面向5G的移动性管理关键技术探讨

赵明宇+胡志远+唐建国

【摘 要】为了应对5G业务多样性给移动性管理带来的挑战，首先对移动性管理的技术现状进行了分析，总结了现有移动性管理方案面临的问题，然后基于软件定义网络的思想，结合3GPP正在制定的5G标准文稿中对移动性管理的需求，提出了面向5G的按需移动性管理的划分级别，并探讨了IETF提出的分布式移动性管理技术面临的挑战及发展趋势，为5G按需移动性管理技术的标准制定提供参考。

【关键词】按需移动性管理 分布式移动性管理 软件定义网络 5G

中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：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5G的标准化进程，我国的IMT-2020（5G）推进组已经组织完成了第一阶段的5G单点测试工作，目前正在进行第二阶段的5G外场测试。全球各大设备公司、运营商都在积极布局5G，展开预研，并纷纷发布5G白皮书。5G处在发展的关键时期，SDN（Software-Defined Networking，软件定义网络）、NFV（Network Function Virtualization，网络功能虚拟化）、物联网、云计算等都是当前的研究热点。

相比LTE的移动宽带场景，关于5G，ITU定义了移动宽带增强、低时延高可靠和大规模物联网三大场景。可以看出，5G的业务将非常多样化，同时，5G的性能要求高，拥有分布式的用户面、基于服务的全新架构等，这些都给移动性管理带来了诸多挑战，要求移动性管理的粒度更细、配置更加灵活等。目前现有的移动性管理机制相对静态，粒度较粗，适应场景单一，因此需要按需完善移动性管理机制以满足5G的需求。

2 现有移动性管理技术

现有的移动性管理技术方案主要为3GPP的移动性管理实体结合GTP（GPRS Tunneling Protocol，通用分组无线服务技术隧道协议），以及3GPP2的MIP（Mobile IP，移动IP）等技术，这些技术仅支持特定条件下的移动性管理。这种特定的解决方案适用于某种给定的移动性场景，而可能并不适用于其他普遍性场景。

GTP是2G/3G和LTE的核心协议：在基站和核心网网元之间建立隧道，将用户数据封装在隧道里进行传输。GTP协议在用户面，因引入GTP头，从而导致开销增大；而在控制面，需要大量的信令来维持GTP隧道；同时，还存在路由迂回及不支持多种接入技术间的无缝切换等问题。现有的这种移动性管理方案是基于集中式的架构，具有单点故障风险和抗攻击能力弱的问题；这种特定移动性支持方法相对静态，难以支持未来多种终端多样移动性服务的需求；也较难实现较小粒度的移动性管理[1]。

现有的MIP技术方案，由于数据的发送路径和接收路径不同，会产生“三角路由”问题。同时，还存在单点可靠性低、无法满足多样移动性需求等问题。

5G的基于服务的网络架构具有更加扁平化、数据面下沉、控制转发分离、控制功能服务化等特性，移动性管理技术要适应网络架构的变化趋势，同时还要满足5G业务多样化、网络智能化的要求。面对移动性管理场景的多样性，以及未来可能爆发出现的新业务导致的新移动性场景时，现有的移动性解决方案并不能支持或进行灵活地处理。

3 面向5G的移动性管理技术

SDN、NFV及云计算是5G网络的技术驱动力，硬件标准化、模块化，以及软件虚拟化、自动化将是主要发展趋势。在未来的5G网络架构中，网络和业务资源的部署将转向各种类型的数据中心。对低时延和高吞吐的业务而言，则必须靠近用户才能满足时延、带宽等需求[2]，使得大量的网络功能将在边缘实现云化，从而形成5G网络的边缘节点，并形成统一的分布式数据中心。网络架构进一步的扁平化、控制与转发分离等，都会对移动性管理产生重大影响，未来5G业务、终端及商业模式的多样性需要按需的移动性管理。endprint

3GPP发布的5G网络架构的研究报告TR23.799[3]和正在制定的技术规范TS22.261[4]、TS23.501[5]及TS23.502[6]中，提出了对5G的按需的移动性管理需求，包括：1）在其整个使用生命周期内静止（例如嵌入在基础设施中的传感器）；2）在激活期间静止，而在激活的间隔期是游牧的（例如固定接入）；3）在受限和明确定义的空间内（例如，在工厂中）移动；4）完全移动。5G网络将允许运营商基于UE或UE组的移动性模式（例如固定，游牧，空间受限的移动性，完全移动性）来优化网络行为（例如移动性管理支持）；5G系统应使运营商能够指定和修改为UE或UE组提供的移动性支持的类型；5G系统应为仅使用移动通信的UE或UE组优化移动性管理支持。

如何通过划分及实现不同的移动性级别来支持按需的移动性管理是一个关键问题，3.1小节将针对这一问题进行探讨。分布式的移动性管理方法由于更能适应网络架构扁平化的发展趋势而受到了越来越多的关注，IETF（The Internet Engineering Task Force，互联网工程工作组）更是成立了DMM（Distributed Mobility Management，分布式移动性管理）工作组来组织和推进DMM研究，本文将在3.2小节对分布式移动管理进行探讨。

3.1 按需的移动性管理

现有的移动性管理不能满足未来业务多样性导致的多种级别移动性的需求。诺基亚公司认为5G网络中将有约70%的终端设备是静止不动的，而移动的终端仅占30%，如智能抄表系统中的水/电/燃气表，以及森林防火预警系统中检测降水及温湿度的大量传感器等，都是位置固定不动的，这些设备并不需要移动终端所需的切换控制、位置频繁更新等复杂的移动性管理[7]。此类大部分时间处于低功耗的无移动性模式的设备仅当需要时才通过本地锚点使能移动性管理。而对于要求网络时刻在线的智能手机，以及要求超低端到端时延和超高可靠性的无人驾驶机、远程机器人等移动设备，则需要通过较高位置的集中的IP锚点，来实现灵活的移动性管理。按需的移动性管理如图1所示：

综上所述，5G网络需要提供按需的移动性管理来满足不同场景和多样性的业务需求。网络侧移动性管理要实现包括在激活状态下维护会话的连续性和在空闲状态下保证用户的可达性。在激活和空闲两种模式下，移动性可分为多个级别，对其进行组合使用，可根据终端的移动模型和其所使用业务的特征，采用不同的移动性管理机制。在提供按需的移动性管理时，系统首先要确定终端及业务类型所要求的移动性支持级别，然后配置系统资源以提供给终端相应的移动性管理机制。当终端处于激活状态时：

（1）高移动性：配置较高位置的用户面锚点和相应的隧道，保证会话的连续性。

（2）受限的移动性：仅在某些限定的区域内（如某企业等）配置区域内的用户面锚点，并在区域内保证会话连续性。

（3）无移动性：会话建立的时候不配置用户面锚点，当终端移动到一个新的区域时，重新建立会话。

当终端处于空闲状态时：

（1）保留IP：在由多个小区组成的跟踪区域内，网络跟踪终端的移动，当数据包到达网络时，进行寻呼并传送数据。

（2）触发：在由多个小区组成的跟踪区域内，网络能够跟踪终端的移动，当需要终端上报数据时，网络发送广播来激活设备，建立会话连接。

（3）无移动性：网络不检测用户是否可达，只有当终端醒来并主动和网络联系时，才能发送上下行数据。

当终端为智能手机时，对VoIP、在线游戏、短消息、自适应流媒体等不同业务，在空闲模式下都会保留IP；但在激活状态，前两者需要高移动性，而后两者则不需要移动性。大规模的IoT小报文是典型的长期休眠而偶发通信的类型，如智能抄表设备，业务类型为上传数据和设备管理，不需要移动性，只需在空闲状态下，采用触发模式即可。对于儿童定位跟踪设备等类型，则只需按时上传位置信息，而不需要任何会话连续性管理。无线连接具有便捷性，在仅是为了避免使用有线连接的情况下，则并无移动性的需求。统计数据显示，移动用户在无线接入时，其中平均超过2/3的时间是无移动的。

可以预测，未来大规模的IoT设备有70%是不需要移动的。未来的IoT终端处理能力可能不高，所以需要基于网络侧的移动性管理方案来支持。但在车联网场景中，由于车辆的高速移动会带来频繁的小区切换，针对此问题，同时出于对时延和安全的考虑，可以借助MEC（Mobile Edge Computing，移动边缘计算）来解决，但车辆是否可以参与移动性管理有待进一步探讨。

提供按需的移动性管理有助于更有效地利用网络资源，降低回程流量，减少核心网的资源，优化成本。灵活的移动性包括两部分：1）管理激活设备的移动性；2）保持对空闲省电模式下设备的可达性。灵活的激活移动性由两部分组成：1）支持灵活的IP锚点；2）仅当需要时才保持移动性。

3.2 分布式移动性管理技术

网络架构由集中分层的形式向扁平化发展，早期的移动性管理采用的是相对应的集中式的移动性管理方法，即通过集中的移动性管理锚点来确保移动终端的可达性（即使移动终端未连接到其归属域），典型的如MIPv6的集中式移动性管理锚点HA（Home Agent），PMIPv6的集中式移动性管理锚点LMA（Local Mobility Anchor）等。集中的移动性管理的锚点，控制面和数据面紧耦合，控制面负责维护移动终端的移动性上下文，数据平面负责处理数据包的路由。虽然这种集中式的架构不断地在进行演进优化，但仍存在难以克服的问题，如网络带宽瓶颈带来的扩展性问题，单点失效及次优路由等[1， 8-9]。分布式移动性管理方案的提出正是为了解决上述问题。

IETF给出了对DMM的要求，归纳如下：1）出于对数据平面路由优化的目的，DMM的关键在于数据平面的分布式，而不要求控制平面是否为分布式。因此，基于控制与转发分离的架构，根据控制面是否为分布式可分为完全DMM和部分DMM两种方案：部分DMM的方案是控制面集中而用户面分布，而完全DMM方案是控制面和用户面全部为分布式。2）支持活跃会话时的固定IP地址，同时也能够支持在移动中更换IP地址。3）为满足多样化的需求，单个会话的移动性管理顆粒度应能动态选择。4）应以IPv6为基础，并考虑与现有协议的兼容问题，及在不同网络上的互操作性问题。5）须考虑全网的安全问题。endprint

目前要滿足DMM的需求，仍面临众多的挑战，如如何实现分布式处理，如何避开网络层的移动性支持等。只有通过分布式处理及避开网络层的移动性支持，才能实现路由的最优化及满足多样性的需求。这要求DMM方案具有动态锚点分配和多IP地址管理等功能。针对不同的会话，一个移动终端应该使用多个锚点以实现最优化，同时在会话进行过程中，可以动态地切换锚点，而当前为静态分配锚点，即只在会话开始前，一个移动终端连接在一个最优选择的锚点上，会话进行过程中，锚点不能改变。多IP地址管理允许移动节点基于应用的需求选择合适的地址，这个功能要求一个移动节点在拥有多个IP地址的同时，为满足应用、会话、服务的需求来选择最优地址。

DMM的研究内容可划分为“演进性”的方法和“革命性”的方法[9]。“演进性”的方法即出于兼容现网和快速部署的目的，对现有的移动IP协议进行改进。“革命性”的设计方案则是摈弃传统集中式架构的缺点，重构网络以适应未来移动性的需求，典型的如基于SDN的方案。SDN架构具有全局视图，能够快速应对网络路由改变。 SDN的控制转发分离、软件定义接口、控制集中化等为DMM提供了技术基础，尤其是对部分DMM。文献[10]和[11]都提出了基于SDN的部分DMM方案。

4 结束语

本文分析了现有的移动性管理技术存在的问题，针对3GPP目前的已经达成的5G标准共识，提出了移动性管理的级别划分，以满足按需移动性管理的需求。同时，还分析了IETF提出的分布式移动性管理技术。移动性管理是5G的关键技术之一，目前仍有很多问题需要一一攻克。未来对该领域的研究可以考虑利用大数据技术来预估路径，用于预测移动性的切换管理，可应用于车联网中高速移动的车辆，结合车辆移动的规律性及目的地，实现精确的移动预测。

参考文献：

[1] 靳浩. 未来移动互联网的移动性管理架构研究[J]. 信息通信技术， 2015（2）： 47-52.

[2] 上海贝尔. 上海贝尔2016年信息通信网络技术展望[N]. 通信产业报， 2016-01-04.

[3] 3GPP TR 23.799-2016. Study on Architecture for Next Generation System （Release 14）， V 14.0.0[S]. 2016.

[4] 3GPP TS 22.261-2017. Service requirements for the 5G system， Stage 1 （Release 15）， V2.0.0[S]. 2017.

[5] 3GPP TS 23.501-2017. System Architecture for the 5G System， Stage 2 （Release 15）， V0.4.0[S]. 2017.

[6] 3GPP TS 23.502-2017. Procedures for the 5G System， Stage 2 （Release 15）， V0.3.0[S]. 2017.

[7] Harrison J Son， Chris Yoo. E2E Network Slicing - Key 5G technology ： What is it？ Why do we need it？ How do we implement it？[EB/OL]. （2015-11-27）[2017-05-15]. http：//www.netmanias.com/en/？m=view&id=blog&no=8325.

[8] IETF RFC 7429-2015. Distributed Mobility Management： Current Practices and Gap Analysis[S]. 2015.

[9] 王欢. 分布式移动性管理协议研究[J]. 软件， 2015，36（2）： 80-85.

[10] 赵明宇，严学强. 基于SDN的移动性管理机制探讨[J]. 电信科学， 2015，31（4）： 156-160.

[11] Hyunsik Yang， Kyoungjae Sun， Younghan Kim. Routing Optimization with SDN， draft-yang-dmm-sdn-dmm-05.txt[EB/OL]. （2016-01-07）[2017-05-16]. https：//tools.ietf.org/html/draft-yang-dmm-sdn-dmm-05.endprint