第 3 章 5G 無線關鍵技術
3.3 多天線技術
3.4 LTE-NR 雙連接配接
LTE 在 R12 引入了雙連接配接的概念，即使用者可在無線資源控制（RRC，RadioResource Control）連接配接狀态下同時利用兩個基站獨立的實體資源進行傳輸。LTE雙連接配接擴充了載波聚合的應用，能夠有效提升網絡容量，并具有提高切換成功率、負載均衡等能力。3GPP 基于 LTE 雙連接配接提出了 LTE-NR 雙連接配接技術，定義了 4G、5G 緊密互操作的技術規範，開創性地将 RAT 間的互操作過程下沉至網絡邊緣。對于 5G 來說，基于 LTE-NR 雙連接配接技術的非獨立組網模式可使 5G核心網和接入網分步部署，有利于 5G 的快速部署和應用。當 5G 部署進入到較為成熟的獨立組網階段時，LTE-NR 雙連接配接技術對擴充 5G 網絡的覆寫、提升網絡性能仍具有重要意義。
3.4.1 LTE 雙連接配接技術
在 LTE 雙連接配接技術中，UE 同時與兩個基站連接配接，這兩個基站分别稱為主基站（MeNB，Master eNB）和輔基站（SeNB，Secondary eNB）。雙連接配接可實作載波聚合。不同的是，載波聚合的承載在 MAC 層分離，需要 MAC 層對兩個接入點的實體層資源進行同步排程。雙連接配接的承載分離在 PDCP 層進行，兩個接入點可獨立進行實體層資源的排程，不需要嚴格同步，是以，可采用非理想的回程鍊路連接配接 MeNB 和 SeNB。
在 R12 定義的 LTE 雙連接配接中，僅 MeNB 與移動管理實體（MME，MobilityManagement Entity）有 S1 接口的連接配接，SeNB 與 MME 之間不存在 S1 連接配接，如圖 3-15 所示。MeNB 通過 X2-U 接口與 SeNB 進行協調後産生 RRC 消息，然後轉發給 UE。UE 對 RRC 消息的回複同樣隻發送給 MeNB。是以，在 LTE 雙連接配接中 UE 隻保留一個 RRC 實體，系統資訊廣播、切換、測量配置和報告等RRC 功能都由 MeNB 執行。
LTE 雙連接配接中定義了主小區群（MCG，Master Cell Group）和輔小區群（SCG，Secondary Cell Group），并根據分離和轉發方式的不同，将資料承載分為 3 種形式。
• MCG 承載：MCG 承載從核心網的 S-GW 路由到 MeNB，并由MeNB 直接轉發給 UE，也就是傳統的下行資料轉發方式。
• SCG 承載：SCG 承載從核心網的 S-GW 路由到 SeNB，再由SeNB 轉發給 UE。
• Split 承載：Split 承載在基站側進行分離，可由 MeNB 或 SeNB 向 UE 轉發，也可由 MeNB 和 SeNB 按分離比例同時為 UE 服務。
R12 定義了兩種資料承載轉發結構。
（1）1a 結構。
如圖 3-16（a）所示，在 1a 結構中，MeNB 與 SeNB 都通過 S1 接口與 S-GW連接配接。資料承載在核心網進行分離，并發送給 MeNB 或 SeNB，經由 MeNB 轉發給 UE 的即為 MCG 承載，由 SeNB 轉發給 UE 的為 SCG 承載。MeNB 或 SeNB之間的 X2 回程鍊路上隻需要互動協同所需的信令，不需要進行資料分組的互動，是以回程鍊路的負載較小。同時雙連接配接不需要 MeNB 和 SeNB 之間的嚴格時間同步，是以，總體上 1a 結構對 X2 回程鍊路的要求較低。
資料承載通過 MeNB 或 SeNB 向 UE 傳送，是以，峰值速率取決于 MeNB和 SeNB 單站的傳輸能力。當 UE 發生移動時，小區切換需要核心網參與，切換效率較低，并存在資料中斷的問題。
效率較低，并存在資料中斷的問題。
（2）3c 結構。
如圖 3-16（b）所示，在 3c 結構中，隻有 MeNB 與核心網（S-GW）通過S1-U 接口連接配接，是以，資料承載隻能由核心網發送給 MeNB。MeNB 對承載進行分離，将全部或部分承載通過 X2-U 接口發送給 SeNB。由于需要資料分組的互動，3c 結構要求 X2 回程鍊路有較高的容量。
3c 結構中資料承載可由 MeNB 或 SeNB 發送給 UE，也可由 MeNB 和 SeNB同時發送給 UE，是以，下行傳輸的峰值速率可獲得顯著提升。另外，SeNB 分擔了 MeNB 的承載，可用于負載均衡，有利于提升密集部署異構網絡的整體性能。當 UE 發生移動時，3c 結構的切換過程對核心網的影響較小。同時，由于UE 同時連接配接了兩個基站，是以，提升了切換成功率。
3c 結構不但對回程要求較高，而且需要較複雜的層 2 協定。在 R12 版本中規定，3c 結構隻用于下行傳輸，不用于上行傳輸。
3.4.2 LTE-NR 雙連接配接技術
從全球範圍内看，各國的 5G 首發頻段主要有兩類：一類是毫米波頻段，如美國目前的 5G 商用重點為 28 GHz、39 GHz 等毫米波頻段的固定無線接入；另一類是 3.4～3.8 GHz 高頻頻段，例如，我國确定的 5G 首發頻段為 3.5 GHz。可見，相比于過去的移動通信系統，5G 工作在較高的頻段上，是以，5G 單小區的覆寫能力較差。即使可以借助大規模 MIMO 等技術增強覆寫，也無法使 5G 單小區的覆寫能力達到 LTE 的同等水準。是以，3GPP 擴充了 LTE 雙連接配接技術，提出了 LTE-NR 雙連接配接，使得 5G 網絡在部署時可以借助現有的 4G LTE 覆寫。LTENR雙連接配接有利于 4G 向 5G 的平滑演進，對快速部署和發展 5G 具有重要意義。
與 LTE 雙連接配接不同，LTE-NR 雙連接配接涉及 4G 的 E-UTRA 和 5G 的 NR 兩種不同的無線接入技術的互操作，也就是說，在 LTE-NR 雙連接配接中，UE 可同時與一個 4G 基站（eNB）和一個 5G 基站（gNB）連接配接，在 4G 網絡和 5G 網絡的緊密互操作之下獲得高速率、低延遲時間的無線傳輸服務。與 LTE 雙連接配接類似，LTE-NR 雙連接配接中将作為控制面錨點的基站稱為主節點（MN，Master Node），将起輔助作用的基站稱為輔節點（SN，Secondary Node）。
根據主節點和輔節點的類型，以及連接配接的核心網的不同，R15 中定義了 3種 LTE-NR 雙連接配接結構。
（1）EN-DC（E-UTRA-NR Dual Connectivity）：核心網接入 4G EPC，4G基站 eNB 作為主節點，5G 基站作為輔節點。EN-DC 中作為輔節點的 5G 基站主要為 UE 提供 NR 的控制面和使用者面協定終點，但并不與 5G 核心網（5GC）連接配接，是以，在 R15 中稱為 en-gNB。3GPP 提出了多種 5G 網絡結構備選方案。其中，除了獨立組網的 option2 之外，目前最受關注的 3 種非獨立組網方案為option3 系列、option7 系列和 option4 系列。其中，option3 系列的網絡結構就是在 EN-DC 雙連接配接技術基礎上建構的 4G、5G 混合組網的網絡架構。
（2）NGEN-DC（NG-RAN EUTRA-NR Dual Connectivity）：核心網接入 5GC，但主節點仍然為 4G 基站，5G 基站 gNB 作為輔節點。為了建立 5GC 與 4G 基站之間的連接配接，需要對 4G eNB 進行更新，稱為 ng-eNB，即支援 NG 接口協定的 eNB。NGEN-DC 結構可對應非獨立組網的option7 系列網絡架構。
（3）NE-DC（NR-E-UTRA Dual Connectivity）：核心網接入 5GC，主節點為 5G 基站 gNB，輔節點為更新的 LTE 基站 ng-eNB。基于 NGEN-DC 的組網結構符合 3GPP 提出的 option4 網絡架構的技術特點。
表 3-10 總結了 R15 中定義的 3 種 LTE-NR 雙連接配接結構。
LTE-NR 雙連接配接的控制面結構如圖 3-17 所示。圖 3-17（a）表示的是 EN-DC結構下的控制面，其中核心網 EPC 與作為主節點的 eNB 以 S1 接口連接配接、主節點與輔節點以 X2-C 接口連接配接。圖 3-17（b）和圖 3-17（c）分别表示 NGEN-DC和 NE-DC 兩種接口下的控制面，其中，核心網（5GC）與主節點以 NG-C 接口連接配接、主節點與輔節點之間以 Xn-C 接口連接配接，可以看出，EN-DC 結構中的控制面協定依然以 LTE 的控制面接口協定為主，而 NGEN-DC 和 NE-DC 由于接入 5G 核心網，相應的接口協定也采用了 5G 的接口協定。
值得注意的是，與 LTE 雙連接配接不同，LTE-NR 雙連接配接中的 UE 既有與主節點的 RRC 連接配接，又有與輔節點的 RRC 連接配接。輔節點的初始 RRC 資訊必須經由X2-C 或 Xn-C 轉發給主節點，再由主節點發送給 UE。一旦建立了輔節點與 UE之間的 RRC 連接配接，之後的重建立立連接配接等過程可在輔節點與 UE 之間完成，不再需要主節點的參與。輔節點可獨立地配置測量報告、發起切換等，具有較高的自主性。但是，輔節點不能改變 UE 的 RRC 狀态，UE 中隻維持與主節點一緻的 RRC 狀态。
的 RRC 狀态。
LTE-NR 雙連接配接使用者面與 LTE 雙連接配接相比有兩點較大的不同。首先是協定棧不同。如圖 3-18 所示，在 LTE-NR 雙連接配接中，除了 EN-DC 結構中的 MCG承載之外，SCG 承載和 Split 承載以及 NGEN-DC 和 NE-DC 兩種結構中的 MCG承載均在 NR PDCP 子層中分離。另外，由于 NGEN-DC 和 NE-DC 兩種結構接入了 5GC，是以，無線側協定增加了用于 QoS 流與資料承載映射的服務資料自适應協定（SDAP，Service Data Adaptation Protocol）子層，如圖 3-18（b）所示。
LTE-NR 雙連接配接的另一個顯著的不同是容許輔節點進行承載分離。實際上，由于 5G 傳輸的資料流量較大，進行承載分離的基站需要具備較強的處理能力和緩存能力。如果在作為主節點的 4G 基站中進行分離，為了滿足承載，則分離需要占用大量的 4G 基站資源，将會對 4G 傳輸産生較大影響。在這種情況下，在作為輔節點的 5G 基站上進行承載分離效率更高。
3.5 上下行解耦
在 LTE 系統中，小區選擇基于使用者終端接收到的下行參考信号的強度。但由于基站發射功率遠大于終端的發射功率，是以，實際中上、下行覆寫能力是不對稱的。上下行解耦是解決這一問題的有效手段之一。将上行傳輸遷移到不同頻段或鄰近的微基站，降低了上行傳輸對小區覆寫的限制，擴大了小區覆寫範圍，減少了基站建設的數量。
3.5.1 上下行覆寫差異
移動通信系統中的終端裝置尺寸較小，因而電池容量有限。為了滿足較長的續航能力，終端裝置的發射功率通常不會很大，比如目前手機終端的最大發射功率一般為 23 dBm（200 mW）。相反，為了保證下行傳輸的品質，基站裝置的發射功率可高達 46 dBm（40 W），遠大于終端的發射功率。基站與移動終端發射功率的差異導緻了小區上下行覆寫能力的不同。在圖 3-19 中，使用者所在的位置雖然能夠接收到下行信号，但其發起的上行傳輸信号在基站端無法被識别。
在 LTE 系統中，使用者終端根據接收到的下行參考信号強度進行小區選擇。在圖 3-19中，使用者終端能夠接收并解調來自基站的下行參考信号，但當其向基站發起接入或切換請求時，由于上行傳輸信号在基站側無法被識别，将導緻請求失敗。為了保持覆寫的連續性，網絡規劃時通常以上行覆寫半徑為标準計算站間距，但這樣做一方面增加了站點建設的需求，另一方面由于小區邊緣的下行信号強度較大，導緻小區間幹擾嚴重。
對于 5G 系統來說，上下行覆寫不一緻的問題對部署成本、網絡性能等方面的影響更為突出。首先，5G 的頻段較高，無線信号在傳播過程中衰減較大，導緻基站的覆寫不及 LTE。雖然可利用大規模 MIMO 及波束賦形等先進技術增強下行覆寫，但上行覆寫依然有限。以上行覆寫為基準進行 5G 網絡的規劃，達到連續覆寫所需的站點數量将是現有 4G 站點的 2～3 倍。另外，以往的移動通信系統中上行傳輸的業務量較小，是以，對信道條件的要求不高。但是 5G 的許多目标應用将會産生與下行相同量級甚至高過下行傳輸的業務量，比如高清的視訊會議、視訊直播等。這類應用需要 5G 網絡具備連續的、高品質的上行覆寫能力。最後，5G 的終端要求支援全頻段、具備較高的信号處理能力等，将引起耗電量的增加，因而應盡可能在不提高終端發射功率的前提下滿足上行覆寫需求。
3.5.2 5G 上下行解耦政策
針對上述問題，華為攜手合作夥伴向 3GPP 送出了關于上下行解耦技術的提案，建議将部分上行傳輸遷移至空閑的 LTE 頻段，以增強上行覆寫。圖 3-20以 1.8 GHz 的 LTE 頻段為例，解釋了上下行解耦技術。從圖中可以看出，如果利用 1.8 GHz 頻段進行上行傳輸，可顯著增強 5G 上行覆寫。對此，華為與英國電信聯合進行了外場測試，驗證了 5G（3.5 GHz）與 LTE（1.8 GHz）共址的情況下，利用上下行解耦技術可實作相同的覆寫效果。同時，将部分上行傳輸遷移到 LTE 頻段後，5G NR 可為下行傳輸配置設定更多的無線資源，可顯著提升下行傳輸容量。但是為保障上下行解耦技術的有效性，需要更精準的資源排程算法。同時還需盡可能避免對 LTE 系統産生影響。
3GPP 認同了上述提案，并将其納入 R15 版本的技術規範中。R15 的版本明确了用于補償上行（SUL，Supplementary Uplink）的頻段，即上下行解耦技術中可用的上行低頻頻段，具體如表 3-11 所示。值得注意的是，表 3-11 所列頻段隻用于 SUL 傳輸模式的上行傳輸。
結合表 3-11 中的 SUL 頻段，R15 定義了多種 SUL 頻段組合，如表 3-12 所示，其中，下行頻段主要為 n78 和 n79，可分别與不同的 SUL 頻段組合。
| 3.6 載波聚合
3.6.1 LTE 載波聚合
載波聚合（CA）是指同時在兩個或兩個以上的載波上為使用者配置傳輸的技術，其中每個獨立的載波稱為成分載波（CC，Component Carrier）。通過聚合多個成分載波，單使用者的傳輸帶寬成倍增加，可顯著提高傳輸速率。3GPP 在LTE R10 中提出了載波聚合的概念，并在之後的 Release 版本中不斷提出載波聚合的演進技術。
根據聚合的成分載波位置的不同，載波聚合可分為 3 種類型：帶内連續聚合、帶内非連續聚合和帶間聚合，如圖 3-21 所示。帶内連續聚合是指聚合的成分載波是同一頻段内的相鄰載波，如圖中成分載波 A1 與 A2。帶内非連續聚合中的成分載波同樣位于相同的頻段上，但不要求彼此相鄰，如圖中成分載波 A1與 An。帶間聚合是将不同頻段上的成分載波聚合，如圖中成分載波 A1 與 B1。帶内連續聚合需要有兩個或兩個以上連續且可用的載波，靈活性較差，但是射頻複雜度低、易于實作。非連續的載波聚合靈活性強，同時頻譜使用率也更高。
從使用者的角度，載波聚合能夠顯著提高傳輸帶寬，進而提高傳輸速率。R10中最多容許聚合 5 個成分載波。LTE 系統最大載波帶寬為 20 MHz，通過載波聚合可獲得 100 MHz 帶寬。到了 R13，容許聚合的載波數量提高到 32 個，最大聚合帶寬高達 640 MHz，上/下行傳輸的理論峰值傳輸速率可接近 25 Gbit/s。從系統的角度，載波聚合能夠将空閑頻段充分利用起來，顯著提高系統頻譜資源的使用率。
3.6.2 5G NR 載波聚合
5G 在 FR1 和 FR2 兩個頻率範圍内分别支援如下成分載波帶寬。
• FR1：5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz、25 MHz、40 MHz、50 MHz、60 MHz、80 MHz、100 MHz。
• FR2：50 MHz、100 MHz、200 MHz、400 MHz。
5G 技術将最大支援 16 個成分載波的聚合。由此可知，5G 在 FR1 内的聚合帶寬最大可達 1.6 GHz，遠大于 LTE 的 640 MHz 最大聚合帶寬；FR2 内的聚合帶寬最大可達到 6.4 GHz。
目前，R15 中對載波聚合配置的說明尚未完成。在目前版本中，可配置的最大聚合載波數量為 8，且限于帶内連續載波聚合。FR1 的最大聚合帶寬可達400 MHz，有兩種實作方式：聚合 4 個連續的 100 MHz 載波；聚合 8 個連續的50 MHz 載波。FR2 的最大聚合帶寬可達 1 600 MHz，通過聚合 4 個 400 MHz帶寬的成分載波實作。FR2 上 8 載波聚合支援的最大成分載波帶寬為 100 MHz，可獲得最大聚合帶寬為 800 MHz。R15 對帶間聚合的配置僅限于兩個獨立頻段、每頻段上 1 個成分載波；FR1 上可獲得的最大聚合帶寬為 200 MHz，FR2 上可獲得的最大聚合帶寬為 800 MHz。R15 中對帶内非連續載波聚合的配置尚在讨論中，将在後續版本的标準中說明。R15 中關于載波聚合的配置如表 3-13 所示。