陳發(fā)堂, 張杰棠, 何 沛, 黃俊霖

(重慶郵電大學信息與通信工程學院, 重慶 400065)

0 引 言

隨著第3代合作伙伴計劃(the 3rd generation partnership project, 3GPP)宣布Release16標準凍結(jié),學術(shù)界與工業(yè)界對第五代移動通信系統(tǒng)(5G)進行了更加深入的研究。5G以其速度快、低時延與高可靠性等特點,在實現(xiàn)增強型移動寬帶(enhanced mobile broadband, EMBB)、低延時高可靠通信(ultra reliable & low latency communication, URLLC)和海量物聯(lián)網(wǎng)通信(massive machine type communication, MMTC)的三大場景擁有前所未有的優(yōu)勢。

在5G網(wǎng)絡建設初期面臨著兩個不可忽略的現(xiàn)實問題。一是距離第四代移動通信系統(tǒng)(4G)正式商用已經(jīng)過去很多年了,4G的建設已經(jīng)十分完善,可以說是達到了全面覆蓋的程度;二是由于運營商考慮到成本的因素,5G網(wǎng)絡的建設初期僅僅對城市的重點區(qū)域進行5G網(wǎng)絡的覆蓋?；谶@兩點,在5G網(wǎng)絡建設初期,用戶終端(user equipment, UE)將頻繁地在4G網(wǎng)絡和5G網(wǎng)絡之間進行切換。這不僅會讓用戶體驗質(zhì)量降低,而且會使終端的電量消耗得更快,還會在信道中傳輸大量信令而造成信道擁堵的情況。如果用戶在5G網(wǎng)絡和4G網(wǎng)絡的覆蓋邊緣來回移動,此時的乒乓效應會造成信道擁堵的情況。綜上所述,研究UE的切換策略顯得尤為重要。

目前,關(guān)于UE網(wǎng)絡切換的研究大致有兩種方向。一是研究如何使UE切換過程中的中斷時間更短,如文獻[7]提出進行切換時不需要執(zhí)行隨機接入過程的機制,這樣就能減少切換時的中斷時間。還有研究提出雙連接的方法,這種方法可以令UE同時連接4G基站和5G基站，然后選擇體驗更好的網(wǎng)絡來進行數(shù)據(jù)傳輸。在3GPP最新的R16版本的協(xié)議中也提出了雙活動協(xié)議棧(dual active protocol stack, DAPS)的方法,指在切換前首先與新的網(wǎng)絡建立連接,然后在一段時間內(nèi)同時維護兩套協(xié)議棧。當UE的業(yè)務切換到下一個基站的時候再與前一個基站斷開連接,以此實現(xiàn)無中斷的切換。這些方法主要研究如何減少網(wǎng)絡切換時的中斷時間來提升用戶體驗,但是這種同時維護兩個連接的方法不僅實現(xiàn)復雜而且勢必會增加終端的電量消耗。

另一個是研究如何避免沒必要的切換來減少終端的切換次數(shù)。如文獻[10]中以接收信號強度和路徑損耗為基礎,通過一個窗函數(shù)來判斷是否進行切換,但是路徑損耗時時刻刻都在變化,此方法可能會加劇乒乓效應。文獻[11]提出了一種基于全記憶上下文感知的預測切換方案,這種方案在5G雙連接異構(gòu)網(wǎng)絡中使用灰色模型預測,基于歷史信息預測信號功率、信號質(zhì)量和終端所處的位置,并用這些信息來決定是否進行切換。但是該模型不僅增加了終端的電量消耗,而且在該方案中最終的決策是由基站通過處理終端上報的信息來進行的,這樣會給基站帶來巨大的計算量開銷。文獻[12-13]采用改進的TOPSIS算法將諸多因素統(tǒng)籌起來,各個因素通過不同的權(quán)重綜合起來決定是否進行切換,但是這類方法得到的模型不能適用于所有的環(huán)境。文獻[14]將用戶分為快、中、慢3個類型,針對不同類型的用戶進行不同的處理,這樣做能夠?qū)Σ煌挠脩暨M行針對性處理,但是會增加基站的復雜度。

本文以第二種研究方向為基礎,此前的研究大多考慮的是如何通過移動通信協(xié)議棧中接入層里的參數(shù)來控制UE的切換策略,此類參數(shù)變化得十分頻繁,在UE處于靜止或者低速移動的時候會適用,但是當UE比較活躍的時候效果通常不是很理想。在傳統(tǒng)的終端協(xié)議棧中,非接入層從接入層獲取到終端所處的網(wǎng)絡信息,一旦有更優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡就會發(fā)起網(wǎng)絡切換的信令流程。換句話說,非接入層可以控制UE的網(wǎng)絡切換。

本文正是基于此理論基礎,從非接入層入手,采取一種延遲切換的策略,即非接入層檢測到可以切換到5G網(wǎng)絡的時候,先等待一段時間,如果這段時間過后5G網(wǎng)絡仍然適合駐留,非接入層則發(fā)起網(wǎng)絡切換流程切換到5G網(wǎng)絡。反之,如果這段時間過后5G網(wǎng)絡已經(jīng)不適合終端駐留,此時UE就一直留在4G網(wǎng)絡當中,從而減少網(wǎng)絡切換的次數(shù)。本方法只需對終端的移動通信協(xié)議棧中的非接入層進行修改。這種方法對核心網(wǎng)來說是透明的,并且可以通過對終端進行固件升級來實現(xiàn),采取本方法所需要的成本代價較低。

1 系統(tǒng)間切換流程

本節(jié)闡述了處于空閑態(tài)(IDLE)下的UE在4G網(wǎng)絡和5G網(wǎng)絡之間切換的信令流程。首先簡要介紹與切換相關(guān)的3個流程,分別為5G的注冊流程、4G的跟蹤區(qū)域更新流程(tracking area update, TAU)和4G的附著流程。然后再通過這3個流程來講述處于IDLE態(tài)下的UE是如何在4G和5G網(wǎng)絡間切換的。

1.1 注冊流程

在5G終端中,非接入層的移動性管理功能的典型流程是注冊過程和去注冊過程。根據(jù)終端當前的狀態(tài),可以將注冊過程分為初始注冊流程和周期性或移動性更新注冊流程兩種。UE處于去注冊狀態(tài)的時候向網(wǎng)絡發(fā)起的是初始注冊流程,UE處于注冊狀態(tài)的時候通過移動性注冊流程向網(wǎng)絡報告位置信息。在5G網(wǎng)絡中,移動性管理功能(access and mobility management function, AMF)由網(wǎng)元負責。

在非接入層中,UE發(fā)起注冊流程的信令流程如圖1所示,圖中虛線部分為有條件執(zhí)行的部分,有安全上下文的情況下一般不執(zhí)行,如果網(wǎng)絡驗證注冊請求的完整性校驗不通過,則會開啟非接入層的安全流程。

圖1 注冊流程信令圖Fig.1 Signaling diagram of registration process

如果注冊請求消息驗證通過的話,AMF會回復注冊接受消息,其中主要包含著周期性更新時間定時器T3512的數(shù)值,也會包含用于移動性管理的跟蹤區(qū)域列表(tracking area list,TAL)。在注冊接受消息里面，AMF還可能會為UE重新分配5G-GUTI(5G globally unique temporary UE identity),如果包含此參數(shù)則AMF要開啟定時器T3550直到收到UE的注冊完成消息。

1.2 跟蹤區(qū)域更新流程

在LTE(long term evolution)中,由網(wǎng)元MME(mobility management entity)負責移動性管理的功能。處于IDLE態(tài)下的UE和MME分別存儲一個相同的TAL。當UE檢測到進入不屬于列表內(nèi)的跟蹤區(qū)域(tracking area, TA)時,UE會發(fā)起TAU流程,用此流程向核心網(wǎng)報告當前的位置,并請求核心網(wǎng)重新分配TAL。TAU流程的信令交互過程如圖2所示,當切換的時候連接的MME發(fā)生了變換或者在同一個MME下TAU次數(shù)達到了臨界值的時候,網(wǎng)絡會觸發(fā)安全流程。

圖2 TAU信令圖Fig.2 Signaling diagram of TAU

在TAU過程中,網(wǎng)絡可能在TAU接受信令中為UE重新分配一個GUTI,此時UE要回復TAU完成表示新的GUTI正式投入使用。

1.3 附著流程

Attach流程用于UE附著到4G核心網(wǎng),如圖3所示,和5G的注冊流程類似,但是4G中由于要實現(xiàn)IP永久在線的功能,所以在附著流程中必須為UE建立一個默認承載。其中,安全性流程在初次接入時是必須執(zhí)行的,但在隨后與網(wǎng)絡進行信令交互的時候,網(wǎng)絡隨時都有可能啟動安全性流程來進行與UE的雙向鑒權(quán)。

圖3 附著流程信令圖Fig.3 Signaling diagram of attach process

1.4 網(wǎng)絡切換

在3GPP標準中為了使4G網(wǎng)絡和5G網(wǎng)絡的互操作更加方便,在AMF和MME之間特地設立了N26接口,用來實現(xiàn)兩代網(wǎng)絡之間的無縫連接。但N26接口是可選項,有的AMF和MME之間可能不支持N26接口。如果終端連接的移動性管理實體支持N26接口的話,終端在4G和5G之間切換時有無縫切換和斷開重連兩種選擇,如果當前的AMF或MME不適配N26接口,網(wǎng)絡之間的變換時只能斷開重連。

如果UE駐留在5G網(wǎng)絡下要切換至4G網(wǎng)絡,此時要分兩種情況:AMF支持N26接口和AMF不支持N26接口。

如果AMF支持N26接口,如圖4(a)所示,UE只需要發(fā)起TAU流程,AMF通過N26接口把各種信息映射給MME,這種操作對于UE來說就跟一直駐留在4G網(wǎng)絡一樣。如果AMF不支持N26接口,UE只能與原先網(wǎng)絡斷開重連,如圖4(b)所示,此時UE同樣也需要發(fā)起TAU流程,但會收到網(wǎng)絡的TAU拒絕信息,UE收到此信息之后需要發(fā)起附著流程來正常駐留到4G網(wǎng)絡。

圖4 5G切換到4G信令流程Fig.4 Signaling process of 5G switching to 4G

如果UE駐留在4G網(wǎng)絡下要切換到5G網(wǎng)絡,無論UE連接的MME是否支持N26接口,對于UE來說都要發(fā)起注冊流程。N26接口在這種情況下只影響各個網(wǎng)元內(nèi)部的信令流程,對于終端來說是透明的。

2 延遲切換策略

延遲切換策略僅在UE側(cè)決定是否進行網(wǎng)絡切換,對于網(wǎng)絡側(cè)是透明的,網(wǎng)絡側(cè)不需要有任何更改。令表示4G網(wǎng)絡覆蓋的區(qū)域,表示5G網(wǎng)絡覆蓋的區(qū)域,如圖5所示。由于4G網(wǎng)絡推行時間比5G網(wǎng)絡早得多,所以可以認為4G網(wǎng)絡是全面覆蓋的,5G網(wǎng)絡在4G網(wǎng)絡的覆蓋范圍內(nèi)部分覆蓋。也就是說,能使用5G網(wǎng)絡的地方一定可以使用4G網(wǎng)絡,在4G網(wǎng)絡的覆蓋范圍不一定有5G網(wǎng)絡的覆蓋。

圖5 網(wǎng)絡覆蓋示意圖Fig.5 4G and 5G coverage architecture

下面用一個情景來描述本文的延遲切換模型。UE在此區(qū)域內(nèi)自由移動,在時刻,UE移動到并且在里面逗留時間為,在時刻+,UE又回到了并逗留時間。在標準的3GPP協(xié)議里,在時刻的時候,UE檢測到了5G網(wǎng)絡適合駐留，于是就會進行切換來使用5GNR提供的服務。在時刻+,5G信號丟失,UE再次執(zhí)行切換流程來接入LTE網(wǎng)絡,于是在這個時間段里總共執(zhí)行了兩次網(wǎng)絡的切換。如果UE僅僅是經(jīng)過,換句話說UE在里的逗留時間很短,那么在這段時間內(nèi)有業(yè)務到來的可能性也很低,執(zhí)行兩次切換就顯得沒有必要。

為了避免這樣沒有必要的切換,本文提出了延遲切換的方法,在檢測到5G信號并且準備切換的時候先等待一段時間,于是產(chǎn)生了兩種情況,一是當≥時,逗留時間比延遲時間長,UE依舊會執(zhí)行兩次網(wǎng)絡切換。另一種情況是當<時,在上述的情景下就不會發(fā)生網(wǎng)絡切換。

另一方面需要考慮的是用戶體驗,用戶更換支持5G網(wǎng)絡的手機是希望能獲得更高速更優(yōu)質(zhì)的服務,用戶更加希望當一個業(yè)務到來的時候手機使用的是5G的網(wǎng)絡。而且目前使用5G的人數(shù)并不多,在5G網(wǎng)絡上處理業(yè)務也算在某種程度上減輕了4G網(wǎng)絡的負擔。可以看出,延遲的時間越長,能避免更多的切換,但是同時用戶體驗會降低。本文隨后會分析延遲時間與切換次數(shù)和用戶體驗的數(shù)學關(guān)系,并對此分析進行仿真驗證,最后用分析結(jié)果來對兩者進行權(quán)衡。

3 建模與求解

本節(jié)建立分析模型對延遲切換策略進行分析,此處主要分析兩個指標,分別是切換次數(shù)減少比例()和用戶體驗降低比例()。

切換次數(shù)減少比例():假設兩個業(yè)務的到達時間間隔為,令表示在內(nèi)進入和離開的次數(shù),表示內(nèi)執(zhí)行網(wǎng)絡切換的次數(shù)。所以當=0時,=。令E[()|≥1]為參數(shù)為的延遲切換算法時執(zhí)行切換的平均次數(shù),E[(0)|≥1]為使用傳統(tǒng)方式時執(zhí)行切換的平均次數(shù),于是定義()為

(1)

可以看出,()越小代表網(wǎng)絡切換次數(shù)減少得越多。圖6和圖7描繪了UE在內(nèi)移動的兩種情形的時間軸。

圖6 下一個業(yè)務到來時UE在ANFig.6 The next call arriving when the UE is in AN

圖7 下一個業(yè)務到來時UE在ALFig.7 The next call arriving when the UE is in AL

用戶體驗降低比例():令()為參數(shù)為的延遲切換算法時下一個業(yè)務到來時正使用5G網(wǎng)絡的概率,(0)為用傳統(tǒng)方式時下一個業(yè)務到來時正使用5G網(wǎng)絡的概率。定義()為

(2)

可以看出,()越接近于1代表著用戶體驗降低越不明顯。

圖6表示的是下一次業(yè)務到來時UE處于內(nèi)的情形,圖7表示的是下一次業(yè)務到來時UE不在內(nèi)的情形。其中,,表示在前一次業(yè)務完成后UE第次進入,,表示前一次業(yè)務完成后UE第次進入。,0表示一開始在內(nèi)的時間。在分析模型里,本文做出以下兩個假設。

業(yè)務到達間隔時間服從參數(shù)為的指數(shù)分布,其概率密度函數(shù)為()=e- 。這樣假設是因為泊松過程被廣泛應用與通信理論分析并取得較好的效果。

()=(1-)-

(3)

和

()=(1-)-

(4)

此處選用伽馬分布是因為其可以通過改變參數(shù)來模擬許多類型的分布,并且在通信領域中有許多用伽馬分布來反應UE的移動性的例子。

令,為UE第次進入時和下一次業(yè)務到來之間的時間間隔,由于符合指數(shù)分布,根據(jù)泊松分布的性質(zhì),,與服從相同的分布,則其概率密度函數(shù)()=e- 。

3.1 切換次數(shù)減少率r(td)

下面將分別推導傳統(tǒng)模式和采取延遲策略后的平均切換次數(shù),最后將兩部分結(jié)合得出切換次數(shù)減少率。

311 傳統(tǒng)模式的平均切換次數(shù)E[]

由圖6和圖7可知,是上一次業(yè)務結(jié)束到第一次進入的這一段時間,即是,0的剩余壽命時間,令()為的概率密度函數(shù),根據(jù)剩余壽命定理,隨機變量的特征函數(shù)為

(5)

,()=()[()()]

(6)

,()=()()[()()]

(7)

下面分別討論圖6與圖7兩種情況,然后結(jié)合兩種情況最終得出[=]。

首先考慮圖6的情況,下一次業(yè)務到來的時候UE位于。在這種情況下,切換次數(shù)肯定是奇數(shù)且, <<, ,此時=2+1,于是可以得到

[=2+1]=[, <<, ]=

(8)

繼續(xù)考慮圖7的情形,下一次業(yè)務到來的時候UE位于,在這種情況下,切換次數(shù)肯定是偶數(shù)且, -1<<, ,此時=2,同理可以得到

(9)

繼而可得

(10)

于是

(11)

312 延遲策略的平均切換次數(shù)E[()]

定義為在,時沒有下一個業(yè)務到來的情況下,執(zhí)行了網(wǎng)絡切換流程的概率,即

(12)

定義為在,時下一個業(yè)務到來的情況下,執(zhí)行了網(wǎng)絡切換流程的概率,即

(13)

此處同樣分兩種情形來討論,然后得出[()=]。

首先討論圖6中的情形,在這種情況下,UE進行了2+1次穿越,其中訪問次和+1次,在第2+1次穿越之前,如果UE進行了網(wǎng)絡切換,則切換肯定是成對出現(xiàn)的,所以在圖6的情形中,如果網(wǎng)絡切換次數(shù)為偶數(shù),則表明在最后一次進入的時候沒有進行切換,如果網(wǎng)絡切換次數(shù)為奇數(shù),則表明最后進入時進行了切換,于是可以得到

(14)

接著討論圖7中的情形,此時網(wǎng)絡切換必定是成對出現(xiàn)的,所以切換次數(shù)必然是偶數(shù),于是可以得到

(15)

結(jié)合式(14)與式(15):

(16)

將式(8)、式(9)、式(12)～式(15)代入式(16)可得

(17)

根據(jù)式(17)可得

(18)

最后將式(11)和式(18)代入式(1)就可以得到切換次數(shù)減少比例()。

3.2 用戶體驗降低比例ρ(td)

實際上當UE在和間移動的時候形成的隨機過程其實是一個交替更新過程。當UE沒有設置延遲時間的時候,根據(jù)交替更新過程的性質(zhì)易得下一個業(yè)務到來的時候UE注冊在的概率(0)為

(19)

同理,加上了延遲時間之后,下一個業(yè)務到來的時候UE注冊在的概率()為

(20)

(21)

將式(19)、式(20)和式(21)代入式(2)可得

(22)

4 仿真與分析

本節(jié)首先通過仿真來驗證上述模型推導出的公式的準確性,然后在此基礎上分析()和()隨著參數(shù)的變換規(guī)律。此處采用蒙特卡羅仿真的方法,此方法廣泛地應用在通信領域的研究中。本文的參數(shù),和按照一定的比例來進行設置,例如E[]=1=50 min,設=110表示此處設置的延遲時間為5 min。

表1中的誤差是由分析值減仿真值的絕對值除仿真值得出來的,可見每種參數(shù)對應的誤差都小于005,這證明了仿真和第3節(jié)中得出的公式是正確的。下面將分析在延遲切換的方案下UE的移動對()和()的影響。

表1 分析值與仿真值的誤差分析

關(guān)于UE的移動的輸入?yún)?shù)有和兩個,這兩個停留時間分別由其分布的均值和方差確定。表2中展示了變化時的情況,可以看出,的變化對結(jié)果是沒有影響的,也就是說()和()與在4G網(wǎng)絡中的逗留時間是獨立的,這是因為延遲切換策略僅在UE處于5G網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)才生效,所以僅與UE在5G網(wǎng)絡下的逗留時間有關(guān)。

表2 ηl對結(jié)果的影響

圖8 ηn和td對r(td)的影響Fig.8 Influence of ηnand tdon r(td)

圖9 ηn和td對ρ(td)的影響Fig.9 Influence of ηnand tdon ρ(td)

圖10 Q值隨td的變化曲線Fig.10 Curve of Q changing with td

圖11 性能對比Fig.11 Performance comparison

圖12和圖13是在E[]=1=50 min,=100的情況下仿真出來的結(jié)果,其反映的是方差變化時對()和()的影響,當方差變大時,UE每次在5G網(wǎng)絡覆蓋范圍的停留時間變化得更大,即停留時間隨著均值的波動會增大。

圖12 vn和td對r(td)的影響Fig.12 Influence of vnand tdon r(td)

圖13 vn和td對ρ(td)的影響Fig.13 Influence of vnand tdon ρ(td)

從圖12可以看出,隨著方差變大,()會明顯降低,這是因為當方差變大時導致部分停留時間變大,部分停留時間變短,變大的那一部分停留時間相比之前的很有可能已經(jīng)進行了切換,所以這段時間變大的話并不會明顯增加信令消耗,但是停留時間變小的那一部分則會使停留時間小于延遲時間,從而避免了切換來減少信令消耗,所以當方差變大時()會顯著降低。同理,方差變大時,停留時間變小的那部分本來有業(yè)務到來的幾率就很小,所以這部分對()的影響不大,但是停留時間變大那一部分很有可能會有業(yè)務到來,所以會造成圖13中隨著方差變大,()也會明顯增加的現(xiàn)象。綜上所述,當方差變大時,延遲切換策略的性能會變得更好。

5 結(jié) 論

本文使用延遲切換策略來減少終端在4G網(wǎng)絡和5G網(wǎng)絡之間無意義的切換,通過建模和仿真可以看出此方法在大大減少切換次數(shù)的同時還能保證用戶體驗質(zhì)量不會降低得太明顯,從而減少終端的信令和電量的消耗。在實際應用中,終端可以根據(jù)其本身的移動狀態(tài)得出參數(shù)然后導入本文的模型當中,從而通過本文的模型和分析選取合適的延遲時間。