移動位置協(xié)作感知的LTE?Advanced系統(tǒng)機會切換機制

史葦杭++馬強++李躍新

摘 要： 為了縮短LTE?Advanced系統(tǒng)的切換延遲和降低切換掉話率，研究了一種可協(xié)作感知用戶端位置移動的機會切換機制。首先，基于用戶端到基站的距離對瞬時數據速率、系統(tǒng)傳輸延遲和系統(tǒng)峰值吞吐率的影響，建立了移動位置協(xié)作感知模型，該模型通過點到點與端到端的距離協(xié)作感知精確計算用戶端移動位置。然后，以用戶端、鄰居用戶群、基站群和接收端用戶組成的機會網絡通過機會感知和信號測量最終實現(xiàn)機會切換。實驗結果表明，所提出的機會切換機制具有高接收功率、高帶寬、短切換延遲和低切換掉話率等優(yōu)勢。

關鍵詞： 動通信； 位置感知； 機會切換； 協(xié)作控制

中圖分類號： TN911?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）09?0061?05

Abstract： In order to shorten the switching delay of the LTE?Advanced system and reduce the switching call drop rate， an opportunity switching mechanism to aware the mobile position of the client collaboratively. On the basis of the influence of the distance from the client to base station distance on the instantaneous data rate， system transmission delay and system peak throughput rate， the mobile location collaborative awareness model was established. The client mobile position is calculated accurately according to the distance collaborative awareness of the point?to?point and end?to?end distances. The opportunity network composed of the client， neighbor user group， base station group， and users of the receiving end is used to switch the opportunity by means of opportunity awareness and signal measurement. The experimental results show that the opportunity switching mechanism has the advantages of high received power， wide bandwidth， short switching delay， and low switching call drop rate.

Keywords： mobile communication； location awareness； opportunity switching； cooperative control

0 引 言

基于長期演進LTE（Long Term Evolution）?Advanced的移動通信系統(tǒng)逐漸成為無線通信系統(tǒng)的中堅力量[1]，不僅可以提供高質量的語音和數據業(yè)務，而且可以滿足用戶基于互聯(lián)網的大數據查詢等業(yè)務。但是，由于用戶端以不確定的速度改變位置，使得用戶端在不同基站之間頻繁切換，既增加了通信延遲[2]，又容易發(fā)生丟包和數據鏈路中斷[3]，為移動網絡的性能保障帶來諸多挑戰(zhàn)。

在頻譜利用和資源管理方面，文獻[4]提出了一種審查的頻譜聚合技術，其次是要求無線資源管理功能。文獻[5]在LTE?Advanced中引入了三個新的功能：載波聚合、異構網絡和多擴展多輸出的支持，研究了長期演進（LTE）的設計網絡節(jié)能LTE?Advanced網絡。文獻[6]提出一種解碼算法來提高渦輪的吞吐量解碼在LTE?Advanced系統(tǒng)中的硬件實現(xiàn)。該方法完全消除了不受歡迎的切換延遲，通過部分重疊的順序和交叉解碼階段，顯著增加吞吐量。文獻[7]克服了LTE?Advanced網絡效率的限制，研究了同步自適應電壓跟蹤控制，實現(xiàn)了時鐘同步和快速響應的高速包絡跟蹤。

在移動切換方面，文獻[8]提出一種雙模式（高、低）功率放大器的第四代長期演進（LTE）的手機應用程序，使用一個設備切換技術來提高效率。該程序考慮了門電壓變化的影響和雙模偏壓控制電路，可提供正確的電壓輸入、輸出開關和控制電壓。文獻[9]提出一種切換策略，自適應開關打開或關閉一些低功率節(jié)點系統(tǒng)的瞬時負載。通過使用輻射源脈沖測量，文獻[10]研究了一種基于實時移動無線電定位系統(tǒng)。

在上述LTE?Advanced系統(tǒng)切換和資源控制的基礎上，研究了基于移動位置協(xié)作感知、信道質量驅動和機會控制的機會切換機制。

1 移動位置協(xié)作感知模型

在如圖1所示的LTE?Advanced移動通信系統(tǒng)中，用戶端到基站的距離對瞬時數據速率、系統(tǒng)傳輸延遲和系統(tǒng)峰值吞吐率等帶來嚴重影響，如式（1）所示：

2 LTE?Advanced系統(tǒng)機會切換

用戶端在移動過程中，上行鏈路和下行鏈路的通信質量容易受到基站切換的影響，例如延長數據發(fā)送時間，通話質量下降和系統(tǒng)資源利用率降低等問題。上述問題主要由切換時間、切換失敗率等造成。

為了解決上述問題，在提高切換成功率的同時縮短切換延遲，從而為LTE?Advanced系統(tǒng)提供性能保障。在如圖4所示的LTE?Advanced系統(tǒng)切換模型中，鄰居用戶節(jié)點可以機會式為用戶端與基站之間提供信道支持。

綜上所述，LTE?Advanced系統(tǒng)可以分為四類對象，包括用戶端，鄰居用戶群，基站群和接收端用戶。機會切換分為機會感知，信號測量和機會切換三個階段，如圖5所示。其中，機會切換信令結構如圖6所示。具體機會切換流程描述如下：

（1） 用戶端發(fā)出機會感知請求，并根據式（5）得到鄰居用戶群的信號向量；

（2） 鄰居用戶群對信號進行測量，并結合基站群之間的交叉信號強度進行反饋；

（3） 基站群根據天線綜合增益和夾角，實現(xiàn)用戶端移動過程中的機會切換；

（4） 接收端用戶結合機會網絡信號功率均值，根據式（7）計算得到切換后的接收信號強度。

將機會切換信令分為2個子信令，包括機會信令和切換信令，結構如圖6所示。2個子信令之間的字段可以相互交換。當傳輸成功率較大時，為了縮短切換延遲，將機會信令中的傳輸塊與切換信令的接收端記錄進行交換。當切換成功率逐漸降低時，將切換信令中的切換延遲字段與機會信令中的感知字段相互交換，從而降低切換后信令的負載。特別注意的是，2個信令中的測量段與用戶端記錄是可以隨時交換的，這樣做是為了提高機會切換效率。

3 實驗結果分析

為了分析和驗證本文提出的機會切換機制OSCPP在LTE?Advanced系統(tǒng)中切換過程對通信質量的保障能力，設置了一組實驗，平臺參數如表1所示。分別從接收功率、有效帶寬、切換延遲和切換掉話率等方面進行了分析，并與靜態(tài)切換機制LTE?SS做比對，結果如圖7～圖10所示。

從圖7可以看出，OSCPP切換機制在遠距離通信下的接收功率明顯高于靜態(tài)機制LTE?SS。這是因為用戶端的鄰居用戶自組織機會網絡通過協(xié)作切換實現(xiàn)高功率遠距離通信，保障了通信質量。

從圖8發(fā)現(xiàn)，低信噪比信道上OSCPP切換機制依然可以保持高于75%的有效帶寬，此時靜態(tài)切換的有效帶寬低于50%，無法保障LTE?Advanced系統(tǒng)正常通信。同時，OSCPP切換機制的切換延遲明顯降低，這得益于移動位置協(xié)作感知，改善了距離與信號強度之間的抖動強度，弱化了用戶端與接收端用戶之間距離對通信質量的影響，而且保持較低的掉話率。

4 結 語

針對LTE?Advanced系統(tǒng)在移動用戶高頻切換過程中因延遲抖動和數據丟包等因素造成通話質量下降的問題，提出一種用戶端位置移動協(xié)作感知機會切換機制。該機制通過分析用戶端移動過程中的瞬時數據速率、系統(tǒng)傳輸延遲和系統(tǒng)峰值吞吐率，基于基站與鄰居用戶的協(xié)作建立了移動位置感知模型，以便為切換過程提供精確的用戶端位置信息。同時，該機制將LTE?Advanced系統(tǒng)分為用戶端、鄰居用戶群、基站群和接收端用戶等四階段控制對象，將機會感知信息與協(xié)作信號測量相結合，實現(xiàn)機會切換。實驗結果表明，在接收信號強度、帶寬利用率、切換實時性和可靠性等方面，所提出的機會切換機制與靜態(tài)切換機制相比，均具有顯著優(yōu)勢。

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