超密集小蜂窩網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性技術(shù)分析

董春利，王 莉

(南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 211188)

1 5G超密集小蜂窩(UDSC)網(wǎng)絡(luò)的位置管理

在位置管理中，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)收到用戶設(shè)備與特定位置相關(guān)聯(lián)的通知后，位置更新和尋呼過程開始，網(wǎng)絡(luò)通過這些位置信號操作信令過程和尋呼進(jìn)程[1]。

在超5G空中網(wǎng)絡(luò)中，無人機(jī)路徑需要更改為靠近地面以減少通信延遲，因?yàn)楦叩臒o人機(jī)高度會相應(yīng)地引入路徑損失連接。因此，無人機(jī)高度取決于應(yīng)用的使用案例，更高的參考信號接收功率(RSRP)值和來自更高的相鄰基站干擾，會導(dǎo)致更高的切換率?？諏Φ睾偷孛娣涓C網(wǎng)絡(luò)信道在高頻無人機(jī)上也面臨同信道干擾，這會導(dǎo)致載波間干擾(ICI)的多普勒頻移。相比之下，與宏基站(MBS)或核心網(wǎng)絡(luò)連接的無人機(jī)-基站(BS)需要高容量的無線回程鏈路。實(shí)際上，有限的回程將成為瓶頸并影響移動(dòng)用戶的QoS?；爻叹W(wǎng)絡(luò)按BS有線鏈路和無人機(jī)無線鏈路的異構(gòu)鏈路分類，核心網(wǎng)絡(luò)需要高容量的無線回程關(guān)聯(lián)，因此不充分的回程會造成阻塞并干擾QoS。

由于技術(shù)有限，超5G網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性是研究人員主要的研究方向。在切換中，需要使用有關(guān)參考信號強(qiáng)度和其他網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的信息，將信道連接切換到其他信道。為了優(yōu)化這個(gè)過程，處理這些參數(shù)非常困難，因?yàn)樗鼈儗W(wǎng)絡(luò)有同樣的影響。其中一些參數(shù)可以干擾管理、能耗、負(fù)載平衡、覆蓋和容量。這些參數(shù)也對乒乓率、呼叫掉線/阻塞概率以及早期或晚期切換有影響[2]。已經(jīng)有專家學(xué)者提出了許多理論和技術(shù)/工具，特別是人工智能學(xué)習(xí)，來優(yōu)化切換過程的有效切換機(jī)制。

2 5G UDSC網(wǎng)絡(luò)的切換

為了管理無線電資源，切換在5G中發(fā)揮著重要作用。對不同的節(jié)點(diǎn)或終端，5G移動(dòng)系統(tǒng)的傳輸需要更大的帶寬和更高的通信服務(wù)速率。因此，切換要確保提供良好的服務(wù)質(zhì)量和持續(xù)的通信條件，以保持整體網(wǎng)絡(luò)性能[3]。使用人工智能技術(shù)，將無人機(jī)通信集成到智能移動(dòng)性和切換管理/預(yù)測中，有助于解決頻繁地切換，提高可靠性和覆蓋范圍。

2.1 切換面臨的主要問題

網(wǎng)絡(luò)性能取決于切換率，即切換的失敗/成功率。RACH定時(shí)器的到期，在一定的最大重傳次數(shù)后，會導(dǎo)致無線電鏈路故障。由于UE和無人機(jī)的操作協(xié)議不同，因此必須參考信號的仰角，用戶設(shè)備的速度，垂直位置和用戶設(shè)備的路徑損耗/延遲。在無人機(jī)使用的情況下，并不總是連接到最近的基站，尋找最強(qiáng)的RSRP。無人機(jī)在120°，240°和270°的角度區(qū)域內(nèi)飛行，可能會連接到位于該區(qū)域的其他基站，因?yàn)楂@得的信號強(qiáng)度不足。無人機(jī)位置和飛行信息有助于進(jìn)行有效切換，豐富現(xiàn)有的信號報(bào)告機(jī)制。BS使用改進(jìn)的RSRP測量負(fù)載控制來幫助切換。無人機(jī)的高度在切換方面非常重要，無人機(jī)與超5G無線網(wǎng)絡(luò)的集成，為增強(qiáng)3D移動(dòng)模式中的小區(qū)選擇過程創(chuàng)造了空間。圖1列出了切換決策方案的分類，分別是基于RSS、基于 QoS、基于功能、基于智能和基于上下文的切換類型。

圖1 切換決策方案的分類

小蜂窩的優(yōu)點(diǎn)是頻譜效率高，數(shù)據(jù)速率高，節(jié)能/省錢，擁塞少，切換容易，但也有一些缺點(diǎn)，即實(shí)施成本和操作可靠性，頻繁的身份驗(yàn)證以及主動(dòng)或被動(dòng)(開/關(guān)閉)狀態(tài)更新。切換意味著當(dāng)從一個(gè)點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)點(diǎn)時(shí)，可以將其基本終端更改為附近的終端，而不會中斷通信[4]。在5G之后，切換面臨的固有挑戰(zhàn)是無服務(wù)，而在多RAT、零延遲、網(wǎng)絡(luò)致密化和高移動(dòng)性的場景中，這些挑戰(zhàn)變得更加困難。除了這些問題之外，切換時(shí)，BS的負(fù)載平衡也是一個(gè)主要問題，特別是在地面網(wǎng)絡(luò)的情況下，UE在各個(gè)區(qū)域的早晚時(shí)間從房屋移動(dòng)到辦公室。切換根據(jù)連通性分為不同的類型，例如宏小區(qū)內(nèi)，宏小區(qū)間和多RAT的切換。在密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(HetNets)中，切換機(jī)制仍然是一個(gè)懸而未決的問題，在切換速率和網(wǎng)絡(luò)中的干擾水平之間進(jìn)行權(quán)衡，并建立對其他UE的不同類型的干擾。切換中，基本上都存在網(wǎng)絡(luò)切換過程。此外，還需要注意的問題主要有以下幾點(diǎn)。

2.1.1 頻繁切換

根據(jù)3GPP，無人駕駛車輛的信干噪比(SINR)可能比地面UE弱。由于無線信號之間存在障礙，切換的可能性增加，因此改善這些問題是不可避免的。如前所述，小蜂窩技術(shù)和蜂窩密集化也給移動(dòng)性和切換管理帶來了挑戰(zhàn)。在超密集網(wǎng)絡(luò)中，小區(qū)的覆蓋范圍是有限的和重疊的。因此，覆蓋移動(dòng)功能的UE需要從一個(gè)小區(qū)移動(dòng)到另一個(gè)小區(qū)，或面臨頻繁地切換。

2.1.2 負(fù)載不平衡

盡管HetNets和蜂窩致密化具有所有優(yōu)勢，但小蜂窩技術(shù)也存在必須解決的障礙。例如，負(fù)載不平衡是由于不同層的小區(qū)的發(fā)射功率和覆蓋區(qū)域的變化而發(fā)生的。此后，小蜂窩將不再通過使用僅圍繞接收功率的傳統(tǒng)用戶關(guān)聯(lián)規(guī)則來發(fā)揮實(shí)質(zhì)性作用。單元范圍擴(kuò)展 (CRE)或偏置可以應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。

2.1.3 小區(qū)間干擾

小區(qū)間干擾是小區(qū)致密化中存在的另一個(gè)問題，可以通過eICIC(用于小區(qū)干擾協(xié)調(diào)的縮寫)來解決。這種緩解技術(shù)利用幾乎空白的子幀 (ABS) 來消除宏小區(qū)BS的噪聲或干擾。ABS集成在 HetNets中，以優(yōu)化高功率節(jié)點(diǎn)的干擾。然而，低功率節(jié)點(diǎn)知道干擾模式，允許CRE嵌入低功率節(jié)點(diǎn)，并可以服務(wù)大量UE，而不會受到高功率節(jié)點(diǎn)的干擾。

2.2 切換的基本步驟和類型

2.2.1 切換的基本步驟

(1)發(fā)現(xiàn)：在這一步中，網(wǎng)絡(luò)必須找到能夠?yàn)橛脩籼峁┝己梅?wù)質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)。

(2)判定：在這一步中啟動(dòng)切換過程。如果啟動(dòng)發(fā)生在不準(zhǔn)確的時(shí)間，則會增加掉話并因此降低 QoS。

(3)執(zhí)行：為了提高服務(wù)質(zhì)量，應(yīng)該在正確的時(shí)間執(zhí)行決策以繞過不相關(guān)的切換。當(dāng)?shù)诙A段和第三階段的切換都由移動(dòng)臺或任何其他控制器操作時(shí)，切換過程根據(jù)控制器進(jìn)行分類，例如網(wǎng)絡(luò)控制切換(NCHO)。移動(dòng)控制切換(MCHO)和移動(dòng)輔助切換(MAHO)。圖2列出了切換信息收集(網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)終端相關(guān))和決策(基于標(biāo)準(zhǔn)和基于策略)的類別。

圖2 切換信息收集和切換決策類別

切換過程需要考慮3個(gè)參數(shù)，即系統(tǒng)參數(shù)、控制參數(shù)、性能參數(shù)。第一，參考信號接收功率和信噪比和干擾比屬于系統(tǒng)參數(shù)。第二，RSS 切換裕度(滯后)，觸發(fā)時(shí)間(TTT)屬于控制參數(shù)類別。第三，切換失敗率(HPIHOF)、乒乓切換率(HPIHPP)和掉話率(HPIDC)屬于性能指標(biāo)。

2.2.2 切換類型

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)、頻率和技術(shù)，存在的切換類型如下：

(1)水平切換：這種類型的切換是在相同網(wǎng)絡(luò)的基站之間執(zhí)行的切換。例如，在5G到5G之間發(fā)生的切換稱為水平切換。這種類型的切換也稱為技術(shù)內(nèi)切換。

(2)垂直切換：在不同網(wǎng)絡(luò)的基站之間執(zhí)行的切換稱為垂直切換。例如，切換發(fā)生在5G到4G之間。為了進(jìn)行這種類型的切換，OSI模型的第2層和第3層起著重要作用。

(3)同頻切換：當(dāng)兩個(gè)不同的基站工作在相同的工作頻段時(shí)，它支持同頻切換。

(4)異頻切換：當(dāng)兩個(gè)不同的基站在不同的工作頻段上工作時(shí)，它會提供異頻切換。

(5)軟切換：它遵循先接后斷的策略，在中斷之前，首先在UE和無線鏈路之間建立新的連接。

(6)硬切換：它遵循先斷后接的策略，首先從UE中移除所有無線鏈路，以建立新的無線通信連接。

(7)基于控制器的切換；此類切換由移動(dòng)臺執(zhí)行。還有3種分類：網(wǎng)絡(luò)控制切換(NCHO)、移動(dòng)控制切換(MCHO)和移動(dòng)輔助切換(MAHO)。在網(wǎng)絡(luò)控制切換中，決策步驟被控制器扣留，而移動(dòng)臺執(zhí)行啟動(dòng)步驟。在移動(dòng)控制切換中，移動(dòng)臺執(zhí)行兩個(gè)步驟，啟動(dòng)步驟和決策步驟。而在MAHO中網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行決策，移動(dòng)臺僅收集和發(fā)送基本信息，即接收信號強(qiáng)度指示和信號干擾噪聲比。

基于頻譜、開銷、可靠性、QoS和延遲，其主要的切換方案優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)如下。

(1)硬切換：優(yōu)點(diǎn)是高效的用戶頻譜效率，無數(shù)據(jù)開銷；其缺點(diǎn)是短時(shí)間中斷服務(wù)，對鏈路傳輸時(shí)間敏感(可能導(dǎo)致通話中斷)。

(2)軟切換：優(yōu)點(diǎn)是高度可靠，在切換過程中不會丟失QoS；其缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)開銷大，頻譜使用效率低下。

(3)預(yù)測性重路由：優(yōu)點(diǎn)是最小化切換延遲；其缺點(diǎn)是信令開銷，可能的數(shù)據(jù)開銷。

(4)排隊(duì)方案：優(yōu)點(diǎn)是易于實(shí)施先入先出(FIFO)隊(duì)列，根據(jù)信道的降級進(jìn)行隊(duì)列重新排序。其缺點(diǎn)是信道退化，信令和計(jì)算開銷。

3 結(jié)語

移動(dòng)性管理是5G基礎(chǔ)設(shè)施的一個(gè)關(guān)鍵特性，改善了用戶體驗(yàn)和未來將出現(xiàn)的用例。因此，切換功能和操作必須在沒有干擾和中斷實(shí)例的情況下完成，才能執(zhí)行5G移動(dòng)性管理的要求。