基于移動(dòng)等級(jí)的5G網(wǎng)絡(luò)位置管理技術(shù)

程志密 電信科學(xué)技術(shù)研究院高級(jí)工程師

徐暉 電信科學(xué)技術(shù)研究院正高級(jí)工程師

王胡成 電信科學(xué)技術(shù)研究院高級(jí)工程師

陳山枝 電信科學(xué)技術(shù)研究院正高級(jí)工程師

胡渭琦 電信科學(xué)技術(shù)研究院高級(jí)工程師

基于移動(dòng)等級(jí)的5G網(wǎng)絡(luò)位置管理技術(shù)

程志密 電信科學(xué)技術(shù)研究院高級(jí)工程師

徐暉 電信科學(xué)技術(shù)研究院正高級(jí)工程師

王胡成 電信科學(xué)技術(shù)研究院高級(jí)工程師

陳山枝 電信科學(xué)技術(shù)研究院正高級(jí)工程師

胡渭琦 電信科學(xué)技術(shù)研究院高級(jí)工程師

識(shí)別和跟蹤UE同時(shí)減少信令開銷是移動(dòng)性管理研究中面臨的一個(gè)重要問題。本文根據(jù)用戶的移動(dòng)等級(jí)，提出了基于移動(dòng)等級(jí)的移動(dòng)性管理方案實(shí)現(xiàn)對(duì)不同移動(dòng)特性的UE進(jìn)行有效地移動(dòng)性管理。其優(yōu)點(diǎn)是根據(jù)UE移動(dòng)等級(jí)靈活地設(shè)置相應(yīng)的追蹤區(qū)，實(shí)現(xiàn)更新和尋呼開銷的最優(yōu)化和確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

移動(dòng)等級(jí)；追蹤區(qū)更新；全移動(dòng)性；無移動(dòng)性；低移動(dòng)性

1 引言

5G作為新一代無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，主要用于滿足2020年以后的移動(dòng)通信需求。5G將服務(wù)于人們居住、工作、休閑和交通等各種場(chǎng)所，涵蓋了住宅區(qū)、辦公室、體育場(chǎng)、露天集會(huì)、高鐵等多種場(chǎng)景。由于這些不同場(chǎng)景下的移動(dòng)通信具有不同的特征，例如超高的流量密度、超高的連接數(shù)密度、超低時(shí)延、超高的移動(dòng)性等，給5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，其中移動(dòng)性管理是一個(gè)重要的方面。為了提高接入網(wǎng)在面向5G復(fù)雜場(chǎng)景下的整體接入性能，5G網(wǎng)絡(luò)采用控制轉(zhuǎn)發(fā)分離技術(shù)來設(shè)計(jì)新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。因此，如何實(shí)現(xiàn)移動(dòng)性管理獨(dú)立于各種接入技術(shù)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的無縫接入也是移動(dòng)性管理面臨的問題之一。同時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)提供按需的移動(dòng)性支持，包括需要支持超高移動(dòng)性以服務(wù)于以500+km/h的高速鐵路為代表的應(yīng)用場(chǎng)景，同時(shí)也需要支持廣域覆蓋和面向傳感器等類型的對(duì)移動(dòng)性要求不高的、甚至不移動(dòng)的終端。這些差異化的場(chǎng)景給5G網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理提出了新的挑戰(zhàn)。

移動(dòng)性管理是解決在用戶物理位置隨時(shí)發(fā)生變化的情況下系統(tǒng)能夠及時(shí)、連續(xù)、高效地提供服務(wù)的問題，是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)特有和標(biāo)志性的功能。傳統(tǒng)移動(dòng)性管理包括位置管理和切換管理，在4G網(wǎng)絡(luò)中，為了保持UE的移動(dòng)性，網(wǎng)絡(luò)需要識(shí)別和跟蹤UE的位置，或者UE通知網(wǎng)絡(luò)更新自己的位置，也就是網(wǎng)絡(luò)要對(duì)UE進(jìn)行移動(dòng)性管理。為了減少追蹤UE引起的信令開銷和尋呼資源，網(wǎng)絡(luò)給UE分配追蹤區(qū)列表。當(dāng)UE移動(dòng)到新的駐留小區(qū)，且此駐留小區(qū)標(biāo)識(shí)不在網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前注冊(cè)的追蹤區(qū)列表內(nèi)，UE就要觸發(fā)追蹤區(qū)更新程序來通知網(wǎng)絡(luò)自己進(jìn)入新的追蹤區(qū)內(nèi)。同時(shí)，UE還會(huì)進(jìn)行周期性或者事件觸發(fā)性追蹤區(qū)更新來通知網(wǎng)絡(luò)自己的位置。當(dāng)尋呼發(fā)生時(shí)，網(wǎng)絡(luò)將發(fā)送尋呼消息到UE注冊(cè)的追蹤區(qū)內(nèi)所有小區(qū)。所以，追蹤區(qū)的大小對(duì)追蹤區(qū)更新的頻率和尋呼資源的開銷都有很大的影響。而在5G網(wǎng)絡(luò)中，為了擴(kuò)展覆蓋范圍和提高系統(tǒng)容量，基站部署越來越密，同時(shí)由于更高頻段的使用，小區(qū)越來越小。如果追蹤區(qū)較大，那么會(huì)造成尋呼資源開銷較大；反之，尋呼資源開銷較小，但追蹤區(qū)更新頻繁。因此，解決追蹤區(qū)的優(yōu)化問題可以有效地節(jié)省移動(dòng)性管理的信令開銷。

為了高效地支持5G網(wǎng)絡(luò)中差異化的業(yè)務(wù)場(chǎng)景和對(duì)不同移動(dòng)特性的UE進(jìn)行有效的位置管理，本文提出了基于移動(dòng)等級(jí)的位置管理技術(shù)，以減少信令開銷和確保通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 5G網(wǎng)絡(luò)中UE的移動(dòng)性研究

為了實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)提供差異化通信場(chǎng)景下的移動(dòng)性支持，3GPP已開始了5G網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理的第一階

段研究工作。根據(jù)3GPP TR 22.891描述，5G網(wǎng)絡(luò)需要提供不同場(chǎng)景下的不同需求的移動(dòng)性支持，例如在終端高速移動(dòng)中，需要網(wǎng)絡(luò)提供高速移動(dòng)性支持，而另外一些終端處于游牧態(tài)或者靜態(tài)，需要網(wǎng)絡(luò)支持游牧或者靜態(tài)接入網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)3GPP TR 22.861的描述，5G網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性架構(gòu)提供按需的移動(dòng)性支持。根據(jù)3GPP TR 23.799描述，5G網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性架構(gòu)能夠提供移動(dòng)性支持，包括提供各種類型UE通過3GPP或者非3GPP接入5G核心網(wǎng)絡(luò)的會(huì)話連續(xù)性，并提供按需的移動(dòng)性支持。因此，5G網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性必須提供差異化的移動(dòng)性支持。

根據(jù)3GPP TR 23.799描述，在5G網(wǎng)絡(luò)中，采用移動(dòng)等級(jí)來區(qū)分UE的移動(dòng)性特征，主要分為3類：

（1）無移動(dòng)性：UE是靜態(tài)或者半靜態(tài)的，只能通過某個(gè)固定的接入點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)，此類UE無TA變化。

（2）低移動(dòng)性：UE可在某個(gè)指定的或者期望的區(qū)域內(nèi)移動(dòng)。

（3）全移動(dòng)性：UE可隨意地跨越區(qū)域移動(dòng)。

針對(duì)低移動(dòng)性的情形，當(dāng)UE移動(dòng)出指定的或者期望的區(qū)域時(shí)，它也將發(fā)送TAU請(qǐng)求消息。網(wǎng)絡(luò)接收到TAU請(qǐng)求消息后，將根據(jù)網(wǎng)絡(luò)策略對(duì)此請(qǐng)求采取兩種策略：

一是網(wǎng)絡(luò)拒絕此請(qǐng)求，并告訴UE拒絕的原因：當(dāng)UE移動(dòng)出此區(qū)域時(shí)，TAU請(qǐng)求將被拒絕。

二是提升UE的移動(dòng)等級(jí)。

UE的移動(dòng)等級(jí)可能與下面的信息有關(guān)：

（1）簽約的UE移動(dòng)等級(jí)：簽約的UE移動(dòng)等級(jí)存儲(chǔ)在UE的簽約數(shù)據(jù)里，它表示網(wǎng)絡(luò)對(duì)UE可采取的移動(dòng)等級(jí)。

（2）UE位置：UE位置的改變可能會(huì)導(dǎo)致UE移動(dòng)等級(jí)的改變。例如，當(dāng)一個(gè)工人來到辦公區(qū)或者公司時(shí)，那么它的移動(dòng)等級(jí)可能會(huì)從全移動(dòng)性變?yōu)榈鸵苿?dòng)性。

（3）UE所處的時(shí)間：為了精確地確定UE的移動(dòng)等級(jí)，網(wǎng)絡(luò)可能需要考慮UE所處的時(shí)間。例如，在工作時(shí)間內(nèi)，工人到辦公區(qū)或者公司，他的UE移動(dòng)等級(jí)可能從全移動(dòng)性變?yōu)榈鸵苿?dòng)性；在非工作時(shí)間內(nèi)，如果他進(jìn)入辦公區(qū)或者公司，那么此時(shí)的移動(dòng)等級(jí)將不會(huì)改變。

（4）UE能力：網(wǎng)絡(luò)在決定UE的移動(dòng)等級(jí)時(shí)可能需要考慮UE的能力。

3 基于移動(dòng)等級(jí)的位置管理技術(shù)

在5G網(wǎng)絡(luò)中，有些UE的移動(dòng)等級(jí)是低移動(dòng)性的?？紤]到尋呼資源的開銷，本文設(shè)置此類UE追蹤區(qū)比全移動(dòng)性UE的?。ɡ纾粉檯^(qū)為一個(gè)CN-UP服務(wù)區(qū)）。此時(shí)，核心網(wǎng)絡(luò)能夠在一個(gè)較小的區(qū)域內(nèi)追蹤此UE，另外當(dāng)尋呼發(fā)生時(shí)，網(wǎng)絡(luò)只發(fā)送尋呼消息到此區(qū)域內(nèi)。另一方面，對(duì)于全移動(dòng)類型的UE，就需要較大區(qū)域的追蹤區(qū)以減少由UE移動(dòng)而引起的信令開銷和減輕網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷。如果全移動(dòng)等級(jí)UE的追蹤區(qū)與靜態(tài)或半靜態(tài)UE的追蹤區(qū)設(shè)置相同（例如，追蹤區(qū)為一個(gè)CN-UP服務(wù)區(qū)），那么就會(huì)造成頻繁的追蹤區(qū)更新。因此，為了使5G網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)Σ煌苿?dòng)特性實(shí)現(xiàn)有效的資源管理，本文根據(jù)不同的移動(dòng)等級(jí)劃分不同的追蹤區(qū)域，對(duì)于靜態(tài)的UE，設(shè)定較小的追蹤區(qū)域，那么尋呼消息的傳輸區(qū)域就會(huì)較小而且也不會(huì)引起頻繁的追蹤區(qū)更新；對(duì)于大范圍內(nèi)移動(dòng)的UE，設(shè)定較大的追蹤區(qū)域，以減少追蹤區(qū)更新的頻率。

追蹤區(qū)大小的設(shè)置具體如下：

（1）對(duì)于無/低移動(dòng)性的UE，追蹤區(qū)與CN-UP服務(wù)區(qū)域相同。

（2）對(duì)于全移動(dòng)性的UE，追蹤區(qū)與CN-CP服務(wù)區(qū)域相同。

本文假設(shè)CN-CP管轄多個(gè)CN-UP，主要考慮了追蹤區(qū)改變和追蹤區(qū)不變的兩種場(chǎng)景。

3.1 無移動(dòng)性UE的TAU信令流程

此類UE將不會(huì)移出追蹤區(qū)，但會(huì)因周期性或其他觸發(fā)條件而發(fā)起TAU。信令流程見圖1。.

步驟1和2：由于周期更新定時(shí)器超時(shí)或者其他觸發(fā)條件，UE決定觸發(fā)TA更新，向AN發(fā)送TAU請(qǐng)求消息，此請(qǐng)求消息里攜帶的信息包括userID；AN接收到TAU請(qǐng)求后，根據(jù)接收到RRC信息，把TAU請(qǐng)求消息路由到正確的CN-CP，此請(qǐng)求消息里攜帶的信息包括eNodeBID。

步驟3和4：CN-CP接收到TAU后，重新設(shè)定周期更新定時(shí)器，并發(fā)送TAU接受消息給UE。

3.2 低移動(dòng)性UE的TAU信令流程

對(duì)于低移動(dòng)等級(jí)UE，需要考慮CN-UP改變和不變的兩種場(chǎng)景，具體如下：

圖1 無移動(dòng)性UE的TAU信令流程

（1）考慮CN-UP改變場(chǎng)景下的TAU信令流程（見圖2）

步驟1：UE發(fā)現(xiàn)進(jìn)入到一個(gè)新的駐留區(qū)，且此駐留區(qū)不在UE注冊(cè)的TA列表里，UE觸發(fā)TAU程序。UE發(fā)送TAU請(qǐng)求消息，此請(qǐng)求消息里攜帶的信息包括user ID。

步驟2：AN接收到TAU請(qǐng)求后，根據(jù)接收到RRC信息，把TAU請(qǐng)求消息路由到正確的CN-CP，此請(qǐng)求里攜帶的信息包括eNodeB ID。

步驟3：CN-CP根據(jù)接收到TAU請(qǐng)求消息，判斷出UE移動(dòng)出注冊(cè)的TA列表進(jìn)入到新的追蹤區(qū)內(nèi)，以此更新UE位置信息，并為UE建立新的用戶面和刪除已有的用戶面。此時(shí)，CN-CP發(fā)送用戶平面建立請(qǐng)求消息給目標(biāo)CN-UP。

步驟4：目標(biāo)CN-UP接收到用戶平面建立請(qǐng)求消息后為UE建立用戶面，并發(fā)送用戶平面建立完成消息給CN-UP。

步驟5：CN-CP發(fā)送用戶平面刪除請(qǐng)求消息給源CN-UP。

步驟6：源CN-UP用戶平面刪除請(qǐng)求消息后刪除相應(yīng)的用戶面，并發(fā)送用戶平面刪除完成消息給CN-CP。

步驟7和8：CN-CP發(fā)送TAU接受消息給UE，此TAU消息里包含UE的新TA列表。UE接收到TAU接受消息后，存儲(chǔ)新的TA列表。

（2）考慮CN-UP不變場(chǎng)景下的TAU信令流程

此場(chǎng)景對(duì)應(yīng)于UE未移出TA，但因周期性或其他觸發(fā)條件而發(fā)起的TAU場(chǎng)景。此時(shí)需要考慮兩種場(chǎng)景：一是UE沒有移動(dòng)到新的基站下（此場(chǎng)景下的信令流程可參見無移動(dòng)性的場(chǎng)景下的信令流程）；二是UE移動(dòng)到新的基站下。

但是，仍在同一個(gè)CN-UP服務(wù)區(qū)域內(nèi)，其流程見圖3，具體如下：

步驟1：UE發(fā)送TAU請(qǐng)求消息，此請(qǐng)求消息里攜帶的信息包括user ID。

步驟2：AN接收到TAU請(qǐng)求消息后，根據(jù)接收到RRC信息，把TAU請(qǐng)求消息路由到正確的CN-CP，此請(qǐng)求消息里攜帶的信息包括eNodeB ID。

步驟3：CN-CP根據(jù)接收到TAU請(qǐng)求消息，判斷出UE沒有移動(dòng)到新的TA列表，可能移動(dòng)到新的基站覆蓋范圍內(nèi)。此時(shí)，CN-CP只更新UE位置信息，并發(fā)送TAU接受消息給UE。

3.3 RAN Level Tracking的位置管理

對(duì)于無移動(dòng)性和低移動(dòng)性UE，5G位置管理還要

考慮RAN-level的追蹤以節(jié)省CN與AN之間的移動(dòng)信令開銷、CN內(nèi)部以及CN與UE之間的信令開銷。此場(chǎng)景下，CN將與UE一直保持連接態(tài)。本文考慮了UE發(fā)起的位置更新（比如，小區(qū)的重新選擇）。具體流程如圖4所示。

圖2 CN-UP改變場(chǎng)景下擺TAU信令流程

圖3 CN-UP不變，基站變的信令流程

3.4 全移動(dòng)性UE的TAU信令流程

對(duì)于全移動(dòng)等級(jí)UE，需要考慮CN-CP改變和CN-CP不變的兩種場(chǎng)景，具體如下：

（1）CN-CP改變場(chǎng)景下的TAU信令流程（見圖5）

步驟1：UE發(fā)現(xiàn)進(jìn)入到一個(gè)新的駐留區(qū)，且此駐留區(qū)不在UE注冊(cè)的TA列表里，UE觸發(fā)TAU程序。UE發(fā)送TAU請(qǐng)求消息，此請(qǐng)求消息里攜帶的信息包括user ID。

步驟2：AN接收到TAU請(qǐng)求消息后，根據(jù)接收到的RRC信息，把TAU請(qǐng)求消息路由到正確的CN-CP，即目標(biāo)CN-CP，此請(qǐng)求消息里攜帶的信息包括eNodeB ID。

圖5 CN-CP改變場(chǎng)景下的TAU信令流程

步驟3：目標(biāo)CN-CP根據(jù)接收到的TAU請(qǐng)求消息，判斷出UE上下文存放地

點(diǎn)，即源CN-CP。稍后發(fā)送UE上下文請(qǐng)求消息給源CN-CP以獲得UE上下文信息，此請(qǐng)求消息中包括TA更新消息。

步驟4：源CN-CP驗(yàn)證上下文請(qǐng)求消息。驗(yàn)證成功后，發(fā)送UE上下文響應(yīng)消息給目標(biāo)CN-CP。

步驟5：目標(biāo)CN-CP接收到UE上下文信息后，發(fā)送上下文ACK消息給源CN-CP。目標(biāo)CN-CP根據(jù)接收的上下文信息創(chuàng)建UE上下文，并確定新的CN-UP。如果需要更換UE的錨點(diǎn)，則目標(biāo)CN-CP需要給UE分配新的IP地址。

步驟6：CN-CP發(fā)送用戶平面建立請(qǐng)求消息給目標(biāo)CN-UP。

步驟7：目標(biāo)CN-UP為UE建立用戶面，并發(fā)送用戶平面建立完成消息給CN-CP。

步驟8：源CN-CP接收到上下文ACK消息后，源CN-CP發(fā)送用戶平面刪除請(qǐng)求消息給源CN-UP。

步驟9：源CN-UP刪除相應(yīng)的用戶面，并發(fā)送用戶平面刪除完成消息給源CN-CP。同時(shí)，源CN-CP釋放UE上下文。

步驟10和11 CN-CP發(fā)送TAU接受消息給UE，此TAU接受消息里包含UE的新TA列表。UE接收到TAU接受消息后，存儲(chǔ)新的TA列表。如果目標(biāo)CN-CP給UE分配了新IP地址，則TAU消息里也包含此IP地址，同時(shí)UE根據(jù)新的IP地址重新配置自己的IP地址。

（2）CN-CP不變場(chǎng)景下的TAU信令流程

對(duì)應(yīng)于UE未移出TA但因周期性或其他觸發(fā)條件而發(fā)起的TAU場(chǎng)景，此時(shí)需要考慮3種場(chǎng)景：

一是UE沒有移動(dòng)到新的基站下（此場(chǎng)景下的信令流程可參見無移動(dòng)性的場(chǎng)景下的信令流程）。

二是UE移動(dòng)到新的基站下，但是仍在同一個(gè)CN-UP服務(wù)區(qū)域內(nèi)（此場(chǎng)景下的信令流程可參見低移動(dòng)性場(chǎng)景下的信令流程）。

三是UE移動(dòng)到新的CN-UP服務(wù)區(qū)域內(nèi)，具體流程見圖6。

步驟1：UE發(fā)送TAU請(qǐng)求消息，此請(qǐng)求消息里攜帶的信息包括user ID。

圖6 CN-UP改變場(chǎng)景下的TAU信令流程

步驟2：AN接收到TAU請(qǐng)求消息后，根據(jù)接收到RRC信息，把TAU請(qǐng)求消息路由到正確的CN-CP，此請(qǐng)求里攜帶的信息包括eNodeBID。

步驟3：CN-CP根據(jù)接收到的TAU請(qǐng)求消息，判斷出UE移動(dòng)到新的CN-UP下，因此更新UE位置信息，并建立新的用戶面和刪除已有的用戶面。此時(shí)，CN-CP發(fā)送用戶平面建立請(qǐng)求消息給目標(biāo)CN-UP。

步驟4：目標(biāo)CN-UP為UE建立用戶面，發(fā)送用戶平面建立完成消息給CN-CP。

步驟5：CN-CP發(fā)送用戶平面刪除請(qǐng)求消息給源CN-UP。

步驟6：源CN-UP刪除相應(yīng)的用戶面，并發(fā)送用戶平面刪除完成消息給CN-CP。

步驟7和8：CN-CP發(fā)送TAU接受消息給UE。

4 結(jié)束語

為了識(shí)別和跟蹤UE同時(shí)減少信令開銷，本文聯(lián)合考慮網(wǎng)絡(luò)中差異化的業(yè)務(wù)場(chǎng)景和UE移動(dòng)等級(jí)，設(shè)計(jì)了基于移動(dòng)等級(jí)的位置移動(dòng)性策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同移動(dòng)特性的UE進(jìn)行有效的移動(dòng)管理以滿足5G移動(dòng)性管理需求。其優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)根據(jù)UE移動(dòng)等級(jí)靈活地設(shè)置相應(yīng)的追蹤區(qū)，實(shí)現(xiàn)信令開銷的最小化、確保通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為5G網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理研究提供參考。在下一步的研究工作中，筆者將結(jié)合3GPP標(biāo)準(zhǔn)化工作，對(duì)該策略進(jìn)行性能評(píng)估，以能夠高效地解決5G網(wǎng)絡(luò)面臨的移動(dòng)性管理問題。

[1]3GPP TR 22.891.Feasibility Study on New Services and Markets Technology Enablers;Stage 1.

[2]3GPP TR 22.861.Feasibility Study on New Services and Markets Technology Enablers for Massive Internet of Things; Stage 1.

[3]3GPP TR 23.799.Study on Architecture for Next Generation System.

Location management technology based on mobility level for 5G

CHENG Zhimi,XU Hui,WANG Hucheng,CHEN Shanzhi,HU Weiqi

Tracking users while reducing the signaling overhead is an important question of the location management in communication system.This paper proposes location management technology based on mobility level,which attempts to optimize the update and paging costs and realizes location management with regard to different mobility characteristic.A noted feature of the technology is that the network can flexibly configure applicable Tracking Area based on the mobility level to reduce the signaling cost for location management.

mobility level;tracking area update;full mobility;no mobility;low mobility

2016-10-26）