5G载波聚合和双连接及提前测量上报技术研究

2020-04-24中国联通网络技术研究院北京100048

邮电设计技术 2020年3期

李培（中国联通网络技术研究院，北京 100048）

0 前言

随着5G 通信网络的大规模部署和移动智能终端的日益普及，5G 业务和更多的垂直行业对业务量的需求越来越高，服务体验的要求也越来越高，通信运营商需要为用户提供更为高速和优质的无线网络。

在未来多种网络并存的环境下，双连接也作为一种快速部署技术，有广阔的应用场景。在目前5G部署之初，运营商广泛采用EN-DC 技术，采用LTE 基站和NR 基站混合组网的方式来达到快速部署的目的。而在未来某些特定的场景下，MR-DC 技术也将被应用在一些特殊的场景，来为整个网络提供更加优质的服务。

1 载波聚合和双连接技术分析

1.1 载波聚合技术分析

辅载波添加流程主要是在连接建立以后，根据配置的测量信息终端进行测量上报，基站根据终端上报的测量上报信息进行辅小区的添加。载波聚合过程在用户接入后要根据测量上报的结果进行辅小区的添加，在辅小区添加配置完成并激活后才能开始在辅小区传输数据。辅小区也存在变更、激活、去激活和删除等动作。

由于5G 中频段下行广泛使用波束赋型技术对下行业务发送波束进行增强，而上行靠天线的联合接收进行数据传输，增益有限，上行覆盖范围较小，所以中频段上行覆盖成为上下行传输中的瓶颈。

由于上行覆盖受限的问题，小区边缘区域需要对上行进行增强，载波聚合技术可以在实现上下行容量提升的同时提高上行覆盖。上行载波聚合可以通过在不同的载波上进行上行调度实现上行覆盖增强的目的，即使在仅支持下行载波聚合不支持上行载波聚合的情况下，也可以通过主载波在低频和中频之间的切换来达到上行覆盖增强的效果。

载波聚合方案下，如果采用上行下行载波聚合，则TDD 系统的下行波束赋型可以通过上下行信道的互异性，使用上行探测参考信号（SRS）来评估信道质量。如果仅采用下行载波聚合，上行单载波发送，由于上行只在一个小区进行发送，在中频段TDD 上行覆盖受限的情况下，上行将通过低频段进行发送，如果SRS也不在中频段上发送，就会造成中频段TDD 的下行信道无法使用SRS来进行信道估计。实际上由于SRS的上行覆盖优于PUSCH，在PUSCH 覆盖受限时，SRS 仍然可以发送。所以在上行不支持载波聚合的情况下，可以使用SRS switching 的方法在2 个小区分别发送SRS。在使用SRS switching以后，在上行变更为低频后，仍然可以在中频段发送上行SRS参考信号。

在上行功率控制方面，载波聚合因为在2 个载波上都有下行业务发送，终端可以根据各自的下行来估计上行路损，根据路损做准确的功率控制，上行发送的效果较好。载波聚合下各个载波上行最大发射功率由终端能力决定，基站上行功控算法会根据终端能力及配置约束每个载波的最大发射功率，各个载波的上行发射功率由上行闭环功控算法决定。

在流量控制方面，由于载波聚合是MAC 实时交互调度信息，分流流量是根据实际调度的情况来决定的，对调度的实时性要求较高，主辅载波对数据处理的实时性效果好，但是需要做载波聚合的2 个小区之间有理想回传，否则数据交互的实时性很难达到要求。

1.2 双连接技术分析

双连接的辅节点添加流程和载波聚合辅小区添加流程相似，主要是在连接建立以后，终端根据配置的测量信息进行测量上报，基站根据终端上报的测量信息进行辅节点添加。在辅节点添加完成后才能在辅节点上进行数据传输。

双连接由于是在2 个系统中分别传输，上行也可以在低频和中频同时传输，可以利用低频段上行覆盖的优势起到上行覆盖增强的作用，且双连接在主节点和辅节点两侧无论是上行参考信号的发送还是下行波束赋型，都是独立进行的，所以不需要特殊的信号处理即可实现主辅节点较好的波束赋型效果。双连接的调度过程也是主节点和辅节点分别进行的，两侧系统可以异步部署，不需要等相同的时间进行上下行传输调度及调度反馈。

由于双连接是在主节点和辅节点分别进行上下行传输，所以涉及到上行同时发送的问题，因为中频和低频都有下行业务发送，终端可以根据中频和低频各自的下行来估计上行路损，根据路损来做功率控制，上行发送的效果较好。双连接下主节点和辅节点上行最大发射功率由终端能力决定，基站根据终端能力以及配置约束主节点和辅节点的最大发射功率，主节点和辅节点的上行发射功率由上行闭环功控算法决定。双连接要求终端有同时收发的能力且需要终端支持在不同载波上的功率共享。

双连接是主节点和辅节点分别调度，涉及到数据分流问题。由于数据分流只能从核心网或者无线网的PDCP 来进行，数据传输在主节点和辅节点两侧的实时性分配不强。双连接的分流方式分为3 种：主站分流、辅站分流及核心网分流。其中主站分流和辅站分流只是分流锚点不同，一般情况下会根据基站的处理能力来进行锚点的分配，将数据处理能力较强的基站作为分流锚点。

图1示出的是双连接下的主站分流。

主站分流的方式是指用户数据首先到达主节点侧的PDCP，主节点侧的PDCP 将数据进行转发，通过MCG Split bear分流给辅节点的RLC进行传输。

图1 双连接下的主站分流

图2示出的是双连接下的辅站分流。

图2 双连接下的辅站分流

辅站分流的方式是指数据首先到达辅节点侧的PDCP，辅节点侧的PDCP 将数据进行转发，通过SCG Split bear分流给主节点的RLC进行传输。

图3示出的是双连接下的核心网分流。

图3 双连接下的核心网分流

核心网分流的方案是由核心网在主节点和辅节点分别建立2 条承载，核心网根据数据到达的情况直接向主节点和辅节点承载发送数据进行传输。核心网分流无法根据空口的数据流量和网络实际的传输能力进行实时流量控制，主节点和辅节点也无法进行资源的协同传输。

2 提前测量上报技术

提前测量上报是载波聚合和双连接增强研究的一个重要方向，主要研究在载波聚合和双连接场景下，终端如何提前进行测量并尽早上报测量结果，用于基站在连接建立和连接恢复过程中快速添加辅小区和辅节点。由于终端在IDLE 态和INACTIVE 态的安全激活状态不同，考虑终端用户数据的安全性，需要分别研究这2 种状态下进入连接态时的信令优化，该信令优化同时适用于载波聚合过程中的辅小区添加过程和双连接过程中的辅节点添加过程。

2.1 IDLE状态下的信令优化

图4（a）示出的是载波聚合和双连接的辅小区和辅节点添加流程，在这个流程中，需要终端在进入连接态以后进行连接态下的邻小区测量，当终端满足测量上报的条件进行测量上报后，基站才能根据测量上报的结果进行辅小区和辅节点的选择，再通过重配置消息进行辅小区和辅节点的添加过程，在这个过程中，终端因为需要对邻小区进行测量，需要耗费比较多的时间。

由于进入连接态以后再进行邻区的测量需要耗费较长的时间，协议中研究了终端在IDLE态下提前进行邻区测量的过程。若终端提前进行测量，则辅小区和辅节点的添加过程如图4（b）所示，终端的测量过程由终端在IDLE态下进行，当终端进入连接态以后将直接进行测量信息的上报，而后通过重配置消息添加辅小区和辅节点。在这个过程中，由于终端的测量过程不需要在建立连接以后才进行，所以为辅小区和辅节点的添加节省了大量的时间。

在提前测量上报研究中，进一步考虑信令的增强方案，用以进一步缩短辅小区和辅节点的添加时间。为了保证用户信息的安全性，必须在安全激活以后才能上报测量信息，否则测量信息可能会被非法基站捕获，用户信息安全性无法得到保证。

在安全模式命令下发后，终端激活安全模式，这时终端上报的信息是经过安全激活和完整性保护的，可以保证终端信息的安全。图5（a）示出的是在用户进入连接态以后才通过消息⑧和消息⑨进行终端测量信息的获取，而在载波聚合和双连接增强的研究中，将终端测量信息的获取提前到安全模式命令下发后，不需要等终端重配置完成，即将测量信息的获取提前到图5（b）中的消息⑥和消息⑦，这样有利于进一步缩短终端测量信息上报的时延，快速添加辅小区和辅节点。

2.2 INACTIVE状态下的信令优化

终端在INACTIVE 态进入连接状态时的测量信息也是终端提前进行测量的，基本的过程和IDLE态下相似，不同的是测量信息上报的时机不同。由于终端在INACTIVE 状态下安全已经激活，所以可以将终端信息获取流程提前，这样有利于进一步缩短测量上报的时延，达到快速添加配置辅小区或辅节点的目的。

图4 辅小区/辅节点测量信息上报流程图

图5 IDLE状态进入连接态测量信息上报信令增强

图6（a）示出的是在终端进入连接态以后通过终端信息获取流程获取终端的提前测量信息的流程图，通过重配置消息对辅小区和辅节点进行添加配置，完成辅小区和辅节点的添加过程。图6（b）为辅小区和辅节点添加过程的信令优化，因为用户在INACTIVE态下终端安全已经激活，不需要等到进入连接态以后再获取用户的测量信息，不存在安全性问题。所以终端的测量信息可以通过RRC 连接恢复完成消息（图6（b）中的消息④）发送给网络侧，从而基站可以更快地对终端进行配置，进一步减小了辅小区或辅节点的添加时延。

提前测量上报对减小辅小区和辅节点的添加时延有显著的作用，在未来网络部署中，可以大大提升用户在连接建立和连接恢复过程中的用户体验。

3 载波聚合和双连接技术的应用

载波聚合和双连接技术在未来将有广阔的应用空间，2 种不同的技术需要根据不同的应用场景需求来进行实际部署。

图6 INACTIVE状态进入连接态测量信息上报信令增强

载波聚合可以用于上行覆盖增强，由于中频段的上行覆盖性能比低频段的覆盖性能差，在5G 建网中，在小区边缘区域，需要考虑上行覆盖增强的方案。载波聚合技术可以通过调度低频段的上行资源来弥补上行覆盖受限的问题。载波聚合还可以用于热点覆盖的补充，由于5G 网络需要更大的系统容量，载波聚合可以灵活有效地增加下行系统带宽，达到热点区域的容量提升效果，所以载波聚合特别适合于中低频段混合组网，及某些需要聚合更大带宽达到容量提升的场景。

双连接技术也可以用于上行覆盖的增强和容量提升，但是由于双连接的调度方式是主节点和辅节点分别调度，业务调度的实时性较差，业务流量只能通过分流的方式来进行。但是，由于这种分别调度的特性也特别适合于网络的异步部署，例如毫米波频段和中低频段的子载波相差较大，调度时会有异步的问题，使用双连接方案就可以保证在高低频子载波间隔相差较大情况下独立调度传输。