5G無(wú)線電資源管理分析

董春利，王莉

(南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程學(xué)院，江蘇南京，211188）

0 引言

在5G中，術(shù)語(yǔ)無(wú)線電資源包括傳統(tǒng)（來(lái)自遺留系統(tǒng)）和擴(kuò)展資源概念[1]。這些傳統(tǒng)資源包括能耗（小區(qū)和UE發(fā)射功率）、頻率（信道帶寬、載波頻率）和天線配置。此外，5G中擴(kuò)展的資源定義涵蓋了天線的硬資源數(shù)量/類(lèi)型/配置、游牧/非規(guī)劃的節(jié)點(diǎn)的存在，或移動(dòng)終端中繼）和軟資源（網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和UE軟件能力）。在正確管理資源的同時(shí)，滿足所有UE的QoS或QoE等UE要求也很重要。另一方面，適當(dāng)?shù)馁Y源管理可以幫助網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)切換KPI，例如，通過(guò)降低切換失敗的可能性，同時(shí)在切換期間和之后保持QoE。為了提高無(wú)線系統(tǒng)的效率，有必要解決和考慮與切換和資源管理相關(guān)的基本問(wèn)題，例如準(zhǔn)入控制、帶寬和功率控制。

1 雙連接

雙連接意味著UE可以同時(shí)與兩個(gè)不同的小區(qū)建立連接[2]。通常在雙連接中，UE要么連接到不同大小的BS（宏小區(qū)和小小區(qū)），要么同時(shí)連接兩個(gè)不同的 RAT（例如4G和5G網(wǎng)絡(luò)）。由于UE可以連接到兩個(gè)不同的 RAT同時(shí)在不同頻段上，中斷時(shí)間減少到零。然而，這將觸發(fā)額外的切換可能性，其中相對(duì)于單個(gè)連接引入了新的切換情況。這些新的切換場(chǎng)景出現(xiàn)在兩種情況下，當(dāng)UE將連接從小小區(qū)切換到宏小區(qū)，或從小小區(qū)切換到小小區(qū)時(shí)。隨著毫米波的引入，雙連接的使用可能導(dǎo)致切換概率的增加，從而導(dǎo)致移動(dòng)性管理的額外問(wèn)題，包括信令開(kāi)銷(xiāo)的增加、多RAT連接的RAT之間的同步復(fù)雜度、同時(shí)使用多個(gè)BS中的資源，并減少電池壽命。信令開(kāi)銷(xiāo)的增加是由于RAT之間的流量控制，這些問(wèn)題可以使用智能方法解決。

2 NR中的切換管理和切換過(guò)程

NR物理層與傳統(tǒng) RAT 的獨(dú)特區(qū)別在于具有以下特性：雙連接、高頻頻譜、前向兼容性、超精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)、使用毫米波和中繼設(shè)備（設(shè)備到設(shè)備）。NR支持多連接和單連接選擇，具體取決于配置集。對(duì)于這兩種配置，在路徑切換期間使用硬切換[3]。

在許可和非許可頻譜中，NR在600MHz和73 GHz 之間運(yùn)行。前向兼容性意味著設(shè)計(jì)無(wú)線電接口架構(gòu)，以支持新的服務(wù)需求并適應(yīng)新技術(shù)，同時(shí)支持傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的UE。而超精益設(shè)計(jì)原則旨在減少始終在線的傳輸（例如，用于BS檢測(cè)的信號(hào)、系統(tǒng)信息的廣播）以在網(wǎng)絡(luò)中以低能耗實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率。NR的主要挑戰(zhàn)是由于使用高穿透損耗的高頻而導(dǎo)致的覆蓋范圍，這使得小區(qū)足跡變得更小。本節(jié)通過(guò)對(duì)關(guān)鍵特性和涉及NR移動(dòng)性的實(shí)體的簡(jiǎn)要介紹來(lái)描述NR切換。此外，還為AMF/UPF內(nèi)提供了逐步的切換過(guò)程。NR中的切換類(lèi)型描述如下：

(1)gNB內(nèi)切換：當(dāng)服務(wù)和目標(biāo)小區(qū)都屬于同一個(gè)gNB時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種情況。

(2)沒(méi)有AMF變化的gNB間切換：gNB間切換通常發(fā)生在服務(wù)和目標(biāo)小區(qū)來(lái)自不同的gNB時(shí)。在沒(méi)有AMF變化的gNB間切換有兩種不同類(lèi)型的切換，這取決于切換是否涉及UPF的變化。然而這里討論的gNB間切換在兩種情況下都不包括AMF的變化。具有UPF內(nèi)切換的gNB間，其中切換涉及具有相同UPF的小區(qū)更改；而具有UPF間切換的gNB間，其中小區(qū)切換涉及UPF的更改。

(3)具有AMF更改的gNB間切換：在這種情況下，切換需要將AMF從服務(wù)AMF更改為目標(biāo)AMF。然而，切換不涉及SMF的改變，使用NG接口。有AMF改變的gNB間切換有兩種情況。在第一種情況下，保持相同的UPF；而第二種情況，涉及在切換期間UPF的變化。

NR中的基本切換過(guò)程包括三個(gè)階段，即：切換準(zhǔn)備（步驟 0-5）、切換執(zhí)行（步驟 6-8）和切換完成（步驟 9-12），具體描述如下：

步驟1：服務(wù)gNB（S-gNB）根據(jù)接入限制和漫游信息配置UE測(cè)量過(guò)程，UE向目標(biāo)gNB（T-gNB）發(fā)送測(cè)量報(bào)告。

步驟2：S-gNB根據(jù)測(cè)量報(bào)告和無(wú)線資源管理信息決定切換UE。

步驟3：S-gNB向T-gNB發(fā)送切換請(qǐng)求消息（其中包括準(zhǔn)備向T-gNB 進(jìn)行切換的必要信息）。

步驟4：如果T-gNB可以授予資源，則T-gNB執(zhí)行準(zhǔn)入控制過(guò)程。

步驟5：T-gNB向S-gNB發(fā)送切換請(qǐng)求確認(rèn)。 S-gNB一接收到切換請(qǐng)求確認(rèn)消息，就可以發(fā)起數(shù)據(jù)前傳。

步驟6：S-gNB向UE發(fā)送切換命令。

步驟7：S-gNB向T-gNB發(fā)送序列號(hào)狀態(tài)轉(zhuǎn)移消息。

步驟8：UE從S-gNB分離并與T-gNB同步。

步驟9：T-gNB通過(guò)路徑切換請(qǐng)求消息通知AMF，UE已經(jīng)改變了小區(qū)。

步驟10：5GC將下行數(shù)據(jù)路徑切換到T-gNB。

步驟11：AMF確認(rèn)路徑切換請(qǐng)求。

步驟12：T-gNB通過(guò)發(fā)送UE上下文釋放消息，通知S-gNB切換成功并觸發(fā)S-gNB釋放資源。

最后，S-gNB釋放與UE關(guān)聯(lián)的無(wú)線資源。

需要指出的是，上述過(guò)程適用于NR和NR技術(shù)之間的切換。

3 B5G中的移動(dòng)性和切換管理

研究人員已經(jīng)預(yù)見(jiàn)到一些使B5G與5G不同的用例和應(yīng)用。其中一些用例包括集成無(wú)人機(jī) (UAV) 通信、設(shè)備的高移動(dòng)性（每小時(shí)500公里以上）、全息投影等[4]。使用毫米波和太赫茲頻譜無(wú)線電波的設(shè)備、UAV和其他應(yīng)用的高移動(dòng)性給B5G帶來(lái)了前所未有的無(wú)線通信挑戰(zhàn)。在這些挑戰(zhàn)中，移動(dòng)性和切換管理預(yù)計(jì)是B5G網(wǎng)絡(luò)中最具挑戰(zhàn)性的兩個(gè)問(wèn)題，因?yàn)锽5G 網(wǎng)絡(luò)將是高度動(dòng)態(tài)的和多層的，這將導(dǎo)致更頻繁的切換。設(shè)備和UAV的高移動(dòng)性導(dǎo)致其位置的不確定性，而且要記住用于B5G的毫米波和太赫茲等高頻很容易被人、建筑物等阻擋。

4 結(jié)論

啟發(fā)式和傳統(tǒng)的切換方法無(wú)法快速做出反應(yīng)。另一種解決方案是采用人工智能模型進(jìn)行移動(dòng)性預(yù)測(cè)和最優(yōu)切換策略，以保證通信連通性。盡管引入多連接是一個(gè)非常有前景的解決方案，但該過(guò)程仍然需要智能切換管理策略來(lái)優(yōu)化小區(qū)選擇和重選擇過(guò)程，以減少信令，保證高數(shù)據(jù)速率、高可靠性和低延遲。B5G的切換流程可能與5G類(lèi)似，但目前還沒(méi)有B5G系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。