1 引言
雙連接（DC, Dual-Connectivity）是3GPP Release-12[1]版本引入的重要技術(shù)。通過雙連接技術(shù)，LTE宏站和小站可以利用現(xiàn)有的非理想回傳（non-ideal backhaul）X2接口來實(shí)現(xiàn)載波聚合，從而為用戶提供更高的速率，以及利用宏/微組網(wǎng)提高頻譜效率和負(fù)載平衡[2]。支持雙連接的終端可以同時(shí)連接兩個(gè)LTE基站，增加單用戶的吞吐量。
在5G網(wǎng)絡(luò)的部署過程中，5G小區(qū)既可以作為宏覆蓋獨(dú)立組網(wǎng)，也可以作為小站對現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行覆蓋和容量增強(qiáng)。無論采用哪種組網(wǎng)方式，雙連接技術(shù)都可以用來實(shí)現(xiàn)LTE和5G系統(tǒng)的互連，從而提高整個(gè)移動網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的無線資源利用率，降低系統(tǒng)切換的時(shí)延，提高用戶和系統(tǒng)性能。
3GPP Release-14[3]在LTE雙連接技術(shù)基礎(chǔ)上，定義了LTE和5G的雙連接技術(shù)。LTE/5G雙連接是運(yùn)營商實(shí)現(xiàn)LTE和5G融合組網(wǎng)、靈活部署場景的關(guān)鍵技術(shù)。在5G早期可以基于現(xiàn)有的LTE核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)快速部署，后期可以通過LTE和5G的聯(lián)合組網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)全面的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的無線資源利用率、降低系統(tǒng)切換時(shí)延以及提高用戶和系統(tǒng)性能。本文接下來將介紹LTE/5G雙連接技術(shù)的典型部署場景及其協(xié)議架構(gòu)，在此基礎(chǔ)上以LTE/5G雙連接模式3為例，詳細(xì)介紹實(shí)現(xiàn)LTE/5G雙連接的幾點(diǎn)關(guān)鍵性技術(shù)。
2 LTE/5G雙連接技術(shù)簡介
本節(jié)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(xié)議架構(gòu)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(gòu)網(wǎng)絡(luò)（Homogeneous Network）和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（Heterogeneous Network），定義了兩種典型的LTE和5G NR部署場景。
圖1是同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)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。
圖1 LTE和5G NR同構(gòu)部署場景
圖2是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景下，LTE和5G NR的部署方案。這種場景下，宏站和小站同時(shí)混合部署。LTE可以提供宏覆蓋，5G NR作為小站進(jìn)行覆蓋和熱點(diǎn)容量增強(qiáng)。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(yuǎn)低功率RRH來實(shí)現(xiàn)。
圖2 LTE和5G NR異構(gòu)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(shù)實(shí)現(xiàn)LTE和5G互連，提高整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的無線資源利用率，降低切換時(shí)延，提高用戶和系統(tǒng)性能。
2.2 LTE/5G雙連接協(xié)議架構(gòu)
5G網(wǎng)絡(luò)的部署是一個(gè)漸進(jìn)的過程。早期可以在現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上部署5G熱點(diǎn)，將5G無線系統(tǒng)連接到現(xiàn)有的LTE核心網(wǎng)中，以實(shí)現(xiàn)5G系統(tǒng)的快速部署和方案驗(yàn)證。5G核心網(wǎng)建成之后，5G系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立組網(wǎng)，這種情況下雖然5G可以提供更高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和更高的業(yè)務(wù)質(zhì)量，但是在某些覆蓋不足的地方，仍然可以借助LTE系統(tǒng)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(xié)議架構(gòu)如圖3所示，LTE和5G基站都連接在LTE核心網(wǎng)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(jié)在LTE eNB，LTE和5G之間的控制面信息通過Xx-C接口進(jìn)行交互。用戶面在不同的雙連接模式下，有不同的用戶面協(xié)議架構(gòu)。數(shù)據(jù)面無線承載可以由MeNB或者SeNB獨(dú)立服務(wù)，也可以由MeNB和SeNB同時(shí)服務(wù)。僅由MeNB服務(wù)時(shí)稱為MCG承載（MCG是由MeNB控制的服務(wù)小區(qū)組），僅由SeNB服務(wù)時(shí)稱為SCG承載（SCG是由SeNB控制的服務(wù)小區(qū)組），如圖3中模式3a，同時(shí)由MeNB或者SeNB服務(wù)時(shí)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。
圖3 雙連接模式3/3a/3x協(xié)議架構(gòu)
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(jīng)Xx接口轉(zhuǎn)發(fā)到gNB的RLC層，也可以直接通過本地RLC發(fā)送給終端。模式3a會在MeNB和SeNB分別建立承載，數(shù)據(jù)在核心網(wǎng)側(cè)分離，這種模式對MeNB和SgNB的DCP層不會產(chǎn)生影響。模式3x下，分離式承載建立在SgNB即5G gNB側(cè)，5G gNB可以通過Xx接口將PDCP包轉(zhuǎn)發(fā)給LTE eNB，也可以直接通過本地的NR RLC進(jìn)行傳輸。
隨著5G核心網(wǎng)的部署，一種可能的LTE和5G融合方式是將演進(jìn)的LTE（eLTE, enhanced）eNB連接到5G核心網(wǎng)上。這種場景下，根據(jù)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(xié)議架構(gòu)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(xié)議架構(gòu)如圖5所示。雙連接模式7/7a/7x和雙連接模式3/3a/3x在協(xié)議架構(gòu)上很相似，區(qū)別在于核心網(wǎng)是5G核心網(wǎng)還是LTE核心網(wǎng)。
圖4 模式4/4a的協(xié)議架構(gòu)
圖5 模式7/7a/7x的協(xié)議架構(gòu)
3GPP定義了多種LTE/5G雙連接模式，一方面為運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)部署，特別是LTE和5G的融合組網(wǎng)帶來了更多的靈活性；另一方面也增加了基站實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。大多數(shù)設(shè)備廠商會按照不同運(yùn)營商5G網(wǎng)絡(luò)部署的路標(biāo)選擇要支持的雙連接模式，并逐步演進(jìn)。
3 LTE/5G雙連接關(guān)鍵技術(shù)
3GPP僅僅對各種不同模式下的LTE/5G雙連接的協(xié)議架構(gòu)進(jìn)行了定義，要真正實(shí)現(xiàn)LTE和5G雙連接還有許多關(guān)鍵性技術(shù)需要突破。例如LTE/5G雙連接的建立和觸發(fā)機(jī)制；分離式承載數(shù)據(jù)的分發(fā)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(guān)鍵技術(shù)。本節(jié)將以LTE/5G雙連接模式3為例，詳細(xì)介紹實(shí)現(xiàn)LTE/5G雙連接的一些關(guān)鍵性技術(shù)。
3.1 LTE/5G雙連接建立的觸發(fā)機(jī)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(fā)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(fā)機(jī)制決定了雙連接的最終性能。從實(shí)現(xiàn)的角度，一般有以下幾種主要雙連接建立觸發(fā)機(jī)制。
1)（1）SgNB盲添加
終端接入LTE后，LTE eNB根據(jù)終端上報(bào)的UE能力，如是否支持LTE/5G雙連接，鄰區(qū)列表中是否有支持LTE/5G雙連接的5G小區(qū)，以及和這些5G小區(qū)的Xx鏈路狀態(tài)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(qū)配置了支持LTE/5G雙連接的5G鄰區(qū)，且Xx鏈路狀態(tài)是通的，就觸發(fā)雙連接建立過程為該終端添加一個(gè)SgNB。
2)（2）基于鄰區(qū)測量報(bào)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(gè)測量事件來觸發(fā)終端對5G鄰區(qū)進(jìn)行測量。LTE eNB根據(jù)終端上報(bào)的測量結(jié)果，選擇滿足條件的5G鄰區(qū)進(jìn)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(wěn)定可靠的雙連接服務(wù)。SgNB添加過程如圖6所示：
圖6 SgNB添加過程
3) （2）基于流量的SgNB添加
根據(jù)終端測量上報(bào)的結(jié)果，LTE eNB會把滿足SgNB添加條件的5G鄰區(qū)保存下來。然后根據(jù)終端的流量或者待調(diào)度的數(shù)據(jù)量來決定是否添加SgNB。如果某個(gè)終端待調(diào)度數(shù)據(jù)量超過一定的門限，LTE eNB可以針對該終端選擇一個(gè)最好的5G鄰區(qū)發(fā)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(jìn)行SgNB的添加，可以降低Xx接口上的信令負(fù)載。
上述三種SgNB添加方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。SgNB盲添加的方式實(shí)現(xiàn)簡單，但可能會將信號質(zhì)量不夠好的5G鄰區(qū)添加為終端的SgNB，從而導(dǎo)致雙連接性能下降。基于鄰區(qū)測量報(bào)告的SgNB添加方式會根據(jù)終端的測量報(bào)告來選擇5G鄰區(qū)，所以針對每個(gè)終端來說，所添加的SgNB都會有比較好的信號質(zhì)量，保證了雙連接的性能。但由于沒有考慮終端的實(shí)際帶寬需求，基于鄰區(qū)測量報(bào)告的SgNB添加方式會增加Xx接口上的信令負(fù)載，并且會帶來一些資源的浪費(fèi)。基于終端流量的SgNB添加方式綜合考慮了鄰區(qū)的測量結(jié)果以及終端的實(shí)際帶寬需求，是一種既能保證雙連接性能，又能降低系統(tǒng)負(fù)載的SgNB添加方式。
3.2 分離式承載下的數(shù)據(jù)傳輸和流量控制
在LTE/5G雙連接模式3下，用戶面數(shù)據(jù)流如圖7所示。上行用戶面數(shù)據(jù)總是通過MeNB來傳輸。作為MeNB的LTE eNB會建立一個(gè)分離式承載，用于下行用戶面數(shù)據(jù)路由和轉(zhuǎn)發(fā)，下行用戶面數(shù)據(jù)路由和轉(zhuǎn)發(fā)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(fā)給本地的RLC層，還是通過Xx接口轉(zhuǎn)發(fā)給5G SgNB。分離式承載下的PDCP層的數(shù)據(jù)路由和轉(zhuǎn)發(fā)主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：一是時(shí)延估計(jì)和數(shù)據(jù)發(fā)送路徑選擇；二是流量控制。其目標(biāo)是盡量讓通過不同路徑發(fā)送出去的PDU經(jīng)歷相同的時(shí)延，從而減少終端側(cè)PDCP層的分組重排序來提升TCP性能。文獻(xiàn)[7-8]介紹了一種基于數(shù)據(jù)請求和轉(zhuǎn)發(fā)的流量控制方法，SeNB定期向MeNB請求要發(fā)送的數(shù)據(jù)量。文獻(xiàn)[9]采用的是一種在多終端場景下，最大化網(wǎng)絡(luò)下行吞吐量的流量控制算法。文獻(xiàn)[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(xì)介紹了一種基于路徑時(shí)延估計(jì)的數(shù)據(jù)分發(fā)和流量控制算法。本算法可以通過參數(shù)配置針對不同場景靈活實(shí)現(xiàn)時(shí)延最小化或者下行流量最大化的目標(biāo)。
圖7 雙連接下的用戶面數(shù)據(jù)流
1）（1）時(shí)延估計(jì)和數(shù)據(jù)傳輸路徑選擇算法
根據(jù)利特爾法則（Little’s law）[11]，一個(gè)穩(wěn)定隊(duì)列中的每個(gè)數(shù)據(jù)包的等待時(shí)間可以通過下面的公式進(jìn)行計(jì)算：
waitTimePDU=PDUSize/Throughput (1)
其中是需要傳輸?shù)腜DU的平均數(shù)據(jù)量；是系統(tǒng)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(duì)列中的PDU通過本地RLC和通過SgNB傳輸所需要的時(shí)延。MeNB上的PDU傳輸時(shí)延可以通過下面的公式計(jì)算：
WaitTimeMeNB=(PDUSizeInflightMeNB+PDUSize)/ThroughputMeNB (2)
其中PDUSizeInflightMeNB表示決定經(jīng)過MeNB進(jìn)行傳輸?shù)€沒有發(fā)送給終端的數(shù)據(jù)量；PDUSize表示待傳輸，但還未確定在MeNB或者SgNB上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量；ThroughputMeNB表示MeNB上的平均傳輸速率。SgNB上的PDU傳輸時(shí)延可以通過下面的公式進(jìn)行計(jì)算：
waitTimeSgNB=max(Xx_Latency, PDUSizeInflightSgNB/ThroughputSgNB)+PDUSize/ThroughputSgNB (3)
其中PDUSizeInflightSgNB表示決定通過SgNB傳輸?shù)€沒發(fā)送給終端的數(shù)據(jù)量；Xx_Latency表示Xx接口的傳輸時(shí)延；ThroughputSgNB表示SgNB上的平均傳輸速率。根據(jù)公式（2）和（3）的計(jì)算結(jié)果，只有當(dāng)如下的不等式滿足條件時(shí)，數(shù)據(jù)才會通過SgNB發(fā)送給終端，否則就從MeNB發(fā)送：
waitTimeSgNB-a×Xx_Latency＜WaitTimeMeNB (4)
其中a是一個(gè)可以配置的因子，其取值范圍為0~1。a為0表示數(shù)據(jù)總是選擇時(shí)延最小的的路徑來發(fā)送，這種算法可以最小化分離式承載上的傳輸RTT（Round Trip Time）時(shí)間；a為1時(shí)，如果MeNB和SgNB的空口信號質(zhì)量相當(dāng)，更多的數(shù)據(jù)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(wù)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(shí)延估計(jì)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(cè)空口無線信號質(zhì)量的下降，SgNB緩存了過多的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致終端側(cè)出現(xiàn)了過多的分組重排序（Reordering），增加了傳輸層的傳輸時(shí)延。另一方面，如果PDCP PDU轉(zhuǎn)發(fā)的太慢，會導(dǎo)致SgNB的RLC層隊(duì)列為空，浪費(fèi)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(shí)延，Queueing_Delay_Limit是一個(gè)根據(jù)最大的PDU數(shù)據(jù)大小和初始傳輸速率確定的常量，可以通過系統(tǒng)仿真來進(jìn)行優(yōu)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(zhuǎn)發(fā)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(fā)送PDCP PDU到本地的RLC層。
基于時(shí)延估計(jì)的數(shù)據(jù)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(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算準(zhǔn)確性，會影響到雙連接的實(shí)際性能。比如MeNB和SgNB的平均傳輸速率，ThroughputMeNB和ThroughputSgNB的計(jì)算。ThroughputMeNB可以根據(jù)MeNB內(nèi)部調(diào)度器的調(diào)度結(jié)果直接進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，而對于ThroughputSgNB，MeNB不能直接拿到SgNB調(diào)度器的調(diào)度結(jié)果，而只能根據(jù)3GPP定義的Xx上的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)消息接口（DDDS, Downlink Data Delivery Status），來交互部分用于計(jì)算ThroughputSgNB的信息，這會影響到ThroughputSgNB計(jì)算的準(zhǔn)確性。同時(shí)DDDS消息的更新周期也會影響到計(jì)算的ThroughputSgNB能不能及時(shí)反映SgNB的實(shí)際傳輸速率。另外一個(gè)影響到數(shù)據(jù)路由和流量控制算法有效性的關(guān)鍵參數(shù)是Xx_Latency。由于MeNB和SgNB的距離以及所處傳輸網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不同，Xx_Latency不會是一個(gè)固定的值，需要通過仿真來驗(yàn)證本算法針對不同的Xx時(shí)延的有效性和最終性能。
4 結(jié)束語
本文詳細(xì)介紹了3GPP Release-14定義的LTE/5G雙連接模式及其協(xié)議架構(gòu)，并以雙連接模式3為例，詳細(xì)闡述了幾種LTE/5G雙連接建立的觸發(fā)機(jī)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(shù)據(jù)路由和流量控制方法，提出了一種可靠的數(shù)據(jù)路由和流量控制算法。LTE/5G的實(shí)現(xiàn)還需要突破很多其他關(guān)鍵技術(shù)，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(shí)現(xiàn)方案等，這些關(guān)鍵技術(shù)是后續(xù)研究工作中需要關(guān)注的內(nèi)容。
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作者簡介
廖智軍：中級工程師，工學(xué)碩士畢業(yè)于浙江大學(xué)控制系，現(xiàn)任職于諾基亞通信系統(tǒng)技術(shù)（北京）有限公司浙江分公司，從事國家科技重大專項(xiàng)（項(xiàng)目編號：2017ZX03001008）“新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)”-5G多接入融合組網(wǎng)技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)化與驗(yàn)證的課題項(xiàng)目的研發(fā)工作，研究方向包括LTE/5G多連接技術(shù)、LTE物理層、MAC層調(diào)度器算法研究和實(shí)現(xiàn)，提交了多項(xiàng)發(fā)明專利。
李振廷：中級工程師，工學(xué)碩士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)，現(xiàn)任職于諾基亞通信系統(tǒng)技術(shù)（北京）有限公司浙江分公司，從事國家科技重大專項(xiàng)（項(xiàng)目編號：2017ZX03001008）“新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)”-5G多接入融合組網(wǎng)技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)化與驗(yàn)證的課題項(xiàng)目的研發(fā)工作，研究方向包括LTE/5G多連接技術(shù)、MAC層調(diào)度器算法研究和實(shí)現(xiàn)，提交了多項(xiàng)發(fā)明專利。
石勝林：移動通信高級工程師，工學(xué)博士，畢業(yè)于華中科技大學(xué)電子信息與通信學(xué)院https://ei.hust.edu.cn/，現(xiàn)任職于諾基亞通信系統(tǒng)技術(shù)（北京）有限公司浙江分公司，從事國家科技重大專項(xiàng)（項(xiàng)目編號：2017ZX03001008）“新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)”-5G多接入融合組網(wǎng)技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)化與驗(yàn)證的課題項(xiàng)目的研發(fā)工作，研究方向包括LTE/5G多連接技術(shù)、LTE/5G空中接口/無線資源管理算法研究和實(shí)現(xiàn)，提交了多項(xiàng)發(fā)明專利。
