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技術
2020/6/4 14:43

多模共存的5G網絡部署關鍵問題探討

移動Labs  肖子玉

Labs 導讀

全球主要運營商普遍計劃在2020年規模商用5G。在此背景下,本文結合5G技術和產業進展,分析了運營商5G商用部署模式,NSA/SA多模場景共存的網絡發展和演進思路,多模場景下用戶簽約策略、切換模式和跨運營商漫游場景。

1 5G商用部署模式

3GPP 5G標準R15版本聚焦提供eMBB業務,主要定義了 5G 全新網絡架構,包括網絡切片、服務化架構、邊緣計算架構、移動性管理、會話管理分離和基于流粒度的QoS設計等。R15定義了與網絡部署相關的三大網絡架構:基于4G核心網(EPC)的LTE-NR雙連接架構(R15 NR NSA)、基于5G核心網(5GC)的獨立組網架構(R15 NR SA)和基于5GC的NR-LTE/LTE-NR雙連接架構(R15 Late Drop)。R15 NR NSA和R15 NR SA標準均已于2017年12月和2018年6月凍結。R15 Late Drop版本已于2019年3月凍結。

3GPP 5G標準R16版本聚焦提供垂直行業應用(uRLLC和mIoT),在R15基礎上進行功能增強,包括 ETSUN、V2X和uRLLC 等。R16標準預計于2020年3月凍結。

1.2 各運營商5G部署模式

目前R15 NR NSA和R15 NR SA架構是標準及產業成熟度較高的兩種架構,如圖1所示。其中NSA架構采用4G EPC增強控制5G NR支持終端雙連接。SA架構采用全新5G服務化核心網架構,目前尚無商用案例。

現階段運營商已商用的5G網絡主要采用NSA技術架構,如韓國三大運營商SKT、Kt和LG U+已于2019年4月商用5G,提供娛樂和游戲類eMBB業務,使用3.5GHz頻率和28GHz進行網絡覆蓋。韓國5G目標網絡架構為NSA 3x方案,通過用戶終端雙連接方式接入LTE eNode B基站和5G NR基站,實現增強型移動互聯網大帶寬能力。該方案的優勢是保持5G先發優勢,建網初期在5G覆蓋不足的情況下,可充分發揮4G/5G協同優勢,LTE基站保證用戶流量的承載。美國運營商5G初期也采用NSA架構,聚焦毫米波和eMBB業務,如AT&T公司已在22城市部分地區商用5G,使用39GHz頻段覆蓋,主要提供熱點高速接入業務。英國第一大運營商EE也于2019年5月30日采用NSA架構商用5G。

圖1  R15 NR NSA和R15 NR SA技術架構示意圖

隨著5G商用牌照的發放,中國運營商于2019年10月開始5G商用。中國移動采用NSA/SA雙模架構,基于4G EPC核心網部署5G NSA網絡;同時面向垂直行業進行5G SA預商用,推進SA架構5G核心網成熟商用。

2 NSA、SA共存下的網絡演進與發展

2.1 5G網絡建網模式分析

從運營商5G網絡部署和演進趨勢來看,將存在如下3種5G網絡部署場景。

場景1:采用NSA方式建設5G網絡,NSA或SA為目標架構。目前已商用的5G網絡基本屬于此場景,如韓國運營商。NSA是目前端到端方案最成熟的,因此適用于快速部署,滿足個人移動用戶大帶寬業務的需求。

場景2:采用SA方式建設5G網絡,目標都是在2020年及以后規模商用。SA架構目前產業鏈不十分成熟,終端除華為外均在2019年年底后方支持,因此目前尚無已商用的案例。日本運營商規劃采用此方式建設5G網絡。

場景3:采用NSA和SA雙模方式,通過NSA快速商用,面向個人移動用戶,提供大帶寬的eMBB接入能力。同時探索5G SA網絡建設模式,推動SA技術架構的成熟,面向垂直行業的應用及NSA向SA的演進。中國移動將采用這種方式。

上述場景1和場景3均可能出現多模共存的情況。

2.2 多模場景的網絡發展與演進

NSA/SA雙模場景下需考慮NSA向SA的演進。

2.2.1 核心網演進方式

方式1:對于NSA核心網基于傳統EPC網絡升級而來的情況,向SA演進時,可將用戶數據和策略數據逐步遷移至云化4G/5G融合數據網元的基礎上,由新建的SA核心網(虛擬化網絡)逐漸替代。

方式2:對于NSA核心網基于虛擬化EPC網絡升級而來的情況,向SA演進時,考慮初期SA產業成熟度不足,初期仍采用新建虛擬化SA核心網方式,后續逐漸將虛擬化SA和NSA核心網演進為4G/5G融合核心網。

2.2.2 無線覆蓋方式

無線覆蓋也存在兩種選擇,如圖2所示。一是同區域覆蓋,即5G NR 既支持NSA EPC+核心網接入,同時又支持5G SA核心網的接入,無線同覆蓋區。另一種是分區域覆蓋,即NSA和SA的5G NR覆蓋不同區域。當采用無線同區域覆蓋時,同一個5G NR需要同時接入NSA EPC+核心網和SA 5GC核心網。5GC中AMF需與4G EPC中MME通過N26接口實現4G/5G之間的互操作。

圖2 NSA/SA雙模組網示意圖

下面將針對5G多模網絡架構共存條件下,5G用戶接入、切換、漫游方案進行分析和探討。

3 多種模式共存下的5G網絡和終端關鍵問題分析

3.1 用戶終端及簽約策略

5G終端將存在5G NSA單模終端和5G SA/NSA雙模終端。5G用戶的終端能力會在用戶接入網絡時上報,若終端上報信息攜帶en-DC-r15字段代表支持NSA。若上報信息攜帶sa-NR-r15字段則代表支持SA。

5G用戶的業務簽約將寫入EPC+的HSS或5GC的UDM/UDR中。參數NRNOTALLOWED用于5G NSA接入限制,不允許NR作為第2個RAT接入;參數NR5GSNOTALLOWED用于在UDM中限制NR接入;參數EPCNOTALLOWED和NGCNOTALLOWED分別代表核心網是否允許接入EPC或5GC。當用戶簽約信息為限制接入時,用戶將無法接入5G網絡。

以下將以用戶允許接入5G網絡作為前提,則存在以下幾種接入網絡的方式。

(1)僅有NSA覆蓋的小區,當用戶簽約NSA時,或對于沒有簽約5G NSA的終端,但網絡HSS/MME+默認允許NSA接入時,NSA單模終端和NSA/SA雙模終端在5G NSA覆蓋區開機,從4G基站接入,并建立至NR的5G承載,接入5G。

(2)僅有SA覆蓋的小區,當用戶簽約SA后,NSA單模終端在SA覆蓋區域開機將接入4G網絡。SA/NSA雙模終端已簽約5G SA,并在SA覆蓋區域開機,將從SA網絡接入,并注冊5G核心網。SA/NSA雙模終端未簽約5G SA,將接入4G網絡。

(3)SA/NSA同覆蓋的小區(即該5G NR同時接入EPC+核心網和SA 5GC核心網),NSA單模終端簽約NSA或沒有簽約NSA,但網絡HSS/MME+默認允許NSA接入時,NSA單模終端在5G NSA/SA共覆蓋區開機,從4G基站接入,并建立至NR的5G承載。SA/NSA雙模終端僅簽約5G NSA未簽約SA,或網絡HSS/MME+默認允許NSA接入時,SA/NSA雙模終端在5G NSA/SA共覆蓋區開機,從4G基站接入,并建立至NR的5G承載。SA/NSA雙模終端僅簽約5G SA,或同時簽約5G NSA/SA時,優選接入5G SA網絡。當5G雙模終端開機接入網絡時,SIM卡識別獲取終端的接入制式和PLMN優先級,當判斷支持5G SA時,優先搜索5G NR頻點,成功后下行同步并選擇5G小區,完成5G SA接入。當搜索5G NR頻點失敗時,搜索4G LTE頻點,成功后下行同步并選擇4G小區,從4G基站接入網絡,并建立至NR的5G承載。

表1總結了不同制式手機在不同簽約策略和不同覆蓋場景下的網絡附著狀態。

表1 5G手機網絡附著狀態分析

3.2 5G網絡多模共存的切換場景

3.2.1 數據業務切換場景

對5G SA核心網和EPC NSA核心網,數據業務的SA<->NSA與SA<->LTE的互操作是相同的。由于基于N26接口互操作方案業務中斷時長較短(100ms級),而無N26接口互操作方案中斷時長為1s級,因此通常運營商會選擇4G/5G互操作采用基于N26接口的緊耦合方案,即通過EPC MME和5GC AMF之間開通N26接口方式,預先在目標側建立承載和間接轉發通道,只在空口切換過程中業務有短暫中斷的方案。

當UE在SA NR覆蓋區和NSA NR覆蓋區域之間漫游或移動時發生SA<->LTE/NSA的跨區域切換。在連接態下,SA->NSA與SA->LTE互操作方案相同,即采用基于N26接口的PS HO方式;NSA->SA與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連接態PS HO切換:SA信令面錨定在5GC上,當用戶移出SA NR覆蓋區域時,發生與4G的系統間測量,當信號低于門限時切換到4G。5G SA用戶切換到4G LTE基站,如果有NSA錨點站,則優選NSA錨點站切換,切換后在EPC+核心網控制下建立5G NR的雙連接承載。

NSA/LTE->SA連接態重定向:NSA信令面錨定在4G上,當用戶移動到SA NR覆蓋區域時,切換前NSA EPC通知5G NR刪除副載波,之后完成由LTE->SA的重定向,終端接入到5G SA NR。

SA<->LTE空閑態小區重選;當UE從EPC移動到5GC時,UE總是執行重注冊流程。當UE從5GC移動到EPC時,UE執行跟蹤區域更新流程。

3.2.2 語音業務切換場景

3GPP R15提出了兩個新的5G語音方案:VoNR和EPS Fallback。兩種方案均基于現有IMS網絡,VoNR具備在5G網絡下持續提供語音業務的能力,針對不同場景,5G網絡提供不同的語音解決方案。5G網絡建設初期由于未實現連續覆蓋和針對語音業務的優化,語音業務可由4G VoLTE承載或通過EPS Fallback回落到LTE承載。在SA/NSA多模組網環境下采用EPS Fallback方案的語音業務切換場景如下。

(1)用戶從NSA小區到SA小區的移動中正在使用語音業務當用戶使用NSA單模終端時,用戶初始在LTE+NSA小區下使用VoLTE語音業務,當移動至LTE+SA小區下后,仍保持在LTE接入狀態,繼續VoLTE業務。當VoLTE業務結束后,用戶仍留在LTE網絡中。

當用戶使用SA/NSA雙模終端并簽約了5G SA時,用戶初始在LTE+NSA小區下使用VoLTE語音業務,當移動至LTE+SA小區后,仍保持原LTE接入狀態,繼續使用語音業務。當用戶在SA小區覆蓋下語音通話結束后,eNB負責觸發到5G SA NR的快速返回。

(2)用戶從SA小區到NSA小區的移動中正在使用語音業務當用戶使用NSA單模終端時,用戶初始在LTE+SA小區下接入至EPC使用VoLTE語音業務,移動至LTE+NSA小區下后,繼續使用VoLTE語音業務,并一直接入EPC網絡。

當用戶使用SA/NSA雙模終端并簽約了5G SA時,用戶初始在LTE+SA小區下接入至5GC中,當終端使用語音業務時,通過EPS FB回落到LTE網絡中,回落流程中承載VoLTE業務的PDU會話會切換/重定向到LTE網絡,同時數據業務PDU會話也會遷移到LTE。當用戶移動至LTE+NSA小區后,繼續VoLTE語音業務。當語音業務結束后,可建立雙連接享受5G NSA服務。

因此無論NSA/SA,語音業務均承載在LTE上,所以不存在語音業務的SA<->NSA互操作方案,只有SA<->LTE的互操作方案。

3.2.3 切換場景的業務連續性

4G/5G切換場景的業務連續性由4G/5G互操作架構的部署保證。5G核心網采用C/U分離架構由SMF和UPF組成會話控制和媒體面。移動性管理和接入管理節點AMF負責執行SMF的節點選擇,SMF負責執行UPF的節點選擇。當5G SA終端接入5GC時,核心網AMF將為UE選擇4G/5G融合的SMF/GW-C,SMF/GW-C為UE選擇4G/5G融合UPF/GW-U。因此5GC應按需部署支持融合節點,實現業務連續性。

終端從EPC接入時,MME基于終端能力進行GW選擇。如果是NSA單模終端,接入到支持NSA的GW,用戶移動到SA/4G環境下,接入4G,實現基于4G的業務連續性。如果是NSA/SA雙模終端,且用戶簽約了SA,則MME必須選擇融合GW-C/SMF和GW-U/UPF,在用戶移動到SA覆蓋區時,保持業務連續性。

終端從5GC AMF接入且簽約SA時,則AMF選擇融合SMF/GW-C,用戶在移動到NSA環境下,業務可以保持連續。如圖3所示。

圖3 NSA、SA同覆蓋示意圖

3.3 跨運營商國際漫游場景

5G商用初期,大多數運營商均采用NSA技術架構部署5G網絡。對于多模共存的運營商,國際漫游情況如表2所示。

表2 多模共存5G網絡跨運營商漫游情況表

4 結束語

全球主要運營商普遍計劃在2020年規模商用5G,大部分運營商部署初期傾向于采用NSA模式組網,主要面向個人移動用戶和固定用戶。5G網絡是推動社會和垂直行業數字化轉型重要基礎設施。而5G SA技術架構是實現增強型移動寬帶、低時延高可靠和大連接廣覆蓋面向垂直行業應用場景的技術基礎。中國移動積極推進5G R15 SA和R16產業成熟,探索面向垂直行業的5G創新業務和應用,同時兼顧快速部署,提出NSA/SA并舉的演進策略,推動技術進步和引領創新。在此基礎上引出5G多模式建網的技術探討,供大家參考。

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寫得不太好

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