移动终端异系统间切换的改进

陈发堂, 张杰棠, 何 沛, 黄俊霖

(重庆邮电大学信息与通信工程学院, 重庆 400065)

0 引 言

随着第3代合作伙伴计划(the 3rd generation partnership project, 3GPP)宣布Release16标准冻结,学术界与工业界对第五代移动通信系统(5G)进行了更加深入的研究。5G以其速度快、低时延与高可靠性等特点,在实现增强型移动宽带(enhanced mobile broadband, EMBB)、低延时高可靠通信(ultra reliable & low latency communication, URLLC)和海量物联网通信(massive machine type communication, MMTC)的三大场景拥有前所未有的优势。

在5G网络建设初期面临着两个不可忽略的现实问题。一是距离第四代移动通信系统(4G)正式商用已经过去很多年了,4G的建设已经十分完善,可以说是达到了全面覆盖的程度;二是由于运营商考虑到成本的因素,5G网络的建设初期仅仅对城市的重点区域进行5G网络的覆盖。基于这两点,在5G网络建设初期,用户终端(user equipment, UE)将频繁地在4G网络和5G网络之间进行切换。这不仅会让用户体验质量降低,而且会使终端的电量消耗得更快,还会在信道中传输大量信令而造成信道拥堵的情况。如果用户在5G网络和4G网络的覆盖边缘来回移动,此时的乒乓效应会造成信道拥堵的情况。综上所述,研究UE的切换策略显得尤为重要。

目前,关于UE网络切换的研究大致有两种方向。一是研究如何使UE切换过程中的中断时间更短,如文献[7]提出进行切换时不需要执行随机接入过程的机制,这样就能减少切换时的中断时间。还有研究提出双连接的方法,这种方法可以令UE同时连接4G基站和5G基站，然后选择体验更好的网络来进行数据传输。在3GPP最新的R16版本的协议中也提出了双活动协议栈(dual active protocol stack, DAPS)的方法,指在切换前首先与新的网络建立连接,然后在一段时间内同时维护两套协议栈。当UE的业务切换到下一个基站的时候再与前一个基站断开连接,以此实现无中断的切换。这些方法主要研究如何减少网络切换时的中断时间来提升用户体验,但是这种同时维护两个连接的方法不仅实现复杂而且势必会增加终端的电量消耗。

另一个是研究如何避免没必要的切换来减少终端的切换次数。如文献[10]中以接收信号强度和路径损耗为基础,通过一个窗函数来判断是否进行切换,但是路径损耗时时刻刻都在变化,此方法可能会加剧乒乓效应。文献[11]提出了一种基于全记忆上下文感知的预测切换方案,这种方案在5G双连接异构网络中使用灰色模型预测,基于历史信息预测信号功率、信号质量和终端所处的位置,并用这些信息来决定是否进行切换。但是该模型不仅增加了终端的电量消耗,而且在该方案中最终的决策是由基站通过处理终端上报的信息来进行的,这样会给基站带来巨大的计算量开销。文献[12-13]采用改进的TOPSIS算法将诸多因素统筹起来,各个因素通过不同的权重综合起来决定是否进行切换,但是这类方法得到的模型不能适用于所有的环境。文献[14]将用户分为快、中、慢3个类型,针对不同类型的用户进行不同的处理,这样做能够对不同的用户进行针对性处理,但是会增加基站的复杂度。

本文以第二种研究方向为基础,此前的研究大多考虑的是如何通过移动通信协议栈中接入层里的参数来控制UE的切换策略,此类参数变化得十分频繁,在UE处于静止或者低速移动的时候会适用,但是当UE比较活跃的时候效果通常不是很理想。在传统的终端协议栈中,非接入层从接入层获取到终端所处的网络信息,一旦有更优质的网络就会发起网络切换的信令流程。换句话说,非接入层可以控制UE的网络切换。

本文正是基于此理论基础,从非接入层入手,采取一种延迟切换的策略,即非接入层检测到可以切换到5G网络的时候,先等待一段时间,如果这段时间过后5G网络仍然适合驻留,非接入层则发起网络切换流程切换到5G网络。反之,如果这段时间过后5G网络已经不适合终端驻留,此时UE就一直留在4G网络当中,从而减少网络切换的次数。本方法只需对终端的移动通信协议栈中的非接入层进行修改。这种方法对核心网来说是透明的,并且可以通过对终端进行固件升级来实现,采取本方法所需要的成本代价较低。

1 系统间切换流程

本节阐述了处于空闲态(IDLE)下的UE在4G网络和5G网络之间切换的信令流程。首先简要介绍与切换相关的3个流程,分别为5G的注册流程、4G的跟踪区域更新流程(tracking area update, TAU)和4G的附着流程。然后再通过这3个流程来讲述处于IDLE态下的UE是如何在4G和5G网络间切换的。

1.1 注册流程

在5G终端中,非接入层的移动性管理功能的典型流程是注册过程和去注册过程。根据终端当前的状态,可以将注册过程分为初始注册流程和周期性或移动性更新注册流程两种。UE处于去注册状态的时候向网络发起的是初始注册流程,UE处于注册状态的时候通过移动性注册流程向网络报告位置信息。在5G网络中,移动性管理功能(access and mobility management function, AMF)由网元负责。

在非接入层中,UE发起注册流程的信令流程如图1所示,图中虚线部分为有条件执行的部分,有安全上下文的情况下一般不执行,如果网络验证注册请求的完整性校验不通过,则会开启非接入层的安全流程。

图1 注册流程信令图Fig.1 Signaling diagram of registration process

如果注册请求消息验证通过的话,AMF会回复注册接受消息,其中主要包含着周期性更新时间定时器T3512的数值,也会包含用于移动性管理的跟踪区域列表(tracking area list,TAL)。在注册接受消息里面，AMF还可能会为UE重新分配5G-GUTI(5G globally unique temporary UE identity),如果包含此参数则AMF要开启定时器T3550直到收到UE的注册完成消息。

1.2 跟踪区域更新流程

在LTE(long term evolution)中,由网元MME(mobility management entity)负责移动性管理的功能。处于IDLE态下的UE和MME分别存储一个相同的TAL。当UE检测到进入不属于列表内的跟踪区域(tracking area, TA)时,UE会发起TAU流程,用此流程向核心网报告当前的位置,并请求核心网重新分配TAL。TAU流程的信令交互过程如图2所示,当切换的时候连接的MME发生了变换或者在同一个MME下TAU次数达到了临界值的时候,网络会触发安全流程。

图2 TAU信令图Fig.2 Signaling diagram of TAU

在TAU过程中,网络可能在TAU接受信令中为UE重新分配一个GUTI,此时UE要回复TAU完成表示新的GUTI正式投入使用。

1.3 附着流程

Attach流程用于UE附着到4G核心网,如图3所示,和5G的注册流程类似,但是4G中由于要实现IP永久在线的功能,所以在附着流程中必须为UE建立一个默认承载。其中,安全性流程在初次接入时是必须执行的,但在随后与网络进行信令交互的时候,网络随时都有可能启动安全性流程来进行与UE的双向鉴权。

图3 附着流程信令图Fig.3 Signaling diagram of attach process

1.4 网络切换

在3GPP标准中为了使4G网络和5G网络的互操作更加方便,在AMF和MME之间特地设立了N26接口,用来实现两代网络之间的无缝连接。但N26接口是可选项,有的AMF和MME之间可能不支持N26接口。如果终端连接的移动性管理实体支持N26接口的话,终端在4G和5G之间切换时有无缝切换和断开重连两种选择,如果当前的AMF或MME不适配N26接口,网络之间的变换时只能断开重连。

如果UE驻留在5G网络下要切换至4G网络,此时要分两种情况:AMF支持N26接口和AMF不支持N26接口。

如果AMF支持N26接口,如图4(a)所示,UE只需要发起TAU流程,AMF通过N26接口把各种信息映射给MME,这种操作对于UE来说就跟一直驻留在4G网络一样。如果AMF不支持N26接口,UE只能与原先网络断开重连,如图4(b)所示,此时UE同样也需要发起TAU流程,但会收到网络的TAU拒绝信息,UE收到此信息之后需要发起附着流程来正常驻留到4G网络。

图4 5G切换到4G信令流程Fig.4 Signaling process of 5G switching to 4G

如果UE驻留在4G网络下要切换到5G网络,无论UE连接的MME是否支持N26接口,对于UE来说都要发起注册流程。N26接口在这种情况下只影响各个网元内部的信令流程,对于终端来说是透明的。

2 延迟切换策略

延迟切换策略仅在UE侧决定是否进行网络切换,对于网络侧是透明的,网络侧不需要有任何更改。令表示4G网络覆盖的区域,表示5G网络覆盖的区域,如图5所示。由于4G网络推行时间比5G网络早得多,所以可以认为4G网络是全面覆盖的,5G网络在4G网络的覆盖范围内部分覆盖。也就是说,能使用5G网络的地方一定可以使用4G网络,在4G网络的覆盖范围不一定有5G网络的覆盖。

图5 网络覆盖示意图Fig.5 4G and 5G coverage architecture

下面用一个情景来描述本文的延迟切换模型。UE在此区域内自由移动,在时刻,UE移动到并且在里面逗留时间为,在时刻+,UE又回到了并逗留时间。在标准的3GPP协议里,在时刻的时候,UE检测到了5G网络适合驻留，于是就会进行切换来使用5GNR提供的服务。在时刻+,5G信号丢失,UE再次执行切换流程来接入LTE网络,于是在这个时间段里总共执行了两次网络的切换。如果UE仅仅是经过,换句话说UE在里的逗留时间很短,那么在这段时间内有业务到来的可能性也很低,执行两次切换就显得没有必要。

为了避免这样没有必要的切换,本文提出了延迟切换的方法,在检测到5G信号并且准备切换的时候先等待一段时间,于是产生了两种情况,一是当≥时,逗留时间比延迟时间长,UE依旧会执行两次网络切换。另一种情况是当<时,在上述的情景下就不会发生网络切换。

另一方面需要考虑的是用户体验,用户更换支持5G网络的手机是希望能获得更高速更优质的服务,用户更加希望当一个业务到来的时候手机使用的是5G的网络。而且目前使用5G的人数并不多,在5G网络上处理业务也算在某种程度上减轻了4G网络的负担。可以看出,延迟的时间越长,能避免更多的切换,但是同时用户体验会降低。本文随后会分析延迟时间与切换次数和用户体验的数学关系,并对此分析进行仿真验证,最后用分析结果来对两者进行权衡。

3 建模与求解

本节建立分析模型对延迟切换策略进行分析,此处主要分析两个指标,分别是切换次数减少比例()和用户体验降低比例()。

切换次数减少比例():假设两个业务的到达时间间隔为,令表示在内进入和离开的次数,表示内执行网络切换的次数。所以当=0时,=。令E[()|≥1]为参数为的延迟切换算法时执行切换的平均次数,E[(0)|≥1]为使用传统方式时执行切换的平均次数,于是定义()为

(1)

可以看出,()越小代表网络切换次数减少得越多。图6和图7描绘了UE在内移动的两种情形的时间轴。

图6 下一个业务到来时UE在ANFig.6 The next call arriving when the UE is in AN

图7 下一个业务到来时UE在ALFig.7 The next call arriving when the UE is in AL

用户体验降低比例():令()为参数为的延迟切换算法时下一个业务到来时正使用5G网络的概率,(0)为用传统方式时下一个业务到来时正使用5G网络的概率。定义()为

(2)

可以看出,()越接近于1代表着用户体验降低越不明显。

图6表示的是下一次业务到来时UE处于内的情形,图7表示的是下一次业务到来时UE不在内的情形。其中,,表示在前一次业务完成后UE第次进入,,表示前一次业务完成后UE第次进入。,0表示一开始在内的时间。在分析模型里,本文做出以下两个假设。

业务到达间隔时间服从参数为的指数分布,其概率密度函数为()=e- 。这样假设是因为泊松过程被广泛应用与通信理论分析并取得较好的效果。

()=(1-)-

(3)

和

()=(1-)-

(4)

此处选用伽马分布是因为其可以通过改变参数来模拟许多类型的分布,并且在通信领域中有许多用伽马分布来反应UE的移动性的例子。

令,为UE第次进入时和下一次业务到来之间的时间间隔,由于符合指数分布,根据泊松分布的性质,,与服从相同的分布,则其概率密度函数()=e- 。

3.1 切换次数减少率r(td)

下面将分别推导传统模式和采取延迟策略后的平均切换次数,最后将两部分结合得出切换次数减少率。

311 传统模式的平均切换次数E[]

由图6和图7可知,是上一次业务结束到第一次进入的这一段时间,即是,0的剩余寿命时间,令()为的概率密度函数,根据剩余寿命定理,随机变量的特征函数为

(5)

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

(6)

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

(7)

下面分别讨论图6与图7两种情况,然后结合两种情况最终得出[=]。

首先考虑图6的情况,下一次业务到来的时候UE位于。在这种情况下,切换次数肯定是奇数且, <<, ,此时=2+1,于是可以得到

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

(8)

继续考虑图7的情形,下一次业务到来的时候UE位于,在这种情况下,切换次数肯定是偶数且, -1<<, ,此时=2,同理可以得到

(9)

继而可得

(10)

于是

(11)

312 延迟策略的平均切换次数E[()]

定义为在,时没有下一个业务到来的情况下,执行了网络切换流程的概率,即

(12)

定义为在,时下一个业务到来的情况下,执行了网络切换流程的概率,即

(13)

此处同样分两种情形来讨论,然后得出[()=]。

首先讨论图6中的情形,在这种情况下,UE进行了2+1次穿越,其中访问次和+1次,在第2+1次穿越之前,如果UE进行了网络切换,则切换肯定是成对出现的,所以在图6的情形中,如果网络切换次数为偶数,则表明在最后一次进入的时候没有进行切换,如果网络切换次数为奇数,则表明最后进入时进行了切换,于是可以得到

(14)

接着讨论图7中的情形,此时网络切换必定是成对出现的,所以切换次数必然是偶数,于是可以得到

(15)

结合式(14)与式(15):

(16)

将式(8)、式(9)、式(12)～式(15)代入式(16)可得

(17)

根据式(17)可得

(18)

最后将式(11)和式(18)代入式(1)就可以得到切换次数减少比例()。

3.2 用户体验降低比例ρ(td)

实际上当UE在和间移动的时候形成的随机过程其实是一个交替更新过程。当UE没有设置延迟时间的时候,根据交替更新过程的性质易得下一个业务到来的时候UE注册在的概率(0)为

(19)

同理,加上了延迟时间之后,下一个业务到来的时候UE注册在的概率()为

(20)

(21)

将式(19)、式(20)和式(21)代入式(2)可得

(22)

4 仿真与分析

本节首先通过仿真来验证上述模型推导出的公式的准确性,然后在此基础上分析()和()随着参数的变换规律。此处采用蒙特卡罗仿真的方法,此方法广泛地应用在通信领域的研究中。本文的参数,和按照一定的比例来进行设置,例如E[]=1=50 min,设=110表示此处设置的延迟时间为5 min。

表1中的误差是由分析值减仿真值的绝对值除仿真值得出来的,可见每种参数对应的误差都小于005,这证明了仿真和第3节中得出的公式是正确的。下面将分析在延迟切换的方案下UE的移动对()和()的影响。

表1 分析值与仿真值的误差分析

关于UE的移动的输入参数有和两个,这两个停留时间分别由其分布的均值和方差确定。表2中展示了变化时的情况,可以看出,的变化对结果是没有影响的,也就是说()和()与在4G网络中的逗留时间是独立的,这是因为延迟切换策略仅在UE处于5G网络覆盖范围内才生效,所以仅与UE在5G网络下的逗留时间有关。

表2 ηl对结果的影响

图8 ηn和td对r(td)的影响Fig.8 Influence of ηnand tdon r(td)

图9 ηn和td对ρ(td)的影响Fig.9 Influence of ηnand tdon ρ(td)

图10 Q值随td的变化曲线Fig.10 Curve of Q changing with td

图11 性能对比Fig.11 Performance comparison

图12和图13是在E[]=1=50 min,=100的情况下仿真出来的结果,其反映的是方差变化时对()和()的影响,当方差变大时,UE每次在5G网络覆盖范围的停留时间变化得更大,即停留时间随着均值的波动会增大。

图12 vn和td对r(td)的影响Fig.12 Influence of vnand tdon r(td)

图13 vn和td对ρ(td)的影响Fig.13 Influence of vnand tdon ρ(td)

从图12可以看出,随着方差变大,()会明显降低,这是因为当方差变大时导致部分停留时间变大,部分停留时间变短,变大的那一部分停留时间相比之前的很有可能已经进行了切换,所以这段时间变大的话并不会明显增加信令消耗,但是停留时间变小的那一部分则会使停留时间小于延迟时间,从而避免了切换来减少信令消耗,所以当方差变大时()会显著降低。同理,方差变大时,停留时间变小的那部分本来有业务到来的几率就很小,所以这部分对()的影响不大,但是停留时间变大那一部分很有可能会有业务到来,所以会造成图13中随着方差变大,()也会明显增加的现象。综上所述,当方差变大时,延迟切换策略的性能会变得更好。

5 结 论

本文使用延迟切换策略来减少终端在4G网络和5G网络之间无意义的切换,通过建模和仿真可以看出此方法在大大减少切换次数的同时还能保证用户体验质量不会降低得太明显,从而减少终端的信令和电量的消耗。在实际应用中,终端可以根据其本身的移动状态得出参数然后导入本文的模型当中,从而通过本文的模型和分析选取合适的延迟时间。