5G移動性管理解決方案

摘 要 5G移動通信系統將提供獨立于無線技術的移動性管理，無論用戶位置如何改變，都能確保業務和通信質量的連續性。本文對影響5G移動性管理的幾個關鍵進行了分析，分別對測量與報告、下行同步、隨機接入、鏈路失敗檢測與重建、回傳網絡傳輸提出了移動性管理解決方案。

【關鍵詞】5G 移動性管理 下行同步 隨機接入 網絡時延

1 概述

在2G/3G/4G移動通信系統中，移動性管理方案是通過各種切換技術將用戶從一個小區切換到另一個小區來保持移動過程中通信連續性。在下一代5G移動通信系統中，移動用戶通信能力進一步增強，移動速率大幅提升，移動空間向多維度擴張，移動業務更加多樣化，通信質量的要求也越來越高，現有網絡的移動性解決方案已不能很好的滿足用戶的需求。

5G移動通信系統不再是采用某種特定接入技術的單一通信網絡，而是融合了多種無線接入技術，成為一個綜合的異構無線網絡，能夠滿足不同類型業務的需求。接入5G系統的網絡除了現有各種制式的2G/3G/4G網絡外，還包括藍牙系統、無線局域網WiFi系統等。網絡和終端不僅需要支持在特定無線網絡中的移動性，還需要支持在不同無線接入網之間的移動性，比如在無線局域網與3G/4G之間的切換，廣域覆蓋網與熱點深度覆蓋系統之間的切換。5G移動通信系統將提供獨立于無線技術的統一的移動性管理，無論用戶位置如何改變，都能確保業務和通信質量的連續性。根據切換發起網絡實體的不同，5G移動性管理有網絡控制切換和終端自動控制切換兩種方式。兩種切換方式均包括以下關鍵步驟：終端用戶在源小區進行測量，并報告測量數據；終端用戶斷開與源小區的連接，并與目標小區進行同步；終端用戶接收目標小區的系統參數，隨機接入目標小區；切換過程中鏈路失敗檢測、恢復與重建，回傳鏈路傳輸。本文對以上5G移動性管理切換步驟進行分析，并提出移動性管理解決方案。

2 測量與報告解決方案

由于受到無線信道快衰落的影響，非連續的測量報告不能準確的反映無線鏈路質量，移動終端需要連續監測無線鏈路質量來觸發切換流程，并且在物理層和高層都需要有測量過濾機制，以保證切換過程中測量報告的穩定性。終端獲取穩定測量報告需要的時間就是測量時間，測量時間越短，終端生產測量報告的時間就越短，切換過程觸發就越快，切換反應時間也越短。在5G移動通信系統中，需要支持時速高達500km/h的通信環境，用戶在每一個小區駐留的時間都很短，如果切換時間過長，會使用戶在獲得穩定測量報告之前就已經離開小區了，無法及時觸發切換流程，造成業務中斷。因此，合理的測量時間是保證切換正常觸發的重要條件。在5G移動通信系統中，通過采用超大規模天線減少信道測量時間，使終端用戶能夠快速準確地檢測到信道的衰落，從而縮短切換反應時間。

在測量報告方面，網絡控制切換方式必須由終端上報測量報告；終端自動控制切換方式，測量報告是可選的。在網絡控制切換方式下，源基站配置周期性或事件觸發的測量配置來觸發用戶測量報告，然后根據終端測量報告參數信息，選擇切換目標小區。終端用戶在得到穩定的測量結果后需要發送給網絡，網絡在目標小區接受了切換請求之后才向終端用戶發起切換請求。因此，網絡控制的切換方式帶來了較大的切換響應時間，增加了測量報告傳輸、源小區和目標小區交互以及切換命令傳輸的時間。由于終端用戶在這些過程中始終保持與源小區的業務傳輸，因而對上下行業務中斷時延沒有影響。在終端自動控制切換方式下，由終端自行選擇選擇目標小區，不需將測量報告上報網絡，這在一定程度上節省了空中接口的高層信令開銷，節約了一部分空口資源，減輕了網絡接受分析測量報告的負荷。

3 下行同步解決方案

現有的2G/3G/4G網絡中各個小區經常是不同步的，在切換過程中，終端用戶在收到網絡的切換命令之后，需要先進行目標小區的下行同步，以便進行后續的隨機接入過程。5G移動通信系統是一個異構系統，不同接入技術的小區之間仍然是非同步的，但對于超密集的熱點地區，連續覆蓋的熱點小區之間一般是同步的。在小區之間是同步的情況下，終端用戶進行切換時就不再需要和目標小區重新進行同步，利用源小區的同步信息直接進行接入，如圖1所示。采用小區下行同步方案，可以節省用戶在切換過程中與目標小區下行同步的時間，減少切換中斷時延。

4 隨機接入解決方案

在5G移動通信系統中，隨機接入過程分為基于競爭的隨機接入過程和基于非競爭的隨機接入過程。終端用戶在初始接入網絡，以及在沒有可用的調度請求資源時，需要通過競爭來獲取網絡的上行傳送許可，有競爭就存在碰撞，有碰撞就會產生接入失敗或接入性能降低。在網絡控制的切換方式中采用非競爭隨機接入，終端自動控制切換方式采用競爭隨機接入。

在網絡控制的切換方式中，源小區與目標小區的切換準備過程發生在終端用戶向目標小區發起接入之前，源基站在切換準備過程中請求目標基站預留隨機接入資源，再通過切換命令通知終端用戶。終端用戶收到切換命令之后，通過預留的隨機接入資源以非競爭的方式接入目標小區，從而避免了碰撞，確保切換的成功。在上行同步的隨機接入過程中，目標小區在切換準備過程中把該小區的時間提前量發送給源小區，由源小區傳遞給終端用戶，用戶就可以利用該信息來調整上行發送時間，實現和目標小區的上行同步。在5G移動通信系統中，熱點小區之間已有很好的時間同步，在隨機接入過程中不再需要目標小區的提前量信息，目標小區在切換準備過程中直接為終端用戶預留用于上行數據的傳輸資源，通過源小區發送給終端用戶。因此可以進一步簡化甚至不再需要隨機接入過程。

在終端自動控制的切換方式中，終端用戶負責評估鏈路質量并自主選擇目標小區進行切換，用戶在目標小區發起隨機接入過程之前沒有機會請求目標小區預留隨機接入資源，終端用戶只能采用基于競爭的隨機接入方式向目標小區發送切換請求，相比非競爭的隨機接入方式，面臨更大的切換失敗風險。在保持同步的5G熱點小區之間，可以將用戶的上行數據和隨機接入序列同時發送，簡化這種基于競爭的隨機接入流程。

5 鏈路失敗檢測與重建解決方案

終端用戶在切換過程中如果信道質量惡化導致切換過程的中斷，就會導致切換失敗。當出現切換失敗、完整性保護失敗、無線鏈路失敗、無線重配置失敗等情況，終端將觸發無線連接重建過程。該過程重建網絡與終端之間的無線連接，包括信令承載操作的恢復、安全數據的重新激活等，當相關小區是具有終端上下文的小區時，連接重建才會成功。如果網絡不同意重建，或者接入層的安全性沒有被激活，終端就會直接轉到空閑狀態。5G移動通信系統需滿足低時延和高可靠性目標，移動性設計必須考慮如何避免失敗，在失敗時如何盡快重建與網絡的連接，保證及時恢復數據業務傳輸。

在網絡控制的切換方式中，從終端用戶接收到切換命令開始，如果能成功地完成目標小區的隨機接入就認為是切換成功。在5G移動通信系統中，通過非競爭隨機接入，以及隨機序列重傳等方式來保證隨機接入過程的順利完成。在沒有隨機接入過程的情況下，終端用戶通過直接在預留的上行資源中發送上行數據來接入目標小區，在鏈路質量下降的情況下通過降低數據傳輸的調制編碼方式、同步的自動重傳來確保成功接入。

在終端自動控制的切換方式下，從終端用戶向目標小區發送切換請求，或者向源小區發送再見信息開始，如果終端能夠成功地收到來自目標小區的切換許可，即認為切換成功。在此過程中，終端用戶需要完成在目標小區的隨機接入過程，目標小區也需要等待來自源小區的用戶上下文，并決定是否接納該用戶的切換請求。由于上下文的傳輸帶來的回傳時延延遲了目標小區切換許可信息的發送，終端需要等待較長時間，從而增加了信道變化的可能性。因此，在終端自動控制切換方式下，切換的成本不僅取決于隨機接入過程中的鏈路質量，還取決于目標小區的接納控制方案。

由于無線傳播環境的復雜性，任何移動通信系統都會存在切換的失敗，移動性管理目標要求在切換失敗時終端用戶能夠及時地檢測到切換失敗并盡快地發起無線鏈路重建請求。5G移動通信系統移動性管理解決方案是在終端等待切換響應過程中，通過提前建立備份鏈路來應對切換失敗的發生，或提前把用戶的上下文轉發到多個目標小區，從而減少由于鏈路重建帶來的切換中斷時延增加，提高用戶重建過程的成功率。

6 回傳網絡傳輸解決方案

在5G移動通信系統中，網絡控制切換方式和終端自動控制切換方式都需要由源小區將終端用戶的上下文以及存儲數據轉發給目標小區，回傳鏈路的時延對切換性能帶來較大的影響。在網絡控制切換方式下，切換準備過程中源小區和目標小區需要交互切換請求和切換確認信息，包括用戶上下文信息和目標小區接入相關信息。這一握手過程發生在終端用戶收到來自源小區的切換命令之前，終端在源小區的業務并未中斷，回傳鏈路的時延雖然增加了用戶的切換響應時延，但并沒有增加切換的中斷時延。只要切換流程能夠及時發起，回傳時延對于用戶上行業務傳輸并沒有影響。當終端用戶成功接入目標小區之后，目標小區向核心網請求轉換用戶面的路徑，停止向源小區發送數據而轉向目標小區，用戶面路徑的轉換同樣依賴于回傳網絡的傳輸。回傳時延越大，目標小區就需要更長時間才能繼續下行數據業務的傳輸，因而增加了下行業務中斷時延。對于終端自動控制的切換方式，終端的上下文仍然需要從源小區傳輸到目標小區，同樣依賴于回傳網絡的傳輸。

在5G移動通信系統中，廣泛采用光纖來承載回傳鏈路，提高了容量和處理能力，但回傳鏈路的時延不僅與傳輸媒介有關，還依賴于回傳鏈路兩端對信號的處理速度，與系統負荷、連接數量和處理時間等因素有關。回傳鏈路的性能還取決于移動通信系統的部署是集中式還是分布式，在遠端進行信號處理還是在近端進行處理，因此，回傳鏈路的時延不是一個確定的數值，而是在較大范圍內變化。

7 結論

在5G移動性管理中，最關鍵的目標是如何最小化切換帶來的中斷時延。根據對網絡控制切換和終端自動控制切換關鍵步驟的分析，各步驟的移動性管理解決方案包括：終端用戶在源小區進行測量，并報告測量數據。采用終端自動控制切換方法，終端無需向網絡上報測量報告，節省了空中接口的高層信令開銷，降低了網絡時延。5G熱點小區之間的同步可以節省終端用戶在切換過程中與目標小區同步的時間，減少切換中斷時延。5G系統內保持時間同步的小區間切換，可以簡化基于競爭的隨機接入過程。回傳鏈路的時延與系統負荷、連接數量和處理時間等多個因素相關，需要根據業務特性采取多種技術手段解決。

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作者簡介

周宏成（1973-），男，重慶市人。碩士研究生，高級工程師，國家注冊一級建造師，國家注冊咨詢工程師。研究方向為通信網絡規劃設計、系統集成、系統咨詢。

作者單位

廣東省電信規劃設計院有限公司 廣東省廣州市 510630