MEC辅助的Inactive状态用户动态位置管理方案

曹春燕，黄晓舸，范夏言，陈前斌，程克非

(重庆邮电大学 移动通信技术重庆市重点实验室，重庆 400065)

0 引 言

移动通信的飞速发展致使涌现出了大量各种各样的新型业务，现有的网络架构无法满足用户(user equipment, UE)极致的体验和多元化的用例。5G通信网络将向着终端形态的多元化、新业务的灵活化、网络架构融合化的目标方向发展。国际电信联盟(international telecommunication union, ITU)规划了5G所涵盖的三大应用场景：增强移动宽带、大规模机器类通信和超高可靠性低时延通信[1-2]。5G白皮书指出，5G移动通信网络将支持超高的接入速率，超高的可靠性、超高的低延时用户体验，满足超高的流量密度、超高的连接数密度和超高的移动性接入需求等[3]。

为支持5G网络中各种场景，同时满足低时延、高可靠和低功耗的传输性能需求，无线接入网(radio access network，RAN)中提出一种新的RRC Inactive状态[4]。该状态处于RRC连接的轻度休眠状态，保留用户(user equipment, UE)和网络接入层信息，实现休眠状态和连接状态快速的转换。

目前LTE中有2种RRC状态：Idle和Connected[5]。RRC Idle状态可以最小化UE功率消耗、减少网络资源的使用以及存储器的消耗。UE控制移动性，通过寻呼与网络建立联系，且不需要发送测量报告[6]。RRC Connected为UE建立了RRC连接，当UE连接到网络时，可用于连续数据传输。而非连续接收(discontinuous reception, DRX)常用于此状态的节省功率[7]，其移动性由网络控制。5G网络中保留了传统状态，并新定义了RRC Inactive状态。新状态保留RAN和核心网间的通信接口，即UE用户平面和控制平面仍处于连接状态。当UE从RRC Inactive状态转换到RRC Connected状态时，能快速接入系统实现数据快速传输[8-11]。

寻呼是由网络触发定位UE的系统接入过程，UE在移动过程中需要进行位置跟踪以便寻呼[12-13]。基于Inactive状态特点，目前的寻呼和位置更新都由RAN控制[14-16]。然而这种寻呼和位置跟踪方案存在许多不足，如：寻呼需要锚点gNB缓存数据，缺乏有效的UE位置管理等。因此，本文提出一种MEC辅助的UE数据包缓存和动态位置管理方案，同时详细描述相应的MEC网络架构和装置[17-20]。

1 RRC Inactive状态概述

UE为节省功率消耗，当没有数据收发时，UE可以关闭其接收和发射装置。与活跃状态相比，Inactive状态下UE可以实现更长的待机时间，且当UE需要发送数据时能够快速建立连接并发送第一个分组。在LTE中，DRX能在RRC Connected和RRC Idle状态下应用以降低UE功率消耗[7]。RRC Idle状态即为UE休眠状态，其通信过程和UE行为已经被优化以节省功率。在RRC Idle状态下，移动性由UE控制，网络通过寻呼定位UE。

Idle状态下可保留DRX来实现系统快速接入和数据快速传输。RRC Connected过程将数据传输过程进行了优化，但功率消耗依然大。对于长时间处于Inactive状态的UE，该方案性能欠佳。相反，采用可配置定时器，将UE释放到RRC Idle状态将更有效。该方案下，第一个分组传输需要UE从RRC Idle转换到Connected状态，而此过程需要大量信令来建立RRC连接，导致网络延迟。

5G网络中UE状态设计不仅需要满足控制平面延迟，考虑小分组数据的频繁传输和接收请求，同时需要最小化从低活跃状态转换到正常连接状态的信令开销。

1.1 RRC Inactive状态特点

RRC Inactive状态可优化UE在低活跃期间设备能耗，同时最小化UE传输第一个分组的延迟。状态设计的关键问题是UE从RRC空闲状态转换到连接状态时，如何实现第一个分组的快速传输。

Idle状态到Connected状态之间的转换需要大量信令来建立UE的接入层上下文，并且数据包到达UE的延迟较大。5G中定义的RRC Inactive状态能在Idle状态和Connected状态之间提供快速轻便的状态转换，可以降低频繁状态转换时控制平面信令开销，接入系统的时间更快。

Inactive新状态的引入能够使UE始终处于与核心网络连接的状态，并且还能保存UE用于接入网络的上下文，因此，使得UE在必要的时候能够快速返回到RRC Connected状态。在该状态，为了降低功耗和节约资源，UE的无线资源大部分被释放，只有核心网络和接入网之间的用户面和控制面仍然处于RRC连接状态(即保持“永远在线”)。UE Inactive状态的主要特点有以下几点[8]。

①从核心网(core network，CN)角度看，RAN-CN之间的接口始终处于连接状态。

②RAN控制UE的移动性和寻呼的可达性,RAN和CN功能分离。

③从RAN角度，可以暂停UE RRC Connected状态的一些UE内容信息。

④UE的性能可以基于提供给UE的服务需求配置，如：允许网络切片的特定状态配置。

⑤轻量级信令过程用于暂停和恢复UE RRC连接状态。

⑥在连接和节能模式之间提供快速轻便的状态转换，降低频繁状态转换时控制平面信令开销。

⑦可以满足减少控制平面延迟的要求。

1.2 RRC Inactive状态转换

5G通信系统中，RRC状态包括Idle，Connected和Inactive，不同的RRC状态间的转换如图1所示。在RRC Inactive状态下，RAN与CN之间处于连接状态，RAN在这期间可以暂停UE与RAN之间的RRC连接。其中，UE可以处于Idle，Connected和Inactive这3种状态。RRC Idle状态可能很少被用到，例如，可能只用作当RRC恢复失败时的恢复状态。

当gNB检测到UE处于低活跃状态，且UE当前在用户平面中没有传输数据时，发生状态转换。UE转换为RRC Inactive状态时，最后一个为UE提供服务的gNB向UE发送RRC Suspend信令。信令中至少包含恢复识别标识(ID，如最后为UE服务的gNB ID)，Inactive状态相关定时信息(例如注册周期)，UE可移动的跟踪区域和安全信息小区列表等。

当有数据传输请求时，UE将向当前gNB发送RRC Resume请求信令重新连接到网络，信令中至少包括UE ID、恢复ID，Inactive状态相关定时信息和验证UE上下文的安全信息。gNB通过RRC Resume完成信令响应UE，UE返回Connected状态执行数据传输。

图1 5G无线接入网络状态模型Fig.1 State model for 5G radio access network

1.3 移动性管理

网络向移动的UE提供无缝的服务称为移动性管理。对处于RRC Inactive状态的UE，即使UE高速度移动时，也可以提供如语音或实时视频连接服务，并维持所有移动性文件配置。新Inactive状态的移动性可以根据传输的不同需求进行配置，例如：设备能力、访问延迟、安全性要求和隐私等。

RRC Idle状态下的移动性由UE控制，RRC Connected状态的移动性由RAN控制。对始终处于RRC Inactive状态的UE，可由锚点gNB进行位置跟踪。5G网络中Inactive UE位置跟踪是基于RNA，UE在此区域内移动不执行RNA更新。当UE有数据业务时，网络能快速发起寻呼UE。

2 RAN发起的寻呼和位置跟踪方案

2.1 RAN发起的寻呼

图2为文献[16]中RAN发起的寻呼方案，当UE数据到达5G核心网络用户平面(NGC-UP)时，数据将转发到UE的锚点gNB。锚点gNB先缓存核心网络下发的MT数据，然后寻呼UE。

图2 Inactive状态RAN发起的寻呼过程Fig.2 Procedure of RAN initiated paging for Inactive state

锚点gNB通过RNA列表中的小区寻呼UE。它将寻呼消息发送给UE RNA列表中的所有gNB。这些gNB通过覆盖区域的小区对UE发起寻呼。锚点gNB需要保留与UE的RNA列表中所有gNB之间的接口。否则，将有大量的gNB间寻呼。

当UE接收到寻呼消息后，会执行从RRC Inactive状态恢复到Connected状态。如果UE驻留在锚点gNB以外的gNB中，RRC恢复过程应该还包括从锚点gNB获取内容过程。

2.2 UE位置更新

如果UE移动到RNA以外，它将发起RNA更新过程，如图3所示。

图3 基于RAN的RNA更新过程Fig.3 Procedure of RAN-based RTA update

经随机接入过程后，UE向当前gNB发送RNA更新请求消息。该消息包含锚点gNB地址的恢复ID，当前UE的RNA列表和认证UE的shortMAC-I。UE当前gNB收到RNA更新请求消息后，它将消息转发到锚点gNB。验证UE后，锚点gNB重定向RAN/CN接口到UE当前的gNB，或者仍保持不变，并回复RNA更新响应消息。UE接收到RNA更新响应消息后，向网络发送确认消息完成RNA更新过程。

2.3 RNA管理方案

UE位置管理主要包括寻呼和位置更新。为了对Inactive状态UE进行有效寻呼，减小寻呼和RNA更新信令总开销，需对UE位置进行管理。

5G网络中跟踪Inactive UE位置是RNA，UE在此区域内移动不执行位置更新。3GPP标准中为Inactive状态UE提出了3种不同粒度的RNA配置方法，分别为小区列表配置方案、RAN区域标识列表配置方案、跟踪区域标识列表配置方案[21-22]。

以上3种方案，在配置RNA问题方面各有千秋，其主要性能比较如表1所示。

表1 各方案主要性能比较

2.3.1 小区列表配置方案

每个Inactive UE需要通过专有信令配置一个小区列表作为RNA，每个UE可拥有不同的RNA。UE的RNA配置是小区级别，即最小的分配单元是一个小区。UE通过比较服务小区ID和从锚点gNB接收已配置的RNA ID，判断当前移动到的小区是否属于配置的RNA。

2.3.2 RAN区域标识列表配置方案

将核心网跟踪区域分为多个固定、不重叠的RAN区域，锚点gNB为Inactive UE配置一个RAN区域列表作为RNA。RAN区域标识由跟踪区域标识(tracking area identification，TAI)和RAN区域码(RAN area code，RANAC)部分组成。RANAC需要在系统信息中广播，UE通过检查服务小区系统信息中广播的RANAC判断RNA是否发生改变。为支持RNA的灵活配置，一个小区可属于多个不同的RNAs，因此，系统信息中需要同时广播多个RANACs。

2.3.3 跟踪区域标识列表配置方案

该方案是RAN区域ID列表的一种特殊情况，即一个跟踪区域中的小区共享一个或多个RANAC，RANAC可以省略。因此，当给UE配置RNA时，RAN区域ID可以只包含TAI。

2.4 现有方案缺陷

基于小区列表的RNA配置方案因其配置粒度小，只适用于寻呼率高的用户场景，即有周期性数据传输、移动速度缓慢、数据传输频率远高于移动速率的UE。对移动速度大的UE，小区列表配置的RNA对UE来说相对较小，UE在移动时跨越不同RNA，频繁产生RNA区域更新信令。同时，每个Inactive UE需要通过专有信令配置RNA，将产生大量的RNA配置专用信令开销。

基于RAN区域标识列表/跟踪区域标识列表的RNA配置方案因其配置的粒度大，只适用于移动率高的用户场景，即具有较低的数据传输频率但移动速度快，需要较大RNA的UE。对寻呼率高的UE，由RAN区域列表配置的RNA对UE来说相对较大，会因网络频繁寻呼UE而产生大量RAN寻呼信令。相对小区列表方案，UE具有更低的配置灵活性。每个小区广播小区ID是系统强制性的，而广播RAN区域ID会对基站小区增加额外信令开销，并且需要考虑每个小区和RAN区域ID之间的映射[23]。

综上所述，现存RNA方案存在配置不灵活、局限性大、网络复杂度大等问题。

3 MEC概述

3.1 MEC特点

MEC具有本地化、近距离、低时延等特点，使得其成为下一代通信网络基础架构的核心特征。它融合了无线网络和互联网技术，为RAN侧的移动UE提供了信息技术和云计算能力。MEC的本地化部署可以有效的提升网络速度，缩短网络时延[17]。MEC最大的特点是更加靠近UE端，其具体的部署位置可以根据的网络情况和运营商的需求等来确定。除此之外，MEC还有对位置和网络信息的获取的重要特征。

MEC服务器部署在RAN侧，能够面向多样化的上层应用。并且能向UE开放实时的无线网络信息等，然后提供与UE情境相应的实时业务。

3.2 MEC网络架构

MEC的网络框架图如图4所示，MEC有2种部署方案[18-19]。

1)MEC服务器部署在用户平面网关(user-plane gateway，UP-GW)旁，如图4中MEC服务器2所示，5G核心网络控制平面和用户平面功能分离后，UP-GW功能下沉到RAN侧或CN边缘。控制平面网关(control-plane gateway，CP-GW)驻留在CN侧。MEC 服务器部署在UP-GW处，相对于传统网络方案，可为用户提供低时延、高带宽服务。

2)MEC服务器部署在gNB旁，如图4中MEC服务器1所示，MEC是部署在gNB旁(一个或多个gNB)，使数据业务更靠近UE侧。UE发起数据业务后经gNB、MEC服务器，然后直接到达Internet(第3方内容提供商服务器)。

图4 MEC网络架构Fig.4 Network architecture of MEC

本文中考虑在gNB旁部署MEC服务器。该方案基于MEC架构可维持网络扁平化特点，不会引入额外的信令开销，基站间的信息交换以及基站与核心网之间的高效通信不受服务器影响。UE数据流量过大时，允许相邻基站间的特定接口进行直接任务卸载和协同处理，对于热点业务，可以直接将应用网络数据业务“下沉”，支持本地分流。MEC可承担基站的部分功能，减轻接入网负载，减小传输时延，同时显著降低网络拥塞。

MEC服务器应用层能够处理可用的实时信息。例如小区识别信息，UE位置，基站负载和吞吐量指示，定位功等能实现各种新的服务。

3.3 MEC装置总体结构

MEC装置总体图如图5所示，MEC装置总体分为3层：应用管理层、应用平台管理层、物理资源管理层[20]。

1)MEC应用管理层。MEC功能组件虚拟化，能够有效实现网络功能开放与调用。

2)MEC应用平台管理层。完成各种业务的对外接口适配功能，通过具体的应用程序接口完成和基站、上层的应用层之间的接口协议封装。

3)MEC物理资源管理层。提供MEC底层硬件的计算、存储、控制功能和硬件虚拟化组件，执行虚拟化的数据计算处理、缓存、交换和其相应的管理功能等。

图5 MEC装置总体图Fig.5 Overall picture of MEC

3.4 MEC功能装置

MEC功能装置如图6所示，MEC装置总体分为以下2个模块。

图6 MEC装置Fig.6 Device of MEC

1)数据缓存转发模块。在发起寻呼前缓存网络下发的UE数据包。等待RAN中gNB成功寻呼UE并建立RRC连接后，再将数据包经gNB转发给UE。

2)RNA算法处理模块。MEC根据统计的UE状态信息，如：寻呼率、移动速率、当前位置及在RNA中驻留的时间等，计算UE属性。根据UE属性对当前RNA重新调整以适应UE的需求，最后再将新的RNA下发给相应的UE。

4 MEC辅助的动态RNA配置方案

MEC辅助的动态RNA配置方案信令流程如图7所示。

图7 动态RNA配置信令流程Fig.7 Signaling process of dynamic RNA configuration

现存的RNA方案配置不灵活且局限性大[24]。因此，本文为Inactive UE设计了一种MEC辅助的动态RNA配置方案，将UE的寻呼率和移动速率作为参数，MEC根据收集的UE信息决定UE的属性，并执行动态RNA调整算法，以减少网络中RAN寻呼信令和RNA更新信令总开销，降低时延及网络复杂度。

4.1 MEC辅助Inactive UE状态信息收集

网络中不同UE具有不同状态，UE测量自身的状态信息并上报给锚点gNB，锚点gNB在UE从Connected状态进入Inactive状态前，通过RRC Release消息配置需要测量的信息，测量信息包括UE发送的寻呼率、移动速率、UE当前的位置信息及在RNA中驻留的时间等。UE可基于周期上报状态信息，如果上报周期缺失时默认使用RNA更新周期。UE也可基于事件触发上报状态信息，触发事件例如UE当前移动速度低于一定阈值等。

锚点gNB将UE上报的状态信息发送给MEC，由MEC存储UE上报状态信息。

4.2 MEC执行RNA算法

MEC将接收的UE状态信息存储后，将执行RNA算法。算法分为2个步骤，首先计算UE在网络中寻呼信令和移动信令开销的比率，判断UE属性即UE是属于数率优先型或速度优先型。然后，根据UE属性，MEC对UE的RNA执行动态调整，形成新的适合这个周期UE状态的RNA。

(1)

具体参数含义如表2所示。

表2 参数列表

步骤2动态调整RNA。根据UE属性对当前RNA重新调整以适应UE的需求。MEC根据UE当前在网络的位置获取UE相邻的RNA，形成可分配给用户的RNA列表集合。并根据UE的属性，为数率优先型UE分配较小的RNA，为速度优先型UE分配较大的RNA。以减少网络中RAN寻呼信令和RNA更新信令总开销。

具体的RNA动态调整方法如图8所示，图8中，5个椭圆区域代表网络中不同的RNA，区域之间的连接线代表UE可以在这2个RNA之间移动。

图8 UE网络相邻图Fig.8 Network adjacent picture of UE

当UE在网络的其中一个RNA中时，会和相邻的RNA形成一个可分配给UE的RNA列表集合。如UE在RNA1时，MEC能够分配给它的全部RNA列表为相邻图中包含顶点1的所有子图顶点集合γi。

γi={{1}，{1,2}，{1,4}，{1,5}，{1,2,3}，{1,2,4}，{1,4,3}，{1,4,5}，{1,2,3,4}，{1,2,4,5}，{1,2,3,4,5}}

(2)

在RNA分配时应该考虑用户的优先性。对于移动率比寻呼率高的UE应该分配一个包含大量RNA的列表，作为UE的通知区域以减少RNA更新信令。如列表{1,2,3,4,5}将会分配给移动性高的UE。然而列表{1}会分配给寻呼率比移动率高的UE，以减少网络中的RAN寻呼信令。

5 总 结

在5G网络新RRC Inactive状态下，在文献[16]中现有的由RAN发起的寻呼和位置跟踪方案虽然能减少数据包到达UE的延迟，但是需要数据缓存在锚点gNB。提出一种MEC辅助的UE数据包缓存及位置管理方案。该方案下由部署在靠近基站侧的MEC缓存Inactive UE的数据包，解决锚点gNB因缓存数据而带来的容量问题。同时，为了能在Inactive状态对UE进行有效寻呼，减少网络中的信令开销，需要对UE位置进行跟踪。提出了一种MEC辅助的位置管理方案。MEC根据统计的UE状态信息，如寻呼率、移动速率及当前位置等，判断UE属性。根据UE属性对当前RNA重新调整以适应UE的需求。