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关键技术 五:LTE-A DC 双连接 | 带你读《5G UDN(超密集网络)技术详解》之十四

2019-12-25 00:00:00 mimukeji

第 2 章 LTE 微蜂窝和小小区技术

2.3.5 LTE-A 小小区开关

2.3.6 LTE-A DC 双连接

虽然前述的载波聚合技术,能提供高效的无线频谱资源之间的聚合,但在 LTE 网络侧,由于载波聚合技术架构要求多个分量载波之间,必须由同一个 MAC 实体进行统一的调度和资源管理,这就要求多个分量载波被同一基站所配 置管理,或者虽然跨不同的基站,但它们之间能用理想低时延的回程链路(Ideal Backhual)相连,因此即使是两个独立 MAC 实体,它们之间也可进行实时的 无线资源协同操作。前面的 CoMP 技术中,已阐述了 CoMP 的应用条件要求, 对节点部署成本要求相对较高,因此跨站 CoMP 实际应用并不多。在现实的异 构网络部署中,宏基站之间或者宏基站和微基站之间,可能来自不同的网络设 备供应商(异厂家),或者它们之间通过更低成本的非理想回程链路(Non-Ideal Backhual)承载连接,这就使得载波聚合技术的应用受到很大限制,甚至载波 聚合根本不能正常工作。
为了能够实现非理想回程链路相连接的基站之间的载波聚合(适用的 场景更广泛),以提高系统容量、用户平均吞吐率和峰值速率以及在异构微 蜂窝环境中的移动性能,LTE-A Rel-12 引入了双连接技术(DC,Dual Connectivity),它使得终端和两个异频配置且有独立 MAC 调度的基站,同时 分别建立无线链路(主 RL 和辅 RL),终端同时使用它们的无线资源进行上下 行数据传输。
LTE-A DC 工作模式下,终端的控制面信令无线承载(SRB,Signaling Radio Bearer)建立在主服务小区集合内(通常为宏小区),而用户面数据无线 承载可建立在任一主或辅服务小区集合内。通过 LTE-A DC 技术,不仅 LTE 网络下的无线资源能获得更多的聚合而被利用,终端的平均吞吐率也能像载波 聚合那样获得提升,当终端在不同的辅小小区之间移动切换时,由于终端可以 始终保持与主节点 MeNB 的主无线链路,因此可保证主服务小区集合(MCG, Master Cell Group,可包含一个 Pcell 和若干个 Scell)侧的 SRB 及 DRB 上 数据传输不被中断,从而使用户通信体验得到改善,同时辅服务小区集合侧 (SCG,Secondary Cell Group,可包含一个 PScell 和若干个 Scell)硬切换的 健壮性也增强。此外,MME 通过主 S1-C 连接锚定在主节点(MeNB)上,可 有效减少辅节点(SeNB)侧的小小区切换改变而带来的与核心网的信令交互,从而减少核心网侧的信令负荷。LTE-A DC 也可与各个基站内的 CA/CoMP 等 技术联合在一起应用,因为它们涉及不同的协议层操作。LTE-A 暂时不支持 终端和两个同频配置的基站之间进行双连接操作,因为同频工作的主辅服务小 区间的无线干扰,极大地降低了系统性能的增益(注:5G NR 可以支持终端和 两个同频配置的 gNB 基站之间进行 NR 双连接操作,因为通过波束赋形等增强 手段,同频工作的主辅服务小区间的无线干扰能被抑制)。
LTE-A DC 技术中,网络侧控制面和用户面的架构如图 2-11 所示。
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LTE-A DC 操作下的两个 eNB 分别为主节点 MeNB(Master eNB)和辅 节点 SeNB(Secondary eNB),它们通过普通的 X2 逻辑接口相连接,X2 接 口可由回程链路或者非回程链路回程传输承载。在 LTE-A DC 中,UE 通过 MeNB 与核心网控制面节点 MME 只有唯一一个 S1-MME(S1-C)连接,终 端通过 MeNB 与核心网用户面节点 SGW 可以有多个 S1-U 连接,另外终端还 能同时通过 SeNB 和 SGW 有多个 S1-U 连接(1A 用户面分流架构)。MeNB 还可将 DRB 进行 MCG Split 承载分流操作,通过 X2-U 接口分流一部分 PDCP PDU 到 SeNB 侧,让 SeNB 辅助传输被分流的 PDCP PDU(3C 用户面 分流架构)。注:LTE-A DC 不支持 SCG Split 承载分流操作,即 SeNB 不能 通过 X2-U 接口分流一部分 PDCP PDU 到 MeNB 侧,让 MeNB 辅助传输被分 流的 PDCP PDU(3X 用户面分流架构)。
LTE-A DC 技术中,空口侧下行和上行的控制面 / 用户面架构分别如图 2-12 和图 2-13 所示。
在空口控制面 RRM 测量方面,终端在 MeNB/MCG 和 SeNB/SCG 两侧对 应的无线 RRM 测量,全由 MeNB 负责配置和管理,RRM 测量结果只在 SeNB Addtion/Modification 等流程中传递给 SeNB,辅助 SeNB 生成 SCG 具体的配置。在空口 Measurement Gap 配置使用方面,LTE-A DC 采用 Single Measurement Gap,即只配置给终端一套公共的 Measurement Gap,在 Measurement Gap 对应的时隙内,MeNB 和 SeNB 两侧和终端之间都不能进 行数据调度和传输。
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在终端能力协调方面,由于 MeNB 和 SeNB 在无线资源调度和终端基 带射频能力使用消耗方面是独立进行的,因此与无线资源调度动态紧密相 关 的 终 端 能 力( 如,Maximum number of DL-SCH transport block bits received within a TTI,Maximum number of UL-SCH transport block bits transmitted within a TTI)需在 MeNB 和 SeNB 之间提前进行预分割划 分。MeNB 负责硬分割划分这些终端基带能力,并将能力分割后的结果(SeNB 可使用的部分终端基带能力)发送给 SeNB 使用。MeNB 在终端能力硬分割划 分时,允许分配给 SeNB 的部分能力 +MeNB 自己使用的部分能力之和,稍微 超过终端的实际总能力。为了提高 UE 能力资源的使用率,可以假设:MeNB和 SeNB 会以极低概率同时使用消耗自身侧的最大终端能力部分,否则,一旦 冲突发生,会导致在该时刻两侧的数据传输都失败。
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在空口数据传输安全控制方面,如图 2-14 所示,对于 LTE-A DC 中配 置的 SCG 承载,SeNB 侧使用的根密钥为 S-KeNB,用于继续推导 SCG 承载 的加密密钥 Kup,S-KeNB 是由 MeNB 自己维护的根密钥 KeNB 及小小区计 数器(SCC,Small Cell Counter)联合推导产生,并在生成 S-KeNB 后,在 SeNB Addtion/Modification 流程时发送给 SeNB 使用。每当 MeNB 不变但 SeNB 要变,SCC 都要随之更新和递加 1。SCC 由 MeNB 在空口直接发送给 UE,UE 本地推导产生 SCG 侧根密钥 S-KeNB,和 SeNB 内的 S-KeNB 相匹 配。MeNB 切换变化而导致的根密钥 KeNB 改变,或者 SCC 达到最大值翻转, 或者任何 SCG 承载对应的 PDCP SN 值达到最大值翻转,均可触发 S-KeNB 的更新过程,终端均要触发 SCG Change 流程重启 SCG 用户面。
从上述 LTE-A DC 在 RRM 相关配置、UE 能力协同、安全 S-KeNB 的产 生过程等方面可以看出,SeNB 侧操作很大程度上受到 MeNB 的约束和控制, SeNB 除了在 MAC 调度 PHY 传输上拥有灵活自主权之外,其他 RRC 高层控 制方面基本都受到 MeNB 的强控制,笔者称这种为单 RRC 模型,此时 SeNB 不具备独立的 RRC 决策和配置能力(注:在后面 5G MR-DC 技术中,还有双 RRC 模型,此时 SeNB SN 具备一定独立的 RRC 决策和配置能力,这就能削 弱主辅节点之间的耦合绑定关系)。
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总的来说,LTE-A DC 是一种具有里程碑意义的关键小小区技术,它使终 端从过去的单无线链路工作方式,拓展到了双无线链路工作方式,并且未来可 能进一步拓展到更多无线链路的工作方式。多链路意味着更多的无线资源被聚 合利用和更强的无线链路健壮性。LTE-A DC 的网络侧和空口侧技术架构和主 要的工作方式,也为未来 5G NR 系统相关的多连接技术,如 MR-DC 奠定了 母胎雏形,后面读者将会看到:它不仅适用于同 RAT 系统内的双 / 多连接,还 可适用于多 RAT 系统之间的双 / 多连接操作。
在传统的单无线链路工作方式下,蜂窝网络的部署都只能以小区为中心, 处于服务小区不同物理位置的 UE,通常获得不同的无线覆盖和容量供给性能。 随着 UE 的移动,这种变化常常又会影响到用户的通信业务体验,如数据传输 速率高低变化、无线链路健壮性变差、数据传输中断等。5G UDN 部署为双 / 多无线链路协作创造了客观条件,蜂窝网络的部署可以逼近以用户为中心的终 极目标,即无论移动的 UE 处于网络中服务小区间的何种位置,都可获得多条 无线链路联合的无线覆盖和容量供给。由于多条无线链路之间的性能均衡补充 作用,用户的通信业务体验相对更容易保持前后一致,如数据传输速率保持稳 定、链路健壮性一直很好、无任何数据传输中断等。
在未来 5G UDN 部署场景下,UE 在异构微蜂窝环境下的双 / 多无线链路 协作能力,将会成为一种重要的能力标配,它不仅可以大大提高异构网络的系 统容量和无线资源利用率,还能大大提升用户对各种高性能通信业务的体验期望,如超高的用户峰值速率、超高稳定的平均数据吞吐率、极低的数据传输时 延和超可靠的无线链路健壮性等。有一些 5G 高性能要求蜂窝业务,如高清幻 真视频、移动虚拟现实、大数据同步、无人驾驶控制等,甚至只能在 5G UDN 部署下依赖多连接技术,才能顺利地开展应用,因此 5G 异构微蜂窝网络下的 CoMP 技术和双 / 多连接技术,也必将得到进一步的发展提升。