LTE系統中宏小區與femtocell的切換方法

摘要：3GPP LTE （長期演進）系統中部署大量femtocell后，在宏小區與femtocell之間將會存在不必要的頻繁切換，針對這些不必要的切換，提出一種自適應切換方法。根據用戶的位置及切換請求將用戶分為四類，對前兩種類型用戶進行自適應功率控制，第三種類型用戶以CAC （呼叫允許控制）算法為基礎，自適應選擇HOM （切換閾值），進行不同HOM的CAC切換，第四種類型用戶進行簡單的標準切換即可。通過與CAC算法和標準切換算法進行仿真對比，仿真結果表明，該算法明顯降低了掉話率，減少了不必要的切換，提高了用戶的平均吞吐量。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/247461.htm

關鍵詞：femtocell；自適應；切換；CAC算法；功率調整

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.5.007

蘇寒松，男，教授，博士，主要研究方向為無線通信、光通信、移動通信、光纖傳感；錢鑫，男，碩士生，主要研究方向為無線通信；朱士兵，男，碩士生，主要研究方向為無線通信；劉高華，女，碩士生，主要研究方向為無線通信。

引言

在3 G P P LT E （L o n g Te r m Evolution， 長期演進）系統中，不斷增加的高速數據業務需求以及不斷上漲的用戶數量，給宏基站帶來與日俱增的負擔和挑戰。又因為LTE系統工作在高頻段，傳播損耗和墻壁穿透損耗都較大，導致室內信號覆蓋相對較差。根據日本NTT DoCoMo的調查表明，在宏小區中，超過2/3的數據業務和語音業務發生在室內場所[1]，因此室內覆蓋問題成為當前無線移動通信亟待解決的關鍵問題。為了緩解宏基站的負載及解決室內覆蓋問題， femtocell（家庭基站）技術應運而生，給運營商們提供了一個新的平臺。

LTE系統中大量部署femtocell，由于femtcoell的安裝和用戶位置的隨意性，導致宏小區與femtocell之間的頻繁切換問題尤為突出，成為亟待解決的技術挑戰。

針對切換問題，許多相應的切換方案被提出。文獻[2]提出一種經典的CAC （Call Admission Control，呼叫允許控制）算法，考慮了接收信號強度和SINR （signal to interference plus noise ratio，信干噪比） ，有效降低了不必要切換的次數和概率。文獻[3]提出了一種考慮用戶速度和SQ（Speed and Qos，服務質量）算法。將用戶速度分為高速（>30km/h）、中速（15～30km/h）和低速（<15km/h）3個級別，并分情況執行切換。本文根據用戶的位置和切換請求將用戶進行分類，對不同類型用戶進行不同處理，從而降低掉話率和減少不必要切換，提高吞吐量。

1 切換過程

3GPP TS36.300[4]協議中已經詳細定義了宏基站之間切換的過程及信令流程，但femtocell與宏小區之間的信令流程還沒正式定義，圖1為目前研究比較認可的宏小區向femtocell切換信令流程[5]。其中各步驟簡要介紹如下：1） 服務宏基站配置并觸發用戶進行測量，通過發送測量控制消息通知用戶需要測量的參數；2） 用戶將測量報告發送給服務宏基站；3） 服務宏基站根據測量報告做出切換判決；4） 服務宏基站向MME （mobility management entity， 移動管理實體）發送切換請求， MME再通過FGW （femtocell gate way， femtocell網關）將切換請求發給femtocell；5） 目標femtocell根據服務質量信息、CSG （closed subscriber group， 封閉用戶組）鑒權信息等進行接入控制處理；6） 如果接納該用戶的請求，則發送切換響應給FGW，再經過MME發送到服務宏基站；7）服務宏基站向用戶發送RRC（Radio Resource Control，無線資源控制）切換信令；8） 用戶執行切換，與原來的服務基站斷開連接，與目標femtocell建立同步并接入，服務宏基站向目標femtocell發送與該用戶相關的緩沖和傳輸包；9） 切換確認消息成功執行后，目標femtocell會向MME發送路徑轉換請求， MME再向S-GW（server gate way， 服務網關）發送用戶面更新請求，S-GW轉換下行路徑信息，向MME發送用戶面更新請求響應消息，再由MME向目標femtocell發送路徑轉換請求確認消息；10） 目標 femtocell收到路徑轉換確認消息后，通過FGW、MME向服務宏基站發送釋放資源響應；11） 服務宏基站釋放相關無線控制資源后，目標femtocell就可以傳輸下行包數據，為用戶提供服務。

2 切換算法

2.3 自適應切換算法

結合現有切換算法的優點，從全局網絡出發，以CAC算法作為切換的基本方法，提出一種自適應切換方法，在CAC算法的基礎上加入了自適應切換閾值，即根據目標負載及CSG列表信息選擇不同的切換閾值；考慮到宏基站和femtocell間的下行干擾，通過femtocell的自適應功率調整降低干擾，減少不必要切換次數，降低掉話率。

自適應切換方法流程如圖4所示，其中I型用戶功率調整如圖5所示，II型用戶功率調整如圖6所示。在功率調整中，用事件A表示用戶需發起不必要切換事件，用事件B表示用戶發生掉話，在3GPP TS25.133[7]協議中規定，保證用戶正常通信的SINR的最低門限值為-20dB，低于此值則用戶會發生掉話。

自適應切換方法詳細流程如下。

首先根據用戶位置及切換請求將用戶分為四類：I型用戶，位于femtocell內，由femtocell提供服務的授權用戶；II型用戶，位于femtocell附近且相隔一定的距離，由宏基站提供服務的用戶；III型用戶，向femtocell發起切換請求且需要切換，由宏基站提供服務的用戶，與II型用戶有一定的區別；IV型用戶，位于femtocell邊緣內部，需發起切出femtocell的用戶。對四類用戶進行以下不同的處理。

a）如果是I型用戶，則進行I型用戶功率調整，如圖4所示；

b）如果是II型用戶，則進行II型用戶功率調整，如圖5所示；

c）如果是III型用戶，首先判斷用戶是否是授權的用戶，如果是，則降低觸發機制，選擇較小的HOM進行CAC切換；如果不是，則判斷femtocell內服務的用戶個數是否低于femtocell的最大負載門限值N，如果低于N，則適當降低HOM（此HOM比前述HOM要高），降低切換難度，這樣可以有效利用資源，提升用戶服務質量，如果高于N，則適當提高HOM（此HOM在三者中最高），增加切換難度，這樣可以保證授權用戶的優先權及服務質量；

d）如果是IV型用戶，采用標準切換即可。

圖5中I型用戶功率調整流程如下。

由于用戶信號強度較弱，用戶發生掉話或femtocell會向宏基站發起切換請求，首先判斷用戶發起事件，對不同事件進行不同處理：

a）如果為用戶發起事件A，則說明用戶受宏基站干擾較大，應當增大femtocell的發射功率，使用戶達到較好的信號強度；如果femtocell已到達最大發射功率而用戶仍需要發起切換請求，則將用戶按要求切換到信號較強的宏基站。

b）如果為用戶發起事件B，則說明用戶信號已不能維持正常通信，則盡量增大femtocell發射功率，使用戶達到能夠正常通信但仍需發起不必要切換請求，然后按事件A進行處理；如果femtocell已到達最大發射功率而用戶仍需發起切換請求切換或掉話，則將用戶按要求切換到信號較強的宏基站。

圖6中II型用戶功率調整流程如下。

由于femtocell的干擾信號較強，用戶發生掉話或femtocell會收到來自宏基站的切換請求，首先判斷用戶發起事件，對不同事件進行不同處理。

a）如果為用戶發起事件A，在考慮與自身服務用戶信號強度平衡的條件下，降低femtocell的發射功率，降低對宏用戶的干擾；如果femtocell已達較小發射功率而仍有切換請求，則將宏用戶切入到信號較強的目標femtocell。

b）如果為用戶發起事件B，宏用戶由于信號較差而發生掉話，所以降低femtocell的發射功率，盡量使用戶恢復正常通信但仍有切換請求；如果femtocell已達相對較小功率而宏用戶仍需發起請求切換或掉話，則將宏用戶切入到信號較強的目標femtocell。

3 仿真結果分析

本文采用Matlab對LTE系統進行系統級仿真，宏基站采用傳統的蜂窩小區覆蓋，采用環數為1的7基站三扇區結構，即中間一個基站，周圍環繞6個基站。在7基站內設定仿真的ROI（Region of Interest， 有用區域），根據用戶總數比例在每個扇區隨機撒入宏用戶，如果用戶超出ROI，則重新隨機分配用戶位置[8]。femtocell采用簡單的單個隨機部署，初始化功率100mW，即20dBm，覆蓋半徑20米，每個femtocell初始化接入四個用戶，具體參數如表1所示。

對標準切換算法、CAC切換算法、本文所提方法分別進行仿真驗證，并對仿真結果進行統計對比，結果如圖7、圖8所示。

圖7為三種算法在4個階段內的掉話率直方圖，其中掉話率是掉話次數與切換次數的比值，每500個TTI統計一次掉話率。從直方圖分布可以看出，標準切換算法中，各階段的掉話率基本相同，變化不大；CAC算法中，掉話率在各階段雖然都比標準切換算法低，但是各階段也同樣沒有明顯變化；而采用本文提出的算法時，隨著仿真的進行，HOM的值會根據當前femtocell小區內的負載進行動態的調整，femtocell的發送功率也為達到最適合的覆蓋而做動態的調整，因此掉話率有逐漸降低的趨勢。并且從圖中也可以看出，本文提出的算法的總體掉話率也明顯比其他兩種算法低。

4 結束語

本文針對宏小區與femtocell之間的不必要的頻繁切換提出了自適應切換方法，所提出的自適應方法既包括自適應功率調整，也包括自適應選擇HOM。與標準切換算法和CAC算法相比，由于自適應切換方法動態地調整HOM和femtocell的發射功率，因此掉話率隨著仿真時間增加有降低的趨勢，并且提高了用戶平均吞吐量。

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