LTE-A中異構網(wǎng)絡的切換分析*

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(1.重慶郵電大學,重慶 400065;2.電子科技大學，成都 611731)

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LTE-A中異構網(wǎng)絡的切換分析*

余 翔1，張 麗1,**，王 蓉1,2

(1.重慶郵電大學,重慶 400065;2.電子科技大學，成都 611731)

在傳統(tǒng)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)流量爆發(fā)性增長、頻譜效率已接近極限值的形式下，異構組網(wǎng)是增加網(wǎng)絡容量、提高數(shù)據(jù)速率的有效方式。LTE-A系統(tǒng)中異構組網(wǎng)引入低功率節(jié)點，縮短了網(wǎng)絡與用戶間距離，提高了無線鏈路質量和頻譜效率，逐漸成為LTE-A系統(tǒng)中的關鍵技術之一，但同時也帶來復雜的移動性管理等問題。在深入分析3GPP E-UTRA協(xié)議規(guī)范的基礎上，首先建立了LTE-A Macro-Pico異構網(wǎng)絡拓撲模型，然后對Macro-to-Pico和Pico-to-Macro雙向切換概率進行了分析和仿真。在此基礎上，給出了用戶及其相關網(wǎng)絡參數(shù)對于切換成功概率的影響分析。

LTE-A系統(tǒng)；異構網(wǎng)絡；Macro-Pico網(wǎng)絡模型；切換概率分析

1 引 言

先進的長期演進系統(tǒng)(Long Term Evolution-Advanced,LTE-A)中的異構網(wǎng)絡(Heterogeneous Network,HetNet)在原有的宏小區(qū)組成的同構網(wǎng)絡中增加低功率節(jié)點(Low Power Nodes,LPNs)，消除了小區(qū)覆蓋盲點，擴大了網(wǎng)絡覆蓋范圍，從而增加了網(wǎng)絡容量和用戶吞吐量，成為當前最有希望解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡問題，提供性能上巨大飛躍的一個方案。異構網(wǎng)絡元素的多樣化形成新的組網(wǎng)方式，在解決了大量用戶需求的同時也帶來了復雜的移動性管理問題。如何在多樣化的異構組網(wǎng)中保持移動用戶終端的通信持續(xù)性已經(jīng)成為網(wǎng)絡研究熱點之一[1-4]。

在LTE-A系統(tǒng)中，由于用戶終端(User Equipment,UE)的移動性，為保證UE通信的連續(xù)不間斷需執(zhí)行切換過程，將UE的服務小區(qū)從源小區(qū)切換到可提供更強信號質量的目標小區(qū)。在同構網(wǎng)絡中，UE使用相同設置的切換參數(shù)切換到目標小區(qū)，但在異構網(wǎng)絡中，如果UE也都使用相同的切換參數(shù)設置，將有可能增加切換失敗或乒乓效應發(fā)生的概率，從而影響切換性能[5]。切換問題將導致用戶掉話、數(shù)據(jù)丟失和系統(tǒng)資源浪費等一系列的移動性管理問題，影響系統(tǒng)性能。為了提高網(wǎng)絡切換性能，已有許多文獻對切換算法、切換機制、切換過程等方面進行了研究和優(yōu)化，本文將從切換參數(shù)配置方面分析對切換成功概率的影響，進而得到適當?shù)呐渲脕碜畲蠡袚Q成功的可能性[6-7]。

本文主要研究LTE-A系統(tǒng)宏基站和微微基站組成的異構網(wǎng)絡場景中用戶服務網(wǎng)絡的切換情況，通過分析UE在Macro-Pico異構網(wǎng)絡模型中切換成功的概率，評估切換性能。網(wǎng)絡仿真得出切換分析結果：不同參數(shù)條件對切換成功概率影響不同，特別是在高速移動情況下影響更為明顯。比較分析各因素對切換成功概率的影響，適當調整和平衡切換參數(shù)配置，獲取最大的切換成功可能性，進而使系統(tǒng)提供更大的帶寬、更高的數(shù)據(jù)速率，改善網(wǎng)絡覆蓋情況，增加系統(tǒng)容量和提高用戶吞吐量，滿足用戶對網(wǎng)絡的需求。

2 LTE-A異構網(wǎng)絡

LTE-A中異構網(wǎng)絡(HetNet)是由宏小區(qū)(Macrocell)、射頻拉遠(Remote Radio Head,RRH)和低功率節(jié)點(LPNs)混合組成的，其中，LPNs包括微微基站(Pico)、家庭基站(Femto)和中繼節(jié)點(Relay Node)，它們有不同的發(fā)射功率、覆蓋范圍和回程，但它們的發(fā)射功率都小于宏小區(qū)，較同構網(wǎng)絡減少了資源開銷，降低了運營成本。網(wǎng)絡中節(jié)點類型多樣化，形成不同的組網(wǎng)結構，在實際部署場景中，可以根據(jù)周圍的環(huán)境部署不同的網(wǎng)絡結構來提高網(wǎng)絡性能。LTE-A中具體的網(wǎng)絡部署場景有：單一宏小區(qū)網(wǎng)絡(Macrocell)、宏/微微小區(qū)(Macro-Pico)異構網(wǎng)絡、宏/家庭基站(Macro-Femto)異構網(wǎng)絡、宏/微微小區(qū)/家庭基站(Macro-Pico-Femto)異構網(wǎng)絡[8]。這些網(wǎng)絡元素形成的多層網(wǎng)絡拓撲結構，有效地卸載了宏基站的負載，減小了接入網(wǎng)絡和終端用戶間的距離，提高了網(wǎng)絡覆蓋率和小區(qū)邊緣用戶的性能，增加了系統(tǒng)容量和用戶吞吐量，并且通過空間復用提高了頻譜利用率[4,9]。

網(wǎng)絡中家庭基站(Femtocell)一般服務于家庭或公司中的用戶，服務范圍較小，而微微小區(qū)(Picocell)與Macrocell有相似的回程和接入特性，但發(fā)射功率較小，成本較低，資源占用少，常被用來服務于宏基站滲透不充分的環(huán)境中的用戶，增加系統(tǒng)容量，應用較普遍[9]。因此，本文主要研究Macro-Pico異構網(wǎng)絡模型，其拓撲結構如圖1所示，圖中“Macro”和“Pico”分別為宏基站和微微基站，“MUE”和“PUE”分別為宏小區(qū)和微微小區(qū)的用戶終端。

圖1 Macro-Pico異構網(wǎng)絡模型Fig.1 Macro-Pico heterogeneous network model

3 異構網(wǎng)絡的切換

3.1異構網(wǎng)絡的切換

在傳統(tǒng)同構網(wǎng)絡中，用戶總是駐留在下行信號質量最好的小區(qū)，這對于異構網(wǎng)絡也同樣適用。由于UE的移動性，服務小區(qū)覆蓋范圍的限制，為了始終保證UE的通信和對業(yè)務的訪問不受位置變換的影響，需要對其進行切換管理，將服務小區(qū)從源小區(qū)切換到信號質量更強的目標小區(qū)。

根據(jù)3GPP E-UTRA規(guī)范，切換(Handover,HO)過程被分為3個階段，如圖2中的state1、state2和state3[10]。并且切換失敗(Handover Failure,HF)發(fā)生的條件有以下三點，其中任意一點被滿足都會導致切換失?。?/p>

(1)在state2階段，UE仍依附于源小區(qū)，發(fā)生了無線鏈路失敗(RLF)的情況，見圖2；

(2)在state2階段，T310定時器被觸發(fā)，并且當切換命令被UE接收到時仍然在運行，即在源小區(qū)發(fā)生了PDCCH失?。?/p>

(3)在state3階段，UE依附于目標小區(qū)，當切換完成信息被發(fā)送，目標小區(qū)下行寬帶CQI濾波均值小于閾值Qout(-8 dB)，即在目標小區(qū)發(fā)生了PDCCH失敗。

圖2 切換過程與切換失敗圖解Fig.2 Diagram of handover process and failure

結合圖2和規(guī)范說明，如果在state2階段沒有發(fā)生RLF和源小區(qū)PDCCH失敗，在state3階段沒有發(fā)生目標小區(qū)PDCCH失敗，無線鏈路恢復，將不會影響切換過程，切換成功也有可能發(fā)生。為簡化分析，下文將根據(jù)這些理論標準結合Macro-Pico異構網(wǎng)絡模型從幾何圖解方面分析網(wǎng)絡切換成功的概率。

3.2切換模型

本文以Macro-Pico網(wǎng)絡模型為基礎研究MUE從Macrocell向Picocell切換，切換成功成為PUE后再從Picocell向Macrocell切換，即主要研究LTE-A異構網(wǎng)絡中Macro-to-Pico和Pico-to-Macro兩次切換過程。

[10]中的大區(qū)域范圍模擬的模型，首先建立如圖3所示的網(wǎng)絡部署模型。

圖3 Macro-Pico網(wǎng)絡模擬模型Fig.3 Macro-Pico network simulation model

按照上述模型首先模擬MUE移動情況，得到圖4顯示的MUE切換觸發(fā)和失敗位置分布圖，其中，切換失敗位置和切換觸發(fā)位置形成了兩個同心圓[5]。

圖4 MUE切換觸發(fā)和失敗位置分布Fig.4 The locations of MUE handover trigger and failure

MUE向Picocell移動并切換成功后會成為PUE。然后同理可模擬出PUE向Macrocell移動時的切換情況與圖4相似，由于PUE是向Picocell外移動，因此PUE切換失敗的位置應分布在切換觸發(fā)位置范圍的外層。為便于UE切換情況分析，可將上述位置分布簡化為幾何圖解模型，如圖5所示(UE靠近Picocell覆蓋邊緣即觸發(fā)切換，在HF圓上發(fā)生HF，圖4中切換觸發(fā)范圍為圖5中的Picocell覆蓋范圍)[5]。表1為圖5中參數(shù)的說明。

圖5 Macro-Pico模型幾何圖解Fig.5 Macro-Pico model geometric diagram

表1 幾何模型參數(shù)說明Table 1 The description of geometric model parameters

3.3切換概率分析

圖2中的切換過程經(jīng)歷的時間包括TTT、切換準備時間和切換執(zhí)行時間。分析過程中，可忽略切換準備和執(zhí)行時間，即統(tǒng)計的切換過程持續(xù)時長為TTT。因此，MUE和PUE完成切換需時間分別為Tm和Tp，在這段時間內移動的距離為vTm和vTp。

根據(jù)3.1節(jié)的規(guī)范說明，按照UE的移動順序從幾何圖解上分析：首先MUE沿著直線向前移動，在Picocell覆蓋圓上會觸發(fā)切換過程，如圖5中的A點，TTT啟動計時，在完成切換過程之前，即移動vTm距離之前，若發(fā)生RLF或PDCCH失敗，即MUE到達MUE HF圓，將會導致切換失??；反之，則會計為切換成功。其次，MUE成功切換到Picocell后成為PUE，繼續(xù)向前移動會從Picocell覆蓋圓再次向Macrocell切換，同理MUE切換過程分析，PUE在Picocell覆蓋圓上觸發(fā)切換，如圖5中B點，TTT啟動計時，在移動vTp距離之前，若沒有發(fā)生RLF或PDCCH失敗，切換過程順利完成，即沒有經(jīng)過PUE HF圓，則計為切換成功。

在UE移動過程中，可能發(fā)生不切換、切換成功和切換失敗3種情況，因此，可以通過分析3種切換成功的概率來分析整個切換性能：MUE不切換概率、MUE切換成功概率和PUE切換成功概率。

根據(jù)文獻[11]，圖5中r的概率密度函數(shù)為

(1)

(2)

3.3.1MUE不切換(MUENHO)的概率

MUE被觸發(fā)切換后結束切換之前向Picocell覆蓋圓邊緣靠近，Picocell的服務質量降低到原服務小區(qū)以下，MUE停止切換過程，不切換到Picocell，即MUE不切換。從幾何圖形上分析，MUE的運動軌跡沒有穿過MUE HF圓，并且穿過Picocell覆蓋圓內的軌跡弦長度小于vTm，切換過程沒有完成，這些條件下將不切換，這些事件發(fā)生的概率就是MUE不切換的概率，記為PNHO,m。

(3)

(4)

綜上兩種情況所述，MUE不切換的概率為

(5)

3.3.2MUE切換成功(MUEHO)的概率

PHO,m1=PHO,m1a+PHO,m1b=0

(6)

(7)

PHO,m2b=0

(8)

(9)

(10)

(11)

由表1中dHF,m的定義及α的范圍可得

且有

因此，式(11)的概率為

PHO,m3b=

(12)

PHO,m3=PHO,m3a+PHO,m3b=

(13)

綜合上述3種情況，MUE切換成功的概率為

(14)

3.3.3PUE切換成功(PUEHO)的概率

根據(jù)3.3的分析，PUE切換的前提是MUE成功從Macrocell切換到Picocell，成為PUE,然后PUE滿足條件進行切換。并且?guī)缀螆D形分析，PUE切換成功需滿足vTp

PHO,p1=0

(15)

(16)

根據(jù)表1中dHF,p的范圍，可由vTp

(17)

因此式(16)的結果為

(18)

PHO,p2b=0

(19)

(20)

(21)

(22)

因此，由式(2)、(17)和(22)可得PUE切換成功的概率

(23)

(24)

綜上所述，整個移動過程包括兩次切換過程，總的PUE切換成功的概率為

(25)

4 仿真結果

根據(jù)上述UE切換過程分析得到了MUE NHO、MUE HO和PUE HO的概率。圖6顯示的是宏/微微基站距離d為250 m、Picocell覆蓋圓半徑R為21.76 m時的切換概率仿真結果，圖7顯示的是宏/微微基站距離d為125 m、Picocell覆蓋圓半徑R為9.60 m時的切換概率仿真結果。仿真時假設模型中所有基站(eNBs和PBS)都是全向天線，忽略衰落和陰影的影響，假設切換偏置為0 dB。

(a) MUE不切換概率

(b) MUE切換成功概率

(c) PUE切換成功概率

(a) MUE不切換概率

(b) MUE切換成功概率

(c) PUE切換成功概率

另外，比較圖6和圖7可知，宏/微微基站間距離d的大小也會影響UE切換成功的概率：d越大，MUE靠近Picocell覆蓋圓邊緣時獲取到的Macrocell的信號質量越小，MUE受到的信號干擾越小，相對而言，獲取的Picocell的信號質量越強，切換成功的可能性就越大。

總之，用戶移動速度、切換觸發(fā)時間TTT和宏/微微基站間距d等都能夠影響UE的切換。從上述圖中可以看出，TTT對切換概率的影響比較大，v在達到一定程度后對切換影響較大。因此，在實際小區(qū)網(wǎng)絡部署時要注意選擇大小合適的TTT和基站間距d，最大化UE切換成功概率，確保無縫切換，保障通信的持續(xù)不間斷。

5 結 論

LTE-A異構網(wǎng)絡是可有效解決移動通信系統(tǒng)擴展覆蓋、增強容量和終端能耗效率等問題的關鍵技術之一，成為當前及未來移動通信技術研究的熱點。在LTE-A的首個國家標準3GPP LTE R10中明確了對宏蜂窩、Pico和Femto基站異構網(wǎng)的支持，在2012年9月啟動的3GPP LTE R12中，異構網(wǎng)增強是其主要技術研究方向之一。

LTE-A異構網(wǎng)絡移動性管理直接影響網(wǎng)絡Qos(Quality of Service)及用戶體驗，本文主要分析研究Macro-Pico網(wǎng)絡模型下的切換這一關鍵技術問題，包括Macro-to-Pico切換和Pico-to-Macro切換兩個切換過程。本文參考了文獻[5]，結合3GPP標準建立了Macro-Pico網(wǎng)絡模型，分析兩次切換過程中的3種切換成功概率，并且從正面直接明確地給出了用戶移動速度v、切換觸發(fā)時間TTT和宏/微微基站間距d各參數(shù)與UE切換成功的量化關系，對于實際場景下異構網(wǎng)絡的部署和優(yōu)化等有參考價值。

本文在研究過程中發(fā)現(xiàn)，頻繁切換還可能引起乒乓效應，對切換成功有一定的制約作用，但研究較本文內容復雜。LTE-A異構網(wǎng)絡移動性管理作為LTE-A的核心技術，以后將在乒乓效應對切換的影響、協(xié)作通信等多種技術組合應用情況的切換分析等方面展開深入研究。

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YU Xiang was born in Chongqing,in 1964.He is now a professor with the Ph. D. degree. His research concerns wireless communication system.

張麗(1989—)，女，湖北人，碩士研究生，主要研究方向為無線移動通信；

ZHANG Li was born in Hubei Province,in 1989. She is now a graduate student. Her research concerns wireless mobile communication.

Email: zhangli890930@163.com

王蓉(1981—)，女，重慶人，博士研究生，主要研究方向為無線通信。

WANG Rong was born in Chongqing,in 1981. She is currently working toward the Ph.D. degree. Her research concerns wireless communication.

本刊定價調整通知

因各項成本的增加，為了保障期刊的正常出版，經(jīng)研究決定，從2014年1月起，本刊定價由現(xiàn)在的20.00元調整為30.00元。

本刊編輯部

The National Science and Technology Major Project of the Ministry of Science and Technology of China (2012ZX03006002003)

AnalysisofHandoverProcessforHeterogeneousNetworkinLTE-A

YU Xiang1，ZHANG Li1，WANG Rong1,2

(1.Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China;2.University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731,China)

Since the data traffic is growing so rapidly and the spectrum efficiency is close to the limitation of traditional network,heterogeneous network is becoming an effective way to increase the network capacity and data rate. In LTE-A system,the network introduces low power nodes,shortening the distance between the network equipment and terminal user,then improves the wireless link quality and spectrum efficiency. Currently,heterogeneous networking is becoming one of the key technologies in LTE-A system,but as a result,brings complicated mobility management issues. This paper tries to establish the LTE-A Macro-Pico heterogeneous network mobility model through the deep analysis of 3GPP E-UTRA specifications. It analyzes and simulates the “from Macro-to-Pico to Pico-to-Macro” dual-direction handover probability,then derives the impact of user′s moving speed and other network parameters on the handover success probability.

LTE-A;heterogeneous network;macro-pico network model;handover probability analysis

10.3969/j.issn.1001-893x.2014.01.017

余翔，張麗，王蓉.LTE-A中異構網(wǎng)絡的切換分析[J].電訊技術，2014,54(1):89-96.[YU Xiang，ZHANG Li，WANG Rong.Analysis on Handover Process for Heterogeneous Network in LTE-A[J].Telecommunication Engineering,2014,54(1):89-96.]

2013-10-27；

：2014-01-07 Received date:2013-10-27；Revised date: 2014-01-07

國家科技重大專項(2012ZX03006002003)

zhangli890930@163.com Corresponding author：zhangli890930@163.com

TN929

：A

：1001-893X(2014)01-0089-08

余翔(1964—)，男，重慶人，博士，教授，主要研究方向為無線通信系統(tǒng)；

**< class="emphasis_bold">通訊作者：zhangli890930@163.comCorrespondingauthor：zhangli890930@163.com