[4G&5G专题-27]：架构-UE终端的4G+5G双连接详解

青衣

第1章. 什么是多连接
1.1 多连接概述

移动通信系统中，带宽越大，所能提供的吞吐量约高。
由于单个基站的带宽资源和覆盖范围有限，因此，集中多个小区或者多个基站的无线资源来为用户提供服务，更易于满足用户的容量需求和覆盖要求，这种方式通常称之为多连接。
双连接是多连接的一种特例，多连接并非起源于4G+5G的非独立组网，早在LTE时代，就有了LTE宏基站与小基站的双连接部署。
本文主要讨论的是“双连接”。
1.2 多连接的聚合和分离点的分类
LTE系统中，常用的多连接方式包括载波聚合、多点协作CoMP以及双连接等。而不同的多连接方式，其在协议栈中，聚合和分离的位置点是不相同的。

（1）在MAC层进行聚合与分离：载波聚合
载波聚合就采用了此方法。
在LTE R10版本中提出了LTE-A载波聚合技术，实现不同系统(FDD以及TDD)、不同频段、不同带宽间频带的组合使用，以便利用更大的带宽来提升系统性能。
载波聚合技术中，多个载波主要在MAC层进行聚合，多个分量载波共享MAC资源，MAC层需要支持跨载波调度，控制载波间的时域和频域联合调度。
（2）在PDCP层进行聚合与分离：双连接
双连接：DC, Dual-Connectivity，就采用了此方法。
基站间采用时延较小的光纤链路时，基站间协同调度的性能可以得到保证，所以载波聚合技术可以提供较好的性能。
但是，基站间采用xDSL、微波以及其他类似中继的链路时，传输时延就比较大，对载波聚合以及CoMP的性能会产生影响。
因此，需要采用LTE R12版本中提出的双连接(Dual Connectivity)技术，提供基站间非理想传输条件下的性能解决方案。
这种方式下，为了规避MAC层调度过程中的时延和同步要求极高的问题，数据在PDCP层进行分割和合并，随后将用户数据流通过多个基站同时传送给用户。从而有助于实现用户性能提升，对用户总体吞吐量和切换时延都有帮助。
本文重点阐述双连接的情形。
（3）在TCP层进行聚合与分离
这需要在应用服务器上实现，支持TCP数据可以通过不同的IP数据流进行传输，WiFi与蜂窝网的聚合就采用的这样方法。
1.3 多连接好处
（1）增加带宽，提升速率
（2）增加覆盖，通过增加低频连接，增加覆盖，避免因高频小区的距离短导致在不同小区之间的频繁切换。
1.4 双连接的本质
之所示称为双连接，是指终端与两个基站同时建立各自的RRC连接，即同时建立2个RRC连接。
但只在主基站上，建立与核心网的控制信令承载；可以在两个基站上各自建立与核心网的数据承载。
1.5 多连接的控制面与数据面连接方法分类
重点提示：
这里的分类方法中提到的控制面板与数据面，是指终端到核心网数据承载，而不是终端到基站的无线控制信道和无线业务信道！！！
（1）2C+2U的全连接

在这种模式下，终端与核心网之前，在不同的基站，建立各自完整的信令面与数据面的承载。
应用：

• LTE并没有采用这样方法
• 5G在某些场合下采用了此中方法。
  

优点：

• 可靠的、完整的数据面与信令面，一个基站出问题，整个通信不受影响
  

缺点

• 过于冗余，浪费空口资源
  

（2）2C+U

应用：

• LTE并没有采用这样方法
• 5G也没有采用这种方法
  

优点：

• 增加了信令面的可靠性
  

缺点

• 数据面没有得到改善，仅仅是增加了信令面的可靠性，意义不大 。
  

（3）1C+2U的

应用：

• 在4G和5G中得到广泛的应用：如载波聚合（CA）、双连接（DC）以及多点协同（CoMP）
  

优点：

• 增加了数据面的带宽
  

1.6 1C+2U模式下数据承载的三种方式

（1）信令承载方式

• 主承载：通过MeNB，终端与核心网之间信令承载。终端与基站之间的RRC连接以及对应的控制信道是需要的。
• 辅承载：终端与核心网之间，无需再通过SeNB再建立一条信令承载。终端与基站之间的RRC连接以及对应的控制信道是需要的。
  

（2）数据承载方式

• 方式1：主承载,，数据通过MeNB与核心网建立的数据连接、MeNB与UE之间建立的无线承载，进行传输。
• 方式2：分离承载，数据通过MeNB与核心网建立的数据连接、MeNB与UE之间建立的无线承载、SeNB与UE之间建立的无线承载进行传输，无线侧在MeNB的PDCP处进行汇集。聚合与分离点发生在PDCP层。
• 方式3：辅承载，数据通过SeNB与核心网建立的数据连接、SeNB与UE之间建立的无线承载，进行传输。
  

1.7 分清各种场景的基本思路

（1）两个核心网

• 4G核心网EPC
• 5G核心网5G CN
  

（2）两个基站

• 主站Master Node, 简称MN
• 从栈Slave Node，简称SN
  

（3）每个基站为终端与核心网之间建立的两个连接（或称为承载），最大4个连接。

• UE专有信令面连接：可选择其一
• UE专有数据面连接：可选择其一
  

（4）每个基站与终端的两个RRC连接，最大4个连接。

• UE专有信令面连接：必须的，用于基站与手机之间通过无线信道交换无线资源的控制和状态信息。
• UE专有数据面连接：必须的，用于基站与手机之间通过无线信道传输数据。
  

（5）基站之间的互联互通的两个连接，最大2个连接。

• 专有信令面连接
• 专有数据面连接
  

（6）基站对数据汇集与分离的层面

• PDCP层
• MAC层
  

也就是说，要说清双连接 ，需要说清上述6个方面的问题。
（7）三类PDCP数据流走向

• MCG的数据流：需要通过Master Node的无线帧承载
• SCG的数据流：需要通过Slave Node的无线帧承载
• split的数据流：需要通过Master Node和Slave Node之间进行分担
  

1.8 关于终端与基站之间的无线控制信道
无论是双连接，还是载波聚合，之所以终端与基站之间只需要一个UE专有的信令连接。
无论是4G还是5G, 蜂窝通信的所有无线资源（公共控制信道、专有控制信道、专有的数据信道）都是基站采用集中的方式进行统一分配的，并非由核心网分配。
相邻基站之间，只要MeNB与SeNB基站之间，协商好UE的无线资源的分配方案就可以了，可以不需要终端与基站之间进行无线资源的协商。
在MeNB基站与SeNB基站之间协商好之后，就可以通过MeNB控制信道通知UE。而MeNB与SeNB的协商，是通过X2接口进行的。
这就是为啥，终端与SeNB之间，可以不需要终端专有的控制信道，SeNB也能够帮助终端进行无线数据承载的根本原因。
再说SeNB还提供公共控制信道，SeNB可以通过公共控制信道向终端提供SeNB小区的公共信息。
（1）终端与核心网之间的UE专有信令连接：只需要在MeNB基站上建立即可。
（2）终端与基站的之间的RRC信令连接：各自独立，不共享
（3）终端与基站的之间的物理层控制信道：各自独立，不共享

第2章 4G LTE宏基站与小基站的双连接
2.1 LTE双连接基础
LTE 在 R12 引入了双连接的概念，即用户可在无线资源控制（RRC，RadioResource Control）连接状态下同时利用两个基站独立的物理资源进行传输。
LTE双连接扩展了载波聚合的应用，能够有效提升网络容量，并具有提高切换成功率、负载均衡等能力。
通过双连接技术，LTE宏站和小站可以利用现有的非理想回传（non-ideal backhaul）X2接口来实现数据汇集与分离，从而为用户提供更高的速率，以及利用宏/微组网提高频谱效率和负载平衡。
支持双连接的终端可以同时连接两个LTE基站，增加单用户的吞吐量。

MeNB：提供终端与核心网的信令承载，同时提供终端与核心网的数据承载的的基站，称为主eNodeB,主基站，
SeNB：不提供终端与核心网的信令承载，只提供终端与核心网的数据承载的的基站，称为次eNodeB，从基站等。
MeNB与SeNB之间的交互通过X2接口
2.2 LTE载波聚合与双连接的协议栈

双连接DC：发生在PDCP层
载波聚合CA：发生在MAC层
2.3 LTE inner eNB的载波聚合CA

PCell（Primary Cell）：主小区，同时提供终端与核心网信令连接、数据连接；同时提供L3 RRC连接, 也提供物理层控制和数据信道的小区。
SCell （Seconardary Cell）：辅助小区，不提供终端与核心网信令连接、数据连接，也不提供L3 RRC连接，只提供物理层控制和数据信道的小区。
CG（Cell Group）：小区组，在单一基站上，组成载波聚合CA的一个主小区和多个辅小区，形成一个小区组。
2.4 LTE inter eNB的载波聚合CA

2.4 LTE双连接DC与inter eNB的载波聚合CA

（1）MeNB：提供终端与核心网的信令承载，同时提供终端与核心网的数据承载的的基站，称为主eNodeB,主基站，
（2）SeNB：不提供终端与核心网的信令承载，只提供终端与核心网的数据承载的的基站，称为次eNodeB，从基站等。
（3）MeNB与SeNB之间的交互通过X2接口
（4）小区组MCG：驻留在MeNB基站上的小区组称为MCG

• PCell：在MeNB基站上，进行载波聚合的Primary Cell，提供CA和DC的空口信令连接。
• SCell：在MeNB基站上，进行载波聚合的Seconardy Cell，提供CA和DC的空口数据连接。
  

（5）小区组SCG：驻留在SeNB基站上的小区组称为SCG

• PSCell：在SeNB基站上，进行载波聚合的Primary Cell，提供CA的空口信令连接，不提供DC的信令连接。
• SCell：在SeNB基站上，进行载波聚合的Seconardy Cell，提供CA和DC的空口数据连接。
  

MCG与SCG共同组成跨越两个基站的双连接。

第3章 4G+5G双连接概述
基于 LTE 双连接，3GPP 提出了 LTE-NR 双连接技术，定义了 4G、5G 紧密互操作的技术规范，开创性地将 RAT 间的互操作过程下沉至网络边缘。
对于 5G 来说，基于 LTE-NR 双连接技术的非独立组网模式可使 5G核心网和5G接入网分开、分步部署，有利于 5G 的快速部署和应用。
当 5G 部署进入到较为成熟的独立组网阶段时，5G拥有自己的5G核心网，LTE-NR 双连接技术也会对扩展 5G 网络的覆盖、提升网络性能仍具有重要意义。
MR-DC: Multi-Radio DC, 4G+5G双连接的简称。
（1）双连接的核心网是4G

• EN-DC（option3）：eNB是Master Node（MN），NR是Secondary Node （SN）的双连接, 核心网是4G的核心网EPC，适用于5G非独立组网。
  

（2）双连接的核心网是5G

• NGEN-DC（option7）：eNB是Master Node（MN），NR是Secondary Node （SN）的双连接, 核心网是5G的核心网NC，适用于5G独立组网。
• NE-DC     （option4）： NR是Master Node（MN），eNB是Secondary Node （SN）的双连接，核心网是5G的核心网NC, 适用于5G独立组网。
  

第4章 option3双连接
4.1 选项3：NR基站为辅小区

在选项3系列中，终端同时连接到5G NR和4G LTE，能同时提供4G LTE广覆盖的无线接入和5G NR高速的无线接入。
这种组网方式下，由于并没有5G的核心网，严格意义上讲，不完全是5G网络，只是提供了5G的无线接入，只能满足5G eMBB增强移动宽带场景的需要，无法满足5G的其他两个场景的需要：URLLC 超可靠低时延通信和mMTC 海量机器类通信。因此，只能算4.5G的网络。
在控制面上，选项3系列完全依赖现有的4G系统。
在用户面的锚定点上，有3、3a和3x三个不同的子选项。
选项3的特点如下：
● 5G基站的控制面和用户面均锚定于4G基站，也就是说4G基站是双连接的主节点。
● 5G基站不直接与4G核心网通信，它通过4G基站连接到4G核心网。
● 4G和5G数据流量在4G基站处分流后再传送到手机终端。
● 4G基站和5G基站之间的Xn接口需同时支持控制面和5G数据面流量，以及支持流量控制，并要求满足时延需求。
显然，选项3架构最大的问题是----4G基站压力很大。
由于4G和5G数据流量分流(或聚合)于4G基站，这意味着4G基站要同时处理4G+5G流量，5G的峰值速率是4G的几十倍，且原来的4G基站并非为5G高速率而设计，因此，4G基站必然会遭遇处理能力瓶颈问题。解决办法就是对4G基站进行硬件升级。
但升级4G基站是要花钱的，一定有运营商不愿意，因此，3GPP就又推出了两种选项——选项3a和3x。
4.2 选项3a

选项3a和选项3的差别在于，5G的基站，直接与4G核心网的SGW建立连接 。

• 终端与核心网的控制面，锚定于4G基站。
• 终端与核心网的数据面，不再通过4G基站分流和聚合，各自与核心网建立数据面承载。
• 终端与和核心网数据的分流和汇集由核心网层或应用层完成。
  

选项3a虽然减轻了4G基站的负担，也不用花很多钱对4G基站进行硬件升级，但存在新的缺点。

• 首先，在用户面上，4G基站和5G基站各自直连4G核心网，两者之间没有X2接口互联，这意味着两者将各自为阵单独承载4G和5G，没有负荷共享，比如可能4G基站只承载VoLTE语音流量，而5G基站只承载上网流量。
• 同时，当手机从5G基站“切换”到4G基站时，需要核心网进行S1(基站与核心网之间的接口) Path Switch，所以存在一点点“切换”时延。
  

4.3 选项3x
（1）网络架构

选项3x可以看成是选项3和选项3a的合体。
在选项3x下，

• 终端与核心网的控制面，锚定于4G基站。
• 终端与核心网的用户面，5G基站直接连接4G核心网，用户数据流量的分流和聚合也在5G基站处完成，要么直接传送到终端，要么通过X2接口将部分数据转发到4G基站再传送到终端。
  

选项3x架构面向未来，它即解决了选项3架构下4G基站的性能瓶颈问题，无需对原有的4G基站进行硬件升级，也解决了选项3a架构下4G和5G基站各自为阵的问题。
对于一些低速数据流，比如VoLTE，还可以从4G核心网直接传送到4G基站。
目前为止，大多数运营商选择了选项3x。
（2）协议栈

（1）两个核心网

• 4G核心网EPC
  

（2）两个基站

• 主站Master Node, 简称MN，为4G基站
• 从栈Slave Node，简称SN ，为5G基站
  

（3）每个基站为终端与核心网之间建立的两个连接（或称为承载），最大4个连接。

• 4G基站与核心网MME建立UE专用的信令连接
• 4G基站与核心网SGW建立UE专用的数据连接
• 5G基站与核心网MME无需建立UE专用的信令连接
• 5G基站与核心网SGW建立UE专用的数据连接
  

（4）每个基站与终端的两个连接，最大4个连接。

• 终端与4G基站建立RRC信令承载
• 终端与4G基站建立数据承载
• 终端与5G基站建立RRC信令承载 （载波聚合CA时，终端就不需要与Scell建立RRC连接，这是双连接与载波聚合其中一个重要的区别，这也是双连接的含义）
• 终端与5G基站建立数据承载
  

（5）基站之间的互联互通的两个连接，最大2个连接。

• 专有信令面连接
• 专有数据面连接
  

（6）基站对数据汇集与分离的层面

• PDCP层
  

（7）三类PDCP数据流走向

• MCG的数据流：4G的数据流
• SCG的数据流： 5G only的数据流
• Split的数据流：  5G需要4G+5G负载均衡的数据流，决策权在5G基站的NR PDCP。
  

第5章 option7双连接
选项7系列包括7、7a和7x三个子选项。
类似于选项3，可以把它看成是选项3系列的升级版，只是选项3系列连接4G核心网，而选项7系列则连接5G核心网，NR和LTE均迁移到新的5G核心网。
在空口一侧与选项3完全一致，可以看成是NSA向SA部署的过渡。
5.1 选项7

5.2 选项7a

5.3 选择7x
（1）网络架构

（2）协议栈

与选项3X一致，手机的锚点在4G基站，即使用4G建立控制面。
唯一的区别在于：

• 核心网是5G的核心网
  

第6章 option4双连接
选项4系列包括4和4a两个子选项。
选项4系列要求一个全覆盖的5G网络，因而采用小于1GHz频段来部署5G的运营商比较青睐这种部署方式。
在这个选项中，4G的主要任务是进行网络覆盖。
6.1 选项4

在选项4系列下，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。
6.2 选项4a
（1）网络架构

选择4a与选择4的区别是4G LTE的基站可以直接与5G的核心网UPF直接建立数据连接。
5G核心网下的4a的网络架构，对应这LTE核心网下的选项3X。
（2）协议栈

与选项3X一致，主要的区别在于：

• 手机的锚点在5G基站，在5G基站上建立终端与核心网的控制面承载。
• 核心网：5G的核心网