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深度解析 3GPP TR 21.916：19.2 LTE与NR协同特性 (Part 1 - 直接数据转发)

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深度解析 3GPP TR 21.916：19.2 LTE与NR协同特性 (Part 1 - 直接数据转发)

本文将基于3GPP TR 21.916 V16.2.0 (2022-06) Release 16规范，开启一个全新的篇章——第19.2节 “Release 16 Features impacting both LTE and NR” (影响LTE与NR的Rel-16特性)。我们将深入剖析5G NR如何不再“单打独斗”，而是与4G LTE这位“功勋卓著的老大哥”进行更深层次的协同与融合，共同为用户构建一张覆盖更广、体验更优、演进更平滑的统一移动网络。本文作为该系列的第一篇，将聚焦于解决4G/5G切换“最后一公里”痛点的关键技术——直接数据转发。

引言：从“兄弟爬山”到“并肩作战”，4G与5G的深度融合

在19.1节的探索中，我们的目光聚焦于5G NR自身的“内功修炼”。然而，在广袤的现实世界中，5G网络的建设并非“一张白纸好作画”，而是必须建立在4G LTE这张已经覆盖全球的巨网之上。在未来很长一段时间内，4G与5G都将长期共存，协同工作。如何让这两代技术从简单的“叠加覆盖”（兄弟爬山，各自努力），走向真正的“深度融合”（并肩作战，能力互补），是决定5G能否成功平滑演进的关键。

Rel-16的19.2节，正是为这场“深度融合”而谱写的“战术纲要”。它涵盖了一系列旨在打破4G与5G技术壁垒、提升系统间互操作效率和体验连续性的关键特性。

为了身临其境地感受这场融合革命，让我们再次请回我们的老朋友——Vlogger苏菲（Sophie）。今天，她正在进行一项极具挑战的直播任务：她操控着一架高清无人机，沿着城市新旧区域的交界线进行航拍直播。无人机的视频流通过5G网络实时上传。这条交界线，也正是网络覆盖的“交界线”——市中心是全新的5G SA网络，而郊区则是成熟的4G LTE网络。苏菲最担心的，就是在无人机穿越这条无形的“4G/5G分界线”时，直播流会因为切换而出现哪怕半秒的卡顿。

苏菲的这份“切换焦虑”，正是本章要解决的核心痛点之一。我们将跟随她的无人机视角，深入探索Rel-16如何通过架构演进和流程优化，为4G与5G之间架起一座座“无缝之桥”。

1. 规范的“内务整理”：19.2.1与19.2.2简述

在深入探讨激动人心的功能特性之前，我们首先需要处理一下本章开头的两个“行政类”工作项。根据我们的解读规则，对于内容极少或纯粹管理性的章节，我们在此进行简要说明和过渡。

  • 19.2.1 Transfer of Iuant interface specifications from 25-series to 37-series (Iuant接口规范从25系到37系的转移)

    This feature transfers the contents of TSs 25.46x into TSs 37.46x… considering the fact these specifications apply to different RAT i.e. UTRA, E-UTRA and NR.

    简述： 这是一个纯粹的规范管理和“内务整理”工作。Iuant接口主要用于基站的射频一致性测试。最初，它的相关规范定义在3GPP的25系列（专用于UMTS/3G）中。但随着技术发展，这套测试接口也开始适用于LTE和NR。为了让规范体系更具逻辑性，Rel-16将这些内容，从“UMTS专用”的25系列，整体“搬家”到了一个全新的、面向多种无线技术（Multi-RAT）的37系列中。这对网络功能和用户体验没有任何直接影响，因此我们不再展开赘述。

  • 19.2.2 Introduction of… capability set(s) (CS(s)) to the multi-standard radio (MSR) specifications (为多标准无线基站引入新的能力集)

    The WI added support for MSR BS including GSM, UTRA, E-UTRA and NR combinations by means of creating two new CS, CS 18 (GSM+E-UTRA+NR) and CS19 (UTRA+E-UTRA+NR).

    简述： 这同样是一个面向设备制造商和测试认证的规范。MSR（多标准无线基站）指的是那种可以在一套硬件平台上，同时支持2G/3G/4G/5G等多种制式的基站设备。本工作项定义了两种新的“能力集声明”（CS18和CS19），允许设备商声明其基站能够支持“GSM+LTE+NR”或“UMTS+LTE+NR”的混合模式。这主要用于设备的开发与测试，同样不直接影响最终用户能感知到的网络功能。

完成了这些“内务整理”后，现在，让我们正式进入激动人心的技术腹地，聚焦于第一个真正影响苏菲直播体验的关键技术。

2. 切换的“绕行之痛”：Rel-15间接数据转发的瓶颈 (19.2.3节背景)

苏菲的无人机正从5G SA网络，飞向4G LTE网络。在Rel-15的框架下，为了保证直播流在切换过程中“不断流”，网络需要进行数据转发（Data Forwarding），即：在无人机与新的4G基站建立稳定连接之前，旧的5G基站需要将所有发往无人机的数据，“转寄”给新的4G基站。

然而，Rel-15的这种“转寄”，路线非常曲折。

While data forwarding between NG-RAN and E-UTRAN nodes in Rel-15 foresees establishing the data forwarding path via the EPC and the 5GC, direct data forwarding allows establishing the data forwarding path directly between the involved RAN nodes…

Indirect data forwarding for inter-system handover in Rel-15 foresees transporting to be forwarded user plane data between the NG-RAN node and the UPF via PDU Session tunnels. As forwarding paths on the E-UTRAN side are established on a per-E-RAB basis, the Rel-15 solution requires interworking functions at the UPF and the NG-RAN node…

理念解读：一次“途径总部”的跨部门转交

我们可以将5G RAN和4G RAN比作一家大公司的两个不同部门。Rel-15的间接数据转发 (Indirect Data Forwarding)，流程如下：

  1. 文件上交： 当数据包到达5G基站（NG-RAN）时，它发现“收件人”无人机（UE）马上要去4G部门了。于是，它把这些数据包，沿着原路送回了5G的“公司邮件中心”——UPF（用户面功能）。

  2. 总部处理： UPF作为“邮件中心”，需要进行复杂的“跨部门转址”工作。它需要将这些基于“5G PDU会话”的数据包，重新打包成基于“4G E-RAB”的格式。

  3. 重新下发： UPF再将这些重新打包好的数据，通过4G核心网（EPC）的SGW，发送给目标4G基站（E-UTRAN）。

  4. 最终送达： 4G基站最后将数据发送给无人机。

痛点分析： 这一来一回的“长途绕行”，引入了显著的额外时延和多个处理节点。对于苏菲的高清直播流这种“海量包裹”，任何一个环节的抖动，都可能导致数据包乱序或丢失，最终在直播画面上体现为马赛克或短暂的冻屏。这正是苏菲最担心的“切换焦虑”。

3. “空中廊桥”的革命：Rel-16直接数据转发 (Direct Data Forwarding)

如何解决“绕行之痛”？Rel-16给出的答案简单而直接：让两个部门的“前台”直接对接！ 这就是直接数据转发 (Direct Data Forwarding)。

direct data forwarding allows establishing the data forwarding path directly between the involved RAN nodes, without the need to interact with user plane functions of the EPC and the 5GC.

3.1 核心理念：RAN节点间的“点对点直传”

直接数据转发的核心，是在切换过程中，在源基站（如5G gNB）和目标基站（如4G eNB）之间，建立一条临时的、直接的数据转发隧道。这条隧道可以基于两者之间的Xn/X2接口（如果存在且兼容）来实现。

场景解读：苏菲直播流的“无缝交接棒”

现在，在Rel-16网络的支持下，当苏菲的无人机从5G飞向4G时，切换过程变成了这样：

  1. 建立“空中廊桥”： 在切换准备阶段，源5G gNB和目标4G eNB在核心网的“指挥”下（通过AMF/MME），直接协商建立了一条用于数据转发的GTP-U隧道。这条隧道，就如同连接两个登机口的“空中廊桥”。

  2. 本地转发： 当新的数据包到达5G gNB时，它不再送回UPF总部，而是直接通过这条“廊桥”，将数据包“甩”给了隔壁的4G eNB。

  3. 无缝送达： 4G eNB收到后，立即通过空口发送给无人机。

核心价值：

  • 极致低时延： 数据转发路径被缩短到了极限——从一个基站直接到另一个基ähän。这消除了核心网绕行带来的几十毫秒的额外延迟，对于时延敏感业务是巨大的提升。

  • 零丢包/低乱序： 直接的点对点隧道，大大减少了中间处理环节，降低了数据包在转发过程中丢失或乱序的风险，保证了业务的平滑性。

  • UPF减负： 核心网的UPF不再需要承担复杂的、跨RAT的协议转换和数据包重封装工作，其功能可以更纯粹，性能更高。

对于苏菲而言，直接数据转发带来的体验提升是立竿见影的。无人机穿越4G/5G边界时，她的直播画面如丝般顺滑，没有任何可感知的卡顿。那条困扰她的“分界线”，在技术层面被彻底“抹平”了。

3.2 信令流程的协同

In the course of the WI RAN3 realised that direct data forwarding tunnel related information may be communicated between the NG-RAN node and the 5GC in a way that the inter-system handover signalling performance benefits from such approach, which was realised in the agreed CRs in and.

值得注意的是，虽然数据是“直接”走的，但这并不意味着核心网就“无事可做”了。核心网（AMF/MME）在整个过程中，扮演着**“总协调人”**的角色。它负责在切换信令中，携带建立这条直接转发隧道所需要的“接头暗号”（如隧道端点地址、QoS信息等），确保两个不同RAT的基站能够正确地建立起这条临时的“空中廊桥”。

4. 架构的下一步：ng-eNB的CU/DU分离 (19.2.4节展望)

直接数据转发完美地解决了4G/5G切换时的“用户面”协同问题。而Rel-16在19.2.4节“eNB(s) Architecture Evolution for E-UTRAN and NG-RAN”中，则进一步解决了4G RAN如何更深度地融入5G“架构大家庭”的问题。

In Rel-16, the W1 interface is standardized in the ng-eNB (5G) to support ng-eNB-CU and ng-eNB-DU split. These two interfaces adopt the same higher layer split architecture for between PDCP and RLC…

核心理念：

这个工作项的核心，是将5G NR中先进的CU/DU分离架构，引入到了连接5GC的4G基站（ng-eNB）上。它定义了一个全新的W1接口，用于连接ng-eNB的CU（中央单元）和DU（分布式单元）。

解读与展望：

这对于瑞安的网络演进具有深远的战略意义：

  • 架构统一： 无论是5G gNB（使用F1接口）还是4G ng-eNB（使用W1接口），现在都可以采用相同的CU/DU分离部署模式。CU部分可以集中部署在云化的数据中心，实现资源的集中管理和池化；DU部分则可以部署在更靠近天线的站点，满足低时延处理的需求。

  • 硬件协同：

    The ng-eNB-CU and gNB-CU could be physically collocated, deployed in a same physical “box”. This unification… would simplify the network deployment complexity and facilitate hardware upgrades.

    最激动人心的是，ng-eNB-CU和gNB-CU甚至可以运行在同一个物理硬件平台上。这意味着，瑞安未来可以用一套统一的BBU硬件，通过软件定义的方式，灵活地将其中的计算资源分配给4G或5G使用。这大大降低了建网成本，简化了运维，为未来4G网络向5G的平滑、软件化演进，铺平了道路。

直接数据转发解决了“当下”的互操作问题，而ng-eNB的架构演进，则着眼于“未来”的深度融合。两者共同构成了Rel-16在4G/5G协同演进上的核心篇章。

总结

通过对19.2节核心特性的深度解读，我们看到Rel-16在推动4G/5G融合方面，采取了“远近兼顾、软硬结合”的务实策略。

  • 在“软”层面（协议与流程），它通过直接数据转发，解决了长期困扰系统间切换的“时延与丢包”痛点，为用户（如苏菲）提供了真正无缝的跨RAT移动体验。

  • 在“硬”层面（架构与部署），它通过为ng-eNB引入CU/DU分离，统一了4G和5G的RAN架构，为运营商（如瑞安）构建一张更集约、更灵活、面向未来的融合接入网，奠定了坚实的硬件和架构基础。

这些增强，看似深藏于网络的“幕后”，却深刻地影响着每一个用户的“台前”体验。它们共同的目标，是让用户在4G和5G这两张大网之间，感受到“如一人之身，如臂之使指”般的丝滑与协同。

FAQ环节

Q1：直接数据转发（Direct Data Forwarding）和DAPS切换有什么关系？

A1：它们是解决不同场景移动性问题的“倚天剑”和“屠龙刀”，可以协同使用。DAPS切换主要用于系统内（intra-system）的切换，例如从一个5G NR小区切换到另一个5G NR小区，它的目标是实现零中断。而直接数据转发则专门用于**系统间（inter-system）**的切换，例如从5G NR切换到4G LTE，它的目标是最大化地减少中断时间和数据丢包。在一次复杂的移动过程中，用户可能会先经历一次基于直接数据转发的5G→4G切换，然后在4G网络内部再进行多次普通的切换。

Q2：既然直接数据转发这么好，为什么Rel-15没有做，而是采用间接转发？

A2：这主要是出于标准制定优先级和复杂度的考量。Rel-15的首要任务是“让5G跑起来”，特别是定义NSA（EN-DC）和SA的基础框架。系统间的互操作，尤其是与存量4G网络的深度优化，其复杂性非常高，涉及到对4G和5G两边协议栈和接口的同步修改。因此，3GPP采取了“分步走”的策略，在Rel-15先用一个核心网绕行的“权宜之计”（间接转发）来解决有无问题，然后在Rel-16中，再推出更优、更复杂的“终极方案”（直接转发）。

Q3：直接数据转发是只用于下行数据，还是上下行都支持？

A3：规范定义了对下行数据转发的支持，因为在切换过程中，UE最容易丢失的是正在“飞往”旧基站的下行数据。对于上行数据，由于UE在发起切换后，会停止在上行链路上发送新数据，直到在目标小区接入成功，因此上行数据转发的需求和机制相对简单，通常通过PDCP层的状态转移和重传机制来保证。

Q4：ng-eNB是什么？它和普通的eNB（4G基站）有什么区别？

A4：ng-eNB特指那些可以连接到5G核心网（5GC）的4G基站。普通的eNB只能连接到4G核心网（EPC）。为了让运营商能够利用现有的4G无线设备，来提供由5GC控制的业务（例如，在没有5G NR覆盖的地方，让4G手机也能接入5GC，享受切片等服务），3GPP定义了对eNB的改造，使其能够支持连接5GC的NG接口，这样的eNB就被称为ng-eNB。Rel-16为其引入CU/DU分离，是其架构向5G gNB看齐的进一步演进。

Q5：这些4G/5G协同特性，对运营商的网络演进策略有什么影响？

A5：影响巨大。它们为运营商提供了更灵活、平滑、经济的演进路径。例如，通过DSS（上一章概览提到）和直接数据转发，运营商可以在不影响存量4G用户体验的前提下，快速引入5G，并保证4G/5G间的体验连续性。通过ng-eNB架构演进，运营商可以用一套统一的云化平台来管理4G和5G的CU，并逐步通过软件升级，将资源从4G平滑地迁移到5G，避免了“推倒重来”式的巨大投资。这些技术共同降低了5G演进的门槛和风险。

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