5G系统中移动性管理技术研究

陈晓燕 高 彦 徐世伟

78156部队 甘肃 兰州730000

随着移动用户数量的迅速增长,无线接入技术正在不断发展,向移动用户提供高速率数据业务,支持海量人机通信和机器间通信的新兴业务,成为5G移动通信系统建设发展的重要驱动力。访问5G网络不同无线技术的单个用户或设备,可能会发现多个可用于连接的小区。因此,需要根据服务种类、设备类型、空中接口和时延容忍度等方面,针对切换决策的差异性问题,提供有效的切换方案和策略。

15 G架构与服务演进

与前几代移动通信系统不同,5G 系统将覆盖更多的服务、业务和用户类型,支持增强的移动宽带、大规模机器类型通信)和超可靠低时延通信,满足如自动驾驶、工业机器人、物联网等专业行业的需求,传统架构的可延展性和灵活性已不能满足新兴的5G业务要求。5G网络演进主要通过异构网络结构和高密度无线覆盖,实现网络容量的大幅提升,部署更多的基站会提高空间频谱效率和获得更大的容量,然而,密集部署基站获得的容量增益,是以增加切换速率为代价实现的,会降低网络的运行以及所提供的服务和体验质量。终端与服务BS的链路终止以及与目标BS的链路建立,切换过程会中断用户的数据流,增加切换速率会增大此类数据中断的频率和信令开销,会减少甚至抵消通过密集部署基站优化网络带来的容量增益。此外,密集部署基站网络还可能导致频率过度干扰,从而降低网络所提供的服务和体验质量。切换过程是蜂窝网络支持用户移动性的核心要素,在GSM/CDMA和LTE蜂窝网络中,切换管理一直是研究的焦点。前几代移动通信系统在切换性能上已经得到了深入优化和广泛应用,但在5G 演进架构中移动性管理的优化与提升,仍是一个非常开放性和值得深入研究的问题。

5G网络的主要推动力包括根据服务需求和部署需求,在边缘和网络云之间自适应组合移动网络功能。随着NFV、SDN 技术发展,通过软件定义移动网络控制和协调功能具有了可行性,另外,遵循MEC原则,在网络云或边缘云中对移动接入和核心网络功能进行联合优化,也是促进5 G 系统优化的可行方案。网络的多服务功能和上下文信息自适应感知,将支持多种服务类型和不同的QoE/QoS要求,不同类型用户将根据不同的应用场景需求,使用网络切片功能按需分配无线和核心网资源,每个切片将定义无线接入网络和核心网中特定的功能和资源,用于控制和数据平面功能。在不同层上运行的某些网络功能,将由虚拟化网络功能实现,并在不同网络切片中通用,运行在多业务云的基础架构上,可根据特定的切片需求进行灵活组合。

NFV和SDN允许不同的业务共享相同的通用硬件,5 G 架构通过NFV和SDN技术,将网络功能与底层基础设施资源分离,实现资源共享、多路复用、多任务等功能,这样多路复用将不再发生在网络层面,而是在基础设施层面,可为用户提供更好的Qo E,同时为服务提供商或网络运营商提供更高水平的网络可操作性。

5G网络是多种跨域网络类型的集成,因此相应的体系结构需要将系统分解为跨多个域和技术的逻辑网络切片,以创建特定服务的网络。网络切片应实现从移动边缘开始,通过包括前传和回传段在内,直至核心云的端到端传输能力,这将使运营商能够以服务的形式提供网络,满足各种应用场景。

2 面向5 G的移动管理解决方案

集中式移动管理(CMM)是在LTE网络中被广泛采用的通用移动管理解决方案。但CMM 在密集网络中也存在问题,主要体现在移动用户数量的增加会导致频繁的切换请求,致使信令消息的数量增加,除了资源利用率和Qo E较差外,移动性管理效率不高,容易造成切换失败。这种情况下,除了5G架构增强功能外,许多方案都致力于提高效率,解决密集网络中移动性管理问题。除了避免单点故障,这些解决方案旨在提供更少的信令开销和更低的切换时延。采用SDN、移动IP和OpenFlow协议结合的模式,实现控制平面和数据平面间的高效通信,提高信令切换效率。这种模式可通过以下多种方法实现:

(1)代理移动IPv6。这是一种集中式移动性管理协议,其核心实体至本地移动锚点(L MA)通过位于接入网络中的移动接入网关(MAG)建立双向隧道,数据在MAG和L MA实体之间直接路由。集中式控制器维护网络整体结构,并负责管理控制信令,为移动节点分配归属网络前缀,以及为SDN域中的所有移动节点同步相同的前缀。按照PMIPv6标准,所有数据通信直接在MAG和L MA实体之间进行,但是,PMIPv6方案无法解决跨多域的移动性,无法提供域间的移动性管理。

(2)分布式移动性管理(DMM)。通过处理移动锚点来更有效地处理用户的移动性,该移动锚点被设定为最近的移动性控制点。在这种情况下,转发规则和移动节点信息由核心网络控制器配置,存储在使用OpenFlow 替代DMM 网关的访问路由器上。DMM解决方案在切换时延方面有显着的增强,但用于隧道开销和路由的控制信令较为复杂,有一定的局限性。

(3)基于SDN的DMM解决方案(S-DMM)。无需在接入路由器上部署任何与移动性相关的其它组件,并且与底层技术和按数据流控制移动性无关,提供了比DMM 更好的可延展性。SDN-DMM体系结构由管理层中的全局控制器,控制层中的本地控制器和物理层中的Open Flow 交换机组成,可有效降低时延,增加与其他蜂窝网络的直通性,减少核心网的信令开销。

(4)在基于云的RAN设置软件定义切换决策引擎实现移动性管理的解决方案,该决策引擎收集网络指标,向SDN 控制器提供候选BS列表,SDN控制器获得参数后用于执行切换。

35 G中垂直切换信令的演进过程

对于5G标准化中确定的不同用例,以上技术视为在传统4G/LTE网络中高效执行移动性管理的候选设计选项。首先,作为基准案例,考虑了传统4G/LTE系统的垂直切换过程,增加了无缝移动性使能器。

在5G系统下,必须修改信令,以解决每个不同SDN 网络切片匹配不同的应用。作为向前演进的第一个步骤,遵循的原理与基准案例类似,实质上引入了SDN控制器(SDN-C),该控制器与相关的SDN 应用层实体(AMF、SMF)交换所需的控制信令,并控制多个Open Flow开关,根据跨不同接入网络用户的移动性来调节/控制数据平面流。这种设计符合核心云的体系结构和网络功能虚拟化要求,同时也符合S-DMM的相关概念,是将所有与垂直切换控制相关的任务转移到SDN-C,并假设SDN-C能够访问所需的服务和候选网络信息,规范数据转发,并在各个OpenFlow 交换机之间进行缓冲。

使用允许云网络架构分散化的MEC技术,重点的是在边缘云上引入额外的网络实体,负责与接入网络节点的直接消息交换,符合先前描述的分层S-DMM 概念。在这种情况下,消息交换可以在边缘云节点的支持下更快地执行,因为它们驻留在更靠近接入网络的位置,并且它们还可以存储来自中心云SDN控制器信息。在URLLC服务情况下,可以立即使用此信息减少垂直切换的准备和执行时延。同时,不同边缘云节点之间的无缝迁移与节点迁移有关。在节点的移动过程中,所有活动连接的上下文都必须在边缘云节点间传输,无需任何额外操作,不增加额外时延来保持服务连续性。该架构和信令框架也可以服务于mMTC场景,在mMTC服务情况下,数据传输和往返时间没有苛刻的时延要求,但边缘网关有助于管理海量已连接的物联网设备,根据能源效率、设备工作周期、设备移动性、物联网服务需求等相关标准,将不同的设备切换到最合适的网关,甚至切换到不同的可用接入网络。