3GPP 5G-Advanced定位信令路径优化方案*

姜永，高娴，武帅

（浪潮通信技术有限公司，北京 100193）

0 引言

在3GPP 5G 系统定义的垂直行业应用中[1]，定位是一个基本的需求。例如，在工厂车间中对移动目标（如铲车）或装配流水线上对象的定位。在交通运输和物流领域同样存在相同的需求，例如铁路、高速公路和无人机。在一些高速公路上，终端支持的车联网应用也适用于这样的需求。在工业领域中的自动引导车辆以及安全相关功能的目标定位，对定位的可靠性的要求就非常高。另外一些关键任务服务也需要精确的位置，以保证无论在室内还是室外关键任务的响应用户总能被定位到。相对于传统商业定位需求，为满足工业、交通等垂直行业场景中实体间的协同、控制需求，5G 系统对定位的精度、延时和可靠性也提出了更高的要求。在3GPP TS 22.104[2]中给出了不同垂直领域应用场景对定位的水平定位精度、垂直定位精度、有效性以及定位延时等定位指标的严苛需求。

当前的定位信令的传输都是通过控制面实现的，大量的定位信令消息增加了网络控制面信令负载，且增大了信令消息的传输时延，降低了定位响应速度和精度。此外，NPN（Non-Public Network，非公共网络）一般对应一个垂直行业专网。在本地的NPN 网络中的定位消息如何最小化延时、降低定位流程的复杂度，以及位置信息的可靠、安全的发送和开放性（例如UE 的位置信息不开放给公共网络）也是需要解决的问题。为满足3GPP SA1 Rel-18 中面向垂直行业应用的定位需求，3GPP SA2在Rel-18 的5G eLCS_Ph3 项目中从定位信令消息路径优化角度出发，提出了若干优化方案[3]。

本文针对3GPP SA2 的解决方案，提取主流的方案并进行分类，分别阐述这些主流方案的核心内容。然后针对这些方案对应的在3GPP SA2 的有效结论进行介绍。最后总结当前的技术发展趋势，并给出针对定位性能优化的若干研究点。本文将从5G 定位系统的定位信令消息传输的视角，呈现5G 定位系统的演进现状和趋势，为5G 定位系统的使用者和研究者提供参考。

1 3GPP 5G-Advanced定位信令消息路径优化方案

本小节首先将3GPP SA2 在Rel-18 的5G eLCS_Ph3项目当前的核心网定位信令消息路径的优化方案，划分为基于用户面和基于控制面两类。然后具体分析当前存在的主流的核心网定位信令消息的优化方案内容。

1.1 基于用户面的定位信令消息路径优化方案

数据面定位是在定位目标UE以及定位相关网元之间，绕过控制面链路，通过直连的数据面连接传输定位信令消息。数据面定位首先不需要gNodeB、AMF（Access and Mobility Management Function，接入和移动管理功能）和LMF（Location Management Function，位置管理功能）对RRC（Radio Resource Control，无线资源控制）、NG-AP和HTTP/2 协议栈的信令处理，一个会话可以处理所有的事务。另一方面，数据面UPF 可以根据需求进行集中部署或在边缘计算网络的本地部署。这样可以提高定位系统的灵活性，特别是对一些边缘计算场景和NPN 的网络环境，能够缩短定位传输路径。目前3GPP SA2 5G eLCS_Ph3 也给出了主流的基于用户面的定位消息路径优化方案。

（1）方案A

方案A 首先提出在LMF 和UE 之间设置用户面安全连接，让UE 和服务的LMF 之间的信令消息直接通过数据面PDU 会话传输。其中LMF 的IP 地址、临时UE 的标识以及安全证书用于UE 和LMF 之间PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元）会话的建立。UE 和LMF 实现增强支持通过数据面协议传输LPP（LTE Positioning Protocol，LTE 定位协议)消息[4]。一旦LCS 的用户平面连接确立，LMF 可以选择使用LCS 用户平面流程或根据TS 23.273的6.11.1 小节的控制面流程传输[5]。但是对一个LPP 会话，应该使用同一传输方式。在UE 和LMF 间的数据面PDU 会话的生命周期内，通过PDU 会话传输LPP 消息的信令，相对控制平面能显著减少消息的传输延时。如果存在多个流量类型（如紧急呼叫或商业定位），UE可以同时跟一个或多个LMF 建立多个LCS 用户平面PDU 会话。

为实现LCS 数据面连接，UE 和LMF 需要实现一个轻量化的LPP 传输协议。该协议通过同控制平面提供的信息对齐（如UE 标识和定位会话），提供受限的服务。图1 给出了一个LCS 数据面传输的协议栈，其中TCP 只是一个实例且忽略了安全部分。

图1 LPP消息用户面传输的协议层

图2 给出了UE 和LMF 之间LCS 用户面连接确立流程。该用户面连接可以用于UE 和LMF 之间LPP 消息和补充服务消息[6]的传输，并指出UE 辅助的定位流程和基于UE 的定位流程（见TS 23.273 的6.11.1 小节）可以通过该LCS 用户平面会话传输。

图2 UE和LMF之间的连接确立流程

1.当一个UE 注册事件或LCS 流程开始，AMF 可以决定选择一个LMF 并请求UE 和选择的LMF 确定一个LCS 用户平面连接来传输LPP 消息。决策可以基于UE能力、UE 位置、签约信息、LMF 负载和LMF 能力确定。运营商可以决定LCS 用户面连接的建立发生在UE 注册还是LCS 流程开始时。延时敏感的使用案例需要LCS 用户面连接在UE 注册后确立。紧急业务流可以不需要预先确立LCS 数据面连接。

1b.当目标UE 的一个新的LCS 流程开始且LCS 用户面连接已经确立，AMF 可以检测到一个使用LCS 用户平面信令的LMF 重选择的需求。检测可以基于UE 能力、UE 位置、签约信息、LMF 负载和LMF 能力确定。此外在AMF 重选择时，目标AMF 需要告知使用LCS 用户平面信令的LMF 关于AMF 的改变。

2.AMF 通过唤醒 Namf_Communication_N1N2MessageTransfer 服务操作，向LMF 发送Nlmf_Location_UPConfig 请求消息，请求设置LCS 数据面连接。消息中可以包括UE 的一个临时标识。

3.LMF唤醒 Namf_Communication_N1N2MessageTransfer 服务操作。通过服务的AMF 向UE 发送一个LCS 用户平面建立信息消息。LCS 用户平面建立信息消息可以包括LMF 的IP 地址或FQDN 地址、临时UE 标识和安全证书。

4.AMF 通过DL NAS TRANSPORT 消息转发LCS用户平面建立信息消息。

5.UE 触发PDU 会话同LMF 确立安全连接。

6.LMF 向AMF 发送Nlmf_Location_UPConfig 响应消息，告知连接建立的结果。

7.AMF 存储LCS 用户面连接的上下文作为目标UE上下文的一部分。

（2）方案B

不同于方案A，方案B 采用OMA（Open Mobile Alliance，开放移动联盟）定义的用户平面说明支持用户平面消息传输的特性。在OMA 定义的特性中，UE 不能执行上行链路测量来实现像RTT（Round Trip Time，往返时间）的定位方法，用户面必须同控制面的LMF 合作收集上行和下行链路测量。如图3 所示，通过LCUP（LCs User Plane，LCS 用户平面）来定义OMA 的用户面同LCS 控制面融合的数据面结构（参考TS 38.305[7]和TS 23.271[8]中对2G/3G/4G 的定位规范）。LMF 可以唤醒LCUP 的用户平面，这保证了LCUP 可以作为独立的用户平面也可以同LMF 合设。对于通过LMF 合设的LCUP，能够保证上行和下行链路的测量数据都可以被收集，且用户平面和控制平面能够共享相同的算法取得特征可重用的效果。为同传统LCS 流程兼容，对LMF 和LCUP 实例合设的情况，当涉及用户平面定位时，LMF应该作为5GS LCS 流程的入口点（包括MO-LR（Mobile Originated Location Request，终端发起的定位请求）、MT-LR（Mobile Terminated Location Request，终端结束的定位请求）、延时的MT-LR 和监管相关的定位）。

既然存在多个LMF 和LCUP实例，当LCUP 同LMF 合设时，UE 需要发现正确的LCUP 实例。在MTLR、NI-LR（Network Induced Location Request，网 络发起的定位请求）和MO-LR 流程中，AMF 选择了一个LMF 实例（LMFi）服务一个目标UE 的LCS 请求。当UE 确定同一个LCUP 实例（LCUPi）的用户平面交互时，UE 应该执行同LMFi 合设的LCUPi 执行用户平面会话。即UE 应该发现同服务的LMF 实例一起工作的LCUP 实例。图3 给出了LCUP 同3GPP 5G 系统的融合架构图。

图3 LMF和LCUP可以合设也可以独立部署

（3）方案C

方案C 中给出了MT-LR、MO-LR 和延时的MT-LR流程通过用户面传输LPP 消息的机制。其中用户面使用的是跟方案A 一样的机制，即通过UE 和LMF 之间建立PDU 会话数据面连接。另外，由于定位UE 的移动性或负载等的原因，最初定位流程中选择的LMF 在定位过程中可能已经不适合做当前UE 的LMF。在TS 23.273 中定义了控制面的LMF 改变流程，但随着引入了数据面的定位流程，控制面的LMF 改变流程也需要相应调整。如图4 所示，方案C 同时引入了用户平面定位LMF 改变流程，流程适用于基于数据平面的延时的MT-LR 流程的LMF 改变。

图4 用户平面定位LMF改变流程

1.[条件的] 当存在目标UE 的基于数据面的延时的MT-LR 流程且存在UE 和LMF 间的安全用户面连接，当适当的注册事件触发时，AMF 可以决定重选择一个新的LMF 用于定位管理。

2.[条件的]AMF向LMF1发送Nlmf_Location_LMFRelocation 请求，包括选择的新的LMF2 的信息。

3.原LMF1 也触发LMF 重选择流程并确定一个新的LMF2 用于用户平面定位。

4-5.如果原LMF1 决定改变用户平面定位的LMF，旧的LMF 发送一个用户平面定位消息到AMF，消息包括新的LMF 的ID。

6.UE 决定是否同旧的LMF1 建立的旧的PDU 会话是否可以被重用。如果不能，UE建立到新的LMF2的PDU会话。

7-8.UE 向AMF 发送一个用户平面定位消息,确认新的LMF2 的更新。

9-10.原LMF1 根据在第一步或第三步中确定的LMF，向新的LMF2发起LMF改变流程（参考TS 23.273的6.4 节）。

11-12.完成定位上下文转换后，新的LMF2 向AMF发送用户平面定位信息消息，指示用户平面定位LMF改变的完成。AMF 更新UE 到服务LMF 的路由信息为LMF2。

13.当UE收到LMF_UP_ReConfigACK消息，UE释放到旧的LMF 的PDU 会话，并启用到新的LMF 的PDU 会话传输定位信令。UE 和新的LMF 之间可以通过新的PDU 会话传输定位信令消息。

（4）方案D

方案D 中目标UE 可以通过用户面连接，直接向LCS客户或AF（Application Function，应用功能）报告事件消息，或者间接通过LMF 或家乡GMLC（Gateway Mobile Location Centre，网关移动位置中心）向LCS 客户或AF 报告事件消息，这优化了延时MT-LR 流程的事件报告消息的传输。

当直接或通过家乡GMLC 发送到LCS 客户或AF 时，UE 通过用户平面连接发送包括定位信息的事件报告消息。这能够显著减少端到端延时，因为事件报告不再需要通过控制面的NG-RAN、AMF、LMF、GMLC 或NEF传输。同样增加了信令的有效性。

当通过LMF 报告时，UE 通过用户平面连接发送事件报告消息，其中在事件报告中包括一个或多个LPP 消息。LMF 然后验证或确定一个位置评估，并通过第二个用户平面连接向LCS 客户或AF 发送包括位置信息的时间报告。这也能够减少延时并增加信令有效性。

UE 和LMF、LMF 和拜访地GMLC/ 家乡GMLC 之间，家乡GMLC 和LCS 客户之间，或NEF（Network Exposure Function，网络开放功能）和AF 之间的控制面关联是一直维持的，这让时间报告的状态传输到家乡GMLC 和NEF（如果需要）并使用存在的控制平面流程（TS 23.273 的6.3.2 节和6.3.3 节）删除事件报告。

1.2 基于控制面的定位信令消息路径优化方案

当前3GPP SA2 5G eLCS_Ph3 控制面信令优化解决思路，主要是通过建立LMF 和RAN 之间的直接通信机制来减少通信延时。如图5 所示，在SNPN（Stand-alone Non-Public Network，独立非公共网络）中引入了一个本地/任意AMF 的网络，用于关联RAN 节点和LMF。RAN 节点可以通过本地/任意AMF 直接跟LMF 通信。在非UE 的关联网络辅助数据传输流程中，网络定位消息可以不经过AMF 直接在RAN 和LMF 节点之间传输。LMF 可以不经过AMF 直接同GMLC 进行通信，并向GMLC 开放UE 的位置。对于网络辅助的或基于网络的定位流程，LMF 通过服务的AMF 向RAN 发送网络定位请求消息。反之，RAN 通过本地/任意AMF 向LMF 发送网络定位的响应或通知消息。

图5 包含本地/任意AMF的5G网络架构

如TS 23.273 的定义，本地/ 任意AMF 和LMF 之间的接口是NL1。本地/ 任意AMF 不需要为网络辅助的定位流程和非UE 的关联网络辅助数据传输流程维护状态信息，但能够将任何的来自RAN 的响应作为一个独立的非关联的传输。

本地/ 任意AMF 支持N2 接口的管理，即RAN 节点和本地/ 任意AMF 之间存在TNL（Transport Network Layer，传输网络层）关联。RAN 节点和本地/ 任意AMF 之间的TNL 关联是通过配置预先确定的。同本地/任意AMF 关联的TNL 的本地/ 任意AMF 的权重因子应该设置为0，所以RAN 节点不应该选择本地/ 任意AMF开始N2 流程。TS 23.501[9]中服务的AMF 支持的其它功能在本地/ 任意AMF 中不支持。GMLC 地址从AMF 发送到LMF，LMF 就可以直接向GMLC 发送UE 位置信息。

2 定位信令消息路径优化的结论

针对5G Rel-18 的定位需求，在3GPP SA2 工作组5G eLCS_Ph3 研究过程中，从定位信令消息路径优化角度目前形成了主要的相关结论。

2.1 数据面定位消息路径优化结论

（1）UE 和LMF 间的用户平面连接

UE使用URSP（UE Route Selection Policy，UE路由选择策略）中的用户平面定位相关的PDU 会话参数（如：DNN（Data Network Name，数据网络名）和S-NSSAI（Single Network Slice Selection Assistance Information，单网络切片选择辅助信息））确立用户平面定位的PDU 会话。且当LMF 收到AMF 的定位请求，LMF 决定是用控制面还是数据面定位模式。当LMF 决定使用用户平面定位，LMF 向UE 发送它的用户平面定位地址和安全相关的信息触发用户平面连接（如果没有）。LMF 和UE 维护UE 和LMF 之间确立的用户平面连接用户随后的LCS 会话。基于OMA 的用户平面方案也可以用户5G 系统的定位消息数据面传输，具体可以参考TS 38.305 和TS 23.271 中对2G/3G/4G 的定位规范。UE 和LMF 间的用户平面连接可以用于传输LPP 消息和补充服务消息。

（2）UE 和AF 或LCS 用户间的数据平面连接

当使用基于UE 的定位且UE 确定位置信息，则UE 和AF 或LCS 用户间的数据平面连接可用于延时的MT-LR 消息传输。AF 或LCS 用户的地址和安全信息可以在延时MT-LR 请求时发送给UE。UE 可以确定到AF或LCS 用户的数据面连接并使用数据面连接向AF 或LCS 用户发送事件报告。

2.2 控制面定位消息信令优化

本地部署的本地/ 任意AMF 用于传输RAN 和LMF之间的非UE 辅助的网络辅助数据。UE 辅助的网络定位流程中，UE 和LMF 之间的UE 辅助的网络定位消息仍然通过当前服务的AMF 转发。LMF 可以直接向GMLC发送UE 位置，而不需要经过当前服务的AMF 转发。

3 结束语

随着5G 网络的应用需求逐渐向垂直行业延伸，5G 网络的架构、组网方式和对网络特性的性能指标也随之发生了变化。同时，针对垂直行业应用需求，5G 网络的定位性能指标和部署环境也随之发生了变化。不同于3GPP 通信系统网内的其它信令消息，定位信令消息需要通过UE和/或RAN 节点收集目标UE 的大量测量数据。传统LCS定位测量信令消息传输方式，显著增加了网络控制面的负载。其次，集中式的网络部署方式，增加了定位测量信令的传输路径和网元的处理负荷。此外，定位测量信息的传输延时，也降低了定位测量的精度。3GPP Rel-18 针对这些问题，从核心网角度对传统定位系统的定位信令消息的传输方式和传输路径进行了优化，卸载了网络控制面的信令消息负载，降低了定位消息的传输时延，提高了定位的性能，满足了垂直行业的5G 专网的部署要求。

最后需要指出，当前的定位性能指标仍有提高的空间。首先从定位信令优化的角度，当前定位的管理功能仍然分散于AMF 和LMF 这两个实体，定位请求消息仍然需要发送到这两个实体，并且这两个实体分别执行不同的定位消息。且LMF 跟UE 间的许多定位信令消息仍然需要通过AMF 进行转发，用户面信令传输的优势没有完全发挥出来。未来可考虑将定位管理能力集中到一个实体中，充分发挥数据面传输定位消息的能力，进一步减少通过控制面传输的定位消息和定位消息的传输时延。此外，从定位方法上，由于当前定位方法的局限性，定位的性能指标同垂直行业的定位需求仍然存在不小的差距。后续可以考虑基于通感融合的定位方法[10]进一步提升定位延时、精度等性能指标。