基于用戶無感知的5G移動(dòng)性管理

周宏成

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州510630）

基于用戶無感知的5G移動(dòng)性管理

周宏成

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東廣州510630）

5G移動(dòng)通信系統(tǒng)將提供獨(dú)立于無線技術(shù)的移動(dòng)性管理，無論用戶位置如何改變，都能確保業(yè)務(wù)和通信質(zhì)量的連續(xù)性。本文首先分析了5G移動(dòng)通信系統(tǒng)在移動(dòng)性管理的設(shè)計(jì)目標(biāo)：低時(shí)延、低功耗、高可靠性和靈活性；其次，分析了5G移動(dòng)性管理的三個(gè)主要場(chǎng)景，分別是分布式移動(dòng)性管理場(chǎng)景、集中式移動(dòng)性管理場(chǎng)景、分布集中混合式場(chǎng)景；最后，對(duì)5G移動(dòng)性管理的網(wǎng)絡(luò)控制切換和終端自動(dòng)控制切換兩種解決方案進(jìn)行了對(duì)比分析。

5G；移動(dòng)性管理；網(wǎng)絡(luò)控制切換；終端自主控制切換；用戶無感知

1 5G移動(dòng)性的特點(diǎn)

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，移動(dòng)性是指用戶在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)的過程中，網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)橛脩籼峁┏掷m(xù)服務(wù)的能力。用戶在移動(dòng)中的通信不受其位置變化的影響，不受接入技術(shù)變化的影響，從而為用戶提供無感知變化的移動(dòng)通信。移動(dòng)性管理就是通過對(duì)移動(dòng)終端業(yè)務(wù)連續(xù)性、安全性、位置信息等方面的管理，使網(wǎng)絡(luò)和終端的聯(lián)系狀態(tài)達(dá)到最佳，保證各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的應(yīng)用。在2G/3G/4G移動(dòng)通信系統(tǒng)中，移動(dòng)性管理方案是通過各種切換技術(shù)將用戶從一個(gè)小區(qū)切換到另一個(gè)小區(qū)來保持移動(dòng)過程中通信的連續(xù)性。在下一代5G移動(dòng)通信系統(tǒng)中，移動(dòng)用戶通信能力進(jìn)一步增強(qiáng)，移動(dòng)速率大幅提升，移動(dòng)空間向多維度擴(kuò)張，移動(dòng)業(yè)務(wù)更加多樣化，通信質(zhì)量的要求也不斷提高，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性解決方案已不能很好地滿足用戶的需求。

5G移動(dòng)通信系統(tǒng)不再是采用某種特定接入技術(shù)的單一網(wǎng)絡(luò)，而是將采用不同接入技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)融合起來的異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)，滿足終端業(yè)務(wù)的多樣性的需求。隨著移動(dòng)通信可用頻譜的進(jìn)一步擴(kuò)展，在多個(gè)頻段可提供移動(dòng)通信服務(wù)。在厘米波頻段，現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)主要工作頻段，信號(hào)傳播范圍廣，小區(qū)覆蓋范圍大，可提供廣域連續(xù)覆蓋，但頻譜資源比較稀缺；在毫米波頻段，信號(hào)覆蓋范圍小，穿透力較弱，頻譜范圍較寬，傳輸容量大，主要用于熱點(diǎn)區(qū)域，提供大容量、高速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。在厘米波頻段和毫米波頻段之間分米波頻段，能夠在一定范圍內(nèi)提供連續(xù)覆蓋，但在覆蓋區(qū)域的邊界需要切換到其他網(wǎng)絡(luò)。接入5G系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)還包括藍(lán)牙系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)WiFi系統(tǒng)，組成復(fù)雜的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)和終端不僅需要支持在特定無線網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)性，還需要支持在不同無線接入網(wǎng)之間的移動(dòng)性，比如在無線局域網(wǎng)與3G/4G之間的切換，廣域覆蓋網(wǎng)與熱點(diǎn)深度覆蓋系統(tǒng)之間的切換。無線接入技術(shù)有很多種，并在一定時(shí)期內(nèi)2G/3G/4G長(zhǎng)期并存，在5G系統(tǒng)中，將實(shí)現(xiàn)多種無線接入網(wǎng)絡(luò)的融合和互聯(lián)互通。5G移動(dòng)通信系統(tǒng)將提供獨(dú)立于無線技術(shù)的統(tǒng)一的移動(dòng)性管理，無論用戶位置如何改變，都能確保業(yè)務(wù)和通信質(zhì)量的連續(xù)性。

2 5G移動(dòng)性解決方案的設(shè)計(jì)目標(biāo)

5G移動(dòng)通信系統(tǒng)在移動(dòng)性管理的設(shè)計(jì)方案中應(yīng)具有低時(shí)延、低功耗、高可靠性、靈活性等目標(biāo)。

（1）低時(shí)延

移動(dòng)性管理的低時(shí)延主要表現(xiàn)在用戶移動(dòng)過程中位置的跟蹤與更新，以及用戶在不同小區(qū)之間、不同網(wǎng)絡(luò)之間切換過程中中斷時(shí)延的減少或避免。移動(dòng)用戶在某個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的小區(qū)注冊(cè)后，網(wǎng)絡(luò)便管理該移動(dòng)用戶的位置信息，當(dāng)該移動(dòng)用戶有移動(dòng)通信業(yè)務(wù)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)能夠快速地對(duì)其發(fā)起尋呼，這要求移動(dòng)用戶能夠在移動(dòng)過程中快速地識(shí)別小區(qū)并進(jìn)行小區(qū)重選，在位置發(fā)生變化時(shí)及時(shí)更新所在位置的信息。當(dāng)移動(dòng)用戶在通信狀態(tài)下從一個(gè)小區(qū)移動(dòng)到另一個(gè)小區(qū)，網(wǎng)絡(luò)需要發(fā)起切換流程，以保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性；在切換過程中網(wǎng)絡(luò)確定切換的目標(biāo)小區(qū)信息和用戶信息，完成用戶信息和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，這有可能帶來通信的中斷。如何減少切換帶來的中斷時(shí)延，使用戶在移動(dòng)過程中能夠進(jìn)行連續(xù)通信，是5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一。

（2）低功耗

5G移動(dòng)通信系統(tǒng)是一個(gè)綠色低功耗網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在移動(dòng)性管理設(shè)計(jì)方案需要考慮低功耗這一特點(diǎn)。這要求移動(dòng)性管理的流程應(yīng)更加簡(jiǎn)化，減少信令開銷，降低用戶和網(wǎng)絡(luò)在保持通信連續(xù)性所需功耗。另一方面，在5G移動(dòng)通信系統(tǒng)中引入動(dòng)態(tài)小區(qū)概念，需要在小區(qū)動(dòng)態(tài)開啟的情況下實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的連續(xù)性，確保移動(dòng)性性能的同時(shí)進(jìn)一步提高整體網(wǎng)絡(luò)的能耗效率。對(duì)于5G系統(tǒng)中機(jī)器類通信的物聯(lián)網(wǎng)終端，引入低功耗狀態(tài)，通過簡(jiǎn)化終端在移動(dòng)過程中對(duì)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的跟蹤進(jìn)一步降低終端的功耗。

（3）高可靠性

在IMT-2020中，5G系統(tǒng)無論何時(shí)何地都能給用戶帶來高于100Mbps的用戶體現(xiàn)速率，這對(duì)移動(dòng)性管理提出了更高要求，要求用戶在移動(dòng)過程中，從一個(gè)小區(qū)切換到另一個(gè)小區(qū)，從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切換到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，不能有明顯的傳輸速率下降。任何移動(dòng)性管理流程的失敗都需要用戶重新建立和網(wǎng)絡(luò)的連接，以恢復(fù)數(shù)據(jù)的傳輸。這要求網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)行快速切換，而且要保證切換過程中數(shù)據(jù)通信的可靠性，避免由于切換失敗帶來通信中斷和服務(wù)質(zhì)量下降。通過設(shè)計(jì)快速準(zhǔn)確的鏈路檢測(cè)和恢復(fù)機(jī)制，使用戶能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)移動(dòng)性帶來的鏈路質(zhì)量下降，從而盡快恢復(fù)連接以減少對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽?/p>

（4）靈活性

未來的5G業(yè)務(wù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和機(jī)器類通信的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)將爆發(fā)式增長(zhǎng)，5G的業(yè)務(wù)類型將更加多樣，不同的業(yè)務(wù)對(duì)移動(dòng)性有著不同的要求。對(duì)于傳統(tǒng)的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，5G系統(tǒng)的移動(dòng)性與4G系統(tǒng)類似，但物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對(duì)移動(dòng)性的要求則有很大的不同。智能水表、智能電表、智能監(jiān)控等智能家居和智能公眾業(yè)務(wù)中，用戶終端大都固定在同一位置，或者僅在一定的小范圍內(nèi)移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)連接相對(duì)固定，對(duì)這種終端的移動(dòng)性管理較為簡(jiǎn)單，僅在小范圍內(nèi)尋呼，位置更新信息很少。對(duì)于車聯(lián)網(wǎng)這樣的高速移動(dòng)終端，則對(duì)移動(dòng)性管理提出了非常高的要求，需要提供低時(shí)延、高可靠的移動(dòng)性保證。因此，5G系統(tǒng)的移動(dòng)性管理應(yīng)根據(jù)業(yè)務(wù)和場(chǎng)景的不同特性和需求進(jìn)行靈活配置，在保證用戶和終端移動(dòng)性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信系統(tǒng)整體性能的提升。

3 5G移動(dòng)性場(chǎng)景分析

5G系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將引入云計(jì)算的概念，根據(jù)移動(dòng)性管理和控制功能在“云”中的分布情況，5G的移動(dòng)性管理分為三個(gè)主要場(chǎng)景，分別是分布式移動(dòng)性管理場(chǎng)景、集中式移動(dòng)性管理場(chǎng)景、分布集中混合式場(chǎng)景。如圖1所示。

（1）分布式移動(dòng)性管理

分布式移動(dòng)性管理場(chǎng)景是3G/4G移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要場(chǎng)景，也是5G移動(dòng)通信系統(tǒng)主要的場(chǎng)景。在該種場(chǎng)景下，每個(gè)接入點(diǎn)相當(dāng)于3G/4G網(wǎng)絡(luò)中的基站，具有移動(dòng)性控制和管理功能。用戶在移動(dòng)過程中，接入點(diǎn)控制測(cè)量配置、切換判決、切換命令的發(fā)起等所有與移動(dòng)性相關(guān)的指令。兩個(gè)接入點(diǎn)之間通過回傳鏈路進(jìn)行鏈接，回傳鏈路可以采用光纜、電纜或無線方式承載，無論采取哪種方式，回傳節(jié)點(diǎn)之間的信令和數(shù)據(jù)均存在回傳時(shí)延，切換過程中數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)會(huì)帶來切換中斷時(shí)延的增加。在5G系統(tǒng)中，回傳鏈路采用光纖實(shí)現(xiàn)了超高速率的傳輸，但節(jié)點(diǎn)的接收信號(hào)處理、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)仍然需要一定的時(shí)間，回傳時(shí)延是該種場(chǎng)景區(qū)別于其他場(chǎng)景的最大特點(diǎn)，成為影響移動(dòng)性時(shí)延的重要因素。在5G系統(tǒng)中引入“云”的概念消除了接入點(diǎn)之間的回傳鏈路，當(dāng)兩個(gè)移動(dòng)用戶在隸屬于不同“云”的接入點(diǎn)之間移動(dòng)時(shí)，或者不同制式的網(wǎng)絡(luò)之間移動(dòng)時(shí)，仍然需要通過回傳鏈路進(jìn)行移動(dòng)性管理。

圖1 5G移動(dòng)性場(chǎng)景

（2）集中式移動(dòng)性管理

在該場(chǎng)景中，無線接入網(wǎng)引入了“云”的概念，將移動(dòng)性控制和管理功能集中放置在“云”端，接入端的分布式天線只用作數(shù)據(jù)的物理層傳輸。所有的接入點(diǎn)都直接接入“云”端進(jìn)行集中控制，只要用戶接入某一接入點(diǎn)，該用戶相關(guān)的上下文以及數(shù)據(jù)都被“云”內(nèi)其他的接入點(diǎn)共享。即使終端接入點(diǎn)發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò)也不需要重新獲取用戶的上下文和轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，從而避免了回傳鏈路帶來的時(shí)延。在該場(chǎng)景下，接入點(diǎn)不再需要進(jìn)行基帶處理，接入點(diǎn)和云端連接帶來的前端時(shí)延被大大降低，通?？梢院雎圆挥?jì)。在5G超密集網(wǎng)絡(luò)部署中，“云”概念的引入，有利于消除移動(dòng)性帶來的切換中斷時(shí)延，有利于終端建立多連接來保證高可靠的移動(dòng)性。

（3）混合式移動(dòng)性管理

該場(chǎng)景介于分布式和集中式移動(dòng)性場(chǎng)景之間，保留了集中式移動(dòng)性管理場(chǎng)景中將移動(dòng)性管理和控制功能放到“云”端的特點(diǎn)，同時(shí)也具有分布式移動(dòng)性管理場(chǎng)景中的接入點(diǎn)具有數(shù)據(jù)鏈路層的功能。該場(chǎng)景中的“云”端對(duì)云內(nèi)所有的終端進(jìn)行移動(dòng)性管理，但數(shù)據(jù)調(diào)度、自動(dòng)重傳響應(yīng)等功能仍由每個(gè)接入點(diǎn)獨(dú)立完成。該種場(chǎng)景利用本地的數(shù)據(jù)鏈路控制減少了底層控制信令前端鏈路上的傳輸，而“云”端的集中式移動(dòng)性管理又避免了回傳鏈路帶來的切換中斷時(shí)延，提高了移動(dòng)性性能。

5G網(wǎng)絡(luò)是異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，融合了多種無線接入技術(shù)，在移動(dòng)性管理方面需要考慮多種移動(dòng)性場(chǎng)景，根據(jù)每種場(chǎng)景的特性設(shè)計(jì)合理的移動(dòng)性解決方案。

4 5G移動(dòng)性解決方案

5G移動(dòng)性管理有網(wǎng)絡(luò)控制切換和終端自動(dòng)控制切換兩種方案。網(wǎng)絡(luò)控制的切換方案如圖2（a）所示，切換的判決和發(fā)起都由網(wǎng)絡(luò)側(cè)負(fù)責(zé)；終端自動(dòng)控制的切換方式則由終端自己進(jìn)行切換判決并發(fā)起切換流程，如圖2（b）所示。

圖2 5G移動(dòng)性解決方案

（1）網(wǎng)絡(luò)控制切換解決方案

網(wǎng)絡(luò)控制切換流程包含測(cè)量報(bào)告的觸發(fā)、切換準(zhǔn)備、資源調(diào)度、切換命令下發(fā)和目標(biāo)小區(qū)接入等幾個(gè)關(guān)鍵步驟。

第一步：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)和終端建立連接后，終端用戶根據(jù)當(dāng)前服務(wù)小區(qū)的測(cè)量信道上報(bào)測(cè)量結(jié)果。

第二步：服務(wù)小區(qū)基于終端的測(cè)量報(bào)告，結(jié)合小區(qū)本地配置的切換策略綜合考慮進(jìn)行切換判決，并在決定切換時(shí)選擇目標(biāo)小區(qū)，發(fā)出切換請(qǐng)求。

第三步：目標(biāo)小區(qū)接收了原服務(wù)小區(qū)的切換請(qǐng)求后，服務(wù)小區(qū)向用戶發(fā)出切換命令。

第四步：用戶收到切換命令后中斷與原服務(wù)小區(qū)的服務(wù)，向目標(biāo)小區(qū)進(jìn)行隨機(jī)接入請(qǐng)求，建立與目標(biāo)小區(qū)的連接。

整個(gè)切換流程都在網(wǎng)絡(luò)的控制和監(jiān)督下進(jìn)行，終端側(cè)只需要按照網(wǎng)絡(luò)的信令指示執(zhí)行切換，無需參與切換決策過程。

（2）終端自動(dòng)控制的切換解決方案

在終端自動(dòng)控制的切換流程中，切換的判決和發(fā)起都由終端用戶自行完成。當(dāng)終端檢測(cè)到信道質(zhì)量下降時(shí)，發(fā)起切換請(qǐng)求，不必再發(fā)送測(cè)量報(bào)告。目標(biāo)小區(qū)收到終端用戶的切換請(qǐng)求后，向原服務(wù)小區(qū)索取用戶的上下文和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，繼續(xù)為終端用戶服務(wù)。由于終端用戶已經(jīng)中斷了與原服務(wù)小區(qū)的連接，上下文的索取流程帶來了雙倍的回傳時(shí)延，增加了切換的中斷時(shí)延。為了減少這種時(shí)延，終端用戶在離開原服務(wù)小區(qū)之前發(fā)送再見信息，原服務(wù)小區(qū)收到該再見信息后，立即發(fā)送用戶的上下文并轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，用戶成功接入目標(biāo)小區(qū)后就能繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸。

5 結(jié)論

在5G移動(dòng)性管理中，最關(guān)鍵的目標(biāo)是如何最小化切換帶來的中斷時(shí)延。通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制和終端自主控制切換方式的對(duì)比分析，各有優(yōu)缺點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)控制的切換方法具有預(yù)先的切換準(zhǔn)備過程，切換的成功率較高，消除了隨機(jī)接入過程，降低了切換帶來的中斷時(shí)延。終端自主控制的接入方式能夠有效降低終端的時(shí)延，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)和需要，允許實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域的終端自主控制移動(dòng)性解決方案，把移動(dòng)性決策權(quán)授予終端，從而減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，提高切換效率。在5G移動(dòng)通信系統(tǒng)中當(dāng)同時(shí)支持兩種切換方式時(shí)，需避免兩種切換方式的沖突，確保在網(wǎng)絡(luò)和用戶側(cè)執(zhí)行唯一的切換操作。

[1] 3GPP．Study on provision of low-cost machine-type communications(MTC) user equipment(UE) based on LTE：TS 36．888[S]．2013．

[2] THOMSEN H，PRATAS N K，STEFAOVIC C，et al． Analysis of the LTE access reservation protocol for real-time traffic[J]． IEEE Communication Letters，2013，17(8)：1616-1619．

[3] LIVA G．Graph-based analysis and optimization of contention resolution diversity slotted ALOHA[J]．IEEE Transaction on Communication，2011，59(2)：477-487．

[4] 3GPP． Service requirements for machine- type communications(MTC)：TS 22．368[S]．2014．

[5] 劉光毅，方敏，關(guān)皓，李云崗，孫程君．5G移動(dòng)通信系統(tǒng)：從演進(jìn)到革命[M]．北京：人民郵電工業(yè)出版社，2016．

[6] 周宏成．基于綠色網(wǎng)絡(luò)理念的LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)規(guī)劃[J]．西昌學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014(4)：63-65．

[7] 周宏成．TD-LTE 室內(nèi)覆蓋規(guī)劃方案[J]．電子設(shè)計(jì)工程，2015(5)：158-160．

[8] 周宏成．多種無線制式的網(wǎng)絡(luò)容量規(guī)劃[J]．電子測(cè)試，2015(05)：63-65．

[9] 周宏成．基于城市復(fù)雜環(huán)境的LTE無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法[J]．電子測(cè)試，2016(17)：104-106+111．

5G Mobility Management Based on User No-perception

Zhou Hongcheng
(Guangdong Planning and Design Institute of Telecommunication Co.,Ltd.,Guangzhou 510630,Guangdong)

5G mobile communication system will provide mobility management independent of wireless technology,and can ensure the continuity of business and communication quality,no matter how the user's location changes.This paper first analyzes the design objectives of 5G mobile communication system,such as low latency,low power consumption,high reliability and flexibility.Secondly,the three main scenarios of 5G mobility management are analyzed,which are distributed mobility management scenario,centralized mobility management scenario,distributed centralized hybrid scenario.Finally,the two solutions of 5G mobility management network control switch and terminal automatic control switch are compared and analyzed.

5G mobility management;network control switch;terminal autonomous control switching;user no-perception

TN929.5

A

1008-6609(2017)09-0024-03

周宏成(1973-)，男，重慶人，碩士研究生，高級(jí)工程師，國(guó)家注冊(cè)一級(jí)建造師，國(guó)家注冊(cè)咨詢工程師，研究方向?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成、系統(tǒng)咨詢。