一種LTE異構網絡下的移動性優(yōu)化方法*

陳國平，杜慶波

（1.南京信息職業(yè)技術學院 南京210023；2.中興通訊學院移動通信實驗室 深圳518057）

1 引言

LTE網絡是3GPP規(guī)范的移動通信網絡的主要演進方向，目前學術界和工業(yè)界一致認為，截至2020年，全球無線網絡數據量的需求將達到2012年的1000倍，為了應對未來移動通信業(yè)務對管道寬度的海量需求，最有效的途徑是增加基站數量，提高無線頻譜資源復用程度。業(yè)務需求量存在“熱點”的特性，因此小基站是網絡擴容最經濟、最有效的方法。小基站的部署成本通常是宏基站的幾百分之一，且發(fā)射功率比宏基站低16 dB以上，增加小基站引入的干擾遠小于增加宏基站引入的干擾。

此外，考慮到由密集小站組成的異構網絡是未來提高頻譜復用的最有效途徑，3GPP在版本R10中引入了對小基站的研究。目前，3GPP標準組織仍沒有解決的最大系統風險是大量小基站的引入對切換等移動性的影響[1]。異構網絡特別是擁有密集小站的異構網絡中存在的移動性風險包括以下幾點。

·切換數量增加。大量新增的宏基站—微基站（宏—微）和微基站—微基站（微—微）之間的切換，導致切換數量的極大增加。

·切換難度增加，成功率下降。小基站的引入帶來了更大的陰影衰落和更復雜的切換邊界，使得UE（用戶設備）切換失敗率急劇增加。

為了解決新網絡形態(tài)下的切換問題，本文提出了一種新的切換機制，使得網絡切換性能顯著提升，特別是對切換成功率的改善遠大于傳統的3GPP切換機制。

2 LTE異構網絡切換問題分析

LTE網絡中的切換機制用于控制切換的時機[2]，該機制由3個主要參數控制，包括：切換偏差（handover offset）門限、觸發(fā)定時（time to trigger）門限和K系數，如圖1所示，具體介紹如下。

圖1 LTE切換時機及參數

·切換偏差門限決定了UE計時的時刻。當目標小區(qū)的參考信號接收強度功率（RSRP）大于源小區(qū)的參考信號接收強度功率時，UE開始計時，準備進行測量結果上報。

·觸發(fā)定時門限決定了UE計時的長度。當UE計時長度大于觸發(fā)定時門限時，UE立刻向網絡上報測量結果。

·K系數決定了對接收信號強度的濾波系數。不同濾波系數影響了UE對真實信號強度的反應速度。

3 GPP標準組織在版本R9中引入了移動頑健性優(yōu)化（MRO），旨在通過調整上述的3個系數控制切換的時機，確保切換不會出現得太早或者太晚。切換太早，UE在切入的目標小區(qū)信號不穩(wěn)定，容易導致UE在目標小區(qū)掉話；切換太晚，源小區(qū)的信號強度或質量過度衰減，容易導致UE在源小區(qū)掉話。因此，選擇恰當的切換時機對于提高LTE切換性能具有重要作用，3GPP對MRO研究的大量工作都聚集在切換時機調整上，并提出了一系列復雜的算法和流程方案，增加了LTE網絡系統的復雜度。

當網絡發(fā)展成密集異構網絡時，大量小基站的加入使得UE切換難度進一步加大，控制切換時機也變得越來越困難，移動性問題的挑戰(zhàn)主要有以下幾個方面。

·隨著小基站密度的增加，切換次數顯著上升。如圖2所示，增加的切換次數是原有網絡設計無法想象的。

·切換難度顯著增加。由于小基站部署的高度很低，無線信道的傳播非常容易受周圍環(huán)境的影響，如一棵樹的遮擋就可以使該小基站的信號出現十幾個dB的陰影衰落，UE極易在移動很短的距離時就出現切換失敗的情況，這給MRO調整切換參數增加了困難。此時，切換過晚的情況將顯著增加。

·小基站的作用主要是提供覆蓋熱點，其覆蓋的用戶個數遠遠低于傳統宏基站，通常只有幾個用戶，因此單個用戶對小區(qū)資源的“占/空”極易導致小區(qū)負載復雜的變化，使其對周圍鄰區(qū)UE的干擾多變。傳統MRO對于切換時機的調整，無法跟上小區(qū)負載的快速變化，大大降低了密集小基站網絡下的UE切換性能。

圖2 單位時間切換次數

在新的密集小基站異構網絡下，傳統的LTE切換機制及優(yōu)化機制將遇到新的困難，切換性能難以保證，且基于傳統切換機制的有效算法復雜度很高，增加了LTE網絡的設計和維護難度，因此，本文設計了新的切換機制，從根本上保證了新網絡形態(tài)下的UE切換性能。

3 LTE異構網絡切換機制流程描述

3.1 現有3GPP的LTE切換機制

現有3GPP的LTE切換是UE和網絡多次配合完成的，如圖3所示，切換機制中各步驟的主要功能如下。

·源基站向UE發(fā)送測量控制消息，在該控制消息中，含有通知UE的相關切換控制參數，第2節(jié)所述的幾個切換參數都是在這一步由網絡通知UE的。

·UE持續(xù)進行切換測量，監(jiān)測本小區(qū)和鄰區(qū)的參考信號強度或者質量。當測量結果滿足切換參數控制的要求時，UE向源基站發(fā)送測量報告消息，其中攜帶該UE對本小區(qū)和鄰區(qū)的測量結果。

·源基站收到UE的切換測量報告后，立刻觸發(fā)該UE的切換，此時，源基站通過分析該UE的切換測量報告，選出最合適的切換目標小區(qū)，并找到目標小區(qū)所屬目標基站的地址。

·源基站向目標基站發(fā)送切換請求消息，請求目標小區(qū)能夠為即將到來的UE預留資源，提供相應的無線承載，該切換請求消息中攜帶UE承載的服務質量要求。

·目標小區(qū)根據收到的切換請求以及其中攜帶的服務質量要求，判斷是否能夠接納新的UE，如果自身資源條件允許，則向源基站返回切換的相應消息。

·源基站收到目標基站的切換接納信息，就立刻向該UE發(fā)送切換命令消息，通知UE可以切換到目標鄰區(qū)，在該切換命令中攜帶了UE進入目標鄰區(qū)所必須的初始資源信息。

·UE在收到切換命令后，使用該命令通知的資源接入目標鄰區(qū)，切換過程完成。

3.2 UE級切換機制

傳統切換機制的困難在于無法有效地控制切換時機，網絡狀況的變化使得源基站下發(fā)的切換測量參數很難達到最優(yōu)，從而可能導致切換失敗率增加[3]。

本文推薦的創(chuàng)新方案從根本上屏蔽了由網絡側決定切換時機導致的切換難以達到最優(yōu)這一難題。在網絡的配合下，UE直接感受網絡測量值的變化，觸發(fā)服務小區(qū)的改變，UE直接向目標基站發(fā)起請求，由目標基站向源基站請求配合本次切換，從而在機制設計上避免密集小基站下切換性能下降的問題，稱之為網絡配合的UE級切換，如圖4所示，具體說明如下。

·源基站向UE下發(fā)切換測量控制消息，消息內容與傳統方案類似，目的是通知UE在合適的時機開始切換。

·UE使用該測量控制消息進行網絡監(jiān)測，當滿足該測量控制要求時，UE并不直接向源基站請求切換，而是由UE自主決定發(fā)起切換，節(jié)省了寶貴的切換決策時延。切換的觸發(fā)是UE直接向目標小區(qū)發(fā)起小區(qū)更新請求，同時UE可以保持或不保持在源小區(qū)的連接。

·當目標小區(qū)收到UE的小區(qū)更新請求時，決策是否接納該UE。當目標小區(qū)缺乏UE上下文信息時，就無法獲知該UE的服務質量要求、加密信息等，需要向源小區(qū)發(fā)起上下文請求。

·源小區(qū)收到目標小區(qū)的上下文請求后，迅速向目標小區(qū)返回上下文響應。

·目標小區(qū)收到該響應消息后，判斷是否接納UE，并且通知UE在目標小區(qū)新分配的接入資源，切換流程完成。

圖3 現有的LTE切換機制流程

圖4 UE級切換機制流程

綜合以上分析可以看出，傳統切換機制中切換命令消息的傳遞非常耗時，由于經歷了多個切換命令之后，UE更加遠離源小區(qū)的覆蓋，其在源小區(qū)的信號質量很差，這時傳遞空口消息“切換命令”將非常困難，也非常耗時，因此UE在源小區(qū)的連接也很容易掉話。而本文的UE級切換機制中，UE允許脫離源小區(qū)后再根據自身的測量結果自主選擇合適的小區(qū)發(fā)起接入請求，并且之后的上下文請求和響應消息通過網絡接口傳遞，非常迅速，由于UE進入目標小區(qū)的覆蓋范圍，信號質量更好，因此最后一條空口消息“小區(qū)更新響應”非常容易傳遞。

4 仿真評估與結果分析

本文的切換機制性能仿真采用如圖5所示的標準密集城區(qū)LTE拓撲結構，19個LTE基站使用小區(qū)折疊布網，每個基站由3個宏小區(qū)構成，平均每個宏小區(qū)的覆蓋范圍有5個 小 基 站[4]。

圖5 異構網絡切換性能評估拓撲結構

4.1 仿真用例

在HetNet的研究中，為了使小基站能夠盡可能地卸載宏基站的負載，一般會采用CRE（cell range expansion，小區(qū)擴展）的方式進行UE的接入和服務。當小基站采用CRE方式時，宏基站中的UE會以更低門限Bias切入小基站，而小基站中的UE會以更高門限切入宏基站，一般在LTE下行控制信道能夠工作的前提下，Bias取值在6 dB以下。不同Bias也給宏基站和微基站之間的切換帶來了不同的挑戰(zhàn)[5]。本文的切換性能研究采用表1中的Bias配置。

仿真中使用的其他配置，見表2。

4.2 切換次數

在HetNet中，切換次數和切換成功率與切換類型息息相關，在本次仿真使用的網絡拓撲中，切換次數與Bias之間的關系如圖6所示。宏—宏的切換次數隨著Bias的增大而減小，因為小基站的有效覆蓋范圍增大，使很多宏—宏之間的切換轉變成宏—微之間的切換，因此宏—微切換次數和微—宏切換次數都隨著Bias的增加而增加[6]。同時，小基站覆蓋范圍變大也使得微—微之間的切換次數增加，但由于小基站的密度有限，微—微切換始終是系統中切換的極少數，只有在高密度小基站下，微—微切換性能才足夠重要。

表1 仿真用例

圖6 切換次數及分布

仿真結果還可以看出，不管是3GPP的傳統切換方式還是本文提出的UE切換方式，在各種場景下它們的切換次數都幾乎相同，極少的數量差異可以認為是仿真誤差，不具有統計意義。

4.3 切換失敗率

仿真結果顯示，本文提出的UE級切換方案顯著降低了UE切換失敗率。如圖7所示，隨著Bias的增加，宏—宏之間的切換情況并未有太大變化，但傳統3GPP切換方式的切換失敗率明顯高于本文的UE級切換方案，由于UE級切換方案中，UE在測到目標小區(qū)信號接收強度大于本小區(qū)一定門限后，立即由UE觸發(fā)向目標小區(qū)發(fā)起切換請求，最終由目標小區(qū)直接向UE發(fā)起消息，接納UE，由于網絡的響應消息由目標小區(qū)發(fā)送，而目標小區(qū)此時的信號質量遠好于源小區(qū)，因此發(fā)送的成功率就非常高[7]；而傳統方案中UE獲得測量信息后，需要繼續(xù)在源小區(qū)逗留較長時間后，再由源小區(qū)向UE發(fā)送切換命令，此時UE會更加遠離源小區(qū)，源小區(qū)的信號質量迅速下降，傳遞切換命令的可靠性也迅速下降，導致切換命令發(fā)送不成功而切換失敗。

圖7 宏—宏切換失敗率

在HetNet中，宏—微之間的切換失敗率隨著Bias的增加而減小，如圖8所示。原因是UE在由宏基站向微基站切換時，在源小區(qū)的UE信號質量變差，切換命令傳輸困難，而隨著Bias的增加，UE將提前從宏基站向微基站切換，此時在源宏小區(qū)的信號質量更好，切換失敗率反而降低。但當Bias為6 dB時，由于過早切入目標小區(qū)，此時目標小區(qū)的信號不穩(wěn)定，容易造成在目標小區(qū)的切換命令傳輸失敗，這一點也在UE級切換方式上得到體現[8]。在Bias較小的場景下，UE級切換方式幾乎沒有切換失敗，而Bias增大時，在目標小區(qū)出現了少量的切換失敗；但此時UE級切換方式的總失敗次數仍然遠小于傳統方式。

圖8 宏—微切換失敗率

微基站到宏基站的切換更能說明UE級切換方式的優(yōu)點，在傳統切換方式下，微—宏切換是失敗風險最高的一種切換類型（由于微—微切換的占比很低，本文不考慮微—微切換的情況），并且該類切換失敗率就隨著Bias的增加而顯著增加，如圖9所示；而在UE級切換方式下，切換失敗率一直保持在很低的水平，即便Bias為6 dB時，仍然表現出極強的切換頑健性。

圖9 微—宏切換失敗率

5 結束語

在HetNet場景下，傳統3GPP切換方式的切換性能很難得到保證，特別是在微基站到宏基站切換時，切換失敗率較高，并且該失敗風險隨著微基站CRE Bias的增大而顯著上升；本文提出的UE級切換方案，將切換過程中的重要命令由源小區(qū)轉移到目標小區(qū)，由于一般目標小區(qū)具有比源小區(qū)更強、更穩(wěn)定的信號質量，因此顯著降低了切換失敗率，提升了HetNet場景下的切換頑健性，同時，并未顯著增加切換次數。

此外，用戶面的中斷時延為切換過程中的另一重要指標，其顯著影響UE的感受，因此進一步研究兩種切換方式下切換UE的用戶面中斷時延指標，是未來的工作方向。

1 胡榮貽,彭木根,張洪巖等.LTE-Advanced系統中的移動頑健性優(yōu)化技術研究.電信科學,2013,29(5):84～89

2 祝煒凱,趙竹巖,康劍鋒等.基于實際城區(qū)場景的TD-LTE異構網絡性能研究.電信科學,2012,28(9):47～51

3 余翔,張麗,王蓉.LTE-A中異構網絡的切換分析.電訊技術,2014,54(1):89～96

4 3GPP TR 36.814.Further Advancements for E-UTRA Physicallayer Aspects(Release 9),2011

5 Triantafyllopoulou D,Passos N,Kaloxylos A,et al.Coordinated handover initiation and cross-layer adaptation formobile multimedia systems.IEEE Transactions on Multimedia,2009,11(6):1131～1139

6 3GPP TS 36.331.E-UTRA Radio Resource Control(RRC);Protocol Specification(Release 9),2010

7 Hui G,Legg P.Soft metric assisted mobility robustness optimization in LTE networks.Proceedings of International Symposium on Wireless Communication Systems,Paris,France,2012:1～5

8 BarberaS,Michaelsen P,Sily M,et al.Mobility performance of LTE co-channel deployment of macro and picocells.Proceedings of IEEE Wireless Communications and Networking Conference,Shanghai,China,2012:2863～2868