運營商5G商用部署模式和多模場景的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展與演進(jìn)

全球主要運營商普遍計劃在2020年規(guī)模商用5G。在此背景下，本文結(jié)合5G技術(shù)和產(chǎn)業(yè)進(jìn)展，分析了運營商5G商用部署模式，NSA/SA多模場景共存的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展和演進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)R15版本聚焦提供eMBB業(yè)務(wù)，主要定義了 5G 全新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，包括網(wǎng)絡(luò)切片、服務(wù)化架構(gòu)、邊緣計算架構(gòu)、移動性管理、會話管理分離和基于流粒度的QoS設(shè)計等。R15定義了與網(wǎng)絡(luò)部署相關(guān)的三大網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：基于4G核心網(wǎng)（EPC）的LTE-NR雙連接架構(gòu)（R15 NR NSA）、基于5G核心網(wǎng)（5GC）的獨立組網(wǎng)架構(gòu)（R15 NR SA）和基于5GC的NR-LTE/LTE-NR雙連接架構(gòu)（R15 Late Drop）。R15 NR NSA和R15 NR SA標(biāo)準(zhǔn)均已于2017年12月和2018年6月凍結(jié)。R15 Late Drop版本已于2019年3月凍結(jié)。

3GPP 5G標(biāo)準(zhǔn)R16版本聚焦提供垂直行業(yè)應(yīng)用（uRLLC和mIoT），在R15基礎(chǔ)上進(jìn)行功能增強，包括 ETSUN、V2X和uRLLC 等。R16標(biāo)準(zhǔn)預(yù)計于2020年3月凍結(jié)。

1.2 各運營商5G部署模式

目前R15 NR NSA和R15 NR SA架構(gòu)是標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)業(yè)成熟度較高的兩種架構(gòu)，如圖1所示。其中NSA架構(gòu)采用4G EPC增強控制5G NR支持終端雙連接。SA架構(gòu)采用全新5G服務(wù)化核心網(wǎng)架構(gòu)，目前尚無商用案例。

現(xiàn)階段運營商已商用的5G網(wǎng)絡(luò)主要采用NSA技術(shù)架構(gòu)，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(yè)務(wù)，使用3.5GHz頻率和28GHz進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋。韓國5G目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)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(xiàn)增強型移動互聯(lián)網(wǎng)大帶寬能力。該方案的優(yōu)勢是保持5G先發(fā)優(yōu)勢，建網(wǎng)初期在5G覆蓋不足的情況下，可充分發(fā)揮4G/5G協(xié)同優(yōu)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(gòu)，聚焦毫米波和eMBB業(yè)務(wù)，如AT&T公司已在22城市部分地區(qū)商用5G，使用39GHz頻段覆蓋，主要提供熱點高速接入業(yè)務(wù)。英國第一大運營商EE也于2019年5月30日采用NSA架構(gòu)商用5G。

圖1 R15 NR NSA和R15 NR SA技術(shù)架構(gòu)示意圖

隨著5G商用牌照的發(fā)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(gòu)，基于4G EPC核心網(wǎng)部署5G NSA網(wǎng)絡(luò)；同時面向垂直行業(yè)進(jìn)行5G SA預(yù)商用，推進(jìn)SA架構(gòu)5G核心網(wǎng)成熟商用。

2 NSA、SA共存下的網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)與發(fā)展

2.1 5G網(wǎng)絡(luò)建網(wǎng)模式分析

從運營商5G網(wǎng)絡(luò)部署和演進(jìn)趨勢來看，將存在如下3種5G網(wǎng)絡(luò)部署場景。

場景1：采用NSA方式建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)，NSA或SA為目標(biāo)架構(gòu)。目前已商用的5G網(wǎng)絡(luò)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(yè)務(wù)的需求。

場景2：采用SA方式建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)，目標(biāo)都是在2020年及以后規(guī)模商用。SA架構(gòu)目前產(chǎn)業(yè)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(guī)劃采用此方式建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)。

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(wǎng)絡(luò)建設(shè)模式，推動SA技術(shù)架構(gòu)的成熟，面向垂直行業(yè)的應(yīng)用及NSA向SA的演進(jìn)。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(xiàn)多模共存的情況。

2.2 多模場景的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展與演進(jìn)

NSA/SA雙模場景下需考慮NSA向SA的演進(jìn)。

2．2．1 核心網(wǎng)演進(jìn)方式

方式1：對于NSA核心網(wǎng)基于傳統(tǒng)EPC網(wǎng)絡(luò)升級而來的情況，向SA演進(jìn)時，可將用戶數(shù)據(jù)和策略數(shù)據(jù)逐步遷移至云化4G/5G融合數(shù)據(jù)網(wǎng)元的基礎(chǔ)上，由新建的SA核心網(wǎng)（虛擬化網(wǎng)絡(luò)）逐漸替代。

方式2：對于NSA核心網(wǎng)基于虛擬化EPC網(wǎng)絡(luò)升級而來的情況，向SA演進(jìn)時，考慮初期SA產(chǎn)業(yè)成熟度不足，初期仍采用新建虛擬化SA核心網(wǎng)方式，后續(xù)逐漸將虛擬化SA和NSA核心網(wǎng)演進(jìn)為4G/5G融合核心網(wǎng)。

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(qū)域覆蓋，即5G NR 既支持NSA EPC+核心網(wǎng)接入，同時又支持5G SA核心網(wǎng)的接入，無線同覆蓋區(qū)。另一種是分區(qū)域覆蓋，即NSA和SA的5G NR覆蓋不同區(qū)域。當(dāng)采用無線同區(qū)域覆蓋時，同一個5G NR需要同時接入NSA EPC+核心網(wǎng)和SA 5GC核心網(wǎng)。5GC中AMF需與4G EPC中MME通過N26接口實現(xiàn)4G/5G之間的互操作。

圖2 NSA/SA雙模組網(wǎng)示意圖

下面將針對5G多模網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)共存條件下，5G用戶接入、切換、漫游方案進(jìn)行分析和探討。

3 多種模式共存下的5G網(wǎng)絡(luò)和終端關(guān)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(wǎng)絡(luò)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(yè)務(wù)簽約將寫入EPC+的HSS或5GC的UDM/UDR中。參數(shù)NRNOTALLOWED用于5G NSA接入限制，不允許NR作為第2個RAT接入；參數(shù)NR5GSNOTALLOWED用于在UDM中限制NR接入；參數(shù)EPCNOTALLOWED和NGCNOTALLOWED分別代表核心網(wǎng)是否允許接入EPC或5GC。當(dāng)用戶簽約信息為限制接入時，用戶將無法接入5G網(wǎng)絡(luò)。

以下將以用戶允許接入5G網(wǎng)絡(luò)作為前提，則存在以下幾種接入網(wǎng)絡(luò)的方式。

（1）僅有NSA覆蓋的小區(qū)，當(dāng)用戶簽約NSA時，或?qū)τ跊]有簽約5G NSA的終端，但網(wǎng)絡(luò)HSS/MME+默認(rèn)允許NSA接入時，NSA單模終端和NSA/SA雙模終端在5G NSA覆蓋區(qū)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(qū)，當(dāng)用戶簽約SA后，NSA單模終端在SA覆蓋區(qū)域開機將接入4G網(wǎng)絡(luò)。SA/NSA雙模終端已簽約5G SA，并在SA覆蓋區(qū)域開機，將從SA網(wǎng)絡(luò)接入，并注冊5G核心網(wǎng)。SA/NSA雙模終端未簽約5G SA，將接入4G網(wǎng)絡(luò)。

（3）SA/NSA同覆蓋的小區(qū)（即該5G NR同時接入EPC+核心網(wǎng)和SA 5GC核心網(wǎng)），NSA單模終端簽約NSA或沒有簽約NSA，但網(wǎng)絡(luò)HSS/MME+默認(rèn)允許NSA接入時，NSA單模終端在5G NSA/SA共覆蓋區(qū)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(wǎng)絡(luò)HSS/MME+默認(rèn)允許NSA接入時，SA/NSA雙模終端在5G NSA/SA共覆蓋區(qū)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(yōu)選接入5G SA網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)5G雙模終端開機接入網(wǎng)絡(luò)時，SIM卡識別獲取終端的接入制式和PLMN優(yōu)先級，當(dāng)判斷支持5G SA時，優(yōu)先搜索5G NR頻點，成功后下行同步并選擇5G小區(qū)，完成5G SA接入。當(dāng)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(qū)，從4G基站接入網(wǎng)絡(luò)，并建立至NR的5G承載。

表1總結(jié)了不同制式手機在不同簽約策略和不同覆蓋場景下的網(wǎng)絡(luò)附著狀態(tài)。

表1 5G手機網(wǎng)絡(luò)附著狀態(tài)分析

3.2 5G網(wǎng)絡(luò)多模共存的切換場景

3.2.1 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)切換場景

對5G SA核心網(wǎng)和EPC NSA核心網(wǎng)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)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(yù)先在目標(biāo)側(cè)建立承載和間接轉(zhuǎn)發(fā)通道，只在空口切換過程中業(yè)務(wù)有短暫中斷的方案。

當(dāng)UE在SA NR覆蓋區(qū)和NSA NR覆蓋區(qū)域之間漫游或移動時發(fā)生SA《-》LTE/NSA的跨區(qū)域切換。在連接態(tài)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(tài)PS HO切換：SA信令面錨定在5GC上，當(dāng)用戶移出SA NR覆蓋區(qū)域時，發(fā)生與4G的系統(tǒng)間測量，當(dāng)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(yōu)選NSA錨點站切換，切換后在EPC+核心網(wǎng)控制下建立5G NR的雙連接承載。

NSA/LTE-》SA連接態(tài)重定向：NSA信令面錨定在4G上，當(dāng)用戶移動到SA NR覆蓋區(qū)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(tài)小區(qū)重選；當(dāng)UE從EPC移動到5GC時，UE總是執(zhí)行重注冊流程。當(dāng)UE從5GC移動到EPC時，UE執(zhí)行跟蹤區(qū)域更新流程。

3.2.2 語音業(yè)務(wù)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(xiàn)有IMS網(wǎng)絡(luò)，VoNR具備在5G網(wǎng)絡(luò)下持續(xù)提供語音業(yè)務(wù)的能力，針對不同場景，5G網(wǎng)絡(luò)提供不同的語音解決方案。5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期由于未實現(xiàn)連續(xù)覆蓋和針對語音業(yè)務(wù)的優(yōu)化，語音業(yè)務(wù)可由4G VoLTE承載或通過EPS Fallback回落到LTE承載。在SA/NSA多模組網(wǎng)環(huán)境下采用EPS Fallback方案的語音業(yè)務(wù)切換場景如下。

（1）用戶從NSA小區(qū)到SA小區(qū)的移動中正在使用語音業(yè)務(wù)當(dāng)用戶使用NSA單模終端時，用戶初始在LTE+NSA小區(qū)下使用VoLTE語音業(yè)務(wù)，當(dāng)移動至LTE+SA小區(qū)下后，仍保持在LTE接入狀態(tài)，繼續(xù)VoLTE業(yè)務(wù)。當(dāng)VoLTE業(yè)務(wù)結(jié)束后，用戶仍留在LTE網(wǎng)絡(luò)中。

當(dāng)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(qū)下使用VoLTE語音業(yè)務(wù)，當(dāng)移動至LTE+SA小區(qū)后，仍保持原LTE接入狀態(tài)，繼續(xù)使用語音業(yè)務(wù)。當(dāng)用戶在SA小區(qū)覆蓋下語音通話結(jié)束后，eNB負(fù)責(zé)觸發(fā)到5G SA NR的快速返回。

（2）用戶從SA小區(qū)到NSA小區(qū)的移動中正在使用語音業(yè)務(wù)當(dāng)用戶使用NSA單模終端時，用戶初始在LTE+SA小區(qū)下接入至EPC使用VoLTE語音業(yè)務(wù)，移動至LTE+NSA小區(qū)下后，繼續(xù)使用VoLTE語音業(yè)務(wù)，并一直接入EPC網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)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(qū)下接入至5GC中，當(dāng)終端使用語音業(yè)務(wù)時，通過EPS FB回落到LTE網(wǎng)絡(luò)中，回落流程中承載VoLTE業(yè)務(wù)的PDU會話會切換/重定向到LTE網(wǎng)絡(luò)，同時數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)PDU會話也會遷移到LTE。當(dāng)用戶移動至LTE+NSA小區(qū)后，繼續(xù)VoLTE語音業(yè)務(wù)。當(dāng)語音業(yè)務(wù)結(jié)束后，可建立雙連接享受5G NSA服務(wù)。

因此無論NSA/SA，語音業(yè)務(wù)均承載在LTE上，所以不存在語音業(yè)務(wù)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(yè)務(wù)連續(xù)性

4G/5G切換場景的業(yè)務(wù)連續(xù)性由4G/5G互操作架構(gòu)的部署保證。5G核心網(wǎng)采用C/U分離架構(gòu)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(jié)點AMF負(fù)責(zé)執(zhí)行SMF的節(jié)點選擇，SMF負(fù)責(zé)執(zhí)行UPF的節(jié)點選擇。當(dāng)5G SA終端接入5GC時，核心網(wǎng)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(yīng)按需部署支持融合節(jié)點，實現(xiàn)業(yè)務(wù)連續(xù)性。

終端從EPC接入時，MME基于終端能力進(jìn)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(huán)境下，接入4G，實現(xiàn)基于4G的業(yè)務(wù)連續(xù)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(qū)時，保持業(yè)務(wù)連續(xù)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(huán)境下，業(yè)務(wù)可以保持連續(xù)。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(shù)運營商均采用NSA技術(shù)架構(gòu)部署5G網(wǎng)絡(luò)。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(wǎng)絡(luò)跨運營商漫游情況表

4 結(jié)束語

全球主要運營商普遍計劃在2020年規(guī)模商用5G，大部分運營商部署初期傾向于采用NSA模式組網(wǎng)，主要面向個人移動用戶和固定用戶。5G網(wǎng)絡(luò)是推動社會和垂直行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型重要基礎(chǔ)設(shè)施。而5G SA技術(shù)架構(gòu)是實現(xiàn)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(yè)應(yīng)用場景的技術(shù)基礎(chǔ)。中國移動積極推進(jìn)5G R15 SA和R16產(chǎn)業(yè)成熟，探索面向垂直行業(yè)的5G創(chuàng)新業(yè)務(wù)和應(yīng)用，同時兼顧快速部署，提出NSA/SA并舉的演進(jìn)策略，推動技術(shù)進(jìn)步和引領(lǐng)創(chuàng)新。在此基礎(chǔ)上引出5G多模式建網(wǎng)的技術(shù)探討，供大家參考。

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