5G 无线电资源管理分析

发布时间：2021-09-15

　　摘要：切换是下一代蜂窝通信网络的关键方面之一，需要妥善管理，因为它对服务质量(QoS)构成多重威胁，例如平均吞吐量的降低和服务中断。随着毫米波通信、网络密集化、物联网等第五代(5G)网络新推动因素的引入，单位面积的基站数量，连接数急剧上升，使切换管理变得更具挑战性。为此已经提出并测试了智能切换管理方案，为更有效地应对这些挑战铺平了道路。本文介绍了5GNR中的双连接，NR中的切换管理和切换过程，B5G中的移动性和切换管理。

　　关键词：切换管理;双连接;毫米波通信;移动性

　　0引言

　　在5G中，术语无线电资源包括传统(来自遗留系统)和扩展资源概念[1]。这些传统资源包括能耗(小区和UE发射功率)、频率(信道带宽、载波频率)和天线配置。此外，5G中扩展的资源定义涵盖了天线的硬资源数量/类型/配置、游牧/非规划的节点的存在，或移动终端中继)和软资源(网络节点和UE软件能力)。在正确管理资源的同时，满足所有UE的QoS或QoE等UE要求也很重要。另一方面，适当的资源管理可以帮助网络实现切换KPI，例如，通过降低切换失败的可能性，同时在切换期间和之后保持QoE。为了提高无线系统的效率，有必要解决和考虑与切换和资源管理相关的基本问题，例如准入控制、带宽和功率控制。

　　1双连接

　　双连接意味着UE可以同时与两个不同的小区建立连接[2]。通常在双连接中，UE要么连接到不同大小的BS(宏小区和小小区)，要么同时连接两个不同的RAT(例如4G和5G网络)。由于UE可以连接到两个不同的RAT同时在不同频段上，中断时间减少到零。然而，这将触发额外的切换可能性，其中相对于单个连接引入了新的切换情况。这些新的切换场景出现在两种情况下，当UE将连接从小小区切换到宏小区，或从小小区切换到小小区时。随着毫米波的引入，双连接的使用可能导致切换概率的增加，从而导致移动性管理的额外问题，包括信令开销的增加、多RAT连接的RAT之间的同步复杂度、同时使用多个BS中的资源，并减少电池寿命。信令开销的增加是由于RAT之间的流量控制，这些问题可以使用智能方法解决。

　　2NR中的切换管理和切换过程

　　NR物理层与传统RAT的独特区别在于具有以下特性：双连接、高频频谱、前向兼容性、超精简设计、使用毫米波和中继设备(设备到设备)。NR支持多连接和单连接选择，具体取决于配置集。对于这两种配置，在路径切换期间使用硬切换[3]。

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　　在许可和非许可频谱中，NR在600MHz和73GHz之间运行。前向兼容性意味着设计无线电接口架构，以支持新的服务需求并适应新技术，同时支持传统网络的UE。而超精益设计原则旨在减少始终在线的传输(例如，用于BS检测的信号、系统信息的广播)以在网络中以低能耗实现高数据速率。NR的主要挑战是由于使用高穿透损耗的高频而导致的覆盖范围，这使得小区足迹变得更小。本节通过对关键特性和涉及NR移动性的实体的简要介绍来描述NR切换。此外，还为AMF/UPF内提供了逐步的切换过程。NR中的切换类型描述如下：

　　(1)gNB内切换：当服务和目标小区都属于同一个gNB时，就会发生这种情况。

　　(2)没有AMF变化的gNB间切换：gNB间切换通常发生在服务和目标小区来自不同的gNB时。在没有AMF变化的gNB间切换有两种不同类型的切换，这取决于切换是否涉及UPF的变化。然而这里讨论的gNB间切换在两种情况下都不包括AMF的变化。具有UPF内切换的gNB间，其中切换涉及具有相同UPF的小区更改;而具有UPF间切换的gNB间，其中小区切换涉及UPF的更改。

　　(3)具有AMF更改的gNB间切换：在这种情况下，切换需要将AMF从服务AMF更改为目标AMF。然而，切换不涉及SMF的改变，使用NG接口。有AMF改变的gNB间切换有两种情况。在第一种情况下，保持相同的UPF;而第二种情况，涉及在切换期间UPF的变化。

　　NR中的基本切换过程包括三个阶段，即：切换准备(步骤0-5)、切换执行(步骤6-8)和切换完成(步骤9-12)，具体描述如下：

　　步骤1：服务gNB(S-gNB)根据接入限制和漫游信息配置UE测量过程，UE向目标gNB(T-gNB)发送测量报告。

　　步骤2：S-gNB根据测量报告和无线资源管理信息决定切换UE。

　　步骤3：S-gNB向T-gNB发送切换请求消息(其中包括准备向T-gNB进行切换的必要信息)。

　　步骤4：如果T-gNB可以授予资源，则T-gNB执行准入控制过程。

　　步骤5：T-gNB向S-gNB发送切换请求确认。S-gNB一接收到切换请求确认消息，就可以发起数据前传。

　　步骤6：S-gNB向UE发送切换命令。

　　步骤7：S-gNB向T-gNB发送序列号状态转移消息。

　　步骤8：UE从S-gNB分离并与T-gNB同步。

　　步骤9：T-gNB通过路径切换请求消息通知AMF，UE已经改变了小区。

　　步骤10：5GC将下行数据路径切换到T-gNB。

　　步骤11：AMF确认路径切换请求。

　　步骤12：T-gNB通过发送UE上下文释放消息，通知S-gNB切换成功并触发S-gNB释放资源。

　　最后，S-gNB释放与UE关联的无线资源。

　　需要指出的是，上述过程适用于NR和NR技术之间的切换。

　　3B5G中的移动性和切换管理

　　研究人员已经预见到一些使B5G与5G不同的用例和应用。其中一些用例包括集成无人机(UAV)通信、设备的高移动性(每小时500公里以上)、全息投影等[4]。使用毫米波和太赫兹频谱无线电波的设备、UAV和其他应用的高移动性给B5G带来了前所未有的无线通信挑战。在这些挑战中，移动性和切换管理预计是B5G网络中最具挑战性的两个问题，因为B5G网络将是高度动态的和多层的，这将导致更频繁的切换。设备和UAV的高移动性导致其位置的不确定性，而且要记住用于B5G的毫米波和太赫兹等高频很容易被人、建筑物等阻挡。

　　4结论

　　启发式和传统的切换方法无法快速做出反应。另一种解决方案是采用人工智能模型进行移动性预测和最优切换策略，以保证通信连通性。尽管引入多连接是一个非常有前景的解决方案，但该过程仍然需要智能切换管理策略来优化小区选择和重选择过程，以减少信令，保证高数据速率、高可靠性和低延迟。B5G的切换流程可能与5G类似，但目前还没有B5G系统的标准。——论文作者：董春利，王莉