SA组网下4G/5G协同优化策略研究
2021-05-20王兆辉王宇航
魏 芹 王兆辉 王宇航
1.中国移动通信集团江苏有限公司宿迁分公司;2.中国移动通信集团江苏有限公司
0 引言
当前4G网络技术已非常成熟,覆盖全面深入,且现有网络规模庞大,有较大的用户群。因此5G网络建设初期,NSA组网方式是主流架构,NSA以4G作为基础网络,在快速发展推广5G网络的同时,又最大限度地规避了5G技术不成熟带来的风险,并且能够有效加快5G网络建设步伐、节约网络运营成本。
如工业和信息化部原部长苗圩所述:SA由于可运用场景更多,所以有着更大的商用想象空间。NSA仅能支持eMBB业务场景,而SA网络将来还可应用于mMTC以及uRLLC业务,进而整体改变工业生产以及商业运营的管理方式。总体来说,无论5G采用何种组网方式,最终必然会走向SA架构,SA将会是5G发展的最终形态。鉴于现阶段为SA网络建设初期,SA网络暂不支持VoNR语音通话,需要4G网络承载语音业务,在4G网络承载语音平滑过渡到5G网络承载语音业务这个窗口期,SA架构下的4G/5G互操作策略该如何配置,是我们应该重点关注的问题,本文主要针对LTE和SA之间的互操作策略进行研究,并结合现场实际应用效果整理出策略配置建议。
1 4G/5G协同组网架构
为了快速推进5G网络SA组网架构的达成,3GPP组织提出了5G网络与4G核心网网元融合的新型网络架构,该架构被写入到R15协议中。新型网络架构的推出意味着业务、数据、网络将会一体化融合演进,从现阶段4G网络到5G网络的演化过程来看,今后涉及用户签约数据、用户业务数据的融合和用户业务的连续性都应该是4G/5G融合过程中必须要首先考虑的问题。
SA终端有两种注册模式,单注册和双注册,单注册(Single-Registration)指的是UE仅注册在5GC或者仅注册在EPC,UE维护其中单一模式,UE需要同时协调处理EMM和5GMM的状态。双注册(Dual-Registration)指的是UE可以同时注册在EPC侧和NR侧,UE可以独立维护EMM和5GMM的状态。UE可以选择仅注册5GC或EPC,或者同时注册5GC和EPC,UE独立维护5GC和EPC模式。
N26是MME和5GC AMF之间的接口,用于EPC和5GC互操作,N26接口是可选的。N26接口用于NR和LTE移动过程中交换用户的状态信息,同时提供无缝会话连续性(如语音服务)。4G和5G移动性包括了“With N26”和“Without N26”场景。根据运营商的部署策略,互操作流程可以选择使用N26接口,也可以选择不使用N26接口,具体互操作系统架构如图1所示。
2 4G/5G融合组网整体流程
本文仅考虑5G与LTE系统间互操作流程,当UE为RRC_IDLE和RRC_INACTIVE状态时走重选流程,当UE为RRC_CONNECTED状态时走切换或重定向流程。根据UE状态4G与5G移动性管理可分为空闲态移动性管理和连接态移动性管理,具体流程如图2所示。
(1)空闲态移动性包括小区选择及小区重选。
UE驻留某小区后,通过系统消息获取到异系统优先级、重选门限等相关参数。
①UE会持续对高优先级异频或异系统小区测量,如果各方面条件满足,则尝试重选并驻留到高优先级小区。
②对于同低优先级异频或低优先级异系统小区,当UE测量到服务小区信号强度或者质量低于一定门限时,才去测量同/低优先级系统和频点,如果各方面条件满足,则尝试重选过去并驻留到同/低优先级小区。
图1 4G/5G互操作系统架构
图2 4G/5G互操作流程
(2)连接态移动性即LTE与NR之间的切换、重定向、语音EPS FallBack以及Fast Return。
①切换保证数据业务和语音业务的切换功能,实现业务的连续性。
②重定向包括基于测量的重定向和盲重定向功能,当没有N26接口时候,UE可以走重定向流程。
③Voice EPS FallBack,当5G网络不支持IMS Voice时,可将UE切换或重定向到支持IMS Voice的4G网络中以便继续语音呼叫的功能,以保证语音业务的连续性。
④Fast Return功能,当UE进行语音呼叫业务时从5G网络通过EPS FallBack功能到4G网络,语音通话结束后通过Fast Return功能加速返回到5G网络,保证用户的5G业务体验。
3 SA组网架构下4G/5G互操作策略
3.1 SA组网互操作整体策略
(1)当SA终端在4G网络与5G网络之间移动时,涉及系统间的互操作,当UE状态为RRC_IDLE态和RRC_INACTIVE态时走系统间重选的流程。启用SA定向重选功能后,当SA终端在4G释放时,在RRC release消息中的IMMCI信息中携带高优先级的NR频点,使SA UE优先重选到NR小区。
(2)当4G-5G系统间移动UE为RRC_CONNECTED态时走切换或重定向流程,其中系统间的重定向分为盲重定向和基于测量的重定向。在启用SA定向切换功能后,当SA终端接入4G小区时,4G小区主动将用户切换或重定向到支持SA的NR小区。
(3)目前5G VoNR暂未部署,SA终端在5G网络暂不能使用VoNR语音业务。当终端待机在SA网络的UE需要启用语音业务时,采用Voice EPS FallBack 功能回落到4G网络进行语音业务。Voice EPS FallBack是基于业务需求回落4G的功能,回落4G可以通过切换,也可以通过基于测量的重定向或盲重定向方式,整体思路如图3所示。
图3 4G/5G互操作分类简明示意图
3.2 5G SA组网空闲态互操作策略
SA组网架构中空闲态的4G/5G互操作策略是通过对4G/5G网络配置不同的重选优先级,进而使SA终端可以驻留在不同层次的网络。现阶段为了使5G用户更多地占用和使用5G网络,在配置空闲态重选参数时需将5G网络频点的重选优先级设置高于4G网络的重选优先级,当SA终端从5G网络覆盖区域离开,在满足5G服务小区电平低于绝对门限且同时满足目标小区高于低优先级重选绝对门限后,SA终端将从5G高优先级小区重选到4G低优先级小区。当SA终端再次移动到5G网络覆盖区域时,根据配置的重选策略,在满足5G目标小区的电平值高于高优先级重选门限时,SA终端从低优先级的4G小区重选到高优先级的5G小区。
由于5G的SIB5消息中最多携带8个4G频点,根据现网的4G频段应用情况分析,D频段、E频段、F频段以及FDD1800频段已经能够形成一张连续覆盖网络,其中F频段作为托底网络。所以测量频点配置应至少包含4G锚点频点FDD1800、D频段、E频段和F频段,相对应的重选优先级配置原则按照5G高于4G锚点高于其他4G频点设置。为了避免频繁重选的情况出现,网管重选参数配置也要制定相关规则:服务频点低优先级重选门限(5G侧)要低于异系统高优先级重选门限(4G侧),同时为了防止5G终端重选到4G后又很快地重选回5G,需要增加一定的迟滞门限,迟滞门限一般设置为4dB。具体的空闲态优先级配置建议值如表1所示,空闲态参数配置建议值如表2所示。
表1 空闲态优先级配置
重选优先级0-7,数字越大优先级越高,0为最低优先级,7为最高优先级,5G的频点优先级可以在原绝对优先级基础上增加小数点,也就是子优先级,设置更高的优先级可以使终端优先驻留5G网络。
表2 空闲态参数配置
为了验证策略的有效性,通过测试抓取测试终端4G到5G以及5G到4G的空闲态互操作信令流程,可以看出在终端能力等级里,对应可以查询到配置的测量频点信息。
3.3 5G SA组网连接态互操作策略
在SA网络建设初期阶段,受网络规模、建设进度的影响,部分区域的5G网络存在覆盖空洞或弱覆盖的情况。为了保证SA终端业务的连续性,当SA终端移动到5G网络覆盖边缘的时候,可以通过基于覆盖的切换或重定向功能将SA终端切换到4G网络;当SA终端移动到5G网络覆盖较好的区域时,为了保障用户的5G感知,需要将SA终端从4G网络快速迁移到5G网络,现采用的策略是通过基于覆盖的切换或重定向功能,将SA终端从4G网络迁移到5G网络。
4G/5G连接态互操作配置原则:在5G网络感知优于4G网络感知的情况下,要确保SA终端优先驻留在5G网络;而当5G网络感知低于4G网络感知时,SA终端通过切换或重定向策略回落到4G。SA终端在4G网络侧始终测量5G网络信号,只要5G网络体验优于4G网络,立刻触发从4G网络到5G网络的业务迁移。结合4G/5G测试数据以及MR采样分布,通过拟合数据分析,优化4G/5G互操作门限,优化后的连接态的互操作门限及参数设置如表3所示。
表3 连接态4G/5G互操作参数门限
前文做了介绍,SA组网互操作策略应用研究主要分三类,其中4G/5G连接态互操作门限的配置是最重要的一部分。为了验证参数配置的合理性,选取市区网格进行测试验证,验证结果如表4所示,5G时长驻留比、5G覆盖率、5G MAC层下行吞吐量、5G掉线率等指标改善显著。可以证实优化后的连接态互操作参数配置策略可以有效提升5G网络性能,改善用户的5G网络使用感知。
表4 参数验证结果
3.4 5G SA组网语音业务——EPS FallBack
5G网络架构下的语音解决方案有两种:VoNR和EPS FallBack。在SA建网初期阶段,5G网络没有达到连续覆盖,且暂不支持VoNR语音通话,而4G网络优化成熟,覆盖深入,所以初期阶段的语音业务还是Volte,采用EPS FallBack方式来实现。当SA终端占用5G网络启用语音业务时,通过EPS FallBack功能回落到4G网络,通过4G网络承载VoLTE语音服务。目前采用的EPS FallBack策略分为基于盲的重定向和基于切换的重定向两种回落方式。
通过选取市区网格进行拉网和定点测试,经过测试验证,结果如表5所示,基于盲重定向的EPS FallBack策略较基于切换的EPS FallBack测量在时延上要快24%,初期阶段建议配置基于盲重定向的EPS FallBack策略。
表5 EPS FallBack与Fast Return时延定点和拉网测试结果
为了使SA终端尽可能占用5G网络,SA终端通过EPS FallBack回落到4G网络做完语音业务后采用Fast Return的方式返回5G网络,确保用户感知。若4G网络或SA终端不支持Fast Return功能,那么终端在4G侧做完语音业务后会进入到空闲态,然后再通过4G到5G的异系统重选功能回到5G。由于4G到5G异系统重选流程的相对时延比Fast Return要长,现网建议4G网络打开Fast Return功能,确保终端能够迅速回到5G,提升5G驻留比。
4 结束语
SA商用网络已迅速铺开,在VoNR还未正式启用前,4G/5G协同优化互操作策略的深度研究显得尤为重要,本文通过参考3GPP组网协议并结合测试数据分析,通过一系列论证摸索出适用于当前SA组网架构下空闲态、连接态互操作参数配置建议,对后续的SA无线网络优化提供了支撑。