LTE－A系統(tǒng)中基于多目標(biāo)的CoMP切換算法研究

康桂華，周文波，齊 柏，黃銅娟

(河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州213022)

1 引言

無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要特性就是切換，切換的提出是為了解決用戶在移動(dòng)過程中維持業(yè)務(wù)的連續(xù)性問題，切換管理是移動(dòng)性管理的一項(xiàng)重要內(nèi)容。當(dāng)用戶在移動(dòng)過程中跨越小區(qū)邊緣或當(dāng)前通信鏈路的信號質(zhì)量變差時(shí)，切換將會(huì)被觸發(fā)并執(zhí)行［1］。

切換性能是無線移動(dòng)通信系統(tǒng)性能的重要評判指標(biāo)，有效的切換算法是實(shí)現(xiàn)用戶無處不在網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。在引入CoMP(Coordinated Multipoint Transmission and Reception)技術(shù)后，系統(tǒng)的切換場景發(fā)生了變化，原系統(tǒng)中的切換算法將不能滿足新場景的切換要求，因此設(shè)計(jì)一種適應(yīng)新場景的有效切換算法是一個(gè)亟待解決的問題［2］，由此根據(jù)CoMP中JP技術(shù)的特點(diǎn)提出了一種基于多目標(biāo)的CoMP切換算法。

2 CoMP技術(shù)原理

CoMP技術(shù)，即指處于多個(gè)地理位置相互獨(dú)立分散的傳輸節(jié)點(diǎn)，通過不同的協(xié)作方式消除或降低小區(qū)間的干擾，為用戶提供服務(wù)的技術(shù)［3］。按照傳輸方案的不同，CoMP技術(shù)可以分為兩大類:聯(lián)合處理JP(Joint Processing)技術(shù)和協(xié)作調(diào)度/波束賦形CS/CB(Coordinated Scheduling/Beamforming)技術(shù)［4］。

2.1 聯(lián)合處理技術(shù)

信息可以在每個(gè)CoMP協(xié)作集中共享，讓相鄰的多個(gè)小區(qū)為一個(gè)用戶發(fā)送數(shù)據(jù)并將小區(qū)間的干擾變?yōu)橛杏玫男盘?。協(xié)作小區(qū)不僅共享用戶的信道信息，而且共享用戶的數(shù)據(jù)信息，其模型見圖1，聯(lián)合處理技術(shù)又可以細(xì)分為聯(lián)合傳輸技術(shù)和動(dòng)態(tài)小區(qū)選擇技術(shù)［5］。

圖1 聯(lián)合處理技術(shù)

2.2 協(xié)作調(diào)度/波束賦形技術(shù)

通過小區(qū)間調(diào)度或者波束賦形去協(xié)調(diào)小區(qū)間干擾，盡量避免將相同的資源分配給干擾嚴(yán)重的兩用戶，協(xié)作小區(qū)中同時(shí)只有一個(gè)小區(qū)給一個(gè)用戶(UE)傳輸數(shù)據(jù)，協(xié)作小區(qū)間只共享用戶的信道信息，不共享用戶的數(shù)據(jù)信息［6］，其模型如圖2所示。

圖2 協(xié)作調(diào)度/波束賦形技術(shù)

3 切換

切換是指用戶正在進(jìn)行呼叫或者正在會(huì)話過程中從一個(gè)基站覆蓋范圍移動(dòng)到另一基站覆蓋范圍，或因?yàn)橥饨绲母蓴_而引起會(huì)話質(zhì)量下降，或由于一個(gè)基站覆蓋范圍內(nèi)用戶數(shù)目太多，沒有足夠時(shí)頻資源供給所有用戶傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，必須改變原有的通信鏈路而轉(zhuǎn)接到信道狀況更好的新通信鏈路上，以保持與網(wǎng)絡(luò)持續(xù)連接的過程［7］。

按新鏈路的建立順序不同，切換可以分為硬切換、軟切換、接力切換。硬切換是指用戶在與新基站建立連接之前先與舊基站斷開連接［8］;軟切換是指用戶在切斷與舊基站連接之前先建立與新基站的連接;接力切換指運(yùn)用準(zhǔn)確的定位技術(shù)，將用戶的方位和距離作為輔助信息來判斷UE是否移動(dòng)到了可切換區(qū)，如果UE進(jìn)入了可切換區(qū)，無線網(wǎng)絡(luò)控制器便告知可切換區(qū)基站做好切換準(zhǔn)備并最終完成切換。

由于LTE－A系統(tǒng)中采用的是硬切換［9］，而在CoMP時(shí)需要為具有多個(gè)數(shù)據(jù)傳輸點(diǎn)的邊緣用戶設(shè)計(jì)一種新型切換算法，于是便提出了基于多目標(biāo)的CoMP新切換算法。

4 傳統(tǒng)A3切換算法和基于多目標(biāo)的CoMP切換算法

4.1 傳統(tǒng)A3切換算法

傳統(tǒng)A3切換算法(簡稱傳統(tǒng)切換算法)是指LTE系統(tǒng)中以A3事件作為切換觸發(fā)條件的算法。傳統(tǒng)切換算法只要目標(biāo)小區(qū)的信號強(qiáng)度超過服務(wù)小區(qū)信號強(qiáng)度某一門限值并持續(xù)一段時(shí)間就進(jìn)行切換，使用戶從服務(wù)小區(qū)切換到目標(biāo)小區(qū)［10］。

4.2 基于多目標(biāo)的CoMP切換算法

基于多目標(biāo)的CoMP切換算法包含四個(gè)單元:服務(wù)小區(qū)、CoMP測量集、CoMP協(xié)作集、CoMP傳輸集。切換的決定權(quán)在服務(wù)小區(qū)，服務(wù)小區(qū)同時(shí)維持每個(gè)用戶(UE)與網(wǎng)絡(luò)的連接，任何時(shí)候一個(gè)UE只能與一個(gè)服務(wù)小區(qū)保持連接。測量集是UE進(jìn)行周期性的信道信息(包括參考信號接收功率、參考信號接收質(zhì)量、傳播時(shí)延等)測量的小區(qū)集合。CoMP協(xié)作集是直接或間接參與PDSCH(物理下行共享信道)信息傳輸?shù)膮f(xié)作小區(qū)集合。CoMP傳輸集是將數(shù)據(jù)信息直接傳輸給UE的小區(qū)集合。

基于多目標(biāo)的CoMP切換算法包括6個(gè)參量:HOM(切換遲滯門限)、TTT(觸發(fā)時(shí)長)、測量周期、RB(資源塊)利用率、RSRP(參考信號接收功率)、RSRQ(參考信號接收質(zhì)量)。HOM是目標(biāo)小區(qū)與服務(wù)小區(qū)的RSRP差值門限，TTT是目標(biāo)小區(qū)與服務(wù)小區(qū)RSRP差值大于HOM的持續(xù)時(shí)間，測量周期是周期性檢測切換條件的時(shí)間，切換只有在同時(shí)滿足HOM和TTT的條件下才能被執(zhí)行，以防止“乒乓效應(yīng)”產(chǎn)生，導(dǎo)致用戶在兩個(gè)小區(qū)間來回切換，對系統(tǒng)性能和用戶體驗(yàn)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

RB利用率是小區(qū)內(nèi)被占用的資源塊數(shù)與小區(qū)內(nèi)總資源塊數(shù)的比值，它描述了在時(shí)間t內(nèi)小區(qū)的負(fù)載情況，其表達(dá)式如下:

式(1)中PRBusedc(t)就是小區(qū)C在時(shí)間t內(nèi)的RB利用率，RBusedc(t)表示小區(qū)C在時(shí)間t內(nèi)被占用的RB數(shù)，RBtotalc(t)表示小區(qū)C在時(shí)間t內(nèi)可用的RB總數(shù)目。高的RB利用率顯示該小區(qū)處于高負(fù)載狀態(tài)，用戶如果切換到高負(fù)載的小區(qū)上，不僅會(huì)影響到小區(qū)原服務(wù)用戶的服務(wù)質(zhì)量，而且對該用戶的服務(wù)質(zhì)量也會(huì)產(chǎn)生很大的負(fù)面影響，引起切換失敗或一些不必要的切換。顯然切換的目標(biāo)小區(qū)應(yīng)該要滿足低負(fù)載、低RB利用率的要求。

RSRP是衡量小區(qū)無線信號強(qiáng)度的重要參數(shù)，RSRQ是表征小區(qū)信號質(zhì)量好壞的關(guān)鍵參數(shù)，兩者之間的關(guān)系為:RSRQ=N×RSRP/RSSI，其中N是系數(shù)，RSSI是某個(gè)符號內(nèi)接收到的所有信號的功率平均值，包括導(dǎo)頻信號、數(shù)據(jù)信號和小區(qū)間干擾信號等。在切換時(shí)應(yīng)綜合考慮RSRP與RSRQ，如果僅考慮RSRP，即使信號強(qiáng)度較大，但不能保證信號質(zhì)量好、干擾小，而小區(qū)信號質(zhì)量不好會(huì)引起用戶在小區(qū)之間來回切換;如果僅考慮RSRQ，雖然能夠避免用戶在小區(qū)之間來回切換，但如果RSRP較小，即信號強(qiáng)度小，會(huì)引起掉話，所以切換時(shí)將RSRP與RSRQ進(jìn)行綜合考慮是合理的?；诙嗄繕?biāo)的CoMP切換算法具體實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 基于多目標(biāo)的CoMP切換算法流程圖

當(dāng)UE與服務(wù)小區(qū)(CoMP傳輸集中RSRP最大的小區(qū)或由原服務(wù)小區(qū)指定的新服務(wù)小區(qū))連接后，基于多目標(biāo)的CoMP切換算法開始進(jìn)行小區(qū)選擇或重新選擇。UE在連接的服務(wù)小區(qū)(所屬eNodeB)測量命令指示下對測量集中的小區(qū)信道信息進(jìn)行測量，并將測量結(jié)果反饋給服務(wù)小區(qū)，與此同時(shí)服務(wù)小區(qū)通過X2接口獲取測量集中各小區(qū)的負(fù)載信息(主要考慮RB利用率)。首先服務(wù)小區(qū)根據(jù)獲取的RB利用率的信息按大小順序進(jìn)行升序排列，從中選取前N=5個(gè)小區(qū)作為CoMP協(xié)作集。然后服務(wù)小區(qū)綜合考慮CoMP協(xié)作集中各小區(qū)的RSRP和RSRQ值選取CoMP傳輸集。具體操作如下:將CoMP協(xié)作集各小區(qū)RSRP和RSRQ的綜合值進(jìn)行降序排列，服務(wù)小區(qū)選取前M=3個(gè)小區(qū)作為CoMP傳輸集。選取傳輸集中RSRP最大的小區(qū)作為目標(biāo)小區(qū)，判斷該小區(qū)在整個(gè)TTT內(nèi)是否滿足公式(2)，若滿足將觸發(fā)切換，服務(wù)小區(qū)要求原CoMP傳輸集內(nèi)所有小區(qū)取消當(dāng)前的數(shù)據(jù)傳輸，并向UE發(fā)送切換命令，指示UE切換到目標(biāo)小區(qū)即新的服務(wù)小區(qū)，UE斷開與原服務(wù)小區(qū)的連接，然后與新服務(wù)小區(qū)保持連接;若不滿足公式(2)，CoMP傳輸集開始向UE傳輸數(shù)據(jù)，直到下一個(gè)測量周期過期。

式(2)中RSRPt為CoMP傳輸集中RSRP最大的小區(qū)即目標(biāo)小區(qū)RSRP的值，RSRPs是服務(wù)小區(qū)RSRP的值。該算法通過CoMP協(xié)作集和CoMP傳輸集的兩重優(yōu)選，先后考慮了小區(qū) RB利用率、RSRP、RSRQ多目標(biāo)參量，確保最終切換后的小區(qū)既有較小的負(fù)載，又有較強(qiáng)的信號強(qiáng)度和較好的信號質(zhì)量。

5 仿真實(shí)驗(yàn)和分析

仿真場景選取7小區(qū)模型，并采用Wrap Round技術(shù)，假定用戶均勻分布，用戶只做勻速直線運(yùn)動(dòng)，但起始運(yùn)動(dòng)方向是隨機(jī)的，速率都為160Km/h，基站和UE的接收天線和發(fā)射天線數(shù)都為2，CoMP協(xié)作集和CoMP傳輸集內(nèi)小區(qū)數(shù)目分別為5和3，系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

采用基于多目標(biāo)的CoMP切換算法與傳統(tǒng)切換算法得到的系統(tǒng)吞吐量仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)吞吐量比較

從圖4可以看出，基于多目標(biāo)的CoMP切換算法與傳統(tǒng)切換算法相比，前者能明顯提升系統(tǒng)吞吐量，這是因?yàn)榛诙嗄繕?biāo)的CoMP切換算法中，用戶切換到的目標(biāo)小區(qū)不僅具有較低的負(fù)載，更具有較強(qiáng)的信號強(qiáng)度及較好的信號質(zhì)量，而傳統(tǒng)切換算法只能保證目標(biāo)小區(qū)具有較強(qiáng)的信號強(qiáng)度。同時(shí)，用戶在CoMP條件下，能夠確保3個(gè)協(xié)作小區(qū)同時(shí)為用戶傳輸數(shù)據(jù)。綜合上述原因，相對于傳統(tǒng)切換算法，基于多目標(biāo)的CoMP切換算法能夠提高系統(tǒng)吞吐量。

圖5分別給出了基于多目標(biāo)的CoMP切換算法和傳統(tǒng)切換算法的切換次數(shù)仿真結(jié)果。

圖5 系統(tǒng)切換次數(shù)比較

從圖5中可看出隨著UE數(shù)的增加，兩種切換算法總切換次數(shù)的變化情況。在用戶數(shù)相同的條件下，基于多目標(biāo)CoMP切換算法的切換總次數(shù)要少于傳統(tǒng)切換算法。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)切換算法只要RSRP符合條件就進(jìn)行切換，而基于多目標(biāo)的CoMP切換算法必須在RSRP、RSRQ、RB利用率同時(shí)滿足條件的情況下才進(jìn)行切換，這樣能減少許多不必要的切換。

6 結(jié)束語

綜上所述，根據(jù)CoMP的聯(lián)合處理(JP)技術(shù)特點(diǎn)提出的多目標(biāo)CoMP切換算法，與傳統(tǒng)切換算法相比，能提高系統(tǒng)的吞吐量，改善小區(qū)邊緣用戶的傳輸性能。同時(shí)還能減少系統(tǒng)的切換總次數(shù)，避免了系統(tǒng)很多不必要的切換，提高了用戶的體驗(yàn)質(zhì)量。

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