LTE/5G双连接关键技术解析

　　1 引言
　　双连接（DC， Dual-Connectivity）是3GPP Release-12［1］版本引入的重要技术。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接口来实现载波聚合，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［2］。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。
　　在5G网络的部署过程中，5G小区既可以作为宏覆盖独立组网，也可以作为小站对现有的LTE网络进行覆盖和容量增强。无论采用哪种组网方式，双连接技术都可以用来实现LTE和5G系统的互连，从而提高整个移动网络系统的无线资源利用率，降低系统切换的时延，提高用户和系统性能。
　　3GPP Release-14［3］在LTE双连接技术基础上，定义了LTE和5G的双连接技术。LTE/5G双连接是运营商实现LTE和5G融合组网、灵活部署场景的关键技术。在5G早期可以基于现有的LTE核心网实现快速部署，后期可以通过LTE和5G的联合组网来实现全面的网络覆盖，提高整个网络系统的无线资源利用率、降低系统切换时延以及提高用户和系统性能。本文接下来将介绍LTE/5G双连接技术的典型部署场景及其协议架构，在此基础上以LTE/5G双连接模式3为例，详细介绍实现LTE/5G双连接的几点关键性技术。
　　2 LTE/5G双连接技术简介
　　本节主要介绍LTE/5G双连接的部署场景、各种不同双连接模式的协议架构及其适用场景。
　　2.1 LTE/5G双连接部署场景
　　3GPP Release-14［3-6］针对同构网络（Homogeneous Network）和异构网络（Heterogeneous Network），定义了两种典型的LTE和5G NR部署场景。
　　图1是同构网络场景下，LTE和5G NR基站共址并提供相同的重叠覆盖。这种场景下，LTE和5G NR全部是宏站或者全部是小站。
　　
　　图1 LTE和5G NR同构部署场景
　　图2是异构网络场景下，LTE和5G NR的部署方案。这种场景下，宏站和小站同时混合部署。LTE可以提供宏覆盖，5G NR作为小站进行覆盖和热点容量增强。LTE宏站和5G小站可以共址，也可以非共址，共址的情况下，小站一般是通过长光纤拉远低功率RRH来实现。
　　
　　图2 LTE和5G NR异构部署场景
　　图1和图2所示的两种部署场景下，都可以通过双连接技术实现LTE和5G互连，提高整个无线网络系统的无线资源利用率，降低切换时延，提高用户和系统性能。
　　2.2 LTE/5G双连接协议架构
　　5G网络的部署是一个渐进的过程。早期可以在现有LTE网络的基础上部署5G热点，将5G无线系统连接到现有的LTE核心网中，以实现5G系统的快速部署和方案验证。5G核心网建成之后，5G系统就可以实现独立组网，这种情况下虽然5G可以提供更高速的数据业务和更高的业务质量，但是在某些覆盖不足的地方，仍然可以借助LTE系统来提供更好的覆盖。针对这种多样的5G部署场景，3GPP Release-14［2］定义了多种可能的LTE/5G双连接模式：3/3a/3x，4/4a和7/7a/7x。
　　在LTE/5G双连接模式3/3a/3x的场景下，协议架构如图3所示，LTE和5G基站都连接在LTE核心网上，LTE eNB总是作为主eNB（即MeNB），5G gNB作为从eNB（即SeNB），LTE eNB和5G gNB通过Xx接口连接互连。控制面上S1-C终结在LTE eNB，LTE和5G之间的控制面信息通过Xx-C接口进行交互。用户面在不同的双连接模式下，有不同的用户面协议架构。数据面无线承载可以由MeNB或者SeNB独立服务，也可以由MeNB和SeNB同时服务。仅由MeNB服务时称为MCG承载（MCG是由MeNB控制的服务小区组），仅由SeNB服务时称为SCG承载（SCG是由SeNB控制的服务小区组），如图3中模式3a，同时由MeNB或者SeNB服务时称为分离式承载和SCG分离式承载，如图3中模式3和模式3x。
　　
　　图3 双连接模式3/3a/3x协议架构
　　双连接模式3的情况下，分离式承载建立在MeNB，即LTE eNB上，通过分离式承载，PDCP包可以经Xx接口转发到gNB的RLC层，也可以直接通过本地RLC发送给终端。模式3a会在MeNB和SeNB分别建立承载，数据在核心网侧分离，这种模式对MeNB和SgNB的DCP层不会产生影响。模式3x下，分离式承载建立在SgNB即5G gNB侧，5G gNB可以通过Xx接口将PDCP包转发给LTE eNB，也可以直接通过本地的NR RLC进行传输。
　　随着5G核心网的部署，一种可能的LTE和5G融合方式是将演进的LTE（eLTE， enhanced）eNB连接到5G核心网上。这种场景下，根据MeNB是eLTE eNB还是5G gNB，3GPP定义了两种不同的LTE/5G双连接模式。一种模式是5G gNB作为MeNB，称为模式4/4a，其协议架构如图4所示。另一种模式是以eLTE eNB作为MeNB，称为模式7/7a/7x，其协议架构如图5所示。双连接模式7/7a/7x和双连接模式3/3a/3x在协议架构上很相似，区别在于核心网是5G核心网还是LTE核心网。
　　
　　图4 模式4/4a的协议架构
　　图5 模式7/7a/7x的协议架构
　　3GPP定义了多种LTE/5G双连接模式，一方面为运营商的网络部署，特别是LTE和5G的融合组网带来了更多的灵活性；另一方面也增加了基站实现的复杂度。大多数设备厂商会按照不同运营商5G网络部署的路标选择要支持的双连接模式，并逐步演进。
　　3 LTE/5G双连接关键技术
　　3GPP仅仅对各种不同模式下的LTE/5G双连接的协议架构进行了定义，要真正实现LTE和5G双连接还有许多关键性技术需要突破。例如LTE/5G双连接的建立和触发机制；分离式承载数据的分发和Xx接口的流量控制；LTE或5G无线链路失败的异常处理以及双连接下的终端移动性管理等关键技术。本节将以LTE/5G双连接模式3为例，详细介绍实现LTE/5G双连接的一些关键性技术。
　　3.1 LTE/5G双连接建立的触发机制
　　图6展示了LTE/5G双连接模式3的情形下SgNB的添加过程。其中如何触发双连接的建立过程是由作为MeNB的LTE eNB来决定的，合理的双连接建立触发机制决定了双连接的最终性能。从实现的角度，一般有以下几种主要双连接建立触发机制。
　　1）（1）SgNB盲添加
　　终端接入LTE后，LTE eNB根据终端上报的UE能力，如是否支持LTE/5G双连接，邻区列表中是否有支持LTE/5G双连接的5G小区，以及和这些5G小区的Xx链路状态来决定是否为该终端添加SgNB。如果终端支持LTE/5G双连接，而且LTE小区配置了支持LTE/5G双连接的5G邻区，且Xx链路状态是通的，就触发双连接建立过程为该终端添加一个SgNB。
　　2）（2）基于邻区测量报告的SgNB添加
　　终端接入LTE后，如果满足SgNB盲添加条件，LTE eNB会给终端配置一个测量事件来触发终端对5G邻区进行测量。LTE eNB根据终端上报的测量结果，选择满足条件的5G邻区进行SgNB添加的过程。这种添加方式能够保证选择的SgNB能够给终端提供更稳定可靠的双连接服务。SgNB添加过程如图6所示：
　　
　　图6 SgNB添加过程
　　3） （2）基于流量的SgNB添加
　　根据终端测量上报的结果，LTE eNB会把满足SgNB添加条件的5G邻区保存下来。然后根据终端的流量或者待调度的数据量来决定是否添加SgNB。如果某个终端待调度数据量超过一定的门限，LTE eNB可以针对该终端选择一个最好的5G邻区发起SgNB添加流程。这种基于流量的SgNB添加方式只会给有需要的终端进行SgNB的添加，可以降低Xx接口上的信令负载。
　　上述三种SgNB添加方式各有优缺点。SgNB盲添加的方式实现简单，但可能会将信号质量不够好的5G邻区添加为终端的SgNB，从而导致双连接性能下降。基于邻区测量报告的SgNB添加方式会根据终端的测量报告来选择5G邻区，所以针对每个终端来说，所添加的SgNB都会有比较好的信号质量，保证了双连接的性能。但由于没有考虑终端的实际带宽需求，基于邻区测量报告的SgNB添加方式会增加Xx接口上的信令负载，并且会带来一些资源的浪费。基于终端流量的SgNB添加方式综合考虑了邻区的测量结果以及终端的实际带宽需求，是一种既能保证双连接性能，又能降低系统负载的SgNB添加方式。
　　3.2 分离式承载下的数据传输和流量控制
　　在LTE/5G双连接模式3下，用户面数据流如图7所示。上行用户面数据总是通过MeNB来传输。作为MeNB的LTE eNB会建立一个分离式承载，用于下行用户面数据路由和转发，下行用户面数据路由和转发的工作由PDCP层完成。分离式承载下的PDCP层会决定将下行PDCP PDU发给本地的RLC层，还是通过Xx接口转发给5G SgNB。分离式承载下的PDCP层的数据路由和转发主要实现两个功能：一是时延估计和数据发送路径选择；二是流量控制。其目标是尽量让通过不同路径发送出去的PDU经历相同的时延，从而减少终端侧PDCP层的分组重排序来提升TCP性能。文献［7-8］介绍了一种基于数据请求和转发的流量控制方法，SeNB定期向MeNB请求要发送的数据量。文献［9］采用的是一种在多终端场景下，最大化网络下行吞吐量的流量控制算法。文献［10］描述了在LWA的场景下，基于终端测量反馈的流量控制算法。本文详细介绍了一种基于路径时延估计的数据分发和流量控制算法。本算法可以通过参数配置针对不同场景灵活实现时延最小化或者下行流量最大化的目标。
　　
　　图7 双连接下的用户面数据流
　　1）（1）时延估计和数据传输路径选择算法
　　根据利特尔法则（Little’s law）［11］，一个稳定队列中的每个数据包的等待时间可以通过下面的公式进行计算：
　　waitTimePDU=PDUSize/Throughput （1）
　　其中是需要传输的PDU的平均数据量；是系统的平均传输速率。分离式承载下的PDCP层可以通过类似的算法，估算PDCP队列中的PDU通过本地RLC和通过SgNB传输所需要的时延。MeNB上的PDU传输时延可以通过下面的公式计算：
　　WaitTimeMeNB=（PDUSizeInflightMeNB+PDUSize）/ThroughputMeNB （2）
　　其中PDUSizeInflightMeNB表示决定经过MeNB进行传输但还没有发送给终端的数据量；PDUSize表示待传输，但还未确定在MeNB或者SgNB上传输的数据量；ThroughputMeNB表示MeNB上的平均传输速率。SgNB上的PDU传输时延可以通过下面的公式进行计算：
　　waitTimeSgNB=max（Xx_Latency， PDUSizeInflightSgNB/ThroughputSgNB）+PDUSize/ThroughputSgNB （3）
　　其中PDUSizeInflightSgNB表示决定通过SgNB传输但还没发送给终端的数据量；Xx_Latency表示Xx接口的传输时延；ThroughputSgNB表示SgNB上的平均传输速率。根据公式（2）和（3）的计算结果，只有当如下的不等式满足条件时，数据才会通过SgNB发送给终端，否则就从MeNB发送：
　　waitTimeSgNB-a×Xx_Latency＜WaitTimeMeNB （4）
　　其中a是一个可以配置的因子，其取值范围为0~1。a为0表示数据总是选择时延最小的的路径来发送，这种算法可以最小化分离式承载上的传输RTT（Round Trip Time）时间；a为1时，如果MeNB和SgNB的空口信号质量相当，更多的数据会通过SgNB来传输，这样MeNB就会有更多的无线资源释放出来服务那些不支持双连接的终端。
　　2）（2）流量控制算法
　　分离式承载下的PDCP层除了需要通过时延估计来选择PDU的传输路径外，还需要有效的流量控制算法来避免以下情况：由于SgNB侧空口无线信号质量的下降，SgNB缓存了过多的数据，导致终端侧出现了过多的分组重排序（Reordering），增加了传输层的传输时延。另一方面，如果PDCP PDU转发的太慢，会导致SgNB的RLC层队列为空，浪费了SgNB的无线资源，降低终端的速率。
　　一种可能的流量控制算法如下所示：
　　waitTimeSgNB≤Xx_Latency+Queueing_Delay_Limit （5）
　　WaitTimeMeNB≤Queueing_Delay_Limit （6）
　　其中，waitTimeSgNB和WaitTimeMeNB分别是估算的SgNB和MeNB传输时延，Queueing_Delay_Limit是一个根据最大的PDU数据大小和初始传输速率确定的常量，可以通过系统仿真来进行优化。如果不等式（5）满足条件，分离式承载的PDCP层通过Xx接口转发PDCP PDU到SgNB的RLC层。如果不等式（6）满足条件，分离式承载的PDCP层发送PDCP PDU到本地的RLC层。
　　基于时延估计的数据路由和流量控制算法可以用来提升双连接的性能。算法中的一些关键参数的计算准确性，会影响到双连接的实际性能。比如MeNB和SgNB的平均传输速率，ThroughputMeNB和ThroughputSgNB的计算。ThroughputMeNB可以根据MeNB内部调度器的调度结果直接进行准确计算，而对于ThroughputSgNB，MeNB不能直接拿到SgNB调度器的调度结果，而只能根据3GPP定义的Xx上的现有标准消息接口（DDDS， Downlink Data Delivery Status），来交互部分用于计算ThroughputSgNB的信息，这会影响到ThroughputSgNB计算的准确性。同时DDDS消息的更新周期也会影响到计算的ThroughputSgNB能不能及时反映SgNB的实际传输速率。另外一个影响到数据路由和流量控制算法有效性的关键参数是Xx_Latency。由于MeNB和SgNB的距离以及所处传输网络环境的不同，Xx_Latency不会是一个固定的值，需要通过仿真来验证本算法针对不同的Xx时延的有效性和最终性能。
　　4 结束语
　　本文详细介绍了3GPP Release-14定义的LTE/5G双连接模式及其协议架构，并以双连接模式3为例，详细阐述了几种LTE/5G双连接建立的触发机制以及SgNB添加过程，讨论了LTE/5G双连接下分离式承载PDCP层的数据路由和流量控制方法，提出了一种可靠的数据路由和流量控制算法。LTE/5G的实现还需要突破很多其他关键技术，比如双连接下的无线链路失败（RLF， Radio Link Failure）处理、终端移动性管理以及上行双连接的实现方案等，这些关键技术是后续研究工作中需要关注的内容。