5G网络移动性管理与过载控制详解

### 5G网络移动性管理与过载控制全解析 #### 1. 跟踪区域（TA）相关机制 当用户同意将订阅限制在其家庭区域时，运营商会确定一个用于该订阅的跟踪区域（TA），比如根据用户家庭地址确定为TA2。同时，运营商可能会额外添加允许的最大TA数量，例如设置为三个，以确保建筑物的完整区域都被覆盖。 - **用户在家注册情况**：当用户在家中（如TA1）注册时，用户设备（UE）可能会收到TA1的路由区域（RA）以及TA1和TA2的允许区域作为注册响应。网络会内部统计允许区域中包含的TA数量，并与允许的最大TA数量（此时包含TA1和TA2，即两个TA）进行比较。 - **用户移动情况**： - 当用户移动到TA2和TA4时，UE可能会获得TA1、TA2、TA4的RA以及相同TA的允许区域。 - 当用户移动到家庭区域之外，如TA5时，UE会获得一个新的设置为TA5的RA，同时得知TA5是不允许区域，用户因此无法使用UE进行正常服务。 - 当用户再次回到家中时，UE很可能会获得TA1、TA2和TA4的RA，并得知这些是允许区域的一部分，用户此时可以再次使用UE。 TA的大小取决于多个方面，如使用的小区数量以及是否使用更高的无线电频率。虽然建筑物跨越三个TA的情况可能并不常见，因为TA通常比单个建筑物大，但5GS使用三个字节来标识TA（而EPS使用两个字节），再加上高无线电频率的使用，使得5GS有更大的可能性部署更小的TA。 #### 2. 5GS过载控制机制 5GS支持通过不同机制控制UE对5GS产生的负载量。5GC平衡各个网络功能（NF）负载以及扩展NF消耗资源量的机制，通常足以应对影响5GC的正常负载波动。为了保护自身免受过载情况的影响，5GC支持多种机制： - **NAS退避定时器**：指示UE通过NAS退避定时器（用于移动性管理和会话管理消息）进行退避，这样在退避定时器运行期间，UE不会重新尝试连接。 - **向NG - RAN发送过载消息**：5GS还支持在发送给NG - RAN的NGAP过载开始消息中使用不同标准，向NG - RAN表明需要减少对AMF的负载，这与EPC的规定类似。 NG - RAN支持使用无线电资源管理（RRM）技术引导UE，以便有效利用NG - RAN资源。5GC还可以通过为每个UE向NG - RAN提供无线接入技术/频率选择优先级（RFSP），影响NG - RAN的RRM策略，从而告知NG - RAN如何为特定UE优先分配NG - RAN资源。 此外，NG - RAN支持不同技术来处理过载情况下的UE流量，具体处理可能瓶颈的方法如下表所示： | 情况 | 处理方法 | 说明 | | ---- | ---- | ---- | | 控制信道资源拥塞 | 基于5QI的调度 | 当等待调度的用户数量超过可接纳的用户数量，导致随机接入过程失败时使用。随机接入过程是UE发起通信时使用的低层过程，例如从时间角度使UE与网络同步。 | | 随机接入信道（RACH）资源拥塞 | 随机接入退避 | 当RACH上的接入尝试过多，以至于无法检测到UE提供的前导码时，将一些UE推入更长的退避时间。 | | RRC连接资源不足 | 释放/拒绝UE的RRC连接 | 如果没有足够的资源来处理RRC连接请求，可以释放已建立的RRC连接以缓解NG - RAN的拥塞，或者拒绝RRC连接尝试。在5GS中，RRC连接请求无法提供足够的UE全局唯一AMF标识（GUAMI）信息，因此在尝试控制AMF过载时，会执行RRC连接释放，因为在RRC连接被视为建立之前，无法确定服务于UE的AMF。 | | 严重且无法控制的拥塞 | 统一接入控制（UAC） | 在极端情况下，如随机接入过载或NG - RAN的控制平面过载达到无法通过上述机制降低的水平时，可以使用UAC防止UE尝试建立连接。UAC是EPS中各种限制机制的演进，是一种更灵活的单一解决方案，但它是NG - RAN拥塞预防工具集中最严厉的措施，只有在其他方法都用尽时才应调用，因为它会影响更广泛的UE，通常不能用于减少对特定AMF的负载。 | 下面是一个简单的mermaid流程图，展示过载控制的主要流程： ```mermaid graph TD; A[检测到过载] --> B{过载类型}; B -->|控制信道拥塞| C[5QI-based调度]; B -->|RACH拥塞| D[随机接入退避]; B -->|RRC连接资源不足| E[释放/拒绝RRC连接]; B -->|严重且无法控制| F[UAC]; ``` #### 3. 统一接入控制（UAC） EPS支持多种接入限制机制，而5GS支持一种称为统一接入控制（UAC）的机制。UAC具有可扩展性和灵活性，每个运营商可以定义自己应用接入控制的类别，并且支持多种场景。UAC会影响处于所有RRC状态（RRC_IDLE、RRC_INACTIVE和RRC_CONNECTED）的UE。在多个5GC共享同一NG - RAN的情况下，NG - RAN会为每个公共陆地移动网络（PLMN）单独提供UAC。 当UE想要接入5GS时，会先进行接入控制检查以确定是否允许接入，具体步骤如下： 1. UE的NAS层将请求映射到一个或多个接入标识和一个接入类别。 2. NAS层将接入标识和接入类别告知低层（AS层）。 3. AS层根据确定的接入标识和接入类别，对该请求进行接入限制检查。 4. 如果AS层表明接入尝试被允许，NAS将启动该过程；如果AS层表明接入尝试被禁止，NAS则不会启动该过程。 5. AS层按接入类别运行限制定时器，定时器到期时，AS层会按接入类别向NAS层表明接入限制已缓解。 定义的接入标识如下： | 接入标识编号 | 说明 | | ---- | ---- | | 0 | UE未配置此列表中的任何参数 | | 1 | UE配置了多媒体优先服务（MPS） | | 2 | UE配置了关键任务服务（MCS） | | 3 - 10 | 保留供未来使用 | | 11 | UE配置了接入类别11（用于PLMN使用） | | 12 | UE配置了接入类别12（安全服务） | | 13 | UE配置了接入类别13（公共事业，如水/气供应商） | | 14 | UE配置了接入类别14（紧急服务） | | 15 | UE配置了接入类别15（PLMN员工） | 其中，接入标识11和15在归属公共陆地移动网络（HPLMN）或等效HPLMN中有效；接入标识12、13和14仅在HPLMN和UE所在国家的访问PLMN中有效。 定义的接入类别如下： | 接入类别编号 | 说明 | | ---- | ---- | | 0 | 对非3GPP接入的寻呼或通知的响应，或用于LPP消息 | | 1 | 对延迟容忍服务的