5G无线技术基础自学系列

素材来源：《一本读懂5G技术》

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5G是移动通信网部署的大势所趋，但4G仍是现网网络设备的主流。建设和部署5G网络包括两个部分：无线接入网（Radio Access Network，RAN）和核心网（Core Network，CN）。无线接入网主要由基站组成，为用户提供无线接入功能；核心网则主要为用户提供互联网接入服务和相应的控制管理功能等。由于5G核心网和无线网同步部署，投资巨大。且在5G部署的初期，NFV、SDN、通用硬件等技术并不成熟，核心网组网和协议制定还面临很多挑战，所以最早冻结的5G协议——5G RAN无法单独工作，仅仅是作为4G的补充，用于分担4G的流量。这个时候的5G组网，就是非独立组网（Non-Stand Alone，NSA）。5G独立组网（Stand Alone，SA）的标准化足足比非独立组网慢了半年多。

非独立组网方式下，5G NR基站和LTE基站同时接入升级以后的4G EPC，涉及4G基站和5G基站同时给UE提供连接服务，这就是双连接。其实，双连接技术在LTE-A阶段就有协议支撑了，可是在LTE组网中应用很少；到了5G时代，5G NR基站非独立组网的情况下，5G NR和4G基站之间双连接技术开始大放光彩。5G NR和5G NR的双连接技术也在协议制定过程中。在双连接的概念下，又涉及诸如MeNB、SeNB、MgNB、SgNB、MCG和SCG等概念。

6.4.1 CA与DC

CA（Carrier Aggregation，载波聚合）顾名思义就是将多个载波聚合起来发送。由于每个运营商能分到的频段有限，而且不一定连续，如果每个UE都只能用其中某个频段的话，那么UE的速率将会受到限制。载波聚合技术就是把相同频段或者不同频段的频谱资源聚合起来给UE使用，以提高UE的数据业务速率。3GPP R10版本为了提升数据业务速率，提出了LTE-A载波聚合（CA）技术。在后续的版本中载波聚合技术陆续得到了功能上的增强，可以聚合的载波数越来越多，支持的载波频段可以很离散，载波类型也可以不同。如图6-31所示，假设运营商有两个频段：频段A和频段B，运营商可以使用载波聚合技术将频段A和频段B同时分配给UE聚合使用。载波聚合时，每个载波都对应一个小区（Cell）。

DC (Dual-Connectivity，双连接)顾名思义就是UE同时与两个基站保持着连接。双连接类似于我们常用的耳机，两路数据可以通过左右一对耳机传送在一个人的脑子中。DC技术最早出现的时候是为了解决小区边缘用户的覆盖问题，后期也会瞄准提升数据业务速率的目标。如图6-32所示，UE处于小区边缘，如果仅靠主基站A，UE的信号强度可能不够。运营商可以在小区边缘部署基站B，通过把基站A和基站B配置成双连接模式以增强覆盖。UE同时与基站A和基站B保持连接。

图6-31 载波聚合

图6-32 双连接技术

双连接中，负责控制面的基站就叫作控制面锚点。这里的控制面锚点就像耳机线上的控制按钮，既可以控制播放，也可以发送数据。

用户的数据需要分到双连接的两条路径上独立传送，但是在哪里分流呢？这个分流的位置就叫分流控制点。

3GPP R12版本中提出了LTE双连接（Dual Connectivity）技术。后续版本又陆续提出了LTE基站、5G NR基站的双连接以及两个5G NR基站的双连接。双连接技术也会逐渐发展为多连接技术。多连接技术的主要目的在于实现UE（用户终端）与宏微多个无线网络节点的同时连接。不同的网络节点可以采用相同的无线接入技术（RAT），也可以采用不同的无线接入技术。

双连接和载波聚合有不同之处有以下几点。

1）双连接下数据流在PDCP层分离和合并，随后将用户数据流通过多个基站同时传送给用户，而载波聚合下数据流在MAC层进行分离和合并。DC与CA的区别在于：DC下的两个基站独立调度，这也就意味着UE必须得有两个不同的MAC实体，一个对应基站A，另一个对应基站B；而CA下所有的CC都对应一个MAC实体。

2）双连接是发生在不同站点之间的聚合（通常为一个宏基站和一个微基站，两者之间通过X2或Xn接口相连），而载波聚合是发生在一个站点的聚合。

图6-33总结了CA和DC的关系。

图6-33 CA和DC的关系

6.4.2 MCG与SCG

在学习5G NR和LTE技术的时候，我们经常看到MeNB、SeNB、MgNB、SgNB、MCG、SCG、PCell、PSCell、SCell和sPCell等概念。对刚刚接触CA和DC概念的人来说，会对这些概念产生比较大的困扰。现在我们举例进行说明。

给UE提供双连接服务的两个基站中，从UE到基站，再到核心网的控制面信令由哪个基站负责，或者说，UE从哪个基站首先发起随机接入过程，哪个基站就是主节点（Master Node，MN）、主基站或者锚点站。主要任务是提供数据业务流承载，而不承载控制面信令的基站就是从节点（Secondary Node，SN）、辅基站。

主基站是LTE的基站称为MeNB（Master eNodeB）；主基站是5G NR的基站称为MgNB（Master gNodeB）。辅基站是LTE的基站称为SeNB（Secondary eNodeB）；辅基站是5G NR的基站称为SgNB（Secondary gNodeB）。

有了双连接的概念，就有了MCG和SCG的概念，如图6-34所示。从信令交互角度来看，UE首先发起随机接入过程的小区（Cell）所在的组（Group）就是MCG。假若5G NR基站和LTE基站一起给UE提供双连接服务，LTE作主基站，5G NR基站作辅基站，那么LTE所提供的多个小区就是MCG（Master Cell Group，主小区组），5G NR提供的多个小区就是SCG（Secondary Cell Group，辅小区组）。MCG的小区和SCG的小区应该配置成邻小区关系。

图6-34 主小区组和辅小区组

在MCG下，可能会有很多个小区，其中有一个用于发起初始接入的小区，这个小区称为PCell（Primary Cell，主小区），PCell是MCG里面最“主要”的小区。其他小区就是SCell（Secondary Cell，辅小区）。MCG下的PCell和MCG下的SCell通过载波聚合（CA）技术联合在一起。

同样地，在SCG下也会有一个最主要的小区，也就是PSCell，也可以简单理解为在SCG下发起初始接入的小区。SCG下的PSCell和SCG下的SCell也是通过CA技术联合在一起。

因为很多信令只在PCell和PSCell上发送，为了描述方便，协议中也定义了一个概念sPCell（special Cell），如图6-35所示。

图6-35 sPCell的概念

6.4.3 NSA与SA

5G网络部署方式有两种：非独立组网模式（NSA）和独立组网模式（SA）。

非独立组网（NSA）指的是使用现有的4G基础设施，进行5G网络的部署。基于NSA架构的5G载波仅承载用户数据，其控制信令仍通过4G网络传输。在NSA组网中，大多是以LTE为锚点来实现5G NR与LTE的双连接的。

独立组网模式（SA）指的是新建5G网络，包括5G基站、5G回程链路以及5G的核心网。SA组网在引入了全新网元与接口的同时，还将大规模采用网络NFV、SDN等新技术，并与5G无线侧的关键技术结合，其协议开发、网络规划部署及互通互操作所面临的挑战是巨大的。

将4G和5G组网部署方式结合起来考虑，在3GPP协议上，提出了8个选项，如图6-36所示。其中选项1、2、5、6是独立组网，选项3、4、7、8是非独立组网。非独立组网的选项3、4、7还有不同的子选项。在这些选项中，选项1就是4G网络的结构。选项6和选项8仅是理论上存在的部署场景，不具有实际部署价值。

图6-36 独立组网和非独立组网方案

（1）独立组网（SA）选项

选项1，如图6-37所示，这是纯4G的组网架构。注意图中连接手机、4G基站和4G核心网的各有一条实线和一条虚线。其中虚线代表控制面，实线代表用户面。控制面，就是用来发送管理、调度资源所需的信令通道；用户面，直观理解就是发送用户的业务数据的通道。用户面和控制面是完全分离的。然而，选项1和5G并没有什么关系！

选项2，如图6-38所示，架构很简单，就是5G基站连接5G核心网，这是5G网络架构的终极形态，可以支持5G的所有应用。虽然架构简单，但在现有的网络条件下，要实现这种架构需要新建大量的基站和核心网，运营商投资巨大。可以说选项2组网方式就是“不差钱”的运营商或者从零开始的运营商的选择。

图6-37 SA：选项1

图6-38 SA：选项2

把现有的4G基站升级一下，变成增强型4G基站。然后把它们接入5G核心网，这样可以利旧，多少也能省点钱。这是选项5。4G基站升级增强之后连到了5G核心网之上，本质上还是4G。但新建了5G核心网之后，原先的4G核心网也该慢慢退服，一定会出现4G基站连接5G核心网的需求。但是，改造后的增强型4G基站和5G基站相比，在峰值速率、时延、容量等方面依然有明显差别。

把5G基站连到4G核心网，然后不用和4G基站配合，也没有5G核心网，就是选项6。如图6-40所示。这种情况下，5G基站“有力使不出”，相对于核心网来说，5G基站是花钱的大头，竟然不建相对是小头的5G核心网？因此，这个架构不具有实际部署意义。

总结起来，5G可能的独立组网方案只有选项2和选项5，其中选项2是5G网络的终极架构。选项2的优势有：一步到位引入5G基站和5G核心网，不依赖于现有4G网络，演进路径最短；全新的5G基站和5G核心网，能够支持5G网络引入的所有新功能和新业务。有利就有弊，选项2对应的劣势有：5G频点相对LTE较高，初期部署难以实现连续覆盖，会存在大量的5G与4G系统间的切换，用户体验不好；初期部署成本相对较高，无法有效利用现有4G基站资源。

图6-39 SA：选项5

图6-40 SA：选项6

（2）非独立组网（NSA）选项

5G非独立组网有诸多选项，有的选项又有很多子项。不同方案的差别，都是需要回答三个问题。将这三个问题的答案排列组合，就可以形成不同的方案。

1）基站连接的是4G核心网还是5G的核心网？

2）控制信令走4G基站还是5G基站？

3）数据分流点是在4G基站，还是5G基站，还是核心网？

选项3主要使用的是4G的核心网络，控制面锚点都在4G，适用于5G部署的最初阶段，覆盖不连续，也没太多业务，纯粹是作为4G无线宽带的补充而存在。由于传统的4G基站处理数据的能力有限，需要对基站进行硬件升级改造，变成增强型4G基站，该基站为主站，新部署的5G基站作为从站来使用。

选项3又分为3、3a和3x子项，为什么有这样的区分呢？关键在于数据分流控制点的不同。

5G基站是无法直接连在4G核心网上的，所以5G基站通过4G基站接到4G核心网。这种组网方式，就是选项3的第一种方式，如图6-41所示。选项3的数据分流控制点在4G基站上，也就是说，4G不但要负责控制管理，还要负责把从核心网下来的数据分为两路，一路自己发给手机，另一路分流到5G去发给手机。

图6-41 NSA：选项3

由于部分4G基站建设时间较久，4G基站须进行彻底的软硬件升级才能具备这样的能力。然而，基站硬件能否扛得住5G的流量，是一个问题。而且运营商不愿意花资金进行4G基站(毕竟都是旧设备，迟早要淘汰)改造，于是需要想出另外的方案：选项3a和选项3x。

选项3a就是5G基站的用户面数据直接传输到4G核心网，4G核心网进行数据分流控制，如图6-42所示。而选项3x是5G基站将自己用户面的数据分为两个部分，一部分是4G基站不能传输的数据，这部分数据使用5G基站进行传输；剩下的一部分数据转给4G基站进行传输，如图6-43所示。两者的控制面命令仍然由4G基站进行传输。选项3a和选项3x的4G基站无须增强。

图6-42 NSA：选项3a

图6-43 NSA：选项3x

我们把选项3组网方式里面的4G核心网替换成5G核心网，这就是“7系”的组网方式，如图6-44所示。毕竟，很多优质的5G体验，必须基于5G核心网才能实现。因为核心网是5G，所以在“7系”的组网方式中，4G基站都需要升级成增强型4G基站。

图6-44 NSA：选项7的三个子项

选项4组网方案中，4G基站和5G基站共用5G核心网，5G基站为主站，4G基站为从站。唯一不同的是，选项4的用户面从5G基站走，选项4a的用户面直接连5G核心网。如图6-45所示。

选项8组网，就是4G基站和5G基站共用4G核心网，5G基站为主站，4G基站为从站。这种组网现实意义不大，3GPP协议已经放弃。

非独立组网中，3/3a/3x组网方式是目前国外运营商最喜欢的方式，原因很简单：利旧了4G基站，省钱；部署起来很快很方便，有利于迅速推入市场，抢占用户。

图6-45 选项4方案

综上所述，目前运营商可选的5G部署方案为选项2、选项3、选项4、选项5和选项7。几种方案的比较如表6-2所示。对于LTE网络比较有优势的运营商来说，选项3是初始阶段可以考虑的。对于一些想在5G建设中一步到位、迅速赶超竞争对手的运营商来说，选项2是一个重要选项。

表6-2 5G组网方式各选项比较