由NSA切换SA混合组网下的5G优化*

陈宝民

（北京市合力电信有限公司，北京 102699）

0 引言

2019年6月5G运营牌照的正式发布，标志着5G商用时代的正式到来。5G将给人们的生活工作带来极大变化，其极具优势的数据传输速度可以满足不同领域之间的场景合并[1]。但是5G的建设过程不同于3G升级到4G，也不是核心网、无线接入网的同步升级，而是进行拆分部署为非独立组网（No-Standalone，NSA）和独立组网（Standalone，SA）。总的来看，我国目前已经走上先部署NSA再演变为SA这一发展路径。NSA网络部署方案，可以有效节省不必要的成本投入，并为5G用户迅速占领市场提供先行条件[2]。而NSA与SA网络共存，能够满足不同终端与不同用户的差异化需求。在5G时代，NSA与SA这两者的区别表现在哪里，5G运营商又应如何选择？本文针对这些问题，将就NSA与SA混合组网下的切换技术展开研究讨论，并结合实际案例做测试分析。

1 关键技术概述

1.1 NSA技术

NSA作为5G网络的必然发展路径，其非独立组网的架构与4G网络密切相关，因此可以在4G网络的基础上建设5G，是一种成功融合4G与5G的组网方式，即在4G基站锚定5G控制信令，经4G基站成功接入共用4G核心网（Evolved Packet Core，EPC）、5G核心网（5G Core，5GC）、5G空口载波，但是仅仅可以承载用户数据，NSA依然依赖4G网络业务控制。NSA方案要求4G和5G基站的厂家相同，并且终端支持双连接长期演进技术（Long Term Evolution，LTE）与新空口（New Radio，NR）两类无线接入技术，因此，如今的5G商用服务依然停留于标准Rel-15 NSA模式[3]。NSA组网架构如图1所示，图中的Option3x对于存量站点影响较小，又支持灵活分流方式，因此广受客户欢迎。2019年国内运营商采用NSA组网聚焦增强移动宽带（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）场景，由于核心网继续使用共用4G核心网（Evolved Packet Core，EPC），因此可以很好地满足早期5G快速部署需求。

图1 NSA组网架构

1.2 SA技术

SA组网方案是完全独立存在的5G网络架构。利用SA组网，5G NR能够直接与5GC接入，不依赖4G网络控制信令，即经核心网互操作能够协同4G和5G。SA网络所支持的3大应用场景，分别是eMBB、海量机器类通信（massive Machine Type of Communication，mMTC）、高可靠和低延迟通信（Ultra-reliable and Low Latency Communications，URLLC）。在SA组网中除了核心网网络节点（Mobility Management Entity，MME）升级支持N26接口，基站仅需较少升级（增加4G切换5G相关参数），4G和5G基站可以厂家组网，无须终端双连接。SA作为发展5G网络的目标网，将新核心（New Core）引入核心网，并依据国内网络建设技术演进，以Option3x作为初期NSA方案的首选，之后可以优选Option2作为SA方案[4]。SA组网架构如图2所示，图中Option2架构设计端到端的5G网络架构，在无线新空口、终端和核心网均运用5G标准，Option2架构涵盖核心网5G基站（gNodeB，5G）、5GC、用户设备（User Equipment，UE）。NG接口可以连接5GC与gNodeB，经Xn接口连接gNodeB和UE。

图2 SA组网架构

1.3 NSA/SA混合组网

考虑到运营商5G网络部署及演进趋势，部分情境下运营商应当布设NSA/SA混合组网，此时就应当以公共陆地移动网（Public Land Mobile Network，PLMN）粒度为依据，在基站范围内设计NSA/SA混合组网。核心网应当以支持NSA/SA签约为条件，满足NSA非独立组网和SA独立组网双方共存[5]。NSA/SA混合组网架构如图3所示。在该架构中，在SA小区基础上又存在NSA小区的重叠覆盖区域，那么这一区域就作为NSA/SA同频小区，在NSA/SA混合组网中可以双模终端支持接入NSA与SA两大网络。

图3 NSA/SA混合组网架构

NSA、SA二者之间的连接态互操作主要包括切换、重定向这两种方式。对于跨系统连接态互操作来说，一般情况下运营商会选择经EPC MME、5GC 认证管理功能（AuthenticationManagementFunct ion，AMF）部署N26接口方案。N26接口可以在连接态互操作过程中，满足源网络和目标网络移动性管理状态传送，还可以实现会话管理状态传送，所以运营商通过部署N26接口，仅需单注册模式运行UE，网络可以保持UE的一种可用移动性管理状态，从而确保用户无缝业务及通话连续性。然而，如果部署N26接口互操作方案，一旦业务中断可能会造成约100 ms量级时延，但是未设计N26接口互操作方案时，如果发生业务中断则会导致1 s量级时延[6]。

2 NSA与SA混合组网连接态切换技术流程

本节分析了5G双模网络架构共存条件下，5G中断在NSA、SA重叠覆盖区域内，即NSA/SA混合组网的连接态切换流程。在NSA组网结构中，因为主要通过LTE核心网MME来传输控制信令，在NSA和SA之间的数据业务互操作，和SA与LTE互操作密切关联，在连接态UE移动到NSA/SA混合组网时，在混合组网覆盖边界就会形成NSA和SA之间的连接态跨区域切换[7]。

2.1 SA向NSA切换

3GPP R15协议可以支持NR、LTE互操作，在SA向NSA切换时，需要先完成NR切换至LTE，之后将NSA辅载波加入后即可成功切换。具体流程应当在SA小区内，5GC锚定SA控制信令，UE作为连接态经SA向NSA两小区移动时，对于超出SA覆盖区域的UE，同时要和4G系统测量，如果5G邻区并不存在，就会自动触发异系统切换LTE，直至成功切换后恢复业务。

2.2 NSA向SA切换

UE由NSA区域向SA区域移动，假若存在数据业务承载，那么就会触发业务异系统测量，NSA锚点站也能够以UE的移动性与配置移动策略，为UE下发测量配置信息，经无线资源控制（Connection Reconflgruation，RRC）消息携带下发。在实际测量模式中，可以根据测量事件所上报相关测量报告，成功获取区域信号质量状态。在UE成功接收由NSA锚点站所下发的4G基站（eNodeB，eNB）测量配置相关信息后，即可根据测量配置执行实际测量工作。确定信息上报条件相符，即可向eNB上报UE测量报告，在eNB成功接收一事件测量报告后，下发二事件测量报告，依据NR频点由高至低的优先级，完成异系统双事件的测量排序。在测量至NR小区后，假如UE处于NSA状态，需要删除NR辅助载波，即可成功将LTE的UE切换为NR[8]。

3 NSA与SA混合组网演进方式

就目前来看，NSA向SA演进方式主要包括全SA组网、NSA+SA分区组网、全NSA/SA双模组网和NSA/SA+SA混合组网4种情况，接下来将进行分析说明。

3.1 全SA组网

通过改造原本NSA区域，可以新建5G核心网，在5G基站内与4G断开连接，上联5G核心网成功升级SA网络。新建5G区域经SA组网建设，可以达到全SA组网架构建设目标。在这种一步到位的推进方式中，因为存在前期NSA终端，在后续网络推进过程中仅可应用4G网，导致5G网无法正常使用，所以此种演进方式不可取。

3.2 NSA+SA分区组网

结合上述分析，在NSA切换至SA时，并不需要改造原本的NSA部署区域，在维持原样的基础上，可以设计对后建5G区域选用SA组网架构建设即可。这样的演进方式要求终端可以依据网络自适应能力选择不同网络中的不同终端驻留，会对用户的直接体验产生影响。这种组网方案需要注意有效避免插花式部署NSA、SA结构的情况。在这种组网方案下，规定NSA网络内支持NSA终端使用5G网络，在SA网络内不允许使用，因此此种演进方式也不可取。

3.3 全NSA/SA双模组网

设计全网均为NSA/SA双模组网，在原本NSA区域内升级组建NSA/SA双模，并且在新建区域内也可建设NSA/SA双模组网。终端经自适应选择网络，可以在终端拥有SA能力下优先选择SA组网。因为全网区域内均具备NSA、SA能力，所以全网内NSA终端均可享受5G网络，只要终端具备SA能力，那么全网均可支持3种应用场景。

通过全网设计NSA/SA双模组网的方式，可以要求4G和5G同步配合。在NSA网络向NSA/SA组网演变中，除了不改变原本的NSA网络接口的连续性，还要构建核心网NG接口。与此同时，运营商还要具备NSA网络系统和SA系统，这样会造成两大组网更加复杂，因此就要对NSA和SA网络密切监控。在网络升级中还要兼顾4G和5G同步升级。NSA/SA双模组网中不管是本网用户还是共享用户，都能够获得最佳体验。

3.4 NSA/SA+SA混合组网

通过在NSA区域的基础上升级构建NSA/SA双模组网架构，能够在5G区域内建设SA组网，这种混合组网架构方案允许NSA网络中的用户同样可以应用5G网络。

3.5 网络覆盖测试对比

结合我国现阶段的运营商情况，在上述4种NSA/SA组网架构运营方式中，可以选用NSA/SA双模组网架构方式，从而使用户获得良好的5G使用体验。在NSA演进至SA网络的过程中，以目前混合组网的建构形式与投资现状，电联的NSA/SA双模组网架构网络已经基本上可以实现终端自适应，此外，通过设计NSA/SA混合组网模式，可以保证同区域内允许不同网络接入。以某电务工程机械修配厂附近的光明小区为例，设有18 m增高架，经前期查明3个小区的方位角，分别为0°，120°，240°，均为1°下倾角，对NSA/SA混合组网进行测试。

3.5.1 速率测试对比

对区域内NSA与SA混合组网的速率进行测试，比较其在不同业务、不同定点的平均参考信号接收功率（Reference Signal Receiving Power，RSRP）、平均信号与干扰加噪声比（Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR）和平均速率，测试结果如表1所示。由表1可知，SA在中点达到的上传速率超出NSA将近一倍，二者的下载速率整体上不存在较大差异。

表1 速率测试结果

3.5.2 时延测试对比

本节针对NSA和SA混合组网进行了对比网络实验。本次测试原理主要利用Ping时延，得到两端之间的传输KPI值，主要经测试设备发出Ping request获得服务器对应Ping reply往返时延。总时延Ping reply减去Ping request之后，可以隔离大时延引入节点，基于UDP的数据传输协议（UDP-based Data Transfer Protocol，UDT）跟踪或抓包文件确认。测试结果发现NSA和SA组网达到的单向空口时延平均值分别为3.75 ms和2.83 ms，端到端时延分别为13.21 ms和7.25 ms，这证明NSA/SA混合组网已经能够达到较好的网络自适应效果，尤其SA已经可以在上传下载的速率和时延业务中达到标准要求。

4 优化切换技术

4.1 优化切换流程

通过运用已更新的3GPP R16协议，在原有基础上进一步优化了NR以4G为主节点，5G为辅节点的双连接（UTRA-NR Dual Connection，EN-DC）的混合组网切换场景，在UE能力中新增从SA切换至NSA这一指示，gNB能够达到SA向NSA切换的具体指示要求，并在准备切换中将携带支持NSA的NR候选区提供给eNB。之后eNB即可以候选区为依据选择性添加SN，成功生成NR配置和相应的密钥单元，再向eNB发送切换准备信息，从而能够向连接态发起空口重配信息，直至终端成功获得重配消息后，即可携带SCG切换准备配置信息，最终添加双连接。

4.2 技术实现

在NSA和SA混合组网中，UE作为连接态性能指标，能够根据UE在切换中的面速率具体变化情况，判断NSA和SA混合组网的切换性能。还要统计控制面板内的切换时延，以及用户面的切换时延，这样才能够综合评估。因为优化采用R16协议，在NSA/SA混合组网中添加辅载波，这样能够在NR向LTE切换前期，保持更平稳的NSA/SA混合组网切换业务速率。这一新协议优化用于NSA/SA混合组网切换技术中，能够为5G终端用户带来更好的使用体验。当然也由于NSA/SA混合组网结构的复杂性，需要在后续网络技术优化中，增加相关运维人员优化网络的操作难度。

5 结语

本文通过研究NSA和SA混合组网架构下的切换技术，分析可知可以经运营商同步部署NSA/SA混合组网，实现5G网络由NSA非独立组网切换至SA独立组网。在混合组网架构中，分区域部署两大网络可以实现双模终端的可兼容性，保证了5G用户可以在NSA/SA混合组网覆盖区域，获得良好的双模终端应用体验。本文结合实例通过应用3GPP R16协议，实现了NSA和SA混合组网切换技术的进一步优化，R16添加辅载波SN的操作准备会在NR切换至LTE之前发生，保证NSA切换至SA时的业务速率更平缓，对比R15预计可以减少切换时延500 ms。