5G动态接入与移动性管理策略的研究与应用

陈卓怡，刘玉冰

（中国电信股份有限公司研究院，广东 广州 510630）

0 引言

2017 年3 月，3GPP 启动了5G 首版标准R15 的研究。该版本在核心网中引入了接入与移动性管理（Access and Mobility Management，AM）策略的概念。AM 策略包括对SAR（Service Area Restriction，用户的服务区域限制）、RFSP（RAT/Frequency Selection Priority，无线接入类别与频率选择优先级）索引、UE-AMBR（UE Aggregated Maximum Bit Rate，终端的聚合最大码率）和UE-Slice-MBR（UE Slice Maximum Bit Rate，切片的最大码率）、SMF（Session Management Function，会话管理功能）选择等参数的管理[1,2]。

实际上，上述AM 策略管理的参数并非都为5G 特有。在4G 阶段，部分参数如SAR、RFSP 索引等也早已使用。然而，相比于4G 中AM 参数只能存储在HSS（Home Subscriber Server，归属签约服务器）中由MME（Mobility Management Entity，移动管理实体）静态读取[3]，5G引入了动态管理的手段，即AMF（Access and Mobility Management Function，接入与移动性管理功能）除可从UDR（Unified Data Repository，统一数据储存库）中静态读取外，还能接收来自PCF（Policy and Control Function，策略控制功能）的动态策略参数[4]。经过了R15 至R17 的架构演进与增强，尤其是R17 的工作项目eNA_ph2（Enablers for Network Automation for 5G -phase 2，网络自动化第二阶段）和DCAMP（Dynamically Changing AM Policies in the 5GC，动态AM 策略配置），PCF 具备了根据网络状态、NWDAF（Network Data Analytics Function，网络数据分析网元）的统计或预测信息[5]、AF（Application Function，应用功能）的需求等灵活调节AM 策略相关参数的能力[6]。

然而，5G 下参数灵活性的增强会为4G/5G 融合网络带来隐患，因为当用户在4G/5G 间移动时，4G 下的参数不能同步更新，参数的不一致可能会触发严重的网络问题。本文将针对AM 策略参数的一致性问题和备选解决方案进行详细的分析描述，并且结合3GPP R18 的AM 策略增强项目研究成果和网络部署现实，探讨几种方案的可行性。最后对后续标准工作中的策略管理增强研究方向进行展望。

1 4G/5G互操作下策略问题分析

1.1 概述

目前，国内外运营商的5G 建设方兴未艾，并且可以确定在未来较长一段时间内，4G 和5G 网络将会共存运作，互为补充。对于AM 策略，由于4G/5G 中所支持的参数和操作不同，当用户在4G/5G 间移动时，对应参数的不一致可能会造成网络问题：

（1）对于5G 网络独有的参数：4G 并未支持如切片相关的UE-Slice-MBR 和SMF 选择参数等AM 策略管理参数，在4G/5G 互操作时便也不存在一致性的问题。

（2）对于4G/5G 共有的参数：有的参数，如SAR和UE-AMBR，由于接入技术的差别，参数值在4G/5G下本身就被允许设定成不同的值，其取值的不同并不会产生影响。对于RFSP 索引参数，由于涉及到核心网对无线资源的管理，若4G/5G 核心网下发相冲突的RFSP 索引，就有可能造成UE 在4G 与5G 网络之间乒乓切换，用户将无法正常获取网络的服务。

下面将着重对AM 策略管理参数RFSP 索引在4G/5G 互操作中可能会产生的不一致的问题进行分析，探索可行的解决方案。

1.2 4G/5G互操作下AM策略的问题分析

RFSP 索引是核心网用于无线资源管理的重要参数。网络通过给不同的接入方式和接入频率配置不同的优先级列表，利用RFSP 索引在基站选择一个合适的承载以更好地进行无线资源管理[8]，以达到容量管理和防止互调干扰的目的。这个参数通过核心网的接入与移动性管理网元，即5G 的AMF 或4G 的MME，分别下发到5G 基站gNB 或者4G 基站eNB，由基站结合接收到的RFSP 索引和本地设置对无线资源进行管理[8,9]：

（1）当用户通过5G 接入网络时，由于5G 支持AM策略的动态调整，PCF 可能会根据网络状态变化的情况、接收到的NWDAF 预测的网络拥塞情况或者是用户将要使用的特殊业务需求[10]、以及AF 请求切换的情况等，调整UE 的授权RFSP 索引（Authorized RFSP Index），AMF根据授权RFSP 索引调整在用RFSP 索引（RFSP Index in use）发送至gNB，完成将UE 从5G 引导到4G[11]。

（2）当用户通过4G 接入网络时，MME 根据静态的签约RFSP 索引（Subscribed RFSP Index）、本地配置、和UE 相关上下文信息选择在用RFSP 索引[12]。

4G 核心网EPC（Evolved Packet Core，演进的分组核心网）与5G 核心网5GC 对RFSP 索引参数的决策比较如图1 所示，其中签约数据管理存储网元HSS+UDM一般为合设网元[13]。

图1 EPC和5GC下的RFSP索引参数决策比较

考虑到当前5G 建设成本以及商业化进展等因素，绝大多数运营商的网络是4G 与5G 共存的，且此种共存会持续较长一段时间。为推广5G 业务，运营商通常在UE的签约数据中会将签约RFSP 索引配置为“5G 优先接入”的值。所以，网络可能会出现以下情况：当5GC 根据动态的信息通过RFSP 索引将用户移到了4G 接入，但是EPC 因为缺少动态信息的同步，则按照签约RFSP 索引，很有可能就会立即将UE 踢回5G，而后5G 仍会使用相同的授权RFSP 索引值继续将UE 引导至4G。当5GC 和EPC 中的RFSP 索引一直不能同步时，UE 就会在5G 和4G 之间来回乒乓切换，如图2 所示，严重影响了用户的正常使用，以及对网络增加了不必要的信令冲击。

图2 4G/5G互操作架构下的乒乓切换

因此如果EPC 能接收到来自5GC 的动态策略参数，就能解决上述的乒乓问题。3GPP R18 的Study on 5G AM Policy 课题充分研究了解决此问题的3 个关键点[14]：

（1）当前的4G/5G 互操作流程是否支持MME 从5GC 收到在用RFSP 索引；

（2）如果MME 获得并使用了5GC 下的在用RFSP索引，如何恢复订阅RFSP 索引；

（3）MME 应否收到动态授权RFSP 索引的更新。

另外，考虑到实际网络部署选项，即有N26 接口（MME 与AMF 之间的接口）情况以及无N26 接口情况，候选方案都应有所考虑。

2 4G/5G互操作下AM策略增强方案研究

2.1 基于动态RFSP索引的策略下发方案

（1）概述

若PCF 能与MME 建立AM 策略连接，就可以保证AMF 和MME 能收到相同的PCF 动态策略，即授权RFSP 索引，因而1.2 节中的问题就可以避免。

（2）基于N26 接口的动态策略下发方案

利用N26 接口向MME 传递PCF 动态策略参数的方案如下: 当UE 要从AMF 去注册至MME 时，AMF 在收到来自HSS+UDM 的消息时，不触发AM 策略关联终止流程。若PCF 受到了条件触发，更新了UE 的授权RFSP索引并且通知AMF，AMF 将新的授权RFSP 索引通过N26 接口传递至UE 在EPC 注册的MME，如图3 的红色箭头所示。

图3 基于N26接口的动态RFSP索引策略下发至MME方案

值得注意的是，该方案中，若5GC 始终保持AMF与PCF 之间的策略关联流程，可能会导致涉及网元的资源浪费或者压力。为解决此问题，考虑在AMF 中增加预设的定时器，AMF 可根据定时器的状态决定AMF 与PCF 之间的策略关联的保持或终止。同时一个对等的定时器也应该配置在MME 上：定时器到期前，MME 只考虑N26 接口传来的授权RFSP 索引；当定时器到期，MME 就可以根据现有规范重新选择RFSP 索引，即从HSS 中静态读取签约RFSP 索引。

（3）不基于N26 接口的动态策略下发方案

当无N26 接口部署，即AMF 与MME 之间没有直连接口，按照是否增加网络接口该方案可分为2 类：

1）利用现有接口向MME 传递动态参数：动态授权RFSP 索引利用现有接口，经AMF 传给HSS+UDM，MME 从HSS+UDM 获取该参数的更新，如图4 中蓝色箭头所示。

2）利用新接口向MME 传递动态参数：如果直接增加PCF 与MME 间的接口，可打通PCF 与MME 之间的策略参数传递，如图4 中橙色箭头所示。但这种方法对网络架构影响太大，在R18 立项之初就被否决。另外可考虑基于5GC 的服务化架构，在PCF 与UDM+HSS 之间增加服务化接口与对应服务，将动态AM 策略管理参数传递给MME，如图4 中绿色箭头所示。

图4 不基于N26接口的动态RFSP索引策略下发至MME方案

上述2 种方法中，AMF 都可使用预设AM 策略关联保持定时器减少资源占用，如2.1 节中第（2）点中所述。

2.2 基于有效时间参数的方案

（1）概述

UE 从5G 切换到4G 后，若保证MME 在一定时间内不下发5G 优先的在用RFSP 索引，便可避免乒乓。使用有效时间参数的配置方式，又可分为基于MME 预设值的有限时间的控制方案和基于PCF 动态选择的参数有效时间的控制方案。

（2）基于预设值的有效时间参数的方案

可考虑在MME 上增加一个预设的定时器。当MME识别接入的UE 来自于5G 时，便启动这个定时器。在定时器有效时间内，MME 默认选定一个指示4G 接入优先的在用RFSP 索引值。当此定时器有效期结束后，MME可再根据原有的方法，重新选择新的在用RFSP 索引值[5]。若MME 选择签约数据中标识5G 优先的RFSP 索引，则UE 会回到5G。即使5G 中的PCF 马上选择4G 优先的授权RFSP 索引，UE 又回到4G，MME 中的定时器重新启动，UE 便再驻留在4G 一段时间，不会造成无法使用的情况。

（3）基于PCF 选择的策略参数有效时间的控制方案

可考虑进一步增强PCF 功能。当PCF 根据AF 接入策略更新请求（即AF 的服务在什么时间需要什么样的服务等级），或根据NWDAF 对网络拥塞的预测（即拥塞可能发生的地点和时间），更改授权RFSP 索引为4G 优先的同时，决定UE 应在4G 停留多长的时间，即RFSP索引的有效时间。

1）基于N26 接口的方案：PCF 将授权RFSP 索引参数及其有效时间发送至AMF；AMF 把在用RFSP 索引的值设成与授权RFSP 索引一致，当UE 发生5G 到4G 移动，在用RFSP 索引和有效时间作为UE 上下文的一部分，通过N26 接口至MME[15]；MME 将在用RFSP 索引值设成收到的值，并在有效时间到期前，不会重新选择RFSP 索引；等到有效时间结束后，MME 重新把在用RFSP 索引选用签约RFSP 索引的值，也能避免UE 不能使用签约中优先5G 信息返回5G，如图5 中红色箭头所示。

图5 基于PCF选择的策略参数有效时间的控制方案（基于N26接口）

2）不基于N26 接口的方案：参考2.1 小节（3）中的参数传递方案，PCF 将授权RFSP 索引参数及其有效时间发送至HSS+UDM。另可考虑是否接受对MME 进行升级。如果接受升级，在用RFSP 索引与有效时间由HSS+UDM 同时下发，升级后的MME 对参数的使用方式如前面1）点所述；如果不想对MME 进行升级，那么HSS+UDM 需先将收到的在用RFSP 索引参数作为签约RFSP 索引发给MME，并且HSS+UDM 维护有效时间计数，当有效时间到期后，HSS+UDM 将原签约RFSP 索引值通过数据更新的方法发给MME。

2.3 方案分析与小结

表1 所述是对2.1 与2.2 小节中候选解决方案的分析小结。

表1 4G/5G互操作下AM策略增强候选方案小结

在R18 的讨论中，基于动态策略下发方案和基于策略参数有效时间的方案分别得到不少公司的支持。其中动态策略下发方案，可保证无论用户注册在5GC 还是EPC，PCF 都能根据复杂多变的网络状态和业务需求，及时地对无线资源进行调配，而且，如有需要，该方法还能应用于其他的AM 策略参数，如访问区域限制的调整。基于预设有效时间或者一次性PCF 策略参数有效时间下发的方案，能避免动态策略方案对网络资源（主要是PCF 和AMF）的浪费，而使用PCF 选择有效时间也增加了一定的灵活性。

经过反复论证，考虑到对系统的影响和策略的灵活性权衡，3GPP 决定将PCF 下发RFSP 索引——同时选择下发该RFSP 索引的有效时间值的方案写入R18 标准[12]。此方案能一定程度上解决网络中可能出现的乒乓问题，将在2023 年的标准化工作中定义相关的服务和流程。对于MME 中的使用预配置定时器的方案，厂家可通过内部实现的方式增强，无需标准化。

3 结束语

从3GPP R15 到当前正在进行的R18，AM 策略的研究与标准化工作始终贯穿其中。AM 策略的概念，尤其是动态AM 策略的引入，极大地丰富了5G 的应用场景和功能。但由于AM 策略是5G 的新功能，其标准化的工作仍需进一步深化。在3GPP R18，除了成立了专门的研究立项解决4G/5G 互操作下的AM 策略问题及对应的工作立项，还有2 个对漫游场景下如何保持全球运营商的策略协同、以及如何支持基于用量监测的AM 策略增强进行标准化相关工作。如何合理调度各种接入技术，充分利用跨技术跨域的网络优势服务用户，是全球运营商都关心的问题。随着5G 标准化工作的深入，策略管理的功能也会随之完善，运营商将拥有更为灵活的网络管理手段，5G 进阶的商用也愈加夯实。相信对于未来面向空天一体的6G 网络愿景，还有更多策略方面的新场景新需求等待挖掘与支持。