚合一般为同基站下。

在EN-DC 中，UE 在辅节点上有第2 个无线资源控制终结点，而LTE DC 中只有一个RRC 终结点，在主节点上。LTE 和NR RRC 终结点的分离使辅节点能够根据网络配置，即启动辅节点更改/释放/修改，触发内部NR 移动性。而在LTE DC 中，只有主节点能够做到这一点，其特征对比如表2所示。

4.2 EN-DC的协议栈差异

上层用户（RRC/用户数据）对服务器是有期望的，都希望能快速、无误、按序、安全地传输。为满足上层需求，3GPP 在物理层（L1）上引入链路层（L2），包括分组数据汇聚协议（PDCP）、无线链路控制层（RLC）和MAC 3个子层，分别实现不同的功能，向上层提供可靠传输的服务。

EN-DC 的协议栈跟LTE 相比，MN 侧最主要是增加了NR PDCP；SN 侧则主要为NR PDCP、NR RLC、NR MAC；UE侧则由原来的单协议栈升级为双协议栈。

除此之外，NGEN-DC，NE-DC 的协议栈，跟ENDC 相比，最主要是减少了E-UTRA PDCP、RLC、MAC，增加了业务数据适应协议（SDAP——Service Data Ad-aptation Protocol）。5G 核心网支持基于IP 流而不是EPS承载的QoS控制，从而实现更灵活和更精细的QoS控制。在PDCP 层之上引入SDAP 层，SDAP 层执行IP流和无线承载之间的映射。在SDAP 层，封装IP包时，IP头包含这些数据包的QoS标识符。

表2 EN-DC与LTE DC特征比较

4.3 E-UTRA与NR二层功能对比

二层功能主要实现安全（加密、完整性）、无误（HARQ、AMR）、按序（重排）。E-UTRA 与NR 二层功能的比较在于RLC 的串联功能移至MAC，重排移至PDCP。

在NR 中，RLC 层移除了RLC SDU（Service Data Unit）的串联功能（在LTE 中，允许将多个RLC SDU 或RLC SDU 分段串联在一起生成一个RLC PDU，而在NR 中不支持），而是由MAC 层负责对RLC PDU 进行串联，其目的是使RLC 和MAC 层能够提前进行预处理，以减少处理时延。

在LTE 中，MAC 层的HARQ 操作可能导致到达RLC 层的报文是乱序的，所以需要RLC 层对数据进行重排序，并按序将重组后的RLC SDU 发送给PDCP 层，也就是说，RLC SDUn必须在RLC SDUn+1 之前发送给PDCP 层。但是RLC 层的按序递送可能会给PDCP层的解密操作带来较大的时延。假如RLC 层在SDUn之前成功接收到了SDUn+1，那么PDCP 层需要等到RLC 层收到RLC SDUn并递送给PDCP 之后才能收到RLC SDUn+1。

在NR 中，移除了RLC 层的重排序功能，即RLC 层不支持按序递送RLC SDU 给PDCP 层。RLC 层在收到一个完整的RLC SDU 后，就立即递送给PDCP 层处理，而无需关心之前的RLC SDU 是否已经成功接收，从而降低了RLC 层的处理时延。也就是说，RLC 层送往PDCP 层的数据可能是乱序的，数据的按序递送（包括重排序）由PDCP层来负责。

通过这些改进，发送方（RLC 和MAC）和接收方（RLC 和PDCP）提升了处理效率，降低了整体时延，总结如表3所示。

表3 E-TURA与NR的二层功能比较

4.4 EN-DC网元改造对比

EN-DC 组网虽然是基于LTE，但也需要核心、无线网各个网元的升级。

相同点如下。

a）核心网网元相同，包含MME、SGW、PGW、HSS等。

b）采用的信令流程和消息相同，信令流程参考3GPP TS 23.401 的附着流程，信令消息则主要参考3GPP TS 24.301的NAS消息、3GPP TS 29.274的GTPv2消息、3GPP TS 36.413 的S1AP 消息以及3GPP TS 29.272的S6a Diameter消息等。

不同点如下。

a）UE 需要支持5G NSA 的能力，也就是要对ENDC的支持。

b）MME 需要支持感知UE 的5G NSA 能力，并从HSS 下载相关的签约数据，如果是5G NSA 终端，MME需要能够根据终端能力选择支持5G的SGW和PGW。

c）HSS 需要支持5G 的签约QoS 参数，主要是AMBR。

d）EPC 的DNS 需要能帮MME 选择5G 的SGW 和PGW。

e）eNB 需要新增协议栈，在广播消息中增加ENDC标识。

5 结束语

本文主要从5G的架构选项的概念介绍入手，引入MR-DC 对目前4G 到5G 技术过渡的重要性，对MRDC 的控制面和用户面进行功能解释，最后通过ENDC 和现网LTE 的差异性对比给出NSA 组网时需关注的信息。