移动超密集HetNet中的双连接切换管理：综述

工程科学与技术，国际期刊35（2022）101172审查未来超密集移动异构网络下5G技术中的双连接切换管理：综述Sajjad Ahmad Khana，Mr. Shaheem Shayeaa，Mustafa Ergena，Hafizal Mohamadba伊斯坦布尔技术大学（ITU）电气和电子工程学院电子和通信工程系（34467），土耳其b马来西亚森美兰州巴鲁尼莱市71800马来西亚伊斯兰大学工程与建筑环境学院阿提奇莱因福奥文章历史记录：2021年10月21日收到2022年2月19日修订2022年4月27日接受2022年6月3日在线发布保留字：双连接（DC）第五代（5G）切换（HO）异构网络（HetNet）移动性管理毫米波（mmWave）A B S T R A C T通过用户移动性支持无缝连接是移动异构网络（HetNet）中必须解决的关键挑战。随着第五代（5G）和移动网络的部署，这种情况在未来的超密集HetNet中将变得更加糟糕由于各种关键的重要因素，这些因素包括毫米波（mmWaves）的使用，连接的移动设备的大量增长，重叠的网络部署，双连接（DC）的实施，载波聚合（CA），连接无人机的出现，小小区的大规模部署以及支持高移动速度场景所需的。因此，本文提供了一个全面的审查切换管理在未来的移动超密集HetNet。不同的移动性和切换管理技术进行了讨论，以突出其在用户移动过程中提供无缝连接的贡献几个关键的挑战，机遇和前瞻性的解决方案也检查，以查明关键问题，并确定合适的解决方案，可能有助于解决未来移动网络的移动性问题。最后，背景研究和实际的解决方案，并讨论了未来的研究方向。©2022 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。内容1.介绍22.背景和初步概念32.1.异构网络（HetNet）32.2.小细胞42.3.物联网（IoT）42.4.5G新无线电（NR）52.5.5GHetNets中的移动性管理2.6.5G HetNet中的切换决策过程。...........................................................................................................................................................................................................52.7.增强型小区间干扰协调（eICIC）53.5G双连接（DC）63.1.5G非独立接入架构63.2.5G独立接入架构73.3.5G NSA和SA架构之间的比较73.4.通过双连接7的3.5.双连接的优点/缺点84.未来移动HetNets中的DC挑战94.1.超密集HetNet挑战94.2.移动管理挑战94.3.新无线电（NR）频谱挑战9*通讯作者。电子邮件地址：skhan@itu.edu.tr（S.A. Khan）。由Karabuk大学负责进行同行审查https://doi.org/10.1016/j.jestch.2022.1011722215-0986/©2022 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestch萨贾德·艾哈迈德·汗岛Shayea，M.Ergen等人工程科学与技术，国际期刊35（2022）10117224.4.超高速挑战94.5.安全和隐私挑战95.文献中提出的解决办法6.未来的研究方向116.1.软件定义网络（SDN）116.2.机器学习（ML）126.3.深度学习126.4.优化的负载平衡136.5.增强现实137.结论13竞争利益声明致谢. 13参考文献131. 介绍移动设备和高级应用程序数量的异常增长导致数据流量大规模激增[1]。根据爱立信2020年6月发布的报告，到2025年，移动用户数量将达到90亿，其中88%的用户将使用移动宽带连接[2]。数十亿其他移动设备和家用电器也将连接到互联网。因此，移动数据的需求将在未来五年内增长1000倍[3]。为此，频谱间隙将进一步上升，导致需要开放和利用新的频谱带[4，5]。因此，已经引入了5G移动技术来增加系统容量并提供无处不在的连接。因此，毫米波（mmWave）频段被认为是5G及更高级别移动网络的最合适和最有效的解决方案[6这是由于今天的消费者产生的带宽更大，移动网络的所有部分都超密集网络（UDN）是赛道的主要概念之一。UDN是具有比活跃用户更多的小区的换句话说，接入点密度大于用户密度。这将主要有助于更高的吞吐量、增强的能源效率、无处不在的连接、减少室内和室外环境中的覆盖间隙以及增强的服务质量（QoS）。部署的HetNets小型蜂窝将家用电器连接到互联网。5G和6G的非独立接入（NSA）模式将允许在新无线电（NR）和4G演进分组核心（EPC）上运行的双连接（DC）同时接入各种技术。尽管这些新技术的实施将带来若干优点，但超密集HetNet被认为会遇到必须解决的各种问题这些挑战的出现是由于新技术解决方案的出现和移动连接的大规模增长这包括毫米波的使用、连接移动设备的大量增长、大规模小型小区的部署、重叠网络部署、DC的实施以及连接无人机的出现[9]。无缝切换的挑战在简单的HetNet的心理状态。切换是一种切换技术，它保证了移动蜂窝网络中小区之间的无缝移动性。这是一个使移动终端能够将其连接从一个小区切换到另一个小区的过程，并且数据卸载的方式使得在理想情况下不会发生中断。切换决策是移动网络中移动性管理的重要组成部分。在未来的HetNet世代中，由于从一个小区到另一个小区的频繁切换，切换将极大地影响系统的性能。例如，如果小小区之间的切换的数量增加，则实现的总体吞吐量增加。5G及以后的移动网络将按比例缩小[10]。在文献中已经进行了许多研究以提出使频繁切换、乒乓效应、切换失败率、切换时间、切换中断和能量消耗最小化的几种切换技术毫米波在5G及更高级别的移动网络中的使用产生了严重的问题，这加剧了切换问题。用于5G系统的部分最佳候选频段在24到84 GHz之间，对于下一代技术，可能高达100 GHz[11]。使用这样的光谱带有几个限制：它们明显遭受更高的路径损耗，并且由于它们的短波长而不能穿透墙壁或任何其他障碍物[12，13]。这将导致增加的切换速率，这可能随后导致切换失败、切换乒乓、不必要的切换以及中断时间和吞吐量降级的更高移动连接的大规模增长是未来移动网络的另一个预期挑战。联网移动设备的数量呈指数级增长。物联网设备的数量也在大幅增加。在包含大量移动设备之后，网络将需要更高的带宽和无处不在的连接[14][1]。因此，提出了各种类型的小小区在未来的移动网络中操作，以增强连接并最小化覆盖间隙。部署不同类型的小区共同工作形成了HetNet，从而提高了整个系统的吞吐量。然而，在未来的移动HetNet中部署大量的小小区将导致各种问题，诸如共信道干扰（CCI）、频繁的切换、更多不必要的切换、更高的无线电链路故障（RLF）以及由于短覆盖区域和小区间交互而导致的回程供应[155G及以后移动网络的一大担忧是不同网络类型的重叠部署。当移动终端频繁地从一个小区切换到另一个小区或从一个网络切换到另一个网络时，计算复杂度将增加。类似地，使用不同的技术，例如NR、大规模多输入多输出（MIMO）、认知无线电（CR）、载波聚合（CA）等，也将增加未来移动网络的复杂性。例如，CA是在移动网络中同时使用两个或更多个载波来增强系统容量的关键技术。然而，当移动终端从一个小区切换到另一个小区以及从一个分量载波（CC）切换到另一个分量载波以便切换主CC时，这也将导致严重的切换问题[19]。这一问题将进一步加剧当存在小小区之间的频繁切换时联网无人机的出现是5G及其他蜂窝网络发展的巨大进步联网无人机可以按需使用，并在选定的区域使用，以增加移动网络覆盖范围[20]。它们还可以作为空中接入点提供无线服务。然而，萨贾德·艾哈迈德·汗岛Shayea，M.Ergen等人工程科学与技术，国际期刊35（2022）1011723由于不同接入点之间的频繁切换，切换过程将成倍增加。3GPP在其Release-15[21]中提出了DC的新想法。DC使得移动终端能够同时与两个小区连接。根据3GPP规范，小区节点被称为演进节点基 站 （ eNB ） 。 在 DC 过 程 期 间 ， 主 宏 小 区 被 认 为 是 主 eNB（MeNB），而小小区被注册为辅eNB（SeNB）[22]。DC使5G NR能够与LTE-A EPC系统一起运行多无线电双连接（MR-DC）经由两种不同的无线电接入技术（RAT）来实现DC。SeNB使用NR 5G接入技术，而MeNB使用演进的通用陆地无线电接入网络（E-UTRAN）技术。两个eNB通常经由非理想回程连接。在这种情况下，它们也与两个独立的微处理器一起操作[23，24]。DC是使移动终端能够通过使用两种不同的RAT同时连接到宏小区和小型小区两者的有前景的方法。这种方法可以提高未来HetNet的整体吞吐量和频谱效率。然而，通过DC的切换在5G HetNet中是一个严峻的挑战。这需要事先解决。充分和高效的切换管理技术对于降低未来移动HetNet的复杂性和移动性问题至关重要在整个文献中已经开发了几种技术和算法来解决这些问题。在[25]中，提出了一种基于手臂消除的算法来解决HetNet中的频繁碰撞和乒乓效应本文对该算法进行了简化，并对延迟反馈情况下的性能进行了在[26]中推荐了一种基于灰色关联分析（GRA）的切换技术。将层次分析法和GRA方法相结合，对可用小区进行排序，以获得最佳切换目标。在[27]中还实施了DC的新方案。它使用户能够同时连接到4G和5G无线网络。所有提到的文章都讨论了切换技术或DC策略。在文献中已经提出了用于开发5G和6GHetNet的几个潜在想法。我们亦识别不同的转发器及卸载技术，以改善5G HetNet的容量、速度、频谱效率及能源效率介绍了数据中心的概念在未来的移动HetNet中检查DC上的切换和移动性管理策略的需要仍然有待完成。在本文中，不同的切换管理算法和对DC的移动性管理技术进行了研究。简而言之，主要贡献如下：1. 对未来超密集移动HetNet中DC切换技术的主要概念进行了全面的阐述。2. 讨论了不同的切换方法，突出了未来在LTE-A、5G和6 G移动网络中通过DC进行切换的可能性的基本方面。3. 机器学习（ML）为基础的方法和其他开发的战略，以解决移动性问题进行检查。4. 提出了几个预期的挑战和解决方案，并讨论了未来的研究方向。文章的其余部分组织如下：第二部分介绍了未来移动蜂窝网络中使用的背景和初步概念。第三节描述了LTE-A和5G核心网络中的DC概念。第四节强调了未来移动HetNet的挑战。第五节介绍了文献综述中的主要解决方案。第六节重点介绍了下一代无线和超越HetNet的切换的未来研究方向。第七节总结并结束了本文件。2. 背景和初步概念近来已经开发了各种设计、技术和工艺来满足订户对下一代无线网络的日益增长的数据需求。关键概念包括减小小区大小和使用新频率[28]。引入小型小区和毫米波是为了为室内和室外用户提供更好的覆盖和更高的吞吐量。主要概念在以下小节中定义。2.1. 异构网络（HetNet）术语HetNet是指与各种类型和大小的小型小区和宏小区连接的无线网络，所述小型小区和宏小区被部署为彼此重叠。HetNet由于更好的覆盖、更高的吞吐量、更高的能量效率和更高的QoS而受到广泛关注。HetNet被认为是未来几代移动网络的重要在HetNet中，小型小区可以部署在家庭，办公室，大型购物中心，体育场馆，机场和其他拥挤的区域[29，30]。这些小小区由各种类型组成，诸如微小区、微微小区、毫微微小区等。网络部署计划将是未来5G移动通信系统的超密集Het- Net，以满足高数据和覆盖需求。5G移动网络已经在一些国家推出，改变了蜂窝和无线通信系统的模式。电信行业一直在努力改善其基础设施以满足数据业务需求。所提出的这将导致未来HetNet部署多个小型小区以及宏小区2010年，3GPP将LTE升级为LTE-A，并在其Release-12中建议在宏小区下部署小小区[31]。开发将持续到最新的Release-17。额外的网络基础设施有助于增加蜂窝网络容量[32]。然而，一些研究指出，这种部署必然会面临干扰问题[33]。从运营商的角度来看，新的小区部署也不具有所需的电力、租赁道具、部署和维护成本可能进一步增加。物联网倡导的概念是每个人和一切都应该连接到互联网。这将改变我们的生活，因为智能设备将无处不在，例如在家庭，城市，车辆，办公室等，这将减少人力并节省时间。为了成功实施物联网技术，运营商必须随时随地提供不间断的互联网服务。小型蜂窝（如毫微微蜂窝）在提供互联网服务方面发挥着至关重要的作用，特别是在室内环境中。这主要可以通过采用毫米波射频来实现。开发超密集HetNet是5G无线网络的重要组成部分，它完成了第三代合作伙伴项目（3GPP）的要求[34，35]。典型的移动蜂窝通信系统由同构网络架构组成，其中仅宏小区用于向蜂窝网络中的所有UE提供服务。以这样在网络中，所有宏小区应用几乎相同的发射功率、天线方向图、无线电接入网络（RAN）、调制技术、信噪比（SNR）和EPC来服务所有小区上的UE[36]。不幸的是，典型的同构网络将不足以覆盖所有区域，特别是小区边缘，并且无法满足5G网络系统所需的数据流量解决这个问题的另一种建议方法是分裂细胞。然而，这种实现方式将是昂贵且不适合的，因为必须在小区域内部署大量宏小区[37]。因此，演进中的LTE-A系统正在采用更先进的技术萨贾德·艾哈迈德·汗岛Shayea，M.Ergen等人工程科学与技术，国际期刊35（2022）1011724通过使用分层小区部署模型，提供了一种高效且成本有效的方法。根据3GPP规范，可以在宏小区上部署不同的小区大小。这种类型的多小区网络架构被称为HetNet系统。图1呈现了LTE-A HetNet架构，其由宏小区和小小区的组合组成。进一步解释了小细胞在下一个小节中。HetNet架构的实现对于运营商和用户都是有用的。主要原因在于，这种方法增加了覆盖区域，并且还在吞吐量、频谱效率、小区边缘性能以及连接可靠性和稳定性方面提高了部署小型基站也很容易设置，并且非常具有成本效益[38]。2.2. 小小区移动蜂窝网络在实现高数据速率方面发挥着至关重要的作用。然而，网络运营商正面临几个重大挑战。其中一个挑战是提供全覆盖，特别是在拥有众多高层建筑的密集城市。另一个挑战是数据流量需求的持续和急剧增长。为了克服这个问题，必须减小宏小区的大小[39]。不幸的是，这种方法不经济，需要大量投资。因此，在4G网络中引入了具有不同规范和系统设置的小小区已经针对5G和6G网络提出了毫米波的使用，由于这些频带的高路径损耗特性，导致部署小型小区小型小区通常是低功率的，具有易于插入的接入节点，通常被设计为扩展覆盖范围，可以增加容量并进一步增强无线蜂窝网络的频谱效率[40]。如图2所示，在单个宏小区内部署不同类型的小小区。小型小区可以位于建筑物内部或外部。它们使用许可的、共享的或非许可的频带。它们的覆盖范围从10米到几百米不等。小型小区可以经由数字用户线路（DSL）、光纤链路或其他微波链路连接连接到核心移动网络。它们可以为室内和室外用户提供宽带覆盖。它们也被视为RAN中的流量卸载点，以减少宏小区中的拥塞并增强用户典型的小型小区如下所示：1. Femtocell：毫微微蜂窝是最小类型的小型蜂窝，半径覆盖范围为10至30米。它可以用于家庭，Fig. 1. 5G技术和异构网络（HetNet）架构。图二、各种小小区和与宏小区重叠的部署场景办公室、购物中心和地铁[42]。毫微微小区可以被安装用于其中人需要高速宽带但是不能在他/她的室内环境内进行电话呼叫的场景。它还提供高速宽带连接，以满足用户需求，并帮助网络运营商减轻传统蜂窝网络的负担[43]。2. 微微蜂窝：微微蜂窝覆盖半径约为20至200米[44]。它们通常部署在人群密集的地方或特殊场合的场所，例如庆祝活动、竞技场、音乐会和其他大型集会。网络运营商安装微微小区以向终端用户提供更好和扩展的覆盖3. 微蜂窝：微蜂窝也是小蜂窝，但它们覆盖的面积超过两公里[45]。微蜂窝通常部署在偏远地区，如郊区和小城镇。它们提供高数据速率，并改善视线问题造成的盲点处的服务。在宏小区上部署小小区被称为HetNet，其对于运营商和用户而言更具可扩展性和有用性。由于更好的室内宽带无线覆盖，系统容量将以具有成本效益的方式增强[46]。2.3. 物联网（IoT）物联网是一项即将到来的技术，将广泛部署在5G移动网络中。物联网的概念是互连所有设备，如家用电器，车辆，摄像头，交通信号灯和其他应用[47]。为了连接这些设备，无线通信起着重要的作用。由于新技术的发展和互联网速度的提高，可以连接数百万台设备以实现可互换的通信[48]。物联网思想背后的主要原则是连接性。与传统的互联网连接需要人工监控和干预不同，物联网可以在没有人工干预的情况下利用互联它可以在全球范围内连接所有设备，以保证物联网元素的兼容性，无可挑剔的包容性和独特的系统管理[49]。为了更好地实现物联网网络及其应用的核心原理，必须全面了解其实体、特殊属性和独特属性，并对其进行验证。 随着物联网的组成领域的巨大发展，如无线传感器网络和数据处理，物联网必须采取巨大的飞跃，以跟上人类生活革命的进展。通过使用最新的技术改进，物联网试图为下一代无线HetNet中预期的最大挑战提供解决方案。萨贾德·艾哈迈德·汗岛Shayea，M.Ergen等人工程科学与技术，国际期刊35（2022）10117252.4. 5G新无线（NR）2015年，3GPP开始研究一种新的RAT。NR被提出并被采纳为新的空中接口全球标准2017年，3GPP在其Release-15中宣布了NR的标准规范[50]。这被认为是5G移动网络的新无线电空中在3GPP的下一个版本中也提供了技术支持在5G移动网络中使用两个不同的频段1. 频率范围-1（FR-1）：包括410 MHz至7125 MHz的频带2. 频率范围-2（FR-2）：包括24至100 GHz毫米波范围内的频带。5G NR支持从15 KHz到240 KHz的子载波间隔，并且具有总共3300个子载波，这些子载波可以由单个信道同时使用。 然而，所有通道的总范围不能宽于400 MHz。重要的是要注意，标准NR频率可以被替代地使用。这意味着对于任何特定的子带都不能识别子载波。6 GHz内的频带由不同的信道和噪声特性具体标记。因此，较高的带宽采用范围在15KHz和60KHz之间的较高频带。目前，5G移动网络使用的NR频段为下面24千兆赫。5G移动网络还支持灵活的NR频段。该方法允许移动设备在必要时从较低频带切换到较高频带，反之亦然。因此，该方法可以在基于IoT的移动网络中实现更高的性能，因为IoT设备在传输少量数据时通常使用很少的能量。2.5. 5G HetNet移动性管理是研究最多的话题近年来仍然需要创新和增强的技术来实现未来技术的移动性。 由于超密集的HetNet，5G架构需要额外的移动性管理规定，以确保无缝移动性。各种技术将融合，以满足日益增长的对5G无线网络中更高数据速率的需求。因此，高效的移动性管理解决方案需要确保5G HetNet中的无缝和安全移动性[51，52]。进行了几项流动性管理研究，提出了许多有用的技术。广泛采用的移动性方法是[53]中提到的集中式移动性管理（CMM）。根据CMM方法，集中式节点充当锚节点并且保留现有节点和新节点的信息，诸如因特网协议（IP）地址。在移动性过程中，分组也经由锚节点路由。这种方法在4G LTE和LTE-A蜂窝网络中可能有帮助，但在超密集的5GHetNet中可能会带来一些严重的问题。由于大小，5G HetNet中的切换数量可能会增加这会导致额外和不必要的移动性请求[54]。[55]中引入了分布式移动性管理（DMM），以修复之前的CMM问题。在DMM策略中，增强锚节点的作用以有效地执行UE移动性。在基于IP的移动性管理系统中，最近点作为锚节点，控制移动性过程。虽然DMM减少了切换延迟，但不必要的控制消息信号破坏了5G无线网络的性能。2.6. 5G HetNet在无线蜂窝通信中，切换是重要的概念，其中UE可以从一个小区移动到另一个小区而不丢弃会话。UE在小区之间的有效切换是切换过程的关键要素因此，切换在5G HetNet的发展中起着至关重要的作用。它保持UE连接到网络，同时从一个小区移动到另一个小区。它还可以保持信号强度、负载平衡、成本效益和能耗效率。两种主要的切换类型是硬切换和软切换.在硬切换过程中，UE到现有小区的连接终止，同时连接到新小区而没有任何延迟。这也称为先断开后连接机制。在软切换过程中，在现有连接终止之前建立新的连接[56]。这有时被称为先连接后断开方法。另外两种切换类型是水平切换（HHO）和垂直切换（VHO）。在HHO过程期间，UE在同一网络内切换[57]。VHO呈现不同网络之间的无缝UE移动性[58]。由于新技术的实施，VHOHetNet、NR、机器对机器（M2M）通信和智能无人机等创新技术已准备好加入5G无线网络。对高数据速率的日益增长的需求可以通过采用最新技术来满足[59]。然而，频繁的访问和乒乓效应仍然是HetNet发展的关键挑战。这些问题可能会严重降低无线网络系统的性能[60]。因此，必须主动解决和建立适当的切换和移动性管理技术。从文献综述中提取了几种基本的切换技术。提出了一种基于VHO的方法在[61]中，其使用动态功率控制机制来无控制地进行数据传输。Wang等人在[62]中也提出了一种有效的VHO方案。他们的技术是使用马尔可夫决策过程（MDP）制定的，其中VHO是在检查队列长度和信道条件后执行的。类似地，Chen等人[63]提出了一种QoE感知智能VHO方案，旨在满足广泛应用所需的QoS，同时允许在5G Het-Net中进行无缝切换。在[64]中引入了一种新的切换决策算法，以减少超密集5G HetNet中的切换失败和乒乓效应。作者实现了一个模糊逻辑系统与动态确定的滞后裕度。结果表明，新方案的效果优于现有方案。在[65-69]中，提出了几种算法来最小化RLF，呼叫掉线和乒乓效应。在[70]中提出了一种模糊逻辑单元选择方法。所提出的方法在检查UE上行链路条件、资源块利用率和选择标准测量之后执行切换过程。该方法使乒乓效应和切换失败最小化，从而实现更高的能力。2.7. 增强型小区间干扰协调（eICIC）利用增强型小区间干扰协调（eICIC）是提高网络效率和用户数据速率的另一种方法。因此，由许多小区同时使用相同频谱引起的小区间干扰（ICI）提出了重大挑战。ICI降低了系统吞吐量和网络容量，损害了小区边缘用户的体验和整体系统性能。因此，需要改进的干扰协调解决方案，特别是用于用户到小区关联和资源分配的干扰协调解决方案，以限制ICI萨贾德·艾哈迈德·汗岛Shayea，M.Ergen等人工程科学与技术，国际期刊35（2022）1011726在5G HetNet中。这是为了增强QoS并增加系统吞吐量，这是由于在异构蜂窝网络中的宏基站上部署小小区覆盖，这由于下行链路中各种基站的不同发射功率而导致业务负载不平衡单元选择是HetNet拓扑结构中需要解决的一个关键参考信号接收质量（RSRQ）和参考信号接收功率（RSRP）是LTE-A和5G移动网络中广泛使用的两种小区选择策略LTE-A HetNet小区选择策略中的比较基于移动对干扰和噪声比对RSRP和RSRQ。使用RSRP的小区选择不是最优的，因为它考虑了来自每个小区的接收功率，而没有考虑相应资源的信道质量。因此，SINR是获得高吞吐量的下行链路性能为了减轻由跨两层网络的功率传输方差引起的覆盖不平衡，利用小区范围扩展（CRE）偏移值。在[71]中确定每个小区的信号与干扰加噪声比（SINR）值，并选择最佳服务的小区。I¼ arg maxfcm;cP CREg如果c_m>c_P_cRE，则宏小区被分配为服务。否则，选择小小区作为服务小区。3. 5G双连接（DC）DC是一种创新技术，可以满足5G超密集HetNet系统对高数据速率日益增长的需求。这也是5G HetNet发展中最具潜力的技术。5G网络的进展高度依赖于可靠的LTE-A核心EPS和NR技术。NR频率预计将在5G网络中实现，以实现更高的吞吐量。目前的带宽无法满足日益增长的数据业务需求。因此，NR可以在5G移动网络中使用，以识别增强型移动宽带（eMBB）流量的要求。5G HetNet中的小型小区的超密集部署带来了显著的挑战，例如CCI。这发生在两个eNB（宏小区和小小区）通过相同信道操作时[72]。3GPP提出了一种新的DC概念，以解决CCI挑战并增加蜂窝系统的整体吞吐量。根据DC的定义，UE可以同时连接到两个eNB并使用不同的接入技术[73]。3GPP在其版本15中解释了各种DC架构，并用于在5G HetNet中实现。主要架构包括独立和非独立设计。这些体系结构将在以下小节中重点介绍。但是，本文主要关注非单机架构。在5GHetNet中，UE可以同时连接到5G NR接入技术和4G LTE-A EPC。该技术被称为E-UTRAN-NR双连接（EN-DC）[74]。使用DC的优势包括获得更高的数据速率、提高可靠性、提高频谱效率，以及实现更好的负载平衡和与4G LTE-A基础设施的兼容性。在5G HetNet中使用DC的唯一缺点是RF信号复杂性的急剧增加。图3显示了DC的一般应用。图中提供了三种不同的场景。在场景1中，UE仅由宏小区服务，因为附近没有可用的小小区。场景2是DC的完美示例，因为HetNet系统向UE提供双重数据流。UE同时连接到宏小区和小小区以实现峰值数据速率。然而，宏小区和小小区两者将使用不同的频带。场景3示出了UE仅由小小区服务，因为它不在宏小区的范围内。很容易图三. 5G HetNet中DC技术的一般概念。DC是实现更高吞吐量和更高频谱效率的最佳选择。3.1. 5G非独立接入架构虽然3GPP的Release-15为5G网络系统的开发提出了不同的设计，但最合适的是NSA架构。其主要想法是将5G无线网络与现有的4G LTE系统一起推出。通过在现有的4G-LTE基础设施中启用5G承载，可以加速向5G的转变。NSA架构的主要特征是DC的扩展形式，即EN-DC[75]。EN-DC使得作为MeNB的4G LTE-A的eNB和作为辅gNB（SgNB）的下一代节点基站（gNB）能够同时服务UE并在它们之间分担工作负载。EN-DC的使用在5G HetNet中是适当的，因为MeNB在LTE-A EPC基础设施上操作，而SgNB可以利用5G RAN信道的NR。图4解释了为5G HetNet中的EN-DC建议的底层NSA架构的潜在配置。UE可以通过四种不同的配置设置连接到S-GW。1. 主 小 区 组 （MCG ） 承 载 ： 在 该 配 置 中 ， 信 息 从 S-GW 发 送 到MeNB，其中MeNB直接将信息转发到UE。DC不能被实现，因为辅助SgNB不参与该过程。2. MCG拆分承载：在MCG拆分承载配置中，在MeNB处发生承载拆分。数据流量不仅见图4。 5G EN-DC非独立接入（NSA）架构。萨贾德·艾哈迈德·汗岛Shayea，M.Ergen等人工程科学与技术，国际期刊35（2022）1011727从MeNB直接发送到UE，但也通过SgNB发送。在MeNB处接收到的信息可以被分成两个片段：一个片段被直接传送到UE，而另一个片段被传递到SgNB。SgNB向UE发送该信息。3. 辅小区组（SCG）承载：类似于MCG承载配置，SCG承载配置不使用拆分，并且数据直接从S-GW发送到SgNB，然后直接发送到UE。在该特定配置中，UE由5G NR接入技术服务。4. SCG分离承载：在该配置中，数据业务被划分到SgNB和MeNB中。然而，大部分数据是由SgNB传输的。5. 很明显，使用分离承载方法可以实现最高的数据速率实现NSA架构的主要目标是在5G EN-DC和退出LTE系统中实现DCNSA架构允许下一代5G网络系统与现有的4G网络一起更快地推出。3.2. 5G独立接入架构5G NR独立接入（SA）部署是最近推出的第一个预定义方法。SA架构是5G NR接入技术的主要部署场景。在该架构中，UE直接连接到gNB，并且gNB与5G核心网络链接。必须建立新的核心网络，而不是LTE-A EPC网络。5G NR SA技术必须将4G RAN完全升级为NR接入技术，以及将LTE-A EPC基础设施升级为新的5G核心网络架构，以便开始其服务。不幸的是，即使在5G无线网络推出后，一些领域仍将悬而未决。图5解释了5G SA架构，这是一种新的和升级的核心网络系统。eNB被增强为gNB，5G核心网取代LTE-A EPC网络。5G SA预计将建立一个智能和智能的架构，采用NR接入技术，将提高最终用户的QoS。5GSA也有自己的架构，与现有的LTE-A EPC网络不兼容。但是，它允许灵活部署小型小区。3.3. 5G NSA和SA架构的比较本小节给出了5G的NSA和SA架构之间的比较。下面将解释其中的一些基本区别图五、第五代（5G）新的独立接入（SA）架构。1. NSA 5G是全球向5G过渡的关键第一步到2019年底，全世界的小工具都将支持5G。根据GSMA的数据，到2025年，全球5G连接预计将达到18亿，主要原因是5GNSA的成功部署。2. NSA 5G使网络运营商能够优化LTE-A基础设施的使用，同时通过5G eMBB为企业和个人提供比以往更快、更可靠的通信然而，eMBB只是触及了5G潜力的表面3. SA 5G核心设计除了增加带宽外，还提供了一系列额外的特性其中包括超可靠低延迟通信（URLCC），这是需要近实时响应的应用程序的关键组件，例如自动驾驶汽车，精密机器人和机器视觉。通过特定的机器对机器通信协议实现的大规模物联网也是SA5G的重要组成部分。4. 运营商需要SA 5G为企业客户提供URLLC和大规模物联网因此，SA允许将网络分割成虚拟部分，这些虚拟部分可以根据每个业务的需求进行定制，同时提高运营效率。3.4. 基于双连接的5G开发的主要目标是通过将DC与现有4G LTE-A EPC网络一起使用来实现更高的容量和覆盖增益DC是一种创新的解决方案，通过利用NR频谱将现有的4G LTE-A与下一代5G相这意味着4G的LTE-A 20 MHz频带可以与三倍更高的频带同时使用，即，5G的60 MHzNR可以应用分离承载模式以同时使用旧频带和NR。使用DC的优点是以具有成本效益的方法实现更高的吞吐量[76]。在5G HetNet中的DC过程期间，可以预测两种不同的切换场景。第一种是在4G LTE-A系统中当UE从旧MeNB移动到新MeNB时。第二种是当UE在两个小小区之间切换时，即，从现有SgNB到新SgNB。由于小型小区的超密集部署及其有限的覆盖区域，预计在这些小型小区之间会发生频繁的切换和乒乓效应。在稍后的场景中，MeNB保持连接，而小小区在移动期间切换在LTE-A EPC和5G Het-Net中，RSRP在切换过程中起着至关重要的作用。如果新SgNB的RSRP值高于连接的SgNB，则UE的切换发生，否则，连接保持不变[77]。图6呈现了5G Het-Net中DC上的切换过程。UE同时连接到LTEMeNB和5G SgNB（smallcell-1）。一旦UE从小小区-1朝向小小区-2移动，MeNB就向小小区-2发送警报消息以通知其UE的到达。当UE进入附近时，它开始从新的小小区-2接收导频信号。小小区-2随后将向MeNB发送请求信号以触发切换过程。MeNB在UE处检查smallcell-2的RSRP值。如果UE在smallcell-2处的RSRP值高于smallcell-1，则切换过程开始。在该过程期间，UE连续地接收两个数据业务流：一个来自MeNB，另一个来自SgNB。类似地，当UE从小小区-2移动到小小区-3时，切换过程重复。切换过程是在5G HetNet中维护DC的重要步骤。如[78]中给出的图7描述了5G HetNet在DC过程期间使用的最简单的切换过程。步骤如下：萨贾德·艾哈迈德·汗岛Shayea，M.Ergen等人工程科学与技术，国际期刊35（2022）1011728图六、5G HetNet中DC上的切换过程步骤1：UE生成无线电资源控制（RRC）测量报告，并将其发送给现有LTE MeNB。步骤2：MeNB接收RRC报告并比较RSRP值。如果相邻SgNB的RSRP值高于现有SgNB，则其将传递到MCG和SCG移动性管理组。根据图7中使用的方法，MeNB控制UE在5GHetNet中从一个小区到另一个小区的移动性。以下是切换发生时所涉及的步骤。步骤3：MCG和SCG检查钻孔SeNB和现有SeNB的参数如果相邻SeNB与新MeNB连接，则向新MeNB发送确认请求步骤4：向新的MeNB发送切换请求消息关于载波频率的所有所需信息也被发送到新的MeNB。步骤5：新的MeNB发送确认消息，并开始切换过程。步骤6、通过旧的MeNB向UE发送连接重配置消息。然后，UE准备好切换4个LTE-A和5G NR链路。步骤7：MCG移动组释放现有的SgNB。步骤8：S-GW和MME将数据业务从旧MeNB切换到新MeNB。步骤9：UE上下文由旧MeNB释放并且转移到新MeNB。步骤10：现有SeNB释放UE上下文并将其传送到相邻SeNB。步骤11、生成LTE-A RRC测量报告并发送给新的MeNB。步骤12、切换过程完成，数据流从新连接的SgNB开始。3.5. 双连接的优点/缺点在当前的3GPP规范中，有许多方法可以构建NR，包括从LTE-A网络转移到5G核心网络。这些替代品被归类为SA和NSA。每种迁移技术都有几个优点和缺点。在包括5G核心和gNB的SA架构中，5G服务可以立即交付。NSA架构，它使用目前的LTE-A基础设施只能提供5G服务。对于那些希望通过使用现有网络和削减前期成本来快速构建5G的企业来说，NSA可能是一个不错的选择。如果运营商想利用新的。5G机遇，SA架构是最佳选择。由于只有SA架构支持5G特定业务，因此是运营商的最佳选择。对于运营商来说，了解和使用不同类型的5G频段之间的差异非常重要。通过这种方式，他们可以使用它们在需要大量容量的密集和城市地区，或者在需要良好平衡容量和覆盖优势和权衡的大都市地区建立5G。双连接是最先进的5G网络技术之一。它弥补了NR部署的一些问题，并为用户同时提供两个连接的好处。另一方面，无缝切换变得更加复杂，特别是在两种不同的网络类型之间切换时[79]。另外，注意，3GPP在Release-15和更高版本中开始采用HeNB和gNB之间的X2接口。图7.第一次会议。EN-DC连接LTE-A和5G的切换设计[78]。萨贾德·艾哈迈德·汗岛Shayea，M.Ergen等人工程科学与技术，国际期刊35（2022）10117294. 未来移动HetNetCA是LTE-A中的功能，其允许UE同时从宏小区和小小区接收数据[80，81]。类似地，DC使UE能够同时从两个eNB接收数据流而没有任何问题，但是使用不同的载波频率[82]。在5G NSA网络系统中，NR应用于短距离并分配给gNB，而主射频由传统的LTE-A eNB用于更宽的范围。通过在5G HetNet中使用两个不同的无线电频率进行数据传输，可以增强整