5G 通信雙連接下低時延輔助移動基站切換優化

楊世康 李俊杰

（凱里學院 大數據工程學院，貴州 凱里556011）

國內基站切換技術也較為成熟，將基站和用戶作為轉發節點，使基站之間的鏈路質量大于閡值條件，對基站終端進行移動性管理，無差別選擇終端的基站鏈路，同時考慮基站的鏈路質量和雙鏈路的特性，在中繼通信的過程中，使用non-3GPP 參與到中繼通信過程，明確定義non-3GPP 的鏈路切換標準，在終端選擇合適的通信模式，使終端設備超密集分布，通過近距離位置關系的轉換，實現通信切換[1]。在以上理論的基礎上，提出5G 通信雙連接下，低時延輔助移動基站切換的優化方法。

1 5G 通信雙連接下低時延輔助移動基站切換優化方法

1.1 提供待切換基站列表

對5G 通信雙連接網絡進行抽象處理，分布式控制移動基站的通信鏈路，提供可供切換的基站列表。首先將5G 通信網絡抽象化為基站、用戶、網關及中繼節點，利用用戶終端所連接的輔助基站，執行切換管理，避免中央控制節點做出切換裁決，使基站間接口與相鄰基站交互，從而通過基站的信息和信令[2]。再利用RTTM機制的實時業務度量，得到基站負載相關信息。其抽象架構如下圖所示：

圖1 5G 通信雙連接網絡抽象架構

采用分布式控制方案，對用戶終端的低時延輔助移動基站進行控制，部署基站切換的總體流程。使基站發送切換請求，通過基站接口獲取RTTM，使低時延輔助基站與相鄰基站進行通信，選定目標基站后，輔助移動基站直接對切換請求進行裁決，回應切換請求后，通知基站切換結束[3]。過程中，利用RRM服務器對切換判決進行輔助，從通信雙連接網絡內的所有基站處獲取信息，相比傳統方法只能從相鄰基站獲取信息，該過程能夠全面地對5G 網絡全局信息進行把握。當基站或網關容量達到上限時，通過RRM服務器，為輔助移動基站提供可進行切換操的候選列表，列表中包括能夠切換的基站。至此完成待切換基站列表的提供。

1.2 裁決基站切換請求

根據網絡負載和擁塞情況，在列表中選擇可切換的基站，裁決低時延輔助移動基站與切換基站之間的切換請求。由輔助移動基站直接進行切換管理，快速裁決切換請求，折中切換性能和設備復雜度，根據收集的測量參數，判斷基站是否需要切換，并將接收信號強度作為裁決準則，在列表中選取最小信令開銷的基站[4]。首先測量并收集與切換有關的信號參數，包括輔助移動基站與切換基站之間的導頻強度、傳輸功率等，利用RSS算法，引入切換門限值，設置較高的切換參數，增加輔助移動基站與列表基站的切換難度，避免在5G 網絡覆蓋重疊區域內，輔助移動基站在兩個信號強度接近的基站之間，進行來回切換操作。計算列表中所有待切換基站的信號強度，由于移動基站會對頻譜進行復用，對輔助移動基站相同頻率的信號接收造成干擾，因此要對信號的同頻干擾進行分析。待切換基站接收信號同頻干擾I 的計算公式為：

公式中，x 為待切換基站接收信號的位置，k 為兩個基站間的參考距離，P 為參考距離k 下的路徑損耗，n 為信號干擾系數，取決于傳播環境，一般情況下取值為1，ε（x）為x 位置處的陰影衰落，具體數值服從均值為0 的高斯分布[5]。忽略其他待切換基站帶來的干擾，則待切換基站的接收信號強度O 為：

公式中，L（x）為待切換基站天線在x 點處的路徑損耗，U 為待切換基站的傳輸功率。當待切換基站的信號強度O，大于輔助移動基站的信號強度時，且大于設定門限值時，直接通過低時延移動輔助基站，裁決該基站為可切換基站，并在RRM提供列表中，選取信號強度最大的基站作為切換目標[6]。利用信干比代替接收信號功率，表示切換目標的接收信號質量，避免基站信道發生變化時，基站切換過早或不必要，以此優化切換時機。至此完成基站切換請求的裁決。

1.3 切換基站通信鏈路

裁決切換請求后，切換低時延輔助移動基站和切換目標之間的鏈路。引用網關池和基站池的概念，將區域內的一組網關看作一個資源池，一組基站看作基站池，利用網關池共享連接的基站池資源，切換基站之間的鏈路。由于基站切換不改變接入互聯網及應用服務器的網關，因此保持網關的IP 地址不發生改變，只改變5G 通信的無線接入基站，將切換目標看作終端附著的無線接入點，使輔助移動基站接入點與目標接入點在同一網絡域，利用OPNET 軟件，對5G 異構網絡互連進行建模，對網絡節點的功能進行細化，將兩個基站之間的通信網絡分為UMTS 和WLAN 兩個部分，其網絡工作在同一IP 區域內，設置UMTS 和WLAN 網絡的通信終端UE，使其在異構網絡間漫游，處理兩個網絡的切換信令信息。

利用互連模型，對兩個基站的鏈路切換進行評估，使WLAN網絡網關與Gateway 在同一IP 域內，移動終端UE，使UE 接入UMTS 網絡，附著在UMTS 并進行上下文激活過程，通過UMTS網絡與5G 網絡之間進行數據通信，然后再漫游到WLAN 網絡中，通過WLAN 網絡的AP，對切換目標的信號強度進行檢測，觸發兩個基站的切換請求，釋放終端UE 與UMTS 網絡之間的鏈接，在WLAN 網絡內進行認證與授權，通過W LAN 網絡傳遞數據包，實現兩個基站的鏈路切換。此次輔助移動基站切換裁決，還允許天線進行多次切換，當切換失敗后，立刻斷開鏈路并加入新的通信鏈路，直至達到最大切換次數為止。至此完成5G通信雙連接下，低時延輔助移動基站切換的優化。

2 實驗論證分析

2.1 實驗準備

進行對比實驗，將此次設計方法記為實驗A 組，傳統基站切換方法記為實驗B 組。使用RWP 模型，設置實驗仿真區域大小為1500×1500m，通過模型給出5G 通信雙連接的移動軌跡，當信號移動到仿真區域的邊界，通過反射方式，將其返回到仿真區域。仿真平臺由1 臺100M交換機、4 臺400MHzPIII 臺式機組成，操作系統采用RedHat Linux7.0。

表1 實驗對比結果

2.2 實驗結果

實驗分別對移動基站進行切換，改變基站位置距離，使切換天線的接收信號質量越來越大，記錄實驗的切換成功率，實驗對比結果如表1 所示。

如表1 所示，當基站位置距離越大，基站切換的成功率就越大，但實驗A 組平均成功率始終要大于實驗B 組，平均成功率為65.1%，B 組平均成功率為54.2%，A 組成功率增加了10.9%，且當基站距離為1550m 時，能夠保證100%切換成功率。綜上所述，此次設計方法相比傳統方法，提高了移動基站切換的成功率，且切換后的通信連接情況更加穩定。

3 結論

此次設計方法進一步提高了基站切換的成功率，且能夠有效保證基站切換后的通信穩定。但此次研究仍存在一定不足，在今后的研究中，會對切換方法進行多普勒效應，均衡橋梁、鐵路等復雜環境，對基站切換的影響。