5G 超密集异构网络双连接技术架构设计

董春利

（南京交通职业技术学院 电子信息工程学院，江苏 南京 211188）

0 引 言

根据双连接（Dual Connectivity，DC）技术的定义可知，用户设备（User Equipment，UE）可以同时连接到2 个基站，并使用不同的接入技术[1]。第三代合作伙伴计划（the 3rd Generation Partner Project，3GPP）在R15 版本中解释了各种DC 架构，包括独立式架构和非独立式架构，并在5G 超密集异构网络（Heterogeneous Network，HetNet）中实现[2]。

1 DC 技术在5G 超密集HetNet 中的应用

在5G 超密集HetNet 中，UE 可以同时连接到5G新空口（New Radio，NR）和4G LTE-A核心网（Long Term Evolution-Advanced Evolved Packet Core，LTE-A EPC）[3]。DC 具有数据速率高、可靠性高、频谱效率高等优势，可以更好地平衡负载，且能够与4G LTE-A 基础设施兼容。在5G 超密集HetNet 中，使用DC 的唯一缺点是会增加射频（Radio Frequency，RF）信号的复杂性。DC 技术在5G 超密集HetNet 中的应用如图1 所示。

图1 DC 技术在5G 超密集HetNet 中的应用

图1 给出了3 种不同的应用场景。在场景1 中，UE 仅由宏蜂窝提供服务，因为其附近没有可用的小蜂窝。场景2 是DC 的完美示例，HetNet 会向UE 提供双重数据流，使UE 可以同时连接到宏蜂窝和小蜂窝，以提高峰值数据速率，但宏蜂窝和小蜂窝使用不同的频带。场景3 中，UE 仅由小蜂窝提供服务。由此可知，DC 是实现高吞吐量和更好频谱效率的最佳选择。

2 5G 非独立接入架构

尽管3GPP 的R15 为5G 网络系统的开发提供了不同的设计方案，但最合适的是非独立接入（Non-Standalone Access，NSA）架构。在现有4G 长期演进（Long Term Evolution，LTE）基础设施中启用5G承载，以加速向5G 的转变。NSA 体系结构是DC 的扩展形式，即EN-DC[4]。EN-DC 将4G LTE-A 的演进型基站（evolved Node B，eNB）作为主基站（Master eNB，MeNB），将下一代基站（next generation Node B，gNB）作为次要基站（Secondary gNB，SgNB），同时为UE 服务。EN-DC 适用于5G 超密集HetNet，因为MeNB 在LTE-A EPC 基础设施上运行，而SgNB可以使用5G 无线接入网信道的NR。5G EN-DC NSA架构如图2 所示。

图2 5G EN-DC NSA 架构

由图2 可知，UE 可以通过4 种不同的配置连接到服务网关（Serving GateWay，S-GW）。第一，主小区组（Master Cell Group，MCG）承载。在配置中，信息从S-GW 发送到MeNB，而MeNB 直接将信息转发到UE。由于SgNB 不参与该过程，DC 无法实现。第二，MCG 拆分承载。在MCG 拆分承载配置时，MeNB 处会发生拆分承载。数据传输流不仅会从MeNB 直接发送到UE，还会通过SgNB 进行发送。MeNB 接收到的信息可以分为2 个部分，一部分直接传输给UE，另一部分传递给SgNB，且SgNB向UE 发送该信息。第三，辅小区蜂窝组（Secondary Cell Group，SCG）承载。与MCG 承载配置类似，SCG 承载配置不使用拆分承载方法，而是数据直接从S-GW 发送到SgNB，再发送到UE。在该特定配置中，UE 由5G NR 接入提供服务。第四，SCG 拆分承载。在该配置中，数据传输分为SgNB 和MeNB这2 种方式，但大部分数据是由SgNB 传输的。

实现NSA 架构的主要目标是启用5G EN-DC 和现有LTE 系统中的DC。NSA 架构可以结合下一代5G 网络系统与现有4G 网络，从而更快地推出使用。

3 5G 独立接入架构

独立接入（Standalone Access，SA）架构是5G NR 接入的主要部署场景，UE 直接连接到gNB，且gNB 与5G 核心网连接。因此，需要建立一个新的核心网，而非LTE-A EPC 核心网。5G NR SA 技术要求将4G 无线接入网完全升级为NR 接入，并将LTE-A EPC 基础设施升级为新的5G 核心网基础设施，才能开始提供服务。5G SA 架构是一个全新升级的核心网系统，eNB 被增强为gNB，5G 核心网取代了LTE-A EPC 核心网。因此，5G SA 有望成为一个具有NR 接入的智能架构，提高终端用户的服务质量（Quality of Service，QoS）。

4 基于DC 的切换程序设计

切换是移动通信网络保持业务连续性的一项重要功能。5G 超密集HetNet 中的DC 切换，是对传统移动网络切换的进一步优化和发展，是保持DC 的重要步骤。

在设计5G 超密集HetNet 的DC 过程中，可以预测2 种不同的切换场景。第一种是当UE 在4G LTE-A 系统中从旧的MeNB 移动到新的MeNB 时；第二种是当UE 在2 个小蜂窝之间进行切换时，即从现有SgNB 切换到新的SgNB。由于小蜂窝具有超密集部署和覆盖区域有限等特点，小蜂窝之间会发生频繁切换，而MeNB 保持正常连接。在LTE-A EPC 和5G 超密集HetNet 中，参考信号接收功率（Reference Signal Received Power，RSRP）在切换过程中发挥着重要作用。如果新SgNB 的RSRP 值高于连接的SgNB，UE 会进行切换；反之，则连接保持不变[5]。5G 超密集HetNet 中DC 的切换过程如图3 所示。

图3 5G 超密集HetNet 中DC 的切换过程

UE同时连接到LTE MeNB和5G SgNB（小蜂窝1）。首先，UE 从小蜂窝1 移至小蜂窝2 时，MeNB 会向小蜂窝2 发送报警消息，通知其有新的UE 到达。其次，当UE 到达小蜂窝2 附近时，会接收来自小蜂窝2 的导频信号。最后，小蜂窝2 向MeNB 发送请求信号，以触发切换过程。在切换过程中，MeNB 会检查UE 在小蜂窝2 的RSRP 值，如果UE 在小蜂窝2 处的RSRP 值高于小蜂窝1，则切换过程开始。在此过程中，UE 会连续接收2 个数据流，一个来自MeNB，另一个来自SgNB。UE 从小蜂窝2 移动到小蜂窝3时的切换过程与UE 从小蜂窝1 移至小蜂窝2 的切换过程相同。

文献[6]详细介绍了5G 超密集HetNet 在DC 过程中使用的切换程序。文章设计的5G 超密集HetNet新的MeNB 控制的DC 切换步骤包括以下几步。第一步，UE 生成无线资源控制（Radio Resource Control，RRC）测量报告，并发送给现有的LTE MeNB。第二步，MeNB 接收RRC 报告，并比较RSRP 值。如果相邻SgNB 的RSRP 值高于现有SgNB，则将其传递给MCG 和SCG 移动性管理组。第三步，发生切换时，MCG 和SCG 检查相邻的SeNB 和现有的SeNB 参数。如果相邻的SeNB 与新的MeNB 连接，则向新的MeNB 发送确认请求。第四步，向新的MeNB 发送切换请求消息，如关于载波频率的所有信息。第五步，发送并确认新的MeNB 消息，开始切换过程。第六步，通过旧的MeNB 向UE 发送重新连接配置消息，UE准备切换LTE-A 和5G NR 链路。第七步，MCG 移动组释放现有的SgNB。第八步，S-GW 和MME 切换数据传输，从旧的MeNB 切换到新的MeNB。第九步，MeNB 释放UE 上下文并转移到新的MeNB。第十步，现有的SeNB 释放UE 上下文，并将其传输给相邻的SeNB。第十一步，生成LTE-A RRC测量报告，并发送给新的MeNB。至此，切换过程完成，数据流从新连接的SgNB 开始传输。

5 结 论

DC 是5G 网络中最先进的技术，弥补了NR 部署存在的一些问题，且UE 可以同时连接到2 个基站。然而该技术使无缝切换变得更加复杂，尤其是在2 种不同网络类型之间切换时，因此需要采用高效且有效的切换决策算法来管理移动性并实现目标。同时，传统的基于反应式的模型必须过渡到主动式数据驱动模型。未来，相关研究者需要深入研究并分析多连接、协作切换、机器学习以及软件定义网络等内容，以提高切换管理的稳定性。