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        LTE/5G雙連接關鍵技術

        http://www.rxbn.tw ( 2018/9/11 11:12 )

        *基金項目:國家科技重大專項“新一代寬帶無線移動通信網”-5G多接入融合組網技術研發、標準化與驗證(2017ZX03001008)

        【摘要】LTE/5G雙連接是運營商實現LTE和5G融合組網、靈活部署場景的關鍵技術,因此詳細介紹了3GPP定義的各種不同LTE/5G雙連接模式下的協議架構和部署場景,重點闡述了實現LTE/5G雙連接需要解決的關鍵技術,并討論了LTE/5G雙連接下分離式承載PDCP層的數據路由和流量控制方法,最后提出了一種可靠的數據路由和流量控制算法。

        【關鍵詞】LTE/5G;雙連接;流量控制

        doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.02.000      中圖分類號:TN929.5      文獻標志碼:A      文章編號:1006-1010(2018)02-0000-00

        引用格式:廖智軍,李振廷,石勝林,等. LTE/5G雙連接關鍵技術[J]. 移動通信, 2018,42(2): 00-00.

        Key Technology of LTE/5G Dual Connectivity

        LIAO Zhijun, LI Zhenting, SHI Shenglin, CAO Yuqun

        (Shanghai Nokia Bell Co., Ltd., Zhejiang Branch, Hangzhou 310053, China)

        [Abstract] LTE/5G dual connectivity is the key technology to implement the integrated network of LTE and 5G and flexible deployment scenario for operators. The protocol framework and deployment scenario defined by 3GPP under different LTE/5G dual connectivity modes were elaborated. The key technology to implement LTE/5G dual connectivity was expounded. The data routing and flow control at separate bearing PDCP layer of LTE/5G dual connectivity were discussed. Finally, a reliable algorithm of data routing and flow control was proposed.

        [Key words] LTE/5G; dual connectivity; flow control

        1   引言

        雙連接(DC, Dual-Connectivity)是3GPP Release-12[1]版本引入的重要技術。通過雙連接技術,LTE宏站和小站可以利用現有的非理想回傳(non-ideal backhaul)X2接口來實現載波聚合,從而為用戶提供更高的速率,以及利用宏/微組網提高頻譜效率和負載平衡[2]。支持雙連接的終端可以同時連接兩個LTE基站,增加單用戶的吞吐量。

        在5G網絡的部署過程中,5G小區既可以作為宏覆蓋獨立組網,也可以作為小站對現有的LTE網絡進行覆蓋和容量增強。無論采用哪種組網方式,雙連接技術都可以用來實現LTE和5G系統的互連,從而提高整個移動網絡系統的無線資源利用率,降低系統切換的時延,提高用戶和系統性能。

        3GPP Release-14[3]在LTE雙連接技術基礎上,定義了LTE和5G的雙連接技術。LTE/5G雙連接是運營商實現LTE和5G融合組網、靈活部署場景的關鍵技術。在5G早期可以基于現有的LTE核心網實現快速部署,后期可以通過LTE和5G的聯合組網來實現全面的網絡覆蓋,提高整個網絡系統的無線資源利用率、降低系統切換時延以及提高用戶和系統性能。本文接下來將介紹LTE/5G雙連接技術的典型部署場景及其協議架構,在此基礎上以LTE/5G雙連接模式3為例,詳細介紹實現LTE/5G雙連接的幾點關鍵性技術。

        2   LTE/5G雙連接技術簡介

        本節主要介紹LTE/5G雙連接的部署場景、各種不同雙連接模式的協議架構及其適用場景。

        2.1  LTE/5G雙連接部署場景

        3GPP Release-14[3-6]針對同構網絡(Homogeneous Network)和異構網絡(Heterogeneous Network),定義了兩種典型的LTE和5G NR部署場景。

        圖1是同構網絡場景下,LTE和5G NR基站共址并提供相同的重疊覆蓋。這種場景下,LTE和5G NR全部是宏站或者全部是小站。

        LTE和5G NR同構部署場景

        圖1    LTE和5G NR同構部署場景

        圖2是異構網絡場景下,LTE和5G NR的部署方案。這種場景下,宏站和小站同時混合部署。LTE可以提供宏覆蓋,5G NR作為小站進行覆蓋和熱點容量增強。LTE宏站和5G小站可以共址,也可以非共址,共址的情況下,小站一般是通過長光纖拉遠低功率RRH來實現。

        LTE和5G NR異構部署場景

        圖2    LTE和5G NR異構部署場景

        圖1和圖2所示的兩種部署場景下,都可以通過雙連接技術實現LTE和5G互連,提高整個無線網絡系統的無線資源利用率,降低切換時延,提高用戶和系統性能。

        2.2  LTE/5G雙連接協議架構

        5G網絡的部署是一個漸進的過程。早期可以在現有LTE網絡的基礎上部署5G熱點,將5G無線系統連接到現有的LTE核心網中,以實現5G系統的快速部署和方案驗證。5G核心網建成之后,5G系統就可以實現獨立組網,這種情況下雖然5G可以提供更高速的數據業務和更高的業務質量,但是在某些覆蓋不足的地方,仍然可以借助LTE系統來提供更好的覆蓋。針對這種多樣的5G部署場景,3GPP Release-14[2]定義了多種可能的LTE/5G雙連接模式:3/3a/3x,4/4a和7/7a/7x。

        在LTE/5G雙連接模式3/3a/3x的場景下,協議架構如圖3所示,LTE和5G基站都連接在LTE核心網上,LTE eNB總是作為主eNB(即MeNB),5G gNB作為從eNB(即SeNB),LTE eNB和5G gNB通過Xx接口連接互連。控制面上S1-C終結在LTE eNB,LTE和5G之間的控制面信息通過Xx-C接口進行交互。用戶面在不同的雙連接模式下,有不同的用戶面協議架構。數據面無線承載可以由MeNB或者SeNB獨立服務,也可以由MeNB和SeNB同時服務。僅由MeNB服務時稱為MCG承載(MCG是由MeNB控制的服務小區組),僅由SeNB服務時稱為SCG承載(SCG是由SeNB控制的服務小區組),如圖3中模式3a,同時由MeNB或者SeNB服務時稱為分離式承載和SCG分離式承載,如圖3中模式3和模式3x。

        雙連接模式3/3a/3x協議架構

        圖3    雙連接模式3/3a/3x協議架構

        雙連接模式3的情況下,分離式承載建立在MeNB,即LTE eNB上,通過分離式承載,PDCP包可以經Xx接口轉發到gNB的RLC層,也可以直接通過本地RLC發送給終端。模式3a會在MeNB和SeNB分別建立承載,數據在核心網側分離,這種模式對MeNB和SgNB的DCP層不會產生影響。模式3x下,分離式承載建立在SgNB即5G gNB側,5G gNB可以通過Xx接口將PDCP包轉發給LTE eNB,也可以直接通過本地的NR RLC進行傳輸。

        隨著5G核心網的部署,一種可能的LTE和5G融合方式是將演進的LTE(eLTE, enhanced)eNB連接到5G核心網上。這種場景下,根據MeNB是eLTE eNB還是5G gNB,3GPP定義了兩種不同的LTE/5G雙連接模式。一種模式是5G gNB作為MeNB,稱為模式4/4a,其協議架構如圖4所示。另一種模式是以eLTE eNB作為MeNB,稱為模式7/7a/7x,其協議架構如圖5所示。雙連接模式7/7a/7x和雙連接模式3/3a/3x在協議架構上很相似,區別在于核心網是5G核心網還是LTE核心網。

        模式4/4a的協議架構

        圖4    模式4/4a的協議架構

         

        圖5    模式7/7a/7x的協議架構

        3GPP定義了多種LTE/5G雙連接模式,一方面為運營商的網絡部署,特別是LTE和5G的融合組網帶來了更多的靈活性;另一方面也增加了基站實現的復雜度。大多數設備廠商會按照不同運營商5G網絡部署的路標選擇要支持的雙連接模式,并逐步演進。

        3    LTE/5G雙連接關鍵技術

        3GPP僅僅對各種不同模式下的LTE/5G雙連接的協議架構進行了定義,要真正實現LTE和5G雙連接還有許多關鍵性技術需要突破。例如LTE/5G雙連接的建立和觸發機制;分離式承載數據的分發和Xx接口的流量控制;LTE或5G無線鏈路失敗的異常處理以及雙連接下的終端移動性管理等關鍵技術。本節將以LTE/5G雙連接模式3為例,詳細介紹實現LTE/5G雙連接的一些關鍵性技術。

        3.1  LTE/5G雙連接建立的觸發機制

        圖6展示了LTE/5G雙連接模式3的情形下SgNB的添加過程。其中如何觸發雙連接的建立過程是由作為MeNB的LTE eNB來決定的,合理的雙連接建立觸發機制決定了雙連接的最終性能。從實現的角度,一般有以下幾種主要雙連接建立觸發機制。

        1)(1)SgNB盲添加

        終端接入LTE后,LTE eNB根據終端上報的UE能力,如是否支持LTE/5G雙連接,鄰區列表中是否有支持LTE/5G雙連接的5G小區,以及和這些5G小區的Xx鏈路狀態來決定是否為該終端添加SgNB。如果終端支持LTE/5G雙連接,而且LTE小區配置了支持LTE/5G雙連接的5G鄰區,且Xx鏈路狀態是通的,就觸發雙連接建立過程為該終端添加一個SgNB。

        2)(2)基于鄰區測量報告的SgNB添加

        終端接入LTE后,如果滿足SgNB盲添加條件,LTE eNB會給終端配置一個測量事件來觸發終端對5G鄰區進行測量。LTE eNB根據終端上報的測量結果,選擇滿足條件的5G鄰區進行SgNB添加的過程。這種添加方式能夠保證選擇的SgNB能夠給終端提供更穩定可靠的雙連接服務。SgNB添加過程如圖6所示:

        SgNB添加過程

        圖6    SgNB添加過程

        3)    (2)基于流量的SgNB添加

        根據終端測量上報的結果,LTE eNB會把滿足SgNB添加條件的5G鄰區保存下來。然后根據終端的流量或者待調度的數據量來決定是否添加SgNB。如果某個終端待調度數據量超過一定的門限,LTE eNB可以針對該終端選擇一個最好的5G鄰區發起SgNB添加流程。這種基于流量的SgNB添加方式只會給有需要的終端進行SgNB的添加,可以降低Xx接口上的信令負載。

        上述三種SgNB添加方式各有優缺點。SgNB盲添加的方式實現簡單,但可能會將信號質量不夠好的5G鄰區添加為終端的SgNB,從而導致雙連接性能下降。基于鄰區測量報告的SgNB添加方式會根據終端的測量報告來選擇5G鄰區,所以針對每個終端來說,所添加的SgNB都會有比較好的信號質量,保證了雙連接的性能。但由于沒有考慮終端的實際帶寬需求,基于鄰區測量報告的SgNB添加方式會增加Xx接口上的信令負載,并且會帶來一些資源的浪費。基于終端流量的SgNB添加方式綜合考慮了鄰區的測量結果以及終端的實際帶寬需求,是一種既能保證雙連接性能,又能降低系統負載的SgNB添加方式。

        3.2  分離式承載下的數據傳輸和流量控制

        在LTE/5G雙連接模式3下,用戶面數據流如圖7所示。上行用戶面數據總是通過MeNB來傳輸。作為MeNB的LTE eNB會建立一個分離式承載,用于下行用戶面數據路由和轉發,下行用戶面數據路由和轉發的工作由PDCP層完成。分離式承載下的PDCP層會決定將下行PDCP PDU發給本地的RLC層,還是通過Xx接口轉發給5G SgNB。分離式承載下的PDCP層的數據路由和轉發主要實現兩個功能:一是時延估計和數據發送路徑選擇;二是流量控制。其目標是盡量讓通過不同路徑發送出去的PDU經歷相同的時延,從而減少終端側PDCP層的分組重排序來提升TCP性能。文獻[7-8]介紹了一種基于數據請求和轉發的流量控制方法,SeNB定期向MeNB請求要發送的數據量。文獻[9]采用的是一種在多終端場景下,最大化網絡下行吞吐量的流量控制算法。文獻[10]描述了在LWA的場景下,基于終端測量反饋的流量控制算法。本文詳細介紹了一種基于路徑時延估計的數據分發和流量控制算法。本算法可以通過參數配置針對不同場景靈活實現時延最小化或者下行流量最大化的目標。

        圖7    雙連接下的用戶面數據流

        1)(1)時延估計和數據傳輸路徑選擇算法

        根據利特爾法則(Little’s law)[11],一個穩定隊列中的每個數據包的等待時間可以通過下面的公式進行計算:

        waitTimePDU=PDUSize/Throughput    (1)

        其中是需要傳輸的PDU的平均數據量;是系統的平均傳輸速率。分離式承載下的PDCP層可以通過類似的算法,估算PDCP隊列中的PDU通過本地RLC和通過SgNB傳輸所需要的時延。MeNB上的PDU傳輸時延可以通過下面的公式計算:

        WaitTimeMeNB=(PDUSizeInflightMeNB+PDUSize)/ThroughputMeNB   (2)

        其中PDUSizeInflightMeNB表示決定經過MeNB進行傳輸但還沒有發送給終端的數據量;PDUSize表示待傳輸,但還未確定在MeNB或者SgNB上傳輸的數據量;ThroughputMeNB表示MeNB上的平均傳輸速率。SgNB上的PDU傳輸時延可以通過下面的公式進行計算:

        waitTimeSgNB=max(Xx_Latency, PDUSizeInflightSgNB/ThroughputSgNB)+PDUSize/ThroughputSgNB   (3)

        其中PDUSizeInflightSgNB表示決定通過SgNB傳輸但還沒發送給終端的數據量;Xx_Latency表示Xx接口的傳輸時延;ThroughputSgNB表示SgNB上的平均傳輸速率。根據公式(2)和(3)的計算結果,只有當如下的不等式滿足條件時,數據才會通過SgNB發送給終端,否則就從MeNB發送:

        waitTimeSgNB-a×Xx_Latency<WaitTimeMeNB    (4)

        其中a是一個可以配置的因子,其取值范圍為0~1。a為0表示數據總是選擇時延最小的的路徑來發送,這種算法可以最小化分離式承載上的傳輸RTT(Round Trip Time)時間;a為1時,如果MeNB和SgNB的空口信號質量相當,更多的數據會通過SgNB來傳輸,這樣MeNB就會有更多的無線資源釋放出來服務那些不支持雙連接的終端。

        2)(2)流量控制算法

        分離式承載下的PDCP層除了需要通過時延估計來選擇PDU的傳輸路徑外,還需要有效的流量控制算法來避免以下情況:由于SgNB側空口無線信號質量的下降,SgNB緩存了過多的數據,導致終端側出現了過多的分組重排序(Reordering),增加了傳輸層的傳輸時延。另一方面,如果PDCP PDU轉發的太慢,會導致SgNB的RLC層隊列為空,浪費了SgNB的無線資源,降低終端的速率。

        一種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分別是估算的SgNB和MeNB傳輸時延,Queueing_Delay_Limit是一個根據最大的PDU數據大小和初始傳輸速率確定的常量,可以通過系統仿真來進行優化。如果不等式(5)滿足條件,分離式承載的PDCP層通過Xx接口轉發PDCP PDU到SgNB的RLC層。如果不等式(6)滿足條件,分離式承載的PDCP層發送PDCP PDU到本地的RLC層。

        基于時延估計的數據路由和流量控制算法可以用來提升雙連接的性能。算法中的一些關鍵參數的計算準確性,會影響到雙連接的實際性能。比如MeNB和SgNB的平均傳輸速率,ThroughputMeNB和ThroughputSgNB的計算。ThroughputMeNB可以根據MeNB內部調度器的調度結果直接進行準確計算,而對于ThroughputSgNB,MeNB不能直接拿到SgNB調度器的調度結果,而只能根據3GPP定義的Xx上的現有標準消息接口(DDDS, Downlink Data Delivery Status),來交互部分用于計算ThroughputSgNB的信息,這會影響到ThroughputSgNB計算的準確性。同時DDDS消息的更新周期也會影響到計算的ThroughputSgNB能不能及時反映SgNB的實際傳輸速率。另外一個影響到數據路由和流量控制算法有效性的關鍵參數是Xx_Latency。由于MeNB和SgNB的距離以及所處傳輸網絡環境的不同,Xx_Latency不會是一個固定的值,需要通過仿真來驗證本算法針對不同的Xx時延的有效性和最終性能。

        4   結束語

        本文詳細介紹了3GPP Release-14定義的LTE/5G雙連接模式及其協議架構,并以雙連接模式3為例,詳細闡述了幾種LTE/5G雙連接建立的觸發機制以及SgNB添加過程,討論了LTE/5G雙連接下分離式承載PDCP層的數據路由和流量控制方法,提出了一種可靠的數據路由和流量控制算法。LTE/5G的實現還需要突破很多其他關鍵技術,比如雙連接下的無線鏈路失敗(RLF, Radio Link Failure)處理、終端移動性管理以及上行雙連接的實現方案等,這些關鍵技術是后續研究工作中需要關注的內容。

        參考文獻:

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        [2] C. Rosa, K. Pedersen, H. Wang, et al. Dual Connectivity for LTE Small Cell Evolution: Functionality and Performance Aspects. IEEE Communications Magazine[J]. 2016(54): 137-143.

        [3] 3GPP TS 38.801. Study on New Radio Access Technology: Radio Access Architecture and Interfaces V14.0.0[S]. 2017.

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        [5] 3GPP TS 36.423. Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN); X2 application protocol (X2AP)[S]. 2017.

        [6] 3GPP TS 23.501. System Architecture for the 5G System; Stage 2[S]. 2017.

        [7] Hua Wang, Guillermo Pocovi, C. Rosa et al. Configuration of Dual Connectivity with Flow Control in a Realistic Urban Scenario[C]//IEEE 82nd Vehicular Technology Conference (VTC2015-Fall). 2015: 1-5.

        [8] Hua Wang, C. Rosa, K. I. Pedersen. Inter-eNB Flow Control for Heterogeneous Networks with Dual Connectivity[C]//IEEE 81st Vehicular Technology Conference (VTC Spring), 2015: 1-5.

        [9] Meng-Shiuan Pan, Tzu-Ming Lin, Chun-Yuan Chiu, et al, Downlink Traffic Scheduling for LTE-A Small Cell Networks with Dual Connectivity Enhancement[J]. IEEE Communications Letters, 2016(20): 796-799.

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        [11] WIKIPEDIA. Little’s Law[EB/OL] (2017-10-20)[2017-11-20]. https://en.wikipedia.org/wiki/Little%27s_law. ★

        作者簡介

        廖智軍:中級工程師,工學碩士畢業于浙江大學控制系,現任職于諾基亞通信系統技術(北京)有限公司浙江分公司,從事國家科技重大專項(項目編號:2017ZX03001008)“新一代寬帶無線移動通信網”-5G多接入融合組網技術研發、標準化與驗證的課題項目的研發工作,研究方向包括LTE/5G多連接技術、LTE物理層、MAC層調度器算法研究和實現,提交了多項發明專利。

        李振廷:中級工程師,工學碩士畢業于哈爾濱工業大學控制科學與工程專業,現任職于諾基亞通信系統技術(北京)有限公司浙江分公司,從事國家科技重大專項(項目編號:2017ZX03001008)“新一代寬帶無線移動通信網”-5G多接入融合組網技術研發、標準化與驗證的課題項目的研發工作,研究方向包括LTE/5G多連接技術、MAC層調度器算法研究和實現,提交了多項發明專利。

        石勝林:移動通信高級工程師,工學博士,畢業于華中科技大學電子信息與通信學院http://ei.hust.edu.cn/,現任職于諾基亞通信系統技術(北京)有限公司浙江分公司,從事國家科技重大專項(項目編號:2017ZX03001008)“新一代寬帶無線移動通信網”-5G多接入融合組網技術研發、標準化與驗證的課題項目的研發工作,研究方向包括LTE/5G多連接技術、LTE/5G空中接口/無線資源管理算法研究和實現,提交了多項發明專利。

        作者:廖智軍,李振廷 石勝林 曹玉群   來源:《移動通信》2018年3月

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