用于eV2X系统中基于UE行为预测的移动性管理方法和装置与流程

本发明涉及移动通信技术领域，更具体地，涉及一种用于ev2x系统中基于ue行为预测的移动性管理方法和装置。

背景技术：

增强的车用无线通信技术(enhancedvehicletoeverything，ev2x)是将车辆与一切事物相连接的新一代移动通信技术，其中v代表车辆，x代表任何与车交互信息的对象，当前x主要包含车辆、交通弱势群体、基础设施和网络。ev2x包括基于lte网络的支持v2x高级业务场景的增强型技术和基于5g蜂窝网络通信的支持v2x高级业务场景的车用无线通信技术。3gpp定义了四种类型的v2x应用：车对车(vehicle-to-vehicle，v2v)，车对基础设施(vehicle-to-infrastructure，v2i)，车对网络(vehicle-to-network，v2n)，车对交通弱势群体(vehicle-to-pedestrian，v2p)。5g的网络切片技术允许运营商提供定制网络以满足用户设备(userequipment，ue)不同功能需求，如移动性、安全、数据速率、可靠性等。

目前，汽车行业的迅速发展催生了许多对时延、可靠性等参数要求更为严格的ev2x业务，例如自动驾驶、远程驾驶等。然而，现有移动性管理方案仍基于ue和基站的相对位置变化进行小区重选或小区切换，只保证ue的通信连续性，不适用于基于网络切片的5g网络体系结构。此外，3gpp尚未对5g移动性管理做出明确定义。将现有移动性管理方案应用于5g，将会导致新兴ev2x类业务需求无法得到满足，提供服务的网络切片无法匹配ue当前行为，使得5g系统中高移动性ue的服务质量和会话连续性无法得到保证。为了确保ue的业务和通信质量的连续性，5g移动网络需要提供基于ue行为预测的移动性管理方案，提供匹配ue行为的网络切片并提前执行移动性管理相关信令，满足ev2x业务低时延高可靠需求。

技术实现要素：

发明目的:本发明目的在于提出一种用于ev2x系统中基于ue行为预测的移动性管理方法和装置，根据预测的ue行为模型判断是否需要为ue匹配新切片，并提前执行目标gnb(5g基站)和新切片选择相关信令，满足ev2x业务的低时延高可靠等需求，保证ev2x类ue的网络可达性和会话连续性。

技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于ev2x系统中基于ue行为预测的移动性管理方法，每个运行周期中重复执行移动性管理的以下步骤：

(1)获取ue当前时刻的行为模型参数；所述行为模型参数用于表征ue的移动性，包括ue速度、加速度、实时位置、行驶方向中的一种或多种；

(2)根据获取到的参数采用指数平滑法对下一时刻ue行为模型参数进行预测；

(3)根据ue上传的测量报告判断是否存在比服务小区信号更好的小区，若存在则跳转至步骤(4)，否则返回步骤(1)；

(4)判断ue是否处于空闲模式，若正处于空闲模式，则跳转至步骤(5)，若正处于连接模式，则跳转至步骤(10)；

(5)根据行为模型参数预测结果判断是否满足切片变更条件，若满足则跳转至步骤(6)，否则跳转至步骤(8)；

(6)根据源gnb上传的测量报告提前选定信号好于源gnb的目标gnb，并基于策略控制功能pcf提供的切片选择策略与网络切片选择功能nssf交互实例化与ue行为模型相匹配的新网络切片；

(7)执行切片间重选：接入和移动性管理功能amf与新切片建立连接，向目标gnb发送切片间重选通知，向源gnb发送切片间重选命令，源gnb向ue发送切片间重选请求，目标gnb和新切片为ue提供服务，源gnb和原切片释放资源；返回步骤(1)；

(8)根据源gnb上传的测量报告提前选定信号好于源gnb的目标gnb；

(9)执行小区重选：amf向目标gnb发送小区附着请求，向源gnb发送小区重选通知，源gnb向ue发送小区重选请求，目标gnb为ue提供服务并向amf发送重选完成确认，源gnb释放资源；返回步骤(1)；

(10)根据行为模型参数预测结果判断是否满足切片变更条件，若满足条件则跳转至步骤(11)，否则跳转至步骤(13)；

(11)根据源gnb上传的测量报告提前选定信号好于源gnb的目标gnb，并基于策略控制功能pcf提供的切片选择策略与nssf交互实例化与ue行为模型相匹配的新网络切片；

(12)执行切片间切换：amf向目标gnb发送切片间切换请求，目标gnb允许切换，并向amf确认该请求，amf向新切片发送会话连接请求，并向原切片发送切片切换通知，新切片向amf确认建立新切片会话连接，源gnb向ue发送切片间切换请求，ue、目标gnb和新切片间传输上下行数据，源gnb和原切片释放资源；返回步骤(1)；

(13)根据源gnb上传的测量报告提前选定信号好于源gnb的目标gnb；

(14)执行小区切换：amf向目标gnb发送小区切换请求，向源gnb发送小区切换通知，目标gnb允许切换，向amf确认小区切换请求，源gnb向ue发送小区切换请求，ue、目标gnb和服务该ue的网络切片间传输上下行数据，源gnb释放资源；返回步骤(1)。

在优选的实施方案中，所述步骤(2)中基于n+1个获取到的参数值{α(n),α(n-1),…,α(n-n)}，利用如下规则对ue行为模型参数进行预测：

其中，α0是指数平滑估计的初值，取最初两次获取到的值的平均；参数值个数n+1与加权系数λ有关，α(n)是第n次获取到的α值；是对第n+1次测量值α(n+1)的估计；λ为加权系数。

在优选的实施方案中，所述步骤(5)中若存在一种行为模型参数满足设定的变更条件则认为满足切片变更条件。

在优选的实施方案中，所述步骤(5)中切片变更条件为：

其中，vth、ath、xth、θth分别代表切片变更条件判定的速度门限、加速度门限、实时位置门限、行驶方向门限；vnsi1、ansi1、xnsi1、θnsi1分别代表正在服务的原网络切片nsi1建立连接时测量的ue速度、加速度、实时位置、行驶方向；分别代表根据前n+1次测量结果预测估计的下一次测量时的ue速度、加速度、实时位置、行驶方向。

本发明所述的一种用于ev2x系统中基于ue行为预测的移动性管理装置，位于接入和移动性管理功能amf中，负责ue在gnb间移动时的小区重选、切片间重选、小区切换和切片间小区切换，包括预测模块、决策模块和执行模块；

所述预测模块，用于根据获取的当前及之前时刻的ue行为模型参数，使用指数平滑法预测下一时刻的行为模型参数；所述行为模型参数用于表征ue的移动性，包括ue速度、加速度、实时位置、行驶方向中的一种或多种；

所述决策模块，用于在需要进行小区切换或重选时，判断ue运行模式，以及根据预测模块的预测的下一时刻行为模型参数判断ue行为模型是否满足切片变更条件，在ue处于空闲模式时，若满足切片变更条件则通知执行模块执行切片间重选，否则通知执行模块执行小区重选，在ue处于连接模式时，若满足切片变更条件则通知执行模块执行切片间切换，否则通知执行模块执行小区切换；

所述执行模块用于接收决策模块的通知，提前交互相应信令，并执行小区重选、切片间重选、小区切换或切片间切换，与目标gnb、源gnb、原网络切片传输信令以完成移动性管理，保证ue的上下行数据传输，释放资源；其中：

切片间重选流程是：接入和移动性管理功能amf与新切片建立连接，向目标gnb发送切片间重选通知，向源gnb发送切片间重选命令，源gnb向ue发送切片间重选请求，目标gnb和新切片为ue提供服务，源gnb和原切片释放资源；

小区重选流程是：amf向目标gnb发送小区附着请求，向源gnb发送小区重选通知，源gnb向ue发送小区重选请求，目标gnb为ue提供服务并向amf发送重选完成确认，源gnb释放资源；

切片间切换流程是：amf向目标gnb发送切片间切换请求，目标gnb允许切换，并向amf确认该请求，amf向新切片发送会话连接请求，并向原切片发送切片切换通知，新切片向amf确认建立新切片会话连接，源gnb向ue发送切片间切换请求，ue、目标gnb和新切片间传输上下行数据，源gnb和原切片释放资源；

小区切换流程是：amf向目标gnb发送小区切换请求，向源gnb发送小区切换通知，目标gnb允许切换，向amf确认小区切换请求，源gnb向ue发送小区切换请求，ue、目标gnb和服务该ue的网络切片间传输上下行数据，源gnb释放资源。

有益效果：本发明提出了一种用于ev2x系统中基于ue行为预测的移动性管理的方法和装置，根据预测的ue行为模型判断是否需要为ue匹配新切片，并提前执行目标gnb和新切片选择相关信令。这种方法使得ue在gnb间移动时可以及时做出反应，为其提供移动性支持，确保ue的网络可达性和会话连续性，实现ev2x系统的基于ue行为预测的按需移动性管理。

附图说明

图1是本发明实施例的系统应用场景图；

图2是本发明实施例的系统网络架构图；

图3是本发明实施例提供的移动性管理方法的执行流程图；

图4是本发明实施例提供的移动性管理装置结构及与其他网络功能的交互示意图。

图5是本发明实施例提供的移动性管理方法实施例一的信令交互图；

图6是本发明实施例提供的移动性管理方法实施例二的信令交互图；

图7是本发明实施例提供的移动性管理方法实施例三的信令交互图；

图8是本发明实施例提供的移动性管理方法实施例四的信令交互图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

图1是本发明实施例公开的ev2x应用场景示意图。ev2x应用场景分为四类：v2v、v2p、v2i和v2n。ev2x场景中的ue主要有车辆类型ue、交通弱势群体类型ue、路边单元(roadsideunit，rsu)类型ue等。本实施例中的ue具有完全移动性，包括：车辆类型ue和交通弱势群体类型ue。其中，交通弱势群体类型ue包括行人ue、骑行者ue等。

图2是本发明实施例公开的基于网络切片的ev2x系统网络架构图，包括ue、5g无线接入网、数据网络和网络切片。图中的ue有rsu类型ue，车辆类型ue和交通弱势群体类型ue；网络切片之间可以共享一到多个网络功能，每个网络切片也可以有切片特定的网络功能；ue之间通过pc5接口连接，ue和ran之间通过uu接口连接，ue和网络功能amf通过n1参考点交互，ran和网络功能amf通过n2参考点交互，ran和网络功能upf通过n3参考点交互，数据网络和网络功能upf通过n6参考点交互。本发明实施例公开的一种用于ev2x系统中基于网络切片的移动性管理的方法中涉及的gnb对应ev2x系统架构中的5g无线接入网节点，即图中的ng-ran节点。

本发明实施例中用到的网络功能主要有接入和移动性管理功能amf、网络切片选择功能nssf、统一数据管理udm、会话管理功能smf和用户平面功能upf。

所述接入和移动性管理功能amf的功能是处理ue的接入控制、位置信息传递、可达性管理、ue移动性事件通知、会话管理信息转发和移动性管理，在nssf的协同下将信令传送至相应的网络切片，在本发明中负责与gnb、ue、nssf、udm、smf、upf的交互。所述网络切片选择功能nssf的功能是根据ue携带的网络切片选择协助信息(slice-networksliceselectionassistanceinformation，s-nssai)选择合适的网络切片。所述统一数据管理udm的功能是存储5g核心网固定接入和移动接入的用户订阅信息，类似lte中的归属用户服务器(homesubscriberserver，hss)。所述会话管理功能smf的功能是处理用户会话，负责会话的建立、修改和释放，ueip地址的分配和管理，配置路由。所述用户平面功能upf的功能是负责数据的路由和转发，向ran节点发送结束标记，用户平面服务质量处理，流量计算和报告。

如图3所示，本发明实施例公开的一种用于ev2x系统中的基于ue行为预测的移动性管理方法，在每个运行周期内执行以下步骤：

(1)获取ue当前时刻的行为模型参数α(n)；ue行为模型表征了ue的移动性，运营商根据ue移动性需求提供定制网络，即网络切片；刻画ue行为模型的参数α有：ue的速度v、加速度a、实时位置x、行驶方向θ等，这些参数可以由ue使用gps定位模块获取得到。

(2)amf根据获取到的参数{α(n),α(n-1),…,α(n-n)}，利用[规则1]对ue行为模型参数进行预测；

其中，α0是指数平滑估计的初值，取最初两次获取到的值的平均，利用[规则2]确定：

参数值个数n+1与加权系数λ有关，利用[规则3]确定：

(3)amf根据ue上传的测量报告判断是否存在比服务小区信号更好的小区，若存在则跳转至步骤(4)，否则返回步骤(1)；

(4)判断ue是否处于空闲模式，若ue正处于空闲模式，则跳转至(5)，若ue正处于连接模式，则跳转至(10)；

(5)ue处于空闲模式：amf根据[规则4]判断预测结果是否满足切片变更条件，若满足条件则跳转至(6)，否则跳转至(8)；

其中，vth、ath、xth、θth分别代表切片变更条件判定的速度门限、加速度门限、实时位置门限、行驶方向门限；vnsi1、ansi1、xnsi1、θnsi1分别代表正在服务的原网络切片nsi1建立连接时测量的ue速度、加速度、实时位置、行驶方向；分别代表根据前n+1次测量结果预测估计的下一次测量时的ue速度、加速度、实时位置、行驶方向。

(6)amf根据源gnb上传的测量报告提前选定信号好于源gnb的目标gnb，并基于策略控制功能pcf提供的切片选择策略与nssf交互实例化新切片nsi2，重选与ue的行为模型相匹配的新网络切片nsi2来服务ue；

(7)amf执行切片间重选：amf与新切片nsi2建立连接，向目标gnb发送切片间重选通知，向源gnb发送切片间重选命令，源gnb向ue发送切片间重选请求，目标gnb和新切片nsi2为ue提供服务，源gnb和原切片nsi1释放资源；返回步骤(1)；

(8)amf根据源gnb上传的测量报告提前选定信号好于源gnb的目标gnb；

(9)amf执行小区重选：amf向目标gnb发送小区附着请求，向源gnb发送小区重选通知。源gnb向ue发送小区重选请求，目标gnb为ue提供服务并向amf发送重选完成确认，源gnb释放资源；返回步骤(1)；

(10)ue处于连接模式：amf根据[规则4]判断预测结果是否满足切片变更条件，若满足条件则跳转至(11)，否则跳转至(13)；

(11)amf根据源gnb上传的测量报告提前选定目标信号好于源gnb的gnb，并基于策略控制功能pcf提供的切片选择策略与nssf交互实例化新切片nsi2；

(12)amf执行切片间切换：amf向目标gnb发送切片间切换请求，目标gnb允许切换，并向amf确认该请求，amf向新切片nsi2发送会话连接请求，并向原切片nsi1发送切片切换通知，新切片nsi2向amf确认建立新切片会话连接，源gnb向ue发送切片间切换请求，ue、目标gnb和新切片nsi2间传输上下行数据，源gnb和原切片nsi1释放资源；返回步骤(1)；

(13)amf根据源gnb上传的测量报告提前选定信号好于源gnb的目标gnb；

(14)amf执行小区切换：amf向目标gnb发送小区切换请求，向源gnb发送小区切换通知，目标gnb允许切换，向amf确认小区切换请求，源gnb向ue发送小区切换请求，ue、目标gnb和服务该ue的网络切片间传输上下行数据，源gnb释放资源，返回步骤(1)。

如图4所示，本发明实施例还公开了一种用于ev2x系统中基于网络切片的移动性管理装置，位于接入和移动性管理功能amf，负责ue在gnb间移动时的小区重选、切片间重选、小区切换和切片间小区切换，主要包括预测模块、决策模块和执行模块：

预测模块用于根据ue测量的前n+1个行为模型参数{α(n),α(n-1),…,α(n-n)}，使用指数平滑法预测下一次测量(n+1)t时的参数

决策模块用于在需要进行小区切换或重选时，判断ue运行模式，并根据预测模块的输出判断ue行为模型是否满足切片变更条件，在ue处于空闲模式时，若满足切片变更条件则通知执行模块执行切片间重选，否则通知执行模块执行小区重选，在ue处于连接模式时，若满足切片变更条件则通知执行模块执行切片间切换，否则通知执行模块执行小区切换；

执行模块用于接收决策模块的通知，提前交互相应信令，并执行小区重选、切片间重选、小区切换或切片间切换，与目标gnb、源gnb、原网络切片传输信令以完成移动性管理，保证ue的上下行数据传输，释放资源。

为了更清楚理解本发明的技术方案，下面结合具体的应用示例对本发明的方法做进一步说明。本发明实施例中，切片变更条件和预测方法的参数如表1所示。为保证所述移动性管理方法性能达到最优，所述参数应根据具体业务和具体道路场景设定或调整。

表1参数示例

实施例一

本实施例提供ue空闲模式下在gnb间移动且ue行为模型参数满足切片变更条件时的切片间重选，例如骑行者进入下坡路段速度大幅提升、司机看到前方路障后掉头行驶等场景，如图5所示，包括以下步骤：

第一步：ue获取行为模型参数α(n)；

第二步：根据已有测量值{α(n),α(n-1),…,α(n-n)}，amf使用指数平滑法预测下一次测量时的ue行为模型参数

其中

第三步：根据ue上传的测量报告判断是否存在比服务小区信号更好的小区，若存在则跳转至第四步；

第四步：amf将预测结果代入切片变更条件

判断可知表达式为真，条件成立；

第五步：amf提前选定目标gnb并实例化新切片：

1)源gnb向ue发送测量控制，ue将测量报告上传至源gnb，源gnb再将测量报告上传至服务该ue的网络切片中的amf；

2)服务该ue的网络切片nsi1中的amf根据测量报告决定重选，并向nssf发送切片重选初始化请求，更换提供服务的网络切片以匹配ue的行为模型；

3)nssf与udm协商新切片选择，完成协商后udm向nssf发送切片重选请求，nssf实例化新切片nsi2，向amf发送切片重选初始化请求确认；

第六步：amf执行切片间切换：

1)amf向目标gnb发送切片间切换请求，目标gnb允许切换，向amf确认切片间切换；

2)amf与新切片nsi2建立会话连接，向原切片nsi1发送切片切换通知；

3)amf向源gnb发送切片间切换命令，向目标gnb发送切片间切换通知，执行切片间切换，源gnb向ue发送切片间切换请求；

4)ue断开与源gnb的连接，接入到目标gnb；

5)源gnb向目标gnb传送缓冲数据及正在传输的数据，目标gnb载入源gnb的缓冲数据之后，向amf发送切换完成确认；

6)amf向udm更新ue位置，udm向amf确认位置更新，完成切片间小区切换，新切片nsi2中的upf向源gnb和目标gnb传送结束标记；

7)ue和目标gnb间传输上下行数据，目标gnb和新切片nsi2间传输上下行数据，源gnb和原切片nsi1释放资源。

实施例二

本实施例提供ue空闲模式下在gnb间移动且ue行为模型参数不满足切片变更条件时的小区重选，例如路边行人在基站间缓慢移动、司机在高速公路上保持高速驾驶车辆等场景，如图6所示，包括以下步骤：

第一步：ue获取行为模型参数α(n)；

第二步：根据已有测量值{α(n),α(n-1),…,α(n-n)}，amf使用指数平滑法预测下一次测量时的ue行为模型参数

其中

第三步：根据ue上传的测量报告判断是否存在比服务小区信号更好的小区，若存在则跳转至第四步；

第四步：amf将预测结果代入切片变更条件

经判断表达式为假，条件不成立；

第五步：amf提前选定目标gnb：

1)源gnb向ue发送测量控制，ue将测量报告上传至源gnb，源gnb再将测量报告上传至服务该ue的网络切片中的amf；

2)根据测量报告，amf执行小区重选决定，根据预测的行为模型参数选取目标gnb；

第六步：amf执行小区重选：

1)amf向目标gnb发送附着请求，目标gnb允许附着；

2)ue断开与源gnb的连接，接入到目标gnb；

3)ue接入目标gnb，目标gnb向ue提供服务并向amf发送重选完成确认，完成小区重选；

4)amf向udm更新ue位置信息，源gnb释放资源。

实施例三

本实施例提供ue连接模式下在gnb间移动且ue行为模型参数满足切片变更条件时的切片间切换，例如司机驾驶车辆从城区驶入高速公路、乘客观看超高清视频时公交车骤然刹车等场景，如图7所示，包括以下步骤：

第一步：ue获取行为模型参数α(n)；

第二步：根据已有测量值{α(n),α(n-1),…,α(n-n)}，amf使用指数平滑法预测下一次测量时的ue行为模型参数

其中

第三步：根据ue上传的测量报告判断是否存在比服务小区信号更好的小区，若存在则跳转至第四步；

第四步：amf将预测结果代入切片变更条件

经判断表达式为真，条件成立；

第五步：amf提前选定目标gnb并实例化新切片：

1)源gnb向ue发送测量控制，ue将测量报告上传至源gnb，源gnb再将测量报告上传至服务该ue的网络切片中的amf；

2)amf根据测量报告决定切换，并向nssf发送会话切换初始化请求，更换网络切片以匹配ue的行为模型和业务需求；

3)nssf与udm协商新切片选择，完成协商后udm向nssf发送切片切换请求，nssf实例化新切片nsi2，并向udm确认切片切换请求；

第六步：amf执行切片间切换：

1)amf向目标gnb发送切片间切换请求，目标gnb允许切换，向amf确认切片间切换；

2)amf与新切片nsi2建立会话连接，向原切片nsi1发送切片切换通知；

3)amf向源gnb发送切片间切换命令，向目标gnb发送切片间切换通知，执行切片间切换，源gnb向ue发送切片间切换请求；

4)ue断开与源gnb的连接，接入到目标gnb；

5)源gnb向目标gnb传送缓冲数据及正在传输的数据，目标gnb载入源gnb的缓冲数据之后，向amf发送切换完成确认；

6)amf向udm更新ue位置，udm向amf确认位置更新，完成切片间小区切换，新切片nsi2中的upf向源gnb和目标gnb传送结束标记；

7)ue和目标gnb间传输上下行数据，目标gnb和新切片nsi2间传输上下行数据，源gnb和原切片nsi1释放资源。

实施例四

本实施例提供ue在gnb间移动且ue行为模型参数不满足切片变更条件时的移动性管理方法小区切换，例如玩手机的行人慢速在人行道上行走、学生在听歌的同时沿着一个方向匀速跑步锻炼等场景，如图8所示，包括以下步骤：

第一步：ue获取行为模型参数α(n)；

第二步：根据已有测量值{α(n),α(n-1),…,α(n-n)}，amf使用指数平滑法预测下一次测量时的ue行为模型参数

其中

第三步：根据ue上传的测量报告判断是否存在比服务小区信号更好的小区，若存在则跳转至第四步；

第四步：amf将预测结果代入切片变更条件

经判断表达式为假，条件不成立；

第五步：amf提前选定目标gnb：

1)源gnb向ue发送测量控制，ue将测量报告上传至源gnb，源gnb再将测量报告上传至服务该ue的网络切片中的amf；

2)根据测量报告，amf执行小区切换决定，根据预测的行为模型参数选取目标gnb；

第六步：amf执行小区切换：

1)amf向目标gnb发送小区切换请求，目标gnb允许切换并向amf确认小区切换请求，amf向源gnb发送小区切换通知，源gnb向ue发送小区切换请求；

2)ue断开与源gnb的连接，接入到目标gnb；

3)源gnb向目标gnb传送缓冲数据及正在传输的数据，目标gnb载入源gnb的缓冲数据之后向amf发送切换完成确认；

4)amf向smf发送pdu会话更新上下文请求，smf向upf发送会话修改请求，upf回应会话修改请求，小区切换完成后，upf向源gnb和目标gnb传送结束标记；

5)ue和目标gnb间传输上下行数据，目标gnb和服务该ue的网络切片中的upf间传输上下行数据，smf回应amf发送的pdu更新上下文请求，源gnb释放资源。