5G SA組網(wǎng)時的4G/5G互操作場景配置試驗參數(shù)的比較和研究

在5G網(wǎng)絡部署的不同時期，3GPP給出了多種不同的部署方式，根據(jù)控制面錨點的不同可以分為NSA（Non-Standalone）和SA（Standalone）兩種組網(wǎng)方式。NSA組網(wǎng)支持通過雙連接（Dual Connectivity）的方式接入不同制式的網(wǎng)絡，如EN-DC（EUTRA-NR Dual Connectivity），終端可以通過4G、5G網(wǎng)絡雙連接技術實現(xiàn)5G網(wǎng)絡應用；采用SA組網(wǎng)時，終端可以通過5G RAN和5GC完成5G業(yè)務體驗。

對于國內(nèi)運營商來說，目前4G網(wǎng)絡已經(jīng)具備非常優(yōu)異的覆蓋條件，而5G網(wǎng)絡由于投資成本高且商業(yè)模式未明確，其商業(yè)部署將會在4G網(wǎng)絡基礎上長期升級替換，所以在5G網(wǎng)絡覆蓋不全面的情況下保證用戶業(yè)務連續(xù)性的最佳選擇就是以現(xiàn)有4G網(wǎng)絡來補充5G網(wǎng)絡覆蓋的不足，這也是5G SA組網(wǎng)要重點研究的互操作課題。

由于3GPP R15版本只定義了5G與4G網(wǎng)絡互操作接口，本文主要基于R15協(xié)議討論5G SA組網(wǎng)的互操作方案，并根據(jù)不同場景制定4G/5G互操作部署策略，具有一定的參考意義。

4G與5G融合組網(wǎng)架構

為了快速推廣5G SA組網(wǎng)，3GPP在R15協(xié)議中提出了5G與4G核心網(wǎng)網(wǎng)元的融合部署架構，如HSS+UDM、PCRF+PCF、PGW-C+SMF以及PGW-U+UPF等4G/5G核心網(wǎng)元的融合（見圖1）。該部署架構意味著業(yè)務、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡一體化融合演進，而從當前4G網(wǎng)絡逐步演進到5G網(wǎng)絡的過程來看，用戶簽約數(shù)據(jù)的融合、用戶業(yè)務數(shù)據(jù)的融合以及用戶業(yè)務的連續(xù)性都是4G和5G網(wǎng)絡融合過程中要優(yōu)先考慮的因素。圖1中N26接口是MME和AMF之間的接口，可選配置，5G與4G之間的互操作策略要結合N26接口是否配置來制定不同方案。

核心網(wǎng)側(cè)PGW-C+SMF、PGW-U+UPF等網(wǎng)元的融合部署支持用戶在5G和4G網(wǎng)絡切換過程中的業(yè)務連續(xù)性，用戶面網(wǎng)元的融合部署對接入網(wǎng)的制式是不敏感的，切換過程中不需要變更用戶面錨點，節(jié)省了業(yè)務處理時延及資源。如果核心網(wǎng)側(cè)不采用協(xié)議要求的融合組網(wǎng)，用戶在5G與4G網(wǎng)絡切換過程中用戶面錨點要變更，可能涉及IP地址和用戶面鏈路的變更，用戶業(yè)務感知會受到影響，并且網(wǎng)絡側(cè)需要更多資源處理切換流程，增加了核心網(wǎng)的處理負荷，由此可見跨系統(tǒng)的網(wǎng)元融合部署將是運營商的選擇方向。

圖1 4G/5G互操作系統(tǒng)架構

5G SA組網(wǎng)互操作策略探索在網(wǎng)絡互通方面，MME和AMF之間的N26接口是否配置，會影響到4G/5G互操作的處理流程。當網(wǎng)絡部署了N26接口，該接口可以支持4G/5G互操作過程中源網(wǎng)絡和目標網(wǎng)絡之間傳遞上下文信息和移動性管理信息，此時終端僅需支持單注冊模式，網(wǎng)絡側(cè)保持一種可用的移動性管理狀態(tài)，即可保證用戶業(yè)務的連續(xù)性。

當網(wǎng)絡未部署N26接口，網(wǎng)絡會使用HSS+UDM存儲的終端簽約信息及相關的PGW-C+SMF、APN/DNN信息，數(shù)據(jù)庫的融合策略可以保障用戶IP等信息的連續(xù)性，無N26接口時，單注冊終端從5GS移動到EPS系統(tǒng)時需要增加EPS側(cè)的attach過程。

5G SA組網(wǎng)空閑態(tài)互操作策略5G SA組網(wǎng)空閑態(tài)互操作策略是基于重選優(yōu)先級的差異實現(xiàn)不同層次網(wǎng)絡的駐留，為了實現(xiàn)5G UE盡可能多地在5G網(wǎng)絡駐留，在配置重選優(yōu)先級時需遵循NR重選優(yōu)先級》LTE重選優(yōu)先級，當終端移出5G覆蓋區(qū)，UE將由高優(yōu)先級（NR）重選到低優(yōu)先級（LTE），需滿足NR小區(qū)電平低于服務門限且目標小區(qū)高于低優(yōu)先級重選門限，才能重選到LTE小區(qū)；而當UE移動到5G覆蓋區(qū)時，UE將由低優(yōu)先級（LTE）重現(xiàn)到高優(yōu)先級（NR），此時根據(jù)重選策略，只需滿足目標小區(qū)高于高優(yōu)先級重選門限即可將UE重選到NR小區(qū)。具體策略見圖2。

圖2 4G和5G空閑態(tài)互操作策略

由于5G的SIB5（承載5-》4G重選信息的系統(tǒng)消息）消息中最多攜帶8個4G頻點，D頻段+E頻段+FDD900可以組成連續(xù)覆蓋，因此配置4G錨點頻點+D頻段+E頻段+FDD900，重選優(yōu)先級按照5G》4G錨點頻點》其他覆蓋頻點。為防止乒乓重選，空閑態(tài)參數(shù)配置需遵循：NR_Serverlow（服務頻點低優(yōu)先級重選門限，5G側(cè)配置）《NR_High（異系統(tǒng)高優(yōu)先級重選門限，4G側(cè)配置），為了避免SA終端從NR重選到LTE后又快速重選回NR，設置NR_High》 NR_Serverlow+4dB，空閑態(tài)各頻點的優(yōu)先級配置見表1，空閑態(tài)參數(shù)配置見表2。測試驗證結果見表3。

表1 5G空閑態(tài)各頻點的優(yōu)先級配置

注：重選優(yōu)先級表示服務頻點的小區(qū)重選絕對優(yōu)先級，0表示最低優(yōu)先級，7表示最高優(yōu)先級，NR的服務頻點優(yōu)先級可以在優(yōu)先級7基礎上增加小數(shù)，以實現(xiàn)NR頻點的優(yōu)先駐留。

表2 空閑態(tài)參數(shù)配置

表3 測試驗證結果

三個典型場景配置試驗參數(shù)后，5G時長駐留比有所提升，乒乓重選幾率降低。

5G SA組網(wǎng)連接態(tài)互操作策略

5G建網(wǎng)初期，網(wǎng)絡覆蓋不如4G，當5G終端移動到覆蓋邊緣時，配置基于覆蓋的切換或重定向?qū)?G終端遷移到4G網(wǎng)絡，保證終端在5G網(wǎng)絡弱覆蓋時的業(yè)務連續(xù)性；當終端移動到有5G網(wǎng)絡覆蓋的地方，配置基于覆蓋（部分廠家可以實現(xiàn)基于業(yè)務切換）的切換或重定向?qū)⒔K端從4G網(wǎng)絡遷移到5G網(wǎng)絡，策略上傾向于將支持5G的終端快速遷移到5G網(wǎng)絡。

4G/5G互操作設計原則：5G體驗優(yōu)于4G，則優(yōu)先駐留在5G；極邊緣用戶才轉(zhuǎn)移到4G，此時滿足4G體驗優(yōu)于5G；在4G始終嘗試轉(zhuǎn)移5G，只要5G體驗優(yōu)于4G，則實施遷移。根據(jù)4G MR采樣數(shù)據(jù)及5G實際測試數(shù)據(jù)，分析4G/5G互操作參數(shù)門限設計的合理性。由圖3可知，LTE在95%覆蓋區(qū)域RSRP大于-104dBm，作為5G異系統(tǒng)B1門限，此時D頻段的下行拉網(wǎng)速率為25Mbit/s，5G該速率時對應的RSRP為-123dBm，作為5G側(cè)的4G異系統(tǒng)A2起測門限，A1停止測量門限建議設置成-117dBm（此時NR下行吞吐率始終好于LTE）。

圖3 互操作參數(shù)門限

基于大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結論，本文給出了5G-》4G的A1/A2/B1的門限配置值，其他門限則根據(jù)下文確定。

5G_A2（5G側(cè)配置）《5G_B1（4G側(cè)配置），防止SA終端從4G切換到5G后又快速切換回4G，建議5G_B1》5G_A2+3dB；4G_B1（5G側(cè)配置）》4G_A2（4G側(cè)配置），防止SA終端從5G切換到4G后又快速切換回5G，建議4G_B1》4G_A2+3dB。連接態(tài)4G/5G互操作參數(shù)門限見表4。

表4 連接態(tài)4G/5G互操作參數(shù)門限

4G/5G連接態(tài)互操作門限的配置是SA組網(wǎng)互操作策略應用研究的重要一環(huán)，根據(jù)前文的論述，選取杭州市區(qū)三個典型場景驗證參數(shù)的合理性，從5G時長駐留比、5G MAC層下行吞吐量等指標來看，本文建議的互操作參數(shù)配置策略確實可以提升用戶在5G網(wǎng)絡的體驗感知。

表5 三個典型場景參數(shù)驗證結果

5G SA組網(wǎng)語音業(yè)務—EPS Fallback

3GPP R15協(xié)議已經(jīng)為5G提供了語音解決方案：VoNR和EPS FallBack。5G建網(wǎng)初期，網(wǎng)絡覆蓋不連續(xù)，語音業(yè)務建議采用EPS FallBack來實現(xiàn)，終端駐留在5G網(wǎng)絡，檢測到語音業(yè)務建立，通過5G到4G的互操作將語音業(yè)務回落到4G網(wǎng)絡由VoLTE來承載語音服務。EPS FallBack的回落方式需要根據(jù)核心網(wǎng)是否配置N26接口來確定是采用切換還是重定向，如果核心網(wǎng)配置N26接口，則推薦采用5G到4G異系統(tǒng)切換實現(xiàn)語音回落，而當核心網(wǎng)未配置N26接口時，推薦采用5G到4G異系統(tǒng)重定向?qū)崿F(xiàn)語音回落。

本文對EPS FallBack語音服務進行了業(yè)務測試驗證，評估了空閑態(tài)、連接態(tài)場景下盲重定向、重定向、切換3種回落方式的時延及成功率，具體見表6測試數(shù)據(jù)，基于切換的EPS FallBack在時延及穩(wěn)定性方面都比重定向更有優(yōu)勢，推薦網(wǎng)絡部署時優(yōu)先采用基于切換的EPS FallBack。

表6 EPS FB時延定點和拉網(wǎng)測試結果

為了提升終端的5G網(wǎng)絡駐留率，終端在完成EPS FallBack語音業(yè)務后，建議采用Fast Return的方式返回5G網(wǎng)絡，如果網(wǎng)絡或終端不支持Fast Return，終端在4G側(cè)做完語音業(yè)務后會進入空閑態(tài)，再通過4G到5G的重選功能進入5G小區(qū)。4G到5G異系統(tǒng)重選流程帶來的時延會比Fast Return要長，所以推薦網(wǎng)絡側(cè)打開Fast Return的配置。

結束語

隨著5G SA網(wǎng)絡商用的時間越來越臨近，研究4G/5G無線網(wǎng)絡互操作策略應用是有必要的，本文根據(jù)3GPP規(guī)范要求及4G/5G現(xiàn)網(wǎng)采集的大量數(shù)據(jù)，重點分析了4G/5G空閑態(tài)、連接態(tài)互操作參數(shù)的部署策略，并分析了多種互操作策略實現(xiàn)的語音業(yè)務性能，給出了5G SA組網(wǎng)時的4G/5G互操作參數(shù)配置建議。

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