5G接入与移动性管理策略增强的应用探索

龙彪，陈卓怡，张钰滢

（中国电信股份有限公司研究院，广东 广州 510630）

0 引言

5G 网络已经正式商用，5G 标准化也进入了5G-Advanced的阶段。5G 核心网的标准化在整个5G 标准化过程中有着举足轻重的作用，中国公司在5G 核心网标准化中也起着引领作用。一方面，核心网上接各种业务和应用，是整个网络业务的汇聚点，也是未来业务发展的发动机；另一方面，核心网下连各种制式的终端及接入网，是整个网络拓扑的中心，牵一发而动全身[1]。

策略控制是5G 核心网的重要技术领域，运营商可以利用策略控制技术实现在保证用户体验的前提下最大化地利用网络资源，但同时，策略控制也面临在不同网络域、不同接入网间协同的挑战。

3G/4G 时代的策略控制主要是基于会话的策略控制，5G时代引入了接入与移动性管理策略控制的新功能。AM（Access and Mobility Management，接入与移动性管理）策略控制的进一步增强需要结合特定的场景进行探索，并且在国际标准上进行标准的研究及制定。本文将结合3GPP R17 的几个课题，包括Dynamically Changing AM Policies in the 5GC（DCAMP）课题、Study on Enablers for Network Automation for 5G-phase 2（FS_eNA_Ph2）课题的关键议题“NWDAF-assisted（Network Data Analytics Function-assisted，网络数据分析功能辅助）RFSP policy”以 及Study on Enhancement of Network Slicing Phase 2（eNS_Ph2）课题的关键议题“Support of 5GC assisted cell selection to access network slice”中有关移动性策略控制的研究内容，进行应用场景及增强方案的分析。最后，基于R17 这些相关研究的分析及总结，提出R18 AM 策略控制增强的研究设想。

1 接入与移动性管理策略增强的应用场景

1.1 概述

5G 通过引入基于用户的UE 策略和接入与移动性管理功能，实现比4G 更灵活的策略调整。UE 策略功能现阶段已经可为UE 提供如用户路由选择、接入网络发现等能力，而接入与移动性管理功能可以为网络提供如无线接入方式、RFSP（Index to RAT/Frequency Selection Priority，接入/ 频率选择优先）索引、SAR（Service Area Restriction，接入区域限制）、UE AMBR（UE Aggregate Maximum Bit Rate，最大聚合比特率）、UE切片MBR（Maximum Bit Rate，最大比特率）等控制。运营商需进一步探索接入与移动性管理策略方面的市场应用前景，以满足ToB 和ToC 不同用户的多样化需求。

1.2 动态改变接入与移动性管理策略

3GPP R15 中提出了PCF（Policy Control Function，策略控制功能）可进行接入与移动性策略管理，包括无线资源管理和服务区域限制管理等。无线资源管理的重要参数是RFSP 索引[2]——网络利用RFSP 索引为特定业务在基站选择一个合适的承载以更好地进行无线资源管理，可以更好地进行容量管理和防止互调干扰等。PCF 将相关的策略传给AMF（Access and Mobility Management Function，接入与移动性管理功能），然后AMF 通过N2 接口向RAN 提供RFSP 索引。由无线侧结合RFSP 索引和基站本地配置对无线资源进行管理。服务区域限制管理的关键参数便是SAR[3]。SAR 定义了UE 允许或者不允许向网络发起通信的区域，表示为一个包含多个TA（Tracking Area，跟踪区）的列表。

在4G 时代，RFSP 索引是静态签约在HSS 数据库中的，而5G 时代除了静态签约在UDM 数据库，还可以通过PCF对RFSP 索引进行动态的策略调整。当UE 注册到网络建立移动与接入性管理策略关联时，AMF 可以从UDM（Unified Data Management，统一数据管理）获取的签约数据中得到RFSP 索引和SAR，再传递给基站进行配置。之后，PCF 便可以对RFSP 索引和SAR 进行策略管理。

PCF 可以基于网络切片的累计使用情况和负载水平来更改RFSP 索引，并且PCF 也可以根据UE 位置、PEI（Permeant Equipment Identifier，永久设备标识）和本地网络策略对SAR 进行调整[3]。但是3GPP R16 的规范通过应用检测或者第三方应用来触发RFSP 索引的动态改变并没有被提及，需要对此加以增强。动态改变接入与移动性管理策略将会给移动性管理策略带来更多的可能性，使得接入与移动性策略管理更加的灵活。

以下将列出三种动态改变移动性管理策略的应用场景，描述了三种不同的触发动态改变AM 策略的方式，分别是预先配置注册时触发、DPI（Deep Packet Inspection，深度包检测）检测触发和第三方应用触发三种触发方式：

（1）场景1：用户额外付费或者激活附加包来增强用户体验或者扩大用户服务区域。在这个场景下，为保证用户体验的连续性，应该在应用开始前将RFSP 索引和SAR 配置到PCF 处。在这个场景下，用户通过订阅更好的服务套餐得到更优的用户体验。

（2）场景2：由DPI 类型的功能检测到数据包的应用层信息，从而得知应用的开始或者结束，进而触发PCF 改变RFSP 索引。

（3）场景3：由第三方应用来告知某事件已经开始，进而触发PCF 改变RFSP 索引。例如，用户正在使用第三方交互视频通话应用时有一通语音通话接入，则第三方应用来告知并触发改变移动性管理策略，以此提高用户体验。

1.3 基于NWDAF的移动性管理策略

NWDAF 通过从5G 核心网网元、OAM（Operation Administration and Maintenance，操作管理维护）系统、AF（Application Function，应用功能）等收集数据，并进行数据统计分析或预测。网络策略控制网元PCF，可参考NWDAF 提供的分析结果，对用户的移动性管理策略如RFSP 索引值进行动态的调整，以达到保障用户体验、优化资源配置以及绿色节能的权衡兼顾[4-5]，如图1 所示：

图1 基于NWDAF的移动性管理策略（RFSP索引）的动态调整

具体的基于NWDAF 的移动性管理策略场景举例描述如下：

（1）场景1：实现5G 高频NR 和低频NR 之间的频率选择。例如某些用户驻留在5G 高频，但是使用的服务并没有特别的高带宽需求，或者使用了实时性较高的服务，那么网络就可以引导这些用户切换到低频NR，以节约高频带宽资源或保证时延需求。类似地，如果某些驻留在5G 低频的用户使用了超高带宽要求的应用，那么网络就可以将这些用户调整到高频NR，以保证用户体验。

（2）场景2：实现从5G NR 到4G E-UTRAN 不同接入方式的选择。例如某些用户在特定的时间内经常处于空闲态或只使用低价值服务（如P-to-P 下载），就可以根据用户使用的不同的服务需求，把这些用户从5G 网络重选到4G，以保证其他活跃用户的高价值服务（如VR、AR）。

以上场景都可以利用NWDAF 对网络和用户等的历史数据进行收集及分析，预测网络状态和用户行为，使网络智能地引导用户通过最合适无线方式（4G E-UTRAN、5G NR 高频或者5G NR 低频）接入网络，保证服务质量。

1.4 针对网络切片接入的频率管理

5G 中，运营商可以配置不同的切片服务于不同的业务场景，例如通用eMBB（enhanced Mobile Broadband，增强移动宽带通信）应用切片和面向特定垂直行业应用的切片。基于RFSP 索引机制以及对NG-RAN 无线资源的适当划分，运营商可能会考虑为不同的切片指定分配特定的使用频率，即某些网络切片可以通过NG-RAN 中的优选频率获得专属资源。

具体场景举例描述如下：

（1）场景1：运营商网络中维护了两个切片，一个是用于通用eMBB 的切片A，另一个是用于时延敏感业务的切片B。根据5G 高低频的特性，用户要使用切片A，应该优先接入5G 高频，如果用户要使用切片B，应该优先接入5G 低频。

（2）场景2：运营商网络中维护多个服务于垂直行业用户的切片。出于安全隔离的需求，运营商可以为每一个垂直行业切片划分特定的无线接入频率，无线侧可以拒绝非该切片授权用户使用相应频段。

1.5 应用场景小结

图2 中，橙色线是基于NWDAF 的AM 策略的示意流程；绿色线是动态改变AM 策略的示意流程；红色线是针对网络切片接入的频率管理的示意流程。

图2 接入与移动性管理策略增强的应用场景示例

上述应用场景的关联：5GC 网元可通过预付费附加包、DPI检测和第三方应用等方式向PCF触发AM策略的改变（绿色线），PCF 再结合NWDAF 对AM 策略的大数据分析（橙色线），辅助制定并最终形成下发给AMF/RAN 的AM 策略。AMF 可关联NSSF（Network Slice Selection Function，网络切片选择功能）提供的网络切片标识与AM 策略，发给RAN 用于网络切片接入的频率管理（红色线）。

2 接入与移动性管理策略增强方案分析

2.1 动态改变接入与移动性管理策略方案

根据1.2 节提到的三个应用场景，下面针对不同应用场景展开方案分析。上述的三个应用场景中，第一个应用场景与另外两个场景有较大的区别。在第一个应用场景中，为了保证其服务的连续性，这个应用场景中移动性管理策略配置应该在UE 向网络注册之前完成，之后在UE 注册时再由PCF 向AMF 提供相应的移动性管理策略。

上述三个场景对应的三个增强方案中，存在服务于AMF 的PCF和服务于SMF（Session Management Function，会话管理功能）的PCF 不是同一个的可能性，而向AMF 提供服务的PCF（PCF-AM）需要得到应用开始或者结束的通知来动态改变移动性管理策略，而这个通知是在SMF 和与SMF 连接的PCF（PCF-SM）间交互的，因此PCF-AM 需要向PCF-SM 订阅应用开始或者结束的信息，从而触发改变移动性管理策略。BSF（Binding Support Function，绑定支持功能）用于网络中部署有多个PCF 的情况，网元能够通过BSF 服务根据用户标识、数据网络名称等信息找到相应的PCF。在上述的三个应用场景中，网元可以利用BSF 找到相应的PCF-AM、PCF-SM，分别实现改变AM 策略请求和订阅应用流开始或结束的通知。

根据目前3GPP R17 标准[6-9]，下列描述了三个应用场景对应的方案分析：

（1）第一个应用场景中，在PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元）会话建立前，相关的移动性策略已经配置在PCF 中，过程概括描述如下：在PDU 会话建立之前，PCF-AM 向UDR 订阅AM 策略，AF 通过NEF（Network Exposure Function，网络开放功能）将需要更新的策略及其他有关信息提供给UDR。接着，由NEF将得到的新的移动性策略传递给PCF-AM。在PDU 会话建立之后，PCF-AM 会通过BSF 服务找到相应的PCFSM，并向其订阅业务流开始/ 停止检测，之后当PCFSM 检测到业务开始或者结束时，启动AM 策略关联修改，从而实现动态改变移动性管理策略。

（2）第二个应用场景中，触发改变移动性管理策略的是DPI 功能。DPI 是指深度包检测，这个功能可以基于对应用层流量的检测得到业务流的开始和结束时间，进而由PCF-SM 通知PCF-AM 动态改变移动性管理策略。若 服 务SMF 和AMF 的PCF 不 是 同 一 个，PCF-AM 向PCF-SM 订阅业务开始或结束服务，当DPI 检测到业务流的开始和结束时间时，则会通过SMF、PCF-SM 将请求传递到PCF-AM 处。之后，启动AM 策略关联修改，实现动态改变移动性管理策略。

（3）第三个应用场景是由第三方应用AF 实现移动性管理策略改变的触发。在PDU 会话建立后，AF 通过NEF 使用BSF 服务向PCF-SM 订阅此通知。之后，当检测到业务的开始或者结束时，AF 会通过NEF 使用BSF服务向PCF-AM 发送修改AM 策略的请求，接着便会启动AM 策略关联修改，进而改变移动性管理策略。

2.2 基于NWDAF的移动性管理策略方案

3GPP FS_eNA_ph2 研究中，对NWDAF 辅助移动性管理策略选择的解决方案进行了探讨。在正在进行3GPP R17版本[7,10-14]修订中，对NWDAF 的用户行为、服务体验、数据热点、用户数据拥塞等分析都有了增强或添加，以实现基于NWDAF 智能分析的移动性管理策略方案。其中：

（1）用户行为分析：可以结合用户使用服务的时间、地点、时长等历史数据，预测用户将在特定的时间/ 地点使用的服务，尤其是对时延或带宽有特别高要求的服务。例如，根据用户的使用习惯分析，判断用户会在工作日早上的CBD 办公区使用互动高清视频业务。

（2）服务体验分析：可以通过网络数据，统计出各种服务在不同的接入技术（4G 或5G）以及不同频率中服务质量的优劣情况，包括时延、吞吐量、抖动等。

（3）数据热点分析：可以分析出某用户或者某用户组在特定时间段内一定位置生成的活动百分比。通过对各种活动热点位置排序，可以确认出不同活动的主要用户。不同的活动可以是指数据流量、语音电话、掉话、会话建立失败等。

（4）数据拥塞分析：可以根据每个小区的测量值，提供控制平面或用户平面的用户数据拥塞相关分析。

具体实施举例对应1.3 节场景描述如下：

（1）场景1：如图3 所示，NWDAF 可提供用户使用服务的习惯和历史体验数据进行统计或预测，即用户行为分析与服务体验分析。PCF 根据NWDAF 提供的分析结果，判断用户（组）将使用什么服务，而且服务在什么频段上能获得更好的服务体验。然后PCF 通过修改RFSP 索引引导用户在5G 低频NR 和高频NR 之间的切换，保障用户服务体验与网络总体性能。如NWDAF 预测用户将使用高级别应用（例如AR、VR 业务等），PCF 收到该分析结果后，生成的RFSP 索引通过AMF 提供给无线基站，由基站指引UE 切换到高频NR 以保障用户体验。或者PCF 也可以根据NWDAF 提供的时延敏感服务（如网络手游）使用分析，引导UE 从高频NR 切换到低频NR，以保证低时延需求。

图3 基于NWDAF的RFSP索引调整举例：5G高低频选择

（2）场景2：NWDAF 对网络数据热点和网络拥塞进行统计分析或预测。5G 网络可根据NWDAF 提供的结果，引导空闲态用户切换到用户较少的频段或重选至4G网络，以保证连接态用户的需求。如NWDAF 通过采集数据，分析特定区域出现网络热点，即大量用户使用高级别服务，网络拥塞即将出现，那么NWDAF 可以结合场景1 中用户使用习惯分析出可能保持空闲态或将使用低级别服务的用户信息反馈给PCF。PCF 根据网络热点、网络拥塞和用户分析等，决定使用RFSP 索引将目标空闲态的用户引导到4G 网络，以缓解5G 网络中出现的拥塞情况，节约5G 带宽资源，从而实现资源优化配置。

2.3 针对网络切片接入的频率管理方案

3GPP eNS_Ph2 在R17 的研究中，积极探索了5G 核心网如何辅助接入切片的频率（小区）选择的方案，以实现1.4 节中提到的主要使用场景。在正在进行的R17标准[7-9,13-15]修订中，增加目标NSSAI（Network Slice Selection Assistance Information，网络切片选择辅助信息）的相关描述。目标NSSAI 包含了会触发UE 频率切换的切片信息列表和对应的RFSP 索引信息，由核心网的AMF 下发到无线侧，以引导UE 接入到支持切片的频率。

基于用户签订的协议和运营商的策略，目标NSSAI可以在特定TA 或小区频率中排除一些允许NSSAI，如1.4 节场景1 中，高频小区排除用于时延敏感业务的切片B 接入，低频小区排除用于高带宽业务的切片A。

当AMF 节点收到用户的请求NSSAI 包含了在特定频率才能接入的切片，如1.4 节的场景2，而当前UE所在TA 不能支持该切片的接入，那么AMF 或者通过NSSF，根据用户的签约信息、允许NSSAI、支持接入的RFSP 信息，确定目标NSSAI 发给无线基站，以引导用户切换到特定切片所需的特定无线频率所在的TA。

2.4 方案分析小结

表1 所述为1.2 节、1.3 节、1.4 节所述场景对应的方案分析总结，动态改变接入与移动性管理和基于NWDAF的移动性管理场景中，都是由PCF 生成AM 策略再发送到AMF、基站，实现接入与移动性策略控制。而在针对网络切片接入的频率管理场景中，则是将相关的RFSP 索引信息包含在目标NSSAI 中发送到AMF、基站，实现接入与移动性策略控制。

表1 接入与移动性管理策略增强的应用场景及相应方案小结

3 结束语

AM 策略功能在5G 网络功能中是不可或缺的，3GPP R17 在多个课题中都涉及对AM 策略优化和增强的研究。但由于AM 策略管理是5G 新引入的功能，其实际使用场景和与其他类型的策略协同方面的研究及标准化还需进一步深化。特别是在4G/5G 互操作情况下，如何保证用户在4G/5G 系统间的策略一致性、漫游情况下支持用户接入的策略控制、基于用量监测的会话策略对AM 策略的影响等方面还需在3GPP 5G-Advanced 阶段继续进行探索。相信随着5G-Advanced 标准化的逐步完善，策略控制技术将会为运营商提供更多样化、灵活的控制手段，助力5G 智能化运营与进阶商用。