5G与4G协同组网方案分析与研究

黄毓芯

(闽南理工学院 电子与电气工程学院，福建 石狮 362700)

第五代移动通信技术，即5G，作为新一代关键技术它将在社会的各领域产生巨大的影响，高速推动各传统行业实现数字化、网络化，改变人们的生活方式。5G部署势在必行，如何令4G、5G网络的协同组网是目前热门的话题，也是当前急需解决的问题。

1 主要的5G架构选项

当前移动通信领域广泛认可的网络部署方式主要有SA与NSA两种。其最关键的区别在于SA的控制面锚点在5G基站gNB侧，而NSA的控制面锚点则在4G基站eNB侧[1-2]，基于控制面数据经由路径的不同可分为几种不同的部署选项。根据3GPP标准，目前主要的架构选项有Option2-Option7，方案分为SA与NSA两种模式。

1.1 Option2

Option2属于SA模式，如图1所示，通过新建5G基站直接连接至5G核心网构成连接。该方式由于采用纯5G设备，几乎从零开始全新构建5G网，需要新建基站及核心网，需投入巨大资金。但它是目前认为的5G网络的发展目标。

图1 Option2组网架构

1.2 Option3/3a/3x

Option3/3a/3x属于NSA模式，此方案基于原有的4G核心网EPC，控制面锚点采用eNB实施耦合部署。由于gNB控制面不能与4G EPC直接相连，则UE的用户面需经由eNB到达EPC。eNB同时具有承载分离用户面数据及下发控制信令的作用。之所以细分为3、3a及3x三种不同的选项，主要是因为它们的用户面数据分流控制点各不相同。

如图2所示，其中虚线是控制面接口，实线是用户面接口。在选项3中，其用户面与控制面皆采用eNB作为锚点。此时，大数据流量会对eNB基带及传输端口容量造成冲击，而原有的4G基站由于在处理数据方面存在局限性，需对其进行升级，因此该方案并不理想。在3a方式下，控制面仍以4G基站为锚点，但5G基站的用户面可连至核心网。此时，核心网无法基于无线空口质量进行动态分流，只能采取静态盲分配，效果无法保证，因此该方案也不理想。3x方式则是把用户面数据进行分流传送，由于eNB本身就存在LTE用户，用户数据被划分为两组，把其中可能影响4G基站传输的数据通过5G基站传输，此外的仍由4G基站承载。如此一来，Option 3x既充分利用了原有的4G网络，又发挥了5G基站在数据处理方面的优越性，该方式灵活可靠，是目前非组网方式中备受推荐的组网选项。

图2 Option 3/3a/3x组网架构

1.3 Option7/7/7x

Option7与Option3类似，此种模式下，核心网被部署为5G，可以支持uRLLC、网络切片等新业务。但4G基站仍保留着，为了保证其能与核心网正常连接，4G基站要进行升级为eLTE eNB并作为控制面锚点，这种模式比较适合5G发展中期阶段，即覆盖仍不全面的时期。

Option7方式也细分为7、7a及7x三种选项，如图3所示。Option7的用户面数据分流点在eLTE eNB，Option7a采用5G核心网实施用户面数据分流，而Option 7x的分流点则采用gNB。

图3 Option7/7/7x组网架构

1.4 Option4/4a

Option4/4a采用的是5G核心网。如图4所示，eNB控制面与NGC的连接是以gNB作为锚点。在这方式下，也需对4G基站进行升级。而Option4与Option4a主要的不同点是采用5G基站抑或采用5G核心网来作为用户面数据分流控制点。这种部署方式的前提是5G网络几乎实现连续覆盖，而4G仍在运行中，因此，适用于5G部署的发展阶段的后期。

图4 Option4/4a组网架构

2 独立组网与非独立组网性能分析

独立组网的部署方式由于全网基于5G部署，使其能全面发挥5G网络的优越性能。它不需要一个LTE网络参与，不影响现有的2G/3G/4G网络和用户，因而无需对当前网络进行改造，且能发挥出其低时延、高速率及大规模链接的优势。然而，网络的构建需新建基站与核心网。在网络建设初期需要较大的投资，且需要较长的一段时间才能保证良好的NR网络覆盖。

非独立组网的部署是根据发展进程逐步推广，不强制5G网络短时间内实现全面覆盖，只需在热点区域灵活部署，服务范围逐渐拓宽。其有效利用了现有网络，缩短建设周期，减少投资，不但能快速开展5G新业务，更能在短时间内获得效益。但因其融合了现有的4G网络，业务的开展需涉及5G与4G网络的互操作，过程及数据处理相对复杂。

除了组网方式，SA与NSA在基本性能、业务能力、语音能力方面也存在差异。

(1)业务连接性。NSA由于采用4G/5G双连接，在原有4G网络的基础上，不仅可实现连续覆盖，并能及早发展5G网络，而SA模式下，5G的单站点覆盖面积较有限，若要实现连续覆盖需大量投入建设，且周期较长。因此，从现阶段的业务连续性考虑，4G较为成熟，采用NSA可实现无缝切换，并使得连接性得以保证。而SA若要实现5G和4G间的互操作，需通过多次重选及切换，业务连续性较难保证。

(2)业务类型。受限于4G核心网的数据处理能力，NSA无法开展eMBB等5G新型业务。而SA可实现各种丰富多样的5G三大应用场景新业务，且能在各领域的垂直行业实现各种场景的用户个性化需求。

(3)语音能力。由于NSA采用双连接技术，语音实现上仍沿用原4G已有的VoLTE/CSFB语音方案，而SA通过4G/5G松耦合，采用互操作，采用语音回落4G及5G承载语音的VoNR策略[3]，该方式下，5G的覆盖水平将直接影响其性能。

(4)方案实现。NSA的实现需要对4G现网做出较大的改造，而当5G后期部署为SA时，原4G网将无法复用，需进行再次改造。SA对4G现网影响较小，只需做升级支持，便可实现与5G的互操作。

可见，尽管5G SA在新业务方面有着优越的性能，但在短时间内无法全面铺设与实现，使得4G网络仍将在较长一段时间内发挥作用，使得5G与4G协同组网的局面必将存在。

3 部署方案演进

NSA与SA不仅是发展至5G的两种主要架构类型，同时也象征着4G向5G演进的两种不同的思路。

3.1 稳中求进的NSA思路

NSA组网类型的建设思路是：早期首先开发eMBB与mMTC新型业务，把eMBB与mMTC作为业务的主要应用场景；在核心网方面，采用升级后的EPC网络支持eMBB与mMTC业务[4]；在无线网方面，用户面5G基站通过4G基站锚点到达EPC核心网，新增的5G站点提高了用户接入数，而eMBB业务可在升级后的4G网络与新建的5G网上接入。

在5G发展初期，NSA将成为主流架构，其在运营成本上占有先机，整合原有的4G网络，部署5G网络的门槛较低，启动风险也较低，性能也比较优越。在网络性能方面，增加的5G载波可作为原有4G网络的补充，应用于热点区域或者系统扩容；而其双连接技术，对于5G和4G间的业务连续性起了有效的保障作用，带来了较好的用户体验。从运营商及用户的角度来看，能尽快地体验到5G的新型业务。

从发展趋势来看，尽管NSA是5G发展进程中的必要阶段，但它并非5G发展的最终目标。随着网络架构的发展，尽管影响其演进过程的因素很多，但NSA最终会演进为SA。实现4G和5G的融合运营存在较多困难，同时，若5G网的规划是采用4G网作为基点，则在供应商的选择上将受到限制。因此，NSA只能是一种过渡方案。

3.2 开拓进取的SA之路

SA网络部署思路则在建设初期一步到位直接构建5G网络。核心网的控制面进行集中部署，用户面则可以灵活分布。业务方面，因为5G核心网可支持其5G新特性，使其能支持更丰富的5G新业务，提高了业务能力。语音方面，初期为了确保语音的连续性，可采用原有VoLTE实现，随后伴随着5G网络的不断铺设，逐步通过VoNR等方案取代。

SA组网方式具有显著的优点，即支持更为丰富的5G新型业务，此外，兼容4G业务，也不会产生难以解决的互操作困难，而全新5G网络架构的建设也存在着不容忽视的挑战。相较于4G网络，5G网络要有新的技术突破，如多址方式、编码方式、智能天线、新空口等方面。另一方面，5G将主要采用Sub-6GHz[5]，甚至毫米波等高频段，其缺点是单站点覆盖范围有限，若要实现大规模的覆盖则需投入的资金会远远超过4G。另外，运营商面临着在垂直行业中开发5G新业务的挑战。

NSA组网方式具备的优点是显著的，它能在短期内快速推进5G商用。然而，想全面开发5G三大应用场景业务与实现垂直行业的业务个性化，只能依靠全5G的SA架构。及早部署SA架构，可以在开发探索5G新业务方面占有先机，收获5G带来的红利，提升产业品牌影响力。

4 演进策略分析

基于5G的SA与NSA方式都有着显著的优势与不可忽略的劣势，选择哪个组网方式与演进路径是全球各大运营商在推进建设5G网络进程上炙手可热的话题。Option2被定义为5G网络发展至成熟时期的目标架构，若运营商具备足够的可实现广域覆盖的低频资源，并具有满足需求的可实现热点分流的高频资源，那么直接采用Option2作为部署方式是个不错的选择。然而，不是所有运营商都会选择这种直达目标的演进路径，大部分运营商还是会侧重于充分利用4G网络原有资源，逐步演进。就现有形势分析，可行性较高的演进方案归纳为以下三种方式，如图5所示。

图5 组网方式演进策略

策略1：直接采用Option2方式，一步到位。

策略2：经由现有网络(Option 1)逐步推进，发展经Option 3x，Option7x乃至Option 4，最终达Option 2。

策略3：经由现有网络(Option 1)逐步推进，发展经Option 3x，至Option 4，最终达Option 2。

其中，策略1虽然能够一步到位，且能有效地发挥出所有5G网络的高性能特性。然而，采用这个演进策略的运营商必然在建网初期就得投入大量资本，这也是运营商必须面对的问题。

策略2、策略3能够迅速铺设5G商用网络，抢占市场先机。虽然其演变过程无法一步到位，然而，其中间过程的方案有多种选择性，运营商能够结合自身特点，采用适合自己的中间演进路径。在5G核心网部署完毕后，若新空口覆盖性能不佳，便采用策略2。先演进为Option7x，继续以LTE作为锚点。若新空口覆盖性能好，则可跳过Option7x至Option 4，即策略3。从整体而言，策略2演进方案的总投资会比策略1投入更多。但在现有市场中，5G业务需求仍不够清晰，且不够庞大。采用策略2部署能减少投资风险，也因此得到了许多运营商的关注。

5 结束语

5G发展初期，我国通信技术企业在积极推动5G产业发展方面发挥着不容小觑的作用。尤其是华为公司，是全球领先的信息与通信解决方案供应商，引领且推动着5G技术的发展。在5G网络进入全面建设与商用阶段，各产业界将从现有条件、发展计划与前景等多方面综合考虑，采用适合我国国情特点、产业特点的技术路线，使5G带来的智慧生活早日进入国民家中，真正做到“万物互联”。