5G架构演进Option4技术分析及部署建议

高松涛，马向辰，于一鸣，潘都

工程与应用

5G架构演进Option4技术分析及部署建议

高松涛，马向辰，于一鸣，潘都

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

5G Option4架构通过以5G为锚点的4G/5G双连接（NR E-UTRAN dual connectivity，NE-DC）在5G独立组网（standalone，SA）基础上聚合4G链路能力，提升5G网络性能，同时可兼顾现有4G用户体验，是受运营商关注的潜在5G架构演进方向。介绍了Option4技术原理，多维度详细分析了Option4关键性能，探讨了Option4对运维复杂度的影响，提出了5G Option4架构部署建议。

5G架构；Option4；NE-DC

0 引言

综合考虑5G引入速度及建设成本等因素，第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）定义了非独立组网（non-standalone，NSA）和独立组网（standalone，SA）两类5G组网架构，并进一步细分了多种技术选项（option）[1]，运营商可根据实际情况灵活选择。我国5G网络目前支持Option3x（NSA）和Option2（SA）混合组网，且明确将Option2作为5G目标架构。但在4G/5G网络长期共存成为行业共识的背景下[2]，Option4作为能够盘活现有4G资源，兼顾存量4G用户体验的同时实现5G网络性能增强的技术选项，已受到运营商关注并作为潜在技术演进方向进行研究。

1 Option4技术原理

1.1 网络架构

5G部署初期，为借助现有4G网络实现5G低成本快速商用，我国运营商普遍采用Option3x进行组网[3]。该方式无须新建5G核心网（5G core，5GC），只需要软件升级4G的核心网演进分组核心网（evolved packet core，EPC），控制面信令将4G基站作为锚点，用户面数据由5G基站进行分流[4]。这种方式也称为以4G为锚点的4G/5G双连接（E-UTRAN NR dual connectivity，EN-DC），E在前面代表控制由4G的E-UTRAN来实现。由于控制面由4G承载，Option3x仅能发挥5G高速率能力，无法支持大连接物联网（massive machine-type communication，mMTC）和超可靠低时延通信（ultra-reliable and low-latency communication，URLLC）两类行业场景需求，经过短暂的过渡阶段后升级为Option2进行建设[5]。

Option2是一张5G SA网络，需要新建5GC，5G用户面和控制面均由5GC承载[6]。只有SA才能实现更低时延和更大连接[7]，有效支持5G全部应用场景，这是5G的内涵和本质，也是我国运营商将建设成一张全球先进的5G SA网络作为目标的驱动力。我国大部分已建5G基站采用基于Option2架构的SA单模方式，前期少量建设的NSA基站也已完成NSA/SA双模升级。

Option4以Option2为组网前提，是Option2的进一步升级。Option4控制面由5G承载，同时5G基站可将用户面数据分流至4G基站，因此也称为以5G为锚点的4G/5G双连接（NR E-UTRAN dual connectivity，NE-DC）。通过双连接技术，Option4实现了与4G深度融合的5G组网，兼具Option2和Option3x的优势，既能够提供面向5G全场景的服务，又能够通过4G分流提升5G网络容量和用户峰值速率。同时，Option4通过合理的调度算法设计保留了4G网络给4G用户使用，基本不影响现有4G用户体验。另外，Option4系列下还有一种Option4a架构，4G用户面接口在Option4a架构下与5GC对接，和5G基站之间没有用户面接口，与Option4的差异在于用户面数据由5GC分流至4G基站，但5GC无法感知空口状态，无法基于空口状态进行动态分流[8]。由于Option4业务分流的灵活度更好、分流能力强于Option4a，因此重点考虑采用Option4，不推荐Option4a。

Option3x/2/4/4a架构对比如图1所示。

图1 Option3x/Option2/Option4/Option4a架构对比

1.2 标准及产业进展

3GPP对Option4架构的标准化在Release 15（Rel-15）规范中已经完成，Rel-17 RAN4已明确NE-DC允许的部分5G和4G频段组合[9]，Rel-17 RAN5将通过立项支持验证Option4功能所需要的所有互操作性测试[10]。

为支持Option4，网络侧和终端侧都需要进行升级改造。对于网络侧，首先需要新增4G与5G之间的Xn接口，以支持4G的数据分流和数据交互。相应地，5G基站需要升级Xn接口信令（包括辅节点的添加/数据量上报/信令传输等）[11]和分组数据汇聚协议（packet data convergence protocol，PDCP）层（处理4G能传输的数据量并转发）；4G基站需要升级支持5G Option4终端的分流。对于终端侧，软件需要升级以支持NE-DC；射频若不支持相应的NE-DC频段组合则需要对硬件进行重新设计[12]。

由于涉及改造较多，且运营商尚未明确释放产业引导信息，目前主设备厂商暂无支持Option4的商用设备，芯片和终端厂商也没有明确的计划。根据调研，预计2023—2024年Option4能够具备商用条件。

2 Option4关键性能

2.1 速率能力

用户峰值速率基于网络带宽、多输入多输出（multiple-input multiple-output，MIMO）层数、调制阶数、开销占比等参数进行测算[13]，用户体验速率根据外场测试数据整理，国内运营商5G和4G网络典型单载波配置下的用户峰值和体验速率见表1。

表1 国内运营商5G和4G网络典型单载波配置下的用户峰值和体验速率

表2 Option4用户峰值速率及对应增益

基于Option4的技术原理，用户峰值及体验速率相当于处于双连接状态的5G和4G相应速率叠加，不同双连接组合对应的Option4用户峰值速率和用户体验速率情况及对应的增益分别见表2和表3。

由表2和表3可以看出，5G锚点基站带宽越小，升级Option4获得的性能增益越明显。如在NR 700 MHz或NR 2.1 GHz部署Option4，用户峰值速率及体验速率基本可提升20%以上。而对于NR 2.6 GHz和NR 3.5 GHz，由于单载波带宽达100 MHz，本身可提供较高的5G用户峰值速率和体验速率，Option4带来的下行增益低于10%；虽然上行可带来更大提升，但鉴于运营商已积极试点应用载波聚合（carrier aggregation，CA）[14]、补充上行（supplementary uplink，SUL）[15]等5G上行增强技术，部署Option4的需求并不明显。TD-LTE上行时隙占比低，作为4G辅节点时，上行峰值速率及体验速率增益基本小于10%。

表3 Option4用户体验速率及对应增益

对于4G辅节点的选择，同等条件下建议优先使用FDD，可获得相对较大增益且上下行较为均衡。另外，实际应用中双连接存在一定的分流效率损失[16]，整体性能增益会略有下降。

2.2 覆盖能力

如前所述，Option2是Option4部署的前提，用户首先需要接入5G锚点站，然后通过添加4G辅节点方式实现Option4双连接，因此，Option4不会对5G网络原有覆盖产生影响，且会受限于5G锚点站覆盖范围[17]。

但是Option4的可激活范围小于5G锚点站范围，原因是Option4的激活需要用户设备（user equipment，UE）上行双发，UE发射功率需要分配到4G和5G两条链路，处于Option4状态下的UE上行覆盖范围相比Option2收缩3 dB，导致约30%的5G小区边缘用户由于覆盖受限无法激活Option4。

以NR 700 MHz终端（23 dBm）为例，Option2和Option4上行覆盖差异对比如图2所示。

为扩大Option4的激活范围，建议推动3GPP相关标准[18]定义的NE-DC状态下LTE和NR间的动态功率共享（dynamic power sharing，DPS）特性演进，在小区边缘将终端功率优先分配给5G使用，减少Option4与Option2间的覆盖差异。

图2 Option2与Option4上行覆盖对比

2.3 语音及行业能力

针对语音这类小包业务[19]，在Option4架构下可选择不向4G分流，完全由5G链路承载，提供等同于Option2的新空口承载语音（voice over new radio，VoNR）体验。极端情况下，若5G Option2网络面临高负荷问题，通过升级Option4向4G分流部分数据流量，可适当降低5G链路承载压力，进而为VoNR释放更多资源，在一定程度上提升语音业务体验。

由于Option4有完整的NR+5GC结构，因此能够支持5G定义增强型移动宽带（enhanced mobile broadband，eMBB）、URLLC和mMTC场景中的全部应用，具备行业要求的切片、超低时延、超高可靠等各项能力。具体来说，Option4支持灵活帧结构、迷你时隙（mini-slot）、上行免授权等Option2架构下的URLLC关键技术，同样可实现1 ms空口双向时延要求；Option4完全兼容现有的NB-IoT和eMTC等mMTC核心技术，且支持后续5G低能力终端（reduced capability，RedCap）接入，满足5G海量物联需求。

另外，扩展现实（extended reality，XR）业务作为5G潜在的“杀手级”业务，对速率和时延有较高的要求。基于前述分析，Option4相比Option2速率更高、时延能力相同，因此能够更好地支持XR业务。

2.4 终端及网络功耗

Option4终端处于NE-DC激活状态时，需要保持LTE和NR双发，因此终端功耗相比SA更高。类比Option3x EN-DC激活状态下的终端功耗情况，预计NE-DC终端功耗比SA状态下高约20%[20]。

但Option4可通过优化基于业务场景的NE-DC激活和去激活策略，保证仅在中高流量场景按需激活NE-DC，在数据包传输结束后及时释放4G连接，达到降低终端功耗的目的。按此策略评估，在低流量业务场景中，系统大概率不会激活NE-DC，Option4终端实际保持NR单连接状态，Option4功耗等于SA功耗；在中高流量业务场景中，NE-DC被激活，Option4瞬时功耗大于SA功耗，但此时Option4的瞬时速率同样更高，需要的传输时间减少，若数据传完后尽快释放4G连接，实际功耗并未明显增加。

从网络角度分析，由于4G和5G网络场景共存，无论是否部署Option4，4G网络均需要保持正常开通以承载现有大量的4G存量业务和5G回落业务，Option4将4G添加为辅节点后因分流增加的4G网络额外运行功耗和数据处理功耗基本可忽略。

3 Option4操作复杂度

Option4由于引入双连接，网络适配、邻区规划、移动性管理等各种规划和后期优化的复杂程度有所提高，同时还要求4G站点升级调度算法，按需保证4G/5G用户性能。相关方面的具体影响如下。

网络适配：Option4双连接仅支持同厂商，但当前运营商4G/5G网络在相当一部分地区采用异厂商方式建设[21]，Option4规划实施前需要更详细的网络评估。

邻区规划：由于不同功能对邻区的要求不一样，Option4无法直接复用现有的4G/5G互操作、CA等邻区列表[22]，需要基于现有列表配置每个邻区中的参数设置和筛选原则以激活Option4功能，或为Option4单独设置邻区。

移动性管理：需要规划当Option4终端处于不同状态下的4G/5G/Option4网络驻留策略。另外，连接态移动性算法需要考虑锚点改变、辅节点改变、锚点/辅节点同时改变等不同移动性场景[23]，其复杂程度和后期网络优化要求较高。

4G基站调度算法升级：4G基站需要基于承载区分4G/5G用户，根据运营商市场策略采用差异化调度机制。当前4G用户渗透率最高，且4G仍是数据业务的主力承载网络，因此调度算法以优先保证4G用户体验为主；后期随着5G用户渗透率和5G网络流量占比提升，调度算法应及时适配5G用户体验。

但是Option4建设投资较小，主要以软件升级许可证（license）为主，无须新增硬件和工程改造，预估单站投资仅0.9万元，同时可充分利用现网4G资源保护原有网络投资。受此优势吸引，德国电信联合英国电信等国际运营商，以下一代移动网络（Next Generation Mobile Networks，NGMN）联盟的名义于2021年2月发布了《5G Option4需求白皮书》[24]，积极推进Option4的试点验证工作，预计在2年内带动产业链成熟。

4 Option4部署建议

我国运营商已经实现了全球领先的5G SA组网，具备了Option4部署基础。从长远来看，只要有专用于4G的频谱，Option4就持续具备提升5G SA性能的价值。另外，Option4还减轻了4G频谱重耕的压力，从而能在更长时间内保证存量4G用户体验。因此，建议运营商能够尽快明确Option4部署场景，积极引导产业发展。

4.1 部署场景

综合考虑Option4性能增益、操作难度、投资效益等因素，同时结合国内运营商4G/5G网络覆盖现状和未来5G建设规划情况，建议在农村场景推动Option4部署，主要原因有以下3点。

（1）根据运营商规划，城区5G网络至少实现双层网覆盖，且频谱资源丰富，5G网络自身能力较强，部署Option4意义不大。以中国移动为例，城区5G网络将实现2.6 GHz（100 MHz）+700 MHz（2×30 MHz）基础覆盖，热点区域甚至开通2.6 GHz第二载波（60 MHz）或叠加4.9 GHz（100 MHz）提高网络厚度，Option4能够提升的性能的增益远低于10%。中国电信和中国联通情况类似，城区5G网络具备3.5 GHz（200 MHz）+2.1 GHz（2×40 MHz）的基础[25]。

（2）农村主要为5G薄网，Option4可以以较低投资显著提升5G用户体验。中国移动已明确在农村以700 MHz提供打底覆盖，Option4的部署能够带来30%～40%的峰值速率增益。国家当前正在推进边远地区的5G异网漫游工作[26]，若后期中国电信和中国联通在农村成功共享5G 700 MHz，Option4作为低成本扩容手段，部署的必要性和应用价值将会更高。即使中国电信和中国联通在农村单独建设5G 2.1 GHz，部署Option4后也可获得20%以上的性能增益。

（3）农村4G和5G网络均比较简单，Option4的部署不会明显提高网络操作复杂度。各运营商在农村基本维持以单层网为主的4G和5G网络，Option4邻区规划和移动性管理等网络配置工作难度较低。

4.2 推进建议

产业层面，建议运营商明确释放Option4商用目标和详细推进计划，列入企业标准/行业标准等技术规范，对产业链形成明确的牵引作用。由于主流网络设备和终端芯片产业支持力度较弱，后续需要采用多种手段加大推动力度，如考虑纳入功能可选包以及设置集采加分项等，提升积极度，指引产业尽快完成技术选型和产品开发。以白皮书、研究报告、企业标准/行业标准等成果为载体，借助多个产业合作平台进行专题攻关，形成产业合力，扩大市场规模。

技术层面，聚焦Option4较为突出的终端功耗高和操作复杂问题，优化NE-DC节能算法和辅节点激活/去激活策略，研究邻区辅载波自动配置、参数自优化等网络“自智”技术方案[27]，确保Option4技术既“能用”，又“好用”。

5 结束语

Option4作为潜在的低成本5G性能增强技术，既有其技术优势，也有一定的负面影响。本文围绕Option4技术开展了较为全面的分析，并结合运营商5G网络的覆盖现状和后续规划，明确了Option4在农村场景的应用价值。建议运营商后续加强对产业界Option4技术和产品的引导，为Option4的商用做好相关储备。

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5G architectural evolution Option4 technology analysis and deployment suggestions

GAO Songtao, MA Xiangchen, YU Yiming, PAN Du

China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China

Option4 architecture improves 5G network performance by aggregating 4G link capabilities on the basis of 5G SA, while taking into account the existing 4G user experience. It is a potential 5G architecture evolution direction that operators are concerned about. The technical principles of Option4 was introduced, the key performance of Option4 from multiple dimensions was analyzed in detail, the impact of Option4 on the complexity of operation and maintenance was discussed, and 5G Option4 architecture deployment suggestions were proposed.

5G architecture, Option4, NE-DC

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000−0801.2022148

2022−01−24；

2022−06−16

高松涛（1987− ），男，中国移动通信集团设计院有限公司高级工程师，主要研究方向为无线网络关键技术、网络组网技术、网络规划技术等。

马向辰（1971− ），男，中国移动通信集团设计院有限公司教授级高级工程师，主要研究方向为无线网络规划、网络演进、关键技术等。

于一鸣（1994− ），男，中国移动通信集团设计院有限公司工程师，主要研究方向为无线网络规划技术、前沿组网技术等。

潘都（1994− ），女，中国移动通信集团设计院有限公司助理咨询设计师，主要研究方向为5G空口新技术、特殊场景解决方案、5G行业网组网技术与应用等。