基于用户无感知的5G移动性管理

周宏成

（广东省电信规划设计院有限公司，广东广州510630）

基于用户无感知的5G移动性管理

周宏成

（广东省电信规划设计院有限公司，广东广州510630）

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。本文首先分析了5G移动通信系统在移动性管理的设计目标：低时延、低功耗、高可靠性和灵活性；其次，分析了5G移动性管理的三个主要场景，分别是分布式移动性管理场景、集中式移动性管理场景、分布集中混合式场景；最后，对5G移动性管理的网络控制切换和终端自动控制切换两种解决方案进行了对比分析。

5G；移动性管理；网络控制切换；终端自主控制切换；用户无感知

1 5G移动性的特点

在移动通信系统中，移动性是指用户在网络覆盖范围内进行移动的过程中，网络能够为用户提供持续服务的能力。用户在移动中的通信不受其位置变化的影响，不受接入技术变化的影响，从而为用户提供无感知变化的移动通信。移动性管理就是通过对移动终端业务连续性、安全性、位置信息等方面的管理，使网络和终端的联系状态达到最佳，保证各种网络服务的应用。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的连续性。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，通信质量的要求也不断提高，现有网络的移动性解决方案已不能很好地满足用户的需求。

5G移动通信系统不再是采用某种特定接入技术的单一网络，而是将采用不同接入技术的网络融合起来的异构无线网络，满足终端业务的多样性的需求。随着移动通信可用频谱的进一步扩展，在多个频段可提供移动通信服务。在厘米波频段，现有移动通信系统主要工作频段，信号传播范围广，小区覆盖范围大，可提供广域连续覆盖，但频谱资源比较稀缺；在毫米波频段，信号覆盖范围小，穿透力较弱，频谱范围较宽，传输容量大，主要用于热点区域，提供大容量、高速率的数据业务。在厘米波频段和毫米波频段之间分米波频段，能够在一定范围内提供连续覆盖，但在覆盖区域的边界需要切换到其他网络。接入5G系统的网络还包括蓝牙系统、无线局域网WiFi系统，组成复杂的异构网络。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。无线接入技术有很多种，并在一定时期内2G/3G/4G长期并存，在5G系统中，将实现多种无线接入网络的融合和互联互通。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。

2 5G移动性解决方案的设计目标

5G移动通信系统在移动性管理的设计方案中应具有低时延、低功耗、高可靠性、灵活性等目标。

（1）低时延

移动性管理的低时延主要表现在用户移动过程中位置的跟踪与更新，以及用户在不同小区之间、不同网络之间切换过程中中断时延的减少或避免。移动用户在某个网络中的小区注册后，网络便管理该移动用户的位置信息，当该移动用户有移动通信业务时，网络能够快速地对其发起寻呼，这要求移动用户能够在移动过程中快速地识别小区并进行小区重选，在位置发生变化时及时更新所在位置的信息。当移动用户在通信状态下从一个小区移动到另一个小区，网络需要发起切换流程，以保证业务的连续性；在切换过程中网络确定切换的目标小区信息和用户信息，完成用户信息和数据的转发，这有可能带来通信的中断。如何减少切换带来的中断时延，使用户在移动过程中能够进行连续通信，是5G移动通信系统的设计目标之一。

（2）低功耗

5G移动通信系统是一个绿色低功耗网络系统，在移动性管理设计方案需要考虑低功耗这一特点。这要求移动性管理的流程应更加简化，减少信令开销，降低用户和网络在保持通信连续性所需功耗。另一方面，在5G移动通信系统中引入动态小区概念，需要在小区动态开启的情况下实现业务的连续性，确保移动性性能的同时进一步提高整体网络的能耗效率。对于5G系统中机器类通信的物联网终端，引入低功耗状态，通过简化终端在移动过程中对网络信号的跟踪进一步降低终端的功耗。

（3）高可靠性

在IMT-2020中，5G系统无论何时何地都能给用户带来高于100Mbps的用户体现速率，这对移动性管理提出了更高要求，要求用户在移动过程中，从一个小区切换到另一个小区，从一个网络切换到另一个网络，不能有明显的传输速率下降。任何移动性管理流程的失败都需要用户重新建立和网络的连接，以恢复数据的传输。这要求网络能够进行快速切换，而且要保证切换过程中数据通信的可靠性，避免由于切换失败带来通信中断和服务质量下降。通过设计快速准确的链路检测和恢复机制，使用户能够及时发现移动性带来的链路质量下降，从而尽快恢复连接以减少对数据传输的影响。

（4）灵活性

未来的5G业务、移动互联网业务和机器类通信的物联网业务将爆发式增长，5G的业务类型将更加多样，不同的业务对移动性有着不同的要求。对于传统的语音和数据业务，5G系统的移动性与4G系统类似，但物联网业务对移动性的要求则有很大的不同。智能水表、智能电表、智能监控等智能家居和智能公众业务中，用户终端大都固定在同一位置，或者仅在一定的小范围内移动，网络连接相对固定，对这种终端的移动性管理较为简单，仅在小范围内寻呼，位置更新信息很少。对于车联网这样的高速移动终端，则对移动性管理提出了非常高的要求，需要提供低时延、高可靠的移动性保证。因此，5G系统的移动性管理应根据业务和场景的不同特性和需求进行灵活配置，在保证用户和终端移动性的同时实现移动通信系统整体性能的提升。

3 5G移动性场景分析

5G系统的网络架构将引入云计算的概念，根据移动性管理和控制功能在“云”中的分布情况，5G的移动性管理分为三个主要场景，分别是分布式移动性管理场景、集中式移动性管理场景、分布集中混合式场景。如图1所示。

（1）分布式移动性管理

分布式移动性管理场景是3G/4G移动通信系统的主要场景，也是5G移动通信系统主要的场景。在该种场景下，每个接入点相当于3G/4G网络中的基站，具有移动性控制和管理功能。用户在移动过程中，接入点控制测量配置、切换判决、切换命令的发起等所有与移动性相关的指令。两个接入点之间通过回传链路进行链接，回传链路可以采用光缆、电缆或无线方式承载，无论采取哪种方式，回传节点之间的信令和数据均存在回传时延，切换过程中数据的转发会带来切换中断时延的增加。在5G系统中，回传链路采用光纤实现了超高速率的传输，但节点的接收信号处理、存储和转发仍然需要一定的时间，回传时延是该种场景区别于其他场景的最大特点，成为影响移动性时延的重要因素。在5G系统中引入“云”的概念消除了接入点之间的回传链路，当两个移动用户在隶属于不同“云”的接入点之间移动时，或者不同制式的网络之间移动时，仍然需要通过回传链路进行移动性管理。

图1 5G移动性场景

（2）集中式移动性管理

在该场景中，无线接入网引入了“云”的概念，将移动性控制和管理功能集中放置在“云”端，接入端的分布式天线只用作数据的物理层传输。所有的接入点都直接接入“云”端进行集中控制，只要用户接入某一接入点，该用户相关的上下文以及数据都被“云”内其他的接入点共享。即使终端接入点发生变化，网络也不需要重新获取用户的上下文和转发存储的数据，从而避免了回传链路带来的时延。在该场景下，接入点不再需要进行基带处理，接入点和云端连接带来的前端时延被大大降低，通常可以忽略不计。在5G超密集网络部署中，“云”概念的引入，有利于消除移动性带来的切换中断时延，有利于终端建立多连接来保证高可靠的移动性。

（3）混合式移动性管理

该场景介于分布式和集中式移动性场景之间，保留了集中式移动性管理场景中将移动性管理和控制功能放到“云”端的特点，同时也具有分布式移动性管理场景中的接入点具有数据链路层的功能。该场景中的“云”端对云内所有的终端进行移动性管理，但数据调度、自动重传响应等功能仍由每个接入点独立完成。该种场景利用本地的数据链路控制减少了底层控制信令前端链路上的传输，而“云”端的集中式移动性管理又避免了回传链路带来的切换中断时延，提高了移动性性能。

5G网络是异构的网络结构，融合了多种无线接入技术，在移动性管理方面需要考虑多种移动性场景，根据每种场景的特性设计合理的移动性解决方案。

4 5G移动性解决方案

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案。网络控制的切换方案如图2（a）所示，切换的判决和发起都由网络侧负责；终端自动控制的切换方式则由终端自己进行切换判决并发起切换流程，如图2（b）所示。

图2 5G移动性解决方案

（1）网络控制切换解决方案

网络控制切换流程包含测量报告的触发、切换准备、资源调度、切换命令下发和目标小区接入等几个关键步骤。

第一步：当网络和终端建立连接后，终端用户根据当前服务小区的测量信道上报测量结果。

第二步：服务小区基于终端的测量报告，结合小区本地配置的切换策略综合考虑进行切换判决，并在决定切换时选择目标小区，发出切换请求。

第三步：目标小区接收了原服务小区的切换请求后，服务小区向用户发出切换命令。

第四步：用户收到切换命令后中断与原服务小区的服务，向目标小区进行随机接入请求，建立与目标小区的连接。

整个切换流程都在网络的控制和监督下进行，终端侧只需要按照网络的信令指示执行切换，无需参与切换决策过程。

（2）终端自动控制的切换解决方案

在终端自动控制的切换流程中，切换的判决和发起都由终端用户自行完成。当终端检测到信道质量下降时，发起切换请求，不必再发送测量报告。目标小区收到终端用户的切换请求后，向原服务小区索取用户的上下文和存储数据，继续为终端用户服务。由于终端用户已经中断了与原服务小区的连接，上下文的索取流程带来了双倍的回传时延，增加了切换的中断时延。为了减少这种时延，终端用户在离开原服务小区之前发送再见信息，原服务小区收到该再见信息后，立即发送用户的上下文并转发存储数据，用户成功接入目标小区后就能继续进行数据业务的传输。

5 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。通过对网络控制和终端自主控制切换方式的对比分析，各有优缺点。网络控制的切换方法具有预先的切换准备过程，切换的成功率较高，消除了随机接入过程，降低了切换带来的中断时延。终端自主控制的接入方式能够有效降低终端的时延，根据网络的特点和需要，允许实现局部区域的终端自主控制移动性解决方案，把移动性决策权授予终端，从而减轻网络负荷，提高切换效率。在5G移动通信系统中当同时支持两种切换方式时，需避免两种切换方式的冲突，确保在网络和用户侧执行唯一的切换操作。

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5G Mobility Management Based on User No-perception

Zhou Hongcheng
(Guangdong Planning and Design Institute of Telecommunication Co.,Ltd.,Guangzhou 510630,Guangdong)

5G mobile communication system will provide mobility management independent of wireless technology,and can ensure the continuity of business and communication quality,no matter how the user's location changes.This paper first analyzes the design objectives of 5G mobile communication system,such as low latency,low power consumption,high reliability and flexibility.Secondly,the three main scenarios of 5G mobility management are analyzed,which are distributed mobility management scenario,centralized mobility management scenario,distributed centralized hybrid scenario.Finally,the two solutions of 5G mobility management network control switch and terminal automatic control switch are compared and analyzed.

5G mobility management;network control switch;terminal autonomous control switching;user no-perception

TN929.5

A

1008-6609(2017)09-0024-03

周宏成(1973-)，男，重庆人，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。