基于移动等级的5G网络位置管理技术

程志密 电信科学技术研究院高级工程师

徐晖 电信科学技术研究院正高级工程师

王胡成 电信科学技术研究院高级工程师

陈山枝 电信科学技术研究院正高级工程师

胡渭琦 电信科学技术研究院高级工程师

基于移动等级的5G网络位置管理技术

程志密 电信科学技术研究院高级工程师

徐晖 电信科学技术研究院正高级工程师

王胡成 电信科学技术研究院高级工程师

陈山枝 电信科学技术研究院正高级工程师

胡渭琦 电信科学技术研究院高级工程师

识别和跟踪UE同时减少信令开销是移动性管理研究中面临的一个重要问题。本文根据用户的移动等级，提出了基于移动等级的移动性管理方案实现对不同移动特性的UE进行有效地移动性管理。其优点是根据UE移动等级灵活地设置相应的追踪区，实现更新和寻呼开销的最优化和确保系统的稳定性。

移动等级；追踪区更新；全移动性；无移动性；低移动性

1 引言

5G作为新一代无线移动通信网络，主要用于满足2020年以后的移动通信需求。5G将服务于人们居住、工作、休闲和交通等各种场所，涵盖了住宅区、办公室、体育场、露天集会、高铁等多种场景。由于这些不同场景下的移动通信具有不同的特征，例如超高的流量密度、超高的连接数密度、超低时延、超高的移动性等，给5G网络技术带来了巨大的挑战，其中移动性管理是一个重要的方面。为了提高接入网在面向5G复杂场景下的整体接入性能，5G网络采用控制转发分离技术来设计新型网络架构。因此，如何实现移动性管理独立于各种接入技术，实现异构网络间的无缝接入也是移动性管理面临的问题之一。同时，5G网络提供按需的移动性支持，包括需要支持超高移动性以服务于以500+km/h的高速铁路为代表的应用场景，同时也需要支持广域覆盖和面向传感器等类型的对移动性要求不高的、甚至不移动的终端。这些差异化的场景给5G网络的移动性管理提出了新的挑战。

移动性管理是解决在用户物理位置随时发生变化的情况下系统能够及时、连续、高效地提供服务的问题，是移动网络特有和标志性的功能。传统移动性管理包括位置管理和切换管理，在4G网络中，为了保持UE的移动性，网络需要识别和跟踪UE的位置，或者UE通知网络更新自己的位置，也就是网络要对UE进行移动性管理。为了减少追踪UE引起的信令开销和寻呼资源，网络给UE分配追踪区列表。当UE移动到新的驻留小区，且此驻留小区标识不在网络当前注册的追踪区列表内，UE就要触发追踪区更新程序来通知网络自己进入新的追踪区内。同时，UE还会进行周期性或者事件触发性追踪区更新来通知网络自己的位置。当寻呼发生时，网络将发送寻呼消息到UE注册的追踪区内所有小区。所以，追踪区的大小对追踪区更新的频率和寻呼资源的开销都有很大的影响。而在5G网络中，为了扩展覆盖范围和提高系统容量，基站部署越来越密，同时由于更高频段的使用，小区越来越小。如果追踪区较大，那么会造成寻呼资源开销较大；反之，寻呼资源开销较小，但追踪区更新频繁。因此，解决追踪区的优化问题可以有效地节省移动性管理的信令开销。

为了高效地支持5G网络中差异化的业务场景和对不同移动特性的UE进行有效的位置管理，本文提出了基于移动等级的位置管理技术，以减少信令开销和确保通信系统的稳定性。

2 5G网络中UE的移动性研究

为了实现5G网络提供差异化通信场景下的移动性支持，3GPP已开始了5G网络移动性管理的第一阶

段研究工作。根据3GPP TR 22.891描述，5G网络需要提供不同场景下的不同需求的移动性支持，例如在终端高速移动中，需要网络提供高速移动性支持，而另外一些终端处于游牧态或者静态，需要网络支持游牧或者静态接入网络。根据3GPP TR 22.861的描述，5G网络移动性架构提供按需的移动性支持。根据3GPP TR 23.799描述，5G网络移动性架构能够提供移动性支持，包括提供各种类型UE通过3GPP或者非3GPP接入5G核心网络的会话连续性，并提供按需的移动性支持。因此，5G网络移动性必须提供差异化的移动性支持。

根据3GPP TR 23.799描述，在5G网络中，采用移动等级来区分UE的移动性特征，主要分为3类：

（1）无移动性：UE是静态或者半静态的，只能通过某个固定的接入点接入网络，此类UE无TA变化。

（2）低移动性：UE可在某个指定的或者期望的区域内移动。

（3）全移动性：UE可随意地跨越区域移动。

针对低移动性的情形，当UE移动出指定的或者期望的区域时，它也将发送TAU请求消息。网络接收到TAU请求消息后，将根据网络策略对此请求采取两种策略：

一是网络拒绝此请求，并告诉UE拒绝的原因：当UE移动出此区域时，TAU请求将被拒绝。

二是提升UE的移动等级。

UE的移动等级可能与下面的信息有关：

（1）签约的UE移动等级：签约的UE移动等级存储在UE的签约数据里，它表示网络对UE可采取的移动等级。

（2）UE位置：UE位置的改变可能会导致UE移动等级的改变。例如，当一个工人来到办公区或者公司时，那么它的移动等级可能会从全移动性变为低移动性。

（3）UE所处的时间：为了精确地确定UE的移动等级，网络可能需要考虑UE所处的时间。例如，在工作时间内，工人到办公区或者公司，他的UE移动等级可能从全移动性变为低移动性；在非工作时间内，如果他进入办公区或者公司，那么此时的移动等级将不会改变。

（4）UE能力：网络在决定UE的移动等级时可能需要考虑UE的能力。

3 基于移动等级的位置管理技术

在5G网络中，有些UE的移动等级是低移动性的。考虑到寻呼资源的开销，本文设置此类UE追踪区比全移动性UE的小（例如，追踪区为一个CN-UP服务区）。此时，核心网络能够在一个较小的区域内追踪此UE，另外当寻呼发生时，网络只发送寻呼消息到此区域内。另一方面，对于全移动类型的UE，就需要较大区域的追踪区以减少由UE移动而引起的信令开销和减轻网络的负荷。如果全移动等级UE的追踪区与静态或半静态UE的追踪区设置相同（例如，追踪区为一个CN-UP服务区），那么就会造成频繁的追踪区更新。因此，为了使5G网络能够对不同移动特性实现有效的资源管理，本文根据不同的移动等级划分不同的追踪区域，对于静态的UE，设定较小的追踪区域，那么寻呼消息的传输区域就会较小而且也不会引起频繁的追踪区更新；对于大范围内移动的UE，设定较大的追踪区域，以减少追踪区更新的频率。

追踪区大小的设置具体如下：

（1）对于无/低移动性的UE，追踪区与CN-UP服务区域相同。

（2）对于全移动性的UE，追踪区与CN-CP服务区域相同。

本文假设CN-CP管辖多个CN-UP，主要考虑了追踪区改变和追踪区不变的两种场景。

3.1 无移动性UE的TAU信令流程

此类UE将不会移出追踪区，但会因周期性或其他触发条件而发起TAU。信令流程见图1。.

步骤1和2：由于周期更新定时器超时或者其他触发条件，UE决定触发TA更新，向AN发送TAU请求消息，此请求消息里携带的信息包括userID；AN接收到TAU请求后，根据接收到RRC信息，把TAU请求消息路由到正确的CN-CP，此请求消息里携带的信息包括eNodeBID。

步骤3和4：CN-CP接收到TAU后，重新设定周期更新定时器，并发送TAU接受消息给UE。

3.2 低移动性UE的TAU信令流程

对于低移动等级UE，需要考虑CN-UP改变和不变的两种场景，具体如下：

图1 无移动性UE的TAU信令流程

（1）考虑CN-UP改变场景下的TAU信令流程（见图2）

步骤1：UE发现进入到一个新的驻留区，且此驻留区不在UE注册的TA列表里，UE触发TAU程序。UE发送TAU请求消息，此请求消息里携带的信息包括user ID。

步骤2：AN接收到TAU请求后，根据接收到RRC信息，把TAU请求消息路由到正确的CN-CP，此请求里携带的信息包括eNodeB ID。

步骤3：CN-CP根据接收到TAU请求消息，判断出UE移动出注册的TA列表进入到新的追踪区内，以此更新UE位置信息，并为UE建立新的用户面和删除已有的用户面。此时，CN-CP发送用户平面建立请求消息给目标CN-UP。

步骤4：目标CN-UP接收到用户平面建立请求消息后为UE建立用户面，并发送用户平面建立完成消息给CN-UP。

步骤5：CN-CP发送用户平面删除请求消息给源CN-UP。

步骤6：源CN-UP用户平面删除请求消息后删除相应的用户面，并发送用户平面删除完成消息给CN-CP。

步骤7和8：CN-CP发送TAU接受消息给UE，此TAU消息里包含UE的新TA列表。UE接收到TAU接受消息后，存储新的TA列表。

（2）考虑CN-UP不变场景下的TAU信令流程

此场景对应于UE未移出TA，但因周期性或其他触发条件而发起的TAU场景。此时需要考虑两种场景：一是UE没有移动到新的基站下（此场景下的信令流程可参见无移动性的场景下的信令流程）；二是UE移动到新的基站下。

但是，仍在同一个CN-UP服务区域内，其流程见图3，具体如下：

步骤1：UE发送TAU请求消息，此请求消息里携带的信息包括user ID。

步骤2：AN接收到TAU请求消息后，根据接收到RRC信息，把TAU请求消息路由到正确的CN-CP，此请求消息里携带的信息包括eNodeB ID。

步骤3：CN-CP根据接收到TAU请求消息，判断出UE没有移动到新的TA列表，可能移动到新的基站覆盖范围内。此时，CN-CP只更新UE位置信息，并发送TAU接受消息给UE。

3.3 RAN Level Tracking的位置管理

对于无移动性和低移动性UE，5G位置管理还要

考虑RAN-level的追踪以节省CN与AN之间的移动信令开销、CN内部以及CN与UE之间的信令开销。此场景下，CN将与UE一直保持连接态。本文考虑了UE发起的位置更新（比如，小区的重新选择）。具体流程如图4所示。

图2 CN-UP改变场景下摆TAU信令流程

图3 CN-UP不变，基站变的信令流程

3.4 全移动性UE的TAU信令流程

对于全移动等级UE，需要考虑CN-CP改变和CN-CP不变的两种场景，具体如下：

（1）CN-CP改变场景下的TAU信令流程（见图5）

步骤1：UE发现进入到一个新的驻留区，且此驻留区不在UE注册的TA列表里，UE触发TAU程序。UE发送TAU请求消息，此请求消息里携带的信息包括user ID。

步骤2：AN接收到TAU请求消息后，根据接收到的RRC信息，把TAU请求消息路由到正确的CN-CP，即目标CN-CP，此请求消息里携带的信息包括eNodeB ID。

图5 CN-CP改变场景下的TAU信令流程

步骤3：目标CN-CP根据接收到的TAU请求消息，判断出UE上下文存放地

点，即源CN-CP。稍后发送UE上下文请求消息给源CN-CP以获得UE上下文信息，此请求消息中包括TA更新消息。

步骤4：源CN-CP验证上下文请求消息。验证成功后，发送UE上下文响应消息给目标CN-CP。

步骤5：目标CN-CP接收到UE上下文信息后，发送上下文ACK消息给源CN-CP。目标CN-CP根据接收的上下文信息创建UE上下文，并确定新的CN-UP。如果需要更换UE的锚点，则目标CN-CP需要给UE分配新的IP地址。

步骤6：CN-CP发送用户平面建立请求消息给目标CN-UP。

步骤7：目标CN-UP为UE建立用户面，并发送用户平面建立完成消息给CN-CP。

步骤8：源CN-CP接收到上下文ACK消息后，源CN-CP发送用户平面删除请求消息给源CN-UP。

步骤9：源CN-UP删除相应的用户面，并发送用户平面删除完成消息给源CN-CP。同时，源CN-CP释放UE上下文。

步骤10和11 CN-CP发送TAU接受消息给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，存储新的TA列表。如果目标CN-CP给UE分配了新IP地址，则TAU消息里也包含此IP地址，同时UE根据新的IP地址重新配置自己的IP地址。

（2）CN-CP不变场景下的TAU信令流程

对应于UE未移出TA但因周期性或其他触发条件而发起的TAU场景，此时需要考虑3种场景：

一是UE没有移动到新的基站下（此场景下的信令流程可参见无移动性的场景下的信令流程）。

二是UE移动到新的基站下，但是仍在同一个CN-UP服务区域内（此场景下的信令流程可参见低移动性场景下的信令流程）。

三是UE移动到新的CN-UP服务区域内，具体流程见图6。

步骤1：UE发送TAU请求消息，此请求消息里携带的信息包括user ID。

图6 CN-UP改变场景下的TAU信令流程

步骤2：AN接收到TAU请求消息后，根据接收到RRC信息，把TAU请求消息路由到正确的CN-CP，此请求里携带的信息包括eNodeBID。

步骤3：CN-CP根据接收到的TAU请求消息，判断出UE移动到新的CN-UP下，因此更新UE位置信息，并建立新的用户面和删除已有的用户面。此时，CN-CP发送用户平面建立请求消息给目标CN-UP。

步骤4：目标CN-UP为UE建立用户面，发送用户平面建立完成消息给CN-CP。

步骤5：CN-CP发送用户平面删除请求消息给源CN-UP。

步骤6：源CN-UP删除相应的用户面，并发送用户平面删除完成消息给CN-CP。

步骤7和8：CN-CP发送TAU接受消息给UE。

4 结束语

为了识别和跟踪UE同时减少信令开销，本文联合考虑网络中差异化的业务场景和UE移动等级，设计了基于移动等级的位置移动性策略，实现对不同移动特性的UE进行有效的移动管理以满足5G移动性管理需求。其优点是网络根据UE移动等级灵活地设置相应的追踪区，实现信令开销的最小化、确保通信系统的稳定性，为5G网络移动性管理研究提供参考。在下一步的研究工作中，笔者将结合3GPP标准化工作，对该策略进行性能评估，以能够高效地解决5G网络面临的移动性管理问题。

[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）