TD_LTE系統(tǒng)中從Macrocell到Femtocell的切換研究

李小文，邵明苗

(重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065)

Femtocell是放置在家庭環(huán)境中的無線接入設備，借助于固定寬帶接入作為其回程網絡，由網絡側的Femtocell網關匯聚并提供標準的面向移動核心網的接口，工作于授權頻段，發(fā)射功率較小，覆蓋半徑也較小，能有效緩解無線帶寬的緊張情況。

當用戶從一個Femtocell切換到Macrocell時，如果能夠盡可能地減少不必要的切換，并且能夠支持無縫切換時，用戶將感受不到業(yè)務的中斷。用DL SIT和數據包的丟失數來評估切換過程。在現(xiàn)今的3GPP標準中，硬切換流程同樣能夠適用于從Femtocell到Macrocell的切換過程。切換過程中將下行鏈路的數據從源基站發(fā)送到目標基站能有效減少包丟失。

[1]中提出了一種無縫切換的方案。UE(User Equipment)將所有滿足切換的目標小區(qū)羅列起來，維持一個動態(tài)的目標小區(qū)列表。如果目標小區(qū)列表不是空的，那么在切換之前UE將數據發(fā)送給所有包含在目標小區(qū)列表中的小區(qū),以減少下行鏈路的服務中斷時間。但是由于目標小區(qū)列表可能會很龐大，并且可能存在不必要切換的問題(例如終端從A小區(qū)切換到B小區(qū)后，又迅速地切換到小區(qū)C),這種方案會消耗大量的緩存空間。

綜合上述所有因素,本文基于對現(xiàn)行3GPP標準進行較少的修改的原則，提出一種方案減少切換過程中的DL SIT。相比于參考文獻[1]中提出的方案，本文提出的方案首先可以避免不必要的切換，并且在切換已經激活的時候才觸發(fā)數據多播過程,因此能夠有效地節(jié)約緩存空間。

在標準3GPP提供的切換過程中，一旦切換的觸發(fā)條件得到滿足，源eNodeB/HeNodeB將會向核心網中的MME(Mobility Management Entity)發(fā)送切換請求，繼而MME向目標eN-

odeB/HeNodeB發(fā)送切換請求。如果目標基站接受本次切換，則發(fā)送切換請求確認信息到MME，繼而MME發(fā)送切換命令到源基站。源基站接收到切換命令后，將會發(fā)送RRC(Radio Resource Control)連接重配置指令到UE，該指令攜帶UE切換所需的相關信息。同時源基站還會將接收/發(fā)送的數據包的序列號信息發(fā)送到目標基站。此后源基站開始將從核心網接收到下行數據包轉發(fā)給目標基站。當用戶成功地訪問了目標小區(qū)后，UE發(fā)送RRC連接重配置完成指令以指示切換成功。此后，UE可以恢復上行數據包的發(fā)送。如果從源基站轉發(fā)的數據包已經成功到達目標基站，則下行數據發(fā)送也可以恢復；否則，當第一個轉發(fā)數據包到目標基站時，才恢復下行數據包的發(fā)送。當UE成功附著到目標小區(qū)后，目標小區(qū)將改變下行數據鏈路，即SGW(Serving Gateway)直接下發(fā)數據到目標小區(qū)，而不再是先下發(fā)到源小區(qū)，再由源小區(qū)轉發(fā)到目標小區(qū)。最后目標小區(qū)通知源小區(qū)釋放資源。

圖1 優(yōu)化的切換過程

1 切換的優(yōu)化全局描述

優(yōu)化的切換流程如圖1所示。當MME接收到來自源小區(qū)的切換請求時，MME將會決定目標小區(qū)，并且向目標小區(qū)發(fā)送切換請求。當目標小區(qū)接收到切換請求時，為了防止進行不必要的切換，首先判斷本次切換是不是不必要切換。

如果是不必要切換(假設終端從A小區(qū)切換到B小區(qū)后，又迅速地切換到小區(qū)C)，且不必要切換的次數已經達到門限值，小區(qū)B則向MME回復切換拒絕信息，并且包括推薦的目標小區(qū)C。同時基站B增加Hys(Hysteresis Parameter）和 TTT(Trigger Time Parameters)，并向基站C發(fā)送信息，指示小區(qū)C減小Hys和 TTT，增加Ocn。終端重新測量后將會向小區(qū)C發(fā)起切換請求。

一段時間后，如果基站B判決在新的切換參數下，在很短的時間內發(fā)生不必要切換的概率很小，或是不必要切換的次數在門限值內，則基站B指示基站A停止上報狀態(tài)報告。

如果本次切換不是不必要切換，則目標基站向MME反饋切換請求確認信息。MME收到該信息后通知源基站，并且向SGW發(fā)送多播請求。此后SGW將同時把下行數據包發(fā)送給源小區(qū)和目標小區(qū)。目標小區(qū)將維持一個接收緩存器來存儲這些下行數據。這里不再通過MME發(fā)送數據包的序列號信息到目標小區(qū)，也不再通過SGW轉發(fā)下行數據包到目標小區(qū)，取而代之的是源小區(qū)將在RRC連接重配置信息中包含數據包序列號狀態(tài)并發(fā)送給UE。當UE在源小區(qū)中去附著之后，將直接丟棄接收到的數據包。當UE同步到目標小區(qū)后，UE將會發(fā)送攜帶數據包序列號狀態(tài)的RRC連接重配置完成信息給目標小區(qū)。根據接收到的數據包序列號狀態(tài)信息,目標小區(qū)立即判斷下一個要發(fā)送的數據包的序列號,并且同時開啟上行和下行數據發(fā)送。此后,目標小區(qū)將重新使用在標準中定義的指令來停止SGW的多播發(fā)送。

因為切換過程中沒有數據轉發(fā)，當UE在源小區(qū)去附著之后，到達源小區(qū)的數據包如果沒有在目標小區(qū)中緩存將會丟失。在后面的仿真中將會看到丟失包的數目很小。事實上針對實時性業(yè)務這種包丟失現(xiàn)象可以忽略不計。

2 性能指標分析

從DL SIT和包丟失數兩方面來分析優(yōu)化的切換方案。對于包丟失數，能夠估計出為避免切換中的包丟失所需要的緩存大小N。這樣的分析方法可以適用于從Macrocell切換到 Femtocell，或從 Femtocell切換到 Macro-cell時的情形。

兩個實體之間的延遲D按如下定義：DeNB,MME和 DeNB,SGW具有同樣的分布，且是關于隨機變量x的函數。DHeNB,MME和DHeNB,SGW具有同樣的分布，且是關于隨機變量y的函數。從UE接收到RRC連接重配置信息到目標小區(qū)接收到RRC連接重配置完成信息的這段時間稱為切換執(zhí)行時間，用變量DHO_exec表示，是關于隨機變量h的函數。MME與SGW之間的時間延遲很小，可忽略不計。

采用參考文獻[3-4]中提出的x、y、h的密度函數，如下：

這里，d 可以代表x、y 或 h，Nd、αd,j、kd,j、λd,j決 定 分布 的

2.1 DL SIT

在3GPP提供的方案中，數據轉發(fā)的延遲由隨機變量U=x+y表示，并且密度函數是fU(t)。DL SIT取決于U和h之間的最大數。數據包在UE或基站內部的延遲不計算在內，因為這與切換過程無關。DL SIT可以通過下面公式計算：

對于本文提議的方案，當UE連接到目標小區(qū)后，如果目標小區(qū)緩存器不是空的，將會立即恢復對話。否則只有當多播數據到達目標小區(qū)后才恢復對話。當SGW端的多播被啟動后，數據包到達目標基站的時間是DHeNB,SGW，從此刻開始到UE初始化到源小區(qū)的去附著過程，并同步到目標小區(qū)的時間是關于隨機變量y+y′+x的函數。DL SIT是由h和y"-(y+y′+x)的最大值來決定的 。 y"和 y′都與 y 有同 樣的 分布。 令 L=y"-(y+y′+x)，密度函數用fL(t)表示，則得到DL SIT的計算公式如下：

2.2 包丟失數

假設在t0時刻SGW接收到數據多播信令，從此刻到UE從源小區(qū)去附著的延遲是關于隨機變量y+y′+x的函數。對于SGW在t0時刻之前發(fā)送的數據包，卻在UE接收到切換命令之后才到達的數據包將會丟失。假設到達SGW的數據包服從泊松分布，到達率為λp。ti代表第i個數據包從SGW到源小區(qū)的時刻。Ti=t0-ti滿足厄朗分布，密度函數如下：

它對應的拉普拉斯變換如下：

第i個數據包的發(fā)送時延是關于隨機變量 xi的函數，其中xi與x有同樣的分布。NL代表源小區(qū)丟失的包數目。令Wi=y+y′+x+Ti，其對應的密度函數為 fWi(t)。從而得到丟包數目的計算公式如下：

其中FWi(s)是fWi(t)的拉普拉斯變換。

3 仿真結果

在仿真過程中，設置 αd,j=0.5，Kd,j=2，其中 j=1，2，λd,1=2λd,2，d 代表x、y 和 h。 E[x]=10 ms,E[h]=20 ms;數據包的到達率 λp的取值范圍在1/10ms-1～1/40 ms-1。

從圖2可以看出，在3GPP標準提出的方案中，隨著E[y]的增加DL SIT也大幅度地增加，但是利用本文提出的改進方案DL SIT只是輕微的增加，性能得到改善。

圖2 從 Femtocell切換到 Macrocell：DL SIT

從圖3可以看出，隨著E[y]的增加，丟包數會增加，但是即使E[y]增加到150 ms時候，包丟失的數目也不超過5個。

本文提出了一種基于數據多播的改進的Femtomacro切換方案，仿真結果顯示優(yōu)化切換方案與3GPP的標準切換方案相比，在減少DL SIT和包丟失數方面都得到了可觀的改善。

圖3 從 Femtocell切換到 Macrocell：包丟失數

參考文獻

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[2]KIM D,SAWHNEY M,LEE H,et al.A velocitybased bicasting handover scheme for 4G mobile systems[C].in Proc.2008 IWCMC.

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