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2020/6/4 14:43

多模共存的5G网络部署关键问题探讨

移动Labs  肖子玉

Labs 导读

全球主要运营商普遍计划在2020年规模商用5G。在此背景下,本文结合5G技术和产业进展,分析了运营商5G商用部署模式,NSA/SA多模场景共存的网络发展和演进思路,多模场景下用户签约策略、切换模式和跨运营商漫游场景。

1 5G商用部署模式

3GPP 5G标准R15版本聚焦提供eMBB业务,主要定义了 5G 全新网络架构,包括网络切片、服务化架构、边缘计算架构、移动性管理、会话管理分离和基于流粒度的QoS设计等。R15定义了与网络部署相关的三大网络架构:基于4G核心网(EPC)的LTE-NR双连接架构(R15 NR NSA)、基于5G核心网(5GC)的独立组网架构(R15 NR SA)和基于5GC的NR-LTE/LTE-NR双连接架构(R15 Late Drop)。R15 NR NSA和R15 NR SA标准均已于2017年12月和2018年6月冻结。R15 Late Drop版本已于2019年3月冻结。

3GPP 5G标准R16版本聚焦提供垂直行业应用(uRLLC和mIoT),在R15基础上进行功能增强,包括 ETSUN、V2X和uRLLC 等。R16标准预计于2020年3月冻结。

1.2 各运营商5G部署模式

目前R15 NR NSA和R15 NR SA架构是标准及产业成熟度较高的两种架构,如图1所示。其中NSA架构采用4G EPC增强控制5G NR支撑终端双连接。SA架构采用全新5G服务化核心网架构,目前尚无商用案例。

现阶段运营商已商用的5G网络主要采用NSA技术架构,如韩国三大运营商SKT、Kt和LG U+已于2019年4月商用5G,提供娱乐和游戏类eMBB业务,使用3.5GHz频率和28GHz进行网络覆盖。韩国5G目标网络架构为NSA 3x方案,通过用户终端双连接方式接入LTE eNode B基站和5G NR基站,实现增强型移动互联网大带宽能力。该方案的优势是保持5G先发优势,建网初期在5G覆盖不足的情况下,可充分发挥4G/5G协同优势,LTE基站保证用户流量的承载。美国运营商5G初期也采用NSA架构,聚焦毫米波和eMBB业务,如AT&T企业已在22城市部分地区商用5G,使用39GHz频段覆盖,主要提供热点高速接入业务。英国第一大运营商EE也于2019年5月30日采用NSA架构商用5G。

图1  R15 NR NSA和R15 NR SA技术架构示意图

随着5G商用牌照的发放,中国运营商于2019年10月开始5G商用。中国移动采用NSA/SA双模架构,基于4G EPC核心网部署5G NSA网络;同时面向垂直行业进行5G SA预商用,推进SA架构5G核心网成熟商用。

2 NSA、SA共存下的网络演进与发展

2.1 5G网络建网模式分析

从运营商5G网络部署和演进趋势来看,将存在如下3种5G网络部署场景。

场景1:采用NSA方式建设5G网络,NSA或SA为目标架构。目前已商用的5G网络基本属于此场景,如韩国运营商。NSA是目前端到端方案最成熟的,因此适用于快速部署,满足个人移动用户大带宽业务的需求。

场景2:采用SA方式建设5G网络,目标都是在2020年及以后规模商用。SA架构目前产业链不十分成熟,终端除HUAWEI外均在2019年年底后方支撑,因此目前尚无已商用的案例。日本运营商规划采用此方式建设5G网络。

场景3:采用NSA和SA双模方式,通过NSA快速商用,面向个人移动用户,提供大带宽的eMBB接入能力。同时探索5G SA网络建设模式,推动SA技术架构的成熟,面向垂直行业的应用及NSA向SA的演进。中国移动将采用这种方式。

上述场景1和场景3均可能出现多模共存的情况。

2.2 多模场景的网络发展与演进

NSA/SA双模场景下需考虑NSA向SA的演进。

2.2.1 核心网演进方式

方式1:对于NSA核心网基于传统EPC网络升级而来的情况,向SA演进时,可将用户数据和策略数据逐步迁移至云化4G/5G融合数据网元的基础上,由新建的SA核心网(虚拟化网络)逐渐替代。

方式2:对于NSA核心网基于虚拟化EPC网络升级而来的情况,向SA演进时,考虑初期SA产业成熟度不足,初期仍采用新建虚拟化SA核心网方式,后续逐渐将虚拟化SA和NSA核心网演进为4G/5G融合核心网。

2.2.2 无线覆盖方式

无线覆盖也存在两种选择,如图2所示。一是同区域覆盖,即5G NR 既支撑NSA EPC+核心网接入,同时又支撑5G SA核心网的接入,无线同覆盖区。另一种是分区域覆盖,即NSA和SA的5G NR覆盖不同区域。当采用无线同区域覆盖时,同一个5G NR需要同时接入NSA EPC+核心网和SA 5GC核心网。5GC中AMF需与4G EPC中MME通过N26接口实现4G/5G之间的互操作。

图2 NSA/SA双模组网示意图

下面将针对5G多模网络架构共存条件下,5G用户接入、切换、漫游方案进行分析和探讨。

3 多种模式共存下的5G网络和终端关键问题分析

3.1 用户终端及签约策略

5G终端将存在5G NSA单模终端和5G SA/NSA双模终端。5G用户的终端能力会在用户接入网络时上报,若终端上报信息携带en-DC-r15字段代表支撑NSA。若上报信息携带sa-NR-r15字段则代表支撑SA。

5G用户的业务签约将写入EPC+的HSS或5GC的UDM/UDR中。参数NRNOTALLOWED用于5G NSA接入限制,不允许NR作为第2个RAT接入;参数NR5GSNOTALLOWED用于在UDM中限制NR接入;参数EPCNOTALLOWED和NGCNOTALLOWED分别代表核心网是否允许接入EPC或5GC。当用户签约信息为限制接入时,用户将无法接入5G网络。

以下将以用户允许接入5G网络作为前提,则存在以下几种接入网络的方式。

(1)仅有NSA覆盖的小区,当用户签约NSA时,或对于没有签约5G NSA的终端,但网络HSS/MME+默认允许NSA接入时,NSA单模终端和NSA/SA双模终端在5G NSA覆盖区开机,从4G基站接入,并建立至NR的5G承载,接入5G。

(2)仅有SA覆盖的小区,当用户签约SA后,NSA单模终端在SA覆盖区域开机将接入4G网络。SA/NSA双模终端已签约5G SA,并在SA覆盖区域开机,将从SA网络接入,并注册5G核心网。SA/NSA双模终端未签约5G SA,将接入4G网络。

(3)SA/NSA同覆盖的小区(即该5G NR同时接入EPC+核心网和SA 5GC核心网),NSA单模终端签约NSA或没有签约NSA,但网络HSS/MME+默认允许NSA接入时,NSA单模终端在5G NSA/SA共覆盖区开机,从4G基站接入,并建立至NR的5G承载。SA/NSA双模终端仅签约5G NSA未签约SA,或网络HSS/MME+默认允许NSA接入时,SA/NSA双模终端在5G NSA/SA共覆盖区开机,从4G基站接入,并建立至NR的5G承载。SA/NSA双模终端仅签约5G SA,或同时签约5G NSA/SA时,优选接入5G SA网络。当5G双模终端开机接入网络时,SIM卡识别获取终端的接入制式和PLMN优先级,当判断支撑5G SA时,优先搜索5G NR频点,成功后下行同步并选择5G小区,完成5G SA接入。当搜索5G NR频点失败时,搜索4G LTE频点,成功后下行同步并选择4G小区,从4G基站接入网络,并建立至NR的5G承载。

表1总结了不同制式手机在不同签约策略和不同覆盖场景下的网络附着状态。

表1 5G手机网络附着状态分析

3.2 5G网络多模共存的切换场景

3.2.1 数据业务切换场景

对5G SA核心网和EPC NSA核心网,数据业务的SA<->NSA与SA<->LTE的互操作是相同的。由于基于N26接口互操作方案业务中断时长较短(100ms级),而无N26接口互操作方案中断时长为1s级,因此通常运营商会选择4G/5G互操作采用基于N26接口的紧耦合方案,即通过EPC MME和5GC AMF之间开通N26接口方式,预先在目标侧建立承载和间接转发通道,只在空口切换过程中业务有短暂中断的方案。

当UE在SA NR覆盖区和NSA NR覆盖区域之间漫游或移动时发生SA<->LTE/NSA的跨区域切换。在连接态下,SA->NSA与SA->LTE互操作方案相同,即采用基于N26接口的PS HO方式;NSA->SA与LTE->SA互操作方案相同,即采用基于N26接口的重定向方式。

SA->LTE/NSA连接态PS HO切换:SA信令面锚定在5GC上,当用户移出SA NR覆盖区域时,发生与4G的系统间测量,当信号低于门限时切换到4G。5G SA用户切换到4G LTE基站,如果有NSA锚点站,则优选NSA锚点站切换,切换后在EPC+核心网控制下建立5G NR的双连接承载。

NSA/LTE->SA连接态重定向:NSA信令面锚定在4G上,当用户移动到SA NR覆盖区域时,切换前NSA EPC通知5G NR删除副载波,之后完成由LTE->SA的重定向,终端接入到5G SA NR。

SA<->LTE空闲态小区重选;当UE从EPC移动到5GC时,UE总是实行重注册流程。当UE从5GC移动到EPC时,UE实行跟踪区域更新流程。

3.2.2 语音业务切换场景

3GPP R15提出了两个新的5G语音方案:VoNR和EPS Fallback。两种方案均基于现有IMS网络,VoNR具备在5G网络下持续提供语音业务的能力,针对不同场景,5G网络提供不同的语音解决方案。5G网络建设初期由于未实现连续覆盖和针对语音业务的优化,语音业务可由4G VoLTE承载或通过EPS Fallback回落到LTE承载。在SA/NSA多模组网环境下采用EPS Fallback方案的语音业务切换场景如下。

(1)用户从NSA小区到SA小区的移动中正在使用语音业务当用户使用NSA单模终端时,用户初始在LTE+NSA小区下使用VoLTE语音业务,当移动至LTE+SA小区下后,仍保持在LTE接入状态,继续VoLTE业务。当VoLTE业务结束后,用户仍留在LTE网络中。

当用户使用SA/NSA双模终端并签约了5G SA时,用户初始在LTE+NSA小区下使用VoLTE语音业务,当移动至LTE+SA小区后,仍保持原LTE接入状态,继续使用语音业务。当用户在SA小区覆盖下语音通话结束后,eNB负责触发到5G SA NR的快速返回。

(2)用户从SA小区到NSA小区的移动中正在使用语音业务当用户使用NSA单模终端时,用户初始在LTE+SA小区下接入至EPC使用VoLTE语音业务,移动至LTE+NSA小区下后,继续使用VoLTE语音业务,并一直接入EPC网络。

当用户使用SA/NSA双模终端并签约了5G SA时,用户初始在LTE+SA小区下接入至5GC中,当终端使用语音业务时,通过EPS FB回落到LTE网络中,回落流程中承载VoLTE业务的PDU会话会切换/重定向到LTE网络,同时数据业务PDU会话也会迁移到LTE。当用户移动至LTE+NSA小区后,继续VoLTE语音业务。当语音业务结束后,可建立双连接享受5G NSA服务。

因此无论NSA/SA,语音业务均承载在LTE上,所以不存在语音业务的SA<->NSA互操作方案,只有SA<->LTE的互操作方案。

3.2.3 切换场景的业务连续性

4G/5G切换场景的业务连续性由4G/5G互操作架构的部署保证。5G核心网采用C/U分离架构由SMF和UPF组成会话控制和媒体面。移动性管理和接入管理节点AMF负责实行SMF的节点选择,SMF负责实行UPF的节点选择。当5G SA终端接入5GC时,核心网AMF将为UE选择4G/5G融合的SMF/GW-C,SMF/GW-C为UE选择4G/5G融合UPF/GW-U。因此5GC应按需部署支撑融合节点,实现业务连续性。

终端从EPC接入时,MME基于终端能力进行GW选择。如果是NSA单模终端,接入到支撑NSA的GW,用户移动到SA/4G环境下,接入4G,实现基于4G的业务连续性。如果是NSA/SA双模终端,且用户签约了SA,则MME必须选择融合GW-C/SMF和GW-U/UPF,在用户移动到SA覆盖区时,保持业务连续性。

终端从5GC AMF接入且签约SA时,则AMF选择融合SMF/GW-C,用户在移动到NSA环境下,业务可以保持连续。如图3所示。

图3 NSA、SA同覆盖示意图

3.3 跨运营商国际漫游场景

5G商用初期,大多数运营商均采用NSA技术架构部署5G网络。对于多模共存的运营商,国际漫游情况如表2所示。

表2 多模共存5G网络跨运营商漫游情况表

4 结束语

全球主要运营商普遍计划在2020年规模商用5G,大部分运营商部署初期倾向于采用NSA模式组网,主要面向个人移动用户和固定用户。5G网络是推动社会和垂直行业数字化转型重要基础设施。而5G SA技术架构是实现增强型移动宽带、低时延高可靠和大连接广覆盖面向垂直行业应用场景的技术基础。中国移动积极推进5G R15 SA和R16产业成熟,探索面向垂直行业的5G创新业务和应用,同时兼顾快速部署,提出NSA/SA并举的演进策略,推动技术进步和引领创新。在此基础上引出5G多模式建网的技术探讨,供大家参考。

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