5G移动性管理解决方案

摘 要 5G移动通信系统将提供独立于无线技术的移动性管理，无论用户位置如何改变，都能确保业务和通信质量的连续性。本文对影响5G移动性管理的几个关键进行了分析，分别对测量与报告、下行同步、随机接入、链路失败检测与重建、回传网络传输提出了移动性管理解决方案。

【关键词】5G 移动性管理 下行同步 随机接入 网络时延

1 概述

在2G/3G/4G移动通信系统中，移动性管理方案是通过各种切换技术将用户从一个小区切换到另一个小区来保持移动过程中通信连续性。在下一代5G移动通信系统中，移动用户通信能力进一步增强，移动速率大幅提升，移动空间向多维度扩张，移动业务更加多样化，通信质量的要求也越来越高，现有网络的移动性解决方案已不能很好的满足用户的需求。

5G移动通信系统不再是采用某种特定接入技术的单一通信网络，而是融合了多种无线接入技术，成为一个综合的异构无线网络，能够满足不同类型业务的需求。接入5G系统的网络除了现有各种制式的2G/3G/4G网络外，还包括蓝牙系统、无线局域网WiFi系统等。网络和终端不仅需要支持在特定无线网络中的移动性，还需要支持在不同无线接入网之间的移动性，比如在无线局域网与3G/4G之间的切换，广域覆盖网与热点深度覆盖系统之间的切换。5G移动通信系统将提供独立于无线技术的统一的移动性管理，无论用户位置如何改变，都能确保业务和通信质量的连续性。根据切换发起网络实体的不同，5G移动性管理有网络控制切换和终端自动控制切换两种方式。两种切换方式均包括以下关键步骤：终端用户在源小区进行测量，并报告测量数据；终端用户断开与源小区的连接，并与目标小区进行同步；终端用户接收目标小区的系统参数，随机接入目标小区；切换过程中链路失败检测、恢复与重建，回传链路传输。本文对以上5G移动性管理切换步骤进行分析，并提出移动性管理解决方案。

2 测量与报告解决方案

由于受到无线信道快衰落的影响，非连续的测量报告不能准确的反映无线链路质量，移动终端需要连续监测无线链路质量来触发切换流程，并且在物理层和高层都需要有测量过滤机制，以保证切换过程中测量报告的稳定性。终端获取稳定测量报告需要的时间就是测量时间，测量时间越短，终端生产测量报告的时间就越短，切换过程触发就越快，切换反应时间也越短。在5G移动通信系统中，需要支持时速高达500km/h的通信环境，用户在每一个小区驻留的时间都很短，如果切换时间过长，会使用户在获得稳定测量报告之前就已经离开小区了，无法及时触发切换流程，造成业务中断。因此，合理的测量时间是保证切换正常触发的重要条件。在5G移动通信系统中，通过采用超大规模天线减少信道测量时间，使终端用户能够快速准确地检测到信道的衰落，从而缩短切换反应时间。

在测量报告方面，网络控制切换方式必须由终端上报测量报告；终端自动控制切换方式，测量报告是可选的。在网络控制切换方式下，源基站配置周期性或事件触发的测量配置来触发用户测量报告，然后根据终端测量报告参数信息，选择切换目标小区。终端用户在得到稳定的测量结果后需要发送给网络，网络在目标小区接受了切换请求之后才向终端用户发起切换请求。因此，网络控制的切换方式带来了较大的切换响应时间，增加了测量报告传输、源小区和目标小区交互以及切换命令传输的时间。由于终端用户在这些过程中始终保持与源小区的业务传输，因而对上下行业务中斷时延没有影响。在终端自动控制切换方式下，由终端自行选择选择目标小区，不需将测量报告上报网络，这在一定程度上节省了空中接口的高层信令开销，节约了一部分空口资源，减轻了网络接受分析测量报告的负荷。

3 下行同步解决方案

现有的2G/3G/4G网络中各个小区经常是不同步的，在切换过程中，终端用户在收到网络的切换命令之后，需要先进行目标小区的下行同步，以便进行后续的随机接入过程。5G移动通信系统是一个异构系统，不同接入技术的小区之间仍然是非同步的，但对于超密集的热点地区，连续覆盖的热点小区之间一般是同步的。在小区之间是同步的情况下，终端用户进行切换时就不再需要和目标小区重新进行同步，利用源小区的同步信息直接进行接入，如图1所示。采用小区下行同步方案，可以节省用户在切换过程中与目标小区下行同步的时间，减少切换中断时延。

4 随机接入解决方案

在5G移动通信系统中，随机接入过程分为基于竞争的随机接入过程和基于非竞争的随机接入过程。终端用户在初始接入网络，以及在没有可用的调度请求资源时，需要通过竞争来获取网络的上行传送许可，有竞争就存在碰撞，有碰撞就会产生接入失败或接入性能降低。在网络控制的切换方式中采用非竞争随机接入，终端自动控制切换方式采用竞争随机接入。

在网络控制的切换方式中，源小区与目标小区的切换准备过程发生在终端用户向目标小区发起接入之前，源基站在切换准备过程中请求目标基站预留随机接入资源，再通过切换命令通知终端用户。终端用户收到切换命令之后，通过预留的随机接入资源以非竞争的方式接入目标小区，从而避免了碰撞，确保切换的成功。在上行同步的随机接入过程中，目标小区在切换准备过程中把该小区的时间提前量发送给源小区，由源小区传递给终端用户，用户就可以利用该信息来调整上行发送时间，实现和目标小区的上行同步。在5G移动通信系统中，热点小区之间已有很好的时间同步，在随机接入过程中不再需要目标小区的提前量信息，目标小区在切换准备过程中直接为终端用户预留用于上行数据的传输资源，通过源小区发送给终端用户。因此可以进一步简化甚至不再需要随机接入过程。

在终端自动控制的切换方式中，终端用户负责评估链路质量并自主选择目标小区进行切换，用户在目标小区发起随机接入过程之前没有机会请求目标小区预留随机接入资源，终端用户只能采用基于竞争的随机接入方式向目标小区发送切换请求，相比非竞争的随机接入方式，面临更大的切换失败风险。在保持同步的5G热点小区之间，可以将用户的上行数据和随机接入序列同时发送，简化这种基于竞争的随机接入流程。

5 链路失败检测与重建解决方案

终端用户在切换过程中如果信道质量恶化导致切换过程的中断，就会导致切换失败。当出现切换失败、完整性保护失败、无线链路失败、无线重配置失败等情况，终端将触发无线连接重建过程。该过程重建网络与终端之间的无线连接，包括信令承载操作的恢复、安全数据的重新激活等，当相关小区是具有终端上下文的小区时，连接重建才会成功。如果网络不同意重建，或者接入层的安全性没有被激活，终端就会直接转到空闲状态。5G移动通信系统需满足低时延和高可靠性目标，移动性设计必须考虑如何避免失败，在失败时如何尽快重建与网络的连接，保证及时恢复数据业务传输。

在网络控制的切换方式中，从终端用户接收到切换命令开始，如果能成功地完成目标小区的随机接入就认为是切换成功。在5G移动通信系统中，通过非竞争随机接入，以及随机序列重传等方式来保证随机接入过程的顺利完成。在没有随机接入过程的情况下，终端用户通过直接在预留的上行资源中发送上行数据来接入目标小区，在链路质量下降的情况下通过降低数据传输的调制编码方式、同步的自动重传来确保成功接入。

在终端自动控制的切换方式下，从终端用户向目标小区发送切换请求，或者向源小区发送再见信息开始，如果终端能够成功地收到来自目标小区的切换许可，即认为切换成功。在此过程中，终端用户需要完成在目标小区的随机接入过程，目标小区也需要等待来自源小区的用户上下文，并决定是否接纳该用户的切换请求。由于上下文的传输带来的回传时延延迟了目标小区切换许可信息的发送，终端需要等待较长时间，从而增加了信道变化的可能性。因此，在终端自动控制切换方式下，切换的成本不仅取决于随机接入过程中的链路质量，还取决于目标小区的接纳控制方案。

由于无线传播环境的复杂性，任何移动通信系统都会存在切换的失败，移动性管理目标要求在切换失败时终端用户能够及时地检测到切换失败并尽快地发起无线链路重建请求。5G移动通信系统移动性管理解决方案是在终端等待切换响应过程中，通过提前建立备份链路来应对切换失败的发生，或提前把用户的上下文转发到多个目标小区，从而减少由于链路重建带来的切换中断时延增加，提高用户重建过程的成功率。

6 回传网络传输解决方案

在5G移动通信系统中，网络控制切换方式和终端自动控制切换方式都需要由源小区将终端用户的上下文以及存储数据转发给目标小区，回传链路的时延对切换性能带来较大的影响。在网络控制切换方式下，切换准备过程中源小区和目标小区需要交互切换请求和切换确认信息，包括用户上下文信息和目标小区接入相关信息。这一握手过程发生在终端用户收到来自源小区的切换命令之前，终端在源小区的业务并未中断，回传链路的时延虽然增加了用户的切换响应时延，但并没有增加切换的中断时延。只要切换流程能够及时发起，回传时延对于用户上行业务传输并没有影响。当终端用户成功接入目标小区之后，目标小区向核心网请求转换用户面的路径，停止向源小区发送数据而转向目标小区，用户面路径的转换同样依赖于回传网络的传输。回传时延越大，目标小区就需要更长时间才能继续下行数据业务的传输，因而增加了下行业务中断时延。对于终端自动控制的切换方式，终端的上下文仍然需要从源小区传输到目标小区，同样依赖于回传网络的传输。

在5G移动通信系统中，广泛采用光纤来承载回传链路，提高了容量和处理能力，但回传链路的时延不仅与传输媒介有关，还依赖于回传链路两端对信号的处理速度，与系统负荷、连接数量和处理时间等因素有关。回传链路的性能还取决于移动通信系统的部署是集中式还是分布式，在远端进行信号处理还是在近端进行处理，因此，回传链路的时延不是一个确定的数值，而是在较大范围内变化。

7 结论

在5G移动性管理中，最关键的目标是如何最小化切换带来的中断时延。根据对网络控制切换和终端自动控制切换关键步骤的分析，各步骤的移动性管理解决方案包括：终端用户在源小区进行测量，并报告测量数据。采用终端自动控制切换方法，终端无需向网络上报测量报告，节省了空中接口的高层信令开销，降低了网络时延。5G热点小区之间的同步可以节省终端用户在切换过程中与目标小区同步的时间，减少切换中断时延。5G系统内保持时间同步的小区间切换，可以简化基于竞争的随机接入过程。回传链路的时延与系统负荷、连接数量和处理时间等多个因素相关，需要根据业务特性采取多种技术手段解决。

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作者简介

周宏成（1973-），男，重庆市人。硕士研究生，高级工程师，国家注册一级建造师，国家注册咨询工程师。研究方向为通信网络规划设计、系统集成、系统咨询。

作者单位

广东省电信规划设计院有限公司 广东省广州市 510630