一種LTE異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下的移動(dòng)性優(yōu)化方法*

陳國平，杜慶波

（1.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 南京210023；2.中興通訊學(xué)院移動(dòng)通信實(shí)驗(yàn)室 深圳518057）

1 引言

LTE網(wǎng)絡(luò)是3GPP規(guī)范的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的主要演進(jìn)方向，目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界一致認(rèn)為，截至2020年，全球無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量的需求將達(dá)到2012年的1000倍，為了應(yīng)對(duì)未來移動(dòng)通信業(yè)務(wù)對(duì)管道寬度的海量需求，最有效的途徑是增加基站數(shù)量，提高無線頻譜資源復(fù)用程度。業(yè)務(wù)需求量存在“熱點(diǎn)”的特性，因此小基站是網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容最經(jīng)濟(jì)、最有效的方法。小基站的部署成本通常是宏基站的幾百分之一，且發(fā)射功率比宏基站低16 dB以上，增加小基站引入的干擾遠(yuǎn)小于增加宏基站引入的干擾。

此外，考慮到由密集小站組成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是未來提高頻譜復(fù)用的最有效途徑，3GPP在版本R10中引入了對(duì)小基站的研究。目前，3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織仍沒有解決的最大系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)是大量小基站的引入對(duì)切換等移動(dòng)性的影響[1]。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)特別是擁有密集小站的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中存在的移動(dòng)性風(fēng)險(xiǎn)包括以下幾點(diǎn)。

·切換數(shù)量增加。大量新增的宏基站—微基站（宏—微）和微基站—微基站（微—微）之間的切換，導(dǎo)致切換數(shù)量的極大增加。

·切換難度增加，成功率下降。小基站的引入帶來了更大的陰影衰落和更復(fù)雜的切換邊界，使得UE（用戶設(shè)備）切換失敗率急劇增加。

為了解決新網(wǎng)絡(luò)形態(tài)下的切換問題，本文提出了一種新的切換機(jī)制，使得網(wǎng)絡(luò)切換性能顯著提升，特別是對(duì)切換成功率的改善遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的3GPP切換機(jī)制。

2 LTE異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換問題分析

LTE網(wǎng)絡(luò)中的切換機(jī)制用于控制切換的時(shí)機(jī)[2]，該機(jī)制由3個(gè)主要參數(shù)控制，包括：切換偏差（handover offset）門限、觸發(fā)定時(shí)（time to trigger）門限和K系數(shù)，如圖1所示，具體介紹如下。

圖1 LTE切換時(shí)機(jī)及參數(shù)

·切換偏差門限決定了UE計(jì)時(shí)的時(shí)刻。當(dāng)目標(biāo)小區(qū)的參考信號(hào)接收強(qiáng)度功率（RSRP）大于源小區(qū)的參考信號(hào)接收強(qiáng)度功率時(shí)，UE開始計(jì)時(shí)，準(zhǔn)備進(jìn)行測(cè)量結(jié)果上報(bào)。

·觸發(fā)定時(shí)門限決定了UE計(jì)時(shí)的長(zhǎng)度。當(dāng)UE計(jì)時(shí)長(zhǎng)度大于觸發(fā)定時(shí)門限時(shí)，UE立刻向網(wǎng)絡(luò)上報(bào)測(cè)量結(jié)果。

·K系數(shù)決定了對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度的濾波系數(shù)。不同濾波系數(shù)影響了UE對(duì)真實(shí)信號(hào)強(qiáng)度的反應(yīng)速度。

3 GPP標(biāo)準(zhǔn)組織在版本R9中引入了移動(dòng)頑健性優(yōu)化（MRO），旨在通過調(diào)整上述的3個(gè)系數(shù)控制切換的時(shí)機(jī)，確保切換不會(huì)出現(xiàn)得太早或者太晚。切換太早，UE在切入的目標(biāo)小區(qū)信號(hào)不穩(wěn)定，容易導(dǎo)致UE在目標(biāo)小區(qū)掉話；切換太晚，源小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度或質(zhì)量過度衰減，容易導(dǎo)致UE在源小區(qū)掉話。因此，選擇恰當(dāng)?shù)那袚Q時(shí)機(jī)對(duì)于提高LTE切換性能具有重要作用，3GPP對(duì)MRO研究的大量工作都聚集在切換時(shí)機(jī)調(diào)整上，并提出了一系列復(fù)雜的算法和流程方案，增加了LTE網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜度。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展成密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，大量小基站的加入使得UE切換難度進(jìn)一步加大，控制切換時(shí)機(jī)也變得越來越困難，移動(dòng)性問題的挑戰(zhàn)主要有以下幾個(gè)方面。

·隨著小基站密度的增加，切換次數(shù)顯著上升。如圖2所示，增加的切換次數(shù)是原有網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)無法想象的。

·切換難度顯著增加。由于小基站部署的高度很低，無線信道的傳播非常容易受周圍環(huán)境的影響，如一棵樹的遮擋就可以使該小基站的信號(hào)出現(xiàn)十幾個(gè)dB的陰影衰落，UE極易在移動(dòng)很短的距離時(shí)就出現(xiàn)切換失敗的情況，這給MRO調(diào)整切換參數(shù)增加了困難。此時(shí)，切換過晚的情況將顯著增加。

·小基站的作用主要是提供覆蓋熱點(diǎn)，其覆蓋的用戶個(gè)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)宏基站，通常只有幾個(gè)用戶，因此單個(gè)用戶對(duì)小區(qū)資源的“占/空”極易導(dǎo)致小區(qū)負(fù)載復(fù)雜的變化，使其對(duì)周圍鄰區(qū)UE的干擾多變。傳統(tǒng)MRO對(duì)于切換時(shí)機(jī)的調(diào)整，無法跟上小區(qū)負(fù)載的快速變化，大大降低了密集小基站網(wǎng)絡(luò)下的UE切換性能。

圖2 單位時(shí)間切換次數(shù)

在新的密集小基站異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下，傳統(tǒng)的LTE切換機(jī)制及優(yōu)化機(jī)制將遇到新的困難，切換性能難以保證，且基于傳統(tǒng)切換機(jī)制的有效算法復(fù)雜度很高，增加了LTE網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和維護(hù)難度，因此，本文設(shè)計(jì)了新的切換機(jī)制，從根本上保證了新網(wǎng)絡(luò)形態(tài)下的UE切換性能。

3 LTE異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換機(jī)制流程描述

3.1 現(xiàn)有3GPP的LTE切換機(jī)制

現(xiàn)有3GPP的LTE切換是UE和網(wǎng)絡(luò)多次配合完成的，如圖3所示，切換機(jī)制中各步驟的主要功能如下。

·源基站向UE發(fā)送測(cè)量控制消息，在該控制消息中，含有通知UE的相關(guān)切換控制參數(shù)，第2節(jié)所述的幾個(gè)切換參數(shù)都是在這一步由網(wǎng)絡(luò)通知UE的。

·UE持續(xù)進(jìn)行切換測(cè)量，監(jiān)測(cè)本小區(qū)和鄰區(qū)的參考信號(hào)強(qiáng)度或者質(zhì)量。當(dāng)測(cè)量結(jié)果滿足切換參數(shù)控制的要求時(shí)，UE向源基站發(fā)送測(cè)量報(bào)告消息，其中攜帶該UE對(duì)本小區(qū)和鄰區(qū)的測(cè)量結(jié)果。

·源基站收到UE的切換測(cè)量報(bào)告后，立刻觸發(fā)該UE的切換，此時(shí)，源基站通過分析該UE的切換測(cè)量報(bào)告，選出最合適的切換目標(biāo)小區(qū)，并找到目標(biāo)小區(qū)所屬目標(biāo)基站的地址。

·源基站向目標(biāo)基站發(fā)送切換請(qǐng)求消息，請(qǐng)求目標(biāo)小區(qū)能夠?yàn)榧磳⒌絹淼腢E預(yù)留資源，提供相應(yīng)的無線承載，該切換請(qǐng)求消息中攜帶UE承載的服務(wù)質(zhì)量要求。

·目標(biāo)小區(qū)根據(jù)收到的切換請(qǐng)求以及其中攜帶的服務(wù)質(zhì)量要求，判斷是否能夠接納新的UE，如果自身資源條件允許，則向源基站返回切換的相應(yīng)消息。

·源基站收到目標(biāo)基站的切換接納信息，就立刻向該UE發(fā)送切換命令消息，通知UE可以切換到目標(biāo)鄰區(qū)，在該切換命令中攜帶了UE進(jìn)入目標(biāo)鄰區(qū)所必須的初始資源信息。

·UE在收到切換命令后，使用該命令通知的資源接入目標(biāo)鄰區(qū)，切換過程完成。

3.2 UE級(jí)切換機(jī)制

傳統(tǒng)切換機(jī)制的困難在于無法有效地控制切換時(shí)機(jī)，網(wǎng)絡(luò)狀況的變化使得源基站下發(fā)的切換測(cè)量參數(shù)很難達(dá)到最優(yōu)，從而可能導(dǎo)致切換失敗率增加[3]。

本文推薦的創(chuàng)新方案從根本上屏蔽了由網(wǎng)絡(luò)側(cè)決定切換時(shí)機(jī)導(dǎo)致的切換難以達(dá)到最優(yōu)這一難題。在網(wǎng)絡(luò)的配合下，UE直接感受網(wǎng)絡(luò)測(cè)量值的變化，觸發(fā)服務(wù)小區(qū)的改變，UE直接向目標(biāo)基站發(fā)起請(qǐng)求，由目標(biāo)基站向源基站請(qǐng)求配合本次切換，從而在機(jī)制設(shè)計(jì)上避免密集小基站下切換性能下降的問題，稱之為網(wǎng)絡(luò)配合的UE級(jí)切換，如圖4所示，具體說明如下。

·源基站向UE下發(fā)切換測(cè)量控制消息，消息內(nèi)容與傳統(tǒng)方案類似，目的是通知UE在合適的時(shí)機(jī)開始切換。

·UE使用該測(cè)量控制消息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)，當(dāng)滿足該測(cè)量控制要求時(shí)，UE并不直接向源基站請(qǐng)求切換，而是由UE自主決定發(fā)起切換，節(jié)省了寶貴的切換決策時(shí)延。切換的觸發(fā)是UE直接向目標(biāo)小區(qū)發(fā)起小區(qū)更新請(qǐng)求，同時(shí)UE可以保持或不保持在源小區(qū)的連接。

·當(dāng)目標(biāo)小區(qū)收到UE的小區(qū)更新請(qǐng)求時(shí)，決策是否接納該UE。當(dāng)目標(biāo)小區(qū)缺乏UE上下文信息時(shí)，就無法獲知該UE的服務(wù)質(zhì)量要求、加密信息等，需要向源小區(qū)發(fā)起上下文請(qǐng)求。

·源小區(qū)收到目標(biāo)小區(qū)的上下文請(qǐng)求后，迅速向目標(biāo)小區(qū)返回上下文響應(yīng)。

·目標(biāo)小區(qū)收到該響應(yīng)消息后，判斷是否接納UE，并且通知UE在目標(biāo)小區(qū)新分配的接入資源，切換流程完成。

圖3 現(xiàn)有的LTE切換機(jī)制流程

圖4 UE級(jí)切換機(jī)制流程

綜合以上分析可以看出，傳統(tǒng)切換機(jī)制中切換命令消息的傳遞非常耗時(shí)，由于經(jīng)歷了多個(gè)切換命令之后，UE更加遠(yuǎn)離源小區(qū)的覆蓋，其在源小區(qū)的信號(hào)質(zhì)量很差，這時(shí)傳遞空口消息“切換命令”將非常困難，也非常耗時(shí)，因此UE在源小區(qū)的連接也很容易掉話。而本文的UE級(jí)切換機(jī)制中，UE允許脫離源小區(qū)后再根據(jù)自身的測(cè)量結(jié)果自主選擇合適的小區(qū)發(fā)起接入請(qǐng)求，并且之后的上下文請(qǐng)求和響應(yīng)消息通過網(wǎng)絡(luò)接口傳遞，非常迅速，由于UE進(jìn)入目標(biāo)小區(qū)的覆蓋范圍，信號(hào)質(zhì)量更好，因此最后一條空口消息“小區(qū)更新響應(yīng)”非常容易傳遞。

4 仿真評(píng)估與結(jié)果分析

本文的切換機(jī)制性能仿真采用如圖5所示的標(biāo)準(zhǔn)密集城區(qū)LTE拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，19個(gè)LTE基站使用小區(qū)折疊布網(wǎng)，每個(gè)基站由3個(gè)宏小區(qū)構(gòu)成，平均每個(gè)宏小區(qū)的覆蓋范圍有5個(gè) 小 基 站[4]。

圖5 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換性能評(píng)估拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4.1 仿真用例

在HetNet的研究中，為了使小基站能夠盡可能地卸載宏基站的負(fù)載，一般會(huì)采用CRE（cell range expansion，小區(qū)擴(kuò)展）的方式進(jìn)行UE的接入和服務(wù)。當(dāng)小基站采用CRE方式時(shí)，宏基站中的UE會(huì)以更低門限Bias切入小基站，而小基站中的UE會(huì)以更高門限切入宏基站，一般在LTE下行控制信道能夠工作的前提下，Bias取值在6 dB以下。不同Bias也給宏基站和微基站之間的切換帶來了不同的挑戰(zhàn)[5]。本文的切換性能研究采用表1中的Bias配置。

仿真中使用的其他配置，見表2。

4.2 切換次數(shù)

在HetNet中，切換次數(shù)和切換成功率與切換類型息息相關(guān)，在本次仿真使用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，切換次數(shù)與Bias之間的關(guān)系如圖6所示。宏—宏的切換次數(shù)隨著Bias的增大而減小，因?yàn)樾』镜挠行Ц采w范圍增大，使很多宏—宏之間的切換轉(zhuǎn)變成宏—微之間的切換，因此宏—微切換次數(shù)和微—宏切換次數(shù)都隨著Bias的增加而增加[6]。同時(shí)，小基站覆蓋范圍變大也使得微—微之間的切換次數(shù)增加，但由于小基站的密度有限，微—微切換始終是系統(tǒng)中切換的極少數(shù)，只有在高密度小基站下，微—微切換性能才足夠重要。

表1 仿真用例

圖6 切換次數(shù)及分布

仿真結(jié)果還可以看出，不管是3GPP的傳統(tǒng)切換方式還是本文提出的UE切換方式，在各種場(chǎng)景下它們的切換次數(shù)都幾乎相同，極少的數(shù)量差異可以認(rèn)為是仿真誤差，不具有統(tǒng)計(jì)意義。

4.3 切換失敗率

仿真結(jié)果顯示，本文提出的UE級(jí)切換方案顯著降低了UE切換失敗率。如圖7所示，隨著Bias的增加，宏—宏之間的切換情況并未有太大變化，但傳統(tǒng)3GPP切換方式的切換失敗率明顯高于本文的UE級(jí)切換方案，由于UE級(jí)切換方案中，UE在測(cè)到目標(biāo)小區(qū)信號(hào)接收強(qiáng)度大于本小區(qū)一定門限后，立即由UE觸發(fā)向目標(biāo)小區(qū)發(fā)起切換請(qǐng)求，最終由目標(biāo)小區(qū)直接向UE發(fā)起消息，接納UE，由于網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)消息由目標(biāo)小區(qū)發(fā)送，而目標(biāo)小區(qū)此時(shí)的信號(hào)質(zhì)量遠(yuǎn)好于源小區(qū)，因此發(fā)送的成功率就非常高[7]；而傳統(tǒng)方案中UE獲得測(cè)量信息后，需要繼續(xù)在源小區(qū)逗留較長(zhǎng)時(shí)間后，再由源小區(qū)向UE發(fā)送切換命令，此時(shí)UE會(huì)更加遠(yuǎn)離源小區(qū)，源小區(qū)的信號(hào)質(zhì)量迅速下降，傳遞切換命令的可靠性也迅速下降，導(dǎo)致切換命令發(fā)送不成功而切換失敗。

圖7 宏—宏切換失敗率

在HetNet中，宏—微之間的切換失敗率隨著Bias的增加而減小，如圖8所示。原因是UE在由宏基站向微基站切換時(shí)，在源小區(qū)的UE信號(hào)質(zhì)量變差，切換命令傳輸困難，而隨著Bias的增加，UE將提前從宏基站向微基站切換，此時(shí)在源宏小區(qū)的信號(hào)質(zhì)量更好，切換失敗率反而降低。但當(dāng)Bias為6 dB時(shí)，由于過早切入目標(biāo)小區(qū)，此時(shí)目標(biāo)小區(qū)的信號(hào)不穩(wěn)定，容易造成在目標(biāo)小區(qū)的切換命令傳輸失敗，這一點(diǎn)也在UE級(jí)切換方式上得到體現(xiàn)[8]。在Bias較小的場(chǎng)景下，UE級(jí)切換方式幾乎沒有切換失敗，而Bias增大時(shí)，在目標(biāo)小區(qū)出現(xiàn)了少量的切換失敗；但此時(shí)UE級(jí)切換方式的總失敗次數(shù)仍然遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)方式。

圖8 宏—微切換失敗率

微基站到宏基站的切換更能說明UE級(jí)切換方式的優(yōu)點(diǎn)，在傳統(tǒng)切換方式下，微—宏切換是失敗風(fēng)險(xiǎn)最高的一種切換類型（由于微—微切換的占比很低，本文不考慮微—微切換的情況），并且該類切換失敗率就隨著Bias的增加而顯著增加，如圖9所示；而在UE級(jí)切換方式下，切換失敗率一直保持在很低的水平，即便Bias為6 dB時(shí)，仍然表現(xiàn)出極強(qiáng)的切換頑健性。

圖9 微—宏切換失敗率

5 結(jié)束語

在HetNet場(chǎng)景下，傳統(tǒng)3GPP切換方式的切換性能很難得到保證，特別是在微基站到宏基站切換時(shí)，切換失敗率較高，并且該失敗風(fēng)險(xiǎn)隨著微基站CRE Bias的增大而顯著上升；本文提出的UE級(jí)切換方案，將切換過程中的重要命令由源小區(qū)轉(zhuǎn)移到目標(biāo)小區(qū)，由于一般目標(biāo)小區(qū)具有比源小區(qū)更強(qiáng)、更穩(wěn)定的信號(hào)質(zhì)量，因此顯著降低了切換失敗率，提升了HetNet場(chǎng)景下的切換頑健性，同時(shí)，并未顯著增加切換次數(shù)。

此外，用戶面的中斷時(shí)延為切換過程中的另一重要指標(biāo)，其顯著影響UE的感受，因此進(jìn)一步研究?jī)煞N切換方式下切換UE的用戶面中斷時(shí)延指標(biāo)，是未來的工作方向。

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