LTE-Advanced中繼系統切換優化算法

朱國暉, 向 珍

(西安郵電大學 通信與信息工程學院， 陜西 西安 710121)

LTE-Advanced中繼系統切換優化算法

朱國暉, 向 珍

(西安郵電大學 通信與信息工程學院， 陜西 西安 710121)

為了提高LTE-Advanced中繼系統的切換性能，提出一種能夠提高系統性能的切換優化算法。在切換測量階段加入測量平均窗口，減小多徑效應對接收信號的影響，并考慮用戶移動速度對切換測量和切換執行時間的影響；在切換實施階段，結合LTE-Advanced中繼系統中引入的載波聚合技術，采用改進的邊緣共享中繼方案。經仿真表明，該算法可減少乒乓效應及平均掉話率，簡化切換信令流程，降低切換中斷時間，提高邊緣用戶吞吐量。

協作通信；用戶速度；共享中繼

在移動通信系統中，切換是移動性管理的一部分。切換算法機制的研究主要集中在四個方面：切換測量控制、切換目標站點的選擇、切換執行時間以及切換實施過程。對切換測量控制的研究，主要是基于接收信號強度，例如基于用戶運動機制計算接收信號強度的權重[1]，考慮到用戶運動方向和運動速度對測量信號的影響，但卻忽略了多徑效應對接收信號的影響。對于切換目標站點的選擇的研究主要是多目標的選擇算法，例如基于信號強度和負載的多目標站點選擇算法[2]。切換執行時間的研究主要是解決在什么時候發起切換時最合適的，例如根據終端移動速度的不同，可動態地調整基于參考信號接收功率(Reference Signal Receiving Power, RSRP)測量的滯后容限[3]。切換實施過程的研究主要是盡最大可能減少切換信令的開銷，提高系統吞吐量，例如基于輔助載波的協作切換算法[4]，雖采用高頻切換，低頻輔助，以降低切換中斷概率并提高系統吞吐量，但卻未能減少切換信令，再如共享中繼切換算法[5]，減少了中繼數量，從而能減少信令開銷及切換中斷時間，但卻未能達到進一步提高邊緣用戶吞吐量的目的。

LTE-Advanced系統中由于中繼的引入使得切換場景更加復雜，如何提高切換成功率，簡化切換信令流程，提升用戶吞吐量是目前切換算法研究的三個主要方面。本文將綜合考慮這三個方面，引入測量平均窗口，以獲得更準確的測量結果，同時考慮用戶移動速度對切換的影響，以提高切換成功率，并借鑒文獻[4-5]的優點，在減化切換信令流程的同時,進一步提高邊緣用戶的吞吐量。

1 優化算法

從切換測量控制、切換執行時間以及切換實施過程三方面對現有切換算法進行優化并考慮用戶移動速度對切換的影響。

1.1 切換測量控制

無線信號在傳輸時，由于移動信道的影響，接收信號的強度可能存在偏差，對一定時間內的接收信號進行平均，可以獲得比較可靠的測量結果。現采用矩形測量窗口，用戶接收到來自基站的平均信號電平為

其中a(d)表示用戶接收到的基站信號強度，dav表示測量窗口長度，單位m，根據用戶移動速度的不同，選取測量窗口長度。將用戶移動速度分為高低兩種，當移動速度較快測量窗口長度可以略短以防止掉話發生。當移動速度較低，測量窗口長度可以略長，以避免乒乓效應。

1.2 切換執行時間

在基于RSRP測量的切換算法中，當測量配置下發后，用戶測量主小區和目標小區的RSRP，隨著用戶往小區邊緣移動，主小區的RSRP不斷減小，目標小區的RSRP不斷增大，當兩者的差值達到切換滯后差值(Hysteresis Offset Margin, HOM)時，定時器開啟，達到觸發時間(Time To Trigger, TTT)后，用戶發送測量報告給基站，基站決策是否執行切換[6],如圖1所示。

圖1 基于RSRP測量的切換算法

根據用戶移動速度的不同，選擇適當的HOM，在適當的時間觸發切換可以提高切換的成功率。當移動速度較快時，減小HOM以防止掉話發生。當移動速度較低，增大HOM 減少切換次數，降低乒乓效應的發生。

1.3 切換實施過程

在LTE-Advanced系統中，為了增強網絡的覆蓋能力，采用中繼技術來擴大小區覆蓋面積；為獲得更高頻譜效率和吞吐量，引入了載波聚合、多用戶多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)、多點協同傳輸等新技術[7]。LTE-Advanced的部署頻段為450～470 MHz、698～862 MHz、790～862 MHz、2.3～2.4 GHz、3.4～4.2 GHz、4.40～4.99 GHz等，高頻載波資源相對較多，且抗干擾能力強，低頻載波傳播范圍更廣。基于LTE-Advanced中繼系統的新技術及頻段資源，結合邊緣共享中繼[5]和的高低頻協作通信[4]，給出改進的邊緣共享中繼方案。

在中繼部署上，采用邊緣共享中繼方案，兩個相鄰基站共享同一個中繼，為了避免干擾，中繼使用不同的頻率為兩基站的用戶提供服務。對于基站周圍的用戶，采用基站-用戶一條鏈路為用戶服務；對于邊緣用戶，文獻[5]只用了基站-中繼-用戶一條鏈路，現利用協作通信技術，采用基站-用戶和基站-中繼-用戶兩條鏈路為用戶服務。采用與原有中繼方案相比，減少切換時使用的中繼數量，從而簡化了切換信令流程；在原有中繼方案中，在切換時，用戶必須先斷開源小區中繼，然后再與目標小區中繼建立連接，在邊緣共享中繼方案中，中繼和用戶間鏈路的始終相連，從而降低了切換中斷時間；由于中繼的位置更加靠近小區邊緣，增強小區邊緣的覆蓋能力，采用兩條鏈路為邊緣用戶服務，提高了邊緣用戶的吞吐量。圖2為邊緣共享中繼方案的切換場景。

圖2 邊緣共享中繼方案的切換場景

在通信方式上，采用高低頻載波輔助切換方式，充分運用高低頻載波的特性。基站到用戶間直連鏈路的距離較遠，采用低頻載波傳輸；基站到共享中繼間回程鏈路的距離，比原有共享中繼方案中回程鏈路的距離遠，為了提高基站到共享中繼間信號質量，同樣采用低頻載波傳輸信號；中繼到用戶間的接入鏈路，由于距離較近，采用高頻載波傳輸信號。在切換前，基站-用戶和基站-中繼-用戶兩條鏈路同時為用戶服務，用戶收到兩條鏈路的信號后通過載波聚合技術處理信號(這里用不同頻帶內的載波聚合技術)，將高低頻載波聚合成大帶寬載波[8]。在用戶切換時，共享中繼改變高頻載波頻率后(即對于目標小區，用戶和共享中繼的接入鏈路已建立)，再斷開原基站-用戶間低頻直連鏈路，然后用戶和目標基站間實現同步，建立目標基站-用戶間低頻直連鏈路。改進后的邊緣共享中繼方案的切換場景如圖3所示。通過這種切換方案，可減少切換信令流程，降低切換中斷時間，進一步提高邊緣用戶的吞吐量。

圖3 改進后的邊緣共享中繼方案的切換場景

結合圖3的切換場景，具體的切換流程如圖4所示。

圖4 改進后的切換信令流程

為了保證控制信令的可靠傳輸，除了用戶設備(User Equipment, UE)與目標eNodeB間的上行接入信令用直連鏈路外(為了縮短UE上行同步的時間)，其余都用eNodeB-共享中繼節點(Relay Node, RN)-UE鏈路傳輸，具體過程如下。

步驟1 UE對與源eNodeB間的低頻載波信號進行測量，如果低頻載波滿足持續通信的條件，則執行步驟2，若不滿足則執行步驟3。

步驟2 UE對與RN間的高頻載波信號進行測量，如果滿足持續通信的條件，就轉回步驟1，如果滿足切換條件就執行步驟3。

步驟3 UE發送測量報告給源eNodeB，源eNodeB接收到測量報告后，決策是否發起切換，決定切換后，使用低頻載波向目標eNodeB發送切換請求。

步驟4 目標eNodeB決定切換后，使用低頻載波，通過源eNodeB向UE和共享RN發送切換命令。

步驟5 共享RN收到切換命令后，將高頻載波頻率從f1改為f2，并繼續與UE通信，共享RN將未傳輸完的數據都傳給UE，UE也將未傳輸完的數據都傳給共享RN，共享RN緩存收到的數據，等待UE與目標eNodeB實現同步。這一步可實現中繼與用戶間數據的不間斷傳輸，降低切換時間。

步驟6 UE在收到共享RN傳來的載頻為f2的數據后，斷開與源eNodeB間的低頻直連鏈路，通過低頻直連鏈路實現與目標eNodeB的同步。

步驟7 目標eNodeB請求移動管理實體(Mobility Management Entity, MME)進行路徑切換，源eNodeB停止數據轉發并釋放資源。

2 仿真及結果分析

針對用戶在高低兩種移動速度下，選取不同測量平均窗口長度及切換滯后差值，對切換次數及切換平均掉話的影響進行仿真。

每個基站使用三個120°的定向天線，分成三個小區，RN使用全向天線。UE的移動速度，高速取為50 km/h，低速取為5 km/h。UE沿直線方向從一個小區移動到另一個小區。表1為各項仿真參數。

表1 仿真參數

UE低速移動時，從圖5和6可以看出，隨著切換滯后差值(HOM)的增大，平均切換次數不斷減小；隨著測量窗口長度的增大，平均切換次數也不斷減小。平均切換次數的減小，即降低了乒乓效應的發生。因此在UE低速移動時，應適當增大HOM和測量窗口長度。

圖5 不同HOM對切換次數的影響

圖6 不同測量窗口長度對切換次數的影響

UE高速移動時，從圖7和8可以看出，隨著HOM的增大，平均掉話率不斷上升，最后接近于0；隨著測量窗口長度增大，平均掉話率也不斷上升。平均掉話率越大，通信質量越差。因此在UE高速移動時，應適當減小HOM和測量窗口長度。

圖7 不同HOM對平均掉話率的影響

圖8 不同測量窗口長度對平均掉話率的影響

邊緣用戶的累計分布函數(Cumulative Distribution Function，CDF)曲線如圖9所示。

(a) 情形1

(b) 情形3

仿真場景可以分為城區和郊區環境，分別對應3GPP定義的情形1和情形3。仿真時，UE以3 km/h的速度沿直線從一個小區移動到另一個小區。從圖9可以看出，與原中繼方案相比，邊緣共享中繼方案在一定程度上提高了邊緣用戶的吞吐量，這是因為，共享中繼的部署位置更靠近小區邊緣，因此在同等覆蓋能力下，邊緣用戶接收到信號質量更強，同時中繼數量減少，使得用戶受到的噪聲干擾降低，從而改善了邊緣用戶的通信質量，提高了吞吐量。與邊緣共享中繼方案相比，改進后的邊緣共享中繼方案大幅度的提升了邊緣用戶的吞吐量。這是因為在新方案中采用了基站-中繼-用戶和基站-用戶兩條鏈路為邊緣用戶通信，并且引入了載波聚合技術及利用高低頻載波的特性，很好的增大了邊緣用戶的接受信號強度，同時提高了小區邊緣的吞吐量。

3 結束語

提出一種LTE-Advanced中繼系統切換優化算法，從切換測量控制、切換執行時間、切換實施過程三方面入手，考慮用戶移動速度，結合LTE-Advanced系統特有的載波聚合技術、協作通信技術，以及利用高低頻載波的特性，達到了減少乒乓效應、降低平均掉話率、提高邊緣用戶吞吐量和減少切換信令流程的目的。對于LTE-Advanced系統，中繼的引入將使得切換環境更加復雜，因此可考慮進一步加強對中繼系統的研究，使其在提高系統覆蓋能力的同時，實現切換優化。

[1] 孫巍巍.3GPP LTE系統中結合位置預測的切換算法[D].天津:天津大學，2012:40-44.

[2] 王力. LTE-Advanced系統中切換算法和節能算法研究[D].西安:西安電子科技大學，2011:33-35.

[3] 張博. LTE切換優化方法的研究概述[D].重慶:重慶郵電大學，2013:54-56.

[4] 何煒揚.LTE-Advanced中繼系統切換機制的研究[D].西安：西安郵電大學，2014:33-39.

[5] 王宗文.面向IMT-Advanced切換問題研究:邊緣共享中繼方案[D]，北京:北京郵電大學，2010:36-38.

[6] 張普.LTE系統中切換算法研究[J].西安郵電學院學報，2010,15(3):3-4.

[7] 郭會茹，盧光躍，孫長印.協作多點傳輸技術原理及仿真分析[J].西安郵電學院學報，2011,16(4):5-8.

[8] 曹恒，張欣.LTE-Advanced系統中的多載波聚合技術[J].現代電信科技，2009,2(2):48-49.

[責任編輯:王輝]

Handover optimization algorithm in LTE-Advanced relay system

ZHU Guohui, XIANG Zhen

(School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Posts and Telecommunications, xi’an 710121, China)

To improve the performance of the handover in LTE-Advanced relay system, a corresponding optimal handover algorithm is proposed. In handover measurement phase, the average measure window is used to reduce the effect of the multipath effect on the

signal, and the effect of user speed on handover measurement phase and handover execution phase is also considered. In handover implement phase, an improved edge sharing relay scheme is adopted by combineing carrier aggregation and relay in LTE-Advanced system. Simulation results show that the optimization algorithm can reduce Ping-pong effect and the average rate of dropped calls, simplify the handover signaling processes, reduce handover interruption time , and improve edge user throughput.

collaborative communication, user speed, sharing relay

10.13682/j.issn.2095-6533.2014.06.009

2014-07-04

陜西省教育廳科學研究計劃資助項目(07JK377)

朱國暉(1969-)，男，博士，教授，從事移動互聯網研究。E-mail: zhgh@xupt.edu.cn 向珍(1989-)，女，碩士研究生，研究方向為移動互聯網。E-mail:971213236@qq.com

TN929.53

A

2095-6533(2014)06-0048-05