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未來的5G網絡建設中，可以採用5G作爲宏覆蓋獨立組網，也可以採用5G微小區進行熱點覆蓋。無論採用哪種組網方式，都可以通過LTE與5G系統間的雙連接技術，提高無線資源利用率，降低系統切換時延，提高用戶和系統性能。
要實現LTE和5G間的雙連接，就需要考慮如何選擇雙連接架構，考慮不同架構對4G和5G的用戶面和控制面協議的影響。下面從雙連接的概念、LTE/5G間雙連接應用的必要性、用戶面和控制面架構的選擇思路等方面予以分析。
1.LTE多連接及雙連接技術簡介
異構無線系統中，不同類型的基站協同組網時，由於單個基站的帶寬資源和覆蓋範圍有限，因此，集中多個小區或者基站的無線資源來爲用戶提供服務，更易於滿足用戶的容量需求和覆蓋要求，這種方式通常稱之爲多連接。LTE系統中，常用的多連接方式包括載波聚合、CoMP以及雙連接等。
移動通信系統中，帶寬越大，所能提供的吞吐量約高。R10版本中提出了LTE-A載波聚合技術，實現不同系統(FDD以及TDD)、不同頻段、不同帶寬間頻帶的組合使用，以便利用更大的帶寬來提升系統性能。載波聚合技術中，多個載波主要在MAC層進行聚合，多個分量載波共享MAC資源，MAC層需要支持跨載波調度，控制載波間的時域和頻域聯合調度。
基站間採用時延較小的光纖鏈路時，基站間協同調度的性能可以得到保證，所以載波聚合技術可以提供較好的性能。但是，基站間採用xDSL、微波以及其他類似中繼的鏈路時，傳輸時延就比較大，對載波聚合以及CoMP的性能會產生影響。因此，需要採用LTE R12版本中提出的雙連接(Dual Connectivity)技術，提供基站間非理想傳輸條件下的性能解決方案。這種方式下，爲了規避MAC層調度過程中的時延和同步要求，數據在PDCP層進行分割和合並，隨後將用戶數據流通過多個基站同時傳送給用戶。從而有助於實現用戶性能提升，對用戶總體吞吐量和切換時延都有幫助。
1.1 LTE雙連接控制面構架
LTE系統中，處於雙連接模式下的UE，只在MeNB與MME之間存在一個S1-MME連接。提供S1-MME連接的eNodeB稱爲主eNodeB(即MeNB)，另一個eNodeB用於提供額外的資源，稱爲次eNodeB(即SeNB)。
每個eNodeB都能夠獨立管理UE和各自的小區中的無線資源。MeNB與SeNB之間的資源協調工作經由X2接口上的信令消息來傳送。圖1中爲雙連接模式下的UE的控制面連接示意圖，其中，S1-MME終結在MeNB，MeNB與SeNB之間經由X2-C來互連。
圖1雙連接技術控制面連接示意圖
LTE雙連接系統中，SRB不能被分擔或者分割，也就是說，UE所需的全部RRC信令消息和功能都由MeNB進行管理，如公共無線資源配置、專用無線資源配置、測量和移動性管理等。R12規範中，MeNB與SeNB的無線資源管理(RRM)功能在協調後，由MeNB產生最終的RRC消息發送到UE，如圖2所示。UE認爲所有RRC消息都只是由MeNB發送的，因此也只對MeNB進行迴應。RRC消息在底層如何傳送取決於用戶面解決方案。
圖2 3GPP R12中雙連接的RRC傳送方案
1.2 LTE雙連接用戶面構架
LTE雙連接中，數據面無線承載可以由MeNB或者SeNB獨立服務，也可由MeNB和SeNB同時服務。僅由MeNB服務時稱爲MCG承載 (MCG：MeNB控制的服務小區組)，僅由SeNB服務時稱爲SCG承載 (SCG：SeNB控制的服務小區組)，同時由MeNB和SeNB服務時稱爲分離承載。如圖3所示。
圖3 用戶不同承載分離類型及協議棧示意圖
MCG承載是傳統的承載模式。控制面信令通常總是由MeNB承載來傳輸的。
SCG承載方式下，同一數據承載(上行和下行)由核心網控制分配到MeNB或者SeNB中。MeNB與SeNB都存在S1-U連接，數據流在覈心網分割後，經由MeNB和seNB獨立進行傳送，SeNB起到負荷分擔的作用，這種架構也稱爲1a方式，如圖4所示。這種方式對基站間回程沒有特殊要求，層2協議層也無需進行特殊配置，基站間不存在負荷分擔功能，其峯值速率完全取決於MeNB和seNB自身的無線能力，切換過程中，需要核心網參與，並存在數據中斷的問題。
圖4雙連接1a架構
分離(split)承載方式下，只在MeNB與核心網之間存在S1-U連接，所有下行數據流首先傳送到MeNB，再經MeNB按照一定算法和比例進行分割後，由X2接口把部分數據發送給SeNB，最終在MeNB和SeNB上同時給UE下發數據，此架構稱爲3c方式，如圖5所示。這種方式下，用戶從2個系統中獲取下行數據，便於實現負荷分擔和資源協調功能，也有利於提高用戶速率。另外，切換過程對核心網影響較小，且由於存在多條無線鏈路，所以切換時延低。其缺點在於，對基站間回程要求高，層2協議複雜性要求高，且基站間回程需要實現流控等功能。另外，R12版本中規定，分離承載方式只適用於下行方向。上行方向上，數據流不進行分割，可以經由MeNB或者SeNB進行傳輸。
圖5雙連接3c架構
需要注意的是，分離承載和SCG承載不能同時存在，也就是1a和3c方式需要獨立工作。由於2種方式各有優缺點，所以實際中如何選擇需要依據運營商對網絡的部署及對KPI的要求的權重等因素來確定。
2.5G建設中使用雙連接的必要性
在LTE網絡基礎上部署5G熱點時，可以只建設5G基站，將5G無線系統連接到現有的LTE核心網絡中，就可以實現5G系統的快速部署。這種情況下，通過雙連接技術實現LTE與5G系統間的協同工作，有助於提升用戶速率，降低切換時延。
隨着5G網絡的大規模部署，會考慮採用獨立5G系統單獨進行組網，這種情況下，雖然5G可以提供高速業務和更高的業務質量，但是在某些覆蓋不足的地方，仍可以藉助LTE系統來提供覆蓋和容量，因此雙連接仍將是一個不可或缺的技術手段。
從5G部署場景來看，採用雙連接技術都有助於提高系統性能。連續廣域覆蓋場景下，用戶同時連接到多個小區或者服務小區組，在切換過程中有助於降低時延，避免業務中斷，保持業務連續性。熱點高容量覆蓋下，通過雙連接技術，用戶使用多個小區的無線資源同時傳送數據，可以提高用戶吞吐量，滿足熱點高容量需求。對於低時延高可靠場景來說，採用多個鏈路進行數據和控制消息的傳送，可提高數據或者信令的傳輸速度和可靠性。
3.LTE-5G雙連接架構考慮
在LTE與5G系統間採用雙連接方式時，需要考慮如何選擇用戶面和控制面架構、UE的支持狀態等問題，以下予以詳細分析。
3.1 5G雙連接控制面架構選擇
3.1.1 控制面雙連接架構選擇
控制平面的多連接傳輸是指網絡通過多個小區爲用戶提供控制信令的傳輸。對於RRC消息來說，R12版本中規定僅由MeNB控制RRC消息的處理工作。除此之外，未來5G系統中也許還可以考慮RRC的分集發送以及多鏈路傳送等技術，以提高RRC信息傳送的可靠性。
- RRC的分集傳輸
在多個小區中傳送RRC控制信令，可以保證RRC消息傳送的可靠傳送。切換過程中，在源小區和多個目標小區內同時傳輸切換相關的信令，還可以避免無線鏈路失敗以及RRC連接重建過程，從而提高切換性能，保證用戶的無縫移動性。
- RRC的多連接
由多連接服務小區組內的多個小區向用戶發送RRC信令，可以降低傳輸時延和回傳鏈路上的信令開銷，實現快速高效的RRC配置和對多連接鏈路的優化管理。
對於上述多種方式，都需要考慮主服務小區和非主服務小區的RRC功能劃分、RRC信令的一致性以及信令流程等問題。
3.1.2 MeNB與SeNB的選擇
5G系統中是否具有完整的RRC協議層，將決定5G基站在雙連接網絡中的角色。
如果LTE與5G共用LTE核心網，但5G系統不支持所有的RRC消息，則UE無法通過5G網絡接入，5G系統的關鍵RRC消息仍需通過LTE系統下發。此時LTE可作爲MeNB，5G系統只能作爲SeNB。
如果5G採用獨立核心網，則意味着LTE和5G都具有完整的RRC協議和控制面協議，因此可以靈活選擇5G基站作爲MeNB還是SeNB。
3.2 5G雙連接數據面架構的選擇
3.2.1 用戶面雙連接架構選擇
LTE定義的雙連接用戶面架構中，如果同時採用MCG承載以及分離承載，則相當於3c模式，如果同時採用MCG承載和SCG承載，則相當於1a模式。那麼，未來的5G與LTE鍵採用雙連接時，該考慮選用哪種架構哪？
採用1a架構，數據流從核心網進行分割，然後經由MeNB和SeNB進行傳送。這種方式對無線網絡中各協議層影響較小，便於快速部署，但是無線資源協調功能相對較差，從而影響系統性能。如果採用這種架構實現LTE與5G系統間的雙連接功能，則可以降低對LTE無線系統的影響，且採用支持R12協議的LTE核心網就可以快速實現雙連接功能了。
採用3c架構，數據流在MeNB中分流後，經由MeNB和SeNB同時下發。採用這種方式實現LTE與5G網絡間的雙連接，則需要對PDCP協議和算法進行修改，因此對無線系統影響較大。
具體採用1a還是3c方式，可以從網絡建設需求和技術開發難度兩個角度來考慮。
- 目前5G標準尚未確定，5G核心網絡也處於研發階段，因此，如果想要快速建設5G無線網絡，可考慮將非標準化的5G無線系統接入LTE核心網，並採用1a雙連接模式，就可以快速實現5G與LTE之間的雙連接功能。這種方式既方便快捷，又可降低開發成本，還能夠避免對LTE無線網絡的臨時性改造。其缺點在於，由於使用LTE核心網，所以5G系統的帶寬可能受到核心網的限制。另外，LTE與5G系統帶寬差異較大時，也還需要深入研究核心網絡分流時用戶的性能特點。
- 未來5G空口標準明確後，LTE和5G的PDCP協議層不再發生太大變化，就可以根據標準要求設計符合規範要求的5G無線系統，或者對LTE無線系統進行相應的改造，從而設計出滿足3c架構雙連接需求的算法，實現類似3C的雙連接網絡體系，以便更好地實現無線資源間的協調和控制功能。
當然，5G標準中也可能會採用其它新的架構來實現雙連接功能，因此，未來3GPP標準中如何進行選擇和取捨，還有待進一步觀察、分析和研究。
3.2.2 3c模式下的分流方向
3c模式下，在LTE與5G之間實現雙連接功能時，由於5G系統帶寬資源比LTE大很多，因此從5G還是從LTE進行分流，對用戶的感知可能會產生一定的影響，分析說明如下。
不管是採用1a還是3c架構，都需要保證用戶側數據報的有序傳送和接收。正常情況下，LTE與5G性能差異較大，採用2條流速不同的鏈路，難以保證同一用戶數據的有序傳送，從而導致高速鏈路被低速鏈路所拖累，從而使承載的整體性能下降。因此，這種情況下采用雙連接對用戶面性能沒有太大幫助，但是控制面仍可以提供時延和可靠性的改善。爲了解決用戶面的問題，可以考慮全分割的方式(或者稱之爲轉換方式)，即同一時刻數據只在一個網絡上進行傳送，而不同時在兩個網絡上傳送，以避免兩個網絡間速率不同所產生的問題。
某些場景下，LTE與5G性能差異較小，通過分流有利於實現二者資源的協同應用。鑑於未來5G核心網設備的功能較爲強大，協議擴充性更強，空口性能也較好，因此可使用5G基站來控制分流，以便降低對LTE協議的影響，提供更好的性能。
3.3 UE的支持性
5G系統中，無論採用哪種雙連接網絡架構，都需要終端和芯片予以支持。因此，設備商需要和芯片廠家一起研究分析相關的解決方案，對協議修改的方便性和可行性等方面進行抉擇。
比如，在現用LTE芯片上實現LTE與5G的雙連接功能，需要新增5G協議處理模塊，以及LTE/5G數據分割和聚合模塊，支持不同系統下發的數據流的有效組合和排序處理，保證數據的有序接收和高性能。這對現有芯片的改造可能較大。另外，如果早期網絡建設中以求降低工作量，加快工期，僅考慮承載全分離功能(即上述轉功能)，也需要相應的芯片予以支持。
4. 結論
未來的5G系統中，無論採用獨立組網還是混合組網方式，對於各種應用場景，都可以藉助LTE與5G系統間的雙連接技術來提高吞吐量、可靠性和時延等性能。但是，應用雙連接技術時，具體選擇哪種用戶面和控制面網絡架構，還需要結合5G的技術特點以及建網策略，並以5G規範爲標準來具體選擇。總之，雙連接技術是5G網絡建設中的關鍵技術之一，在LTE與5G互操作方面將起到重要作用。
參考文獻：
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