TD-SCDMA與TD-LTE切換策略的研究

羅自強(qiáng), 黃幫明, 姚銳

（1 重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院, 重慶市 400065；2 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司重慶分公司, 重慶 401147）

1 前言

隨著移動(dòng)通信和互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，人們對(duì)高帶寬、高頻譜效率、高速率網(wǎng)絡(luò)的要求，第四代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)TD-LTE應(yīng)運(yùn)而生。如今隨著中國(guó)移動(dòng)TD-LTE實(shí)驗(yàn)網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，相信TD-LTE商用也為時(shí)不遠(yuǎn)。而TD-SCDMA作為中國(guó)主導(dǎo)的3G技術(shù)到時(shí)候必將與TDLTE共存。在這種情況下，為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間快速、無(wú)縫的連接，以提供給移動(dòng)用戶(hù)更好的服務(wù)， TD-LTE與TD-SCDMA之間的互操作就顯得十分重要,而作為互操作重要組成部分的切換判決也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

2 切換概述

切換是移動(dòng)性管理的重要組成部分之一。在終端的移動(dòng)過(guò)程中，由于網(wǎng)絡(luò)性能變化等原因，經(jīng)常要選擇合適的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行接入，切換時(shí)保證改變網(wǎng)絡(luò)接入時(shí)，仍能保持正常的連接使用戶(hù)感受到無(wú)縫連接的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.1 切換的概念

切換是指移動(dòng)終端從一個(gè)小區(qū)或者信道變更到另外一個(gè)小區(qū)或信道時(shí)為保證通信的繼續(xù)而進(jìn)行的連接處理技術(shù)。切換可以分為系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)間的切換。切換的目的是在終端與網(wǎng)絡(luò)之間始終保持一個(gè)可以接受的通信質(zhì)量水平，以防通信中斷，這是適應(yīng)移動(dòng)性衰落信道等特征必不可少的措施。

2.2 切換的分類(lèi)

如今復(fù)雜的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，使得切換的種類(lèi)也由于網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜和應(yīng)用場(chǎng)景的多樣性變得豐富多彩。根據(jù)不同的原則，切換可以有不同的分類(lèi)方法，例如：

（1）切換可以由移動(dòng)終端或者網(wǎng)絡(luò)端發(fā)起，根據(jù)切換的控制方式不同，切換可以分為4種類(lèi)型：網(wǎng)絡(luò)控制切換（NCHO）、移動(dòng)終端控制切換（MCHO）、網(wǎng)絡(luò)輔助切換(NAHO)、移動(dòng)終端輔助切換(MAHO)。

（2）按照通信鏈路的建立方式，切換可以分為硬切換、軟切換和接力切換。硬切換是指在不同的頻率的基站或者扇區(qū)之間的切換；軟切換是指在同一頻率的不同基站之間的切換，當(dāng)用戶(hù)終端開(kāi)始與一新小區(qū)建立聯(lián)系時(shí)不立即中斷與源小區(qū)的聯(lián)系。在軟切換狀態(tài)下，用戶(hù)終端與多個(gè)小區(qū)建立多條無(wú)線(xiàn)鏈路。

(3)根據(jù)連接建立方式的不同可以分為前向切換和后向切換。如果移動(dòng)設(shè)備直接將相關(guān)信息發(fā)送到新基站，切換就稱(chēng)為前向切換，一般由目的基站發(fā)起切換。如果移動(dòng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)之間的與切換有關(guān)的信息通過(guò)舊的路徑進(jìn)行交換稱(chēng)為后向切換。

(4)根據(jù)涉及到接入網(wǎng)絡(luò)是否相同，可以分為水平切換和垂直切換。水平切換是指同種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間的切換。垂直切換是指不同網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間的切換。

2.3 切換的原因

引起切換的原因一般由以下幾種：（1）當(dāng)前使用網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)鏈路的質(zhì)量明顯下降；（2）當(dāng)前使用網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)擁塞嚴(yán)重；（3）新網(wǎng)絡(luò)有更好的總體網(wǎng)絡(luò)性能；（4）用戶(hù)提出額外的業(yè)務(wù)需求而現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)無(wú)法提供；（5）人為強(qiáng)制的切換等等。

在這些因素中，最基本的原因是當(dāng)前使用網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)強(qiáng)度明顯下降，空中接口性能不能滿(mǎn)足鏈接要求，為了提高鏈接質(zhì)量，用戶(hù)終端需要尋找新的鏈接。

2.4 切換的3個(gè)階段

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，切換一般包括3個(gè)階段：切換的發(fā)起階段、切換的判決階段和切換的執(zhí)行階段。

2.4.1 切換的發(fā)起

切換觸發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)一般基于以下幾個(gè)變量：測(cè)量平均窗口的持續(xù)時(shí)間、信號(hào)功率或者信號(hào)質(zhì)量的門(mén)限電平及滯后余量。網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起階段主要完成的工作是搜索和發(fā)現(xiàn)當(dāng)前可用的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程，主要完成各種切換信號(hào)的測(cè)量并生成測(cè)量報(bào)告。

在收集到一組組的測(cè)量數(shù)據(jù)和一些系統(tǒng)參數(shù)后，將他們進(jìn)行處理在用于切換判決和對(duì)目標(biāo)小區(qū)的確定算法上。這些主要的參量包括用戶(hù)偏好、終端的能力和尺寸，以及應(yīng)用要求、運(yùn)營(yíng)商、安全、可用網(wǎng)絡(luò)資源和網(wǎng)絡(luò)覆蓋判決因素。

2.4.2 切換判決

切換判決階段是以測(cè)量為基礎(chǔ)的。用戶(hù)結(jié)合自身網(wǎng)絡(luò)特性以及其他網(wǎng)絡(luò)性能，評(píng)估所有可達(dá)的網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)某種切換準(zhǔn)則做出切換決定并完成資源的申請(qǐng)與分配。

2.4.3 切換執(zhí)行

切換執(zhí)行階段是在完成所有判決操作之后的具體切換工作，是信令執(zhí)行的過(guò)程。切換過(guò)程可以根據(jù)新鏈路的建立途徑分為：硬切換、軟切換和接力切換等；可以支持切換失敗回退。

在以上3個(gè)階段中，切換判決最為關(guān)鍵，該階段的判決算法直接影響到切換的有效性和可靠性，對(duì)用戶(hù)的QoS及網(wǎng)絡(luò)性能均有重要影響。以測(cè)量為基礎(chǔ)的。

3 TD-SCDMA和TD-LTE切換策略的研究

系統(tǒng)內(nèi)的切換主要采用接受信號(hào)強(qiáng)度RSS作為接入網(wǎng)絡(luò)可用指標(biāo)，并由此判斷切換是否發(fā)生，一般由以下3種典型的切換判決策略：

（1） 基于接收信號(hào)強(qiáng)度RSS；

（2） 基于接收信號(hào)強(qiáng)度加門(mén)限；

（3） 基于接收信號(hào)強(qiáng)度加滯后余量。

然而，不同網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)間的切換判決除了傳統(tǒng)的接收信號(hào)強(qiáng)度、鏈路質(zhì)量以外，還有服務(wù)資費(fèi)、用戶(hù)偏好等。在不同接入技術(shù)的系統(tǒng)間的切換判決是多屬性多目標(biāo)判決，把眾多影響判決的因素進(jìn)行統(tǒng)一、綜合決策和判斷。下面介紹比較流行的切換判決算法。

3.1 數(shù)學(xué)加權(quán)法

數(shù)學(xué)加權(quán)法是最廣泛使用的多屬性決策方法。有多種表現(xiàn)形式，例如加權(quán)形式與加權(quán)積形式等，雖然表現(xiàn)形式多樣，但總的思想都是把切換決策機(jī)制建模成最優(yōu)化問(wèn)題，構(gòu)造出目標(biāo)函數(shù)，目標(biāo)函數(shù)的參數(shù)是一系列屬性，包括信號(hào)強(qiáng)度、帶寬、時(shí)延等等，并且對(duì)每個(gè)參數(shù)都給予不同的權(quán)值以顯示他們不同的重要程度，最后根據(jù)目標(biāo)函數(shù)，算出相應(yīng)的數(shù)值進(jìn)行比較，選出最適合的網(wǎng)絡(luò)。目標(biāo)函數(shù)一般分為代價(jià)函數(shù)和收益函數(shù)，代價(jià)函數(shù)是以最小代價(jià)作為切換目標(biāo)；而收益函數(shù)是以最高收益網(wǎng)絡(luò)作為切換目標(biāo)，在這里主要應(yīng)用了二維收益函數(shù)加權(quán)法。

3.1.1 二維收益函數(shù)加權(quán)法

把網(wǎng)絡(luò)的特征空間看成是二維空間，在此空間內(nèi)行向量表示備選網(wǎng)絡(luò)，列向量表示網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)值。rij表示j的屬性值，wj表示分配賦予屬性的重要性權(quán)重。每個(gè)備選網(wǎng)絡(luò)的各屬性及其權(quán)重的乘積的疊加得到該網(wǎng)絡(luò)的等分A,對(duì)于收益函數(shù)而言，具有最高收益的備選網(wǎng)絡(luò)作為切換的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述為：

例如圖1所示的例子。

圖1 舉例

其中A1，A2，A3，A4，代表不同的網(wǎng)絡(luò)，X1,X2,X3,X4,X5,代表備選網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬、切換時(shí)延、終端能耗、分組丟失率、資費(fèi)等不同的屬性。

若W=(0.3，0.2，0.1，0.2，0.2)T，根據(jù)公式（1）得到各網(wǎng)絡(luò)的加權(quán)平均值，再根據(jù)平均值選取合適的網(wǎng)絡(luò)接入。

3.2 層次分析法

層次分析法（Analytical Hirachy Process,AHP）是由美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家托馬斯·塞迪提出來(lái)的，是一種定性和定量相結(jié)合的多目標(biāo)系統(tǒng)分析方法，是人類(lèi)對(duì)復(fù)雜問(wèn)題層次結(jié)構(gòu)理解的形式化，可以綜合處理多判決參數(shù)的切換問(wèn)題。

AHP采用分層思想，一般步驟為：（1）分析系統(tǒng)中各元素之間的關(guān)系，將復(fù)雜的切換問(wèn)題分析稱(chēng)為各個(gè)子層；（2）根據(jù)經(jīng)驗(yàn)把各屬性給予量化，對(duì)同一層次的各屬性元素對(duì)于上一層次中的某一準(zhǔn)則的重要性進(jìn)行比較，通過(guò)兩兩比較構(gòu)造判別矩陣；（3）運(yùn)用矩陣?yán)碚摵鸵恢滦詸z測(cè)手段計(jì)算各個(gè)因素對(duì)于該準(zhǔn)則的相對(duì)權(quán)重，進(jìn)行層次單排序和一致性檢驗(yàn)，根據(jù)兩兩比較方法分別構(gòu)造準(zhǔn)則-網(wǎng)絡(luò)判決矩陣；（4）計(jì)算各層元素對(duì)于系統(tǒng)總目標(biāo)的組合權(quán)重，進(jìn)行層次總排序和一致性檢驗(yàn)。AHP的優(yōu)勢(shì)在于通過(guò)兩兩比較的方法來(lái)避免同時(shí)考慮所有屬性因素，極大的降低了分析問(wèn)題的難度，適用于目標(biāo)較復(fù)雜，考慮參數(shù)眾多且缺乏必要實(shí)際數(shù)據(jù)的場(chǎng)合。

圖2 流程圖

3.3 新的切換策略

根據(jù)以上闡述我們可以提出以下切換判決思想：

（1）首先根據(jù)測(cè)量報(bào)告得到的RSS值，看哪些網(wǎng)絡(luò)RSS值滿(mǎn)足切換條件，把RSS值作為判決的必要條件。

（2） 在(1)的基礎(chǔ)上加入目標(biāo)函數(shù)的判決因子，根據(jù)3.1.1節(jié)提出的二維收益函數(shù)加權(quán)法來(lái)選擇網(wǎng)絡(luò)收益最大的網(wǎng)絡(luò)作為切換目標(biāo)。其流程圖如圖2所示。

4 仿真驗(yàn)證

4.1 仿真模型的搭建

4.1.1 參數(shù)的初始化和場(chǎng)景

（1） TD-SCDMA與TD-LTE共覆蓋的范圍內(nèi)覆蓋半徑1 000 m；TD-SCDMA中心坐標(biāo)(0,500)，覆蓋半徑1 000 m；兩個(gè)TD-LTE基站的中心坐標(biāo)為（150，0）（-150，0）覆蓋半徑為170 m；TD-SCDMA基站發(fā)射功率為70 dBm, TD-LTE基站發(fā)射功率為65 dBm。

（2）用戶(hù)在這個(gè)范圍內(nèi)一以5 m/s的速度游走，行走路線(xiàn)必須經(jīng)過(guò)以下幾點(diǎn)：（-600,300);（-290,105);（-20, 40);（0, 40);（20, 40)；（250,120);(600,500)]。

（3）TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)工作頻率2 020 MHz，接入門(mén)限值為-55 dBm,斷開(kāi)門(mén)限為-70 dBm;TD-LTE工作頻率為2 600 MHz, 接入門(mén)限值為-50 dBm,斷開(kāi)門(mén)限為-65 dBm。

其場(chǎng)景如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)模擬場(chǎng)景

4.1.2 RSS值得計(jì)算以及判決因子參數(shù)的設(shè)定

RSS的值可以采用PR(dB)=PT-PL；PT為基站發(fā)射功率，PL為自由空間損耗，這里選擇接收功率、最大的傳輸速率、時(shí)延、費(fèi)用價(jià)格共4種,W初始定義為W=(0.2，0.3，0.3，0.2)T。其C矩陣為：

結(jié)合式（1）用戶(hù)選擇網(wǎng)絡(luò)收益最大的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切換。

4.2 仿真結(jié)果及分析

4.2.1 仿真結(jié)果1（自由空間損耗中不考慮快衰落）

根據(jù)以上模型的搭建和參數(shù)的設(shè)置，在MATLAB仿真平臺(tái)在不考慮快衰落的情況下，用戶(hù)切換如圖4所示。

圖4 仿真時(shí)接收信號(hào)強(qiáng)度(RSS)圖

4.2.2 仿真結(jié)果2（自由空間損耗中考慮快衰落）

根據(jù)以上模型的搭建和參數(shù)的設(shè)置，在MATLAB仿真平臺(tái)在不考慮快衰落的情況下，用戶(hù)切換如圖5～圖9所示。

分析：仿真結(jié)果表明在不考慮快衰落的情況下，圖6終端接入網(wǎng)絡(luò)與 圖5中的網(wǎng)絡(luò)收益情況與本文第2、3節(jié)理論相吻合；在考慮了快衰落的情況下，圖8和圖9中的網(wǎng)絡(luò)收益情況與本文第2、3節(jié)理論也相吻合。

圖5 網(wǎng)絡(luò)貢獻(xiàn)值

圖6 用戶(hù)終端選擇接入網(wǎng)絡(luò)

圖7 快衰落情況下仿真時(shí)接收信號(hào)強(qiáng)度(RSS)圖

圖8 快衰落情況下網(wǎng)絡(luò)貢獻(xiàn)值

圖9 快衰落情況下用戶(hù)終端選擇接入網(wǎng)絡(luò)

5 總結(jié)

綜上所述，合理地利用多屬性判決準(zhǔn)則對(duì)于TDSCDMA與TD-LTE切換來(lái)說(shuō)具有很重要的意義，能為運(yùn)營(yíng)商提供更好的網(wǎng)絡(luò)部署的指導(dǎo)，更重要的是為移動(dòng)用戶(hù)提供無(wú)縫快捷的服務(wù)。

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