異構(gòu)網(wǎng)中移動(dòng)魯棒性優(yōu)化技術(shù)仿真研究

摘要：文章通過大量的仿真驗(yàn)證找出異構(gòu)網(wǎng)場(chǎng)景中具體的移動(dòng)魯棒性問題，進(jìn)而有針對(duì)性地給出解決方案。仿真中通過同構(gòu)網(wǎng)和異構(gòu)網(wǎng)場(chǎng)景中的移動(dòng)魯棒性性能比較，發(fā)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)場(chǎng)景中移動(dòng)性參數(shù)應(yīng)根據(jù)切換的對(duì)象不同，進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)匹配；仿真中通過異構(gòu)網(wǎng)場(chǎng)景中設(shè)置不同的參數(shù)配置發(fā)現(xiàn)，在選擇合適的移動(dòng)性參數(shù)時(shí)應(yīng)綜合考慮移動(dòng)魯棒性性能和系統(tǒng)開銷。

關(guān)鍵詞：異構(gòu)網(wǎng)；移動(dòng)魯棒性；移動(dòng)性參數(shù)；切換；無(wú)線鏈路失敗

Abstract：In this paper， we run a large number of simulations to find problems with detailed mobility robustness in heterogeneous networks. We also provide solutions to such problems. After comparing mobility robustness in a heterogeneous network with that in a homogeneous network， we found that the mobility parameters in a heterogeneous network should be selected according to different switching targets. By setting different mobility parameters in heterogeneous network simulation， we found that the trade-off between mobility robustness and system overheard should be taken into account.

Key words：heterogeneous network； mobility robustness； mobility parameter； handover； radio link failure

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)也進(jìn)行了全面的改進(jìn)，一方面網(wǎng)絡(luò)性能得到大幅的提升，另一方面網(wǎng)絡(luò)參數(shù)更加復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多層次化，這給網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)維護(hù)帶來(lái)了挑戰(zhàn)[1]。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，在使用新技術(shù)的同時(shí)，如何降低基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費(fèi)用以及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。國(guó)際電聯(lián)在文件中的明確定義[2]，接入網(wǎng)絡(luò)的高度自配置、自優(yōu)化和自治愈是IMT-Advanced系統(tǒng)的一個(gè)重要設(shè)計(jì)目標(biāo)。在這一背景下，下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（NGMN）組織和第三代合作伙伴計(jì)劃（3GPP）先后提出了自組織網(wǎng)絡(luò)（SON）的具體需求，并正在LTE/SAE系統(tǒng)中開展標(biāo)準(zhǔn)化的制訂工作。希望通過在網(wǎng)絡(luò)部署和運(yùn)營(yíng)過程中引入自動(dòng)化調(diào)整機(jī)制，減少人工干預(yù)，從而降低基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)用和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。

通過網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和集中式的覆蓋管理，蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)能夠提供連續(xù)的覆蓋。但是即使存在連續(xù)的覆蓋，由于移動(dòng)終端的移動(dòng)軌跡、移動(dòng)速度變化多樣，以及小區(qū)之間的移動(dòng)參數(shù)配置由于物理環(huán)境變化需要經(jīng)常更新等原因，無(wú)線鏈路失敗仍然會(huì)發(fā)生，而無(wú)線鏈路失敗的發(fā)生將嚴(yán)重影響用戶體驗(yàn)。如何通過動(dòng)態(tài)的小區(qū)間移動(dòng)參數(shù)調(diào)整，來(lái)減少鏈路失敗的發(fā)生，保證移動(dòng)魯棒性是一個(gè)重要的研究問題，已經(jīng)被列入了SON的工作議題[3]。

隨著數(shù)據(jù)速率需求的日益增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的宏蜂窩覆蓋的組網(wǎng)形式已經(jīng)不能夠滿足業(yè)務(wù)要求，在傳統(tǒng)的宏蜂窩小區(qū)引入低功率節(jié)點(diǎn)提供熱點(diǎn)覆蓋可以有效地解決宏蜂窩覆蓋存在的問題，同時(shí)能夠使得運(yùn)營(yíng)商以更低成本提供更高數(shù)據(jù)速率的業(yè)務(wù)[4]。LTE-Advanced的工作重點(diǎn)之一就是對(duì)室內(nèi)和熱點(diǎn)場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化。

1 移動(dòng)魯棒性優(yōu)化

移動(dòng)魯棒性優(yōu)化（MRO）是LTE標(biāo)準(zhǔn)化研究中的一個(gè)功能實(shí)體。在現(xiàn)有2G/3G系統(tǒng)中，人工調(diào)整切換相關(guān)參數(shù)設(shè)置是一項(xiàng)非常耗時(shí)的工作，在很多情況下，初始配置后移動(dòng)性參數(shù)更新的消耗非常大；并且，在單個(gè)的無(wú)線資源管理中檢測(cè)移動(dòng)性問題和調(diào)整參數(shù)并不能很好地解決問題，需要基站之間相互協(xié)調(diào)。錯(cuò)誤的切換參數(shù)設(shè)置所導(dǎo)致的乒乓效應(yīng)，切換失敗（HOF）和無(wú)線鏈路失?。≧LF）會(huì)影響用戶體驗(yàn)和消耗網(wǎng)絡(luò)資源。

切換是移動(dòng)魯棒性技術(shù)研究中非常重要的通信過程。一般情況下，若無(wú)線鏈路環(huán)境在觸發(fā)時(shí)間（TTT）內(nèi)一直滿足A3事件不等式，則觸發(fā)測(cè)量上報(bào)過程，源小區(qū)根據(jù)測(cè)量結(jié)果做出切換判決，然后開始切換[5]，因此，可以認(rèn)為A3事件不等式即為如下切換條件：

Mn >Ms +Hysts -CIOs，n

其中，Ms為用戶接收到的當(dāng)前服務(wù)小區(qū)信號(hào)強(qiáng)度；Mn為用戶接收到的鄰小區(qū)信號(hào)強(qiáng)度；Hysts為用戶當(dāng)前服務(wù)小區(qū)遲滯因子；CIOs，n為用戶當(dāng)前服務(wù)小區(qū)與鄰小區(qū)之間的小區(qū)獨(dú)立偏置。遲滯因子與鄰小區(qū)無(wú)關(guān)，小區(qū)獨(dú)立偏置是指向鄰小區(qū)的單向切換參數(shù)，針對(duì)不同的鄰小區(qū)獨(dú)立設(shè)置。

MRO優(yōu)化的主要目標(biāo)是減少與切換相關(guān)的無(wú)線鏈路失敗，其次是減少不必要的切換次數(shù)。具體可以分成4種情況：過晚切換、過早切換、切換到錯(cuò)誤小區(qū)和不必要切換。

（1）過晚切換

終端從源小區(qū)A向鄰小區(qū)B移動(dòng)過程中，如果切換參數(shù)設(shè)置不合理，如CIOA，B設(shè)置偏小，則從源小區(qū)A向鄰小區(qū)B切換到條件偏苛刻。在切換之前或切換過程中，源小區(qū)A的信號(hào)強(qiáng)度已經(jīng)很低，導(dǎo)致終端發(fā)生RLF，之后，終端又重新與鄰小區(qū)B建立連接[6]。

（2）過早切換

終端從源小區(qū)A向鄰小區(qū)B移動(dòng)過程中，如果切換參數(shù)設(shè)置不合理，如CIOA，B設(shè)置偏大，則從源小區(qū)A向鄰小區(qū)B切換到條件偏寬松。切換觸發(fā)時(shí)鄰小區(qū)B的信號(hào)強(qiáng)度還很低，在切換到鄰小區(qū)B后的短時(shí)間內(nèi)用戶發(fā)生無(wú)線鏈路失敗，之后，用戶與源小區(qū)A重新建立連接，則認(rèn)為發(fā)生過早切換。

（3）切換到錯(cuò)誤小區(qū)

終端從源小區(qū)A向鄰小區(qū)移動(dòng)過程中，用戶首先切換到鄰小區(qū)B，由于切換參數(shù)設(shè)置不合理，因此在切換后很短時(shí)間內(nèi)發(fā)生RLF，之后，用戶鄰小區(qū)C重新建立連接，則認(rèn)為發(fā)生錯(cuò)誤切換。

（4）不必要切換

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)操作來(lái)說(shuō)，切換是一個(gè)非常消耗資源的過程，并且，優(yōu)化的參數(shù)設(shè)置要想發(fā)揮功效，也必須依賴于時(shí)刻變化的無(wú)線鏈路環(huán)境，這樣的協(xié)調(diào)過程，對(duì)人工操作的要求極大。有時(shí)，終端的移動(dòng)性模式和小區(qū)覆蓋設(shè)置會(huì)產(chǎn)生頻繁的不必要切換，從而浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)的資源。反之，錯(cuò)誤的切換參數(shù)配置可能會(huì)遺漏那些應(yīng)該發(fā)生的切換過程，錯(cuò)過最佳的切換時(shí)機(jī)。

由于未來(lái)將會(huì)部署大量低功率節(jié)點(diǎn)，為了研究同時(shí)存在宏小區(qū)和微小區(qū)的異構(gòu)網(wǎng)場(chǎng)景中可能出現(xiàn)的移動(dòng)魯棒性問題，3GPP提出了異構(gòu)網(wǎng)場(chǎng)景的仿真建模假設(shè)[7-8]，并通過大量的仿真結(jié)果來(lái)評(píng)估異構(gòu)網(wǎng)場(chǎng)景中移動(dòng)魯棒性問題的嚴(yán)重性。

2 仿真建模

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

為了發(fā)現(xiàn)大范圍異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中可能存在的移動(dòng)魯棒性問題，我們參照文獻(xiàn)[7]采用了如圖1所示的仿真拓?fù)鋱D。具體的仿真拓?fù)渑渲脜?shù)如表1所示。仿真區(qū)域?yàn)閳D中虛線范圍內(nèi)，移動(dòng)終端初始時(shí)隨機(jī)選擇移動(dòng)方向，并沿著此方向勻速直線運(yùn)動(dòng)直到到達(dá)仿真區(qū)域邊界，到達(dá)仿真區(qū)域邊界后，移動(dòng)終端將隨機(jī)選擇一個(gè)方向反彈，然后繼續(xù)勻速直線運(yùn)動(dòng)。

為了研究系統(tǒng)在不同的移動(dòng)性參數(shù)的配置下的系統(tǒng)移動(dòng)魯棒性性能，文獻(xiàn)[7]給出了5種仿真配置。

2.2 移動(dòng)性模型

為了對(duì)異構(gòu)網(wǎng)場(chǎng)景下的移動(dòng)性性能進(jìn)行評(píng)估，需要采用RLF的標(biāo)準(zhǔn)和過程來(lái)判斷切換失敗，在建立切換失敗模型之前，文獻(xiàn)[7]將切換過程分為3個(gè)狀態(tài)：

狀態(tài)一：滿足A3事件之前。

狀態(tài)二：滿足A3事件之后，但是在終端成功接收到切換命令之前。

狀態(tài)三：終端接收到切換命令之后，但是在終端成功發(fā)生切換完成消息之前。

當(dāng)RLF發(fā)生在狀態(tài)一和狀態(tài)二時(shí)，將被統(tǒng)計(jì)為切換失敗。當(dāng)RLF發(fā)在狀態(tài)一，并且有其他的合適小區(qū)可供用戶選擇，則我們可以認(rèn)為這是由于切換參數(shù)不匹配，進(jìn)而造成的切換失敗。

在狀態(tài)二中，當(dāng)終端連接在源小區(qū)時(shí)，如果以下任一條件滿足，我們將統(tǒng)計(jì)為切換失?。寒?dāng)終端接收切換命令時(shí)，T310定時(shí)器被觸發(fā)或者仍然在進(jìn)行；RLF條件滿足。

在狀態(tài)三中，當(dāng)終端連接到目標(biāo)小區(qū)之后，如果以下條件滿足，我們將統(tǒng)計(jì)為切換失?。寒?dāng)切換執(zhí)行時(shí)間結(jié)束，目標(biāo)小區(qū)下行寬帶信道質(zhì)量指示（CQI）低于失步門限。

乒乓切換是不必要切換中的主要研究對(duì)象。切換之后終端在新建立連接的小區(qū)所停留的時(shí)間將被作為判斷是否是乒乓切換的主要標(biāo)準(zhǔn)，停留時(shí)間具體可以從終端成功發(fā)送切換完成消息到小區(qū)A和到小區(qū)B這段時(shí)間。如果終端從小區(qū)B切換到小區(qū)A之后，又從小區(qū)A切換回小區(qū)B，并且終端連接到小區(qū)A的停留時(shí)間小于門限值，在文獻(xiàn)[7]中，被判斷為乒乓切換。

2.3 仿真結(jié)果及分析

2.3.1 異構(gòu)網(wǎng)和同構(gòu)網(wǎng)移動(dòng)魯棒性

指標(biāo)比較

在表2中的仿真配置3下，我們對(duì)同構(gòu)網(wǎng)和異構(gòu)網(wǎng)中系統(tǒng)移動(dòng)魯棒性性能進(jìn)行仿真比較。在仿真中，切換失敗對(duì)系統(tǒng)性能的影響主要看切換和切換失敗的發(fā)生頻率。如果切換很少發(fā)生，即使切換失敗率很高，切換失敗對(duì)系統(tǒng)的影響仍然有限。另一方面，如果切換的頻率和切換失敗的頻率較高，那么對(duì)系統(tǒng)的影響將會(huì)很嚴(yán)重。因此，時(shí)間因子應(yīng)該在仿真性能評(píng)估中考慮。如圖2和圖3所示，我們可以得到系統(tǒng)切換相關(guān)指標(biāo)，單位分別為切換失敗次數(shù)與總切換次數(shù)的比值（HOF/HO）和切換失敗次數(shù)與終端數(shù)的比值（HOF/UE）。

從圖2中可以看出，就HOF指標(biāo)而言，異構(gòu)網(wǎng)的性能相比同構(gòu)網(wǎng)要差一些，尤其是異構(gòu)網(wǎng)中微小區(qū)到宏小區(qū)的HOF指標(biāo)相對(duì)于同構(gòu)網(wǎng)來(lái)講要差的更多一些。因此我們有必要針對(duì)異構(gòu)網(wǎng)中微小區(qū)到宏小區(qū)的切換性能進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步提高異構(gòu)網(wǎng)中的切換性能指標(biāo)。

從圖4和圖5中可以看到，就乒乓切換相關(guān)指標(biāo)而言，即短暫停留率和短暫停留率與終端數(shù)的比值，異構(gòu)網(wǎng)的性能均比同構(gòu)網(wǎng)要差。乒乓切換的頻繁發(fā)生將會(huì)大大增加系統(tǒng)不必要切換的次數(shù)，進(jìn)而大量增加系統(tǒng)的信令開銷，如何減少異構(gòu)網(wǎng)中乒乓切換的發(fā)生，提高異構(gòu)網(wǎng)的移動(dòng)魯棒性，也是未來(lái)需要研究的課題之一。

2.3.2 異構(gòu)網(wǎng)中不同移動(dòng)性參數(shù)下

移動(dòng)魯棒性性能比較

為了研究在不同的移動(dòng)性參數(shù)配置下，異構(gòu)網(wǎng)的移動(dòng)魯棒性性能的變化趨勢(shì)，我們參照表2的移動(dòng)性參數(shù)配置進(jìn)行了仿真。

從圖6中可以看出，在配置5中，由于移動(dòng)性參數(shù)相對(duì)其他配置而言比較寬松，因此切換比較容易發(fā)生，切換嘗試次數(shù)有比較明顯地增加。從圖7可以看出，由于配置1的移動(dòng)性參數(shù)非?？量?，切換不容易發(fā)生，造成了大量的過晚切換，終端不能及時(shí)的在信號(hào)強(qiáng)度變差前切換到合適的小區(qū)，進(jìn)而發(fā)生了RLF。隨著移動(dòng)性參數(shù)的逐漸寬松，配置4的RLF指標(biāo)為5個(gè)配置中最低。在配置5時(shí)，由于移動(dòng)性參數(shù)過于寬松，會(huì)造成一些終端過早切換，進(jìn)而切換到不合適的小區(qū)。

從圖8中可以看出，微小區(qū)到微小區(qū)的HOF指標(biāo)最高，這是因?yàn)樵诜抡嬷械凸β使?jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，造成了大量的微小區(qū)不連續(xù)覆蓋，使得HOF指標(biāo)相對(duì)升高?？梢杂^察到，從微小區(qū)到宏小區(qū)的HOF指標(biāo)也相對(duì)較高，主要原因是終端離開微小區(qū)時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度衰落比較快，移動(dòng)性參數(shù)配置中的TTT計(jì)時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致終端不能及時(shí)從微小區(qū)切換到宏小區(qū)，造成大量的過晚切換。

3 解決方案

從上面的仿真結(jié)果可以觀察到，在異構(gòu)網(wǎng)場(chǎng)景中移動(dòng)性魯棒性問題比較嚴(yán)重的主要有4個(gè)方面，我們將給出初步的分析和解決思路。

（1）微小區(qū)到宏小區(qū)的切換失敗率較高

由于在仿真中所有小區(qū)間都設(shè)置相同的移動(dòng)性參數(shù)，而這些參數(shù)主要是針對(duì)宏小區(qū)到宏小區(qū)之間切換而設(shè)置的，因此在異構(gòu)網(wǎng)場(chǎng)景中，必須針對(duì)不同的切換對(duì)象，如微小區(qū)到宏小區(qū)或者宏小區(qū)到微小區(qū)設(shè)置相匹配的移動(dòng)性參數(shù)，進(jìn)而降低系統(tǒng)的切換失敗率，優(yōu)化移動(dòng)魯棒性性能。

（2）在仿真配置1的條件下，RLF和HOF相關(guān)指標(biāo)很差

由于仿真配置1的移動(dòng)性參數(shù)相對(duì)比較苛刻，因此造成大量終端切換時(shí)機(jī)較晚，如果適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)移動(dòng)性參數(shù)，例如調(diào)整到仿真配置4，則系統(tǒng)的移動(dòng)魯棒性將會(huì)得到較大的提升。

（3）在仿真配置5的條件下，切換嘗試次數(shù)很高

由于仿真配置5的移動(dòng)性參數(shù)相對(duì)比較寬松，因此造成大量終端發(fā)生過早切換，一些本不該發(fā)生切換的終端在此配置下也發(fā)生了切換。雖然在此配置下的RLF和HOF相關(guān)指標(biāo)可以接受，但由于系統(tǒng)的切換嘗試次數(shù)大大增加，導(dǎo)致系統(tǒng)的信令開銷非常大。綜合來(lái)看，應(yīng)該在優(yōu)化移動(dòng)魯棒性的同時(shí)，考慮系統(tǒng)開銷的因素。

（4）在RLF相關(guān)指標(biāo)中，狀態(tài)二（HOF）占的比例非常高

由于大量的切換失敗是因?yàn)榻K端不能接收到源基站的切換命令，所以終端將繼續(xù)進(jìn)行T310計(jì)時(shí)，直到發(fā)生RLF或者鏈路質(zhì)量恢復(fù)，從圖7可以觀察到，發(fā)生切換失敗后，鏈路質(zhì)量恢復(fù)的比例非常小，大部分的終端最終發(fā)生了RLF，進(jìn)而進(jìn)行無(wú)線鏈路重建。而T310計(jì)時(shí)時(shí)長(zhǎng)為1 s，也就意味著終端從切換失敗到無(wú)線鏈路重建將等待較長(zhǎng)時(shí)間。我們可以通過設(shè)置新的計(jì)時(shí)器，使得終端盡早進(jìn)行無(wú)線鏈路的重建，進(jìn)而提高用戶體驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

移動(dòng)魯棒性優(yōu)化已經(jīng)成為蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中的重要研究課題之一，在未來(lái)新的網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，我們要深入研究傳統(tǒng)優(yōu)化方案的有效性，針對(duì)新場(chǎng)景的特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)方案進(jìn)行修正和改進(jìn)，進(jìn)而使得新場(chǎng)景中移動(dòng)魯棒性性能仍然可以控制在可接受的范圍之內(nèi)，使得終端可以在不影響服務(wù)質(zhì)量和體驗(yàn)的條件下，享受高速度業(yè)務(wù)帶來(lái)的無(wú)盡快樂。

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收稿日期：2012-11-06

作者簡(jiǎn)介

金圣，英國(guó)肯特大學(xué)碩士畢業(yè)；中科院上海微系統(tǒng)所助理研究員；從事網(wǎng)絡(luò)自組織自優(yōu)化研究；已主持基金項(xiàng)目2項(xiàng)；已發(fā)表論文3篇，參與編寫專著2本，申請(qǐng)發(fā)明專利18項(xiàng)，向國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)化組織提交提案42篇，其中12篇被通過。

陳琛，安徽大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè)在讀碩士研究生；現(xiàn)在上海無(wú)線通信研究中心實(shí)習(xí)；從事智能網(wǎng)優(yōu)通用仿真平臺(tái)的開發(fā)和移動(dòng)魯棒性技術(shù)的研究。

胡宏林，中國(guó)科技大學(xué)博士畢業(yè)；中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員、博士生導(dǎo)師；從事下一代移動(dòng)通信技術(shù)的研究及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作；已編著英文專業(yè)書籍4部，中文書籍1部；已發(fā)表SCI論文30余篇，獲專利授權(quán)10余項(xiàng)。