NSA與SA混合組網下4G/5G協同優化應用研究

歐麗玲

（湖南郵電職業技術學院 湖南 長沙 410015）

0 引言

2019年，工業和信息化部正式頒發5G商用牌照。目前，三大運營商均完成了部分的5G網絡建設部署，建設初期受限于當時的技術成熟度和手機終端條件，5G基站均采用非獨立組網（Non-Standalone，NSA）模式，而獨立組網（Standalone，SA）能夠更好地滿足5G低時延、高傳輸可靠性的需求。5G作為一代全新的移動通信技術和關鍵的信息通信基礎設施，將深入到社會經濟的方方面面，因此在非獨立組網NSA和獨立組網SA混合組網模式下，4G/5G網絡的協同優化也變得越來越重要。

1 5G組網方式

1.1 5G組網方案

從移動通信技術發展規律來看，5G技術和產業鏈的發展成熟需要一個長期的過程，因此4G網絡與5G網絡存在長期共存、協同發展的情景。國際標準組織提出了多種5G與4G的互操作方案，5G組網方案總體來說可區分為獨立組網（SA）和非獨立組網（NSA）兩大類[1]。獨立組網SA需要建設單獨的5G核心網絡和5G新基站，5G業務流在5G基站的直接控制下接入5G核心網，基本完成5G網絡無線覆蓋，完全實現5G網絡的所有特性和功能。而非獨立組網NSA方式則是融合現在4G基站和網絡架構部署的5G網絡，5G業務流借助4G基站的控制，接入4G核心網或5G核心網。NSA非獨立組網方式在原有4G核心網上升級，使4G核心網具有5G核心網的功能。在5G部署的最早期階段，5G僅僅作為4G無線寬帶的補充，分擔4G網絡的流量，無法支持5G的功能和業務，因此5G獨立組網（SA）的標準化比非獨立組網（NSA）足足慢了半年之久[2]。

1.2 NSA組網和SA組網的優、劣勢

1.2.1 NSA組網方式的優勢

（1）NSA組網主要面向增強移動帶寬業務，其下行峰值速率與較獨立組網SA相當。

（2）NSA組網能夠有效利用4G網絡進行流量分流，節約網絡建設成本投入；NSA組網可以利用現有的設備，節省投資快速部署5G網絡。

（3）NSA組網模式下，因為采用4G與5G連接方式，可以實現5G單站覆蓋范圍的擴大，在覆蓋范圍層面，可以實現連續、不間斷的覆蓋[3]。

1.2.2 NSA組網方式的劣勢

（1）NSA組網無法滿足垂直行業的5G差異化業務需求，不支持5G網絡切片；現有的4G核心網絡架構無法滿足5G對于低時延和高傳輸可靠性的要求，無法支持某些5G新業務、新能力；同時NSA組網在網絡時延、業務部署敏捷性和服務可靠性上，會遠低于SA組網。

（2）NSA組網將4G、5G綁定，5G和4G在接入網級互通更加復雜，雖然利用了舊的4G設備，但是組網和運營成本也大大的增加。

（3）在NSA組網下，終端需要支持LTE和NR雙連接，終端成本也會更高。

1.2.3 SA組網的優、劣勢

（1）SA組網能夠滿足更高要求的5G服務，不局限于增強移動帶寬服務；上行速率極大地高于NSA非獨立組網方式。

（2）相比較于NSA組網，SA組網可以更加靈活的分配網絡切片服務等。

（3）SA組網是面向未來的網絡架構，支持的業務更加豐富，無線組網也相對更加簡單。

（4）SA組網的安全和開放功能更強，具有更強的加密算法、網間互聯和更安全的用戶數據，可全面實現網絡安全防護。

（5）SA組網需要重新建設5G基站和后端5G網絡，其建立網絡機構的資本消耗和成本開支更高，周期也較非獨立組網NSA更長。

非獨立組網NSA和獨立組網SA有著各自的優劣勢，也有著各自的待完善的地方。運營商需要從實際情況出發，根據網絡升級需求、技術方案的成熟性、終端產業鏈狀況、建設成本、應用場景等多角度配置非獨立組網NSA或者獨立組網SA模式，兼容兩種組網方式的優勢，科學合理確定自身的5G組網方案，減少獨立組網時的不足，這對于5G網絡建設有著很大的意義[4]。

2 5G的組網架構

對于5G的網絡架構，3GPP的定義是：5G是用于新的應用案例或更新舊的應用案例，可以在任何合適的網絡上進行部署[5]。5G網絡沿用傳統的網絡架構，網絡分為無線接入網和核心網；而5G網絡架構中無線接入網和核心網分別有兩種不同的選擇，因此，5G的組網架構指的是5G無線接入網和核心網的不同組合。無線接入網和核心網不同的組合方式，對應到不同的組網選項[6]。在3GPP的協議架構中，提出了8種組網選項，這8種組網選項分為獨立組網（SA）和非獨立組網（NSA）兩大類。根據核心網和無線接入網的不同選擇，組網選項1、2、5、6是獨立組網SA，組網選項3、4、7、8是非獨立組網NSA，非獨立組網選項3、4、7還有不同的子選項，如圖1所示。在這些組網選項中，選項1已經在4G網絡中實現，選項6和選項8僅僅是理論存在的部署場景，不具有實際的部署價值，這兩個選項3GPP并未考慮對其進行標準化。獨立組網SA和非獨立組網NSA是針對不同階段和不同層次運營商的5G業務需求而設計的[7]。

2.1 選項1

選項1是目前4G的部署方式，由4G網絡的4G核心網和4G基站組成，屬于純4G網絡的組網架構。

2.2 選項2

選項2是5G網絡部署的最終目標和終極形態之一，完全由5G基站和5G核心網組成，可以支持5G的所有應用和業務。選項2的核心網和基站需要全部更新，使用新的設備和技術來完成部署。選項2雖然架構簡單，但是需要新建大量的基站和核心網，部署消耗巨大，建設周期長，很難一步完成，需要進行網絡架構演進。

2.3 選項3系列

選項3首先演進無線接入網，同時升級4G核心網部分功能，該系列的基站連接的核心網都是4G核心網。選項3包括3種模式，即選項3、選項3a和選項3x，如圖2所示。

選項3：所有的控制面信令都經由4G基站eNB轉發， 用戶面數據在4G基站eNB處分流，4G基站eNB將數據分流給5G基站gNB；在這個選項中，4G基站eNB既要負責控制面信令，又要負責用戶面數據。選項3a：所有的控制面信令都經由4G基站eNB轉發，用戶面數據在4G核心網EPC側分流，4G核心網EPC將數據分流至5G基站gNB。選項3x：所有的控制面信令仍然由4G基站eNB轉發，用戶面數據在5G基站gNB處分流，5G基站gNB可將數據分流至4G基站eNB。

此場景以4G基站eNB為主基站，所有的控制面信令都經由4G基站eNB轉發，控制面錨點都在4G基站eNB。選項3可以最大程度利用現有的4G網絡，連接4G核心網，對原有的網絡改動小，網絡建設投資小，周期短。

2.4 選項4

選項4同時加入了5G核心網NGC和5G基站gNB。核心網采用5G核心網NGC，4G基站eNB和5G基站gNB都連接至5G核心網NGC。選項4也包含兩種模式：選項4和選項4a，如圖3所示。

選項4：所有的控制面信令都經由5G基站gNB轉發， 5G基站gNB將用戶面數據分流給4G基站eNB。選項4a：所有的控制面信令都經由5G基站gNB轉發，5G核心網NGC將用戶面數據分流至4G基站eNB。

與選項3不同，此場景以5G基站gNB為主基站，控制面錨點都在5G基站gNB。選項4主要用于5G網絡部署的中后期，4G網絡在局部區域作為補充，而5G網絡能部署在熱點區域，增加整個網絡系統的容量和提高吞吐量。

2.5 選項5

選項5部署了5G的核心網NGC，4G基站eNB連接至5G核心網NGC。選項5的4G基站eNB與5G基站gNB相比，在性能上存在很大差異，因此，選項5組網架構前景不容樂觀。

2.6 選項6

選項6首先部署了5G的無線接入網，但暫時采用了4G的核心網EPC，5G基站gNB連接至4G的核心網EPC。此場景會限制5G網絡的部分功能，如網絡切片等。3GPP 已經在標準中放棄這種配置。

2.7 選項7系列

選項7與選項3類似，區別在于同時部署了5G基站gNB和5G核心網NGC，但選項7仍然以4G基站eNB為主基站。選項3系列中的4G核心網EPC改為5G核心網NGC，其他的結構不變。所有的控制面信令還是都經由4G基站eNB轉發。選項7包含3種模式:選項7、選項7a和選項7x，如圖4所示。

選項7：所有的控制面信令都經由4G基站eNB轉發， 用戶面數據在4G基站eNB處分流，4G基站eNB將數據分流給5G基站gNB。選項7a：所有的控制面信令都經由4G基站eNB轉發，用戶面數據在5G核心網NGC側分流，5G核心網NGC將數據分流至5G基站gNB。選項7x：所有的控制面信令都經由4G基站eNB轉發，用戶面數據在5G基站gNB處分流，5G基站gNB可將數據分流至4G基站eNB。

3 NSA與SA混合組網下，4G/5G協同優化建議措施

3.1 合理選擇組網方式，不斷積累維護管理經驗

隨著5G基站和5G核心網NGC的逐步建設，提升了5G網絡的高速率、低時延后，用戶也會對4G網絡的性能懷著更高的期望；因此在NSA與SA混合組網下，4G網絡與5G網絡協同發展，處于長期共存的狀態，對4G網絡的性能也需要不斷加強，同時不斷推動5G技術的快速發展，以適應未來網絡業務的高度多樣性和差異性，為未來5G網絡技術的運行維護管理不斷的積累經驗，奠定基礎[8]。

在5G建設初期，信令面仍在4G網絡，而5G網絡在用戶面表現為4G的輔載波，因此在優化過程中需要聚焦4G信令新增字段、5G的新增字段、新增能力進行業務行為分析。

3.2 提升用戶使用體驗和網絡服務水平

NSA與SA混合組網下，5G覆蓋初期為非全覆蓋，速率是5G網絡相對4G網絡的最大優勢、也是最為突出的用戶感知。在5G網絡速率感知優化工作中，要從NSA邊緣區域性能與體驗提升入手，基于現階段5G網絡點覆蓋、小連片覆蓋為主的特點，對5G網絡邊緣、以及4G側NSA小區切換對速率感知的影響進行研究，降低用戶對速率差異的感知。

運營商也可以根據不同的區域特點，進行產業、行業和場景選擇，確定哪個場景更加具有剛性需求，同時注重商業模式的開發，設計4G和5G融合業務，實現用戶的一致性體驗，提升用戶體驗和網絡效率，提升網絡的服務水平。

3.3 協調4G、5G的互操作功能

NSA與SA混合組網下，由于5G初期網絡覆蓋范圍的有限性，與4G網絡的互操作過程也會頻繁觸發，因此需要對4G、5G的互操作過程中的相關信令流程、異?，F象差異、終端行為等進行研究[9]。NSA與SA混合組網下，4G、5G雙網仍然存在大量的網絡差異覆蓋邊緣，因此需要對更復雜、更頻繁的覆蓋要求低而網間互操作類的功能性問題進行探究。5G網絡標準中，需要為大規模物聯網業務、低時延高可靠連接業務以及超高清移動寬帶等應用提供服務和支持，因此在4G、5G協同優化過程中，需要結合各大品牌終端的網絡側參數設置，盡可能完全覆蓋各類使用場景、產業行業以及終端的型號，使得用戶在使用的過程中更加穩定。

此外，4G現行網絡中的部分有效功能和應用在5G網絡技術中可能不能夠使用，針對此類情況需要分別針對4G網絡和5G網絡雙邊制定相關功能策略。對于4G網絡和5G網絡的協同優化建設中，5G網絡的發展過程中需要對4G網絡系統進行兼容和運行，能夠繼續發展4G語音功能，協調4G、5G的互操作功能；在保障用戶感知、用戶需求、網絡效率、網絡質量的基礎上，保障4G網絡用戶向5G網絡用戶的平滑發展更新。

4 結語

本文從5G組網方案和5G組網架構出發，分析了5G的組網架構選項，同時分析了獨立組網SA與非獨立組網NSA的特點，并對SA組網和NSA非組網的優劣勢進行了對比。由于5G網絡在業務需求、業務體驗、關鍵指標、應用場景、智能化配置、關鍵技術等方面跟以往的通信網絡相比，都將出現極大的挑戰和創新性發展，因此本文提出在NSA與SA混合組網下4G/5G協同優化的建議，促進4G網絡向5G網絡順利平滑過渡。