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深度解析 3GPP TR 21.915：5.6 Other 5G aspects (其他5G方面 — NSA与LTE-5GC连接详解)

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好的，我们继续进行深度拆解。这是本系列的第二十篇文章。在前几篇中，我们已经对NR物理层的绝大部分关键技术进行了探索。现在，我们将目光转向一些更具体、但在特定场景下至关重要的5G特性，这也是第五章的收尾部分。

深度解析 3GPP TR 21.915：5.6 Other 5G aspects (其他5G方面 — NSA与LTE-5GC连接详解)

本文技术原理深度参考了3GPP TR 21.915 V15.0.0 (2019-09) Release 15规范中，关于“5.6 Other 5G aspects”的核心章节，包括5.6.1“5G AN connected to 4G AN: NSA and EDCE5”和5.6.2“LTE connectivity to 5G-CN (4G AN with 5G CN)”。本文旨在为读者深入剖析5G演进路线图上两种至关重要的“混合组网”模式：NSA（非独立组网）的核心网影响与无线协议栈，以及“4G基站接入5G核心网”这一独特架构。

“李工，我们花了大量篇章深入探索了SA（独立组网）这个5G的‘理想国’，”青年工程师小玲合上她的NR物理层笔记，眼中带着对现实世界复杂性的思考，“但在5G部署的漫长过渡期中，绝大多数网络都是4G和5G混合存在的‘现实世界’。特别是NSA，作为5G商用的起点，我们之前只讨论了它的宏观架构。它对4G核心网到底提出了哪些具体的‘改造’要求？它的无线协议栈又是如何实现‘双连接’的？5.6节似乎就要带我们回到这个‘现实世界’，去解构这些复杂的‘混合体’。”

“你说得非常深刻，小玲！”导师李工赞许道，“一个成功的技术标准，不仅要描绘理想的未来（SA），更要为通往未来的道路提供务实、平滑的台阶。5.G节所探讨的，正是5G演进之路上的两块关键‘铺路石’。它们看似是‘过渡’方案，但其设计之精巧、对产业影响之深远，丝毫不亚于SA。不理解它们，就无法真正理解全球5G网络的演进全貌。”

为了让这两种“混合体”的运作更加清晰，我们再次请出网络规划专家陈工和我们的主角美美。陈工正在对他所在城市已部署的NSA网络进行优化升级，而美美则在体验中，不知不觉地穿梭于这些复杂的混合网络之间。

1. 5.6.1 再探NSA：为“涡轮增压”升级4G核心网 (EDCE5)

我们知道，NSA（非独立组网）的本质，是把5G NR作为4G LTE的“超级加速器”，而核心网依然沿用4G的EPC。但这并不意味着EPC可以“一成不变”。为了能够驾驭NR这个强大的“新引擎”，EPC也必须进行一系列关键的升级。这个升级项目，在3GPP中被称为EDCE5 (EPC enhancements to support 5G New Radio via Dual Connectivity)。

Although limited, the impacts on 4G CN to make it support a 5G AN are not null. These have been studied and covered in the EDCE5 work item, “EPC enhancements to support 5G New Radio via Dual Connectivity”.

“李工，‘EDCE5’具体都做了哪些增强呢？”小玲问道。

李工将5.6.1.2节的内容，结合陈工的实际网络改造工作，为小玲进行了生动的解读。

1.1.1 核心网的“感知”与“适配”增强

“要让一台4G的‘汽车’（EPC），能用上5G的‘涡轮增压’（NR），首先要让汽车的‘行车电脑’（MME/SGW/PGW）知道有这个新部件的存在，并能适配它的强大能力。”

  • NR能力感知与限制 (HSS/MME):

    a) Support is provided for the HSS or the MME to instruct the RAN to not give access to “NR as a secondary RAT” for that UE.

    运营商需要能够对NR的使用进行精细化控制。例如，对于某些没有开通5G套餐的用户，或者某些物联网终端，即使手机和基站都支持NSA，运营商也希望禁止他们使用NR。EDCE5增加了新的签约数据和信令，允许HSS和MME向eNB下发“禁止使用NR”的指令。

  • 高数据率网关选择 (MME/SGW/PGW):

    b) UE core network capability signalling allows the MME (via its DNS) to select the SGW and PGWs that are appropriate for the UE’s high data rate…

    NR带来了Gbps级别的超高吞吐率。陈工的网络里，可能既有为4G设计的、处理能力百兆级的旧网关，也有为5G新部署的、处理能力数十Gbps的新网关。EDCE5增强了MME的DNS查询和选择逻辑，使其能够根据UE上报的“我支持NR”这一能力，智能地为该UE选择一个能够匹配其高速率能力的SGW和PGW。

  • 支持超大UE能力信息 (MME):

    c) Storage of very large UE Radio Access Capability Information Elements in the MME is specified…

    一部支持5G NSA的手机，其能力信息（支持哪些频段组合、MIMO能力等）极其复杂，可能会有数万字节。传统的MME无法存储这么大的信息。EDCE5对MME进行了扩容和流程优化，以支持存储和处理这些“巨无霸”般的能力信息。

  • 更高的速率指标 (AMBR & QCI):

    d) Higher AMBR (maximum bit rate) values were specified and a new QCI 80 added for e.g. low latency Mobile BroadBand…

    为了匹配NR的Gbps速率，EPC中用于限制用户总速率的AMBR（签约总比特率）的最大值被大幅提高。同时，也引入了新的QCI，以支持一些对时延要求较高的宽带业务。

  • 分离计费 (CDR):

    e) The amount of data sent on the Secondary NR RAT can be counted by the RAN and sent to the EPC for inclusion in the SGW CDRs and, optionally, in the PGW-CDRs.

    这是最关键的商业闭环。eNB（主节点）会统计NR（辅节点）上的流量，并通过S1接口上报给EPC。EPC的网关（SGW/PGW）需要能够识别并记录这部分“5G流量”，以便运营商进行独立的计费和统计分析。

“你看，这些增强虽然看似琐碎，但招招致命，”李工总结道，“它们确保了EPC能够在**‘用户准入’、‘网元选择’、‘能力管理’、‘QoS保障’和‘商业计费’**这五个核心环节，与NR这个新伙伴无缝对接。”

1.1.2 NSA无线协议栈：双流并行的艺术

In EN-DC, from a UE perspective, three bearer types exist: MCG bearer, Secondary Cell Group (SCG) bearer and split bearer.

在美美使用NSA网络高速下载时，她的手机内部，数据流是如何在4G和5G两条链路上分发的呢？5.6.1.3节通过Figure 5.6.1.3.2-1这张经典的协议栈图，揭示了EN-DC的三种承载（Bearer）模式。

  • MCG (Master Cell Group) Bearer: 纯4G承载。数据包完全在4G链路（eNB侧）的协议栈中处理，不经过5G。例如，VoLTE通话通常就承载在MCG Bearer上，以保证其稳定性和广覆盖。

  • SCG (Secondary Cell Group) Bearer: 纯5G承载。eNB（主节点）在收到核心网的数据包后，通过X2接口，将其完整地、不加处理地转发给gNB（辅节点）。所有后续的PDCP、RLC、MAC层处理，都完全在gNB侧完成。这种模式信令开销小，可以充分利用gNB强大的处理能力。

  • Split Bearer: 分流承载。这是NSA实现速率倍增的核心。核心网的数据包到达eNB后，在eNB的PDCP层被“一分为二”。一部分数据走eNB自己的RLC/MAC链路（4G空口），另一部分则通过X2接口，被转发到gNB，走gNB的RLC/MAC链路（5G空口）。UE侧的PDCP层再将这两路到达的数据包重新排序、合并，恢复成原始的数据流。

“Split Bearer就像一个Y字形的水管，”李工比喻道，“上游的水流（数据），在分叉点（eNB的PDCP层）被同时引向两条支路（LTE和NR），最终在下游的汇合点（UE的PDCP层）重新汇合。通过这种方式，两条支路的流速得以叠加，实现了总速率的飙升。”

2. 5.6.2 LTE接入5GC：让4G终端提前“享受”5G核心网

在陈工的网络演进路线图中，有一个大胆的设想：在全面升级到SA网络之前，能否先将现有的4G eNB基站，接入到新建的5G核心网（5GC）上？这样，即使是只支持4G的终端，也能提前享受到5GC带来的一些新特性。5.6.2节描述的LTE connectivity to 5G-CN，正是为这个设想提供了标准化的解决方案。

LTE connectivity to 5G-CN does not only allow RAN level interworking but provides a migration path where the core network is 5G-CN whereas the radio remains LTE. This enables utilization of new functionalities provided by the 5G-CN such as QoS, mobility enhancements and slicing even when using the LTE radio interface.

这种架构下的4G基站，被称为ng-eNB（Next Generation eNB）。

“李工，这听起来有点不可思议。4G的‘车’，真的能跑在5G的‘路’上吗？”小玲对此感到非常好奇。

“是的，但需要对‘车’（eNB）进行一次关键的‘底盘改造’。”李工解释道。ng-eNB相比普通的eNB，主要进行了以下“升级”：

  • 接口升级：支持全新的NG接口，可以直接与5GC的AMF/UPF进行通信。

  • 协议栈升级：引入了5G NR的SDAP层和NR PDCP协议。

For the user plane, the protocol stack is shown in Figure 5.6.2-1, where SDAP and NR PDCP sublayers perform the functions listed in TS 38.300…

“为什么一定要引入SDAP和NR PDCP呢？”

“因为这是与5GC对话的‘必修语言’！”李工强调，“

  1. SDAP: 5GC的QoS管理是基于QoS Flow的。只有引入了SDAP层，ng-eNB才能理解5GC下发的QFI（QoS Flow Identifier），并将其正确地映射到无线的DRB上。

  2. NR PDCP: 5G的PDCP协议相比LTE，进行了一些优化和增强（如支持更大的序列号空间）。为了与5GC的UPF进行无缝对接，ng-eNB也需要升级到这个新版本的PDCP。

通过这些改造，即使美美的手机只是一部普通的4G手机，当她连接到一张ng-eNB + 5GC的网络时，她也能间接地体验到5G的部分优势：

  • 更精细的QoS：运营商可以为她的不同应用（如视频、游戏），提供基于QoS Flow的差异化保障。

  • 网络切片：运营商可以将她划分到特定的网络切片中，例如一个“视频体验保障”切片。

  • 更优的移动性：可以利用5GC更先进的移动性管理策略。

“‘LTE接入5GC’这个方案，为运营商从EPC向5GC的演进，提供了一条非常平滑的、‘核心网先行’的演进路径，”陈工在他的规划中补充道，“它让我们的5GC投资，能够更早地服务于海量的存量4G用户，提升了投资回报率。”

3. 总结：演进之路上的“混合动力”智慧

通过对NSA核心网增强和“LTE接入5GC”这两种混合架构的深入学习，小玲对5G的演进智慧有了更深的感悟。她认识到，5G的成功，不仅在于其SA目标的宏大，更在于其为达到这个目标所铺设的台阶是如此的务实和灵活。

  1. NSA (EN-DC)：是一种**“RAN侧融合”的混合模式。它以4G核心网EPC为中心**，通过对EPC进行“小改”，实现了对5G NR这个“新动力源”的快速集成，是**“业务先行”**的演进策略。

  2. LTE connectivity to 5G-CN：是一种**“核心网侧融合”的混合模式。它以5G核心网5GC为中心**，通过对4G eNB进行“中改”，让存量的无线网络能够提前接入全新的核心网，是**“核心网先行”**的演进策略。

“我明白了，”小玲在笔记上画了一个从4G通往5G SA的演进路线图，并在中间标注了这两个关键的过渡节点，“NSA和LTE-5GC，就像是汽车产业从燃油车向纯电动车演进过程中的两种‘混合动力’方案。一种是‘油改电’，一种是‘电改油’，它们的目标各不相同，但共同的目标，都是为了让这场能源革命能够更平稳、更顺畅地进行。这正是3GPP标准在面对技术代际更迭时，所展现出的巨大工程智慧。”

FAQ 环节

Q1：NSA网络的用户面数据，是一定要经过eNB的PDCP层分流吗？

A1：不一定。这取决于承载的类型。对于Split Bearer（分流承载），数据必须在eNB的PDCP层进行分流。但对于SCG Bearer（辅节点承载），eNB只是做一个“透明转发”，将来自核心网的数据包（GTP-U包）直接通过X2接口甩给gNB，后续所有的L2/L1层处理都在gNB侧完成。运营商可以根据业务类型和网络策略，灵活地为用户配置不同类型的承载。

Q2：EDCE5对EPC的改造，工作量大吗？是否需要更换硬件？

A2：EDCE5的改造主要集中在软件层面，通常不需要更换核心网的硬件设备。但工作量依然不小，它涉及到MME、SGW、PGW、HSS、PCRF等多个核心网网元的软件版本升级和特性激活。对于运营商来说，这是一项需要精密规划、严格测试的系统工程，以确保在升级过程中不影响现有4G业务的稳定性。

Q3：既然“LTE接入5GC”能让4G用户也用到切片，那它能支持URLLC业务吗？

A3：理论上可以提供比传统4G更好的时延和可靠性，但难以达到5G NR原生的URLLC级别。原因是，虽然核心网升级到了5GC，可以提供基于QoS Flow的精细化策略，但空口仍然是LTE。LTE的空口时延（TTI=1ms）、调度灵活性等方面，相比5G NR存在物理上的代差。因此，这种架构可以看作是对LTE网络QoS能力的“增强”，但无法完全替代NR-SA来实现对时延最敏感的URLLC业务。

Q4：一个基站可以是eNB，也可以是ng-eNB吗？

A4：是的。现代的主流基站设备，在硬件上通常是支持多种模式的。通过软件的配置和升级，同一个物理基站设备，既可以作为连接EPC的普通eNB运行，也可以升级后作为连接5GC的ng-eNB运行。这种能力被称为“双模基站”，它为运营商的网络演进提供了极大的灵活性。

Q5：美美的手机在NSA和“LTE接入5GC”这两种网络下，状态栏会显示什么？

A5：这是一个有趣且实际的问题。

  • 在**NSA（EN-DC）网络下，当手机同时连接LTE和NR时，手机厂商通常会将其定义为“5G”，因此状态栏会显示“5G”**图标。

  • 在**“LTE接入5G-CN”网络下，由于手机的空口技术仍然是LTE**，即使核心网是5GC，手机通常也只会感知到自己驻留在LTE网络上。因此，状态栏大概率会显示**“4G”或“LTE”**图标。对于用户来说，这种网络升级是“无感”的，但他们可能会在网络测速或使用特定业务时，体验到QoS的提升。

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