面向5G的移動性管理關鍵技術探討

趙明宇+胡志遠+唐建國

【摘 要】為了應對5G業務多樣性給移動性管理帶來的挑戰，首先對移動性管理的技術現狀進行了分析，總結了現有移動性管理方案面臨的問題，然后基于軟件定義網絡的思想，結合3GPP正在制定的5G標準文稿中對移動性管理的需求，提出了面向5G的按需移動性管理的劃分級別，并探討了IETF提出的分布式移動性管理技術面臨的挑戰及發展趨勢，為5G按需移動性管理技術的標準制定提供參考。

【關鍵詞】按需移動性管理 分布式移動性管理 軟件定義網絡 5G

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010（2017）19-0046-04

Discussion on Key Techniques of Mobility Management Oriented to 5G

ZHAO Mingyu， HU Zhiyuan， TANG Jianguo

[Abstract] In order to cope with the challenges of mobility management caused by the diversity of 5G services， the status of mobility management technique was analyzed and the problems in existing mobility management schemes were summarized firstly. Then， according to the idea of software defined network （SDN） and requirements of mobility management in the 5G standard drafts drawn by 3GPP， the division level of on-demand mobility management oriented to 5G was proposed. Finally， the challenge and developmental trend of distributed mobility management technique proposed by IETF were discussed to provide the reference to the standard establishment of 5G on-demand mobility management.

[Key words]on-demand mobility management distributed mobility management SDN 5G

1 引言

3GPP正在推進5G的標準化進程，我國的IMT-2020（5G）推進組已經組織完成了第一階段的5G單點測試工作，目前正在進行第二階段的5G外場測試。全球各大設備公司、運營商都在積極布局5G，展開預研，并紛紛發布5G白皮書。5G處在發展的關鍵時期，SDN（Software-Defined Networking，軟件定義網絡）、NFV（Network Function Virtualization，網絡功能虛擬化）、物聯網、云計算等都是當前的研究熱點。

相比LTE的移動寬帶場景，關于5G，ITU定義了移動寬帶增強、低時延高可靠和大規模物聯網三大場景。可以看出，5G的業務將非常多樣化，同時，5G的性能要求高，擁有分布式的用戶面、基于服務的全新架構等，這些都給移動性管理帶來了諸多挑戰，要求移動性管理的粒度更細、配置更加靈活等。目前現有的移動性管理機制相對靜態，粒度較粗，適應場景單一，因此需要按需完善移動性管理機制以滿足5G的需求。

2 現有移動性管理技術

現有的移動性管理技術方案主要為3GPP的移動性管理實體結合GTP（GPRS Tunneling Protocol，通用分組無線服務技術隧道協議），以及3GPP2的MIP（Mobile IP，移動IP）等技術，這些技術僅支持特定條件下的移動性管理。這種特定的解決方案適用于某種給定的移動性場景，而可能并不適用于其他普遍性場景。

GTP是2G/3G和LTE的核心協議：在基站和核心網網元之間建立隧道，將用戶數據封裝在隧道里進行傳輸。GTP協議在用戶面，因引入GTP頭，從而導致開銷增大；而在控制面，需要大量的信令來維持GTP隧道；同時，還存在路由迂回及不支持多種接入技術間的無縫切換等問題。現有的這種移動性管理方案是基于集中式的架構，具有單點故障風險和抗攻擊能力弱的問題；這種特定移動性支持方法相對靜態，難以支持未來多種終端多樣移動性服務的需求；也較難實現較小粒度的移動性管理[1]。

現有的MIP技術方案，由于數據的發送路徑和接收路徑不同，會產生“三角路由”問題。同時，還存在單點可靠性低、無法滿足多樣移動性需求等問題。

5G的基于服務的網絡架構具有更加扁平化、數據面下沉、控制轉發分離、控制功能服務化等特性，移動性管理技術要適應網絡架構的變化趨勢，同時還要滿足5G業務多樣化、網絡智能化的要求。面對移動性管理場景的多樣性，以及未來可能爆發出現的新業務導致的新移動性場景時，現有的移動性解決方案并不能支持或進行靈活地處理。

3 面向5G的移動性管理技術

SDN、NFV及云計算是5G網絡的技術驅動力，硬件標準化、模塊化，以及軟件虛擬化、自動化將是主要發展趨勢。在未來的5G網絡架構中，網絡和業務資源的部署將轉向各種類型的數據中心。對低時延和高吞吐的業務而言，則必須靠近用戶才能滿足時延、帶寬等需求[2]，使得大量的網絡功能將在邊緣實現云化，從而形成5G網絡的邊緣節點，并形成統一的分布式數據中心。網絡架構進一步的扁平化、控制與轉發分離等，都會對移動性管理產生重大影響，未來5G業務、終端及商業模式的多樣性需要按需的移動性管理。endprint

3GPP發布的5G網絡架構的研究報告TR23.799[3]和正在制定的技術規范TS22.261[4]、TS23.501[5]及TS23.502[6]中，提出了對5G的按需的移動性管理需求，包括：1）在其整個使用生命周期內靜止（例如嵌入在基礎設施中的傳感器）；2）在激活期間靜止，而在激活的間隔期是游牧的（例如固定接入）；3）在受限和明確定義的空間內（例如，在工廠中）移動；4）完全移動。5G網絡將允許運營商基于UE或UE組的移動性模式（例如固定，游牧，空間受限的移動性，完全移動性）來優化網絡行為（例如移動性管理支持）；5G系統應使運營商能夠指定和修改為UE或UE組提供的移動性支持的類型；5G系統應為僅使用移動通信的UE或UE組優化移動性管理支持。

如何通過劃分及實現不同的移動性級別來支持按需的移動性管理是一個關鍵問題，3.1小節將針對這一問題進行探討。分布式的移動性管理方法由于更能適應網絡架構扁平化的發展趨勢而受到了越來越多的關注，IETF（The Internet Engineering Task Force，互聯網工程工作組）更是成立了DMM（Distributed Mobility Management，分布式移動性管理）工作組來組織和推進DMM研究，本文將在3.2小節對分布式移動管理進行探討。

3.1 按需的移動性管理

現有的移動性管理不能滿足未來業務多樣性導致的多種級別移動性的需求。諾基亞公司認為5G網絡中將有約70%的終端設備是靜止不動的，而移動的終端僅占30%，如智能抄表系統中的水/電/燃氣表，以及森林防火預警系統中檢測降水及溫濕度的大量傳感器等，都是位置固定不動的，這些設備并不需要移動終端所需的切換控制、位置頻繁更新等復雜的移動性管理[7]。此類大部分時間處于低功耗的無移動性模式的設備僅當需要時才通過本地錨點使能移動性管理。而對于要求網絡時刻在線的智能手機，以及要求超低端到端時延和超高可靠性的無人駕駛機、遠程機器人等移動設備，則需要通過較高位置的集中的IP錨點，來實現靈活的移動性管理。按需的移動性管理如圖1所示：

綜上所述，5G網絡需要提供按需的移動性管理來滿足不同場景和多樣性的業務需求。網絡側移動性管理要實現包括在激活狀態下維護會話的連續性和在空閑狀態下保證用戶的可達性。在激活和空閑兩種模式下，移動性可分為多個級別，對其進行組合使用，可根據終端的移動模型和其所使用業務的特征，采用不同的移動性管理機制。在提供按需的移動性管理時，系統首先要確定終端及業務類型所要求的移動性支持級別，然后配置系統資源以提供給終端相應的移動性管理機制。當終端處于激活狀態時：

（1）高移動性：配置較高位置的用戶面錨點和相應的隧道，保證會話的連續性。

（2）受限的移動性：僅在某些限定的區域內（如某企業等）配置區域內的用戶面錨點，并在區域內保證會話連續性。

（3）無移動性：會話建立的時候不配置用戶面錨點，當終端移動到一個新的區域時，重新建立會話。

當終端處于空閑狀態時：

（1）保留IP：在由多個小區組成的跟蹤區域內，網絡跟蹤終端的移動，當數據包到達網絡時，進行尋呼并傳送數據。

（2）觸發：在由多個小區組成的跟蹤區域內，網絡能夠跟蹤終端的移動，當需要終端上報數據時，網絡發送廣播來激活設備，建立會話連接。

（3）無移動性：網絡不檢測用戶是否可達，只有當終端醒來并主動和網絡聯系時，才能發送上下行數據。

當終端為智能手機時，對VoIP、在線游戲、短消息、自適應流媒體等不同業務，在空閑模式下都會保留IP；但在激活狀態，前兩者需要高移動性，而后兩者則不需要移動性。大規模的IoT小報文是典型的長期休眠而偶發通信的類型，如智能抄表設備，業務類型為上傳數據和設備管理，不需要移動性，只需在空閑狀態下，采用觸發模式即可。對于兒童定位跟蹤設備等類型，則只需按時上傳位置信息，而不需要任何會話連續性管理。無線連接具有便捷性，在僅是為了避免使用有線連接的情況下，則并無移動性的需求。統計數據顯示，移動用戶在無線接入時，其中平均超過2/3的時間是無移動的。

可以預測，未來大規模的IoT設備有70%是不需要移動的。未來的IoT終端處理能力可能不高，所以需要基于網絡側的移動性管理方案來支持。但在車聯網場景中，由于車輛的高速移動會帶來頻繁的小區切換，針對此問題，同時出于對時延和安全的考慮，可以借助MEC（Mobile Edge Computing，移動邊緣計算）來解決，但車輛是否可以參與移動性管理有待進一步探討。

提供按需的移動性管理有助于更有效地利用網絡資源，降低回程流量，減少核心網的資源，優化成本。靈活的移動性包括兩部分：1）管理激活設備的移動性；2）保持對空閑省電模式下設備的可達性。靈活的激活移動性由兩部分組成：1）支持靈活的IP錨點；2）僅當需要時才保持移動性。

3.2 分布式移動性管理技術

網絡架構由集中分層的形式向扁平化發展，早期的移動性管理采用的是相對應的集中式的移動性管理方法，即通過集中的移動性管理錨點來確保移動終端的可達性（即使移動終端未連接到其歸屬域），典型的如MIPv6的集中式移動性管理錨點HA（Home Agent），PMIPv6的集中式移動性管理錨點LMA（Local Mobility Anchor）等。集中的移動性管理的錨點，控制面和數據面緊耦合，控制面負責維護移動終端的移動性上下文，數據平面負責處理數據包的路由。雖然這種集中式的架構不斷地在進行演進優化，但仍存在難以克服的問題，如網絡帶寬瓶頸帶來的擴展性問題，單點失效及次優路由等[1， 8-9]。分布式移動性管理方案的提出正是為了解決上述問題。

IETF給出了對DMM的要求，歸納如下：1）出于對數據平面路由優化的目的，DMM的關鍵在于數據平面的分布式，而不要求控制平面是否為分布式。因此，基于控制與轉發分離的架構，根據控制面是否為分布式可分為完全DMM和部分DMM兩種方案：部分DMM的方案是控制面集中而用戶面分布，而完全DMM方案是控制面和用戶面全部為分布式。2）支持活躍會話時的固定IP地址，同時也能夠支持在移動中更換IP地址。3）為滿足多樣化的需求，單個會話的移動性管理顆粒度應能動態選擇。4）應以IPv6為基礎，并考慮與現有協議的兼容問題，及在不同網絡上的互操作性問題。5）須考慮全網的安全問題。endprint

目前要滿足DMM的需求，仍面臨眾多的挑戰，如如何實現分布式處理，如何避開網絡層的移動性支持等。只有通過分布式處理及避開網絡層的移動性支持，才能實現路由的最優化及滿足多樣性的需求。這要求DMM方案具有動態錨點分配和多IP地址管理等功能。針對不同的會話，一個移動終端應該使用多個錨點以實現最優化，同時在會話進行過程中，可以動態地切換錨點，而當前為靜態分配錨點，即只在會話開始前，一個移動終端連接在一個最優選擇的錨點上，會話進行過程中，錨點不能改變。多IP地址管理允許移動節點基于應用的需求選擇合適的地址，這個功能要求一個移動節點在擁有多個IP地址的同時，為滿足應用、會話、服務的需求來選擇最優地址。

DMM的研究內容可劃分為“演進性”的方法和“革命性”的方法[9]。“演進性”的方法即出于兼容現網和快速部署的目的，對現有的移動IP協議進行改進。“革命性”的設計方案則是擯棄傳統集中式架構的缺點，重構網絡以適應未來移動性的需求，典型的如基于SDN的方案。SDN架構具有全局視圖，能夠快速應對網絡路由改變。 SDN的控制轉發分離、軟件定義接口、控制集中化等為DMM提供了技術基礎，尤其是對部分DMM。文獻[10]和[11]都提出了基于SDN的部分DMM方案。

4 結束語

本文分析了現有的移動性管理技術存在的問題，針對3GPP目前的已經達成的5G標準共識，提出了移動性管理的級別劃分，以滿足按需移動性管理的需求。同時，還分析了IETF提出的分布式移動性管理技術。移動性管理是5G的關鍵技術之一，目前仍有很多問題需要一一攻克。未來對該領域的研究可以考慮利用大數據技術來預估路徑，用于預測移動性的切換管理，可應用于車聯網中高速移動的車輛，結合車輛移動的規律性及目的地，實現精確的移動預測。

參考文獻：

[1] 靳浩. 未來移動互聯網的移動性管理架構研究[J]. 信息通信技術， 2015（2）： 47-52.

[2] 上海貝爾. 上海貝爾2016年信息通信網絡技術展望[N]. 通信產業報， 2016-01-04.

[3] 3GPP TR 23.799-2016. Study on Architecture for Next Generation System （Release 14）， V 14.0.0[S]. 2016.

[4] 3GPP TS 22.261-2017. Service requirements for the 5G system， Stage 1 （Release 15）， V2.0.0[S]. 2017.

[5] 3GPP TS 23.501-2017. System Architecture for the 5G System， Stage 2 （Release 15）， V0.4.0[S]. 2017.

[6] 3GPP TS 23.502-2017. Procedures for the 5G System， Stage 2 （Release 15）， V0.3.0[S]. 2017.

[7] Harrison J Son， Chris Yoo. E2E Network Slicing - Key 5G technology ： What is it？ Why do we need it？ How do we implement it？[EB/OL]. （2015-11-27）[2017-05-15]. http：//www.netmanias.com/en/？m=view&id=blog&no=8325.

[8] IETF RFC 7429-2015. Distributed Mobility Management： Current Practices and Gap Analysis[S]. 2015.

[9] 王歡. 分布式移動性管理協議研究[J]. 軟件， 2015，36（2）： 80-85.

[10] 趙明宇，嚴學強. 基于SDN的移動性管理機制探討[J]. 電信科學， 2015，31（4）： 156-160.

[11] Hyunsik Yang， Kyoungjae Sun， Younghan Kim. Routing Optimization with SDN， draft-yang-dmm-sdn-dmm-05.txt[EB/OL]. （2016-01-07）[2017-05-16]. https：//tools.ietf.org/html/draft-yang-dmm-sdn-dmm-05.endprint