NSA组网下2G/3G/4G/5G系统协同策略的研究

【摘  要】从NSA组网原理出发，以中国移动的现网实际情况和需求为例，通过分析不同系统的特点，探讨了NSA模式下2G/3G/4G/5G组网下不同网络间的协同策略。经测试验证，该套策略对5G网络的覆盖、质量以及用户的下载速率等指标均有较好的改善，能够满足现网实际网络的组网要求，同时也可为后续5G大规模基站建设和入网提供行之有效的参考方案。

【关键词】NSA;互操作;协同策略

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.10.004        中图分类号：TN915.08

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2020）10-0019-06

引用格式：李晖晖. NSA组网下2G/3G/4G/5G系统协同策略的研究[J]. 移动通信， 2020，44（10）： 19-24.

0   引言

随着5G牌照发放，各大运营商必须解决2G/3G/4G/5G协同组网问题[1-2]。5G作为新一代的移动通信系统，因缺少实际网络测试环境，因此协同方面相关的研究案例较少。现有的协同研究只是针对网络建设以及结合理论进行研究，缺少实际测试数据支撑，在实际的5G无线优化参考价值不高。如文献[3]主要研究的是在5G网络建设期间，和4G频谱、站点、天面和基站等关键要素方面的协同，文献[4]主要从信令出发，研究4G/5G协同过程以及可能出现的故障。

本文以中国移动的现网实际情况和需求为例，从NSA网络、互操作等原理出发，提出了5G用户在不同系统和不同状态下的协同策略，通过大量的测试数据和性能统计数据验证该套策略对5G网络的覆盖、质量以及用户的下载速率等指标均有较好的提升，对一线无线网优工作具有很大的指导意义。

1   5G组网方式

根据3GPP协议，5G主要采用两种组网方式，一种是独立组网（SA StandAlone）;一种是非独立组网（NSA NonStandAlone）[5]。

SA和NSA组网分别又分为不同的系列，具体如表1所示：

考虑到现有实际情况并尽快实现5G的商用，国内三大运营商初期以NSA为主，同时为了最大限度实现5G性能，有效分担现有LTE的高话务区域，NSA组网中主要选用option3系列中的option3X模式。不过NSA无法支持5G某些的新业务和新功能，因此随着5G建设规模不断扩大，后期运营商将会采用SA独立组网方式。

对于option3系列，通过不同的分流控制点来区分option3、option3a还是option3x。三者的区域以及优缺点[6]如表2所示。

对于option3来说，分流控制节点是4G主基站，MeNB既要处理控制面的信息，也要处理用户面的数据，因此需要对现有的4G基站进行软件升级，部分老设备涉及到硬件更换;另外，部分区域的4G基站本来负荷较高，加上对5G处理，对于高话务区域的4G网络影响较大，严重影响客户感知。

option3a分流控制节点为为EPC，即4G核心网，由核心网分别向4G和5G基站分发用户面数据，此种方法也需要对现有的4G核心网升级。

option3x的分流控制点为5G基站，即由5G基站进行数据流量分流，这种方式不用升级4G的基站，同时可以发挥5G基站的处理能力，为运营商5G的建设节省时间和成本，因此3x方式受到了各大运营商的欢迎，也是目前5G NSA建网的首选方式[6]。

2   不同系统间的互操作原理及其策略

2.1  互操作原理

所谓互操作是指终端可以在现有不同的移动系统间进行重选和切换，以确保良好的客户感知。

3GPP系统互操作示意图如图1所示，从图中可知，E-UTRAN和NG-RAN之间没有物理和逻辑端口，终端从NG-RAN切换到E-UTRAN，需要经由4G的核心网EPC和5G的核心网5GC之间的接口。如果5G终端回落核心网到4G后，4G无线网络存在弱覆盖或者干扰等质量问题，终端则经由4G核心网和2G核心新网之间接口回落到2G[8]。

当前5G业务主要分为数据业务和话音业务，两种业务采用的承载方式不同，因此协同策略也有所不同。

（1）对于数据业务，在5G建网初期，主要采用NSA Option 3X来组网，其承载通过5G基站来进行分流，可通过4G和5G进行承载分担。

（2）对于话音业务，5G建网初期和NSA组网下，语音采用过渡方案[7]，当5G终端发起语音呼叫时，将在LTE基站锚点进行，通过VoLTE提供语音业务，如果4G基站出现严重的质量问题，如干扰或者弱覆盖，则有可能话音进一步回落到3G或者2G网络。为避免频繁切换引起的话音中断，做好2G/3G/4G/5G网络之间的协同，对于提升5G用户的感知有着非常重要的意义。

不同的状态下的5G终端，采用不同的准则和事件来实现网络间互操作。3GPP定义5GRRC状态（无线资源管理）共有3种情况[9]：分别是RRC_IDLE、RRC_INACTIVE、RRC_CONNECTED。RRC_IDLE和RRC_CONNECTED兩种状态和LTE的IDLE和CONNECT状态相似，RRC_INACTIVE是5G新增的，当终端进入RRC_INACTIVE状态时，终端在核心网的上下文仍会保留，此时如果有数据要接收或者发送，则只要空口再次进行随机接入进入RRC_CONNETED状态即可。此状态既可以节约终端耗电还可以降低时延。对于RRC_IDLE和RRC_INACTIVE状态，小区为空闲状态，可以执行小区选择和重选，小区选择采用S准则[10]，即：

其中：Srxlev=Qrxlevmeas–（Qrxlevmin+Qrxlevminoffset）–Pcompensation-Qoffsettemp;Squal=Qqualmeas–（Qqualmin+Qqualminoffset）-Qoffsettemp。

Srxlev是SSB的信号强度（LTE中为RS的信号强度），一般要求SSB的RSRP强度>-110 dBm;Squal是SSB的信号质量，Qrxlevmeas为终端的接收电平。

为了利用不同频段的覆盖的特点，5G系统和4G系统一样，引用了优先级。不同的频率或者IRAT频率之间的绝对优先级可以通过系统消息、RRC ConnectionRelease以及从其他频点或者系统继承而来。

对于RRC_CONNECTED状态的终端，其主要通过不同的事件来实现5G终端在不同系统间和频段间进行切换，以保证业务的连续性。5G终端的切换事件包括系统内切换和系统间切换，分别通过A1～A6，B1～B2事件来表示。

对于2G/3G/4G/5G系统，其相关的互操作原理如表3所示。

从互操作原理来看，做好4G与5G、4G与2G/3G之间的协同，对于提升5G用户的感知有着非常重要的意义。在所有的互操作中，4G锚点站与5G之间的协同成为所有互操作成功的关键。下面将着重对NSA组网下4G和5G之间的策略进行详细描述。

2.2  NSA组网下不同系统间互操作策略

（1）4G与5G的协同

NSA Option3x组网下，5G和4G基站都连接在EPC为核心网上，NR中控制面的消息由4G基站进行处理，用户面数据分流控制节点由5G基站进行控制。5G终端在空闲态时，其优先驻留和重选到锚点站。在连接态下，NR终端在FDD1800锚点上发起EN-DC双连接，NR添加或者删除分别通过B1和A2事件。连接态下，进行数据业务时，NR主要采用A1+A3事件;进行语音业务时，在现有VoNR未开通的情况下，由锚点站FDD1800来承担，主要基于A1+A3、A1+A4、A1+A5或者A1+B2事件来完成。

NR在不同系统中，其空闲态和连接态的策略如表4所示。

（2）锚点站与非锚点站互操作

对于NSA（3x）组网来说，5G基站要连接到4G核心网，控制信令通过4G基站来处理，其在开机和空闲模式下，均需要驻留在4G基站上，因此对于4G锚点站的选择至关重要。目前，各大运营商基本上建成了FDD/TDD两种制式，尤其是中国移动，大规模的城市为了解决容量问题，包含了FDD900、FDD1800、A频段、D频段、E频段和F频段等多种频段。在此种情况下，一般锚点选择的原则大致如下。

覆盖好：较好的覆盖能够保证5G终端较好的驻留在4G网络上，话音结束后，能够尽快的返回重新驻留;

质量好：选择的4G频段最好干扰小，二次谐波干扰造成的影响小;

负荷不高：选择容量承载较小的频段，有利于5G基站完成节点控制分流;

支持VoLTE：5G建网初期，话音暂时无法支持VoNR，需要回落到4G，通过4G的VoLTE完成话音业务。

不同的频段其覆盖特性和容量存在差异，以中国移动为例，LTE包含了TDD和FDD两种制式，而TDD中又包含了F频段、A频段、D频段、E频段;FDD主要包含FDD900和FDD1800。一般TDD主要用于吸收容量，FDD主要为了补充边缘覆盖。不同的场景采用频段以及覆盖情况说明如表5所示。

从表5来看，FDD1800在不同的场景均有覆盖，尤其在城区，基本上形成了连续的覆盖。随着2G陆续退网，FDD1800的频段带宽有望从现有的10 MHz带宽扩展在20 MHz的带宽，容量得到进一步的提升。另外，FDD1800为5G提供上行补充频率，可实现对5G的上下行解耦，整个移动选用的FDD1800作为锚点应该就是基于以上原因。

对于NSA系统来说，为确保空闲态和连接态释放后5G终端尽量驻留或者重选在锚点站上，如果NR连接态时处于LTE网络，也尽量保持在锚点站点上，因此需要对锚点站和非锚点站的重选和切换策略分别进行设置。本文利用小区重选优先级的消息发放方式，创新性提出了锚点站和非锚点站采用不同的互操作策略，利用该套策略可以确保NR用户能够准确、稳定地驻留在锚点站点上，减少NR用户在锚点站和非锚点站间的互操作，从而提升客户感知。

小区重选优先级一般分为两种：广播小区重选优先级，这类型的消息主要通过广播信道中的消息下发给终端;另外一个专用小区的重选优先级，其重要通过RRC连接释放空闲模式移动控制消息下发（IMMCI）[11]。锚点站点和非锚点站点通过专业小区重选优先级，来确保NR能够准确、稳定地驻留在锚点站点上。

而在连接态，为了让NR终端尽量保持在锚点站，其切换策略在锚点站侧和非锚点站侧又有所不同，具体为：锚点站侧，其切换主要采用A1+A3（用于锚点与锚点之间）和A1+A4算法（用于锚点站切向于非锚点站），非锚点站侧主要采用A1+A3（用于非锚点站间）和A1+A5（用于非锚点站向锚点站之间）。

锚点站和非锚点站的互操作策略如表6所示。

结合上述策略，空闲态和连接态相关的门限设置如表7和表8所示。

3   結果验证

该套策略已在全国18个城市进行效果验证，共涉及1.5万个5G基站（主要为中兴设备），测试时间在400个小时左右。从收集来的数据来看，该策略用于现网后，对现有5G的质量和覆盖均有所提升。图2和图3分别是全国18个城市策略运用前后质量和覆盖提升情况。

实施前后，接通率、掉线率、切换成功率、下载速率等5G相关的性能指标也有明显的改善。该套策略实施前后的性能指标改善情况如表9所示：

选取某市商业区域现场测试，该区域共有TDD50个站，156个小区，其中118个宏站小区，38个室分小区;FDD25个站、75个小区、NR网25个站、75个小区。

策略实施后测试效果对比如表10所示：

测试结果如图4所示：

实施前后相关的性能指标对比如表11所示：

从实施前后的效果对比来看，该套策略能够有效改善5G用户的客户感知。

4   结论

本文从NSA组网原理出发，通过分析不同系统的特点，结合中国移动网络的实际情况和需求，总结出一套2G/3G/4G/5G网络间的互操作策略。大量的测试数据和性能统计数据说明，该套策略对现网的质量有较大的提升，为后续5G大规模基站建设、入网后的优化工作提供一定的前提和基础。目前5G建设优先覆盖城区，该项策略只部署在城区，因此缺少其在其他场景下的应用。随着5G网络建设规模的不断扩大，后续研究方向将会考虑进行在农村、乡镇、县城等场景下的策略研究。

参考文献：

[1]    许宏金. 5G革命：新流量时代商业方法论[M]. 北京： 电子工业出版社， 2019.

[2]      项立刚. 5G时代[M]. 北京： 中国人民大学出版社， 2019.

[3]     汪影. 5G+4G网络协同策略探讨[J]. 电信工程技术与标准化， 2019，32（12）： 77-82.

[4]     刘湘梅，熊力，段潇君，等. 4G/5G多网协同与互操作研究[J]. 移动通信， 2019，43（12）： 42-47.

[5]     邓安达，高松涛，程日涛，等. 5G NSA组网技术方案研究[J]. 移动通信， 2019，43（6）： 16-20.

[6]    刘晓峰，孙绍辉，杜忠达，等. 5G无线系统设计与国际标准[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2019.

[7]    杨峰义，张建敏，王海宁，等. 5G网络架构[M]. 北京： 电子工业出版社， 2017.

[8]     3GPP. 3GPP TS 23.501 NR： System Architecture for the 5G System[S]. 2018.

[9]     3GPP. 3GPP TS 38.306 NR： User Equipment （UE） radio access capabilities[S]. 2018.

[10]  3GPP. 3GPP TS 38.304 NR： User Equipment （UE） procedures in idle mode[S]. 2018.

[11]   Erik Dahlman， Stefan Parkvall， Johan Skold， et al. 5G NR標准：下一代无线通信技术[M]. 朱怀松，王剑，刘阳，译. 北京： 机械工业出版社， 2019.