5G NSA组网结构下用户体验提升研究

陈 锋，许绍松，陈 海，董帝烺（中国联通福建分公司，福建福州 350000）

1 概述

在现代生活的方方面面都与通信息息相关，通信在现代生活中的地位越来越重要。而5G 通信作为新一代通信技术，对于现代社会发展与现代生活品质的提升有着开创性的意义。本文以研究5G及其5G相关技术特点为基础，结合实际测试与分析结果，通过理论与实际相结合，进一步挖掘5G 的实际应用，使得5G技术能够更好地为客户服务，提升客户体验。

5G移动通信作为最新一代的移动通信技术，将提供20 倍于LTE 的小区容量、10 倍的用户体验、1/10 的空口时延，同时满足超大带宽（eMBB），超高可靠性超低时延（uRLLC）和超大连接（mMTC）业务的需求。

当前5G R15 版本主要满足超大带宽（eMBB）需求，而网络部署架构主要采用NSA 组网模式，因此本研究将针对当前架构，通过梳理该版本下的5G 特性，从无线覆盖特性、系统调度及组网特点各方面，研究提升用户体验的优化方案。

2 5G Massive MIMO特性优化研究及应用

2.1 Massive MIMO特性简述

Massive MIMO 和波束赋形（BF）是5G 的一项关键技术，5G 将LTE 时期的MIMO 进行了扩展和延伸，LTE的MIMO 最多8 天线，到5G 扩增为16/32/64/128 天线，所以被称为“大规模”MIMO。Massive MIMO 和波束赋形二者相辅相成，缺一不可。甚至可以说大规模MIMO 就是大量天线的波束，如果把Massive MIMO 比作外在肉体，那波束赋形就是内在灵魂。

Massive MIMO 负责在发送端和接收端将越来越多的天线聚合起来；波束赋形负责将每个信号引导到终端接收器的最佳路径上，提高信号强度，避免信号干扰，从而改善通信质量。

总体来说Massive MIMO和波束赋形的优点如下。

a）更精确的3D 波束赋形，提升终端接收信号强度。

b）同时同频服务更多用户（多用户空分），提高网络容量。

c）有效减少小区间的干扰。

d）更好地覆盖远端和近端的小区。

5G时代，Massive MIMO 和波束赋形主要应用场景如下。

a）重点区域多用户场景∶如演唱会、聚会、球场等。

b）高楼覆盖场景∶三维波束赋形可有效提升水平和垂直覆盖的能力。

2.2 Massive MIMO特性参数验证

现网设备通过幅度、相位算法可调整Massive MIMO 波束的覆盖宽度，依据覆盖情况选定不同水平、垂直波瓣宽度的MIMO 设置。当前版本基站Massive MIMO 波束有1 个默认场景与16 种其他非标准设置，分别提供15°、25°、45°、65°、105°、110°的水平半功率波瓣宽度和6°、12°、25°的垂直半功率波瓣宽度设置，并对应各种应用场景，具体情况如表1所示。

5G 建网初期，根据实际建设需求，选择不同典型场景，挑选相应应用模式模拟测试验证，确认对比覆盖效果，为后期场景差异化覆盖积累相关数据。

场景一∶小角度水平波瓣角设置信号能量更集中，有利于深度覆盖（见图1和表2）。

场景二∶同垂直扫描范围场景下，大水平扫描范围场景设置在测试点有MIMO 信号增益，有利于广域覆盖（见图2和表3）。

场景三∶对于高楼场景设置更宽的垂直波瓣角能有效提升楼宇高层覆盖（见图3和表4）。

综上所述，小角度水平波瓣角Massive MIMO 设置信号能量更集中，有利于深度覆盖，并且不同覆盖场景采用相应的Massive MIMO 波束设置可以带来信号增益。广域覆盖建议用大水平扫描范围Massive MIMO 波束设置，高楼场景建议设置更宽的Massive MIMO垂直波束设置。

表1 Massive MIMO网管场景设置及应用推荐

图1 Massive MIMO水平波瓣角特性验证场景

表2 Massive MIMO特性测试结果（一）

图2 Massive MIMO水平波瓣角特性验证场景

表3 Massive MIMO特性测试结果（二）

图3 Massive MIMO实际特性验证场景

表4 Massive MIMO特性测试结果（三）

3 5G时隙配比优化研究及应用

3.1 5G时隙配比简述

为了便于实现LTE 与5G 共同部署模式，5G 的帧结构与LTE 类似，无线帧和子帧的长度固定，能够更好地保证LTE与5G共存，5G帧结构如图4所示。相比较于LTE，5G 的时隙与字符长度可根据子载波之间的间隔灵活变化。

图4 5G帧结构

在LTE 中子载波长度被定义为15 kHz，5G 中子载波长度也为15 kHz，但是5G的子载波长度是灵活可被扩展的，比如在5G 中子载波长度可以为15、30、45、60、120 kHz 也可以是7.5、3.75 kHz 等，相当于子载波长度可以为15 kHz×2m，m∈（-2，-1，……，4，5）。具体如表5所示。

eMBB 场景，按照30 kHz 子载波间隔，各厂家提出了不同的帧结构，系统可支持其中的1种或多种（静态配置）。目前设备仅支持4_1_DDDSU 与8_2_DDDDDDDSUU 2种方式。

表5 5G子载波长度

a）4_1_DDDSU。每2.5 ms 里面包含3 个全下行时隙，1个全上行时隙和1个特殊时隙。特殊时隙配比为10∶2∶2（可调整）。pattern周期为2.5 ms，1个上行子帧，周期较短，有利于降低时延（见图5）。

b）8_2_DDDDDDDSUU。每5 ms 里面包含7 个全下行时隙，2个全上行时隙和1个特殊时隙。特殊时隙配比为10∶2∶2（可调整）。pattern 周期为5 ms，上下行转换周期长，利于下行吞吐量，但上下行转换间隔较长，对调度时延可能有一定影响（见图6）。

3.2 5G时隙配比调整验证

图5 时隙示意图（一）

图6 时隙示意图（二）

在5G现网进行时隙配比调整，定点测试对比小区不同时隙配比情况下的时延、速率变化情况。现网站点子载波间隔为30 kHz，依据宏站小区半径5 km 以上GP 符号，选择GP 符号数量2、6 进行测试对比，测试3个不同站点进行数据统计。

GP 符号数量与小区半径如表6 所示，不同时隙配比时延速率测试情况如图7和图8所示。

表6 GP符号数量与小区半径

测试结果表明，上下行时隙配比4∶1与8∶2 2种模式对比，前者时延优于后者，小包，但下行速率略低（特殊子帧中GP 符号数配置相同），符合理论预期。综合考量，建网初期为提升用户感觉建议采用4_1_DDDSU配置。

4 NSA结构下DC双连接研究及应用

4.1 DC双连接概述

图7 不同时隙配比时延测试情况

图8 不同时隙配比速率测试结果

DC双连接主要是为了使用户拥有更高速率，提高频谱利用率及负载均衡，通过微站与宏站现有的非理想回传（non-ideal backhaul）X2 接口来实现载波聚合，使具有双连接功能的终端能够同时连接2 个基站，提高单用户的上下行吞吐率。同理，在5G 系统建设中，5G 站点作为独立宏站建设，也可把5G 作为LTE 双连接中微站或宏站角色对现有的LTE 提供覆盖与容量负载分担，但是不管是作为独立宏站建设还是作为小站提供覆盖及容量负载分担，双连接技术都是实现LTE 与5G 连接的关键技术。3GPP Release-14［3］在实现LTE 网络双连接技术的理论基础上，定义了LTE 和5G 的双连接模式。利用双连接技术可以实现在5G 网络建设前期利用LTE 核心网的快速部署，同时实现在5G 建设后期通过双网（5G 与LTE）联合组网方式降低因为异系统切换产生的时延，并且双网联合组网也可以提高系统的无线资源利用率，使资源利用最大化。

在5G 基础建设前期能够凭借LTE 核心网实现快速部署，但是在5G 核心网建成以后5G 系统就能够实现独立组网，5G形成独立组网之后虽然可以提供更高的数据速率与更好的业务质量，但是5G还会有覆盖不足的地方，这些覆盖不足的地方就需要利用现有LTE网络进行弥补以提供更好的覆盖，3GPP Release-14［2］定义了多种可能的LTE/5G双连接模式（见图9）。

其中基于现网EPC改造的Option3x模式对存量站点影响小，又支持灵活的分流方式，是当前网络首选。

图9 NSA组网方案

Option3x 结构由主基站LTE eNB 根据无线算法决定承载建立为MCG Bearer、SCG Bearer 或Split Bearer（见表7）。分流由gNB 根据无线算法动态控制，核心网侧不感知。

在控制面，Option3x 组网时UE 只有一个基于MN的RRC 状态（并不是LTE 和NR 各一个），同时只有一条到核心网的控制面连接。MN 和SN 都有自己的RRC实体，可以生成要发送给UE的RRC PDU。

在用户面，每一种承载（MCG bearer、SCG bearer、split bearer）的PDCP可以位于MN，也可以位于SN。

表7 Option结构

网络可以为MCG 承载配置E-UTRA PDCP 或者NR 的PDCP；SCG 承载和Split 承载只能使用NR PDCP。MN 和SN 通过X2 接口连通，MCG bearer 由MN 发送数据给UE，SCG bearer 由SN 发送数据给UE；Split bearer 指的是将LTE 中UE 与eNodeB 之间的Radio Bearer“Split”。在Split bearer 中，NR PDCP 用于LTE和NR，且数据流的“Split”是由PDCP完成的。

MN：Master node，在MR-DC 中，控制面与核心网相连的节点，比如∶EN-DC 中的eNB，NGEN-DC 中的ng-eNB，NE-DC中的gNB。

MCG：Master Cell Group，在MR-DC 中，跟MN 相关联的一组服务小区，由SpCell（Pcell）和可能存在的一个或多个Scell组成。

SN：Secondary node，在MR-DC 中，没有控制面与核心网相连的节点，但可以给UE 提供额外的辅助无线资源的无线接入节点。比如∶EN-DC 中的en-gNB，NE-DC中的ng-eNB，NGEN-DC中的gNB。

SCG：Secondary Cell Group，在MR-DC 中，跟SN 相关联的一组服务小区，由SpCell（PSCell）和可能存在的一个或多个Scell组成。

MCG bearer：主站分流模式。

SCG bearer：辅站（NR）分流模式。

Split bearer：动态分流模式。

4.2 DC双连接设置与验证

现网当前采用主流配置，用户默认承载在NR 侧（LTE 锚点侧设置NSA DC 默认承载模式为SCG_SPLIT_BEARER），gNB 根据数据分流模式设置决定用户数据走向（当设置SCG bearer 时数据单独走SN 侧，设置Split bearer 时数据同时在SN/MN 侧传输）。具体流程如下：

用户面数据流：EPC →gNBS1-U →gNodeB→gNBX2-U →X2-U →eNodeB。

选择仓山城门海峡西展外侧灯杆进行上下行灌包拉测，对比数据业务分别向LTE 分流（Split bearer 模式）与不分流（SCG bearer 模式）时对边缘覆盖以及用户体验速率的影响。（以RSRP 值为-100 dBm 作中、远点临界点）。LTE 小区为10 MHz 带宽，总功率20 W（RS配置15.2），5G NR 小区总功率200 W（功率配置值34.9）。

覆盖对比：对比单独NR 数据传输与DC 双连接的边缘速率（5 Mbit/s）覆盖情况，DC 双连接比单独在NR上进行速率业务的边缘速率覆盖距离更远。

体验速率对比如下。

a）上行增益。

（a）RSRP≥100 dBm 时，DC 分流场景下上行总平均速率38 Mbit/s（其中LTE 平均速率12 Mbit/s，NR 26 Mbit/s），增益46%。

（b）RSRP＜100 dBm 时，DC 分流场景下上行总平均速率11 Mbit/s（其中LTE 平均速率0.7 Mbit/s，NR 8 Mbit/s），增益9%。

b）下行增益。

（a）RSRP≥100 dBm 时，DC 分流场景下，下行总平均速率359 Mbit/s（其中LTE 平均速率44 Mbit/s，NR 速率315 Mbit/s），增益为14%。

（b）RSRP＜100 dBm 时，DC 分流场景下，下行总平均速率215 Mbit/s（其中LTE 平均速率14 Mbit/s，NR 速率201 Mbit/s），增益为7%。

5 结束语

NSA 组网结构是目前网络中主用的组网模式，本文就是在网络部署初期，从组网结构以及关键技术原理出发，摸索提升用户体验的方法及手段，通过DC 双连接、时隙配比优化以及Massive MIMO 差异性优化3个方面进行测试验证，总结有益经验，从现阶段验证，总结如下结论：

a）小角度水平波瓣角Massive MIMO 设置信号能量更集中，有利于深度覆盖场景无线信号改善，提升该场景下用户体验。

b）不同覆盖场景采用相应的Massive MIMO 波束设置可以带来信号增益。广域覆盖建议用大水平扫描范围Massive MIMO 波束设置，高楼场景建议设置更宽的Massive MIMO垂直波束设置。

c）上下行时隙配比4∶1 时延优于8∶2 配置，但峰值速率低于后者。结合实际业务需求综合考量，为提升用户体验现阶段建议采用4_1_DDDSU配置。

d）在NSA 组网结构下5G 站点配置DC 双连接的Split bearer（动态分流）模式对用户体验有着比较明显提升作用。