A Comprehensive Survey on Mobility Management in 5G Heterogeneous Networks: Architectures, Challenges and Solutions

Abstract

Avec l'augmentation rapide du nombre d'utilisateurs mobiles, les technologies d'accès sans fil évoluent pour fournir aux utilisateurs mobiles des débits de données élevés et prendre en charge de nouvelles applications qui incluent à la fois des communications humaines et de type machine. Les réseaux hétérogènes (HetNets), créés par l'installation conjointe de macrocellules et d'un grand nombre de petites cellules densément déployées, sont considérés comme une solution importante pour faire face aux demandes croissantes de capacité de réseau et fournir une couverture élevée aux utilisateurs sans fil dans les futurs réseaux sans fil de cinquième génération (5G). En raison de la complexité croissante de la topologie du réseau dans les HetNets 5G avec l'intégration de nombreux types de stations de base différents, la gestion de la mobilité dans l'architecture 5G présente de nombreux défis. Le déploiement intensif de petites cellules, ainsi que de nombreux avantages qu'il offre, entraîne d'importants problèmes de gestion de la mobilité tels que des transferts fréquents (HO), des pannes HO, des retards HO, des ping-pong HO et une consommation d'énergie élevée, ce qui se traduira par une expérience utilisateur réduite et des charges de signal élevées. Dans cet article, nous fournissons une étude complète sur la gestion de la mobilité dans 5G HetNet en termes de contrôle des ressources radio, la procédure initiale d'accès et d'enregistrement de l'équipement utilisateur (UE) au réseau, la procédure de radiomessagerie qui fournit la localisation de l'UE dans le réseau, les schémas de gestion de la mobilité en mode connecté, la mobilité au niveau du faisceau et la gestion du faisceau. En outre, cet article aborde les défis et suggère des solutions possibles pour la gestion de la mobilité 5G.

Con el rápido aumento en el número de usuarios móviles, las tecnologías de acceso inalámbrico están evolucionando para proporcionar a los usuarios móviles altas velocidades de datos y admitir nuevas aplicaciones que incluyen comunicaciones tanto humanas como de tipo máquina. Las redes heterogéneas (HetNets), creadas por la instalación conjunta de macrocélulas y un gran número de células pequeñas densamente desplegadas, se consideran una solución importante para hacer frente a las crecientes demandas de capacidad de red y proporcionar una alta cobertura a los usuarios inalámbricos en las futuras redes inalámbricas de quinta generación (5G). Debido a la creciente complejidad de la topología de red en las HetNets 5G con la integración de muchos tipos diferentes de estaciones base, en la arquitectura 5G la gestión de la movilidad tiene muchos desafíos. El despliegue intenso de celdas pequeñas, junto con muchas ventajas que proporciona, trae importantes problemas de gestión de la movilidad, como el traspaso frecuente (HO), la falla de HO, los retrasos de HO, el HO de ping-pong y el alto consumo de energía, lo que dará como resultado una menor experiencia del usuario y grandes cargas de señal. En este trabajo, proporcionamos un estudio exhaustivo sobre la gestión de la movilidad en 5G HetNet en términos de control de recursos de radio, el procedimiento inicial de acceso y registro del equipo de usuario (UE) a la red, el procedimiento de paginación que proporciona la ubicación del UE dentro de la red, esquemas de gestión de movilidad en modo conectado, movilidad a nivel de haz y gestión de haz. Además, este documento aborda los desafíos y sugiere posibles soluciones para la gestión de la movilidad 5G.

With the rapid increase in the number of mobile users, wireless access technologies are evolving to provide mobile users with high data rates and support new applications that include both human and machine-type communications. Heterogeneous networks (HetNets), created by the joint installation of macro cells and a large number of densely deployed small cells, are considered an important solution to deal with the increasing network capacity demands and provide high coverage to wireless users in future fifth generation (5G) wireless networks. Due to the increasing complexity of network topology in 5G HetNets with the integration of many different base station types, in 5G architecture mobility management has many challenges. Intense deployment of small cells, along with many advantages it provides, brings important mobility management problems such as frequent handover (HO), HO failure, HO delays, ping-pong HO and high energy consumption which will result in lower user experience and heavy signal loads. In this paper, we provide a comprehensive study on the mobility management in 5G HetNet in terms of radio resource control, the initial access and registration procedure of the user equipment (UE) to the network, the paging procedure that provides the location of the UE within the network, connected mode mobility management schemes, beam level mobility and beam management. Besides, this paper addresses the challenges and suggest possible solutions for the 5G mobility management.

مع الزيادة السريعة في عدد مستخدمي الهواتف المحمولة، تتطور تقنيات الوصول اللاسلكي لتزويد مستخدمي الهواتف المحمولة بمعدلات بيانات عالية ودعم التطبيقات الجديدة التي تشمل الاتصالات البشرية والآلية. تعتبر الشبكات غير المتجانسة (HetNets)، التي تم إنشاؤها بواسطة التثبيت المشترك للخلايا الكبيرة وعدد كبير من الخلايا الصغيرة المنتشرة بكثافة، حلاً مهمًا للتعامل مع متطلبات سعة الشبكة المتزايدة وتوفير تغطية عالية للمستخدمين اللاسلكيين في الشبكات اللاسلكية المستقبلية من الجيل الخامس (5G). نظرًا للتعقيد المتزايد لطوبولوجيا الشبكة في شبكات الجيل الخامس مع دمج العديد من أنواع المحطات الأساسية المختلفة، تواجه إدارة التنقل في بنية الجيل الخامس العديد من التحديات. يؤدي النشر المكثف للخلايا الصغيرة، جنبًا إلى جنب مع العديد من المزايا التي يوفرها، إلى مشاكل مهمة في إدارة التنقل مثل التسليم المتكرر (HO)، وفشل HO، وتأخير HO، و Ping - Pong HO، والاستهلاك العالي للطاقة مما سيؤدي إلى انخفاض تجربة المستخدم وأحمال الإشارة الثقيلة. في هذه الورقة، نقدم دراسة شاملة حول إدارة التنقل في شبكة HetNet 5G من حيث التحكم في موارد الراديو، وإجراءات الوصول والتسجيل الأولية لمعدات المستخدم (UE) إلى الشبكة، وإجراء الترحيل الذي يوفر موقع UE داخل الشبكة، وخطط إدارة التنقل في الوضع المتصل، والتنقل على مستوى الشعاع وإدارة الشعاع. إلى جانب ذلك، تتناول هذه الورقة التحديات وتقترح الحلول الممكنة لإدارة التنقل 5G.