NSA与SA混合组网下4G/5G协同优化应用研究

欧丽玲

（湖南邮电职业技术学院 湖南 长沙 410015）

0 引言

2019年，工业和信息化部正式颁发5G商用牌照。目前，三大运营商均完成了部分的5G网络建设部署，建设初期受限于当时的技术成熟度和手机终端条件，5G基站均采用非独立组网（Non-Standalone，NSA）模式，而独立组网（Standalone，SA）能够更好地满足5G低时延、高传输可靠性的需求。5G作为一代全新的移动通信技术和关键的信息通信基础设施，将深入到社会经济的方方面面，因此在非独立组网NSA和独立组网SA混合组网模式下，4G/5G网络的协同优化也变得越来越重要。

1 5G组网方式

1.1 5G组网方案

从移动通信技术发展规律来看，5G技术和产业链的发展成熟需要一个长期的过程，因此4G网络与5G网络存在长期共存、协同发展的情景。国际标准组织提出了多种5G与4G的互操作方案，5G组网方案总体来说可区分为独立组网（SA）和非独立组网（NSA）两大类[1]。独立组网SA需要建设单独的5G核心网络和5G新基站，5G业务流在5G基站的直接控制下接入5G核心网，基本完成5G网络无线覆盖，完全实现5G网络的所有特性和功能。而非独立组网NSA方式则是融合现在4G基站和网络架构部署的5G网络，5G业务流借助4G基站的控制，接入4G核心网或5G核心网。NSA非独立组网方式在原有4G核心网上升级，使4G核心网具有5G核心网的功能。在5G部署的最早期阶段，5G仅仅作为4G无线宽带的补充，分担4G网络的流量，无法支持5G的功能和业务，因此5G独立组网（SA）的标准化比非独立组网（NSA）足足慢了半年之久[2]。

1.2 NSA组网和SA组网的优、劣势

1.2.1 NSA组网方式的优势

（1）NSA组网主要面向增强移动带宽业务，其下行峰值速率与较独立组网SA相当。

（2）NSA组网能够有效利用4G网络进行流量分流，节约网络建设成本投入；NSA组网可以利用现有的设备，节省投资快速部署5G网络。

（3）NSA组网模式下，因为采用4G与5G连接方式，可以实现5G单站覆盖范围的扩大，在覆盖范围层面，可以实现连续、不间断的覆盖[3]。

1.2.2 NSA组网方式的劣势

（1）NSA组网无法满足垂直行业的5G差异化业务需求，不支持5G网络切片；现有的4G核心网络架构无法满足5G对于低时延和高传输可靠性的要求，无法支持某些5G新业务、新能力；同时NSA组网在网络时延、业务部署敏捷性和服务可靠性上，会远低于SA组网。

（2）NSA组网将4G、5G绑定，5G和4G在接入网级互通更加复杂，虽然利用了旧的4G设备，但是组网和运营成本也大大的增加。

（3）在NSA组网下，终端需要支持LTE和NR双连接，终端成本也会更高。

1.2.3 SA组网的优、劣势

（1）SA组网能够满足更高要求的5G服务，不局限于增强移动带宽服务；上行速率极大地高于NSA非独立组网方式。

（2）相比较于NSA组网，SA组网可以更加灵活的分配网络切片服务等。

（3）SA组网是面向未来的网络架构，支持的业务更加丰富，无线组网也相对更加简单。

（4）SA组网的安全和开放功能更强，具有更强的加密算法、网间互联和更安全的用户数据，可全面实现网络安全防护。

（5）SA组网需要重新建设5G基站和后端5G网络，其建立网络机构的资本消耗和成本开支更高，周期也较非独立组网NSA更长。

非独立组网NSA和独立组网SA有着各自的优劣势，也有着各自的待完善的地方。运营商需要从实际情况出发，根据网络升级需求、技术方案的成熟性、终端产业链状况、建设成本、应用场景等多角度配置非独立组网NSA或者独立组网SA模式，兼容两种组网方式的优势，科学合理确定自身的5G组网方案，减少独立组网时的不足，这对于5G网络建设有着很大的意义[4]。

2 5G的组网架构

对于5G的网络架构，3GPP的定义是：5G是用于新的应用案例或更新旧的应用案例，可以在任何合适的网络上进行部署[5]。5G网络沿用传统的网络架构，网络分为无线接入网和核心网；而5G网络架构中无线接入网和核心网分别有两种不同的选择，因此，5G的组网架构指的是5G无线接入网和核心网的不同组合。无线接入网和核心网不同的组合方式，对应到不同的组网选项[6]。在3GPP的协议架构中，提出了8种组网选项，这8种组网选项分为独立组网（SA）和非独立组网（NSA）两大类。根据核心网和无线接入网的不同选择，组网选项1、2、5、6是独立组网SA，组网选项3、4、7、8是非独立组网NSA，非独立组网选项3、4、7还有不同的子选项，如图1所示。在这些组网选项中，选项1已经在4G网络中实现，选项6和选项8仅仅是理论存在的部署场景，不具有实际的部署价值，这两个选项3GPP并未考虑对其进行标准化。独立组网SA和非独立组网NSA是针对不同阶段和不同层次运营商的5G业务需求而设计的[7]。

2.1 选项1

选项1是目前4G的部署方式，由4G网络的4G核心网和4G基站组成，属于纯4G网络的组网架构。

2.2 选项2

选项2是5G网络部署的最终目标和终极形态之一，完全由5G基站和5G核心网组成，可以支持5G的所有应用和业务。选项2的核心网和基站需要全部更新，使用新的设备和技术来完成部署。选项2虽然架构简单，但是需要新建大量的基站和核心网，部署消耗巨大，建设周期长，很难一步完成，需要进行网络架构演进。

2.3 选项3系列

选项3首先演进无线接入网，同时升级4G核心网部分功能，该系列的基站连接的核心网都是4G核心网。选项3包括3种模式，即选项3、选项3a和选项3x，如图2所示。

选项3：所有的控制面信令都经由4G基站eNB转发， 用户面数据在4G基站eNB处分流，4G基站eNB将数据分流给5G基站gNB；在这个选项中，4G基站eNB既要负责控制面信令，又要负责用户面数据。选项3a：所有的控制面信令都经由4G基站eNB转发，用户面数据在4G核心网EPC侧分流，4G核心网EPC将数据分流至5G基站gNB。选项3x：所有的控制面信令仍然由4G基站eNB转发，用户面数据在5G基站gNB处分流，5G基站gNB可将数据分流至4G基站eNB。

此场景以4G基站eNB为主基站，所有的控制面信令都经由4G基站eNB转发，控制面锚点都在4G基站eNB。选项3可以最大程度利用现有的4G网络，连接4G核心网，对原有的网络改动小，网络建设投资小，周期短。

2.4 选项4

选项4同时加入了5G核心网NGC和5G基站gNB。核心网采用5G核心网NGC，4G基站eNB和5G基站gNB都连接至5G核心网NGC。选项4也包含两种模式：选项4和选项4a，如图3所示。

选项4：所有的控制面信令都经由5G基站gNB转发， 5G基站gNB将用户面数据分流给4G基站eNB。选项4a：所有的控制面信令都经由5G基站gNB转发，5G核心网NGC将用户面数据分流至4G基站eNB。

与选项3不同，此场景以5G基站gNB为主基站，控制面锚点都在5G基站gNB。选项4主要用于5G网络部署的中后期，4G网络在局部区域作为补充，而5G网络能部署在热点区域，增加整个网络系统的容量和提高吞吐量。

2.5 选项5

选项5部署了5G的核心网NGC，4G基站eNB连接至5G核心网NGC。选项5的4G基站eNB与5G基站gNB相比，在性能上存在很大差异，因此，选项5组网架构前景不容乐观。

2.6 选项6

选项6首先部署了5G的无线接入网，但暂时采用了4G的核心网EPC，5G基站gNB连接至4G的核心网EPC。此场景会限制5G网络的部分功能，如网络切片等。3GPP 已经在标准中放弃这种配置。

2.7 选项7系列

选项7与选项3类似，区别在于同时部署了5G基站gNB和5G核心网NGC，但选项7仍然以4G基站eNB为主基站。选项3系列中的4G核心网EPC改为5G核心网NGC，其他的结构不变。所有的控制面信令还是都经由4G基站eNB转发。选项7包含3种模式:选项7、选项7a和选项7x，如图4所示。

选项7：所有的控制面信令都经由4G基站eNB转发， 用户面数据在4G基站eNB处分流，4G基站eNB将数据分流给5G基站gNB。选项7a：所有的控制面信令都经由4G基站eNB转发，用户面数据在5G核心网NGC侧分流，5G核心网NGC将数据分流至5G基站gNB。选项7x：所有的控制面信令都经由4G基站eNB转发，用户面数据在5G基站gNB处分流，5G基站gNB可将数据分流至4G基站eNB。

3 NSA与SA混合组网下，4G/5G协同优化建议措施

3.1 合理选择组网方式，不断积累维护管理经验

随着5G基站和5G核心网NGC的逐步建设，提升了5G网络的高速率、低时延后，用户也会对4G网络的性能怀着更高的期望；因此在NSA与SA混合组网下，4G网络与5G网络协同发展，处于长期共存的状态，对4G网络的性能也需要不断加强，同时不断推动5G技术的快速发展，以适应未来网络业务的高度多样性和差异性，为未来5G网络技术的运行维护管理不断的积累经验，奠定基础[8]。

在5G建设初期，信令面仍在4G网络，而5G网络在用户面表现为4G的辅载波，因此在优化过程中需要聚焦4G信令新增字段、5G的新增字段、新增能力进行业务行为分析。

3.2 提升用户使用体验和网络服务水平

NSA与SA混合组网下，5G覆盖初期为非全覆盖，速率是5G网络相对4G网络的最大优势、也是最为突出的用户感知。在5G网络速率感知优化工作中，要从NSA边缘区域性能与体验提升入手，基于现阶段5G网络点覆盖、小连片覆盖为主的特点，对5G网络边缘、以及4G侧NSA小区切换对速率感知的影响进行研究，降低用户对速率差异的感知。

运营商也可以根据不同的区域特点，进行产业、行业和场景选择，确定哪个场景更加具有刚性需求，同时注重商业模式的开发，设计4G和5G融合业务，实现用户的一致性体验，提升用户体验和网络效率，提升网络的服务水平。

3.3 协调4G、5G的互操作功能

NSA与SA混合组网下，由于5G初期网络覆盖范围的有限性，与4G网络的互操作过程也会频繁触发，因此需要对4G、5G的互操作过程中的相关信令流程、异常现象差异、终端行为等进行研究[9]。NSA与SA混合组网下，4G、5G双网仍然存在大量的网络差异覆盖边缘，因此需要对更复杂、更频繁的覆盖要求低而网间互操作类的功能性问题进行探究。5G网络标准中，需要为大规模物联网业务、低时延高可靠连接业务以及超高清移动宽带等应用提供服务和支持，因此在4G、5G协同优化过程中，需要结合各大品牌终端的网络侧参数设置，尽可能完全覆盖各类使用场景、产业行业以及终端的型号，使得用户在使用的过程中更加稳定。

此外，4G现行网络中的部分有效功能和应用在5G网络技术中可能不能够使用，针对此类情况需要分别针对4G网络和5G网络双边制定相关功能策略。对于4G网络和5G网络的协同优化建设中，5G网络的发展过程中需要对4G网络系统进行兼容和运行，能够继续发展4G语音功能，协调4G、5G的互操作功能；在保障用户感知、用户需求、网络效率、网络质量的基础上，保障4G网络用户向5G网络用户的平滑发展更新。

4 结语

本文从5G组网方案和5G组网架构出发，分析了5G的组网架构选项，同时分析了独立组网SA与非独立组网NSA的特点，并对SA组网和NSA非组网的优劣势进行了对比。由于5G网络在业务需求、业务体验、关键指标、应用场景、智能化配置、关键技术等方面跟以往的通信网络相比，都将出现极大的挑战和创新性发展，因此本文提出在NSA与SA混合组网下4G/5G协同优化的建议，促进4G网络向5G网络顺利平滑过渡。