NSA与SA共存网络架构能力对5G平滑演进的必要性研究

【摘  要】5G的平滑演进是业界关注的重点。在介绍5G NSA和SA网络架构基础概念的基础上，对NSA和SA网络架构的价值差异化进行了分析，通过对NSA和SA相关产业进展的调研，总结出5G架构演进的建议，并提出运营商需要权衡各种方案的利弊，才能最终选择出最合适的方案。

【关键词】NSA;SA;5G网络架构

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2019.01.008        中图分类号：TN929.5

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2019）01-0046-06

引用格式：周彦. NSA与SA共存网络架构能力对5G平滑演进的必要性研究[J]. 移动通信， 2019，43（1）： 46-51.

Research on the Necessity of 5G Smooth Evolution Based on the Network Architecture Capability under NSA and SA Coexistence

ZHOU Yan

（Huawei Technologies Co.， Ltd.， Shenzhen 518129， China）

AbstractThe 5G smooth evolution is the focus of the industry. Based on the introduction of basic concepts of 5G NSA and SA network architecture， the value differentiation of NSA and SA network architecture is analyzed in this paper. According to the investigation on industrial progress related to NSA and SA， the suggestion on 5G architecture is summarized. Also， operators should weigh the advantages and disadvantages of various schemes to finally choose the most appropriate scheme.

[Key words]NSA; SA; 5G network architecture

1   引言

5G初期建网架构应该选择非独立组网（NSA， Non-standalone）还是独立组网（SA， Standalone），NSA如何向SA目标网演进等问题一直是业界讨论的重点。截至目前，5G首个标准版本已完成一年，韩国三大移动运营商率先提供5G商用服务，其中尤为突出的LG U+率先采用华为NSA版本，已建设7 000站点规模的5G商用网络。这标志着基于NSA的5G部署超出预期地迈开了一大步。

但是，5G在未来的演进中，仍然存在诸多不确定性因素：全球运营商对5G架构选择、投资节奏不尽相同;5G R16标准未定，R17、R18还将陆续发布，产业规范存在未知的发展;除了现有运营商熟悉的移动宽带和无线家庭宽带，新的5G低时延和超大连接业务和商业模式的需求也将不断呈现。

产业变革，架构先行。本文接下来将以目前5G产业最新发展的视角，再次回顾5G网络架构选择与演进的问题。

2   5G NSA和SA网络架构的基础概念

2017年3月的3GPP RAN全会75次会议开始启动R15 5G NR（New Radio）的标准化工作。基于业界绝大多数运营商和厂商的选择，该会议通过决议，R15 5G NR包括两个时间节点：2017年12月完成Stage 3 5G NR非独立组网，即网络架构Option3家族;2018年6月完成Stage 3 5G NR独立组网，即网络架构Option2。

5G NSA和SA架构选型如图1所示。

Option3家族率先演进无线接入网，保持LTE系统和核心网不变动，可以有效降低初期的部署成本。以eNB为主基站，所有的控制面信令都经由eNB转发。Option3包含3种模式：Option3/3a/3x，区别是分别通过eNB/EPC/gNB将数据分流至eNB。

Option7家族以LTE eNB为主基站，所有的控制面信令都经由eNB转发，LTE eNB與NR gNB采用双链接的形式为用户提供高数据速率服务。Option7包含3种模式Option7/7a/7x，区别是分别通过eNB/NGC/gNB将数据分流给gNB。

Option2完全由gNB和NGC组成，被普遍认为是5G网络部署的最终目标架构。要想在LTE系统（Option1）的基础上演进到Option2，需要完全替代LTE系统的基站和核心网，同时还得保证覆盖和移动性管理等。

Option4同时引入了NGC和gNB。eNB和gNB都连接至NGC，所有的控制面信令都经由gNB转发。类似地，Option4也包含两种模式，分别通过gNB/NGC将数据分流给eNB。

除此之外，Option5和Option6属于混搭模式。Option5是LTE系统的eNB连接至5G的核心网NGC，可以理解为首先部署了5G的核心网NGC，并在NGC中实现了LTE EPC的功能，之后再逐步部署5G无线接入网。Option6是5G gNB连接至4G LTE EPC，先部署了5G的无线接入网，但暂时采用了4G LTE EPC。此场景会限制5G系统的部分功能，如网络切片等。

Option7相对Option3需要额外部署NGC，Option3家族在快速5G部署上有较大优势，同时LTE升级至eLTE连接NGC的商业驱动力也有待进一步明确。在Option3家族中，Option3x引入NR对现有LTE网影响最小，性能最优。具体参考图2中的Option3/3a/3x分析。

总体来说，Option3x作为NSA的普遍选择，Option2作为SA的普遍选择，已成为大部分运营商的共识。

3   NSA和SA网络架构的价值差异化分析

下文将以NSA Option3x和SA Option2为基准，详细分析NSA和SA两种架构的各自差异化价值。

3.1  NSA为5G提供快速部署能力

目前，4G LTE网络的部署非常广泛，（在发达国家）几乎可以与GSM的覆盖相比拟。然而运营商部署5G网络不可能是一步到位的，必定是逐步部署，这样才能避免短期内的高投入，也能有效地降低部署风险。

一方面，为满足首批5G网络建设需求，R15 NSA版本标准较SA版本早半年完成。另一方面，NSA避免了新建NGC核心网。通常NGC核心网新建需要完成大量互联互通等测试验证工作，甚至需要核心网尚未完成虚拟化和云化改造，这又为5G部署节省了半年至一年的时间。

另外，NSA语音方案门槛较低，若尚未全面开通VoLTE，2G/3G CSFB可以基本满足语音要求。可在部署5G NSA网络的同时，逐渐完善VoLTE网络建设。而5G SA建网建议全面开通VoLTE网络，否则在初期没有5G覆盖情况下将降低用户体验，即：没有VoNR和VoLTE，两次回落到2G/3G，接入时长约8 s，体验落后于现有语音网络。

3.2  NSA网络较SA网络性能占优势，超过1年

Option3x LTE eNB与NR gNB采用双连接的形式，显著提高用户下行峰值速率。以5G NR 1.4 Gbit.s-1下行峰值为例，添加3CC载波聚合的LTE峰值为900 Mbit.s-1，能整体提升超过60%的用户下行峰值。当然，用户实际平均速率体验取决于网络负载情况和与站点的距离。

另外，NSA Option3x能根据4G网络负载制定灵活的分流策略，在充分利用网络资源的同时，避免造成现有4G网络拥塞。

3.3  NSA移动性体验略优于SA，

用户感知不明显

NSA网络下，用户承载在LTE网络，移动性管理复用LTE已有的移动性管理。当UE移动出NR覆盖范围，数据面不中断，维持LTE连接。SA网络下，初期NR覆盖不足，异制式inter RAT切换，数据面中断时延为300 ms。

3.4  网络部署复杂度NSA和SA相当

首先理论架构上来说，Option3x需要依赖于X2/Xn接口与LTE互联互通，网络升级改造需要相应的LTE容量匹配和版本配套，包括产品实现符合最新标准技术规范。而Option2 5G网络和4G网络是独立的，仅在核心网测互联互通，所以SA的网络单纯从理论架构上而言相对NSA组网更简单。然而，SA架构网络实际建网规划需要解决首频段3.5 GHz在上行覆盖上的短板，避免大量新增站点投资。初期依托现有4G站点快速部署5G，已成业界共识。NSA架构EN-DC方案能显著提高上行覆盖，实现4G和5G共站同覆盖。除此之外，上下行解耦SUL方案和载波聚合CA方案都是结合低频段优势。以上方案都是基于结合空闲的低频资源协同来实现，那么与现有低频基础网络设施结合，也将成为实际规划SA网络方案的必要部分。综上所述，NSA和SA在实际建网规划上，都需要考虑现有低频网络的互联互通，所以部署复杂度差异不大。

3.4  SA使能全业务接入，是5G目标网架构

相比于4G，5G不仅可以应用于移动通信技术，也可应用于物联网，目前主要包括三大应用场景eMBB（enhanced Mobile Broadband，增強型移动宽带）、mMTC（massive Machine Type Communications，大规模物联网）和uRLLC（ultra-Reliable and Low Latency Communications，超可靠低延迟通信）。

SA Option2相对NSA Option3x，引入NGC核心网新架构，预计随着R16、R17的版本完成，能提供完善的5G全业务，也将具备网络切片的能力，更灵活地调度网络资源满足多样化的业务同时接入。

3.5  NSA和SA终端共产业分析

NSA和SA使用相同的物理层设计，利于业界产品开发面向SA/NSA的共硬件平台。NSA和SA两者的差异主要在高层协议上，所以，终端使用相同的基带芯片硬件，主要是基带软件的不同将带来额外的开发成本。

NSA和SA终端主要的硬件差异在射频前端，SA目前预计需要比NSA新增1套5G NR频点的射频前端，原因在于目前预计NSA将采用NR和LTE独立单通道方式，而SA的NR将采用独立双通道方式。

4   NSA和SA相关产业进展调研

4.1  R15标准late drop版本推迟，不影响首批5G

网络建设

据3GPP官网报道，2018年12月10日至13日，标准组织3GPP在意大利索伦托举行的TSG RAN全体会议上做出一项决定：原计划于2018年12月冻结的R15标准late drop版本将推迟三个月，改为2019年3月。

R15标准late drop版本即前文所述2017年12月完成的NSA Option3家族（Early drop）和SA Option2（Main drop）之后的版本。在2018年3月的RAN全会79次会议上，一小部分运营商希望把其他一些网络架构保留在R15，经过反复辩论，该会议通过决议，同意在不影响5G NR非独立组网和5G NR独立组网进度和功能的前提下，引入R15 5G NR的第三个时间节点：2018年12月完成Stage 3的late drop，包括网络架构Option4、Option7以及NR-NR双联接。

（1）late drop版本不影响R15标准重要阶段5G NR非独立组网（NSA）和独立组网（SA）的协议

5G NR非独立组网（NSA）已于2017年12月完成Stage3功能，5G NR独立组网（SA）已于2018年6月完成Stage3功能，这两个版本为主流运营商的选择。2018年12月3GPP RAN全会推迟的仅为R15 NR第三时间节点late drop的完成时间，即2019年3月完成late drop的Stage3功能。3GPP RAN副主席徐晓东表示，“late drop的Option4和Option7只是可能的两个选项。在5G部署初期，如果将LTE从EPC迁移到5G NGC，将影响4G网络的稳定性和可靠性。因此运营商在建网初期几乎不会采用这两种架构。同时late drop不会影响现有已冻结的R15协议版本（NSA和SA），因此不会影响运营商5G部署计划和时间点。”

（2）R16标准相应推迟3个月

late drop的推迟势必需要占用原R16标准工作的时间和会议资源。为了确保未来版本有更好的完整性和稳定性，会议也通过决议，原有R16标准的完成时间推迟3个月，如图3所示。

4.2  技术和产品规范验证

2018年10月底，IMT-2020（5G）推进组在第三届5G创新发展高峰论坛上公布了中国5G技术研发试验的第三阶段最新测试结果。结果显示，截至目前，第三阶段NSA测试已全部完成，同时，SA测试也进程过半。华为验证了最丰富的场景，展现了最优的性能，并携手产业合作伙伴唯一同时完成NSA和SA架构下芯片终端互联互通测试。工信部信息通信发展司司长闻库曾指出，“5G技术研发试验第三阶段将是5G实现‘18岁成人之前的关键一步”，可见第三阶段测试结果的重要性。

4.3  面向eMBB的5G智能手机2019年商用

在5G基站与终端芯片互联互通方面，英特尔、高通、爱立信及华为等完成基于3GPP R15标准的5G互操作测试（IoDT）。在Option3和Option2两种架构下的测试完成，意味着5G的商用系统端到端打通，推动5G产业的成熟发展。

华为面向全球发布了首款3GPP标准的5G商用芯片——巴龙5G01（Balong 5G01），以及基于该芯片的首款3GPP标准5G商用终端：华为5G CPE（用户终端）。

2018年底，华为、英特尔、高通、三星等也推出了针对手机的5G芯片样片，预计明年各大终端厂商将推出商用5G手机。

值得注意的是，高通骁龙855+X50的平台支持NSA非独立组网。据了解，支持SA的版本要等到2019年三季度才能发布，预计基于高通芯片的5G手机最快也要在2020年后才能支持SA网络，而此前的手机仅支持NSA网络。

4.4  全球已开启5G商用进程

全球主流运营商基于Option3和Option2架构已经进行了5G规模网络测试验证，并且有进一步的商用计划。据了解，中国工信部发布5G中低频段试验频率使用许可，三家运营商在拿到频谱后加速开展外场试验和业务规范测试，预计2019年试商用和2020年商用可以顺利实现;韩国三大运营商SK、KT和LG U+已于2018年12月1日正式开启5G商用;德国电信宣布将于2020年正式推出5G商用服务;英国电信BT/EE将于2019年在英国16个城市开启5G站点;法国电信将于2019年在17个主要欧洲主要城市推出5G服务，为2020年5G全面商用做准备。

华为已经在全球签署26个5G商用合同，以NSA架构在欧洲、亚太、中东等多个国家展开5G规模商用部署。

5   5G架构演进的建议

目前运营商的LTE网络部署较为广泛，要想從LTE系统升级至5G系统并同时保证良好的覆盖和移动性切换等非常困难。为了在加快5G网络的部署同时，降低5G网络初期的部署成本，各个运营商需要根据自身网络的特点，制定相应的演进计划。

演进计划都是从Option1（LTE RAN + EPC）开始，终极目标是5G的全覆盖（Option2）。各个运营商的演进计划各有不同，初期探讨中出现过非常多的潜在演进路径，具体不一一列举，可以参考3GPP TR38.801的“Migration towards RAN for NR”章节。

综合以上网络架构差异化的价值和相关产业进展情况，重点推荐三步演进步骤：Option1 ->Option3x->Option3x+Option2->Option2，具体如图4所示：

第一步：通过NSA Option3x实现NR快速部署，吸收热点容量，用户数较少时逐步进行云化核心网改造。

第二步：软件升级SA Option2，一张网络实现NSA和SA并存。引入5G New Core后，可以根据网络覆盖、终端类型、业务需求在NSA和SA之间做灵活选择。gNB和核心网通过软件升级满足NSA终端和SA终端同时使用。

第三步：根据终端SA支持程度、全5G业务需求和5G网络连片建设规模等因素，适时将全网升级至SA Option2 5G目标网。

以上演进方案主要有以下主要理由：

（1）选择产业普遍支持的NSA Option3x和SA Option2作为初期建网架构选项和5G目标架构选项：

1）标准已经完成，并不会受到后续R15标准Late drop延迟及R16标准工作的变化而影响;

2）产业相对成熟，全球运营商普遍支持这两个选项;网络产品解决方案规划、芯片终端及其互联互通均支持NSA Option3x和SA Option2选项。

（2）利用NSA Option3x领先于NSA至少一年的产业和性能优势，帮助首批运营商实现5G快速部署。同时，在初期建设中仅用少量投资热点覆盖，即可满足品牌和吸收热点流量等需求。

（3）以確定的网络架构演进应对不确定性的新业务发展。

面向5G全业务的标准尚未完成，R16目前延迟3个月。3GPP TSG RAN主席巴拉斯·伯尼在2018年6月宣布5G NR SA功能冻结之时，表示接下来3GPP还会陆续完成并发布后续版本的5G标准：R16、R17和R18等。R16的重点是确保满足IMT-2020的所有需求，并不断扩展5G的生态系统，巴拉斯·伯尼表示，“未来的5～10年，我们将致力于提升移动宽带网络效率，并且努力将更多的垂直行业纳入5G生态系统”。所以，SA网络的升级可能会依据业务需求满足度和业务需求区域特点，存在按节奏、分区域地进行SA网络升级的可能。比如发达区域率先实现规模连续覆盖，直接升级SA网络，用户直接优先驻留在5G网络上，而欠发达区域仍然保留NSA热点覆盖。另一个例子，局部区域垂直行业需要SA网络满足全5G业务需求，仅针对垂直行业的地域升级SA网络。

（4）网络平滑演进，网络基础设施软件升级SA，避免运营商前期投资浪费。

华为在2018年9月30日发布NSA（Option3/3x）解决方案，将在2019年3月30日发布SA（Option2）解决方案，满足引入云化核心网升级NGC，并支持5G NSA基站软件升级至SA。

（5）需保障用户终端体验一致，网络需向前兼容老旧5G终端。

如前文所述，高通目前芯片仅支持NSA网络，基于此芯片的终端在后续将无法接入到SA网络。所以，网络升级需要考虑保留NSA网络能力，既满足新SA终端接入，又能保证现有NSA终端的正常使用。

（6）NSA和SA共存网络能力，能满足漫游客户的接入。

部分漫游用户可能是NSA签约用户或SA签约用户，或终端仅具备NSA或SA能力。否则，漫游用户无法使用5G网络，仅能漫游在4G网络上。

（7）演进计划避免多次升级，规避了产业尚未清晰的其他架构选项，减少不明确的额外网络投资和不必要的网络变动。虽然这对所有其他网络设备提供商提出了更高的网络能力要求，但从NSA和SA网络共存逐渐演进到目标网的价值来看，确实将有利于5G的快速高效的部署和平滑健康的演进。

6   结论

本文重点对NSA与SA网络架构技术差异化价值、标准、网络产品验证和芯片终端支持度、商用进展等进行了研讨，重点总结并推荐了“NSA快速建设5G，并通过NSA和SA共存的方式逐渐走向目标架构SA”的平滑演进模式，同时阐述了NSA和SA共存需求的场景。当然，各种方案的评估是相当复杂的，运营商需要权衡各种利弊，才能最终抉择最合适的方案。以国内三大运营商为例，上百万站规模的网络建设是需要很长时间的。5G商用进程还处在初期起步阶段，随着产业的发展，就架构平滑演进的话题，需要保持关注与探索。

参考文献：

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