5G系統(tǒng)中移動性管理技術(shù)研究

陳曉燕 高 彥 徐世偉

78156部隊 甘肅 蘭州730000

隨著移動用戶數(shù)量的迅速增長,無線接入技術(shù)正在不斷發(fā)展,向移動用戶提供高速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),支持海量人機通信和機器間通信的新興業(yè)務(wù),成為5G移動通信系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展的重要驅(qū)動力。訪問5G網(wǎng)絡(luò)不同無線技術(shù)的單個用戶或設(shè)備,可能會發(fā)現(xiàn)多個可用于連接的小區(qū)。因此,需要根據(jù)服務(wù)種類、設(shè)備類型、空中接口和時延容忍度等方面,針對切換決策的差異性問題,提供有效的切換方案和策略。

15 G架構(gòu)與服務(wù)演進

與前幾代移動通信系統(tǒng)不同,5G 系統(tǒng)將覆蓋更多的服務(wù)、業(yè)務(wù)和用戶類型,支持增強的移動寬帶、大規(guī)模機器類型通信)和超可靠低時延通信,滿足如自動駕駛、工業(yè)機器人、物聯(lián)網(wǎng)等專業(yè)行業(yè)的需求,傳統(tǒng)架構(gòu)的可延展性和靈活性已不能滿足新興的5G業(yè)務(wù)要求。5G網(wǎng)絡(luò)演進主要通過異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和高密度無線覆蓋,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)容量的大幅提升,部署更多的基站會提高空間頻譜效率和獲得更大的容量,然而,密集部署基站獲得的容量增益,是以增加切換速率為代價實現(xiàn)的,會降低網(wǎng)絡(luò)的運行以及所提供的服務(wù)和體驗質(zhì)量。終端與服務(wù)BS的鏈路終止以及與目標(biāo)BS的鏈路建立,切換過程會中斷用戶的數(shù)據(jù)流,增加切換速率會增大此類數(shù)據(jù)中斷的頻率和信令開銷,會減少甚至抵消通過密集部署基站優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)帶來的容量增益。此外,密集部署基站網(wǎng)絡(luò)還可能導(dǎo)致頻率過度干擾,從而降低網(wǎng)絡(luò)所提供的服務(wù)和體驗質(zhì)量。切換過程是蜂窩網(wǎng)絡(luò)支持用戶移動性的核心要素,在GSM/CDMA和LTE蜂窩網(wǎng)絡(luò)中,切換管理一直是研究的焦點。前幾代移動通信系統(tǒng)在切換性能上已經(jīng)得到了深入優(yōu)化和廣泛應(yīng)用,但在5G 演進架構(gòu)中移動性管理的優(yōu)化與提升,仍是一個非常開放性和值得深入研究的問題。

5G網(wǎng)絡(luò)的主要推動力包括根據(jù)服務(wù)需求和部署需求,在邊緣和網(wǎng)絡(luò)云之間自適應(yīng)組合移動網(wǎng)絡(luò)功能。隨著NFV、SDN 技術(shù)發(fā)展,通過軟件定義移動網(wǎng)絡(luò)控制和協(xié)調(diào)功能具有了可行性,另外,遵循MEC原則,在網(wǎng)絡(luò)云或邊緣云中對移動接入和核心網(wǎng)絡(luò)功能進行聯(lián)合優(yōu)化,也是促進5 G 系統(tǒng)優(yōu)化的可行方案。網(wǎng)絡(luò)的多服務(wù)功能和上下文信息自適應(yīng)感知,將支持多種服務(wù)類型和不同的QoE/QoS要求,不同類型用戶將根據(jù)不同的應(yīng)用場景需求,使用網(wǎng)絡(luò)切片功能按需分配無線和核心網(wǎng)資源,每個切片將定義無線接入網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)中特定的功能和資源,用于控制和數(shù)據(jù)平面功能。在不同層上運行的某些網(wǎng)絡(luò)功能,將由虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能實現(xiàn),并在不同網(wǎng)絡(luò)切片中通用,運行在多業(yè)務(wù)云的基礎(chǔ)架構(gòu)上,可根據(jù)特定的切片需求進行靈活組合。

NFV和SDN允許不同的業(yè)務(wù)共享相同的通用硬件,5 G 架構(gòu)通過NFV和SDN技術(shù),將網(wǎng)絡(luò)功能與底層基礎(chǔ)設(shè)施資源分離,實現(xiàn)資源共享、多路復(fù)用、多任務(wù)等功能,這樣多路復(fù)用將不再發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)層面,而是在基礎(chǔ)設(shè)施層面,可為用戶提供更好的Qo E,同時為服務(wù)提供商或網(wǎng)絡(luò)運營商提供更高水平的網(wǎng)絡(luò)可操作性。

5G網(wǎng)絡(luò)是多種跨域網(wǎng)絡(luò)類型的集成,因此相應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)需要將系統(tǒng)分解為跨多個域和技術(shù)的邏輯網(wǎng)絡(luò)切片,以創(chuàng)建特定服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)切片應(yīng)實現(xiàn)從移動邊緣開始,通過包括前傳和回傳段在內(nèi),直至核心云的端到端傳輸能力,這將使運營商能夠以服務(wù)的形式提供網(wǎng)絡(luò),滿足各種應(yīng)用場景。

2 面向5 G的移動管理解決方案

集中式移動管理(CMM)是在LTE網(wǎng)絡(luò)中被廣泛采用的通用移動管理解決方案。但CMM 在密集網(wǎng)絡(luò)中也存在問題,主要體現(xiàn)在移動用戶數(shù)量的增加會導(dǎo)致頻繁的切換請求,致使信令消息的數(shù)量增加,除了資源利用率和Qo E較差外,移動性管理效率不高,容易造成切換失敗。這種情況下,除了5G架構(gòu)增強功能外,許多方案都致力于提高效率,解決密集網(wǎng)絡(luò)中移動性管理問題。除了避免單點故障,這些解決方案旨在提供更少的信令開銷和更低的切換時延。采用SDN、移動IP和OpenFlow協(xié)議結(jié)合的模式,實現(xiàn)控制平面和數(shù)據(jù)平面間的高效通信,提高信令切換效率。這種模式可通過以下多種方法實現(xiàn):

(1)代理移動IPv6。這是一種集中式移動性管理協(xié)議,其核心實體至本地移動錨點(L MA)通過位于接入網(wǎng)絡(luò)中的移動接入網(wǎng)關(guān)(MAG)建立雙向隧道,數(shù)據(jù)在MAG和L MA實體之間直接路由。集中式控制器維護網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu),并負責(zé)管理控制信令,為移動節(jié)點分配歸屬網(wǎng)絡(luò)前綴,以及為SDN域中的所有移動節(jié)點同步相同的前綴。按照PMIPv6標(biāo)準(zhǔn),所有數(shù)據(jù)通信直接在MAG和L MA實體之間進行,但是,PMIPv6方案無法解決跨多域的移動性,無法提供域間的移動性管理。

(2)分布式移動性管理(DMM)。通過處理移動錨點來更有效地處理用戶的移動性,該移動錨點被設(shè)定為最近的移動性控制點。在這種情況下,轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則和移動節(jié)點信息由核心網(wǎng)絡(luò)控制器配置,存儲在使用OpenFlow 替代DMM 網(wǎng)關(guān)的訪問路由器上。DMM解決方案在切換時延方面有顯著的增強,但用于隧道開銷和路由的控制信令較為復(fù)雜,有一定的局限性。

(3)基于SDN的DMM解決方案(S-DMM)。無需在接入路由器上部署任何與移動性相關(guān)的其它組件,并且與底層技術(shù)和按數(shù)據(jù)流控制移動性無關(guān),提供了比DMM 更好的可延展性。SDN-DMM體系結(jié)構(gòu)由管理層中的全局控制器,控制層中的本地控制器和物理層中的Open Flow 交換機組成,可有效降低時延,增加與其他蜂窩網(wǎng)絡(luò)的直通性,減少核心網(wǎng)的信令開銷。

(4)在基于云的RAN設(shè)置軟件定義切換決策引擎實現(xiàn)移動性管理的解決方案,該決策引擎收集網(wǎng)絡(luò)指標(biāo),向SDN 控制器提供候選BS列表,SDN控制器獲得參數(shù)后用于執(zhí)行切換。

35 G中垂直切換信令的演進過程

對于5G標(biāo)準(zhǔn)化中確定的不同用例,以上技術(shù)視為在傳統(tǒng)4G/LTE網(wǎng)絡(luò)中高效執(zhí)行移動性管理的候選設(shè)計選項。首先,作為基準(zhǔn)案例,考慮了傳統(tǒng)4G/LTE系統(tǒng)的垂直切換過程,增加了無縫移動性使能器。

在5G系統(tǒng)下,必須修改信令,以解決每個不同SDN 網(wǎng)絡(luò)切片匹配不同的應(yīng)用。作為向前演進的第一個步驟,遵循的原理與基準(zhǔn)案例類似,實質(zhì)上引入了SDN控制器(SDN-C),該控制器與相關(guān)的SDN 應(yīng)用層實體(AMF、SMF)交換所需的控制信令,并控制多個Open Flow開關(guān),根據(jù)跨不同接入網(wǎng)絡(luò)用戶的移動性來調(diào)節(jié)/控制數(shù)據(jù)平面流。這種設(shè)計符合核心云的體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化要求,同時也符合S-DMM的相關(guān)概念,是將所有與垂直切換控制相關(guān)的任務(wù)轉(zhuǎn)移到SDN-C,并假設(shè)SDN-C能夠訪問所需的服務(wù)和候選網(wǎng)絡(luò)信息,規(guī)范數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),并在各個OpenFlow 交換機之間進行緩沖。

使用允許云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分散化的MEC技術(shù),重點的是在邊緣云上引入額外的網(wǎng)絡(luò)實體,負責(zé)與接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的直接消息交換,符合先前描述的分層S-DMM 概念。在這種情況下,消息交換可以在邊緣云節(jié)點的支持下更快地執(zhí)行,因為它們駐留在更靠近接入網(wǎng)絡(luò)的位置,并且它們還可以存儲來自中心云SDN控制器信息。在URLLC服務(wù)情況下,可以立即使用此信息減少垂直切換的準(zhǔn)備和執(zhí)行時延。同時,不同邊緣云節(jié)點之間的無縫遷移與節(jié)點遷移有關(guān)。在節(jié)點的移動過程中,所有活動連接的上下文都必須在邊緣云節(jié)點間傳輸,無需任何額外操作,不增加額外時延來保持服務(wù)連續(xù)性。該架構(gòu)和信令框架也可以服務(wù)于mMTC場景,在mMTC服務(wù)情況下,數(shù)據(jù)傳輸和往返時間沒有苛刻的時延要求,但邊緣網(wǎng)關(guān)有助于管理海量已連接的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備,根據(jù)能源效率、設(shè)備工作周期、設(shè)備移動性、物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)需求等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),將不同的設(shè)備切換到最合適的網(wǎng)關(guān),甚至切換到不同的可用接入網(wǎng)絡(luò)。