面向5G的移動(dòng)性管理關(guān)鍵技術(shù)探討

趙明宇+胡志遠(yuǎn)+唐建國

【摘 要】為了應(yīng)對(duì)5G業(yè)務(wù)多樣性給移動(dòng)性管理帶來的挑戰(zhàn)，首先對(duì)移動(dòng)性管理的技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，總結(jié)了現(xiàn)有移動(dòng)性管理方案面臨的問題，然后基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的思想，結(jié)合3GPP正在制定的5G標(biāo)準(zhǔn)文稿中對(duì)移動(dòng)性管理的需求，提出了面向5G的按需移動(dòng)性管理的劃分級(jí)別，并探討了IETF提出的分布式移動(dòng)性管理技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢，為5G按需移動(dòng)性管理技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)制定提供參考。

【關(guān)鍵詞】按需移動(dòng)性管理 分布式移動(dòng)性管理 軟件定義網(wǎng)絡(luò) 5G

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-1010（2017）19-0046-04

Discussion on Key Techniques of Mobility Management Oriented to 5G

ZHAO Mingyu， HU Zhiyuan， TANG Jianguo

[Abstract] In order to cope with the challenges of mobility management caused by the diversity of 5G services， the status of mobility management technique was analyzed and the problems in existing mobility management schemes were summarized firstly. Then， according to the idea of software defined network （SDN） and requirements of mobility management in the 5G standard drafts drawn by 3GPP， the division level of on-demand mobility management oriented to 5G was proposed. Finally， the challenge and developmental trend of distributed mobility management technique proposed by IETF were discussed to provide the reference to the standard establishment of 5G on-demand mobility management.

[Key words]on-demand mobility management distributed mobility management SDN 5G

1 引言

3GPP正在推進(jìn)5G的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，我國的IMT-2020（5G）推進(jìn)組已經(jīng)組織完成了第一階段的5G單點(diǎn)測試工作，目前正在進(jìn)行第二階段的5G外場測試。全球各大設(shè)備公司、運(yùn)營商都在積極布局5G，展開預(yù)研，并紛紛發(fā)布5G白皮書。5G處在發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，SDN（Software-Defined Networking，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）、NFV（Network Function Virtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等都是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

相比LTE的移動(dòng)寬帶場景，關(guān)于5G，ITU定義了移動(dòng)寬帶增強(qiáng)、低時(shí)延高可靠和大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)三大場景。可以看出，5G的業(yè)務(wù)將非常多樣化，同時(shí)，5G的性能要求高，擁有分布式的用戶面、基于服務(wù)的全新架構(gòu)等，這些都給移動(dòng)性管理帶來了諸多挑戰(zhàn)，要求移動(dòng)性管理的粒度更細(xì)、配置更加靈活等。目前現(xiàn)有的移動(dòng)性管理機(jī)制相對(duì)靜態(tài)，粒度較粗，適應(yīng)場景單一，因此需要按需完善移動(dòng)性管理機(jī)制以滿足5G的需求。

2 現(xiàn)有移動(dòng)性管理技術(shù)

現(xiàn)有的移動(dòng)性管理技術(shù)方案主要為3GPP的移動(dòng)性管理實(shí)體結(jié)合GTP（GPRS Tunneling Protocol，通用分組無線服務(wù)技術(shù)隧道協(xié)議），以及3GPP2的MIP（Mobile IP，移動(dòng)IP）等技術(shù)，這些技術(shù)僅支持特定條件下的移動(dòng)性管理。這種特定的解決方案適用于某種給定的移動(dòng)性場景，而可能并不適用于其他普遍性場景。

GTP是2G/3G和LTE的核心協(xié)議：在基站和核心網(wǎng)網(wǎng)元之間建立隧道，將用戶數(shù)據(jù)封裝在隧道里進(jìn)行傳輸。GTP協(xié)議在用戶面，因引入GTP頭，從而導(dǎo)致開銷增大；而在控制面，需要大量的信令來維持GTP隧道；同時(shí)，還存在路由迂回及不支持多種接入技術(shù)間的無縫切換等問題。現(xiàn)有的這種移動(dòng)性管理方案是基于集中式的架構(gòu)，具有單點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)和抗攻擊能力弱的問題；這種特定移動(dòng)性支持方法相對(duì)靜態(tài)，難以支持未來多種終端多樣移動(dòng)性服務(wù)的需求；也較難實(shí)現(xiàn)較小粒度的移動(dòng)性管理[1]。

現(xiàn)有的MIP技術(shù)方案，由于數(shù)據(jù)的發(fā)送路徑和接收路徑不同，會(huì)產(chǎn)生“三角路由”問題。同時(shí)，還存在單點(diǎn)可靠性低、無法滿足多樣移動(dòng)性需求等問題。

5G的基于服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有更加扁平化、數(shù)據(jù)面下沉、控制轉(zhuǎn)發(fā)分離、控制功能服務(wù)化等特性，移動(dòng)性管理技術(shù)要適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變化趨勢，同時(shí)還要滿足5G業(yè)務(wù)多樣化、網(wǎng)絡(luò)智能化的要求。面對(duì)移動(dòng)性管理場景的多樣性，以及未來可能爆發(fā)出現(xiàn)的新業(yè)務(wù)導(dǎo)致的新移動(dòng)性場景時(shí)，現(xiàn)有的移動(dòng)性解決方案并不能支持或進(jìn)行靈活地處理。

3 面向5G的移動(dòng)性管理技術(shù)

SDN、NFV及云計(jì)算是5G網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)驅(qū)動(dòng)力，硬件標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，以及軟件虛擬化、自動(dòng)化將是主要發(fā)展趨勢。在未來的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)資源的部署將轉(zhuǎn)向各種類型的數(shù)據(jù)中心。對(duì)低時(shí)延和高吞吐的業(yè)務(wù)而言，則必須靠近用戶才能滿足時(shí)延、帶寬等需求[2]，使得大量的網(wǎng)絡(luò)功能將在邊緣實(shí)現(xiàn)云化，從而形成5G網(wǎng)絡(luò)的邊緣節(jié)點(diǎn)，并形成統(tǒng)一的分布式數(shù)據(jù)中心。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)一步的扁平化、控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離等，都會(huì)對(duì)移動(dòng)性管理產(chǎn)生重大影響，未來5G業(yè)務(wù)、終端及商業(yè)模式的多樣性需要按需的移動(dòng)性管理。endprint

3GPP發(fā)布的5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究報(bào)告TR23.799[3]和正在制定的技術(shù)規(guī)范TS22.261[4]、TS23.501[5]及TS23.502[6]中，提出了對(duì)5G的按需的移動(dòng)性管理需求，包括：1）在其整個(gè)使用生命周期內(nèi)靜止（例如嵌入在基礎(chǔ)設(shè)施中的傳感器）；2）在激活期間靜止，而在激活的間隔期是游牧的（例如固定接入）；3）在受限和明確定義的空間內(nèi)（例如，在工廠中）移動(dòng)；4）完全移動(dòng)。5G網(wǎng)絡(luò)將允許運(yùn)營商基于UE或UE組的移動(dòng)性模式（例如固定，游牧，空間受限的移動(dòng)性，完全移動(dòng)性）來優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)行為（例如移動(dòng)性管理支持）；5G系統(tǒng)應(yīng)使運(yùn)營商能夠指定和修改為UE或UE組提供的移動(dòng)性支持的類型；5G系統(tǒng)應(yīng)為僅使用移動(dòng)通信的UE或UE組優(yōu)化移動(dòng)性管理支持。

如何通過劃分及實(shí)現(xiàn)不同的移動(dòng)性級(jí)別來支持按需的移動(dòng)性管理是一個(gè)關(guān)鍵問題，3.1小節(jié)將針對(duì)這一問題進(jìn)行探討。分布式的移動(dòng)性管理方法由于更能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)扁平化的發(fā)展趨勢而受到了越來越多的關(guān)注，IETF（The Internet Engineering Task Force，互聯(lián)網(wǎng)工程工作組）更是成立了DMM（Distributed Mobility Management，分布式移動(dòng)性管理）工作組來組織和推進(jìn)DMM研究，本文將在3.2小節(jié)對(duì)分布式移動(dòng)管理進(jìn)行探討。

3.1 按需的移動(dòng)性管理

現(xiàn)有的移動(dòng)性管理不能滿足未來業(yè)務(wù)多樣性導(dǎo)致的多種級(jí)別移動(dòng)性的需求。諾基亞公司認(rèn)為5G網(wǎng)絡(luò)中將有約70%的終端設(shè)備是靜止不動(dòng)的，而移動(dòng)的終端僅占30%，如智能抄表系統(tǒng)中的水/電/燃?xì)獗恚约吧址阑痤A(yù)警系統(tǒng)中檢測降水及溫濕度的大量傳感器等，都是位置固定不動(dòng)的，這些設(shè)備并不需要移動(dòng)終端所需的切換控制、位置頻繁更新等復(fù)雜的移動(dòng)性管理[7]。此類大部分時(shí)間處于低功耗的無移動(dòng)性模式的設(shè)備僅當(dāng)需要時(shí)才通過本地錨點(diǎn)使能移動(dòng)性管理。而對(duì)于要求網(wǎng)絡(luò)時(shí)刻在線的智能手機(jī)，以及要求超低端到端時(shí)延和超高可靠性的無人駕駛機(jī)、遠(yuǎn)程機(jī)器人等移動(dòng)設(shè)備，則需要通過較高位置的集中的IP錨點(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)靈活的移動(dòng)性管理。按需的移動(dòng)性管理如圖1所示：

綜上所述，5G網(wǎng)絡(luò)需要提供按需的移動(dòng)性管理來滿足不同場景和多樣性的業(yè)務(wù)需求。網(wǎng)絡(luò)側(cè)移動(dòng)性管理要實(shí)現(xiàn)包括在激活狀態(tài)下維護(hù)會(huì)話的連續(xù)性和在空閑狀態(tài)下保證用戶的可達(dá)性。在激活和空閑兩種模式下，移動(dòng)性可分為多個(gè)級(jí)別，對(duì)其進(jìn)行組合使用，可根據(jù)終端的移動(dòng)模型和其所使用業(yè)務(wù)的特征，采用不同的移動(dòng)性管理機(jī)制。在提供按需的移動(dòng)性管理時(shí)，系統(tǒng)首先要確定終端及業(yè)務(wù)類型所要求的移動(dòng)性支持級(jí)別，然后配置系統(tǒng)資源以提供給終端相應(yīng)的移動(dòng)性管理機(jī)制。當(dāng)終端處于激活狀態(tài)時(shí)：

（1）高移動(dòng)性：配置較高位置的用戶面錨點(diǎn)和相應(yīng)的隧道，保證會(huì)話的連續(xù)性。

（2）受限的移動(dòng)性：僅在某些限定的區(qū)域內(nèi)（如某企業(yè)等）配置區(qū)域內(nèi)的用戶面錨點(diǎn)，并在區(qū)域內(nèi)保證會(huì)話連續(xù)性。

（3）無移動(dòng)性：會(huì)話建立的時(shí)候不配置用戶面錨點(diǎn)，當(dāng)終端移動(dòng)到一個(gè)新的區(qū)域時(shí)，重新建立會(huì)話。

當(dāng)終端處于空閑狀態(tài)時(shí)：

（1）保留IP：在由多個(gè)小區(qū)組成的跟蹤區(qū)域內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)跟蹤終端的移動(dòng)，當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，進(jìn)行尋呼并傳送數(shù)據(jù)。

（2）觸發(fā)：在由多個(gè)小區(qū)組成的跟蹤區(qū)域內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)能夠跟蹤終端的移動(dòng)，當(dāng)需要終端上報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)發(fā)送廣播來激活設(shè)備，建立會(huì)話連接。

（3）無移動(dòng)性：網(wǎng)絡(luò)不檢測用戶是否可達(dá)，只有當(dāng)終端醒來并主動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系時(shí)，才能發(fā)送上下行數(shù)據(jù)。

當(dāng)終端為智能手機(jī)時(shí)，對(duì)VoIP、在線游戲、短消息、自適應(yīng)流媒體等不同業(yè)務(wù)，在空閑模式下都會(huì)保留IP；但在激活狀態(tài)，前兩者需要高移動(dòng)性，而后兩者則不需要移動(dòng)性。大規(guī)模的IoT小報(bào)文是典型的長期休眠而偶發(fā)通信的類型，如智能抄表設(shè)備，業(yè)務(wù)類型為上傳數(shù)據(jù)和設(shè)備管理，不需要移動(dòng)性，只需在空閑狀態(tài)下，采用觸發(fā)模式即可。對(duì)于兒童定位跟蹤設(shè)備等類型，則只需按時(shí)上傳位置信息，而不需要任何會(huì)話連續(xù)性管理。無線連接具有便捷性，在僅是為了避免使用有線連接的情況下，則并無移動(dòng)性的需求。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，移動(dòng)用戶在無線接入時(shí)，其中平均超過2/3的時(shí)間是無移動(dòng)的。

可以預(yù)測，未來大規(guī)模的IoT設(shè)備有70%是不需要移動(dòng)的。未來的IoT終端處理能力可能不高，所以需要基于網(wǎng)絡(luò)側(cè)的移動(dòng)性管理方案來支持。但在車聯(lián)網(wǎng)場景中，由于車輛的高速移動(dòng)會(huì)帶來頻繁的小區(qū)切換，針對(duì)此問題，同時(shí)出于對(duì)時(shí)延和安全的考慮，可以借助MEC（Mobile Edge Computing，移動(dòng)邊緣計(jì)算）來解決，但車輛是否可以參與移動(dòng)性管理有待進(jìn)一步探討。

提供按需的移動(dòng)性管理有助于更有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源，降低回程流量，減少核心網(wǎng)的資源，優(yōu)化成本。靈活的移動(dòng)性包括兩部分：1）管理激活設(shè)備的移動(dòng)性；2）保持對(duì)空閑省電模式下設(shè)備的可達(dá)性。靈活的激活移動(dòng)性由兩部分組成：1）支持靈活的IP錨點(diǎn)；2）僅當(dāng)需要時(shí)才保持移動(dòng)性。

3.2 分布式移動(dòng)性管理技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由集中分層的形式向扁平化發(fā)展，早期的移動(dòng)性管理采用的是相對(duì)應(yīng)的集中式的移動(dòng)性管理方法，即通過集中的移動(dòng)性管理錨點(diǎn)來確保移動(dòng)終端的可達(dá)性（即使移動(dòng)終端未連接到其歸屬域），典型的如MIPv6的集中式移動(dòng)性管理錨點(diǎn)HA（Home Agent），PMIPv6的集中式移動(dòng)性管理錨點(diǎn)LMA（Local Mobility Anchor）等。集中的移動(dòng)性管理的錨點(diǎn)，控制面和數(shù)據(jù)面緊耦合，控制面負(fù)責(zé)維護(hù)移動(dòng)終端的移動(dòng)性上下文，數(shù)據(jù)平面負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)包的路由。雖然這種集中式的架構(gòu)不斷地在進(jìn)行演進(jìn)優(yōu)化，但仍存在難以克服的問題，如網(wǎng)絡(luò)帶寬瓶頸帶來的擴(kuò)展性問題，單點(diǎn)失效及次優(yōu)路由等[1， 8-9]。分布式移動(dòng)性管理方案的提出正是為了解決上述問題。

IETF給出了對(duì)DMM的要求，歸納如下：1）出于對(duì)數(shù)據(jù)平面路由優(yōu)化的目的，DMM的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)平面的分布式，而不要求控制平面是否為分布式。因此，基于控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的架構(gòu)，根據(jù)控制面是否為分布式可分為完全DMM和部分DMM兩種方案：部分DMM的方案是控制面集中而用戶面分布，而完全DMM方案是控制面和用戶面全部為分布式。2）支持活躍會(huì)話時(shí)的固定IP地址，同時(shí)也能夠支持在移動(dòng)中更換IP地址。3）為滿足多樣化的需求，單個(gè)會(huì)話的移動(dòng)性管理顆粒度應(yīng)能動(dòng)態(tài)選擇。4）應(yīng)以IPv6為基礎(chǔ)，并考慮與現(xiàn)有協(xié)議的兼容問題，及在不同網(wǎng)絡(luò)上的互操作性問題。5）須考慮全網(wǎng)的安全問題。endprint

目前要滿足DMM的需求，仍面臨眾多的挑戰(zhàn)，如如何實(shí)現(xiàn)分布式處理，如何避開網(wǎng)絡(luò)層的移動(dòng)性支持等。只有通過分布式處理及避開網(wǎng)絡(luò)層的移動(dòng)性支持，才能實(shí)現(xiàn)路由的最優(yōu)化及滿足多樣性的需求。這要求DMM方案具有動(dòng)態(tài)錨點(diǎn)分配和多IP地址管理等功能。針對(duì)不同的會(huì)話，一個(gè)移動(dòng)終端應(yīng)該使用多個(gè)錨點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，同時(shí)在會(huì)話進(jìn)行過程中，可以動(dòng)態(tài)地切換錨點(diǎn)，而當(dāng)前為靜態(tài)分配錨點(diǎn)，即只在會(huì)話開始前，一個(gè)移動(dòng)終端連接在一個(gè)最優(yōu)選擇的錨點(diǎn)上，會(huì)話進(jìn)行過程中，錨點(diǎn)不能改變。多IP地址管理允許移動(dòng)節(jié)點(diǎn)基于應(yīng)用的需求選擇合適的地址，這個(gè)功能要求一個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在擁有多個(gè)IP地址的同時(shí)，為滿足應(yīng)用、會(huì)話、服務(wù)的需求來選擇最優(yōu)地址。

DMM的研究內(nèi)容可劃分為“演進(jìn)性”的方法和“革命性”的方法[9]。“演進(jìn)性”的方法即出于兼容現(xiàn)網(wǎng)和快速部署的目的，對(duì)現(xiàn)有的移動(dòng)IP協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。“革命性”的設(shè)計(jì)方案則是擯棄傳統(tǒng)集中式架構(gòu)的缺點(diǎn)，重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)以適應(yīng)未來移動(dòng)性的需求，典型的如基于SDN的方案。SDN架構(gòu)具有全局視圖，能夠快速應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)路由改變。 SDN的控制轉(zhuǎn)發(fā)分離、軟件定義接口、控制集中化等為DMM提供了技術(shù)基礎(chǔ)，尤其是對(duì)部分DMM。文獻(xiàn)[10]和[11]都提出了基于SDN的部分DMM方案。

4 結(jié)束語

本文分析了現(xiàn)有的移動(dòng)性管理技術(shù)存在的問題，針對(duì)3GPP目前的已經(jīng)達(dá)成的5G標(biāo)準(zhǔn)共識(shí)，提出了移動(dòng)性管理的級(jí)別劃分，以滿足按需移動(dòng)性管理的需求。同時(shí)，還分析了IETF提出的分布式移動(dòng)性管理技術(shù)。移動(dòng)性管理是5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前仍有很多問題需要一一攻克。未來對(duì)該領(lǐng)域的研究可以考慮利用大數(shù)據(jù)技術(shù)來預(yù)估路徑，用于預(yù)測移動(dòng)性的切換管理，可應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)中高速移動(dòng)的車輛，結(jié)合車輛移動(dòng)的規(guī)律性及目的地，實(shí)現(xiàn)精確的移動(dòng)預(yù)測。

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