5G SA组网时的4G/5G互操作场景配置试验参数的比较和研究
在5g网络部署的不同时期，3gpp给出了多种不同的部署方式，根据控制面锚点的不同可以分为nsa（non-standalone）和sa（standalone）两种组网方式。nsa组网支持通过双连接（dual connectivity）的方式接入不同制式的网络，如en-dc（eutra-nr dual connectivity），终端可以通过4g、5g网络双连接技术实现5g网络应用；采用sa组网时，终端可以通过5g ran和5gc完成5g业务体验。
对于国内运营商来说，目前4g网络已经具备非常优异的覆盖条件，而5g网络由于投资成本高且商业模式未明确，其商业部署将会在4g网络基础上长期升级替换，所以在5g网络覆盖不全面的情况下保证用户业务连续性的最佳选择就是以现有4g网络来补充5g网络覆盖的不足，这也是5g sa组网要重点研究的互操作课题。
由于3gpp r15版本只定义了5g与4g网络互操作接口，本文主要基于r15协议讨论5g sa组网的互操作方案，并根据不同场景制定4g/5g互操作部署策略，具有一定的参考意义。
4g与5g融合组网架构
为了快速推广5g sa组网，3gpp在r15协议中提出了5g与4g核心网网元的融合部署架构，如hss+udm、pcrf+pcf、pgw-c+smf以及pgw-u+upf等4g/5g核心网元的融合（见图1）。该部署架构意味着业务、数据、网络一体化融合演进，而从当前4g网络逐步演进到5g网络的过程来看，用户签约数据的融合、用户业务数据的融合以及用户业务的连续性都是4g和5g网络融合过程中要优先考虑的因素。图1中n26接口是mme和amf之间的接口，可选配置，5g与4g之间的互操作策略要结合n26接口是否配置来制定不同方案。
核心网侧pgw-c+smf、pgw-u+upf等网元的融合部署支持用户在5g和4g网络切换过程中的业务连续性，用户面网元的融合部署对接入网的制式是不敏感的，切换过程中不需要变更用户面锚点，节省了业务处理时延及资源。如果核心网侧不采用协议要求的融合组网，用户在5g与4g网络切换过程中用户面锚点要变更，可能涉及ip地址和用户面链路的变更，用户业务感知会受到影响，并且网络侧需要更多资源处理切换流程，增加了核心网的处理负荷，由此可见跨系统的网元融合部署将是运营商的选择方向。
图1 4g/5g互操作系统架构
5g sa组网互操作策略探索在网络互通方面，mme和amf之间的n26接口是否配置，会影响到4g/5g互操作的处理流程。当网络部署了n26接口，该接口可以支持4g/5g互操作过程中源网络和目标网络之间传递上下文信息和移动性管理信息，此时终端仅需支持单注册模式，网络侧保持一种可用的移动性管理状态，即可保证用户业务的连续性。
当网络未部署n26接口，网络会使用hss+udm存储的终端签约信息及相关的pgw-c+smf、apn/dnn信息，数据库的融合策略可以保障用户ip等信息的连续性，无n26接口时，单注册终端从5gs移动到eps系统时需要增加eps侧的attach过程。
5g sa组网空闲态互操作策略5g sa组网空闲态互操作策略是基于重选优先级的差异实现不同层次网络的驻留，为了实现5g ue尽可能多地在5g网络驻留，在配置重选优先级时需遵循nr重选优先级》lte重选优先级，当终端移出5g覆盖区，ue将由高优先级（nr）重选到低优先级（lte），需满足nr小区电平低于服务门限且目标小区高于低优先级重选门限，才能重选到lte小区；而当ue移动到5g覆盖区时，ue将由低优先级（lte）重现到高优先级（nr），此时根据重选策略，只需满足目标小区高于高优先级重选门限即可将ue重选到nr小区。具体策略见图2。
图2 4g和5g空闲态互操作策略
由于5g的sib5（承载5-》4g重选信息的系统消息）消息中最多携带8个4g频点，d频段+e频段+fdd900可以组成连续覆盖，因此配置4g锚点频点+d频段+e频段+fdd900，重选优先级按照5g》4g锚点频点》其他覆盖频点。为防止乒乓重选，空闲态参数配置需遵循：nr_serverlow（服务频点低优先级重选门限，5g侧配置）《nr_high（异系统高优先级重选门限，4g侧配置），为了避免sa终端从nr重选到lte后又快速重选回nr，设置nr_high》 nr_serverlow+4db，空闲态各频点的优先级配置见表1，空闲态参数配置见表2。测试验证结果见表3。
表1 5g空闲态各频点的优先级配置
注：重选优先级表示服务频点的小区重选绝对优先级，0表示最低优先级，7表示最高优先级，nr的服务频点优先级可以在优先级7基础上增加小数，以实现nr频点的优先驻留。
表2 空闲态参数配置
表3 测试验证结果
三个典型场景配置试验参数后，5g时长驻留比有所提升，乒乓重选几率降低。
5g sa组网连接态互操作策略
5g建网初期，网络覆盖不如4g，当5g终端移动到覆盖边缘时，配置基于覆盖的切换或重定向将5g终端迁移到4g网络，保证终端在5g网络弱覆盖时的业务连续性；当终端移动到有5g网络覆盖的地方，配置基于覆盖（部分厂家可以实现基于业务切换）的切换或重定向将终端从4g网络迁移到5g网络，策略上倾向于将支持5g的终端快速迁移到5g网络。
4g/5g互操作设计原则：5g体验优于4g，则优先驻留在5g；极边缘用户才转移到4g，此时满足4g体验优于5g；在4g始终尝试转移5g，只要5g体验优于4g，则实施迁移。根据4g mr采样数据及5g实际测试数据，分析4g/5g互操作参数门限设计的合理性。由图3可知，lte在95%覆盖区域rsrp大于-104dbm，作为5g异系统b1门限，此时d频段的下行拉网速率为25mbit/s，5g该速率时对应的rsrp为-123dbm，作为5g侧的4g异系统a2起测门限，a1停止测量门限建议设置成-117dbm（此时nr下行吞吐率始终好于lte）。
图3 互操作参数门限
基于大量数据的统计结论，本文给出了5g-》4g的a1/a2/b1的门限配置值，其他门限则根据下文确定。
5g_a2（5g侧配置）《5g_b1（4g侧配置），防止sa终端从4g切换到5g后又快速切换回4g，建议5g_b1》5g_a2+3db；4g_b1（5g侧配置）》4g_a2（4g侧配置），防止sa终端从5g切换到4g后又快速切换回5g，建议4g_b1》4g_a2+3db。连接态4g/5g互操作参数门限见表4。
表4 连接态4g/5g互操作参数门限
4g/5g连接态互操作门限的配置是sa组网互操作策略应用研究的重要一环，根据前文的论述，选取杭州市区三个典型场景验证参数的合理性，从5g时长驻留比、5g mac层下行吞吐量等指标来看，本文建议的互操作参数配置策略确实可以提升用户在5g网络的体验感知。
表5 三个典型场景参数验证结果
5g sa组网语音业务—eps fallback
3gpp r15协议已经为5g提供了语音解决方案：vonr和eps fallback。5g建网初期，网络覆盖不连续，语音业务建议采用eps fallback来实现，终端驻留在5g网络，检测到语音业务建立，通过5g到4g的互操作将语音业务回落到4g网络由volte来承载语音服务。eps fallback的回落方式需要根据核心网是否配置n26接口来确定是采用切换还是重定向，如果核心网配置n26接口，则推荐采用5g到4g异系统切换实现语音回落，而当核心网未配置n26接口时，推荐采用5g到4g异系统重定向实现语音回落。
本文对eps fallback语音服务进行了业务测试验证，评估了空闲态、连接态场景下盲重定向、重定向、切换3种回落方式的时延及成功率，具体见表6测试数据，基于切换的eps fallback在时延及稳定性方面都比重定向更有优势，推荐网络部署时优先采用基于切换的eps fallback。
表6 eps fb时延定点和拉网测试结果
为了提升终端的5g网络驻留率，终端在完成eps fallback语音业务后，建议采用fast return的方式返回5g网络，如果网络或终端不支持fast return，终端在4g侧做完语音业务后会进入空闲态，再通过4g到5g的重选功能进入5g小区。4g到5g异系统重选流程带来的时延会比fast return要长，所以推荐网络侧打开fast return的配置。
结束语
随着5g sa网络商用的时间越来越临近，研究4g/5g无线网络互操作策略应用是有必要的，本文根据3gpp规范要求及4g/5g现网采集的大量数据，重点分析了4g/5g空闲态、连接态互操作参数的部署策略，并分析了多种互操作策略实现的语音业务性能，给出了5g sa组网时的4g/5g互操作参数配置建议。
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由于3gpp r15版本只定义了5g与4g网络互操作接口，本文主要基于r15协议讨论5g sa组网的互操作方案，并根据不同场景制定4g/5g互操作部署策略，具有一定的参考意义。
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为了快速推广5g sa组网，3gpp在r15协议中提出了5g与4g核心网网元的融合部署架构，如hss+udm、pcrf+pcf、pgw-c+smf以及pgw-u+upf等4g/5g核心网元的融合（见图1）。该部署架构意味着业务、数据、网络一体化融合演进，而从当前4g网络逐步演进到5g网络的过程来看，用户签约数据的融合、用户业务数据的融合以及用户业务的连续性都是4g和5g网络融合过程中要优先考虑的因素。图1中n26接口是mme和amf之间的接口，可选配置，5g与4g之间的互操作策略要结合n26接口是否配置来制定不同方案。
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图1 4g/5g互操作系统架构
5g sa组网互操作策略探索在网络互通方面，mme和amf之间的n26接口是否配置，会影响到4g/5g互操作的处理流程。当网络部署了n26接口，该接口可以支持4g/5g互操作过程中源网络和目标网络之间传递上下文信息和移动性管理信息，此时终端仅需支持单注册模式，网络侧保持一种可用的移动性管理状态，即可保证用户业务的连续性。
当网络未部署n26接口，网络会使用hss+udm存储的终端签约信息及相关的pgw-c+smf、apn/dnn信息，数据库的融合策略可以保障用户ip等信息的连续性，无n26接口时，单注册终端从5gs移动到eps系统时需要增加eps侧的attach过程。
5g sa组网空闲态互操作策略5g sa组网空闲态互操作策略是基于重选优先级的差异实现不同层次网络的驻留，为了实现5g ue尽可能多地在5g网络驻留，在配置重选优先级时需遵循nr重选优先级》lte重选优先级，当终端移出5g覆盖区，ue将由高优先级（nr）重选到低优先级（lte），需满足nr小区电平低于服务门限且目标小区高于低优先级重选门限，才能重选到lte小区；而当ue移动到5g覆盖区时，ue将由低优先级（lte）重现到高优先级（nr），此时根据重选策略，只需满足目标小区高于高优先级重选门限即可将ue重选到nr小区。具体策略见图2。
图2 4g和5g空闲态互操作策略
由于5g的sib5（承载5-》4g重选信息的系统消息）消息中最多携带8个4g频点，d频段+e频段+fdd900可以组成连续覆盖，因此配置4g锚点频点+d频段+e频段+fdd900，重选优先级按照5g》4g锚点频点》其他覆盖频点。为防止乒乓重选，空闲态参数配置需遵循：nr_serverlow（服务频点低优先级重选门限，5g侧配置）《nr_high（异系统高优先级重选门限，4g侧配置），为了避免sa终端从nr重选到lte后又快速重选回nr，设置nr_high》 nr_serverlow+4db，空闲态各频点的优先级配置见表1，空闲态参数配置见表2。测试验证结果见表3。
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注：重选优先级表示服务频点的小区重选绝对优先级，0表示最低优先级，7表示最高优先级，nr的服务频点优先级可以在优先级7基础上增加小数，以实现nr频点的优先驻留。
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4g/5g互操作设计原则：5g体验优于4g，则优先驻留在5g；极边缘用户才转移到4g，此时满足4g体验优于5g；在4g始终尝试转移5g，只要5g体验优于4g，则实施迁移。根据4g mr采样数据及5g实际测试数据，分析4g/5g互操作参数门限设计的合理性。由图3可知，lte在95%覆盖区域rsrp大于-104dbm，作为5g异系统b1门限，此时d频段的下行拉网速率为25mbit/s，5g该速率时对应的rsrp为-123dbm，作为5g侧的4g异系统a2起测门限，a1停止测量门限建议设置成-117dbm（此时nr下行吞吐率始终好于lte）。
图3 互操作参数门限
基于大量数据的统计结论，本文给出了5g-》4g的a1/a2/b1的门限配置值，其他门限则根据下文确定。
5g_a2（5g侧配置）《5g_b1（4g侧配置），防止sa终端从4g切换到5g后又快速切换回4g，建议5g_b1》5g_a2+3db；4g_b1（5g侧配置）》4g_a2（4g侧配置），防止sa终端从5g切换到4g后又快速切换回5g，建议4g_b1》4g_a2+3db。连接态4g/5g互操作参数门限见表4。
表4 连接态4g/5g互操作参数门限
4g/5g连接态互操作门限的配置是sa组网互操作策略应用研究的重要一环，根据前文的论述，选取杭州市区三个典型场景验证参数的合理性，从5g时长驻留比、5g mac层下行吞吐量等指标来看，本文建议的互操作参数配置策略确实可以提升用户在5g网络的体验感知。
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本文对eps fallback语音服务进行了业务测试验证，评估了空闲态、连接态场景下盲重定向、重定向、切换3种回落方式的时延及成功率，具体见表6测试数据，基于切换的eps fallback在时延及稳定性方面都比重定向更有优势，推荐网络部署时优先采用基于切换的eps fallback。
表6 eps fb时延定点和拉网测试结果
为了提升终端的5g网络驻留率，终端在完成eps fallback语音业务后，建议采用fast return的方式返回5g网络，如果网络或终端不支持fast return，终端在4g侧做完语音业务后会进入空闲态，再通过4g到5g的重选功能进入5g小区。4g到5g异系统重选流程带来的时延会比fast return要长，所以推荐网络侧打开fast return的配置。
结束语
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