5G 通信雙連接下低時延輔助移動基站切換優(yōu)化

楊世康 李俊杰

（凱里學(xué)院 大數(shù)據(jù)工程學(xué)院，貴州 凱里556011）

國內(nèi)基站切換技術(shù)也較為成熟，將基站和用戶作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，使基站之間的鏈路質(zhì)量大于閡值條件，對基站終端進(jìn)行移動性管理，無差別選擇終端的基站鏈路，同時考慮基站的鏈路質(zhì)量和雙鏈路的特性，在中繼通信的過程中，使用non-3GPP 參與到中繼通信過程，明確定義non-3GPP 的鏈路切換標(biāo)準(zhǔn)，在終端選擇合適的通信模式，使終端設(shè)備超密集分布，通過近距離位置關(guān)系的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)通信切換[1]。在以上理論的基礎(chǔ)上，提出5G 通信雙連接下，低時延輔助移動基站切換的優(yōu)化方法。

1 5G 通信雙連接下低時延輔助移動基站切換優(yōu)化方法

1.1 提供待切換基站列表

對5G 通信雙連接網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抽象處理，分布式控制移動基站的通信鏈路，提供可供切換的基站列表。首先將5G 通信網(wǎng)絡(luò)抽象化為基站、用戶、網(wǎng)關(guān)及中繼節(jié)點(diǎn)，利用用戶終端所連接的輔助基站，執(zhí)行切換管理，避免中央控制節(jié)點(diǎn)做出切換裁決，使基站間接口與相鄰基站交互，從而通過基站的信息和信令[2]。再利用RTTM機(jī)制的實時業(yè)務(wù)度量，得到基站負(fù)載相關(guān)信息。其抽象架構(gòu)如下圖所示：

圖1 5G 通信雙連接網(wǎng)絡(luò)抽象架構(gòu)

采用分布式控制方案，對用戶終端的低時延輔助移動基站進(jìn)行控制，部署基站切換的總體流程。使基站發(fā)送切換請求，通過基站接口獲取RTTM，使低時延輔助基站與相鄰基站進(jìn)行通信，選定目標(biāo)基站后，輔助移動基站直接對切換請求進(jìn)行裁決，回應(yīng)切換請求后，通知基站切換結(jié)束[3]。過程中，利用RRM服務(wù)器對切換判決進(jìn)行輔助，從通信雙連接網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有基站處獲取信息，相比傳統(tǒng)方法只能從相鄰基站獲取信息，該過程能夠全面地對5G 網(wǎng)絡(luò)全局信息進(jìn)行把握。當(dāng)基站或網(wǎng)關(guān)容量達(dá)到上限時，通過RRM服務(wù)器，為輔助移動基站提供可進(jìn)行切換操的候選列表，列表中包括能夠切換的基站。至此完成待切換基站列表的提供。

1.2 裁決基站切換請求

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和擁塞情況，在列表中選擇可切換的基站，裁決低時延輔助移動基站與切換基站之間的切換請求。由輔助移動基站直接進(jìn)行切換管理，快速裁決切換請求，折中切換性能和設(shè)備復(fù)雜度，根據(jù)收集的測量參數(shù)，判斷基站是否需要切換，并將接收信號強(qiáng)度作為裁決準(zhǔn)則，在列表中選取最小信令開銷的基站[4]。首先測量并收集與切換有關(guān)的信號參數(shù)，包括輔助移動基站與切換基站之間的導(dǎo)頻強(qiáng)度、傳輸功率等，利用RSS算法，引入切換門限值，設(shè)置較高的切換參數(shù)，增加輔助移動基站與列表基站的切換難度，避免在5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋重疊區(qū)域內(nèi)，輔助移動基站在兩個信號強(qiáng)度接近的基站之間，進(jìn)行來回切換操作。計算列表中所有待切換基站的信號強(qiáng)度，由于移動基站會對頻譜進(jìn)行復(fù)用，對輔助移動基站相同頻率的信號接收造成干擾，因此要對信號的同頻干擾進(jìn)行分析。待切換基站接收信號同頻干擾I 的計算公式為：

公式中，x 為待切換基站接收信號的位置，k 為兩個基站間的參考距離，P 為參考距離k 下的路徑損耗，n 為信號干擾系數(shù)，取決于傳播環(huán)境，一般情況下取值為1，ε（x）為x 位置處的陰影衰落，具體數(shù)值服從均值為0 的高斯分布[5]。忽略其他待切換基站帶來的干擾，則待切換基站的接收信號強(qiáng)度O 為：

公式中，L（x）為待切換基站天線在x 點(diǎn)處的路徑損耗，U 為待切換基站的傳輸功率。當(dāng)待切換基站的信號強(qiáng)度O，大于輔助移動基站的信號強(qiáng)度時，且大于設(shè)定門限值時，直接通過低時延移動輔助基站，裁決該基站為可切換基站，并在RRM提供列表中，選取信號強(qiáng)度最大的基站作為切換目標(biāo)[6]。利用信干比代替接收信號功率，表示切換目標(biāo)的接收信號質(zhì)量，避免基站信道發(fā)生變化時，基站切換過早或不必要，以此優(yōu)化切換時機(jī)。至此完成基站切換請求的裁決。

1.3 切換基站通信鏈路

裁決切換請求后，切換低時延輔助移動基站和切換目標(biāo)之間的鏈路。引用網(wǎng)關(guān)池和基站池的概念，將區(qū)域內(nèi)的一組網(wǎng)關(guān)看作一個資源池，一組基站看作基站池，利用網(wǎng)關(guān)池共享連接的基站池資源，切換基站之間的鏈路。由于基站切換不改變接入互聯(lián)網(wǎng)及應(yīng)用服務(wù)器的網(wǎng)關(guān)，因此保持網(wǎng)關(guān)的IP 地址不發(fā)生改變，只改變5G 通信的無線接入基站，將切換目標(biāo)看作終端附著的無線接入點(diǎn)，使輔助移動基站接入點(diǎn)與目標(biāo)接入點(diǎn)在同一網(wǎng)絡(luò)域，利用OPNET 軟件，對5G 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連進(jìn)行建模，對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功能進(jìn)行細(xì)化，將兩個基站之間的通信網(wǎng)絡(luò)分為UMTS 和WLAN 兩個部分，其網(wǎng)絡(luò)工作在同一IP 區(qū)域內(nèi)，設(shè)置UMTS 和WLAN 網(wǎng)絡(luò)的通信終端UE，使其在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間漫游，處理兩個網(wǎng)絡(luò)的切換信令信息。

利用互連模型，對兩個基站的鏈路切換進(jìn)行評估，使WLAN網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)與Gateway 在同一IP 域內(nèi)，移動終端UE，使UE 接入UMTS 網(wǎng)絡(luò)，附著在UMTS 并進(jìn)行上下文激活過程，通過UMTS網(wǎng)絡(luò)與5G 網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，然后再漫游到WLAN 網(wǎng)絡(luò)中，通過WLAN 網(wǎng)絡(luò)的AP，對切換目標(biāo)的信號強(qiáng)度進(jìn)行檢測，觸發(fā)兩個基站的切換請求，釋放終端UE 與UMTS 網(wǎng)絡(luò)之間的鏈接，在WLAN 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)進(jìn)行認(rèn)證與授權(quán)，通過W LAN 網(wǎng)絡(luò)傳遞數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)兩個基站的鏈路切換。此次輔助移動基站切換裁決，還允許天線進(jìn)行多次切換，當(dāng)切換失敗后，立刻斷開鏈路并加入新的通信鏈路，直至達(dá)到最大切換次數(shù)為止。至此完成5G通信雙連接下，低時延輔助移動基站切換的優(yōu)化。

2 實驗論證分析

2.1 實驗準(zhǔn)備

進(jìn)行對比實驗，將此次設(shè)計方法記為實驗A 組，傳統(tǒng)基站切換方法記為實驗B 組。使用RWP 模型，設(shè)置實驗仿真區(qū)域大小為1500×1500m，通過模型給出5G 通信雙連接的移動軌跡，當(dāng)信號移動到仿真區(qū)域的邊界，通過反射方式，將其返回到仿真區(qū)域。仿真平臺由1 臺100M交換機(jī)、4 臺400MHzPIII 臺式機(jī)組成，操作系統(tǒng)采用RedHat Linux7.0。

表1 實驗對比結(jié)果

2.2 實驗結(jié)果

實驗分別對移動基站進(jìn)行切換，改變基站位置距離，使切換天線的接收信號質(zhì)量越來越大，記錄實驗的切換成功率，實驗對比結(jié)果如表1 所示。

如表1 所示，當(dāng)基站位置距離越大，基站切換的成功率就越大，但實驗A 組平均成功率始終要大于實驗B 組，平均成功率為65.1%，B 組平均成功率為54.2%，A 組成功率增加了10.9%，且當(dāng)基站距離為1550m 時，能夠保證100%切換成功率。綜上所述，此次設(shè)計方法相比傳統(tǒng)方法，提高了移動基站切換的成功率，且切換后的通信連接情況更加穩(wěn)定。

3 結(jié)論

此次設(shè)計方法進(jìn)一步提高了基站切換的成功率，且能夠有效保證基站切換后的通信穩(wěn)定。但此次研究仍存在一定不足，在今后的研究中，會對切換方法進(jìn)行多普勒效應(yīng)，均衡橋梁、鐵路等復(fù)雜環(huán)境，對基站切換的影響。