5G NSA组网技术方案研究

邓安达 高松涛 程日涛 马向辰 尧文彬 王韬 马颖

【摘  要】针对近期运营商转向5G NSA组网的现状，在全面梳理并建立NSA组网方案研究框架的基础上，简单说明NSA组网基本原理、架构选择、组网规划、工程实施、发展演进等环节的关键问题，并对近期最关注的NSA锚点选择问题，从锚点产业链端到端支持情况、网络连续覆盖性能判别等方面进行深入分析，提出了利用站间距快速初选锚点的方法，并结合同厂家因素进行综合选择建议。

【摘  要】5G;NSA;錨点;连续覆盖;站间距

1   引言

5G组网架构可以分为SA和NSA两大类。SA方案中，5G无线网与核心网之间的NAS（Non-Access Stratum，非接入层）信令通过5G基站传递，5G可以独立工作。NSA方案中，用户通过双连接方式同时接入5G和4G基站，通过5G和4G基站之间的协作（NAS信令由“锚点”基站传递，用户数据流在5G基站和4G基站内分流）享受5G服务。

SA方案的优势在于可满足多样化、垂直行业的应用需求，劣势在于技术标准及产品设备晚于NSA三个月至半年，且核心网用户数据迁移难度大、风险高。NSA方案优势在于可实现快速布网，劣势在于引入更多的4G、5G无线互操作，无线复杂度较高。

出于抢占5G竞争先机的需要，大部分国内外运营商当前采用NSA方案或NSA、SA方案并举。本文在全面梳理并建立NSA组网方案研究框架基础上，简单贯通说明NSA组网的关键问题，并对近期最关注的NSA锚点选择问题进行了深入分析。

2   NSA组网技术方案研究框架

按照认识由浅入深、从理论到实践的规律，梳理NSA组网的主要环节和关键问题，建立如表1所示的NSA组网方案研究框架。并对上述主要环节的关键问题进行简述（“锚点选择”除外，将在第3部分详细分析）。

2.1  基本原理

首先，NSA终端与普通4G终端一样进行初始接入，并且在附着过程中会将支持双连接的能力通知网络。MME决定NSA终端是否可以使用DCNR（Dual Connectivity New Radio，与5G NR的双连接）。若MME同意NSA终端使用双连接，MN（Master Node）即双连接中的4G锚点小区为NSA终端配置目标NR频点的测量控制信息，NSA终端上报针对NR频点的B1（或B2事件）的测量报告后，4G锚点小区可以触发添加SN（Secondary Node）即5G小区的流程。相关标准[1]已经对EN-DC（E-UTRAN NR Dual Connectivity，以4G为锚点的4G、5G双连接）中SN的添加、改变和释放做出了明确规定，为NSA组网的移动性保障奠定了技术基础。

2.2  架构选择

参考文献[2]列出了5G架构选项全集，其中选项3系列、7系列和8系列均为NSA架构。考虑到5G核心网尚未完全成熟，选项7系列在5G部署初期不可用。选项8系列是将5G基站作为锚点接入4G核心网，并与4G基站构成双连接，与5G部署初期5G覆盖尚不完善的现实场景完全不符。因此，选项3系列的子选项3、3a、3x成为当前阶段NSA架构选择的主要对象。参考文献[3]对选项3、3a、3x的工作模式和特点进行了详细分析。选项3x控制面由4G基站作为锚点接入4G核心网，用户面由5G基站进行数据分流，综合考虑方案的灵活性及网络整体性能，选项3x架构最优。图1为选项3x架构示意图：

2.3  组网规划

既然锚点为NSA终端提供接入网络的NAS信令通道，必然应选择网络连续覆盖性能好的4G频点作为锚点。关于锚点选择的深入分析详见第3部分。

在一定的小区边缘速率要求下，4G和5G均为上行受限系统。终端上行发射总功率及其分配方式将影响NSA上行连续覆盖性能。目前上行功率分配方式有以下三种方式：半静态分配、时分方式和动态功率共享[4]。

半静态功率分配通过网络提前设置终端4G上行最大功率和5G上行最大功率，且两者之和不大于终端最大上行功率。该方式配置较为简单，但上行覆盖受限较为明显。以FDD1800做锚点时，终端上行最大功率为23 dBm为例，若平均分配，4G和5G上行最大功率只为20 dBm，同等边缘速率要求下NSA终端的4G上行覆盖较普通4G终端约收缩20%。

时分方式由网络侧对4G和5G进行上行时分调度，并分别以4G上行最大功率值和5G上行最大功率值调整用户发射功率目标值（该两值应分别不大于终端最大上行功率）。该方式适用于终端位于远点时。

动态共享方式可以优先保障终端在LTE侧的网络体验。

上行功率规划还需结合NSA网络开通后的实际效果进行调整。

2.4  工程实施

NSA组网方案下，现网4G基站应进行系列改造以支持4G基站与5G基站之间的双连接建立与管理。如：X2接口上双连接建立、修改、变更、释放等信令流程，数据在X2接口上的分流、流量控制以及双连接下的移动性等。网络升级可只针对锚点小区进行。

工程实施环节的基站安装，不强制要求5G基站与4G锚点基站共站址或共机框，即使X2接口通过传输环引入时延，根据传输互通的不同位置，新引入时延约0.4 ms～2 ms，对于eMBB业务影响不大[5]。

也不强制要求5G与锚点小区天馈同方向。但从互配邻区便利性和减少4G锚点与5G辅节点间无谓切换的角度来看，5G与4G锚点小区的天线方位角最好一致。某些厂家在5G与4G锚点小区共站址同覆盖方向时，可以对5G小区采用“盲添加”策略，在一定程度上可以减少5G小区测量时间。

2.5  发展演进

为保障用户感知，应进一步探索根据业务来配置分流的方案。例如，VoLTE只在4G上承载，不做5G分流;数据业务采用分流承载，在5G和4G间分流。

若NSA架构长期存在，还应挖掘根据4G网络负荷情况灵活选择锚点的技术方案，以及NSA与SA共存的网络架构。

3   NSA锚点选择分析

中国移动4G为多制式多频段组网，室外TDD F频段和D频段联合构成了连续覆盖，FDD1800室外连续覆盖尚在完善中。如何选择NSA锚点是近期组网规划最关注的问题。结合锚点产业链端到端支持情况和预估的中国移动2019年底的4G网络覆盖情况，选择连续覆盖性能好、边缘速率高的4G频点作为锚点是锚点选择的核心观点。下面给出对锚点产业链端到端支持情况的调研，以及判断4G单一频点网络小区边缘速率和连续覆盖性能的操作方法。这两项分析，可为锚点选择提供切实依据。

3.1  NSA不同频段锚点端到端支持情况分析

面向2019年试商用，FDD1800锚点、TDD F频段锚点端到端产业链支持情况相对较好，具体支持情况如下所示：

（1）标准化进展

◆FDD1800、TDD F频段锚点已于2018年下半年完成3GPP标准化。

◆TDD E频段锚点于2019年3月初刚写进3GPP标准。

◆TDD D频段锚点因与5G NR同频，终端功率回退问题尚待解决，还未标准化（可能于2019年6月写入标准）。

◆中国移动集团企标目前仅要求FDD1800和TDD F频段锚点。

（2）芯片支持情况

◆高通：5G芯片已支持NSA 1.8G锚点，硬件上具备支持1.9G锚点能力。愿意根据中移动要求开发支持不同频段锚点，在标准化完成后预计2个月可以完成。

◆海思：5G芯片软硬件支持1.8G和1.9G锚点。

（3）终端支持情况

◆Vivo等高通方案厂家硬件具备支持1.8G/1.9G锚点能力，软件目前支持1.8G锚点，高通发布其它频段锚点软件后可支持。

◆华为终端支持1.8G/1.9G锚点。

（4）系统侧支持情况

基站侧具备全频段锚点支持能力。

3.2 结合小区边缘速率的4G单频点网络连续覆盖

性能判别方法

NSA架构中，锚点是5G基站接入网络的通道，锚点网络的连续覆盖性能影响用户对5G网络的移动性感受。尤其对于5G语音，它通过VoLTE实现，采用锚点承载。如果锚点连续覆盖性能较差，5G用户语音感受将可能劣于现网VoLTE，影响用户体验。

FDD 1800单站覆蓋能力优于TDL F频段。但中国移动FDD1800大规模建设启动较晚，预计至2019年底，部分城市城区FDD1800基站规模较TDL F频段仍有一定差距。如何评价同一区域不同规模的FDD1800和TDL F频段网络的整体覆盖能力，本文提出3种方法进行对比分析。

（1）站间距判别法

1）上行/下行峰值速率

峰值速率产生在小区极好点，与站间距无关。当4G锚点与5G同厂家时，通过厂家X2私有参数和算法的交互，有利于协同4G锚点和5G共同达到峰值。将中国移动的5G频段（2.6 GHz频段）与友商的5G频段（3.5 GHz频段）NSA组网下的峰值速率进行对比：因中国移动5G频段需要和TDD D频段对齐，上行会造成一定损失，故而上行峰值速率体验低于友商5G频段，但下行峰值速率具备一定优势。表2为不同锚点及5G频点组合条件下的终端峰值速率表：

表2中峰值速率测算中，FDD1800锚点、TDD F锚点均按与5G同厂家考虑，且假定终端支持上行分流，峰值速率为锚点峰值与5G峰值之和;异厂家锚点无法协同分流，峰值速率仅为5G峰值。其它基本条件为：5G NR带宽100 MHz，基站总发射功率200 W、192阵子64T64R，终端总发射功率23 dBm、NSA终端2T4R（4G和5G各1T），上行采用时分方式在4G和5G间分配功率。5G子载波间隔30 kHz，当5G采用2.6 GHz频段时帧结构为5 ms（特殊时隙6：4：4），当5G采用3.5 GHz频段时帧结构为2.5 ms双周期（特殊时隙10：2：2）。FDD1800、TDD F频段带宽20 MHz，基站发射功率40 W。FDD1800基站4T4R，TDD F频段基站8T8R，NSA终端1T2R。图2和图3的计算条件与之相同。

2）上行/下行边缘速率

结合4G、5G基站链路预算和站间距数据，可以测算4G、5G小区边缘速率。同时考虑锚点与5G同异厂家对NSA分流策略的影响，可以得到4G不同频段作为锚点时，NSA边缘速率。相同站距区间内，基于同厂家FDD1800锚点的5G 2.6 GHz NSA网络性能具有明显优势;而异厂家锚点无法对业务数据进行分流，且双连接时上行只能单发，上行边缘速率极差。图2为不同站间距下不同锚点设置的NSA上行边缘速率对比图，图3为不同站间距下不同锚点设置的NSA下行边缘速率图。

3）具体操作方法

针对不同的业务特性，通过站间距预测边缘速率进行对比。

如区域内业务对上行速率要求较高，则建议选择可提供较高上行边缘速率的网络作为4G锚点（如表3所示）;如对下行速率要求较高，则建议选择可提供较高下行边缘速率的网络作为4G锚点（如表4所示）。

因NSA中5G上行边缘速率低于4G，因此一般以上行覆盖作为标准，选择与5G同厂家的FDD1800作为锚点。只在NSA覆盖区内TDD F站点密度远大于FDD1800时（如表3中TDD F平均站间距300 m～350 m，而FDD1800平均站间距450 m～500 m时），才选择与5G同厂家的TDD F作为锚点。

站间距判断法操作简单，仅依据区域内的TDD F和FDD1800规模便可对连续覆盖性能进行预判。但由于是理论测算结果，在局部区域，预判结果和网络实际性能可能存在一定偏差。

（2）网络仿真法

分别以TDD F和FDD1800为锚点进行NSA仿真，对比不同锚点方案可提供的5G业务速率，选择整体速率占优的网络作为锚点。

网络仿真法操作较为复杂，可用图形直观呈现出不同锚点的NSA网络性能对比情况。但目前各省FDD1800规划方案暂未完全落地，若使用预估FDD1800站址清单仿真可能与实际落地方案出现较大偏差。

（3）MR分析法

理论上，可以通过对用户上报的MR进行分析，对比不同频点的覆盖率。但是目前FDD1800站点开通较少，无法对2019年底FDD1800大规模建成后的整体覆盖情况进行预判。另外，用户仅上报其处于连接态时所在频点的MR，该频点又受限于网络侧设置的优先级，无法指定某一频点进行上报，因此实际上报的MR体现的是所有4G频点的综合覆盖率，但无法准确体现单一频点的覆盖率。

3.3  锚点选择建议

根据2019年锚点产业链端到端的支持情况，中国移动NSA锚点应在FDD1800和TDD F之间进行选择。可根据链路预算和站间距，采用站间距判别法，简易快速做出判斷。锚点选择时还应综合考虑厂家5G设备量产时间与能力等因素，使锚点与5G设备同厂家。

4   结束语

本文在全面梳理并建立NSA组网方案研究框架的基础上，简单说明NSA组网基本原理、架构选择、组网规划、工程实施、发展演进等环节的关键问题，并对近期最关注的NSA锚点选择问题，从锚点产业链端到端支持情况、网络连续覆盖性能判别等方面进行深入分析，提出了利用站间距快速初选锚点的方法，并结合同厂家因素进行综合选择。关于NSA的后续研究还可在移动性管理、上行功率分配、发展演进等方面进行继续挖掘。

参考文献：

[1] 3GPP TS 23.401 V15.4.0. Multi-connectivity[S]. 2018.

[2] 3GPP RP 161266. 5G Architecture Options-Full set[R]. 2016.

[3] 马向辰，邓安达，尧文彬. 5G非独立组网（NSA）的无线网络方案研究[C]//5G网络创新研讨会（2018）论文集. 移动通信， 2018： 13-15.

[4] 华为技术有限公司，中兴通讯，高通公司. NSA技术交流资料[Z]. 2019.

[5] 中国移动通信集团. 5G规模试验测试结果[R]. 2018.

[6] 中国移动设计院. 4G和5G链路预算[Z]. 2018.