基于移動等級的5G網絡位置管理技術

程志密 電信科學技術研究院高級工程師

徐暉 電信科學技術研究院正高級工程師

王胡成 電信科學技術研究院高級工程師

陳山枝 電信科學技術研究院正高級工程師

胡渭琦 電信科學技術研究院高級工程師

基于移動等級的5G網絡位置管理技術

程志密 電信科學技術研究院高級工程師

徐暉 電信科學技術研究院正高級工程師

王胡成 電信科學技術研究院高級工程師

陳山枝 電信科學技術研究院正高級工程師

胡渭琦 電信科學技術研究院高級工程師

識別和跟蹤UE同時減少信令開銷是移動性管理研究中面臨的一個重要問題。本文根據用戶的移動等級，提出了基于移動等級的移動性管理方案實現對不同移動特性的UE進行有效地移動性管理。其優點是根據UE移動等級靈活地設置相應的追蹤區，實現更新和尋呼開銷的最優化和確保系統的穩定性。

移動等級；追蹤區更新；全移動性；無移動性；低移動性

1 引言

5G作為新一代無線移動通信網絡，主要用于滿足2020年以后的移動通信需求。5G將服務于人們居住、工作、休閑和交通等各種場所，涵蓋了住宅區、辦公室、體育場、露天集會、高鐵等多種場景。由于這些不同場景下的移動通信具有不同的特征，例如超高的流量密度、超高的連接數密度、超低時延、超高的移動性等，給5G網絡技術帶來了巨大的挑戰，其中移動性管理是一個重要的方面。為了提高接入網在面向5G復雜場景下的整體接入性能，5G網絡采用控制轉發分離技術來設計新型網絡架構。因此，如何實現移動性管理獨立于各種接入技術，實現異構網絡間的無縫接入也是移動性管理面臨的問題之一。同時，5G網絡提供按需的移動性支持，包括需要支持超高移動性以服務于以500+km/h的高速鐵路為代表的應用場景，同時也需要支持廣域覆蓋和面向傳感器等類型的對移動性要求不高的、甚至不移動的終端。這些差異化的場景給5G網絡的移動性管理提出了新的挑戰。

移動性管理是解決在用戶物理位置隨時發生變化的情況下系統能夠及時、連續、高效地提供服務的問題，是移動網絡特有和標志性的功能。傳統移動性管理包括位置管理和切換管理，在4G網絡中，為了保持UE的移動性，網絡需要識別和跟蹤UE的位置，或者UE通知網絡更新自己的位置，也就是網絡要對UE進行移動性管理。為了減少追蹤UE引起的信令開銷和尋呼資源，網絡給UE分配追蹤區列表。當UE移動到新的駐留小區，且此駐留小區標識不在網絡當前注冊的追蹤區列表內，UE就要觸發追蹤區更新程序來通知網絡自己進入新的追蹤區內。同時，UE還會進行周期性或者事件觸發性追蹤區更新來通知網絡自己的位置。當尋呼發生時，網絡將發送尋呼消息到UE注冊的追蹤區內所有小區。所以，追蹤區的大小對追蹤區更新的頻率和尋呼資源的開銷都有很大的影響。而在5G網絡中，為了擴展覆蓋范圍和提高系統容量，基站部署越來越密，同時由于更高頻段的使用，小區越來越小。如果追蹤區較大，那么會造成尋呼資源開銷較大；反之，尋呼資源開銷較小，但追蹤區更新頻繁。因此，解決追蹤區的優化問題可以有效地節省移動性管理的信令開銷。

為了高效地支持5G網絡中差異化的業務場景和對不同移動特性的UE進行有效的位置管理，本文提出了基于移動等級的位置管理技術，以減少信令開銷和確保通信系統的穩定性。

2 5G網絡中UE的移動性研究

為了實現5G網絡提供差異化通信場景下的移動性支持，3GPP已開始了5G網絡移動性管理的第一階

段研究工作。根據3GPP TR 22.891描述，5G網絡需要提供不同場景下的不同需求的移動性支持，例如在終端高速移動中，需要網絡提供高速移動性支持，而另外一些終端處于游牧態或者靜態，需要網絡支持游牧或者靜態接入網絡。根據3GPP TR 22.861的描述，5G網絡移動性架構提供按需的移動性支持。根據3GPP TR 23.799描述，5G網絡移動性架構能夠提供移動性支持，包括提供各種類型UE通過3GPP或者非3GPP接入5G核心網絡的會話連續性，并提供按需的移動性支持。因此，5G網絡移動性必須提供差異化的移動性支持。

根據3GPP TR 23.799描述，在5G網絡中，采用移動等級來區分UE的移動性特征，主要分為3類：

（1）無移動性：UE是靜態或者半靜態的，只能通過某個固定的接入點接入網絡，此類UE無TA變化。

（2）低移動性：UE可在某個指定的或者期望的區域內移動。

（3）全移動性：UE可隨意地跨越區域移動。

針對低移動性的情形，當UE移動出指定的或者期望的區域時，它也將發送TAU請求消息。網絡接收到TAU請求消息后，將根據網絡策略對此請求采取兩種策略：

一是網絡拒絕此請求，并告訴UE拒絕的原因：當UE移動出此區域時，TAU請求將被拒絕。

二是提升UE的移動等級。

UE的移動等級可能與下面的信息有關：

（1）簽約的UE移動等級：簽約的UE移動等級存儲在UE的簽約數據里，它表示網絡對UE可采取的移動等級。

（2）UE位置：UE位置的改變可能會導致UE移動等級的改變。例如，當一個工人來到辦公區或者公司時，那么它的移動等級可能會從全移動性變為低移動性。

（3）UE所處的時間：為了精確地確定UE的移動等級，網絡可能需要考慮UE所處的時間。例如，在工作時間內，工人到辦公區或者公司，他的UE移動等級可能從全移動性變為低移動性；在非工作時間內，如果他進入辦公區或者公司，那么此時的移動等級將不會改變。

（4）UE能力：網絡在決定UE的移動等級時可能需要考慮UE的能力。

3 基于移動等級的位置管理技術

在5G網絡中，有些UE的移動等級是低移動性的。考慮到尋呼資源的開銷，本文設置此類UE追蹤區比全移動性UE的小（例如，追蹤區為一個CN-UP服務區）。此時，核心網絡能夠在一個較小的區域內追蹤此UE，另外當尋呼發生時，網絡只發送尋呼消息到此區域內。另一方面，對于全移動類型的UE，就需要較大區域的追蹤區以減少由UE移動而引起的信令開銷和減輕網絡的負荷。如果全移動等級UE的追蹤區與靜態或半靜態UE的追蹤區設置相同（例如，追蹤區為一個CN-UP服務區），那么就會造成頻繁的追蹤區更新。因此，為了使5G網絡能夠對不同移動特性實現有效的資源管理，本文根據不同的移動等級劃分不同的追蹤區域，對于靜態的UE，設定較小的追蹤區域，那么尋呼消息的傳輸區域就會較小而且也不會引起頻繁的追蹤區更新；對于大范圍內移動的UE，設定較大的追蹤區域，以減少追蹤區更新的頻率。

追蹤區大小的設置具體如下：

（1）對于無/低移動性的UE，追蹤區與CN-UP服務區域相同。

（2）對于全移動性的UE，追蹤區與CN-CP服務區域相同。

本文假設CN-CP管轄多個CN-UP，主要考慮了追蹤區改變和追蹤區不變的兩種場景。

3.1 無移動性UE的TAU信令流程

此類UE將不會移出追蹤區，但會因周期性或其他觸發條件而發起TAU。信令流程見圖1。.

步驟1和2：由于周期更新定時器超時或者其他觸發條件，UE決定觸發TA更新，向AN發送TAU請求消息，此請求消息里攜帶的信息包括userID；AN接收到TAU請求后，根據接收到RRC信息，把TAU請求消息路由到正確的CN-CP，此請求消息里攜帶的信息包括eNodeBID。

步驟3和4：CN-CP接收到TAU后，重新設定周期更新定時器，并發送TAU接受消息給UE。

3.2 低移動性UE的TAU信令流程

對于低移動等級UE，需要考慮CN-UP改變和不變的兩種場景，具體如下：

圖1 無移動性UE的TAU信令流程

（1）考慮CN-UP改變場景下的TAU信令流程（見圖2）

步驟1：UE發現進入到一個新的駐留區，且此駐留區不在UE注冊的TA列表里，UE觸發TAU程序。UE發送TAU請求消息，此請求消息里攜帶的信息包括user ID。

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

步驟3：CN-CP根據接收到TAU請求消息，判斷出UE移動出注冊的TA列表進入到新的追蹤區內，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，CN-CP發送用戶平面建立請求消息給目標CN-UP。

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

步驟5：CN-CP發送用戶平面刪除請求消息給源CN-UP。

步驟6：源CN-UP用戶平面刪除請求消息后刪除相應的用戶面，并發送用戶平面刪除完成消息給CN-CP。

步驟7和8：CN-CP發送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，存儲新的TA列表。

（2）考慮CN-UP不變場景下的TAU信令流程

此場景對應于UE未移出TA，但因周期性或其他觸發條件而發起的TAU場景。此時需要考慮兩種場景：一是UE沒有移動到新的基站下（此場景下的信令流程可參見無移動性的場景下的信令流程）；二是UE移動到新的基站下。

但是，仍在同一個CN-UP服務區域內，其流程見圖3，具體如下：

步驟1：UE發送TAU請求消息，此請求消息里攜帶的信息包括user ID。

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

步驟3：CN-CP根據接收到TAU請求消息，判斷出UE沒有移動到新的TA列表，可能移動到新的基站覆蓋范圍內。此時，CN-CP只更新UE位置信息，并發送TAU接受消息給UE。

3.3 RAN Level Tracking的位置管理

對于無移動性和低移動性UE，5G位置管理還要

考慮RAN-level的追蹤以節省CN與AN之間的移動信令開銷、CN內部以及CN與UE之間的信令開銷。此場景下，CN將與UE一直保持連接態。本文考慮了UE發起的位置更新（比如，小區的重新選擇）。具體流程如圖4所示。

圖2 CN-UP改變場景下擺TAU信令流程

圖3 CN-UP不變，基站變的信令流程

3.4 全移動性UE的TAU信令流程

對于全移動等級UE，需要考慮CN-CP改變和CN-CP不變的兩種場景，具體如下：

（1）CN-CP改變場景下的TAU信令流程（見圖5）

步驟1：UE發現進入到一個新的駐留區，且此駐留區不在UE注冊的TA列表里，UE觸發TAU程序。UE發送TAU請求消息，此請求消息里攜帶的信息包括user ID。

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

圖5 CN-CP改變場景下的TAU信令流程

步驟3：目標CN-CP根據接收到的TAU請求消息，判斷出UE上下文存放地

點，即源CN-CP。稍后發送UE上下文請求消息給源CN-CP以獲得UE上下文信息，此請求消息中包括TA更新消息。

步驟4：源CN-CP驗證上下文請求消息。驗證成功后，發送UE上下文響應消息給目標CN-CP。

步驟5：目標CN-CP接收到UE上下文信息后，發送上下文ACK消息給源CN-CP。目標CN-CP根據接收的上下文信息創建UE上下文，并確定新的CN-UP。如果需要更換UE的錨點，則目標CN-CP需要給UE分配新的IP地址。

步驟6：CN-CP發送用戶平面建立請求消息給目標CN-UP。

步驟7：目標CN-UP為UE建立用戶面，并發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發送用戶平面刪除請求消息給源CN-UP。

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

步驟10和11 CN-CP發送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，存儲新的TA列表。如果目標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UE根據新的IP地址重新配置自己的IP地址。

（2）CN-CP不變場景下的TAU信令流程

對應于UE未移出TA但因周期性或其他觸發條件而發起的TAU場景，此時需要考慮3種場景：

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

二是UE移動到新的基站下，但是仍在同一個CN-UP服務區域內（此場景下的信令流程可參見低移動性場景下的信令流程）。

三是UE移動到新的CN-UP服務區域內，具體流程見圖6。

步驟1：UE發送TAU請求消息，此請求消息里攜帶的信息包括user ID。

圖6 CN-UP改變場景下的TAU信令流程

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

步驟3：CN-CP根據接收到的TAU請求消息，判斷出UE移動到新的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，CN-CP發送用戶平面建立請求消息給目標CN-UP。

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

步驟5：CN-CP發送用戶平面刪除請求消息給源CN-UP。

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

步驟7和8：CN-CP發送TAU接受消息給UE。

4 結束語

為了識別和跟蹤UE同時減少信令開銷，本文聯合考慮網絡中差異化的業務場景和UE移動等級，設計了基于移動等級的位置移動性策略，實現對不同移動特性的UE進行有效的移動管理以滿足5G移動性管理需求。其優點是網絡根據UE移動等級靈活地設置相應的追蹤區，實現信令開銷的最小化、確保通信系統的穩定性，為5G網絡移動性管理研究提供參考。在下一步的研究工作中，筆者將結合3GPP標準化工作，對該策略進行性能評估，以能夠高效地解決5G網絡面臨的移動性管理問題。

[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）