5G系統中移動性管理技術研究

陳曉燕 高 彥 徐世偉

78156部隊 甘肅 蘭州730000

隨著移動用戶數量的迅速增長,無線接入技術正在不斷發展,向移動用戶提供高速率數據業務,支持海量人機通信和機器間通信的新興業務,成為5G移動通信系統建設發展的重要驅動力。訪問5G網絡不同無線技術的單個用戶或設備,可能會發現多個可用于連接的小區。因此,需要根據服務種類、設備類型、空中接口和時延容忍度等方面,針對切換決策的差異性問題,提供有效的切換方案和策略。

15 G架構與服務演進

與前幾代移動通信系統不同,5G 系統將覆蓋更多的服務、業務和用戶類型,支持增強的移動寬帶、大規模機器類型通信)和超可靠低時延通信,滿足如自動駕駛、工業機器人、物聯網等專業行業的需求,傳統架構的可延展性和靈活性已不能滿足新興的5G業務要求。5G網絡演進主要通過異構網絡結構和高密度無線覆蓋,實現網絡容量的大幅提升,部署更多的基站會提高空間頻譜效率和獲得更大的容量,然而,密集部署基站獲得的容量增益,是以增加切換速率為代價實現的,會降低網絡的運行以及所提供的服務和體驗質量。終端與服務BS的鏈路終止以及與目標BS的鏈路建立,切換過程會中斷用戶的數據流,增加切換速率會增大此類數據中斷的頻率和信令開銷,會減少甚至抵消通過密集部署基站優化網絡帶來的容量增益。此外,密集部署基站網絡還可能導致頻率過度干擾,從而降低網絡所提供的服務和體驗質量。切換過程是蜂窩網絡支持用戶移動性的核心要素,在GSM/CDMA和LTE蜂窩網絡中,切換管理一直是研究的焦點。前幾代移動通信系統在切換性能上已經得到了深入優化和廣泛應用,但在5G 演進架構中移動性管理的優化與提升,仍是一個非常開放性和值得深入研究的問題。

5G網絡的主要推動力包括根據服務需求和部署需求,在邊緣和網絡云之間自適應組合移動網絡功能。隨著NFV、SDN 技術發展,通過軟件定義移動網絡控制和協調功能具有了可行性,另外,遵循MEC原則,在網絡云或邊緣云中對移動接入和核心網絡功能進行聯合優化,也是促進5 G 系統優化的可行方案。網絡的多服務功能和上下文信息自適應感知,將支持多種服務類型和不同的QoE/QoS要求,不同類型用戶將根據不同的應用場景需求,使用網絡切片功能按需分配無線和核心網資源,每個切片將定義無線接入網絡和核心網中特定的功能和資源,用于控制和數據平面功能。在不同層上運行的某些網絡功能,將由虛擬化網絡功能實現,并在不同網絡切片中通用,運行在多業務云的基礎架構上,可根據特定的切片需求進行靈活組合。

NFV和SDN允許不同的業務共享相同的通用硬件,5 G 架構通過NFV和SDN技術,將網絡功能與底層基礎設施資源分離,實現資源共享、多路復用、多任務等功能,這樣多路復用將不再發生在網絡層面,而是在基礎設施層面,可為用戶提供更好的Qo E,同時為服務提供商或網絡運營商提供更高水平的網絡可操作性。

5G網絡是多種跨域網絡類型的集成,因此相應的體系結構需要將系統分解為跨多個域和技術的邏輯網絡切片,以創建特定服務的網絡。網絡切片應實現從移動邊緣開始,通過包括前傳和回傳段在內,直至核心云的端到端傳輸能力,這將使運營商能夠以服務的形式提供網絡,滿足各種應用場景。

2 面向5 G的移動管理解決方案

集中式移動管理(CMM)是在LTE網絡中被廣泛采用的通用移動管理解決方案。但CMM 在密集網絡中也存在問題,主要體現在移動用戶數量的增加會導致頻繁的切換請求,致使信令消息的數量增加,除了資源利用率和Qo E較差外,移動性管理效率不高,容易造成切換失敗。這種情況下,除了5G架構增強功能外,許多方案都致力于提高效率,解決密集網絡中移動性管理問題。除了避免單點故障,這些解決方案旨在提供更少的信令開銷和更低的切換時延。采用SDN、移動IP和OpenFlow協議結合的模式,實現控制平面和數據平面間的高效通信,提高信令切換效率。這種模式可通過以下多種方法實現:

(1)代理移動IPv6。這是一種集中式移動性管理協議,其核心實體至本地移動錨點(L MA)通過位于接入網絡中的移動接入網關(MAG)建立雙向隧道,數據在MAG和L MA實體之間直接路由。集中式控制器維護網絡整體結構,并負責管理控制信令,為移動節點分配歸屬網絡前綴,以及為SDN域中的所有移動節點同步相同的前綴。按照PMIPv6標準,所有數據通信直接在MAG和L MA實體之間進行,但是,PMIPv6方案無法解決跨多域的移動性,無法提供域間的移動性管理。

(2)分布式移動性管理(DMM)。通過處理移動錨點來更有效地處理用戶的移動性,該移動錨點被設定為最近的移動性控制點。在這種情況下,轉發規則和移動節點信息由核心網絡控制器配置,存儲在使用OpenFlow 替代DMM 網關的訪問路由器上。DMM解決方案在切換時延方面有顯著的增強,但用于隧道開銷和路由的控制信令較為復雜,有一定的局限性。

(3)基于SDN的DMM解決方案(S-DMM)。無需在接入路由器上部署任何與移動性相關的其它組件,并且與底層技術和按數據流控制移動性無關,提供了比DMM 更好的可延展性。SDN-DMM體系結構由管理層中的全局控制器,控制層中的本地控制器和物理層中的Open Flow 交換機組成,可有效降低時延,增加與其他蜂窩網絡的直通性,減少核心網的信令開銷。

(4)在基于云的RAN設置軟件定義切換決策引擎實現移動性管理的解決方案,該決策引擎收集網絡指標,向SDN 控制器提供候選BS列表,SDN控制器獲得參數后用于執行切換。

35 G中垂直切換信令的演進過程

對于5G標準化中確定的不同用例,以上技術視為在傳統4G/LTE網絡中高效執行移動性管理的候選設計選項。首先,作為基準案例,考慮了傳統4G/LTE系統的垂直切換過程,增加了無縫移動性使能器。

在5G系統下,必須修改信令,以解決每個不同SDN 網絡切片匹配不同的應用。作為向前演進的第一個步驟,遵循的原理與基準案例類似,實質上引入了SDN控制器(SDN-C),該控制器與相關的SDN 應用層實體(AMF、SMF)交換所需的控制信令,并控制多個Open Flow開關,根據跨不同接入網絡用戶的移動性來調節/控制數據平面流。這種設計符合核心云的體系結構和網絡功能虛擬化要求,同時也符合S-DMM的相關概念,是將所有與垂直切換控制相關的任務轉移到SDN-C,并假設SDN-C能夠訪問所需的服務和候選網絡信息,規范數據轉發,并在各個OpenFlow 交換機之間進行緩沖。

使用允許云網絡架構分散化的MEC技術,重點的是在邊緣云上引入額外的網絡實體,負責與接入網絡節點的直接消息交換,符合先前描述的分層S-DMM 概念。在這種情況下,消息交換可以在邊緣云節點的支持下更快地執行,因為它們駐留在更靠近接入網絡的位置,并且它們還可以存儲來自中心云SDN控制器信息。在URLLC服務情況下,可以立即使用此信息減少垂直切換的準備和執行時延。同時,不同邊緣云節點之間的無縫遷移與節點遷移有關。在節點的移動過程中,所有活動連接的上下文都必須在邊緣云節點間傳輸,無需任何額外操作,不增加額外時延來保持服務連續性。該架構和信令框架也可以服務于mMTC場景,在mMTC服務情況下,數據傳輸和往返時間沒有苛刻的時延要求,但邊緣網關有助于管理海量已連接的物聯網設備,根據能源效率、設備工作周期、設備移動性、物聯網服務需求等相關標準,將不同的設備切換到最合適的網關,甚至切換到不同的可用接入網絡。