5G移动性增强技术分析

【摘  要】在R15中，5G的移动性采用传统的切换机制，切换性能难以满足时延敏感业务的要求，且因5G频率较高，其切换失败率也会较高，针对这些问题，在R16中对5G移动性技术进行了增强。首先介绍R16三种移动性增强技术的基本原理和信令流程，然后对三种增强技术的性能進行详细分析，最后根据每种增强技术的特性提出应用建议，为未来5G增强技术应用提供技术参考。

【关键词】5G;移动性增强技术;切换

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.07.000        中图分类号：TN92

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2020）07-0000-00

引用格式：李路鹏. 5G移动性增强技术分析[J]. 移动通信， 2020，44（7）： 00-00.

0   引言

R15是5G系统的第一个标准版本。在R15版本，5G的移动性机制跟LTE类似，采用传统的切换机制[1-2]，因此R15的5G系统内切换的用户面时延跟LTE系统内切换的用户面时延相当，约为50 ms。在R16标准中，为提升时延敏感类业务的用户体验，减少切换的中断时延，提出双激活协议栈切换（DAPS HO， Dual Active Protocol Stack Hand Over）增强技术。由于5G频率较高，为提升切换可靠性和鲁棒性，在R16标准提出条件切换（CHO， Conditional Hand Over）和快速切换失败恢复（Fast Handover Failure Recovery）增加技术。下文对上述三种移动性增强技术进行详细介绍。

1    三种移动性增强技术基本原理和流程

1.1  双激活协议栈切换

（1）双激活协议栈切换基本原理

双激活协议栈切换增强技术利用了先连后断（Make before break）的原理，在终端测量并上报满足切换的事件后，源基站基于测量结果、终端支持情况等做双激活协议栈切换决策。若采用双激活协议栈切换，源基站下发切换命令给终端（含DAPS HO配置信息），终端接入目标基站，同时保持源基站的上行/下行数据传输（传统切换此时源基站停止上行/下行数据传输，这是与传统切换最大的不同）。在终端成功完成随机接入后，终端将上行数据传输通道转移到目标基站，终端成功与目标基站完成RRC连接后，目标基站向源基站告知接入成功，此时终端的源基站上行/下行传输已经转移到目标基站，源基站的上行/下行传输才停止，源基站再反馈最后一个数据传输序列号给目标基站，目标基站执行路径切换，将核心网连接从源基站转移至目标基站，从而完成双激活协议栈切换。

R16只支持5G系统内的双激活协议栈切换，不支持5G和4G系统间的双激活协议栈切换。

（2）双激活协议栈切换信令流程

R16标准目前拟定的双激活协议栈切换信令流程如图1所示。

该流程主要过程包括：

1）源基站下发切换测量控制和终端上报测量报告。

2）DAPS HO是每个DRB（Data Radio Bearer）配置，可以支持部分DRB采用DAPS切换，部分DRB采用传统切换的方式，源基站判断终端是否有DRB需要执行DAPS HO，并选择合适的目标基站。

3）源基站向目标基站发送切换请求，其中可携带DAPS DRBs的信息以及DAPS HO的要求。

4）目标基站决策是否接受DAPS HO，如果不接受，后续处理是拒绝切换还是回落到传统切换目前标准还在讨论。

5）如果目标基站接受DAPS HO，则在切换请求确认消息中反馈DAPS DRBs相关配置。

6）源基站收到切换请求确认消息后，给终端发切换命令，其中告知终端执行DAPS HO以及配置DAPS DRB的信息。

a）源基站不停止DAPS DRBs的下行传输，直至收到切换成功消息（8步）;

b）收到切换命令后，对于DAPS HO，终端不会像传统切换那样从源小区去附着， 终端在源基站的无线链路都是保持的;

c）终端向目标基站发起随机接入，当成功完成同步过程时，终端将上行用户面数据发送从源通道切换到目标通道。

7）7a步，对于DAPS DRBs，源基站发送EARLY FORWARDIING TRANSFER消息给目标基站，将第一个PDCP（Packet Data Convergence Protocol）的SDU（service Data Unit）下行计数告诉目标基站;7步，是针对非DAPS DRBs，源基站通过SN STATUS TRANSFER 消息将最后一个数据传输序列号发给目标基站。

8）终端在目标基站完成RRC连接建立后，目标基站发切换成功消息告知源基站切换完成;源基站收到切换成功消息后，停止源基站DAPS DRB的上行/下行数据传输，并向目标基站发送SN STATUS TRANSFER消息将最后一个数据传输序列号发给目标基站。

9）目标基站向AMF发送路径切换请求。

10）UPF进行路径切换。

11）AMF向目标基站回路径切换请求确认。

12）目标基站要求源基站删除终端的上下文信息。

1.2 条件切换

（1）条件切换基本原理

源基站收到终端测量报告后，根据邻区关系向多个候选目标基站发送条件切换请求，要求做条件切换，目标基站反馈条件切换请求响应（含给终端的空口配置）给源基站，源基站下发条件切换命令给终端，切换命令含多个候选基站的空口配置和多个候选基站的切换触发执行条件（多个候选基站的切换触发执行条件由源小区决定）。终端收到条件切换命令后，反馈RRC重配完成消息给源基站，此时终端并不立刻向任何一个候选目标基站执行切换动作（传统切换时终端收到切换命令后，立即向切换命令指示的目标基站切换），而是继续保持和源基站的连接与传输，终端持续判断收到的切换执行条件是否得到满足。若终端检测到有一个候选目标基站满足了对应的切换执行条件，不需再发测量报告给源基站，终端直接决定切换，向该目标基站执行随机接入，建立RRC连接，同时拆除源基站的连接。目标基站在与终端完成RRC连接建立后，向源基站发送切换成功消息，源基站则反馈最后一个数据传输序列号给目标基站，同时源基站向其他候选目标基站发送切换取消消息，以告知这些基站释放预留资源和buffered数据。目标基站执行路径切换，将核心网连接从源基站转移至目标基站，从而完成条件切换。

R16只支持5G系统内的条件切换，不支持5G和4G系统间的条件切换。

（2）条件切换信令流程

R16标准目前拟定的条件切换信令流程[3]如图2所示。

该流程主要过程包括：

1）源基站下发切换测量控制，终端上报测量报告。

2）根据终端测量报告，源基站决策是否采用条件切换，如是，则选择出候选的一个或多个目标基站，最大候选目标小区数为8个。

3）源基站向每一个候选目标基站发送条件切换请求，要求做条件切换。

4）各个收到条件切换请求的候选目标基站分别做条件切换决策，判断是否接受条件切换，如果接受，则反馈条件切换请求响应，如果不接受，则拒绝。

5）目标基站反馈条件切换请求响应给源基站，其中包含给终端的空口配置。

6）源基站通过RRC重配消息下发条件切换命令给终端，条件切换命令包含：

a）切换执行条件：由源基站配置，规定了终端在什么条件下可执行切换动作，可以为每一个候选的目标基站各配一个切换执行条件，其中至少包括：事件、参考信号类型（SSB or CSI-RS）、信号质量（RSRP/RSRQ/RS-SINR）

b）多个目标小区的配置信息。

7）7步，终端收到条件切换命令后，反馈RRC重配完成消息给源基站;终端并不立刻向任何一个候选目标基站执行切换动作，而是继续保持和源基站的連接与传输;终端持续判断收到的切换执行条件是否得到满足。7a步，源基站向多个候选目标基站分别发送EARLY FORWARDING TRANSFER消息提前转发下行数据包。

8）8步，若终端检测到有一个候选目标基站满足了对应的切换执行条件，则应用该候选目标基站的配置信息，向该目标基站执行随机接入，建立RRC连接，同时拆除源基站的连接。如果终端成功接入该目标基站，则删除保存的所有条件切换配置。8a/b步，目标基站在终端成功完成RRC连接建立后，向源基站发送切换成功消息;源基站则反馈最后一个数据传输序列号给目标基站。8c步，源基站向其他候选目标基站发送切换取消消息，以告知这些基站释放预留资源和buffered数据。

9）后续步骤同传统切换。

1.3  快速切换失败恢复

（1）快速切换失败恢复基本原理

快速切换失败恢复的基本原理示意图如图3所示：

当终端在服务小区检测到与服务小区不能同步时，终端启动T310定时器。在T310运行期间，终端若测得切换事件满足了持续触发时间（TTT， Time to Trigger）的时长，终端启动T312，并触发测量报告（试图发起切换），如果直到T312超时，切换都未被触发（因信道条件原因，终端没有收到基站下发的切换命令），且此时T310仍未超时，则终端立刻宣告无线链路失败（不需要等到T310超时再宣告无线链路失败），并执行RRC重建过程，尽快恢复业务连接。

2   性能分析和应用建议

2.1  双激活协议栈切换

从双激活协议栈切换基本原理可以看出，在切换过程中，当终端接入目标小区时，终端在源侧小区的上行/下行数据传输继续保持（对于双发能力受限的终端，至少可以保持下行数据传输），当终端与目标小区完成小区接入后，目标小区已开始给终端传输数据，此时源基站才停止数据传输，因此用户面数据传输在切换过程中的中断时长可降至接近0 ms（理论分析结果，实际结果后续跟踪验证），远小于传统切换用户面的中断时延（5G传统切换用户面时延约为50 ms）。双激活协议栈切换增强技术能明显降低用户面中断时延，但在切换期间需源侧和目标侧基站均传输数据，占用资源，建议优先对时延敏感业务（例如URLLC）使用该增强技术，减少切换时用户面中断时延，以提升业务体验。

2.2  条件切换

从条件切换基本原理可以看出，终端检测到有一个候选目标基站满足了对应的切换执行条件，此时不需发测量报告给源基站，也不需源基站发切换命令，而是终端直接决定切换，快速切换到满足切换执行条件的目标基站，降低了因切换命令传输失败或切换命令传输慢而导致切换失败的概率，提高了切换成功率，尤其在信号变化快的区域提高更加明显。但由于该技术需要源基站同时与多个候选目标基站提前做切换准备，因此带来以下几点问题：

1）较大的X2/Xn接口开销。

2）候选的多个目标基站都需要为终端预留资源，因此对于其中未被选中作为最终目标的候选基站预留资源都会被浪费。

3）因为条件切换命令消息包含所有候选基站的空口配置参数，所以条件切换命令消息的长度会增大较多。

4）在终端发起切换动作之前，为减少用户面中断，源基站需向多个候选目标基站转发下行数据进行提前缓存，进一步加大了X2/Xn开销以及候选的目标基站的资源浪费。

因此，条件切换增强技术由于额外开销和资源浪费较大，不建议在所有基站开启这种增强技术，建议在传统切换失败率较高的区域开启条件切换功能。

3   快速切换失败恢复

从快速切换失败恢复基本原理可以看出，相比于仅用T310来判断无线链路失败的方式，快速切换失败恢复机制下的判决更快，可以更快发起RRC重建，减少业务中断时间。

该增强技术实现简单、增益明显，且LTE系统已商用类似的技术，建议未来5G主要的区域均开启该增强功能。

4   结束语

本文对双激活协议栈切换、条件切换、快速切换失败恢复三种移动性增强技术的基本原理和信令流程进行了详细描述，理论分析了三种增强技术的性能，并根据性能提出了应用建议。未来5G系统应用这些移动性增强技术，可明显减少用户面的中断时延，提高切换成功率，提升用户的业务体验。

参考文献：

[1]    3GPP. 3GPP TS 38.331： Radio Resource Control （RRC） protocol specification; （Release 15）[S]. 2019.

[2]     3GPP. 3GPP TS 38.413： NG Application Protocol（NGAP）; （Release 15）[S]. 2019.

[3]   3GPP. 3GPP TS 38.330： NR and NG-RAN Overall Description; （Release 16）[S]. 2019.

作者简介

李路鹏：工程师，硕士，现任职于中国电信股份有限公司广州研究院移动通信研究所，主要从事移动无线领域新技术的研究、试验和网络建设支撑工作。

收稿日期：2020-03-20