LTE—A異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)切換性能理論分析

李利萍

摘要：近幾年來，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量呈爆發(fā)性增長，頻譜效率已接近極限值。在這種情況下，異構(gòu)組網(wǎng)是增加網(wǎng)絡(luò)容量、提高數(shù)據(jù)速率的有效方式。為了更全面分析LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換性能，使用幾何學的方法，得到各切換參數(shù)與切換性能之間的函數(shù)關(guān)系式，從而可以選擇更為合適的切換參數(shù)，使切換性能達到最佳。仿真結(jié)果表明，理論分析結(jié)果與實際仿真結(jié)果吻合，證明了該分析方法的準確性。

關(guān)鍵詞：LTE-A；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；切換參數(shù)；切換性能

DOIDOI：10.11907/rjdk.162746

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）006-0168-03

0 引言

LTE-A中的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在由宏小區(qū)組成的同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中增加低功率節(jié)點，消除了小區(qū)覆蓋盲點，擴大了網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，從而增加了網(wǎng)絡(luò)容量和用戶吞吐量。但這種高密度的組網(wǎng)方式在解決大量用戶需求的同時也帶來了復(fù)雜的移動性管理問題。在同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，移動用戶使用相同設(shè)置的切換參數(shù)切換到目標小區(qū)，但在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，如果用戶也使用相同的切換參數(shù)設(shè)置，將有可能增加切換失敗或“乒乓效應(yīng)”發(fā)生的概率，從而影響切換性能[1]。因此，分析切換參數(shù)與各種切換性能之間的關(guān)系顯得尤為重要。文獻[2]提出了合適閾值的選擇對降低一個兩層網(wǎng)絡(luò)的切換失敗率至關(guān)重要；文獻[3]首先提出了合適的觸發(fā)時間的選擇與切換成功率之間的密切關(guān)系；文獻[4]進一步研究了觸發(fā)時間是怎樣影響移動性能的。目前，已有不少文獻對切換性能進行了理論分析。文獻[5]用幾何學的方法分析了切換參數(shù)TTT和用戶移動速度與切換失敗率和“乒乓效應(yīng)”發(fā)生概率之間的函數(shù)關(guān)系，得出的結(jié)論是對于一個給定的用戶和基站，一定有一個最優(yōu)的觸發(fā)時間（TTT），但對切換性能的分析不太全面且方法較為復(fù)雜。文獻[6]分析了層3濾波時刻長短與切換失敗概率之間的函數(shù)關(guān)系式，可以根據(jù)用戶速度的大小來選擇層3濾波的長短。文獻[7]用統(tǒng)計幾何學的方法得出了用戶速度、觸發(fā)時間和陰影信道衰落與切換失敗概率之間的函數(shù)表達式。文獻[8]分析了基站之間的距離和觸發(fā)時間與切換性能之間的關(guān)系，得出了基站間的距離和觸發(fā)時間與切換性能之間閉合的函數(shù)表達式。為了更簡單全面地分析切換性能和切換參數(shù)之間的關(guān)系，用幾何學的方法得出了切換性能與切換參數(shù)之間閉合的函數(shù)表達式，從而可以選擇最優(yōu)的切換參數(shù)，使切換性能達到最佳。

1 LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換

1.1 切換過程

LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的切換過程大致可以分為4個階段[9]：切換測量階段、切換處理階段、切換準備階段和切換執(zhí)行階段。前兩個階段是在用戶端執(zhí)行。在用戶不斷移動的過程中，用戶端測量出經(jīng)過層1濾波和層3濾波之后的下行參考信號接收功率，如果目標小區(qū)的下行參考信號接收功率比源小區(qū)的下行信號接收功率大一定的閾值，3GPP中一般定義為3分貝[10]，并且能夠保持一定的時間（即觸發(fā)時間，記為TTT），則滿足切換條件，之后進入切換準備階段，直到一切準備就緒，進入切換執(zhí)行階段，源基站向用戶端發(fā)送切換命令，用戶端從源基站斷開，連接到目標基站，切換過程完成。

1.2 切換性能

（1）不發(fā)生切換。不發(fā)生切換是指用戶在移動過程中，源基站的下行參考信號接收功率一直強于目標基站的下行參考信號接收功率，則不發(fā)生切換?；蛘呤悄繕嘶镜南滦袇⒖夹盘柦邮展β矢哂谠椿鞠滦袇⒖夹盘柦邮展β室欢ǖ拈撝担菦]有保持一定的時間（即TTT），這種情況也不發(fā)生切換。

（2）切換成功。切換成功是指用戶在移動過程中，目標基站的下行參考信號接收功率高于源基站下行參考信號接收功率一定的閾值，并且保持了一定的時間（即TTT），則滿足發(fā)生切換的條件，在經(jīng)過切換準備和切換執(zhí)行階段后，用戶從源基站斷開，連接到目標基站，則切換成功。

（3）切換失敗。切換失敗[8]是指在切換過程中由于用戶從源基站接收到的信號質(zhì)量惡化從而導致切換中斷。發(fā)生無線鏈路失敗是發(fā)生切換失敗的一種情況。無線鏈路失敗是指服務(wù)基站的信干噪比惡化使信道無法通信從而使用戶失去與服務(wù)基站的聯(lián)系。因此，發(fā)生切換失敗主要有以下3種情況：①在切換準備階段已經(jīng)完成，而無線鏈路失敗定時器（T310）還在運行，則發(fā)生切換失?。虎谠跓o線鏈路失敗定時器（T310）計時結(jié)束，而觸發(fā)時間（TTT）還沒結(jié)束，則切換失敗，即發(fā)生無線鏈路失?。虎墼谇袚Q完成以后，目標基站的信干噪比低于Qout（-8dB）[10]，則發(fā)生切換失敗。

（4）發(fā)生“乒乓效應(yīng)”。發(fā)生“乒乓效應(yīng)”是指用戶在移動過程中成功地切換到目標小區(qū)，之后繼續(xù)移動回原小區(qū)，再次發(fā)生切換，如果兩次切換成功之間的時間差小于1s[10]，則發(fā)生“乒乓效應(yīng)”。

1.3 切換模型

由文獻[5]可知，使用3GPP仿真假定條件[10]仿真產(chǎn)生的切換觸發(fā)位置和切換失敗位置[5]是兩個同心圓。為了方便分析，將此仿真模型簡化為圖1所示的同心圓模型。其中，半徑為r的圓周表示切換失敗的位置。半徑為R的圓周表示切換觸發(fā)的位置，也即微微基站的覆蓋范圍，在此區(qū)域內(nèi)切換成功，表示用戶切換到微微基站。若用戶切換到微微基站成功后繼續(xù)前行，再次經(jīng)過半徑為R的圓周，則再次觸發(fā)切換，若再次切換成功，則表示用戶又切換回原來的宏基站了。當?shù)谝淮吻袚Q成功完成到第二次切換成功完成之間的時間小于1s，則發(fā)生“乒乓效應(yīng)”。根據(jù)3GPP仿真假定條件[10]，當宏基站和微微基站之間的距離是250m時，可以通過仿真器仿真出此時的R是21.76m[5]。

1.4 切換理論

假設(shè)用戶從A點出發(fā)，如圖1所示，則觸發(fā)切換，為了方便分析，本文假設(shè)在觸發(fā)時間（TTT）結(jié)束時依然滿足切換條件，則切換成功。在TTT結(jié)束時，用戶已經(jīng)到達了半徑為r的小圓周覆蓋區(qū)域，則切換失敗。如果觸發(fā)時間TTT結(jié)束時用戶已經(jīng)離開了pico基站（微微基站）的覆蓋范圍，則不發(fā)生切換。若用戶在pico基站（微微基站）內(nèi)切換成功后繼續(xù)前行，再次到達半徑為R的圓周處將會觸發(fā)第二次切換，若兩次切換成功完成間隔的時間小于Tmin，3GPP中一般定義為1s，則稱用戶發(fā)生了“乒乓效應(yīng)”。

因為圖2模型上下對稱，所以只分析上半圓即可，假設(shè)用戶從距離圓心（即O處）為R的位置出發(fā)，即從A點出發(fā)，以速度v（取0到120km/h）沿直線向前行進，以進入角度θ穿過小基站的覆蓋范圍，則θ的范圍為0～pi/2。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 實驗結(jié)果

在MATLAB平臺上仿真出的切換性能曲線如圖2所示，包括實際仿真的性能曲線和理論仿真的性能曲線，分別顯示了不發(fā)生切換的概率、切換成功的概率、切換失敗的概率以及發(fā)生“乒乓效應(yīng)”的概率。其中，用戶速度從0取到120km/h，觸發(fā)時間分別取480ms、160ms、80ms、40ms等4種情況。通過圖像可以看出，通過分析得出的理論值與實際仿真值基本重合，說明了本文所用分析方法的準確性。

2.2 結(jié)果分析

從圖2可以看出，隨著速度的增加，不發(fā)生切換的概率增加，速度一定時，隨著TTT的增加，不發(fā)生切換的概率也增加。這是因為速度越高，進入小基站后就會越快離開小基站的覆蓋范圍，以致于來不及發(fā)生切換。同理，TTT越大，在TTT結(jié)束時，用戶離開小基站覆蓋范圍的概率就越大，因此不發(fā)生切換的概率就越大。還可以看到，在TTT取480ms時，隨著速度的加快，切換失敗的概率越來越高，而TTT取其它值時，發(fā)生切換失敗的概率均為0，也即隨著TTT的增加，發(fā)生切換失敗的概率越來越高。這是因為速度越大，在給定的TTT時間內(nèi)，用戶就在小基站的覆蓋范圍內(nèi)移動得越遠，從宏基站接收到的下行信號信噪比就越小，發(fā)生無線鏈路失敗的可能性就越大，即發(fā)生切換失敗的概率就越大，同理可得速度一定時，隨著TTT的增加，發(fā)生切換失敗的概率也增加。從圖2（b）中可以看到，隨著速度的加快，切換成功的概率越來越小，速度一定時，隨著TTT的增加，切換成功的概率也越來越小。這是因為隨著速度的增加，不發(fā)生切換的概率和切換失敗的概率越來越大，所以切換成功的概率就越來越小。同理可得，速度一定時，隨著TTT的增加，切換成功的概率也越來越小。從圖2（d）可以看出，隨著速度的增加，發(fā)生“乒乓效應(yīng)”的概率越來越大，速度一定時，隨著TTT的增加，發(fā)生“乒乓效應(yīng)”的概率越來越小。這是因為速度越大，第一次切換成功與第二次切換成功之間的時間就越短，就越容易發(fā)生“乒乓效應(yīng)”，而速度一定時，TTT越大，完成兩次切換之間所需的時間就越長，發(fā)生“乒乓效應(yīng)”的概率就越小。因此，根據(jù)以上切換性能分析，對于一個給定的用戶（速度已知），在某一個小區(qū)內(nèi)運動，一定有一個最佳的TTT取值，使得各切換性能之間得到折衷，從而使整個網(wǎng)絡(luò)的切換性能達到最佳。

3 結(jié)語

本文主要分析了切換參數(shù)與各切換性能之間的函數(shù)關(guān)系，對切換性能進行了較為全面的分析，并通過仿真可知，理論值與實際仿真有較高的吻合度，證明了此方法的準確性，進而可以選取最為合適的切換參數(shù)，使切換性能達到最佳。為了方便分析，本文忽略了陰影衰落和快衰落對信道的影響。后續(xù)工作可以考慮陰影衰落和快衰落，并建立更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓撲模型，分析切換參數(shù)與切換性能之間的關(guān)系，進而得到預(yù)期的切換性能和網(wǎng)絡(luò)性能。

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（責任編輯：孫 娟）