LTE中基于移動特性的切換優化

魏珍珍, 徐曉, 張健, 胡艷軍

(①安徽大學計算智能與信號處理教育部重點實驗室,安徽合肥 230039;②上海無線通信研究中心,上海 200335)

0 引言

長期演進 (LTE)項目是 3G的演進,其研究始于 2004年3GPP多倫多會議。LTE系統作為 3G向 4G的演進系統,它對 3G系統的物理層空中接口技術、多址技術、多天線技術、調度技術、網絡架構等方面進行了全面的改進和演化,使系統性能得到了全面的提升。LTE系統已于 2010年 3月完成Release 9版本的協議制定,并啟動Release 10版本的協議制定工作,而 LTE Release 10系統又稱為 LTE-Advanced系統,其標準即為 ITU 4G標準最有力的競爭者。

LTE系統的接入網架構如圖 1[1]所示。LTE系統的接入網又稱為演進型全球地面無線接入網(E-UTRAN)由演進型基站(eNB)構成,eNB之間由 X2接口互連,每個 eNode B又和演進型分組核心網(EPC)通過 S1接口相連。在 EPC端,S1接口的用戶面和控制面分別終止在服務網關(SGW)和移動性管理實體(MME)上[1-2]。

隨著LTE系統的演進,未來的蜂窩網絡將變得越來越復雜和龐大。對于網絡運營商來說,在使用新技術的同時,如何降低基礎設施建設費用以及網絡運營費用,是一個巨大的挑戰。在這一背景下,NGMN和 3GPP提出了自組織網絡(SON)技術的需求,并在LTE系統中被標準化。SON功能框架如圖 2[2]所示,主要包括自配置和自優化兩個功能部分。

圖 1 LTE系統架構

圖 2 SON功能實體框架

自配置功能是指對新部署的 eNB節點通過自動配置過程對回程接口進行配置,從而與 EPC建立連接,獲得必要的無線參數配置信息和系統運行軟件。eNB的自配置功能工作在預運行狀態,當其完成自配置后,便進入正常的運行狀態。eNB自配置功能在 LTE Release 8版本的協議中已經完成了標準化。自優化功能是指在系統正常運行過程中,為適應無線環境的變化,通過用戶設備(UE),eNB提供的測量結果以及性能測量信息,eNB在運營商配置的參數范圍內自適應的調整網絡的運行參數,以適應網絡環境的變化,從而達到網絡性能優化的目的。3GPP在 2009年初確定了 SON功能 LTE Release 9中的工作目標,即完成移動魯棒性優化、移動負載均衡優化和隨機接入信道優化的具體方案及標準制定。

主要針對移動魯棒性優化問題進行研究,依據用戶移動特性對切換進行優化,給出了切換參數的參考值,提出對不同移動速度用戶配置不同的小區遲滯參數值,從而提高用戶切換成功率。

1 移動魯棒性優化框架

在 2G/3G系統中,切換參數是由運營商手動設置的,這樣的過程非常耗時,并且手動配置切換參數方式的魯棒性較差。如果當網絡環境變化時,極易導致用戶切換失敗或者是無線鏈路失敗(RLF)的發生。

為了解決上述問題,3GPP在LTE系統的 SON技術中引入了移動魯棒性優化(MRO)功能。MRO的主要目標是[3]：減少切換相關的RLF發生。其主要思路是通過先檢測到相關問題,然后根據問題的分析提供解決方案并進行優化。

1.1 LTE切換機制

切換是指用戶在業務連接狀態下,保持業務服務基本不變,無線承載由當前小區改為相鄰小區的操作過程。切換是系統移動性管理的重要組成部分,切換成功率也是系統移動性管理性能的重要指標。現考慮的目標小區和源小區是相同無線接入技術的情況[4]。由源小區直接與目標小區通過X2接口進行交互,不涉及演進型分組核心網節點重定位的移動性管理。其切換的典型過程包括四個階段：測量控制、切換準備、切換執行和切換完成。3GPP規范的 LTE硬切換過程的特點是在切換執行過程中,UE斷開與源小區的連接,準備同步接入目標小區,同時源小區會向目標小區緩存下行數據,等切換完成,再由目標小區轉發緩存數據到UE。可見在LTE系統中,E-UTRAN內的無縫切換是采用數據轉發實現的。這樣的處理雖然保證了數據的無損失,但在執行切換段間,UE斷開了與源小區的連接,此時由于無線鏈路與環境原因UE容易發生RLF或者是切換失敗,這對于具有高 QoS要求的業務產生了消極影響。

1.2 切換中的 RLF

目前,3GPPTR36.902中已明確提出在 MRO中需要優化的基本內容可以分成以下幾個用例[3]：過晚切換、過早切換、選擇錯誤小區切換、不必要切換以及小區重選等。這里所研究的重點集中在前兩個用例的標準化上。

1.2.1 過晚切換

在兩個相鄰的小區中,當用戶從源小區向目標小區移動時,如果用戶的移動性超出切換參數配置的允許范圍外,在切換觸發時,可能源小區的信號質量已經很低,導致用戶發生RLF(或者是用戶在運動過程中,由于無線鏈路環境惡化嚴重,切換過程還沒有觸發就已經發生了 RLF)。之后用戶重新搜索選擇可以服務的小區,此時用戶重新連接到目標小區B。該過程判定用戶在源小區發生過晚切換而導致RLF。

所以,過晚切換的特征可以描述為：

①切換觸發前或者是在切換過程中,用戶在源小區發生RLF;

②用戶在小區(非源小區)中重新建立連接。

1.2.2 過早切換

在兩個覆蓋重疊的小區中,用戶從源小區向目標小區運動時,當用戶成功切換到目標小區后,卻在很短的時間內發生 RLF,用戶重新搜索選擇可以服務的小區,此時用戶重新連回到源小區A。該過程判定用戶在源小區發生過早切換而導致 RLF。

所以,過早切換的特征可以描述為：

①當用戶成功連接到目標小區后,在很短的時間內發生RLF;

②用戶再次在源小區內重新建立連接。

1.3 MRO檢測機制

1.3.1 過晚切換的檢測

由于在源小區收到來自用戶的切換觸發測量報告消息前用戶會發生 RLF,則源小區通常沒有意識到過晚切換的發生。因此,重新建立連接的目標小區發送RLF事件給源小區是很有必要的,為了讓源小區恰當的識別出過晚切換的發生,從而調整切換相關參數。

所以,過晚切換的檢測可以描述為：

如果用戶在 eNB A發生RLF后重新建立連接到eNB B,則 eNB B將匯報這次 RLF事件給 eNB A。

1.3.2 過早切換的檢測

當用戶發生 RLF后連回到源小區A時,根據過晚切換的判斷準則,源小區A將匯報該用戶的一個RLF事件給目標小區B,但是在這種情況里,目標小區B將判斷它是一個過晚切換的指示,所以,要在判斷時加入一個定時器,來區分用戶是發生過晚切換還是過早切換事件。也就是說,如果該用戶成功切換到目標小區 B后,在短時間 T內發生 RLF事件,則判斷為過早切換事件,反之為正常的過晚切換事件。

所以,過早切換的檢測可以描述為：

如果 eNB B在發送UE Context Release消息后在Tstore_UE_cntxt時間內,收到來自 eNB A的相同用戶的 RLF事件報告,eNB B就應該回復過早切換事件的指示給eNB A。

1.3.3 解決方案分析

為了避免上述失敗切換的發生,在MRO中,基站將會對每次用戶上報的RLF報告進行分析,對RLF的類型進行判定,并根據RLF類型的判定結果對相應的切換參數進行動態調整,以最小化切換失敗和RLF發生的次數,來優化切換過程,使用戶得到最好的服務。

2 基于用戶移動特性的 MRO方案

2.1 用戶移動特性與切換參數的關系

A 3事件不等式[6]：

Ms：表示用戶當前服務基站的信號強度測量值;

Mnj：表示用戶在當前服務基站的第 nj個鄰居小區的信號強度測量值;

Hysts：表示用戶當前服務基站的遲滯參數值;

CIOs,nj：表示用戶當前服務基站 s對應鄰居基站 nj的小區偏置參數值;

當滿足不等式(1)時,會觸發 A3事件,A 3事件即是觸發用戶從當前服務基站向鄰小區基站進行切換的條件。在圖 3中[5],可以看出,如果服務基站上的 Hysts值和 CIOs,nj值使得A3事件觸發太晚,則會造成過晚切換發生(甚至 RLF);或者是,Hysts值和CIOs,nj值使得 A3事件觸發太早,則會造成過早切換發生(甚至 RLF)。

圖 3 A 3事件

為了避免過早,過晚等切換失敗的發生,在MRO中,基站會對每次用戶匯報的RLF事件進行分析,對RLF的類型進行判斷,目前上述可被優化的參數是針對基站間定義的[5],如當前服務基站上的所有用戶都使用相同的一個 Hyst值和CIO值,對于切換到某鄰區內的所有用戶也使用相同的一個Hyst值和CIO值。但是,在實際無線鏈路環境及切換過程中,發現用戶的特定信息和切換參數密切相關。例如：在無線鏈路情況穩定的小區下,對于步行中用戶合適的Hyst值和CIO值,對于高速行駛的車載用戶來說,則很容易發生過晚切換(甚至 RLF),并不適用。因此,在 MRO中,針對影響切換性能的某個特定于用戶的特性,這里考慮用戶的移動速度特性與切換參數的關系。

2.2 切換參數分析

目前,3GPP TR36.902中已明確提出 MRO應對以下切換參數進行優化：遲滯因子(Hyst),觸發時間(TTT),小區偏置參數(CIO),小區重選參數(CRS)。在 LTE標準文檔中,用戶的速度被劃分為三個等級[7]：低速,中速,高速。可見,用戶的速度等級信息對 MRO中切換優化有著較為直接的影響。

綜上已明確提出可優化的相關切換參數以及圖 3的 A3事件來看,TTT是時間滯后參數,是用戶匯報 A3事件前的一個時間觀察窗,即一旦用戶的無線鏈路環境滿足 A 3事件的不等式,就進入TTT觀察時間窗,只有在TTT時間窗內用戶的無線鏈路環境滿足A 3事件的不等式條件,A3事件才會上報,來觸發可能的切換過程。Hyst是用戶當前服務基站的遲滯參數,用來判決是否觸發 A3事件,是影響發生 A 3事件的判決門限和遲滯范圍。該參數對切換門限可以進行適度的調整,使用戶提前或者延后進行切換,可用來避免由于頻繁切換造成的乒乓效應,同時也可避免過多的信令開銷,這里TTT和 Hyst的作用相近,都是對用戶所在服務基站 s進行參數設置。而 CIO是用戶當前服務基站 s對應鄰居基站 nj的小區偏置參數,且影響CIO設置的因素有很多,利用此參數,可以調整用戶選擇的目標小區,對于每個鄰居關系,都用帶內信令分配一個偏移,在用戶評估是否一個 A3事件已經發生之前,應將偏移加入到測量量中,從而影響測量報告觸發的條件。只考慮切換遲滯參數Hyst與用戶移動速度特性參數的關系。

2.3 US-MRO優化算法

根據用戶移動特性參數與切換參數的分析,對于不同速度的用戶采用相同的Hyst值是非常不合理的。為了解決這一問題,提出基于用戶移動特性的 MRO方案,即 US-MRO優化算法,針對用戶速度這一影響切換性能的特定于用戶的特性,基站將對不同速度等級的用戶維護不同的切換參數Hyst(即基站針對低,中,高速度等級的用戶分別維護 Hystnormal,Hyst-medium,Hyst-high參數),并將所維護的參數 Hyst值都通知給用戶,用戶將根據自己的速度特性來選取合適的切換參數加以使用。此時,用戶的A 3事件不等式變為式(2)：

Mnj＞Ms+HYSTS,ue_epeed-CIOs,nj。(2)

經過 US-MRO優化算法,使得低,中,高速的用戶切換門限根據其速度特性自適應調整。在圖 4中,以低速用戶為基準,將中速用戶和高速用戶的切換門限值適度的分別降低。對于之前提出的問題,低速用戶配置的參數不合適于高速用戶,調整后使得高速用戶提前進入切換,避免發生過晚切換(甚至RLF)。同時,Hyst值的調整必須要考慮到,避免調整過度而導致“乒乓效應”。移動性參數優化調整的幅度應該至于引發乒乓效應問題的閾值之上,盡可能的防止在優化移動性問題時,引入其他問題。經過US-MRO優化算法后,從信令開銷方面考慮,采取基于Hyst優化,信令開銷是O(1);而采取基于 CIO優化,信令開銷是O(M),這里 M是指鄰居小區的個數。可見,基于 Hyst優化的信令開銷是個常數,而基于CIO優化的信令開銷是隨著鄰居小區的個數增長而線性增長的。當然,在這里只考慮了用戶的速度特性,對于其他影響切換性能的用戶特性在以后的研究中同樣可以類似的引入到切換優化中來。

圖 4 參數優化后 A3事件

3 仿真與性能分析

3.1 仿真場景與參數配置

仿真平臺是在MATLAB環境下,基于用戶的切換方式搭建的。選取場景為 19小區的系統,中心距離(ISD)為半徑500 m的小區,每個小區 3個扇區,無線傳播模型只考慮大尺度衰落和陰影衰落。用戶初值位置隨機分布在離中心小區半徑 70%的同心圓上,沿著圓切線方向往外以隨機方向運動,運動速度大小按照用戶低速、中速、高速的分布隨機產生。仿真比較對象是MRO算法與US-MRO優化算法,不考慮TTT和 CIO的影響(分別根據經驗值設定為 0.3 s和0 dB)。通過仿真平臺觀察,比較的性能指標是切換成功次數和RLF的發生概率。

RLF判決準則[8]是根據用戶接收到下行 SINR值來進行的。用戶檢測周期為 10ms,當用戶在 200ms的時間窗內,檢測到下行 SINR的平均值低于 Qout,則上報一個失去同步(Out-of-sync)事件,而當用戶在 100 ms的時間窗內,檢測到下行SINR的平均值高于 ,則上報一個同步(In-sync)事件。等到連續上報N310個Out-of-sync事件后,eNB就會啟動T310計時器,如果在計時器到期時間內,沒有接收到N311個 In-sync事件,則判定為RLF,否則,T310計時器停止,跳出計時。這里

Qin：表示 In-sync事件的閾值;

Qout：表示 Out-of-sync事件的閾值;

T310：表示到達指定數量 Out-of-sync后開啟的計時器,用于判定是否發生 RLF;

N310：表示進入計時器觀察窗的 Out-of-sync事件累計次數的閾值;

N311：表示跳出計時器觀察窗 In-sync事件累計次數的閾值。

圖 5 簡化仿真及確認切換流程

為了簡化仿真和確認切換過程的必要性,對用戶的切換過程進行少許改動,如圖 5所示。用戶最初駐留在源小區 A,RLF檢測是按照掃描周期進行的,一旦發生A 3事件,就默認需要切換,而經過一定時延后,如果在此期間沒有發生RLF,則說明切換成功。但是由于優化算法中 Hyst若是設置太小,會引發過早切換的問題。為了消除此類問題,故而在切換成功后設置較短的觀察時間窗,若是在觀察窗內沒有發生RLF,則說明此次切換是確實成功的,不然就要修改之前切換成功為切換失敗,而那些切換后再被確認的RLF情況,不計算在切換成功的范疇之內。具體的比較指標就是切換成功次數和 RLF次數。詳細的仿真參數配置[9]見表 1。

表1 仿真參數配置

3.2 仿真結果及分析

從圖 6中可以看出,對于低速運動的用戶來說,當Hyst取 4 dB時,用戶發生RLF的概率較低,也就是切換成功率較高,但是對于高速運動的用戶而言,Hyst取 2dB時,切換成功率較高。由此通過仿真分析可以得出,對于速度不同的用戶采用不同的Hyst值,對切換成功率影響很大,適用于高速運動用戶的Hyst值并不適用于低速運動用戶,需要針對用戶的移動性區分選取不同的Hyst值。所以,選取了下列參數組合來進行US-MRO優化算法的性能分析：

圖 6 仿真用戶移動速度特性與小區遲滯參數選取

表 2 US-MRO優化算法性能分析

從表 2中可以看出,在仿真樣本MRO算法中,考慮用戶移動特性,但不區分 Hyst值,在 TTT與 CIO對于所有用戶一定時,用戶發生 RLF概率約為 4.32%;而在仿真樣本 USMRO優化算法中,考慮用戶移動特性,并區分使用不同的Hyst值,用戶發生RLF概率約為 1.28%。所以根據考慮用戶移動特性區分使用不同的Hyst值的方案相比于不區分使用Hyst值的方案,RLF發生概率降低了約 70%。從仿真結果和分析不難看出,使用 US-MRO優化算法后,系統的RLF和切換成功率得到了改善,解決了原先對所有用戶只能調整同一個Hyst而沒有辦法解決的問題。當然從解決的效果來看,這都取決于Hyst的調整方式。一般來講,Hyst值采用步進跟蹤式調整,先配置比較小的調整步長(一般調整步長為 0.5～1 dB),以觀其效,直到調整到符合 MRO的優化需求為止。當然,隨著網絡技術的發展,設置策略也需要動態調整,這對于某些特定場景的移動魯棒性優化,需要其他信息的一同參與,才能達到較為滿意的效果。

4 結語

主要討論了移動魯棒性優化在自組織網絡中的重要作用,提出基于用戶移動特性的MRO方案,即US-MRO優化算法,并且給出了切換參數的參考值,提出對不同移動速度用戶設置不同的小區遲滯參數值,提高了用戶切換成功率,使用戶滿意度得到提升。當然,在切換中,影響切換性能的參數還有很多,相信隨著 LTE系統的不斷成熟,必將獲得新的突破。

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