5G接入與移動性管理策略增強的應(yīng)用探索

龍彪，陳卓怡，張鈺瀅

（中國電信股份有限公司研究院，廣東 廣州 510630）

0 引言

5G 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)正式商用，5G 標(biāo)準(zhǔn)化也進入了5G-Advanced的階段。5G 核心網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化在整個5G 標(biāo)準(zhǔn)化過程中有著舉足輕重的作用，中國公司在5G 核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化中也起著引領(lǐng)作用。一方面，核心網(wǎng)上接各種業(yè)務(wù)和應(yīng)用，是整個網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的匯聚點，也是未來業(yè)務(wù)發(fā)展的發(fā)動機；另一方面，核心網(wǎng)下連各種制式的終端及接入網(wǎng)，是整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞闹行模瑺恳话l(fā)而動全身[1]。

策略控制是5G 核心網(wǎng)的重要技術(shù)領(lǐng)域，運營商可以利用策略控制技術(shù)實現(xiàn)在保證用戶體驗的前提下最大化地利用網(wǎng)絡(luò)資源，但同時，策略控制也面臨在不同網(wǎng)絡(luò)域、不同接入網(wǎng)間協(xié)同的挑戰(zhàn)。

3G/4G 時代的策略控制主要是基于會話的策略控制，5G時代引入了接入與移動性管理策略控制的新功能。AM（Access and Mobility Management，接入與移動性管理）策略控制的進一步增強需要結(jié)合特定的場景進行探索，并且在國際標(biāo)準(zhǔn)上進行標(biāo)準(zhǔn)的研究及制定。本文將結(jié)合3GPP R17 的幾個課題，包括Dynamically Changing AM Policies in the 5GC（DCAMP）課題、Study on Enablers for Network Automation for 5G-phase 2（FS_eNA_Ph2）課題的關(guān)鍵議題“NWDAF-assisted（Network Data Analytics Function-assisted，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析功能輔助）RFSP policy”以 及Study on Enhancement of Network Slicing Phase 2（eNS_Ph2）課題的關(guān)鍵議題“Support of 5GC assisted cell selection to access network slice”中有關(guān)移動性策略控制的研究內(nèi)容，進行應(yīng)用場景及增強方案的分析。最后，基于R17 這些相關(guān)研究的分析及總結(jié)，提出R18 AM 策略控制增強的研究設(shè)想。

1 接入與移動性管理策略增強的應(yīng)用場景

1.1 概述

5G 通過引入基于用戶的UE 策略和接入與移動性管理功能，實現(xiàn)比4G 更靈活的策略調(diào)整。UE 策略功能現(xiàn)階段已經(jīng)可為UE 提供如用戶路由選擇、接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)等能力，而接入與移動性管理功能可以為網(wǎng)絡(luò)提供如無線接入方式、RFSP（Index to RAT/Frequency Selection Priority，接入/ 頻率選擇優(yōu)先）索引、SAR（Service Area Restriction，接入?yún)^(qū)域限制）、UE AMBR（UE Aggregate Maximum Bit Rate，最大聚合比特率）、UE切片MBR（Maximum Bit Rate，最大比特率）等控制。運營商需進一步探索接入與移動性管理策略方面的市場應(yīng)用前景，以滿足ToB 和ToC 不同用戶的多樣化需求。

1.2 動態(tài)改變接入與移動性管理策略

3GPP R15 中提出了PCF（Policy Control Function，策略控制功能）可進行接入與移動性策略管理，包括無線資源管理和服務(wù)區(qū)域限制管理等。無線資源管理的重要參數(shù)是RFSP 索引[2]——網(wǎng)絡(luò)利用RFSP 索引為特定業(yè)務(wù)在基站選擇一個合適的承載以更好地進行無線資源管理，可以更好地進行容量管理和防止互調(diào)干擾等。PCF 將相關(guān)的策略傳給AMF（Access and Mobility Management Function，接入與移動性管理功能），然后AMF 通過N2 接口向RAN 提供RFSP 索引。由無線側(cè)結(jié)合RFSP 索引和基站本地配置對無線資源進行管理。服務(wù)區(qū)域限制管理的關(guān)鍵參數(shù)便是SAR[3]。SAR 定義了UE 允許或者不允許向網(wǎng)絡(luò)發(fā)起通信的區(qū)域，表示為一個包含多個TA（Tracking Area，跟蹤區(qū)）的列表。

在4G 時代，RFSP 索引是靜態(tài)簽約在HSS 數(shù)據(jù)庫中的，而5G 時代除了靜態(tài)簽約在UDM 數(shù)據(jù)庫，還可以通過PCF對RFSP 索引進行動態(tài)的策略調(diào)整。當(dāng)UE 注冊到網(wǎng)絡(luò)建立移動與接入性管理策略關(guān)聯(lián)時，AMF 可以從UDM（Unified Data Management，統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理）獲取的簽約數(shù)據(jù)中得到RFSP 索引和SAR，再傳遞給基站進行配置。之后，PCF 便可以對RFSP 索引和SAR 進行策略管理。

PCF 可以基于網(wǎng)絡(luò)切片的累計使用情況和負(fù)載水平來更改RFSP 索引，并且PCF 也可以根據(jù)UE 位置、PEI（Permeant Equipment Identifier，永久設(shè)備標(biāo)識）和本地網(wǎng)絡(luò)策略對SAR 進行調(diào)整[3]。但是3GPP R16 的規(guī)范通過應(yīng)用檢測或者第三方應(yīng)用來觸發(fā)RFSP 索引的動態(tài)改變并沒有被提及，需要對此加以增強。動態(tài)改變接入與移動性管理策略將會給移動性管理策略帶來更多的可能性，使得接入與移動性策略管理更加的靈活。

以下將列出三種動態(tài)改變移動性管理策略的應(yīng)用場景，描述了三種不同的觸發(fā)動態(tài)改變AM 策略的方式，分別是預(yù)先配置注冊時觸發(fā)、DPI（Deep Packet Inspection，深度包檢測）檢測觸發(fā)和第三方應(yīng)用觸發(fā)三種觸發(fā)方式：

（1）場景1：用戶額外付費或者激活附加包來增強用戶體驗或者擴大用戶服務(wù)區(qū)域。在這個場景下，為保證用戶體驗的連續(xù)性，應(yīng)該在應(yīng)用開始前將RFSP 索引和SAR 配置到PCF 處。在這個場景下，用戶通過訂閱更好的服務(wù)套餐得到更優(yōu)的用戶體驗。

（2）場景2：由DPI 類型的功能檢測到數(shù)據(jù)包的應(yīng)用層信息，從而得知應(yīng)用的開始或者結(jié)束，進而觸發(fā)PCF 改變RFSP 索引。

（3）場景3：由第三方應(yīng)用來告知某事件已經(jīng)開始，進而觸發(fā)PCF 改變RFSP 索引。例如，用戶正在使用第三方交互視頻通話應(yīng)用時有一通語音通話接入，則第三方應(yīng)用來告知并觸發(fā)改變移動性管理策略，以此提高用戶體驗。

1.3 基于NWDAF的移動性管理策略

NWDAF 通過從5G 核心網(wǎng)網(wǎng)元、OAM（Operation Administration and Maintenance，操作管理維護）系統(tǒng)、AF（Application Function，應(yīng)用功能）等收集數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析或預(yù)測。網(wǎng)絡(luò)策略控制網(wǎng)元PCF，可參考NWDAF 提供的分析結(jié)果，對用戶的移動性管理策略如RFSP 索引值進行動態(tài)的調(diào)整，以達(dá)到保障用戶體驗、優(yōu)化資源配置以及綠色節(jié)能的權(quán)衡兼顧[4-5]，如圖1 所示：

圖1 基于NWDAF的移動性管理策略（RFSP索引）的動態(tài)調(diào)整

具體的基于NWDAF 的移動性管理策略場景舉例描述如下：

（1）場景1：實現(xiàn)5G 高頻NR 和低頻NR 之間的頻率選擇。例如某些用戶駐留在5G 高頻，但是使用的服務(wù)并沒有特別的高帶寬需求，或者使用了實時性較高的服務(wù)，那么網(wǎng)絡(luò)就可以引導(dǎo)這些用戶切換到低頻NR，以節(jié)約高頻帶寬資源或保證時延需求。類似地，如果某些駐留在5G 低頻的用戶使用了超高帶寬要求的應(yīng)用，那么網(wǎng)絡(luò)就可以將這些用戶調(diào)整到高頻NR，以保證用戶體驗。

（2）場景2：實現(xiàn)從5G NR 到4G E-UTRAN 不同接入方式的選擇。例如某些用戶在特定的時間內(nèi)經(jīng)常處于空閑態(tài)或只使用低價值服務(wù)（如P-to-P 下載），就可以根據(jù)用戶使用的不同的服務(wù)需求，把這些用戶從5G 網(wǎng)絡(luò)重選到4G，以保證其他活躍用戶的高價值服務(wù)（如VR、AR）。

以上場景都可以利用NWDAF 對網(wǎng)絡(luò)和用戶等的歷史數(shù)據(jù)進行收集及分析，預(yù)測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和用戶行為，使網(wǎng)絡(luò)智能地引導(dǎo)用戶通過最合適無線方式（4G E-UTRAN、5G NR 高頻或者5G NR 低頻）接入網(wǎng)絡(luò)，保證服務(wù)質(zhì)量。

1.4 針對網(wǎng)絡(luò)切片接入的頻率管理

5G 中，運營商可以配置不同的切片服務(wù)于不同的業(yè)務(wù)場景，例如通用eMBB（enhanced Mobile Broadband，增強移動寬帶通信）應(yīng)用切片和面向特定垂直行業(yè)應(yīng)用的切片?；赗FSP 索引機制以及對NG-RAN 無線資源的適當(dāng)劃分，運營商可能會考慮為不同的切片指定分配特定的使用頻率，即某些網(wǎng)絡(luò)切片可以通過NG-RAN 中的優(yōu)選頻率獲得專屬資源。

具體場景舉例描述如下：

（1）場景1：運營商網(wǎng)絡(luò)中維護了兩個切片，一個是用于通用eMBB 的切片A，另一個是用于時延敏感業(yè)務(wù)的切片B。根據(jù)5G 高低頻的特性，用戶要使用切片A，應(yīng)該優(yōu)先接入5G 高頻，如果用戶要使用切片B，應(yīng)該優(yōu)先接入5G 低頻。

（2）場景2：運營商網(wǎng)絡(luò)中維護多個服務(wù)于垂直行業(yè)用戶的切片。出于安全隔離的需求，運營商可以為每一個垂直行業(yè)切片劃分特定的無線接入頻率，無線側(cè)可以拒絕非該切片授權(quán)用戶使用相應(yīng)頻段。

1.5 應(yīng)用場景小結(jié)

圖2 中，橙色線是基于NWDAF 的AM 策略的示意流程；綠色線是動態(tài)改變AM 策略的示意流程；紅色線是針對網(wǎng)絡(luò)切片接入的頻率管理的示意流程。

圖2 接入與移動性管理策略增強的應(yīng)用場景示例

上述應(yīng)用場景的關(guān)聯(lián)：5GC 網(wǎng)元可通過預(yù)付費附加包、DPI檢測和第三方應(yīng)用等方式向PCF觸發(fā)AM策略的改變（綠色線），PCF 再結(jié)合NWDAF 對AM 策略的大數(shù)據(jù)分析（橙色線），輔助制定并最終形成下發(fā)給AMF/RAN 的AM 策略。AMF 可關(guān)聯(lián)NSSF（Network Slice Selection Function，網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能）提供的網(wǎng)絡(luò)切片標(biāo)識與AM 策略，發(fā)給RAN 用于網(wǎng)絡(luò)切片接入的頻率管理（紅色線）。

2 接入與移動性管理策略增強方案分析

2.1 動態(tài)改變接入與移動性管理策略方案

根據(jù)1.2 節(jié)提到的三個應(yīng)用場景，下面針對不同應(yīng)用場景展開方案分析。上述的三個應(yīng)用場景中，第一個應(yīng)用場景與另外兩個場景有較大的區(qū)別。在第一個應(yīng)用場景中，為了保證其服務(wù)的連續(xù)性，這個應(yīng)用場景中移動性管理策略配置應(yīng)該在UE 向網(wǎng)絡(luò)注冊之前完成，之后在UE 注冊時再由PCF 向AMF 提供相應(yīng)的移動性管理策略。

上述三個場景對應(yīng)的三個增強方案中，存在服務(wù)于AMF 的PCF和服務(wù)于SMF（Session Management Function，會話管理功能）的PCF 不是同一個的可能性，而向AMF 提供服務(wù)的PCF（PCF-AM）需要得到應(yīng)用開始或者結(jié)束的通知來動態(tài)改變移動性管理策略，而這個通知是在SMF 和與SMF 連接的PCF（PCF-SM）間交互的，因此PCF-AM 需要向PCF-SM 訂閱應(yīng)用開始或者結(jié)束的信息，從而觸發(fā)改變移動性管理策略。BSF（Binding Support Function，綁定支持功能）用于網(wǎng)絡(luò)中部署有多個PCF 的情況，網(wǎng)元能夠通過BSF 服務(wù)根據(jù)用戶標(biāo)識、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)名稱等信息找到相應(yīng)的PCF。在上述的三個應(yīng)用場景中，網(wǎng)元可以利用BSF 找到相應(yīng)的PCF-AM、PCF-SM，分別實現(xiàn)改變AM 策略請求和訂閱應(yīng)用流開始或結(jié)束的通知。

根據(jù)目前3GPP R17 標(biāo)準(zhǔn)[6-9]，下列描述了三個應(yīng)用場景對應(yīng)的方案分析：

（1）第一個應(yīng)用場景中，在PDU（Protocol Data Unit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元）會話建立前，相關(guān)的移動性策略已經(jīng)配置在PCF 中，過程概括描述如下：在PDU 會話建立之前，PCF-AM 向UDR 訂閱AM 策略，AF 通過NEF（Network Exposure Function，網(wǎng)絡(luò)開放功能）將需要更新的策略及其他有關(guān)信息提供給UDR。接著，由NEF將得到的新的移動性策略傳遞給PCF-AM。在PDU 會話建立之后，PCF-AM 會通過BSF 服務(wù)找到相應(yīng)的PCFSM，并向其訂閱業(yè)務(wù)流開始/ 停止檢測，之后當(dāng)PCFSM 檢測到業(yè)務(wù)開始或者結(jié)束時，啟動AM 策略關(guān)聯(lián)修改，從而實現(xiàn)動態(tài)改變移動性管理策略。

（2）第二個應(yīng)用場景中，觸發(fā)改變移動性管理策略的是DPI 功能。DPI 是指深度包檢測，這個功能可以基于對應(yīng)用層流量的檢測得到業(yè)務(wù)流的開始和結(jié)束時間，進而由PCF-SM 通知PCF-AM 動態(tài)改變移動性管理策略。若 服 務(wù)SMF 和AMF 的PCF 不 是 同 一 個，PCF-AM 向PCF-SM 訂閱業(yè)務(wù)開始或結(jié)束服務(wù)，當(dāng)DPI 檢測到業(yè)務(wù)流的開始和結(jié)束時間時，則會通過SMF、PCF-SM 將請求傳遞到PCF-AM 處。之后，啟動AM 策略關(guān)聯(lián)修改，實現(xiàn)動態(tài)改變移動性管理策略。

（3）第三個應(yīng)用場景是由第三方應(yīng)用AF 實現(xiàn)移動性管理策略改變的觸發(fā)。在PDU 會話建立后，AF 通過NEF 使用BSF 服務(wù)向PCF-SM 訂閱此通知。之后，當(dāng)檢測到業(yè)務(wù)的開始或者結(jié)束時，AF 會通過NEF 使用BSF服務(wù)向PCF-AM 發(fā)送修改AM 策略的請求，接著便會啟動AM 策略關(guān)聯(lián)修改，進而改變移動性管理策略。

2.2 基于NWDAF的移動性管理策略方案

3GPP FS_eNA_ph2 研究中，對NWDAF 輔助移動性管理策略選擇的解決方案進行了探討。在正在進行3GPP R17版本[7,10-14]修訂中，對NWDAF 的用戶行為、服務(wù)體驗、數(shù)據(jù)熱點、用戶數(shù)據(jù)擁塞等分析都有了增強或添加，以實現(xiàn)基于NWDAF 智能分析的移動性管理策略方案。其中：

（1）用戶行為分析：可以結(jié)合用戶使用服務(wù)的時間、地點、時長等歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測用戶將在特定的時間/ 地點使用的服務(wù)，尤其是對時延或帶寬有特別高要求的服務(wù)。例如，根據(jù)用戶的使用習(xí)慣分析，判斷用戶會在工作日早上的CBD 辦公區(qū)使用互動高清視頻業(yè)務(wù)。

（2）服務(wù)體驗分析：可以通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計出各種服務(wù)在不同的接入技術(shù)（4G 或5G）以及不同頻率中服務(wù)質(zhì)量的優(yōu)劣情況，包括時延、吞吐量、抖動等。

（3）數(shù)據(jù)熱點分析：可以分析出某用戶或者某用戶組在特定時間段內(nèi)一定位置生成的活動百分比。通過對各種活動熱點位置排序，可以確認(rèn)出不同活動的主要用戶。不同的活動可以是指數(shù)據(jù)流量、語音電話、掉話、會話建立失敗等。

（4）數(shù)據(jù)擁塞分析：可以根據(jù)每個小區(qū)的測量值，提供控制平面或用戶平面的用戶數(shù)據(jù)擁塞相關(guān)分析。

具體實施舉例對應(yīng)1.3 節(jié)場景描述如下：

（1）場景1：如圖3 所示，NWDAF 可提供用戶使用服務(wù)的習(xí)慣和歷史體驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計或預(yù)測，即用戶行為分析與服務(wù)體驗分析。PCF 根據(jù)NWDAF 提供的分析結(jié)果，判斷用戶（組）將使用什么服務(wù)，而且服務(wù)在什么頻段上能獲得更好的服務(wù)體驗。然后PCF 通過修改RFSP 索引引導(dǎo)用戶在5G 低頻NR 和高頻NR 之間的切換，保障用戶服務(wù)體驗與網(wǎng)絡(luò)總體性能。如NWDAF 預(yù)測用戶將使用高級別應(yīng)用（例如AR、VR 業(yè)務(wù)等），PCF 收到該分析結(jié)果后，生成的RFSP 索引通過AMF 提供給無線基站，由基站指引UE 切換到高頻NR 以保障用戶體驗?；蛘逷CF 也可以根據(jù)NWDAF 提供的時延敏感服務(wù)（如網(wǎng)絡(luò)手游）使用分析，引導(dǎo)UE 從高頻NR 切換到低頻NR，以保證低時延需求。

圖3 基于NWDAF的RFSP索引調(diào)整舉例：5G高低頻選擇

（2）場景2：NWDAF 對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)熱點和網(wǎng)絡(luò)擁塞進行統(tǒng)計分析或預(yù)測。5G 網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)NWDAF 提供的結(jié)果，引導(dǎo)空閑態(tài)用戶切換到用戶較少的頻段或重選至4G網(wǎng)絡(luò)，以保證連接態(tài)用戶的需求。如NWDAF 通過采集數(shù)據(jù)，分析特定區(qū)域出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)熱點，即大量用戶使用高級別服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)擁塞即將出現(xiàn)，那么NWDAF 可以結(jié)合場景1 中用戶使用習(xí)慣分析出可能保持空閑態(tài)或?qū)⑹褂玫图墑e服務(wù)的用戶信息反饋給PCF。PCF 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)熱點、網(wǎng)絡(luò)擁塞和用戶分析等，決定使用RFSP 索引將目標(biāo)空閑態(tài)的用戶引導(dǎo)到4G 網(wǎng)絡(luò)，以緩解5G 網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的擁塞情況，節(jié)約5G 帶寬資源，從而實現(xiàn)資源優(yōu)化配置。

2.3 針對網(wǎng)絡(luò)切片接入的頻率管理方案

3GPP eNS_Ph2 在R17 的研究中，積極探索了5G 核心網(wǎng)如何輔助接入切片的頻率（小區(qū)）選擇的方案，以實現(xiàn)1.4 節(jié)中提到的主要使用場景。在正在進行的R17標(biāo)準(zhǔn)[7-9,13-15]修訂中，增加目標(biāo)NSSAI（Network Slice Selection Assistance Information，網(wǎng)絡(luò)切片選擇輔助信息）的相關(guān)描述。目標(biāo)NSSAI 包含了會觸發(fā)UE 頻率切換的切片信息列表和對應(yīng)的RFSP 索引信息，由核心網(wǎng)的AMF 下發(fā)到無線側(cè)，以引導(dǎo)UE 接入到支持切片的頻率。

基于用戶簽訂的協(xié)議和運營商的策略，目標(biāo)NSSAI可以在特定TA 或小區(qū)頻率中排除一些允許NSSAI，如1.4 節(jié)場景1 中，高頻小區(qū)排除用于時延敏感業(yè)務(wù)的切片B 接入，低頻小區(qū)排除用于高帶寬業(yè)務(wù)的切片A。

當(dāng)AMF 節(jié)點收到用戶的請求NSSAI 包含了在特定頻率才能接入的切片，如1.4 節(jié)的場景2，而當(dāng)前UE所在TA 不能支持該切片的接入，那么AMF 或者通過NSSF，根據(jù)用戶的簽約信息、允許NSSAI、支持接入的RFSP 信息，確定目標(biāo)NSSAI 發(fā)給無線基站，以引導(dǎo)用戶切換到特定切片所需的特定無線頻率所在的TA。

2.4 方案分析小結(jié)

表1 所述為1.2 節(jié)、1.3 節(jié)、1.4 節(jié)所述場景對應(yīng)的方案分析總結(jié)，動態(tài)改變接入與移動性管理和基于NWDAF的移動性管理場景中，都是由PCF 生成AM 策略再發(fā)送到AMF、基站，實現(xiàn)接入與移動性策略控制。而在針對網(wǎng)絡(luò)切片接入的頻率管理場景中，則是將相關(guān)的RFSP 索引信息包含在目標(biāo)NSSAI 中發(fā)送到AMF、基站，實現(xiàn)接入與移動性策略控制。

表1 接入與移動性管理策略增強的應(yīng)用場景及相應(yīng)方案小結(jié)

3 結(jié)束語

AM 策略功能在5G 網(wǎng)絡(luò)功能中是不可或缺的，3GPP R17 在多個課題中都涉及對AM 策略優(yōu)化和增強的研究。但由于AM 策略管理是5G 新引入的功能，其實際使用場景和與其他類型的策略協(xié)同方面的研究及標(biāo)準(zhǔn)化還需進一步深化。特別是在4G/5G 互操作情況下，如何保證用戶在4G/5G 系統(tǒng)間的策略一致性、漫游情況下支持用戶接入的策略控制、基于用量監(jiān)測的會話策略對AM 策略的影響等方面還需在3GPP 5G-Advanced 階段繼續(xù)進行探索。相信隨著5G-Advanced 標(biāo)準(zhǔn)化的逐步完善，策略控制技術(shù)將會為運營商提供更多樣化、靈活的控制手段，助力5G 智能化運營與進階商用。