LTE-Advanced系統(tǒng)中的移動頑健性優(yōu)化技術(shù)研究*

胡榮貽，彭木根，張洪巖，李 遠

（北京郵電大學(xué)泛網(wǎng)無線通信教育部重點實驗室 北京100876）

1 引言

為適應(yīng)下一代寬帶移動通信系統(tǒng)的技術(shù)和業(yè)務(wù)需求，IMT-Advanced系統(tǒng)引入了網(wǎng)絡(luò)自組織技術(shù)，提高了網(wǎng)絡(luò)的自組織能力，簡化了無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)運維，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的自配置、自優(yōu)化和自治愈[1]。

網(wǎng)絡(luò)自優(yōu)化技術(shù)從網(wǎng)絡(luò)的整體性能提高出發(fā)，通過監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)性能指標的變化和異常事件的發(fā)生發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)問題，并通過自動調(diào)整基站（base station，BS）相關(guān)參數(shù)，達到減少干擾、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能的目的。在傳統(tǒng)的2G/3G系統(tǒng)中，切換（handover，HO）參數(shù)在基站初始化配置后很少調(diào)整，即使進行調(diào)整也很難有效避免“過早/過晚切換”、“不必要切換”、“切換到錯誤目標小區(qū)”等不利事件的發(fā)生。切換問題將導(dǎo)致用戶掉話、數(shù)據(jù)丟失、系統(tǒng)資源浪費，是目前網(wǎng)絡(luò)問題中亟需解決的關(guān)鍵任務(wù)。

因而，展開切換自優(yōu)化的研究和標準化[2]工作具有重大意義。切換自優(yōu)化是指用戶設(shè)備（user equipment，UE）在不同的蜂窩小區(qū)之間切換和重選時的性能優(yōu)化，以實現(xiàn)無損、無縫連接，降低中斷時間和數(shù)據(jù)損失。其中，移動頑健性優(yōu)化（mobility robustness optimization，MRO）技術(shù)是目前移動網(wǎng)絡(luò)背景下技術(shù)研究的熱點和突破的難點。

目前3GPP對切換自優(yōu)化的標準化工作已經(jīng)由同構(gòu) 網(wǎng) 絡(luò)（homorogeneous network，HomoNet）拓展到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（hererogeneous network，HetNet）。3GPP RAN2組展開了對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下切換自優(yōu)化及相關(guān)問題的研究，獲取了更多切換問題和潛在的增強方法，以支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下的無縫切換。不同于同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中宏小區(qū)（macro cell）間的切換問題，異構(gòu)場景中引入了大量的低功率節(jié)點（如微基站（pico base station，pico BS）、家庭基站、中遠程射頻點 （remote radio head，RRH）），部署在宏小區(qū)邊緣以增強覆蓋或者部署在宏小區(qū)中心以增強容量。這些異構(gòu)節(jié)點的靜態(tài)或不同密度的隨機部署，給HetNet帶來了在與HomoNet中傳統(tǒng)宏基站（macro base station，macro BS）間切換時更多的移動性問題。

因此，需要提出一種更高效的切換自優(yōu)化方法，改善同構(gòu)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下系統(tǒng)的整體性能。以前針對LTE-Advanced蜂窩網(wǎng)絡(luò)的移動頑健性優(yōu)化方案[3]，大多存在以下問題：不同的切換失敗場景分別孤立地對切換參數(shù)（如切換門限或觸發(fā)時間）進行調(diào)整；缺乏對用戶體驗質(zhì)量的考慮，結(jié)果中仍面臨掉話率高、資源浪費嚴重等問題，對系統(tǒng)整體性能的改善不夠明顯。而本文將提出面向切換事件和切換場景的MRO算法，以用戶掉話率作為系統(tǒng)性能的評價標準，提出聯(lián)合不同切換場景的切換參數(shù)調(diào)整方案，綜合考慮所有可能的切換場景的發(fā)生概率和特征，改善系統(tǒng)的整體性能；并通過系統(tǒng)級仿真比較加入MRO算法前后的性能差異。仿真結(jié)果證明，同構(gòu)和異構(gòu)場景下，加入MRO技術(shù)使整體網(wǎng)絡(luò)的掉話率大大降低，保證了切換的成功，降低了中斷時間和數(shù)據(jù)損失，系統(tǒng)整體性能大幅提高，更好地滿足了網(wǎng)絡(luò)自優(yōu)化，以實現(xiàn)無損、無縫連接。

2 系統(tǒng)模型

切換問題主要導(dǎo)致用戶掉話、數(shù)據(jù)丟失、系統(tǒng)資源浪費等，可采集的性能指標[5]包括切換失敗率PHOF、乒乓切換率PHPP、擁塞率Pc、UE掉話或切換失敗后重建到源小區(qū)或目標小區(qū)的數(shù)目（Ns或Nt）等；而用戶掉話率最能直觀地反映系統(tǒng)通信服務(wù)質(zhì)量和用戶體驗狀況。

本文將以“用戶掉話率”作為性能評價指標，通過采集用戶掉話情況對比分析加入MRO算法前后的性能差異。用戶掉話率PDC的表達式為：

其中，Nd為發(fā)生鏈路失敗的次數(shù)，Na為沒有發(fā)生鏈路失敗的次數(shù)。

本文提出了一種面向切換事件和切換場景的切換自優(yōu)化方案，該方案根據(jù)切換事件和不同切換場景的特點，進行切換參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整。

LTE-Advanced系統(tǒng)切換過程主要包括切換測量、切換判決、切換執(zhí)行3個部分。本文提出的切換自優(yōu)化方案中，具體切換事件（A3）通過采集測量用戶參考信號接收功率（RSRP）的變化來判斷；RSRP采用平均接收功率，當一個觸發(fā)時間（TTT）內(nèi)都滿足式（2）的切換“判決準則”時，執(zhí)行切換，并更新源小區(qū)和目標小區(qū)基站的用戶列表；否則，不執(zhí)行切換。

其中，RSRPS表示源小區(qū)的參考信號接收功率，RSRPT表示目標小區(qū)的參考信號接收功率，切換參數(shù)HOM表示切換滯后差值。

下面分別針對同構(gòu)和異構(gòu)兩種場景[4]，綜合考慮不同的切換問題場景進行建模。在同構(gòu)或異構(gòu)場景中，不論源小區(qū)和目標小區(qū)的基站是宏基站還是微基站，切換問題場景都主要考慮過早切換、過晚切換、乒乓切換3種。其特點分別如下：過早切換時，切換參數(shù)設(shè)置過小，UE受快衰等因素影響，切換入目標小區(qū)時間內(nèi)發(fā)生掉話或切換失敗，重建至源小區(qū)，重建到源小區(qū)的數(shù)目Ns要大于重建到目標小區(qū)的數(shù)目Nt；過晚切換時，切換參數(shù)設(shè)置較大，目標小區(qū)信號質(zhì)量很好并且源小區(qū)信號質(zhì)量較差，但還沒有滿足切換條件，導(dǎo)致UE發(fā)生掉話并重建到目標小區(qū)，重建到源小區(qū)的數(shù)目Ns要小于重建到目標小區(qū)的數(shù)目Nt；乒乓切換指切換參數(shù)設(shè)置較小外加地形地貌和快衰等因素的影響，UE短時間內(nèi)在源小區(qū)和目標小區(qū)間不斷進行切換，最終導(dǎo)致UE發(fā)生掉話或切換失敗。

同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景的蜂窩小區(qū)中只有macro BS和宏小區(qū)用戶（macro UE，MUE），用戶移動帶來的小區(qū)間切換只有macro BS和macro BS之間的一種情況，即宏基站到宏基站（marco to marco，M2M）。切換問題也只對應(yīng)如圖1～圖3所示的3種場景。

圖3 乒乓切換

同構(gòu)場景下，判斷3種切換問題場景的方法[5]如下。

·過早切換：PHOF+PDC>P失敗門限，Ns>Nt，PHPP

·過晚切換：PHOF≤P失敗門限，PDC>PDC門限，Ns

·乒乓切換：PDC+PHOF>P失敗門限，PHPP>PHPP門限，Pc

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景[6]中引入了微小區(qū)（pico cell），每個扇區(qū)的邊緣增加了一個微基站（pico BS），即宏基站和微基站數(shù)目相同。HetNet場景下，小區(qū)間的切換情況包括如圖4所示的4種：宏基站到宏基站、宏基站到微基站（macro to pico，M2P）、微基站到微基站（pico to pico，P2P）、微基站到宏基站（pico to macro，P2M）。

異構(gòu)場景下的切換問題場景更加復(fù)雜，過早、過晚、乒乓切換理論上在M2M、P2M、M2P、P2P切換時均有發(fā)生，與同構(gòu)場景中M2M切換的3種切換問題場景類似。不同的是，M2M、P2M、M2P、P2P切換時，對應(yīng)的切換門限和判斷條件也有所不同：由于低功率節(jié)點pico BS比macro BS發(fā)射功率和覆蓋范圍小，微小區(qū)用戶（pico UE，PUE）的RSRP相對MUE較低，所以M2M、P2M、M2P和P2P切換的判斷門限設(shè)置依次減小，因而分別對應(yīng)發(fā)生的3種切換問題場景（過早、過晚、乒乓切換）的判斷門限P失敗門限、PDC門限、PHPP門限等設(shè)置也依次降低。

圖4 異構(gòu)場景下的切換

3 MRO算法

同構(gòu)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下，MRO算法的切換參數(shù)自優(yōu)化方案基本一致，但異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下的MRO算法更加復(fù)雜，這是由于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下切換事件和切換問題場景更加復(fù)雜。

3.1 同構(gòu)場景

同構(gòu)場景中，依據(jù)平均統(tǒng)計的切換失敗場景和掉話率的總體情況，不斷對整體網(wǎng)絡(luò)中所有macro BS的切換參數(shù)進行切換優(yōu)化調(diào)整。每隔一個調(diào)整周期T，對不同的切換失敗場景（過早切換、過晚切換、乒乓切換）及發(fā)生比率判斷比較后，對HOM和TTT進行切換自優(yōu)化調(diào)整。一個調(diào)整周期內(nèi)的具體MRO算法流程如圖5所示。

圖5 同構(gòu)場景MRO算法流程

首先，利用系統(tǒng)在每個調(diào)整周期T內(nèi)采集的切換性能指標，判定當前切換問題是哪種類型的切換。同構(gòu)場景中僅存在M2M切換，分別統(tǒng)計對應(yīng)的3種切換問題場景（過晚、過早、乒乓切換）的次數(shù)，并計算其占所有切換場景（包括切換成功場景和切換問題場景）的比率，得到過早切換率Pearly、過晚切換率Plate、乒乓切換率PHPP。然后，根據(jù)切換問題場景的分布統(tǒng)計情況，在每個調(diào)整周期內(nèi)對HOM和TTT的具體優(yōu)化調(diào)整方法如下所述。

·若判斷過早切換率大于過晚切換率，即Pearly>Plate，對所有基站切換參數(shù)進行調(diào)整，同時降低小區(qū)偏置門限HOM和觸發(fā)時間TTT。

·若判斷為過早切換率不大于過晚切換率，即Pearly≤Plate，對所有基站切換參數(shù)進行調(diào)整，同時降低小區(qū)偏置門限HOM和觸發(fā)時間TTT。

·對于乒乓切換場景，獨立于過早或過晚切換場景進行調(diào)整。若乒乓切換率PHPP<0，則不進行調(diào)整；否則對所有基站切換參數(shù)進行調(diào)整，同時提高小區(qū)偏置門限HOM和觸發(fā)時間TTT。

最后，每個調(diào)整周期完成后，將優(yōu)化的切換參數(shù)反饋給所有的源基站和目標基站。另外，調(diào)整過程中如果HOM或TTT已到達預(yù)設(shè)門限，則及時上報給源基站和目標基站。

3.2 異構(gòu)場景

圖6所示的異構(gòu)場景中，由于加入了微基站導(dǎo)致需要判斷的切換失敗場景更加復(fù)雜，切換區(qū)域除M2M切換與同構(gòu)場景一致外，還包括M2P、P2M、P2P切換；4種切換情況分別對應(yīng)的3種切換問題場景（過晚、過早、乒乓切換）需要設(shè)置不同的判斷門限，然后分別統(tǒng)計后求和。所以，異構(gòu)場景下的MRO算法流程與同構(gòu)場景下的基本一致，只是切換問題場景的統(tǒng)計判斷不同。

圖6 異構(gòu)場景中MRO算法流程

對于M2M切換，異構(gòu)場景中對應(yīng)的切換門限設(shè)置與同構(gòu)場景中一致，3種問題切換場景判斷和統(tǒng)計方法相同；對于P2M、M2P和P2P切換，由于pico BS功率和覆蓋范圍相對macro BS較小，M2P、P2M和P2P切換判斷略有不同，門限值設(shè)置相對M2M較小，對應(yīng)的3種切換問題場景（過晚、過早、乒乓切換）的門限也較M2M依次降低。

分別統(tǒng)計M2M、P2M、M2P和P2P切換區(qū)域內(nèi)的過晚、過早、乒乓切換次數(shù)并求和，然后統(tǒng)計所有切換中過晚、過早、乒乓切換的比率（Plate、Pearly、PHPP）。不同切換問題場景所占比率，反映著異構(gòu)場景中切換失敗和用戶掉話問題的總體特征。

針對異構(gòu)場景中統(tǒng)計的Pearly、Plate、PHPP情況，對應(yīng)執(zhí)行切換參數(shù)調(diào)整方案，其方法也與同構(gòu)場景一致。同樣，所有切換區(qū)域（包括M2M、P2M、M2P和P2P切換）的優(yōu)化切換參數(shù)需反饋給相應(yīng)的macro BS或pico BS。

4 仿真與分析

4.1 仿真場景設(shè)定

本節(jié)的仿真基于符合3GPP規(guī)范定義的TD-LTEAdvanced下行系統(tǒng)級仿真平臺[6]。分別對同構(gòu)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)加入MRO算法和無MRO算法情況下的移動頑健性進行系統(tǒng)級仿真，仿真參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

4.2 結(jié)果與性能分析

（1）MRO算法對用戶掉話率的影響

從圖7結(jié)果明顯可知，加入MRO算法后的用戶掉話率整體大幅下降，同構(gòu)場景下從10.9%降到6.2%；異構(gòu)場景下從11.3%降到6.3%?？傮w上來說，由于MRO算法的加入，掉話率有40%～50%的降低，系統(tǒng)整體性能得到大幅改善，也證明了本文的MRO算法對掉話和數(shù)據(jù)丟失等用戶體驗品質(zhì)有明顯改善，意義重大。

異構(gòu)場景的掉話率比同構(gòu)場景更高，而MRO算法在異構(gòu)場景下帶來性能改善的增益更大。這是因為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)比同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)增加了pico BS，會使切換問題更加復(fù)雜化，因為除了macro BS間的切換，還有pico BS與macro BS、pico BS與pico BS間的切換，所以異構(gòu)場景的掉話率相對高；而本文的MRO算法聯(lián)合考慮了所有不同的切換場景的分布概率和切換特征，因而對異構(gòu)場景下的掉話率優(yōu)化效果比同構(gòu)場景更明顯，帶來的性能增益相對更高。

圖7 用戶掉話率

（2）MRO算法對異構(gòu)場景中切換失敗率的影響

關(guān)于MRO算法對異構(gòu)場景的優(yōu)化效果，分別統(tǒng)計了4種切換類型（M2M、M2P、P2M和P2P）的掉話率，即切換失敗率。如圖8所示，沒有加入MRO算法時，M2M切換失敗率比例約為10.84%，P2M約為0.46%；加入MRO算法后，M2M切換失敗率約為6.14%，P2M約為0.15%，M2P和P2P切換沒有發(fā)生。這是由于微基站的功率和覆蓋面積遠小于宏基站，用戶很少移動到pico BS覆蓋區(qū)域，隨機分布在pico BS的用戶也較少，由pico BS切換到macro BS的發(fā)生次數(shù)較少而且P2M的切換成功率很高，失敗率僅為0.15%；而又因用戶快速移動經(jīng)過pico BS覆蓋區(qū)域時間很短，用戶仍連接在信號較好的macro BS下，由macro BS切換到pico BS、pico BS切換到pico BS甚至沒有發(fā)生，對應(yīng)切換失敗率無統(tǒng)計值。

圖8 異構(gòu)場景中的切換

可見異構(gòu)場景中，用戶掉話絕大部分是M2M切換失敗引起的，其切換失敗率也比另外3種切換（M2P、P2P和P2M）大很多。明顯地，加入MRO算法后，M2M和P2M切換失敗率均大幅降低，其中M2M切換失敗率降低了約4.7%，是異構(gòu)場景切換優(yōu)化性能增益的最主要部分。所以，異構(gòu)場景下的切換優(yōu)化其實主要優(yōu)化M2M切換，優(yōu)先改善宏基站間切換性能和掉話情況，這點與同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)類似。

（3）MRO算法對過晚切換率和過早切換率的影響

從圖9和圖10中可以看出，無論在同構(gòu)場景還是異構(gòu)場景中，過晚切換率比過早切換率大很多，同構(gòu)場景中的過晚切換率（10.7%、5.3%）遠大于過早切換率（0.2%、0.9%）；異構(gòu)場景中過晚切換率（10.2%、5.1%）遠大于過早切換率（1.1%、1.2%）。原因是用戶過早切換時，目標小區(qū)由于信號較弱無法與UE進行同步，UE會重新與源小區(qū)同步，但不會掉話，只會引起切換失敗；而對于過晚切換，因為目標基站的信號質(zhì)量較好，同步成功幾率很高，但掉話率會較高。這里，MRO算法主要考慮過晚和過早切換的影響，因為乒乓切換率過低，優(yōu)化效果不突出，因此此處不做統(tǒng)計分析。

從仿真結(jié)果明顯發(fā)現(xiàn)，MRO算法對過晚切換的優(yōu)化效果遠大于過早切換，同構(gòu)和異構(gòu)場景中的過晚切換率分別降低5.4%和5.1%，而過早切換率均稍有增加。這是由于用戶快速移動過程中信道條件變化較快，而切換參數(shù)設(shè)置偏大，源小區(qū)信號質(zhì)量相比目標小區(qū)較差，但還沒有滿足切換條件，大部分用戶發(fā)生過晚切換，導(dǎo)致UE發(fā)生掉話；MRO算法主要是對過晚切換率多大于過早切換率的情況進行參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，適當調(diào)整降低切換參數(shù)（TTT、HOM）使過晚切換率大大降低而過早切換率略有上升，總體上大幅降低了用戶掉話率，整體性能取得明顯的增益。

5 結(jié)束語

本文針對LTE-Advanced蜂窩網(wǎng)絡(luò)移動頑健性問題提出了綜合考慮切換事件和切換場景的MRO算法，給出了同構(gòu)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下的用戶掉話率等性能的改善方案。仿真結(jié)果表明：加入MRO算法，整體用戶掉話率都大幅降低，同構(gòu)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下的性能均有40%～50%的相對增益，帶來了系統(tǒng)移動頑健性的大幅提高，降低了用戶通信中斷時間和數(shù)據(jù)丟失，用戶體驗質(zhì)量得到了有效保障，很有實際意義。

本文的切換自優(yōu)化方案，有效地克服了以前移動切換方案中很少考慮用戶體驗品質(zhì)、移動頑健性差的缺點。本文的仿真場景設(shè)置經(jīng)過了簡化，實際網(wǎng)絡(luò)部署中的切換問題將更加復(fù)雜[7]。為進一步提高完善目前移動通信網(wǎng)絡(luò)的整體性能，SON的自優(yōu)化進程仍有很多地方值得突破、提高。

1 Peng M G,Ding Z G,Zhou Y Q.Advanced self-organizing technologies over distributed wireless networks.International Journal of Distributed Sensor Networks,2012

2 3GPP TR 36.839.Mobility Enhancements in Heterogeneous Networks,2012

3 金圣峣，陳琛，胡宏林.異構(gòu)網(wǎng)中移動頑健性優(yōu)化技術(shù)仿真研究.中興通訊技術(shù)，2013（2）:21～25

4 David L P,Ismail G,Chu X L.Mobility management challenges in 3GPP heterogeneous networks.IEEE Communications Magazine,2012,50（12）:70～78

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6 3GPP TR 36.814.Further Advancements for E-UTRA Physical Layer Aspects,2011

7 魏垚，彭木根，王文博.IMT-Advanced系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)自組織協(xié)議流程和技術(shù)性能.電信科學(xué),2011,27（4）:30～36