5G移動性增強技術分析

【摘? 要】在R15中，5G的移動性采用傳統(tǒng)的切換機制，切換性能難以滿足時延敏感業(yè)務的要求，且因5G頻率較高，其切換失敗率也會較高，針對這些問題，在R16中對5G移動性技術進行了增強。首先介紹R16三種移動性增強技術的基本原理和信令流程，然后對三種增強技術的性能進行詳細分析，最后根據(jù)每種增強技術的特性提出應用建議，為未來5G增強技術應用提供技術參考。

【關鍵詞】5G;移動性增強技術;切換

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.07.000? ? ? ? 中圖分類號：TN92

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）07-0000-00

引用格式：李路鵬. 5G移動性增強技術分析[J]. 移動通信， 2020，44（7）： 00-00.

0? ?引言

R15是5G系統(tǒng)的第一個標準版本。在R15版本，5G的移動性機制跟LTE類似，采用傳統(tǒng)的切換機制[1-2]，因此R15的5G系統(tǒng)內切換的用戶面時延跟LTE系統(tǒng)內切換的用戶面時延相當，約為50 ms。在R16標準中，為提升時延敏感類業(yè)務的用戶體驗，減少切換的中斷時延，提出雙激活協(xié)議棧切換（DAPS HO， Dual Active Protocol Stack Hand Over）增強技術。由于5G頻率較高，為提升切換可靠性和魯棒性，在R16標準提出條件切換（CHO， Conditional Hand Over）和快速切換失敗恢復（Fast Handover Failure Recovery）增加技術。下文對上述三種移動性增強技術進行詳細介紹。

1? ? 三種移動性增強技術基本原理和流程

1.1? 雙激活協(xié)議棧切換

（1）雙激活協(xié)議棧切換基本原理

雙激活協(xié)議棧切換增強技術利用了先連后斷（Make before break）的原理，在終端測量并上報滿足切換的事件后，源基站基于測量結果、終端支持情況等做雙激活協(xié)議棧切換決策。若采用雙激活協(xié)議棧切換，源基站下發(fā)切換命令給終端（含DAPS HO配置信息），終端接入目標基站，同時保持源基站的上行/下行數(shù)據(jù)傳輸（傳統(tǒng)切換此時源基站停止上行/下行數(shù)據(jù)傳輸，這是與傳統(tǒng)切換最大的不同）。在終端成功完成隨機接入后，終端將上行數(shù)據(jù)傳輸通道轉移到目標基站，終端成功與目標基站完成RRC連接后，目標基站向源基站告知接入成功，此時終端的源基站上行/下行傳輸已經轉移到目標基站，源基站的上行/下行傳輸才停止，源基站再反饋最后一個數(shù)據(jù)傳輸序列號給目標基站，目標基站執(zhí)行路徑切換，將核心網連接從源基站轉移至目標基站，從而完成雙激活協(xié)議棧切換。

R16只支持5G系統(tǒng)內的雙激活協(xié)議棧切換，不支持5G和4G系統(tǒng)間的雙激活協(xié)議棧切換。

（2）雙激活協(xié)議棧切換信令流程

R16標準目前擬定的雙激活協(xié)議棧切換信令流程如圖1所示。

該流程主要過程包括：

1）源基站下發(fā)切換測量控制和終端上報測量報告。

2）DAPS HO是每個DRB（Data Radio Bearer）配置，可以支持部分DRB采用DAPS切換，部分DRB采用傳統(tǒng)切換的方式，源基站判斷終端是否有DRB需要執(zhí)行DAPS HO，并選擇合適的目標基站。

3）源基站向目標基站發(fā)送切換請求，其中可攜帶DAPS DRBs的信息以及DAPS HO的要求。

4）目標基站決策是否接受DAPS HO，如果不接受，后續(xù)處理是拒絕切換還是回落到傳統(tǒng)切換目前標準還在討論。

5）如果目標基站接受DAPS HO，則在切換請求確認消息中反饋DAPS DRBs相關配置。

6）源基站收到切換請求確認消息后，給終端發(fā)切換命令，其中告知終端執(zhí)行DAPS HO以及配置DAPS DRB的信息。

a）源基站不停止DAPS DRBs的下行傳輸，直至收到切換成功消息（8步）;

b）收到切換命令后，對于DAPS HO，終端不會像傳統(tǒng)切換那樣從源小區(qū)去附著， 終端在源基站的無線鏈路都是保持的;

c）終端向目標基站發(fā)起隨機接入，當成功完成同步過程時，終端將上行用戶面數(shù)據(jù)發(fā)送從源通道切換到目標通道。

7）7a步，對于DAPS DRBs，源基站發(fā)送EARLY FORWARDIING TRANSFER消息給目標基站，將第一個PDCP（Packet Data Convergence Protocol）的SDU（service Data Unit）下行計數(shù)告訴目標基站;7步，是針對非DAPS DRBs，源基站通過SN STATUS TRANSFER 消息將最后一個數(shù)據(jù)傳輸序列號發(fā)給目標基站。

8）終端在目標基站完成RRC連接建立后，目標基站發(fā)切換成功消息告知源基站切換完成;源基站收到切換成功消息后，停止源基站DAPS DRB的上行/下行數(shù)據(jù)傳輸，并向目標基站發(fā)送SN STATUS TRANSFER消息將最后一個數(shù)據(jù)傳輸序列號發(fā)給目標基站。

9）目標基站向AMF發(fā)送路徑切換請求。

10）UPF進行路徑切換。

11）AMF向目標基站回路徑切換請求確認。

12）目標基站要求源基站刪除終端的上下文信息。

1.2 條件切換

（1）條件切換基本原理

源基站收到終端測量報告后，根據(jù)鄰區(qū)關系向多個候選目標基站發(fā)送條件切換請求，要求做條件切換，目標基站反饋條件切換請求響應（含給終端的空口配置）給源基站，源基站下發(fā)條件切換命令給終端，切換命令含多個候選基站的空口配置和多個候選基站的切換觸發(fā)執(zhí)行條件（多個候選基站的切換觸發(fā)執(zhí)行條件由源小區(qū)決定）。終端收到條件切換命令后，反饋RRC重配完成消息給源基站，此時終端并不立刻向任何一個候選目標基站執(zhí)行切換動作（傳統(tǒng)切換時終端收到切換命令后，立即向切換命令指示的目標基站切換），而是繼續(xù)保持和源基站的連接與傳輸，終端持續(xù)判斷收到的切換執(zhí)行條件是否得到滿足。若終端檢測到有一個候選目標基站滿足了對應的切換執(zhí)行條件，不需再發(fā)測量報告給源基站，終端直接決定切換，向該目標基站執(zhí)行隨機接入，建立RRC連接，同時拆除源基站的連接。目標基站在與終端完成RRC連接建立后，向源基站發(fā)送切換成功消息，源基站則反饋最后一個數(shù)據(jù)傳輸序列號給目標基站，同時源基站向其他候選目標基站發(fā)送切換取消消息，以告知這些基站釋放預留資源和buffered數(shù)據(jù)。目標基站執(zhí)行路徑切換，將核心網連接從源基站轉移至目標基站，從而完成條件切換。

R16只支持5G系統(tǒng)內的條件切換，不支持5G和4G系統(tǒng)間的條件切換。

（2）條件切換信令流程

R16標準目前擬定的條件切換信令流程[3]如圖2所示。

該流程主要過程包括：

1）源基站下發(fā)切換測量控制，終端上報測量報告。

2）根據(jù)終端測量報告，源基站決策是否采用條件切換，如是，則選擇出候選的一個或多個目標基站，最大候選目標小區(qū)數(shù)為8個。

3）源基站向每一個候選目標基站發(fā)送條件切換請求，要求做條件切換。

4）各個收到條件切換請求的候選目標基站分別做條件切換決策，判斷是否接受條件切換，如果接受，則反饋條件切換請求響應，如果不接受，則拒絕。

5）目標基站反饋條件切換請求響應給源基站，其中包含給終端的空口配置。

6）源基站通過RRC重配消息下發(fā)條件切換命令給終端，條件切換命令包含：

a）切換執(zhí)行條件：由源基站配置，規(guī)定了終端在什么條件下可執(zhí)行切換動作，可以為每一個候選的目標基站各配一個切換執(zhí)行條件，其中至少包括：事件、參考信號類型（SSB or CSI-RS）、信號質量（RSRP/RSRQ/RS-SINR）

b）多個目標小區(qū)的配置信息。

7）7步，終端收到條件切換命令后，反饋RRC重配完成消息給源基站;終端并不立刻向任何一個候選目標基站執(zhí)行切換動作，而是繼續(xù)保持和源基站的連接與傳輸;終端持續(xù)判斷收到的切換執(zhí)行條件是否得到滿足。7a步，源基站向多個候選目標基站分別發(fā)送EARLY FORWARDING TRANSFER消息提前轉發(fā)下行數(shù)據(jù)包。

8）8步，若終端檢測到有一個候選目標基站滿足了對應的切換執(zhí)行條件，則應用該候選目標基站的配置信息，向該目標基站執(zhí)行隨機接入，建立RRC連接，同時拆除源基站的連接。如果終端成功接入該目標基站，則刪除保存的所有條件切換配置。8a/b步，目標基站在終端成功完成RRC連接建立后，向源基站發(fā)送切換成功消息;源基站則反饋最后一個數(shù)據(jù)傳輸序列號給目標基站。8c步，源基站向其他候選目標基站發(fā)送切換取消消息，以告知這些基站釋放預留資源和buffered數(shù)據(jù)。

9）后續(xù)步驟同傳統(tǒng)切換。

1.3? 快速切換失敗恢復

（1）快速切換失敗恢復基本原理

快速切換失敗恢復的基本原理示意圖如圖3所示：

當終端在服務小區(qū)檢測到與服務小區(qū)不能同步時，終端啟動T310定時器。在T310運行期間，終端若測得切換事件滿足了持續(xù)觸發(fā)時間（TTT， Time to Trigger）的時長，終端啟動T312，并觸發(fā)測量報告（試圖發(fā)起切換），如果直到T312超時，切換都未被觸發(fā)（因信道條件原因，終端沒有收到基站下發(fā)的切換命令），且此時T310仍未超時，則終端立刻宣告無線鏈路失?。ú恍枰鹊絋310超時再宣告無線鏈路失敗），并執(zhí)行RRC重建過程，盡快恢復業(yè)務連接。

2? ?性能分析和應用建議

2.1? 雙激活協(xié)議棧切換

從雙激活協(xié)議棧切換基本原理可以看出，在切換過程中，當終端接入目標小區(qū)時，終端在源側小區(qū)的上行/下行數(shù)據(jù)傳輸繼續(xù)保持（對于雙發(fā)能力受限的終端，至少可以保持下行數(shù)據(jù)傳輸），當終端與目標小區(qū)完成小區(qū)接入后，目標小區(qū)已開始給終端傳輸數(shù)據(jù)，此時源基站才停止數(shù)據(jù)傳輸，因此用戶面數(shù)據(jù)傳輸在切換過程中的中斷時長可降至接近0 ms（理論分析結果，實際結果后續(xù)跟蹤驗證），遠小于傳統(tǒng)切換用戶面的中斷時延（5G傳統(tǒng)切換用戶面時延約為50 ms）。雙激活協(xié)議棧切換增強技術能明顯降低用戶面中斷時延，但在切換期間需源側和目標側基站均傳輸數(shù)據(jù)，占用資源，建議優(yōu)先對時延敏感業(yè)務（例如URLLC）使用該增強技術，減少切換時用戶面中斷時延，以提升業(yè)務體驗。

2.2? 條件切換

從條件切換基本原理可以看出，終端檢測到有一個候選目標基站滿足了對應的切換執(zhí)行條件，此時不需發(fā)測量報告給源基站，也不需源基站發(fā)切換命令，而是終端直接決定切換，快速切換到滿足切換執(zhí)行條件的目標基站，降低了因切換命令傳輸失敗或切換命令傳輸慢而導致切換失敗的概率，提高了切換成功率，尤其在信號變化快的區(qū)域提高更加明顯。但由于該技術需要源基站同時與多個候選目標基站提前做切換準備，因此帶來以下幾點問題：

1）較大的X2/Xn接口開銷。

2）候選的多個目標基站都需要為終端預留資源，因此對于其中未被選中作為最終目標的候選基站預留資源都會被浪費。

3）因為條件切換命令消息包含所有候選基站的空口配置參數(shù)，所以條件切換命令消息的長度會增大較多。

4）在終端發(fā)起切換動作之前，為減少用戶面中斷，源基站需向多個候選目標基站轉發(fā)下行數(shù)據(jù)進行提前緩存，進一步加大了X2/Xn開銷以及候選的目標基站的資源浪費。

因此，條件切換增強技術由于額外開銷和資源浪費較大，不建議在所有基站開啟這種增強技術，建議在傳統(tǒng)切換失敗率較高的區(qū)域開啟條件切換功能。

3? ?快速切換失敗恢復

從快速切換失敗恢復基本原理可以看出，相比于僅用T310來判斷無線鏈路失敗的方式，快速切換失敗恢復機制下的判決更快，可以更快發(fā)起RRC重建，減少業(yè)務中斷時間。

該增強技術實現(xiàn)簡單、增益明顯，且LTE系統(tǒng)已商用類似的技術，建議未來5G主要的區(qū)域均開啟該增強功能。

4? ?結束語

本文對雙激活協(xié)議棧切換、條件切換、快速切換失敗恢復三種移動性增強技術的基本原理和信令流程進行了詳細描述，理論分析了三種增強技術的性能，并根據(jù)性能提出了應用建議。未來5G系統(tǒng)應用這些移動性增強技術，可明顯減少用戶面的中斷時延，提高切換成功率，提升用戶的業(yè)務體驗。

參考文獻：

[1]? ? 3GPP. 3GPP TS 38.331： Radio Resource Control （RRC） protocol specification; （Release 15）[S]. 2019.

[2]? ? ?3GPP. 3GPP TS 38.413： NG Application Protocol（NGAP）; （Release 15）[S]. 2019.

[3]? ?3GPP. 3GPP TS 38.330： NR and NG-RAN Overall Description; （Release 16）[S]. 2019.

作者簡介

李路鵬：工程師，碩士，現(xiàn)任職于中國電信股份有限公司廣州研究院移動通信研究所，主要從事移動無線領域新技術的研究、試驗和網絡建設支撐工作。

收稿日期：2020-03-20