5G移動(dòng)性增強(qiáng)技術(shù)分析

【摘? 要】在R15中，5G的移動(dòng)性采用傳統(tǒng)的切換機(jī)制，切換性能難以滿足時(shí)延敏感業(yè)務(wù)的要求，且因5G頻率較高，其切換失敗率也會(huì)較高，針對(duì)這些問題，在R16中對(duì)5G移動(dòng)性技術(shù)進(jìn)行了增強(qiáng)。首先介紹R16三種移動(dòng)性增強(qiáng)技術(shù)的基本原理和信令流程，然后對(duì)三種增強(qiáng)技術(shù)的性能進(jìn)行詳細(xì)分析，最后根據(jù)每種增強(qiáng)技術(shù)的特性提出應(yīng)用建議，為未來5G增強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用提供技術(shù)參考。

【關(guān)鍵詞】5G;移動(dòng)性增強(qiáng)技術(shù);切換

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

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-1010（2020）07-0000-00

引用格式：李路鵬. 5G移動(dòng)性增強(qiáng)技術(shù)分析[J]. 移動(dòng)通信， 2020，44（7）： 00-00.

0? ?引言

R15是5G系統(tǒng)的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)版本。在R15版本，5G的移動(dòng)性機(jī)制跟LTE類似，采用傳統(tǒng)的切換機(jī)制[1-2]，因此R15的5G系統(tǒng)內(nèi)切換的用戶面時(shí)延跟LTE系統(tǒng)內(nèi)切換的用戶面時(shí)延相當(dāng)，約為50 ms。在R16標(biāo)準(zhǔn)中，為提升時(shí)延敏感類業(yè)務(wù)的用戶體驗(yàn)，減少切換的中斷時(shí)延，提出雙激活協(xié)議棧切換（DAPS HO， Dual Active Protocol Stack Hand Over）增強(qiáng)技術(shù)。由于5G頻率較高，為提升切換可靠性和魯棒性，在R16標(biāo)準(zhǔn)提出條件切換（CHO， Conditional Hand Over）和快速切換失敗恢復(fù)（Fast Handover Failure Recovery）增加技術(shù)。下文對(duì)上述三種移動(dòng)性增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1? ? 三種移動(dòng)性增強(qiáng)技術(shù)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(qiáng)技術(shù)利用了先連后斷（Make before break）的原理，在終端測(cè)量并上報(bào)滿足切換的事件后，源基站基于測(cè)量結(jié)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(biāo)基站，同時(shí)保持源基站的上行/下行數(shù)據(jù)傳輸（傳統(tǒng)切換此時(shí)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(jī)接入后，終端將上行數(shù)據(jù)傳輸通道轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基站，終端成功與目標(biāo)基站完成RRC連接后，目標(biāo)基站向源基站告知接入成功，此時(shí)終端的源基站上行/下行傳輸已經(jīng)轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基站，源基站的上行/下行傳輸才停止，源基站再反饋?zhàn)詈笠粋€(gè)數(shù)據(jù)傳輸序列號(hào)給目標(biāo)基站，目標(biāo)基站執(zhí)行路徑切換，將核心網(wǎng)連接從源基站轉(zhuǎn)移至目標(biāo)基站，從而完成雙激活協(xié)議棧切換。

R16只支持5G系統(tǒng)內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)量控制和終端上報(bào)測(cè)量報(bào)告。

2）DAPS HO是每個(gè)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(biāo)基站。

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

4）目標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)還在討論。

5）如果目標(biāo)基站接受DAPS HO，則在切換請(qǐng)求確認(rèn)消息中反饋DAPS DRBs相關(guān)配置。

6）源基站收到切換請(qǐng)求確認(rèn)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(duì)于DAPS HO，終端不會(huì)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(biāo)基站發(fā)起隨機(jī)接入，當(dāng)成功完成同步過程時(shí)，終端將上行用戶面數(shù)據(jù)發(fā)送從源通道切換到目標(biāo)通道。

7）7a步，對(duì)于DAPS DRBs，源基站發(fā)送EARLY FORWARDIING TRANSFER消息給目標(biāo)基站，將第一個(gè)PDCP（Packet Data Convergence Protocol）的SDU（service Data Unit）下行計(jì)數(shù)告訴目標(biāo)基站;7步，是針對(duì)非DAPS DRBs，源基站通過SN STATUS TRANSFER 消息將最后一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸序列號(hào)發(fā)給目標(biāo)基站。

8）終端在目標(biāo)基站完成RRC連接建立后，目標(biāo)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(biāo)基站發(fā)送SN STATUS TRANSFER消息將最后一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸序列號(hào)發(fā)給目標(biāo)基站。

9）目標(biāo)基站向AMF發(fā)送路徑切換請(qǐng)求。

10）UPF進(jìn)行路徑切換。

11）AMF向目標(biāo)基站回路徑切換請(qǐng)求確認(rèn)。

12）目標(biāo)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(cè)量報(bào)告后，根據(jù)鄰區(qū)關(guān)系向多個(gè)候選目標(biāo)基站發(fā)送條件切換請(qǐng)求，要求做條件切換，目標(biāo)基站反饋條件切換請(qǐng)求響應(yīng)（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(gè)候選基站的空口配置和多個(gè)候選基站的切換觸發(fā)執(zhí)行條件（多個(gè)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(shí)終端并不立刻向任何一個(gè)候選目標(biāo)基站執(zhí)行切換動(dòng)作（傳統(tǒng)切換時(shí)終端收到切換命令后，立即向切換命令指示的目標(biāo)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(cè)到有一個(gè)候選目標(biāo)基站滿足了對(duì)應(yīng)的切換執(zhí)行條件，不需再發(fā)測(cè)量報(bào)告給源基站，終端直接決定切換，向該目標(biāo)基站執(zhí)行隨機(jī)接入，建立RRC連接，同時(shí)拆除源基站的連接。目標(biāo)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?zhàn)詈笠粋€(gè)數(shù)據(jù)傳輸序列號(hào)給目標(biāo)基站，同時(shí)源基站向其他候選目標(biāo)基站發(fā)送切換取消消息，以告知這些基站釋放預(yù)留資源和buffered數(shù)據(jù)。目標(biāo)基站執(zhí)行路徑切換，將核心網(wǎng)連接從源基站轉(zhuǎn)移至目標(biāo)基站，從而完成條件切換。

R16只支持5G系統(tǒng)內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)量控制，終端上報(bào)測(cè)量報(bào)告。

2）根據(jù)終端測(cè)量報(bào)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(gè)或多個(gè)目標(biāo)基站，最大候選目標(biāo)小區(qū)數(shù)為8個(gè)。

3）源基站向每一個(gè)候選目標(biāo)基站發(fā)送條件切換請(qǐng)求，要求做條件切換。

4）各個(gè)收到條件切換請(qǐng)求的候選目標(biāo)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(qǐng)求響應(yīng)，如果不接受，則拒絕。

5）目標(biāo)基站反饋條件切換請(qǐng)求響應(yīng)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(dòng)作，可以為每一個(gè)候選的目標(biāo)基站各配一個(gè)切換執(zhí)行條件，其中至少包括：事件、參考信號(hào)類型（SSB or CSI-RS）、信號(hào)質(zhì)量（RSRP/RSRQ/RS-SINR）

b）多個(gè)目標(biāo)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(gè)候選目標(biāo)基站執(zhí)行切換動(dòng)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(gè)候選目標(biāo)基站分別發(fā)送EARLY FORWARDING TRANSFER消息提前轉(zhuǎn)發(fā)下行數(shù)據(jù)包。

8）8步，若終端檢測(cè)到有一個(gè)候選目標(biāo)基站滿足了對(duì)應(yīng)的切換執(zhí)行條件，則應(yīng)用該候選目標(biāo)基站的配置信息，向該目標(biāo)基站執(zhí)行隨機(jī)接入，建立RRC連接，同時(shí)拆除源基站的連接。如果終端成功接入該目標(biāo)基站，則刪除保存的所有條件切換配置。8a/b步，目標(biāo)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?zhàn)詈笠粋€(gè)數(shù)據(jù)傳輸序列號(hào)給目標(biāo)基站。8c步，源基站向其他候選目標(biāo)基站發(fā)送切換取消消息，以告知這些基站釋放預(yù)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(fù)

（1）快速切換失敗恢復(fù)基本原理

快速切換失敗恢復(fù)的基本原理示意圖如圖3所示：

當(dāng)終端在服務(wù)小區(qū)檢測(cè)到與服務(wù)小區(qū)不能同步時(shí)，終端啟動(dòng)T310定時(shí)器。在T310運(yùn)行期間，終端若測(cè)得切換事件滿足了持續(xù)觸發(fā)時(shí)間（TTT， Time to Trigger）的時(shí)長(zhǎng)，終端啟動(dòng)T312，并觸發(fā)測(cè)量報(bào)告（試圖發(fā)起切換），如果直到T312超時(shí)，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(shí)T310仍未超時(shí)，則終端立刻宣告無線鏈路失敗（不需要等到T310超時(shí)再宣告無線鏈路失敗），并執(zhí)行RRC重建過程，盡快恢復(fù)業(yè)務(wù)連接。

2? ?性能分析和應(yīng)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(dāng)終端接入目標(biāo)小區(qū)時(shí)，終端在源側(cè)小區(qū)的上行/下行數(shù)據(jù)傳輸繼續(xù)保持（對(duì)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(dāng)終端與目標(biāo)小區(qū)完成小區(qū)接入后，目標(biāo)小區(qū)已開始給終端傳輸數(shù)據(jù)，此時(shí)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(shí)長(zhǎng)可降至接近0 ms（理論分析結(jié)果，實(shí)際結(jié)果后續(xù)跟蹤驗(yàn)證），遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)切換用戶面的中斷時(shí)延（5G傳統(tǒng)切換用戶面時(shí)延約為50 ms）。雙激活協(xié)議棧切換增強(qiáng)技術(shù)能明顯降低用戶面中斷時(shí)延，但在切換期間需源側(cè)和目標(biāo)側(cè)基站均傳輸數(shù)據(jù)，占用資源，建議優(yōu)先對(duì)時(shí)延敏感業(yè)務(wù)（例如URLLC）使用該增強(qiáng)技術(shù)，減少切換時(shí)用戶面中斷時(shí)延，以提升業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

2.2? 條件切換

從條件切換基本原理可以看出，終端檢測(cè)到有一個(gè)候選目標(biāo)基站滿足了對(duì)應(yīng)的切換執(zhí)行條件，此時(shí)不需發(fā)測(cè)量報(bào)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(biāo)基站，降低了因切換命令傳輸失敗或切換命令傳輸慢而導(dǎo)致切換失敗的概率，提高了切換成功率，尤其在信號(hào)變化快的區(qū)域提高更加明顯。但由于該技術(shù)需要源基站同時(shí)與多個(gè)候選目標(biāo)基站提前做切換準(zhǔn)備，因此帶來以下幾點(diǎn)問題：

1）較大的X2/Xn接口開銷。

2）候選的多個(gè)目標(biāo)基站都需要為終端預(yù)留資源，因此對(duì)于其中未被選中作為最終目標(biāo)的候選基站預(yù)留資源都會(huì)被浪費(fèi)。

3）因?yàn)闂l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(zhǎng)度會(huì)增大較多。

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

因此，條件切換增強(qiáng)技術(shù)由于額外開銷和資源浪費(fèi)較大，不建議在所有基站開啟這種增強(qiáng)技術(shù)，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(fù)

從快速切換失敗恢復(fù)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(fù)機(jī)制下的判決更快，可以更快發(fā)起RRC重建，減少業(yè)務(wù)中斷時(shí)間。

該增強(qiáng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、增益明顯，且LTE系統(tǒng)已商用類似的技術(shù)，建議未來5G主要的區(qū)域均開啟該增強(qiáng)功能。

4? ?結(jié)束語

本文對(duì)雙激活協(xié)議棧切換、條件切換、快速切換失敗恢復(fù)三種移動(dòng)性增強(qiáng)技術(shù)的基本原理和信令流程進(jìn)行了詳細(xì)描述，理論分析了三種增強(qiáng)技術(shù)的性能，并根據(jù)性能提出了應(yīng)用建議。未來5G系統(tǒng)應(yīng)用這些移動(dòng)性增強(qiáng)技術(shù)，可明顯減少用戶面的中斷時(shí)延，提高切換成功率，提升用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[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(jiǎn)介

李路鵬：工程師，碩士，現(xiàn)任職于中國(guó)電信股份有限公司廣州研究院移動(dòng)通信研究所，主要從事移動(dòng)無線領(lǐng)域新技術(shù)的研究、試驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)支撐工作。

收稿日期：2020-03-20