[4G5G专题-27]：架构-UE终端的4G+5G双连接详解

第1章. 什么是多连接

1.1 多连接概述

1.2 多连接的聚合和分离点的分类

1.3 多连接好处

1.4 双连接的本质

1.5 多连接的控制面与数据面连接方法分类

1.6 1C+2U模式下数据承载的三种方式

1.7 分清各种场景的基本思路

1.8 关于终端与基站之间的无线控制信道

第2章 4G LTE宏基站与小基站的双连接

2.1 LTE双连接基础

2.2 LTE载波聚合与双连接的协议栈

2.3 LTE inner eNB的载波聚合CA

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

第3章 4G+5G双连接概述

第4章 option3双连接

4.1 选项3：NR基站为辅小区

4.2 选项3a

4.3 选项3x

第5章 option7双连接

5.1 选项7

5.2 选项7a

5.3 选择7x

第6章 option4双连接

6.1 选项4

6.2 选项4a

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