5G_NR中的切换技术分析研究_陈金权.pdf

2023年 第1期0引言随着5G网络在国内的普及，越来越多的用户正在享受5G网络带来的强大功能。但是，与强大功能相对应的是，5G网络更加复杂。众所周知，移动通信中最重要的资源就是无线频率资源，由于天然的稀缺性，分配给移动运营商的频段非常有限，必须充分利用这些分得的频段，所以现代移动通信网络都采取了划分小区从而进行频率复用的技术。而5G网络使用的频段更高，再加上新功能的需要，小区的范围就更加小，用户在使用的过程中可能会频繁跨过不同的小区。为了保持通信的连续性，就需要不同小区的接力服务，5G通信过程中切换就更加频繁。对切换技术进行全面的分析研究，才能制定更加合适的切换策略，提升系统的整体性能。15G NR切换执行的原则用户开机后，首先进行小区搜索并驻留到合适的小区，在网络鉴权注册，就可进行主呼和被呼。驻留某个小区后，移动台可能会移动到其他小区，这时就会发生切换。移动台开机以后，它的周围有很多的小区，移动台选择哪一个小区进行驻留是以信号强度等参数进行衡量的，遵循S准则。所谓的S准则就是待驻留的小区的Srxlev（选择接受电平值）0且小区的Squal（选择接受质量值）0。小区选择接受电平值与待驻留小区的Qrxlevmeas（接受信号电平值）、小区的Qrxlevmin（最低接受电平值）、小区的Qrxlevminoffset（最低接受电平偏置值）以及Pcompensation（功率补偿值）有关：Srxlev=Qrxlevmeas Qrxlevmin QrxlevminoffsetPcompensation。而小区的选择接受质量值与待驻留小区的Qqualmeas（接受信号质量值）、小区的Qqualmin（最低的接受质量值）、小区的Qqualminoffset（最低接受信号质量值偏置）有关：Squal=QqualmeasQqualmin-Qqualminoffset。满足了S准则，移动台就会驻留在当前小区。处于通话模式下终端如果位置发生移动，当前服务小区的信号强度就会发生变化，邻区的强度也会发生变化，这时终端可能会重新选择驻留服务的小区，这就是所谓的切换。切换主要基于几个原因：当前小区网络服务质量不够理想，当前位置的网络覆盖不够理想，当前网络负荷分担不够均衡。而切换可以改善网络当前的使用服务质量。切换的执行可以依据以下四个原则。a）相对信号强度准则，任何时候都选择具有最强接受信号的基站。此准则的缺点是有可能在目前基站信号质量尚可的情况下也发生切换，所以容易发生乒乓效应。5G NR 中的切换技术分析研究陈金权（江苏海事职业技术学院，江苏省南京市211170）摘要从5G网络无线覆盖区的特点着手，得出在5G通信过程中，切换必不可少并且更加频繁。5G切换的基础是必须能够驻留在相应的小区。进一步明确切换的四种原则，并指出各种准则的优劣，具体分析切换对应的不同事件及其相应的触发条件。通过一个5G不同基站间的小区切换实例的信令流程，清楚阐释5G切换的详细过程。最后总结跟切换相关的各种定时器，通过设置不同的定时器来保障切换的可靠进行。关键词切换；驻留；触发条件；事件；信令流程；定时器技 术 交 流102023年 第1期b）具有门限规定的相对信号强度准则，当前基站的信号强度低于一定的门限，并且新基站信号强度高于本基站才进行切换。该准则由于切换延迟，可能会造成信道质量很差，通话中断。c）具有滞后余量的相对信号强度准则，新基站信号强度必须比本基站的信号强很多才进行切换。d）具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则，只有在当前基站的信号强度低于一定的门限并且新基站的信号比原基站信号强很多的时候才进行切换。25G切换执行过程和相关事件5G的切换主要涉及站内的切换和站间的切换两种情况。站内切换就是指同一基站下的不同小区之间切换，而间切换是指不同基站的小区之间的切换。不管哪种切换，都有测量、判决和执行三个步骤。测量就是测量周围邻区的信号质量，再与当前小区比较，之后再决定是否执行切换。切换与频点或系统的优先级有关，从低优先级切换到高优先级的频点或系统比较容易，只要高优先级的一方信号高于绝对门限即可。而从高优先级切换到低优先级一方，除了低优先级一方信号高于绝对门限外，还要求当前服务小区信号质量要低于相应的绝对门限才可。切换还与触发事件紧密关联，5G切换的触发事件主要有同系统切换的A事件以及异系统切换的B事件。A事件包含了A1到A6六种情况。A1事件反映服务小区的信号质量渐渐高于门限值，将停止异频、异系统测量。A2事件反映服务小区的信号质量渐渐低于相应的门限值，这时服务小区的服务质量将变得越来越差，所以将启动异频、异系统测量。A3事件反映邻小区信号质量开始比服务小区信号质量加偏置还好，这时将启动切换请求。A4事件说明邻区信号质量高于相应的门限，将启动异频切换请求，可以用于UE（用户设备）切换到高优先级小区，以平衡负载。A5事件描述服务小区信号质量低于相应门限1，而邻小区信号质量高于相应门限2，启动切换请求，可以用于切换到低优先级的小区，从而平衡负载。A6事件主要适用于载波聚合的场合，当邻小区质量超过辅小区的质量加偏移时，触发A6事件，可以进行辅小区的切换。B事件用于异系统之间的切换，只有两种情况。B1事件反映异系统邻区信号质量高于相应的门限，可以切换高优先级的异系统小区。B2事件反映服务小区信号比绝对门限差，而异系统邻区的信号比绝对门限好，可以向低优先级的异系统小区进行切换。这两种切换也都可以实现负载均衡，提升系统整体性能。下面来讨论5G网络中具体的切换流程，由于站内的切换只涉及无线侧的CU（集中单元）、DU（分布单元）和UE，比较简单，所以这里只讨论站间的切换问题，涉及无线网和核心网。基于Xn接口的站间切换信令流程如图1所示，具体过程如下。（1）源gNodeB（5G基站）向终端UE下发RRC（无线资源控制）重配置指令，要求UE开始测量周围小区信号，其中包含了相应的测量对象、测量参数配置等。（2）UE对源gNodeB回应RRC重配置完成。（3）UE根据（1）收到的指令参数开始测量，如果达到某个触发事件的条件后，就上报测量结果给源gNodeB。（4）源gNodeB收到测量报告后，进行目标小区判决。（5）源gNodeB向目标gNodeB发起切换请求，以便切换到目标小区；目标gNodeB开展准入控制，分配相应实例以及传输资源。（6）目标gNodeB回应切换请求，同意切换。（7）源gNodeB再次发送RRC切换方面的重配置指令给UE，要求UE进行小区切换。（8）（9）源gNodeB将PDCP SN（分组数据汇聚协议序列号）号发送给目标gNodeB，传送相关数据。（10）（11）（12）UE完成RRC切换重配置后回应目标gNodeB，实现到目标小区空口切换，两者进行相关数据传输。（13）目标gNodeB向AMF（访问与移动性管理功能）发送路径更换请求，告知UE已完成切换服务小区。（14）（15）（16）AMF收到目标gNodeB发送的消息，更新下行数据面，将目标gNodeB设为无线侧的GTPU（GPRS隧道协议）。技 术 交 流112023年 第1期图1基于Xn接口的站间切换信令流程图技 术 交 流（17）（18）经过（14）到（16）的处理后，AMF响应目标gNodeB路径更换请求，目标gNodeB回应。（19）目标gNodeB要求源gNodeB释放UE的上下文，源gNodeB释放全部UE相关资源。（20）（21）UE切换目标小区后，目标小区与UE间再次开启RRC重配置对话，为新的切换做准备。35G切换中涉及的时钟在前面的接入原则中提到了迟滞的概念，其实就是一个时钟的概念，在无线连接建立和切换的过程中，涉及了不少的专门时钟，主要有T300，T301，T310，T311。T300主要用来在UE侧控制RRC连接建立过程的定时器，UE发送RRCConnectionRequest（无线资源控制连接请求）后启动。如果在定时器未超时前，连接建立了或者被拒绝了、发生小区重选或者终止了连接建立，定时器停止。如果定时器超时，则连接建立失败，重置所有已经建立数据和实体。增加该值，能够提高接入成功率，也可能提高切换成功率，但是可能接入或者切换到一个较差的小区；反之，减小该值，会降低接入或切换的成功率，但是避免了无谓的尝试。T301主要用来在UE侧控制RRC连接重建立过程的定时器，用于RRC连接重建立的场合，而T300是用于RRC连接建立的场合。当连续收到下行失步指示时，定时器T310触发启动，如果定时器超时将触发RRC连接重建过程。该值设置过大，UE对下行失步时间的察觉就越长，无法释放相关资源，也无法建立新的资源连接。该参数设置过小，又会造成过多的RRC重建过程。T311定时器主要用于控制UE开始RRC重建到选择好某一小区所需的时间。该值设置越大，UE获得的选择时间就越长；否则，选择时间就越短，可能会引起掉话，影响用户的通话连续性。T304定时器用于系统内切换，UE在收到RRC连接重配置指令时启动，完成新小区接入后停止，定122023年 第1期（上接第4页）劣将会直接影响到无人机的性能。只有当系留无人机通信始终处于良好状态时，系留无人机平台才能实时可靠地接收地面设备发送的指令信息，地面设备才能正确接收系留无人机平台和任务载荷发来的各类数据。随着系留无人机载荷能力的提高、应用范围的扩大、通信技术的迅猛发展，系留无人机开始搭载宽带数据链和卫星设备，以满足其全球范围大容量信息传输需求。参考文献1侯洁明，孙桂祥.系留无人机自动收放线设备设计与研究J.设备管理与维修，2022（1）：126-128.2郑华利，靳朝，雷超.系留无人机通信中继系统作战应用研究J.兵工自动化，2022，41（11）：73-76.3ISO 24356：2022，General requirements for tethered un-manned aircraft systemsS.4王世勇，刘满，倪蜂棋，等.系留无人机视觉定位技术J.兵工自动化，2022，41（11）：77-83.5郎为民，马卫国，赵卓萍，等.系留无人机系统研究J.电信快报，2022（11）：1-6.6郎为民，田尚保，邹力，等.系留升空中继通信系统组网模式研究J.电信快报，2022（2）：1-4.7郎为民，田尚保，李宇鸽，等.升空中继通信系统研究J.电信快报，2022（3）：1-5.8ITU-R M.2171-2009，Characteristics of unmanned aircraftsystems and spectrum requirements to support their safeoperation in non-segregated airspaceS.郎为民（1976），男，研究员，硕士生导师，博士，主要研究方向为智能与无人系统、物联网、云计算和大数据。收稿日期：2021-12-20时器超时后UE将恢复原来的小区配置并发起RRC请求。该值设置过大，可能引起切换失败并无法回退原小区重建连接。4结束语5G移动通信网络中，小区的范围越来越小，5G用户在通话过程中，切换会更加频繁。要想保证通话的连续性并期望得到较高的通话质量，就有必要提高切换的质量。设置合理的切换测量发起门槛，及时发起邻区测量，是高质量切换的前提。针对不同的小区设置恰当的接入门槛，才能保证切换接入的可靠性，同时避免发生乒乓效应。对于不同的小区无线环境、系统环境，亦需配置对应的切换触发事件，才能保证5G及时切换。同时，设置合适的相关定时器，对于切换的可靠实现也具有保证作用。在5G系统中，还引入了INACTIVE（非激活态）状态，实现在celllist（小区列表）范围内的快速接入切换，从而保证了超低时延业务的实现。参考文献1周宏成.5G移动性管理解决方案J.电子技术与软件工程，2017（7）：39-41.23GPP TS 23.500.Technical Realization of Service BasedArchitectureS.2020.3薛晓宇.5G NSA组网下锚点