異構網中移動魯棒性優化技術仿真研究

摘要：文章通過大量的仿真驗證找出異構網場景中具體的移動魯棒性問題，進而有針對性地給出解決方案。仿真中通過同構網和異構網場景中的移動魯棒性性能比較，發現異構網場景中移動性參數應根據切換的對象不同，進行相應的參數匹配；仿真中通過異構網場景中設置不同的參數配置發現，在選擇合適的移動性參數時應綜合考慮移動魯棒性性能和系統開銷。

關鍵詞：異構網；移動魯棒性；移動性參數；切換；無線鏈路失敗

Abstract：In this paper， we run a large number of simulations to find problems with detailed mobility robustness in heterogeneous networks. We also provide solutions to such problems. After comparing mobility robustness in a heterogeneous network with that in a homogeneous network， we found that the mobility parameters in a heterogeneous network should be selected according to different switching targets. By setting different mobility parameters in heterogeneous network simulation， we found that the trade-off between mobility robustness and system overheard should be taken into account.

Key words：heterogeneous network； mobility robustness； mobility parameter； handover； radio link failure

隨著通信技術的快速發展，蜂窩移動通信網絡也進行了全面的改進，一方面網絡性能得到大幅的提升，另一方面網絡參數更加復雜，網絡結構多層次化，這給網絡運營維護帶來了挑戰[1]。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。國際電聯在文件中的明確定義[2]，接入網絡的高度自配置、自優化和自治愈是IMT-Advanced系統的一個重要設計目標。在這一背景下，下一代移動通信網絡（NGMN）組織和第三代合作伙伴計劃（3GPP）先后提出了自組織網絡（SON）的具體需求，并正在LTE/SAE系統中開展標準化的制訂工作。希望通過在網絡部署和運營過程中引入自動化調整機制，減少人工干預，從而降低基礎建設費用和網絡運營費用。

通過網絡規劃和集中式的覆蓋管理，蜂窩移動通信網絡能夠提供連續的覆蓋。但是即使存在連續的覆蓋，由于移動終端的移動軌跡、移動速度變化多樣，以及小區之間的移動參數配置由于物理環境變化需要經常更新等原因，無線鏈路失敗仍然會發生，而無線鏈路失敗的發生將嚴重影響用戶體驗。如何通過動態的小區間移動參數調整，來減少鏈路失敗的發生，保證移動魯棒性是一個重要的研究問題，已經被列入了SON的工作議題[3]。

隨著數據速率需求的日益增長，傳統的宏蜂窩覆蓋的組網形式已經不能夠滿足業務要求，在傳統的宏蜂窩小區引入低功率節點提供熱點覆蓋可以有效地解決宏蜂窩覆蓋存在的問題，同時能夠使得運營商以更低成本提供更高數據速率的業務[4]。LTE-Advanced的工作重點之一就是對室內和熱點場景進行優化。

1 移動魯棒性優化

移動魯棒性優化（MRO）是LTE標準化研究中的一個功能實體。在現有2G/3G系統中，人工調整切換相關參數設置是一項非常耗時的工作，在很多情況下，初始配置后移動性參數更新的消耗非常大；并且，在單個的無線資源管理中檢測移動性問題和調整參數并不能很好地解決問題，需要基站之間相互協調。錯誤的切換參數設置所導致的乒乓效應，切換失敗（HOF）和無線鏈路失敗（RLF）會影響用戶體驗和消耗網絡資源。

切換是移動魯棒性技術研究中非常重要的通信過程。一般情況下，若無線鏈路環境在觸發時間（TTT）內一直滿足A3事件不等式，則觸發測量上報過程，源小區根據測量結果做出切換判決，然后開始切換[5]，因此，可以認為A3事件不等式即為如下切換條件：

Mn >Ms +Hysts -CIOs，n

其中，Ms為用戶接收到的當前服務小區信號強度；Mn為用戶接收到的鄰小區信號強度；Hysts為用戶當前服務小區遲滯因子；CIOs，n為用戶當前服務小區與鄰小區之間的小區獨立偏置。遲滯因子與鄰小區無關，小區獨立偏置是指向鄰小區的單向切換參數，針對不同的鄰小區獨立設置。

MRO優化的主要目標是減少與切換相關的無線鏈路失敗，其次是減少不必要的切換次數。具體可以分成4種情況：過晚切換、過早切換、切換到錯誤小區和不必要切換。

（1）過晚切換

終端從源小區A向鄰小區B移動過程中，如果切換參數設置不合理，如CIOA，B設置偏小，則從源小區A向鄰小區B切換到條件偏苛刻。在切換之前或切換過程中，源小區A的信號強度已經很低，導致終端發生RLF，之后，終端又重新與鄰小區B建立連接[6]。

（2）過早切換

終端從源小區A向鄰小區B移動過程中，如果切換參數設置不合理，如CIOA，B設置偏大，則從源小區A向鄰小區B切換到條件偏寬松。切換觸發時鄰小區B的信號強度還很低，在切換到鄰小區B后的短時間內用戶發生無線鏈路失敗，之后，用戶與源小區A重新建立連接，則認為發生過早切換。

（3）切換到錯誤小區

終端從源小區A向鄰小區移動過程中，用戶首先切換到鄰小區B，由于切換參數設置不合理，因此在切換后很短時間內發生RLF，之后，用戶鄰小區C重新建立連接，則認為發生錯誤切換。

（4）不必要切換

對于網絡操作來說，切換是一個非常消耗資源的過程，并且，優化的參數設置要想發揮功效，也必須依賴于時刻變化的無線鏈路環境，這樣的協調過程，對人工操作的要求極大。有時，終端的移動性模式和小區覆蓋設置會產生頻繁的不必要切換，從而浪費網絡的資源。反之，錯誤的切換參數配置可能會遺漏那些應該發生的切換過程，錯過最佳的切換時機。

由于未來將會部署大量低功率節點，為了研究同時存在宏小區和微小區的異構網場景中可能出現的移動魯棒性問題，3GPP提出了異構網場景的仿真建模假設[7-8]，并通過大量的仿真結果來評估異構網場景中移動魯棒性問題的嚴重性。

2 仿真建模

2.1 網絡拓撲

為了發現大范圍異構網絡場景中可能存在的移動魯棒性問題，我們參照文獻[7]采用了如圖1所示的仿真拓撲圖。具體的仿真拓撲配置參數如表1所示。仿真區域為圖中虛線范圍內，移動終端初始時隨機選擇移動方向，并沿著此方向勻速直線運動直到到達仿真區域邊界，到達仿真區域邊界后，移動終端將隨機選擇一個方向反彈，然后繼續勻速直線運動。

為了研究系統在不同的移動性參數的配置下的系統移動魯棒性性能，文獻[7]給出了5種仿真配置。

2.2 移動性模型

為了對異構網場景下的移動性性能進行評估，需要采用RLF的標準和過程來判斷切換失敗，在建立切換失敗模型之前，文獻[7]將切換過程分為3個狀態：

狀態一：滿足A3事件之前。

狀態二：滿足A3事件之后，但是在終端成功接收到切換命令之前。

狀態三：終端接收到切換命令之后，但是在終端成功發生切換完成消息之前。

當RLF發生在狀態一和狀態二時，將被統計為切換失敗。當RLF發在狀態一，并且有其他的合適小區可供用戶選擇，則我們可以認為這是由于切換參數不匹配，進而造成的切換失敗。

在狀態二中，當終端連接在源小區時，如果以下任一條件滿足，我們將統計為切換失敗：當終端接收切換命令時，T310定時器被觸發或者仍然在進行；RLF條件滿足。

在狀態三中，當終端連接到目標小區之后，如果以下條件滿足，我們將統計為切換失敗：當切換執行時間結束，目標小區下行寬帶信道質量指示（CQI）低于失步門限。

乒乓切換是不必要切換中的主要研究對象。切換之后終端在新建立連接的小區所停留的時間將被作為判斷是否是乒乓切換的主要標準，停留時間具體可以從終端成功發送切換完成消息到小區A和到小區B這段時間。如果終端從小區B切換到小區A之后，又從小區A切換回小區B，并且終端連接到小區A的停留時間小于門限值，在文獻[7]中，被判斷為乒乓切換。

2.3 仿真結果及分析

2.3.1 異構網和同構網移動魯棒性

指標比較

在表2中的仿真配置3下，我們對同構網和異構網中系統移動魯棒性性能進行仿真比較。在仿真中，切換失敗對系統性能的影響主要看切換和切換失敗的發生頻率。如果切換很少發生，即使切換失敗率很高，切換失敗對系統的影響仍然有限。另一方面，如果切換的頻率和切換失敗的頻率較高，那么對系統的影響將會很嚴重。因此，時間因子應該在仿真性能評估中考慮。如圖2和圖3所示，我們可以得到系統切換相關指標，單位分別為切換失敗次數與總切換次數的比值（HOF/HO）和切換失敗次數與終端數的比值（HOF/UE）。

從圖2中可以看出，就HOF指標而言，異構網的性能相比同構網要差一些，尤其是異構網中微小區到宏小區的HOF指標相對于同構網來講要差的更多一些。因此我們有必要針對異構網中微小區到宏小區的切換性能進行深入研究，進一步提高異構網中的切換性能指標。

從圖4和圖5中可以看到，就乒乓切換相關指標而言，即短暫停留率和短暫停留率與終端數的比值，異構網的性能均比同構網要差。乒乓切換的頻繁發生將會大大增加系統不必要切換的次數，進而大量增加系統的信令開銷，如何減少異構網中乒乓切換的發生，提高異構網的移動魯棒性，也是未來需要研究的課題之一。

2.3.2 異構網中不同移動性參數下

移動魯棒性性能比較

為了研究在不同的移動性參數配置下，異構網的移動魯棒性性能的變化趨勢，我們參照表2的移動性參數配置進行了仿真。

從圖6中可以看出，在配置5中，由于移動性參數相對其他配置而言比較寬松，因此切換比較容易發生，切換嘗試次數有比較明顯地增加。從圖7可以看出，由于配置1的移動性參數非常苛刻，切換不容易發生，造成了大量的過晚切換，終端不能及時的在信號強度變差前切換到合適的小區，進而發生了RLF。隨著移動性參數的逐漸寬松，配置4的RLF指標為5個配置中最低。在配置5時，由于移動性參數過于寬松，會造成一些終端過早切換，進而切換到不合適的小區。

從圖8中可以看出，微小區到微小區的HOF指標最高，這是因為在仿真中低功率節點隨機部署，造成了大量的微小區不連續覆蓋，使得HOF指標相對升高。可以觀察到，從微小區到宏小區的HOF指標也相對較高，主要原因是終端離開微小區時，信號強度衰落比較快，移動性參數配置中的TTT計時相對較長，進而導致終端不能及時從微小區切換到宏小區，造成大量的過晚切換。

3 解決方案

從上面的仿真結果可以觀察到，在異構網場景中移動性魯棒性問題比較嚴重的主要有4個方面，我們將給出初步的分析和解決思路。

（1）微小區到宏小區的切換失敗率較高

由于在仿真中所有小區間都設置相同的移動性參數，而這些參數主要是針對宏小區到宏小區之間切換而設置的，因此在異構網場景中，必須針對不同的切換對象，如微小區到宏小區或者宏小區到微小區設置相匹配的移動性參數，進而降低系統的切換失敗率，優化移動魯棒性性能。

（2）在仿真配置1的條件下，RLF和HOF相關指標很差

由于仿真配置1的移動性參數相對比較苛刻，因此造成大量終端切換時機較晚，如果適當地調節移動性參數，例如調整到仿真配置4，則系統的移動魯棒性將會得到較大的提升。

（3）在仿真配置5的條件下，切換嘗試次數很高

由于仿真配置5的移動性參數相對比較寬松，因此造成大量終端發生過早切換，一些本不該發生切換的終端在此配置下也發生了切換。雖然在此配置下的RLF和HOF相關指標可以接受，但由于系統的切換嘗試次數大大增加，導致系統的信令開銷非常大。綜合來看，應該在優化移動魯棒性的同時，考慮系統開銷的因素。

（4）在RLF相關指標中，狀態二（HOF）占的比例非常高

由于大量的切換失敗是因為終端不能接收到源基站的切換命令，所以終端將繼續進行T310計時，直到發生RLF或者鏈路質量恢復，從圖7可以觀察到，發生切換失敗后，鏈路質量恢復的比例非常小，大部分的終端最終發生了RLF，進而進行無線鏈路重建。而T310計時時長為1 s，也就意味著終端從切換失敗到無線鏈路重建將等待較長時間。我們可以通過設置新的計時器，使得終端盡早進行無線鏈路的重建，進而提高用戶體驗。

4 結束語

移動魯棒性優化已經成為蜂窩移動通信網絡中的重要研究課題之一，在未來新的網絡場景中，我們要深入研究傳統優化方案的有效性，針對新場景的特點，對傳統方案進行修正和改進，進而使得新場景中移動魯棒性性能仍然可以控制在可接受的范圍之內，使得終端可以在不影響服務質量和體驗的條件下，享受高速度業務帶來的無盡快樂。

參考文獻

[1] HU Honglin， ZHANG Jian， ZHENG Xiaoying， et al. Self-configuration and self-optimization for LTE network [J]. IEEE Communications Magazine， 2010， 48（2）：94-100.

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[3] 3GPP TR36.902 V9.3.1. Self-configuring and self-optimization network use cases and solution [S]. 2011.

[4] Enhanced inter-cell interference coordination challenges in heterogeneous networks [J]. IEEE Wireless Communications Magazine， 2011，18（3）：22-31.

[5] 王華， 李魯群， 王力. LTE-A中基于準入控制的切換決策算法 [J]. 計算機工程， 2011，37（5）： 88-90.

[6] 余建濤， 胡宏林， 金圣， 等. 移動負載均衡與移動魯棒性優化的沖突協調 [J]. 計算機工程， 2012， 38（1）： 37-41.

[7] 3GPP TR36.839 V11.0.0. Mobility enhancements in heterogeneous networks [S]. 2012.

[8] 3GPP TR36.814 V9.0.0. Further advancements for E-UTRA physical layer aspects [S]. 2010.

收稿日期：2012-11-06

作者簡介

金圣，英國肯特大學碩士畢業；中科院上海微系統所助理研究員；從事網絡自組織自優化研究；已主持基金項目2項；已發表論文3篇，參與編寫專著2本，申請發明專利18項，向國內外標準化組織提交提案42篇，其中12篇被通過。

陳琛，安徽大學通信與信息系統專業在讀碩士研究生；現在上海無線通信研究中心實習；從事智能網優通用仿真平臺的開發和移動魯棒性技術的研究。

胡宏林，中國科技大學博士畢業；中科院上海微系統與信息技術研究所研究員、博士生導師；從事下一代移動通信技術的研究及國際標準化工作；已編著英文專業書籍4部，中文書籍1部；已發表SCI論文30余篇，獲專利授權10余項。