一種EHOPPPA算法改進(jìn)LTE切換性能的研究

徐新飛+李波

摘 要： 由于LTE切換過(guò)程是支持多個(gè)切換準(zhǔn)備的，針對(duì)在切換過(guò)程中無(wú)線鏈路失敗后重新成功建立這一問(wèn)題提出一種具有避免乒乓效應(yīng)并提前準(zhǔn)備切換（EHOPPPA）的算法，該算法重點(diǎn)在于用戶(hù)可以接收到多個(gè)準(zhǔn)備切換的目標(biāo)基站的切換命令信息，并且通過(guò)小區(qū)選擇到最佳的目標(biāo)基站。通過(guò)OPNET仿真該算法可以在切換過(guò)程中實(shí)現(xiàn)切換失敗率降低約60%，并且在沒(méi)有增加乒乓效應(yīng)的前提下在切換過(guò)程中從無(wú)線鏈路失敗中成功恢復(fù)的概率接近100%。該算法提高了切換成功率，尤其是在人口密集的地方效果更為顯著。

關(guān)鍵詞： 切換準(zhǔn)備； 無(wú)線鏈路重建； 乒乓效應(yīng)；小區(qū)選擇； 目標(biāo)基站； EHOPPPA算法

中圖分類(lèi)號(hào)： TN92?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）01?0023?05

Abstract： As the handover procedure of LTE supports multiple handover preparations， an early handover preparation with ping?pong avoidance （EHOPPPA） algorithm is proposed to successfully re?establish the radio link failed in handover procedure. With the algorithm， the user can receive the target base station′s multiple handover command messages for handover preparation， and the optimal target base station is selected by means of cell. The OPNET simulation results show that the algorithm can reduce the handover failure rate by 60% in handover procedure， and the successful recovery probability of radio link failure （RLF） in handover procedure is nearly 100% without addition of the ping?pong effect. Therefore， the algorithm can improve the successful rate of handover， and its effect is particularly obvious， especially in densely?populated areas.

Keywords： handover preparation； radio link reestablishment； ping?pong effect； cell selection； target base station； EHOPPPA algorithm

0 引 言

LTE（Long Term Evolution）是指3GPP（3rd Generation Partnership Project）組織推行的蜂窩技術(shù)在無(wú)線接入方面的最新演進(jìn)，近年來(lái)在世界各地得到了廣泛的應(yīng)用。在人們的日常生活中無(wú)時(shí)無(wú)刻需要通信，因此，對(duì)通信質(zhì)量的要求也就越來(lái)越高，所以在LTE網(wǎng)絡(luò)中切換的好壞顯得尤為重要。針對(duì)傳統(tǒng)的切換算法，有很多文獻(xiàn)提出了改進(jìn)算法，例如：基于SON （Self Organizing Network）的切換參數(shù)優(yōu)化（Handover Parameter Optimization，HPO）算法[1]，基于RSRQ測(cè)量的自適應(yīng)算法[2]，基于移動(dòng)特性的魯棒性?xún)?yōu)化（MRO）方案[3]等。3GPP無(wú)線接入網(wǎng)（Radio Access Network，RAN）工作組制定“對(duì)LTE的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（Heterogeneous Network，HetNet）移動(dòng)性的增強(qiáng)”[4]有助于改善在LTE網(wǎng)絡(luò)中總的移動(dòng)魯棒性。這項(xiàng)工作的目的就是改善具有無(wú)線鏈路失敗和乒乓效應(yīng)系統(tǒng)的切換性能，從而提高在LTE異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)魯棒性。文獻(xiàn)[5]針對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，主要分析研究Macro?Pico網(wǎng)絡(luò)模型下的切換這一關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。但是在無(wú)線鏈路失敗和乒乓效應(yīng)之間，當(dāng)選擇優(yōu)化切換參數(shù)來(lái)減少無(wú)線鏈路失敗率時(shí)乒乓效應(yīng)會(huì)增加，反之亦然[6]。在2014年2月3GPP無(wú)線接入網(wǎng)工作組會(huì)議中，提供了在北美的主要城市進(jìn)行LTE（VoLTE）的外場(chǎng)測(cè)試語(yǔ)音效果[7]。文檔表明，切換失敗率在城市地區(qū)達(dá)到7.6%，在鬧市地區(qū)高達(dá)21.7%，而從無(wú)線鏈路失敗成功恢復(fù)的效率僅為38%。所以本文是針對(duì)用戶(hù)低速運(yùn)動(dòng)和在比較密集場(chǎng)所的情況下改進(jìn)原有的切換算法，這里的低速是指速度小于120 km/h的用戶(hù)，本文分別選取3 km/h，30 km/h，60 km/h，120 km/h，說(shuō)明改進(jìn)算法的優(yōu)勢(shì)。

1 LTE系統(tǒng)架構(gòu)

LTE系統(tǒng)總體采用扁平化、IP化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，相對(duì)于3G來(lái)說(shuō)，UTRAN衍生為E?UTRAN，E?NodeB代替原有的RNC?NodeB結(jié)構(gòu)，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的接口使用IP傳輸，通過(guò)IMS承載綜合業(yè)務(wù)，原UTRAN的CS域業(yè)務(wù)均可由TD?LTE網(wǎng)絡(luò)的PS域承載。

圖1所示為L(zhǎng)TE的系統(tǒng)架構(gòu)圖。從系統(tǒng)架構(gòu)的整體上來(lái)說(shuō)分為兩部分，即演進(jìn)后的核心網(wǎng)EPC（即圖中的MME/S?GW）和演進(jìn)后的接入網(wǎng)E?UTRAN。LTE接入網(wǎng)僅由演進(jìn)型節(jié)點(diǎn)B（evolved Node B，eNode B）組成，提供到用戶(hù)設(shè)備（UE，User Equipment）的E?UTRA控制平面與用戶(hù)平面的協(xié)議終止點(diǎn)。eNode B之間通過(guò)X2接口進(jìn)行連接。LTE接入網(wǎng)與核心網(wǎng)之間通過(guò)S1接口進(jìn)行連接，S1接口支持多對(duì)多的連接方式。相對(duì)于UMTS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而言，LTE的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大幅度的簡(jiǎn)化。endprint

2 LTE切換和優(yōu)化算法的提出

切換（Handover）：又稱(chēng)為越區(qū)切換或過(guò)區(qū)切換，是指移動(dòng)臺(tái)在通話(huà)過(guò)程中從一個(gè)小區(qū)移動(dòng)到另一個(gè)小區(qū)，或是由于外界干擾而切換到另外一條話(huà)音信道上的過(guò)程。切換一般分為三個(gè)步驟：切換測(cè)量、切換判決以及切換執(zhí)行，其中前兩個(gè)是切換的主要部分。其切換流程圖如圖2所示。

2.1 LTE切換算法

LTE網(wǎng)絡(luò)中最基本的是基于A3事件觸發(fā)的切換算法，當(dāng)滿(mǎn)足下式就會(huì)觸發(fā)A3事件：

[Mn+Ofn+Ocn-Hys>Ms+Ofs+Ocs+Off]

式中：Mn為鄰小區(qū)的測(cè)量結(jié)果；Ms為當(dāng)前服務(wù)小區(qū)的測(cè)量結(jié)果；Ofn為鄰區(qū)頻點(diǎn)的頻率特定偏移量；Ofs為當(dāng)前服務(wù)小區(qū)工作頻率的特定偏置；Ocn為鄰小區(qū)特定偏置；Ocs為當(dāng)前服務(wù)小區(qū)特定偏置；Hys為A3事件的遲滯參數(shù)；Off為A3事件的偏置。

A3事件發(fā)生在同頻小區(qū)內(nèi)，用戶(hù)設(shè)備UE會(huì)周期性地對(duì)當(dāng)前的服務(wù)小區(qū)和周?chē)泥徯^(qū)發(fā)送參考信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)用戶(hù)測(cè)量到鄰小區(qū)的信號(hào)質(zhì)量高于當(dāng)前的服務(wù)小區(qū)，且差值高于一定的切換遲滯Hys，當(dāng)這種狀態(tài)維持了TTT的時(shí)長(zhǎng)后，UE會(huì)向網(wǎng)絡(luò)側(cè)上報(bào)A3時(shí)間的測(cè)量報(bào)告，收到測(cè)量報(bào)告后會(huì)通過(guò)判決算法決定是否要啟動(dòng)切換過(guò)程。A3事件切換算法示意圖如圖3所示。

2.2 改進(jìn)算法的提出

不合理的切換參數(shù)會(huì)導(dǎo)致切換失敗或者無(wú)線鏈路失敗。在基于A3事件的切換算法中，如果切換遲滯Hys或者觸發(fā)時(shí)間TTT設(shè)置過(guò)低，使得切換條件容易滿(mǎn)足，則會(huì)導(dǎo)致乒乓切換發(fā)生的次數(shù)增多，引起大量不必要的切換；如果切換遲滯Hys或者觸發(fā)時(shí)間TTT設(shè)置過(guò)大，使得切換很難滿(mǎn)足，UE無(wú)法及時(shí)地收到切換命令而轉(zhuǎn)移至目標(biāo)小區(qū)，導(dǎo)致切換失敗頻繁發(fā)生。

LTE切換支持多個(gè)準(zhǔn)備切換的目標(biāo)小區(qū)，在LTE網(wǎng)絡(luò)中，僅當(dāng)UE接入到小區(qū)準(zhǔn)備切換時(shí)，這個(gè)切換是成功的。因此，在UE執(zhí)行切換到目標(biāo)小區(qū)之前，源基站要求目標(biāo)基站準(zhǔn)備切換。而源基站允許有多個(gè)目標(biāo)基站的準(zhǔn)備切換[7?8]，而且在切換過(guò)程中，多個(gè)準(zhǔn)備是有助于在無(wú)線鏈路失敗后重建成功的。但是UE只能夠接收到一個(gè)準(zhǔn)備好的目標(biāo)基站的切換命令消息并執(zhí)行切換到該目標(biāo)基站。如果發(fā)生無(wú)線鏈路失?。≧adio Link Failure，RLF），則該切換是失敗的并且用戶(hù)在小區(qū)重選后嘗試連接重新建立過(guò)程。如果用戶(hù)選擇源基站或者僅選擇準(zhǔn)備好的基站作為最好的小區(qū)，則這個(gè)重新建立是成功的。由于該方式獲得的效果是很有限的，所以本文提出EHOPPPA（Early Handover Preparation with Ping?Pong Avoidance）切換算法。

3 EHOPPPA算法概述和仿真

3.1 EHOPPPA算法概述

EHOPPPA切換算法提出在接收到切換命令后，UE不會(huì)立即執(zhí)行切換，先備份切換命令，并持續(xù)測(cè)量。該算法提供多個(gè)切換準(zhǔn)備，并且給基于多個(gè)切換準(zhǔn)備的UE小區(qū)選擇的機(jī)會(huì)。然后UE根據(jù)持續(xù)測(cè)量決定最佳的切換執(zhí)行時(shí)間和最佳的切換目標(biāo)基站。UE將發(fā)送切換指示通知源基站執(zhí)行切換并且選擇最佳的目標(biāo)基站，當(dāng)UE在良好的無(wú)線鏈路狀況中，EHOPPPA確定切換信號(hào)并延遲切換執(zhí)行到最佳的切換時(shí)間，通過(guò)提早切換準(zhǔn)備可以抑制不必要的切換發(fā)生。

在切換時(shí)，由于鄰小區(qū)的干擾，導(dǎo)致下行物理層鏈路失敗，從而使得RLF頻繁發(fā)生。無(wú)線鏈路失敗發(fā)生在很多場(chǎng)景下，如：在下行物理層失敗后T310定時(shí)器停止。只要RLF發(fā)生，UE開(kāi)始T311定時(shí)器并且請(qǐng)求重新建立無(wú)線資源控制（RRC）連接。一旦啟動(dòng)T311定時(shí)器，UE將嘗試小區(qū)重選。如果成功，UE開(kāi)始定時(shí)器T301并且與選擇的小區(qū)開(kāi)始連接重建的過(guò)程。若沒(méi)有成功的重新建立連接，則T301定時(shí)器停止用戶(hù)進(jìn)入空閑模式并嘗試非接入層（NAS）的恢復(fù)[9?10]。文獻(xiàn)[11]表明，在成功切換中服務(wù)中斷時(shí)間大約有80～130 ms，在切換失敗的RLF恢復(fù)中有800～3 000 ms，在RLF恢復(fù)失敗的NAS恢復(fù)中有3 000～5 000 ms。因此，就用戶(hù)的體驗(yàn)質(zhì)量（QoE）而言，成功的切換比RLF恢復(fù)好，RLF的恢復(fù)比NAS的恢復(fù)好。

3.2 EHOPPPA算法的切換過(guò)程

對(duì)圖4切換步驟的描述具體如下：

1） 當(dāng)一個(gè)“切換準(zhǔn)備事件”為潛在的目標(biāo)eNB1被觸發(fā)，UE將發(fā)送測(cè)量報(bào)告信息給源eNB，這個(gè)切換準(zhǔn)備事件可以是類(lèi)似有偏移1（小偏移）沒(méi)有TTT的A3事件等（提前切換準(zhǔn)備）；

2） 基于測(cè)量報(bào)告源基站發(fā)送切換準(zhǔn)備給目標(biāo)eNB1；

3） 目標(biāo)eNB1執(zhí)行接入控制和資源預(yù)留，并且發(fā)送切換準(zhǔn)備應(yīng)答消息（ACK）給源eNB；

by two target base stations

4） 源eNB發(fā)送切換命令給UE（早期的切換命令），如果“切換準(zhǔn)備事件”為另外一個(gè)目標(biāo)基站，如：目標(biāo)基站2被觸發(fā)，則另外的切換準(zhǔn)備被執(zhí)行（如圖4中的1*～4*）；

5） 在接收“早期的切換命令”之后，UE不立即執(zhí)行切換到目標(biāo)eNB。該UE只是備份“早期的切換命令”并連續(xù)執(zhí)行測(cè)量。然后UE根據(jù)該連續(xù)測(cè)量決定最佳的切換時(shí)間和最佳目標(biāo)eNB。如果由于“切換執(zhí)行事件”使得UE決定一個(gè)最佳切換時(shí)間和最佳目標(biāo)eNB，則UE發(fā)送切換指示通知源基站立即執(zhí)行切換并選定目標(biāo)eNB。這種“切換執(zhí)行事件”可以是類(lèi)似于帶有偏移2（大的偏移）的A3事件等（以下稱(chēng)A7事件）。（帶有“乒乓避免”的“切換指示”）圖4表明了UE為目標(biāo)eNB1和目標(biāo)eNB2備份“早期的切換命令”，并且選擇目標(biāo)eNB1作為一個(gè)最佳的目標(biāo)進(jìn)行切換；

6） 源eNB發(fā)送切換指示，ACK確認(rèn)切換指示成功接收，如果UE沒(méi)有收到ACK，則UE可以重新發(fā)送切換指示消息；

7） 源eNB發(fā)送X2切換指示來(lái)選擇目標(biāo)eNB1，然后源基站的數(shù)據(jù)將轉(zhuǎn)化到所選擇的目標(biāo)eNB1；endprint

8） UE與源eNB斷開(kāi)連接，并連接到目標(biāo)eNB1；

9） 在通知源eNB切換成功后，它將發(fā)送資源釋放到另外一個(gè)目標(biāo)eNB準(zhǔn)備，在本文中如目標(biāo)eNB2。

這種方法雖然有一些額外的信號(hào)，但是它很大程度上改善了總的切換性能。由于沒(méi)有考慮到由于多個(gè)準(zhǔn)備所引發(fā)的X2和A3離開(kāi)的信令，所以這種方法多少增加了測(cè)量報(bào)告堵塞。但是這個(gè)“提前切換準(zhǔn)備”能夠消除切換失敗以及提高對(duì)準(zhǔn)備好的目標(biāo)成功重建的可能性。

3.3 仿真模型

小區(qū)布局如圖5所示，采用的模型由19個(gè)基站組成，站點(diǎn)間距為500 m，干擾器節(jié)點(diǎn)與每個(gè)基站并置用來(lái)給下行鏈路提供100%的干擾負(fù)荷，用戶(hù)的移動(dòng)軌跡采用隨機(jī)移動(dòng)模型。

19 LTE base stations

3.4 仿真結(jié)果

選用OPNET Modeler網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，因?yàn)樵撥浖缀蹩梢酝瓿涩F(xiàn)有的各種通信系統(tǒng)的仿真，包括核心網(wǎng)、接入網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以及各種混合型網(wǎng)絡(luò)等。表1為在有兩種切換參數(shù)（第一種是帶有大偏移的，第二種是帶有小偏移的）的前提下，LTE和EHOPPPA算法的仿真參數(shù)。

小的偏移可以減少切換失敗率，但是增加了sToS（Short Time?of?Stay）率。如果ToS（Time?of?Stay）連接在A小區(qū)比預(yù)定的MTS（Minimum Time?of?Stay）參數(shù)小，則從B小區(qū)切換到A小區(qū)再切換回B小區(qū)被定義為乒乓效應(yīng)。當(dāng)UE小區(qū)的停留時(shí)間小于MTS時(shí)，統(tǒng)計(jì)一次sToS。測(cè)量切換失敗率、sToS率、切換RLF恢復(fù)的成功率和額外的切換準(zhǔn)備率作為切換性能指標(biāo)。切換失敗率、sToS率和切換RLF恢復(fù)的成功率遵守3GPP LTE異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性仿真[9]。在EHOPPPA算法中額外切換準(zhǔn)備被定義為：

[總的切換準(zhǔn)備次數(shù)-總的小區(qū)變換次數(shù)總的小區(qū)變換次數(shù)]

仿真結(jié)果用柱形圖表示，如圖6，圖7所示。圖6表明在低速的情況下，隨著速度的增加三種方案的切換失敗率都增加，EHOPPPA算法平均發(fā)生切換失敗率的概率比LTE算法小得多。圖7表明在低速的情況下，隨著速度的增加三種方案的切換RLF恢復(fù)成功率也都增加，但是EHOPPPA算法的平均切換RLF恢復(fù)成功率比LTE高得多，尤其EHOPPPA（2）基本上接近100%的成功恢復(fù)在切換過(guò)程中無(wú)線鏈路失敗。

表2為EHOPPPA算法最主要的兩個(gè)影響因素sToS率和額外的切換準(zhǔn)備率與LTE算法的對(duì)比，從表中可以看出UE在低速運(yùn)動(dòng)中，所有的sToS率基本都維持在2%以下。所以EHOPPPA算法解決了在減少無(wú)線鏈路失敗率時(shí)增加乒乓效應(yīng)這一問(wèn)題。而且在大多數(shù)情況下，EHOPPPA算法的副作用即額外的切換準(zhǔn)備率不是很高。所以該算法很好地改善了切換性能。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)分析LTE系統(tǒng)切換算法的缺點(diǎn)以及切換過(guò)程中具體的信令，搭建模型通過(guò)OPNET仿真提出EHOPPPA算法。該算法從切換執(zhí)行中分離了切換準(zhǔn)備，提早的切換準(zhǔn)備和執(zhí)行切換使得UE通過(guò)小區(qū)選擇在最佳的時(shí)間切換到最佳的目標(biāo)小區(qū)，并且可以確定切換過(guò)程是穩(wěn)定完成的。在不增加乒乓效應(yīng)的前提下，該方案具有在切換期間可以實(shí)現(xiàn)切換失敗率減少約60%和接近100%的從無(wú)線鏈路失敗中成功恢復(fù)的優(yōu)勢(shì)。該算法主要針對(duì)低速密集場(chǎng)所中切換性能的改進(jìn)，下一步將針對(duì)高速和各種復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行研究。

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