5G無線電資源管理分析

董春利，王莉

(南京交通職業技術學院電子信息工程學院，江蘇南京，211188）

0 引言

在5G中，術語無線電資源包括傳統（來自遺留系統）和擴展資源概念[1]。這些傳統資源包括能耗（小區和UE發射功率）、頻率（信道帶寬、載波頻率）和天線配置。此外，5G中擴展的資源定義涵蓋了天線的硬資源數量/類型/配置、游牧/非規劃的節點的存在，或移動終端中繼）和軟資源（網絡節點和UE軟件能力）。在正確管理資源的同時，滿足所有UE的QoS或QoE等UE要求也很重要。另一方面，適當的資源管理可以幫助網絡實現切換KPI，例如，通過降低切換失敗的可能性，同時在切換期間和之后保持QoE。為了提高無線系統的效率，有必要解決和考慮與切換和資源管理相關的基本問題，例如準入控制、帶寬和功率控制。

1 雙連接

雙連接意味著UE可以同時與兩個不同的小區建立連接[2]。通常在雙連接中，UE要么連接到不同大小的BS（宏小區和小小區），要么同時連接兩個不同的 RAT（例如4G和5G網絡）。由于UE可以連接到兩個不同的 RAT同時在不同頻段上，中斷時間減少到零。然而，這將觸發額外的切換可能性，其中相對于單個連接引入了新的切換情況。這些新的切換場景出現在兩種情況下，當UE將連接從小小區切換到宏小區，或從小小區切換到小小區時。隨著毫米波的引入，雙連接的使用可能導致切換概率的增加，從而導致移動性管理的額外問題，包括信令開銷的增加、多RAT連接的RAT之間的同步復雜度、同時使用多個BS中的資源，并減少電池壽命。信令開銷的增加是由于RAT之間的流量控制，這些問題可以使用智能方法解決。

2 NR中的切換管理和切換過程

NR物理層與傳統 RAT 的獨特區別在于具有以下特性：雙連接、高頻頻譜、前向兼容性、超精簡設計、使用毫米波和中繼設備（設備到設備）。NR支持多連接和單連接選擇，具體取決于配置集。對于這兩種配置，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 之間運行。前向兼容性意味著設計無線電接口架構，以支持新的服務需求并適應新技術，同時支持傳統網絡的UE。而超精益設計原則旨在減少始終在線的傳輸（例如，用于BS檢測的信號、系統信息的廣播）以在網絡中以低能耗實現高數據速率。NR的主要挑戰是由于使用高穿透損耗的高頻而導致的覆蓋范圍，這使得小區足跡變得更小。本節通過對關鍵特性和涉及NR移動性的實體的簡要介紹來描述NR切換。此外，還為AMF/UPF內提供了逐步的切換過程。NR中的切換類型描述如下：

(1)gNB內切換：當服務和目標小區都屬于同一個gNB時，就會發生這種情況。

(2)沒有AMF變化的gNB間切換：gNB間切換通常發生在服務和目標小區來自不同的gNB時。在沒有AMF變化的gNB間切換有兩種不同類型的切換，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內切換的gNB間，其中切換涉及具有相同UPF的小區更改；而具有UPF間切換的gNB間，其中小區切換涉及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AMF更改為目標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中的基本切換過程包括三個階段，即：切換準備（步驟 0-5）、切換執行（步驟 6-8）和切換完成（步驟 9-12），具體描述如下：

步驟1：服務gNB（S-gNB）根據接入限制和漫游信息配置UE測量過程，UE向目標gNB（T-gNB）發送測量報告。

步驟2：S-gNB根據測量報告和無線資源管理信息決定切換UE。

步驟3：S-gNB向T-gNB發送切換請求消息（其中包括準備向T-gNB 進行切換的必要信息）。

步驟4：如果T-gNB可以授予資源，則T-gNB執行準入控制過程。

步驟5：T-gNB向S-gNB發送切換請求確認。 S-gNB一接收到切換請求確認消息，就可以發起數據前傳。

步驟6：S-gNB向UE發送切換命令。

步驟7：S-gNB向T-gNB發送序列號狀態轉移消息。

步驟8：UE從S-gNB分離并與T-gNB同步。

步驟9：T-gNB通過路徑切換請求消息通知AMF，UE已經改變了小區。

步驟10：5GC將下行數據路徑切換到T-gNB。

步驟11：AMF確認路徑切換請求。

步驟12：T-gNB通過發送UE上下文釋放消息，通知S-gNB切換成功并觸發S-gNB釋放資源。

最后，S-gNB釋放與UE關聯的無線資源。

需要指出的是，上述過程適用于NR和NR技術之間的切換。

3 B5G中的移動性和切換管理

研究人員已經預見到一些使B5G與5G不同的用例和應用。其中一些用例包括集成無人機 (UAV) 通信、設備的高移動性（每小時500公里以上）、全息投影等[4]。使用毫米波和太赫茲頻譜無線電波的設備、UAV和其他應用的高移動性給B5G帶來了前所未有的無線通信挑戰。在這些挑戰中，移動性和切換管理預計是B5G網絡中最具挑戰性的兩個問題，因為B5G 網絡將是高度動態的和多層的，這將導致更頻繁的切換。設備和UAV的高移動性導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 結論

啟發式和傳統的切換方法無法快速做出反應。另一種解決方案是采用人工智能模型進行移動性預測和最優切換策略，以保證通信連通性。盡管引入多連接是一個非常有前景的解決方案，但該過程仍然需要智能切換管理策略來優化小區選擇和重選擇過程，以減少信令，保證高數據速率、高可靠性和低延遲。B5G的切換流程可能與5G類似，但目前還沒有B5G系統的標準。