LTE-Advanced中繼系統(tǒng)切換優(yōu)化算法

朱國(guó)暉, 向 珍

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

LTE-Advanced中繼系統(tǒng)切換優(yōu)化算法

朱國(guó)暉, 向 珍

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710121)

為了提高LTE-Advanced中繼系統(tǒng)的切換性能，提出一種能夠提高系統(tǒng)性能的切換優(yōu)化算法。在切換測(cè)量階段加入測(cè)量平均窗口，減小多徑效應(yīng)對(duì)接收信號(hào)的影響，并考慮用戶移動(dòng)速度對(duì)切換測(cè)量和切換執(zhí)行時(shí)間的影響；在切換實(shí)施階段，結(jié)合LTE-Advanced中繼系統(tǒng)中引入的載波聚合技術(shù)，采用改進(jìn)的邊緣共享中繼方案。經(jīng)仿真表明，該算法可減少乒乓效應(yīng)及平均掉話率，簡(jiǎn)化切換信令流程，降低切換中斷時(shí)間，提高邊緣用戶吞吐量。

協(xié)作通信；用戶速度；共享中繼

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，切換是移動(dòng)性管理的一部分。切換算法機(jī)制的研究主要集中在四個(gè)方面：切換測(cè)量控制、切換目標(biāo)站點(diǎn)的選擇、切換執(zhí)行時(shí)間以及切換實(shí)施過(guò)程。對(duì)切換測(cè)量控制的研究，主要是基于接收信號(hào)強(qiáng)度，例如基于用戶運(yùn)動(dòng)機(jī)制計(jì)算接收信號(hào)強(qiáng)度的權(quán)重[1]，考慮到用戶運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度對(duì)測(cè)量信號(hào)的影響，但卻忽略了多徑效應(yīng)對(duì)接收信號(hào)的影響。對(duì)于切換目標(biāo)站點(diǎn)的選擇的研究主要是多目標(biāo)的選擇算法，例如基于信號(hào)強(qiáng)度和負(fù)載的多目標(biāo)站點(diǎn)選擇算法[2]。切換執(zhí)行時(shí)間的研究主要是解決在什么時(shí)候發(fā)起切換時(shí)最合適的，例如根據(jù)終端移動(dòng)速度的不同，可動(dòng)態(tài)地調(diào)整基于參考信號(hào)接收功率(Reference Signal Receiving Power, RSRP)測(cè)量的滯后容限[3]。切換實(shí)施過(guò)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(tǒng)吞吐量，例如基于輔助載波的協(xié)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(tǒng)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(shù)量，從而能減少信令開銷及切換中斷時(shí)間，但卻未能達(dá)到進(jìn)一步提高邊緣用戶吞吐量的目的。

LTE-Advanced系統(tǒng)中由于中繼的引入使得切換場(chǎng)景更加復(fù)雜，如何提高切換成功率，簡(jiǎn)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(gè)主要方面。本文將綜合考慮這三個(gè)方面，引入測(cè)量平均窗口，以獲得更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，同時(shí)考慮用戶移動(dòng)速度對(duì)切換的影響，以提高切換成功率，并借鑒文獻(xiàn)[4-5]的優(yōu)點(diǎn)，在減化切換信令流程的同時(shí),進(jìn)一步提高邊緣用戶的吞吐量。

1 優(yōu)化算法

從切換測(cè)量控制、切換執(zhí)行時(shí)間以及切換實(shí)施過(guò)程三方面對(duì)現(xiàn)有切換算法進(jìn)行優(yōu)化并考慮用戶移動(dòng)速度對(duì)切換的影響。

1.1 切換測(cè)量控制

無(wú)線信號(hào)在傳輸時(shí)，由于移動(dòng)信道的影響，接收信號(hào)的強(qiáng)度可能存在偏差，對(duì)一定時(shí)間內(nèi)的接收信號(hào)進(jìn)行平均，可以獲得比較可靠的測(cè)量結(jié)果?，F(xiàn)采用矩形測(cè)量窗口，用戶接收到來(lái)自基站的平均信號(hào)電平為

其中a(d)表示用戶接收到的基站信號(hào)強(qiáng)度，dav表示測(cè)量窗口長(zhǎng)度，單位m，根據(jù)用戶移動(dòng)速度的不同，選取測(cè)量窗口長(zhǎng)度。將用戶移動(dòng)速度分為高低兩種，當(dāng)移動(dòng)速度較快測(cè)量窗口長(zhǎng)度可以略短以防止掉話發(fā)生。當(dāng)移動(dòng)速度較低，測(cè)量窗口長(zhǎng)度可以略長(zhǎng)，以避免乒乓效應(yīng)。

1.2 切換執(zhí)行時(shí)間

在基于RSRP測(cè)量的切換算法中，當(dāng)測(cè)量配置下發(fā)后，用戶測(cè)量主小區(qū)和目標(biāo)小區(qū)的RSRP，隨著用戶往小區(qū)邊緣移動(dòng)，主小區(qū)的RSRP不斷減小，目標(biāo)小區(qū)的RSRP不斷增大，當(dāng)兩者的差值達(dá)到切換滯后差值(Hysteresis Offset Margin, HOM)時(shí)，定時(shí)器開啟，達(dá)到觸發(fā)時(shí)間(Time To Trigger, TTT)后，用戶發(fā)送測(cè)量報(bào)告給基站，基站決策是否執(zhí)行切換[6],如圖1所示。

圖1 基于RSRP測(cè)量的切換算法

根據(jù)用戶移動(dòng)速度的不同，選擇適當(dāng)?shù)腍OM，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間觸發(fā)切換可以提高切換的成功率。當(dāng)移動(dòng)速度較快時(shí)，減小HOM以防止掉話發(fā)生。當(dāng)移動(dòng)速度較低，增大HOM 減少切換次數(shù)，降低乒乓效應(yīng)的發(fā)生。

1.3 切換實(shí)施過(guò)程

在LTE-Advanced系統(tǒng)中，為了增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力，采用中繼技術(shù)來(lái)擴(kuò)大小區(qū)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(diǎn)協(xié)同傳輸?shù)刃录夹g(shù)[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(duì)較多，且抗干擾能力強(qiáng)，低頻載波傳播范圍更廣?；贚TE-Advanced中繼系統(tǒng)的新技術(shù)及頻段資源，結(jié)合邊緣共享中繼[5]和的高低頻協(xié)作通信[4]，給出改進(jìn)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(gè)相鄰基站共享同一個(gè)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(wù)。對(duì)于基站周圍的用戶，采用基站-用戶一條鏈路為用戶服務(wù)；對(duì)于邊緣用戶，文獻(xiàn)[5]只用了基站-中繼-用戶一條鏈路，現(xiàn)利用協(xié)作通信技術(shù)，采用基站-用戶和基站-中繼-用戶兩條鏈路為用戶服務(wù)。采用與原有中繼方案相比，減少切換時(shí)使用的中繼數(shù)量，從而簡(jiǎn)化了切換信令流程；在原有中繼方案中，在切換時(shí)，用戶必須先斷開源小區(qū)中繼，然后再與目標(biāo)小區(qū)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(shí)間；由于中繼的位置更加靠近小區(qū)邊緣，增強(qiáng)小區(qū)邊緣的覆蓋能力，采用兩條鏈路為邊緣用戶服務(wù)，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(chǎng)景。

圖2 邊緣共享中繼方案的切換場(chǎng)景

在通信方式上，采用高低頻載波輔助切換方式，充分運(yùn)用高低頻載波的特性?；镜接脩糸g直連鏈路的距離較遠(yuǎn)，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(yuǎn)，為了提高基站到共享中繼間信號(hào)質(zhì)量，同樣采用低頻載波傳輸信號(hào)；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(hào)。在切換前，基站-用戶和基站-中繼-用戶兩條鏈路同時(shí)為用戶服務(wù)，用戶收到兩條鏈路的信號(hào)后通過(guò)載波聚合技術(shù)處理信號(hào)(這里用不同頻帶內(nèi)的載波聚合技術(shù))，將高低頻載波聚合成大帶寬載波[8]。在用戶切換時(shí)，共享中繼改變高頻載波頻率后(即對(duì)于目標(biāo)小區(qū)，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(biāo)基站間實(shí)現(xiàn)同步，建立目標(biāo)基站-用戶間低頻直連鏈路。改進(jìn)后的邊緣共享中繼方案的切換場(chǎng)景如圖3所示。通過(guò)這種切換方案，可減少切換信令流程，降低切換中斷時(shí)間，進(jìn)一步提高邊緣用戶的吞吐量。

圖3 改進(jìn)后的邊緣共享中繼方案的切換場(chǎng)景

結(jié)合圖3的切換場(chǎng)景，具體的切換流程如圖4所示。

圖4 改進(jìn)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(shè)備(User Equipment, UE)與目標(biāo)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(shí)間)，其余都用eNodeB-共享中繼節(jié)點(diǎn)(Relay Node, RN)-UE鏈路傳輸，具體過(guò)程如下。

步驟1 UE對(duì)與源eNodeB間的低頻載波信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，如果低頻載波滿足持續(xù)通信的條件，則執(zhí)行步驟2，若不滿足則執(zhí)行步驟3。

步驟2 UE對(duì)與RN間的高頻載波信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，如果滿足持續(xù)通信的條件，就轉(zhuǎn)回步驟1，如果滿足切換條件就執(zhí)行步驟3。

步驟3 UE發(fā)送測(cè)量報(bào)告給源eNodeB，源eNodeB接收到測(cè)量報(bào)告后，決策是否發(fā)起切換，決定切換后，使用低頻載波向目標(biāo)eNodeB發(fā)送切換請(qǐng)求。

步驟4 目標(biāo)eNodeB決定切換后，使用低頻載波，通過(guò)源eNodeB向UE和共享RN發(fā)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(xù)與UE通信，共享RN將未傳輸完的數(shù)據(jù)都傳給UE，UE也將未傳輸完的數(shù)據(jù)都傳給共享RN，共享RN緩存收到的數(shù)據(jù)，等待UE與目標(biāo)eNodeB實(shí)現(xiàn)同步。這一步可實(shí)現(xiàn)中繼與用戶間數(shù)據(jù)的不間斷傳輸，降低切換時(shí)間。

步驟6 UE在收到共享RN傳來(lái)的載頻為f2的數(shù)據(jù)后，斷開與源eNodeB間的低頻直連鏈路，通過(guò)低頻直連鏈路實(shí)現(xiàn)與目標(biāo)eNodeB的同步。

步驟7 目標(biāo)eNodeB請(qǐng)求移動(dòng)管理實(shí)體(Mobility Management Entity, MME)進(jìn)行路徑切換，源eNodeB停止數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)并釋放資源。

2 仿真及結(jié)果分析

針對(duì)用戶在高低兩種移動(dòng)速度下，選取不同測(cè)量平均窗口長(zhǎng)度及切換滯后差值，對(duì)切換次數(shù)及切換平均掉話的影響進(jìn)行仿真。

每個(gè)基站使用三個(gè)120°的定向天線，分成三個(gè)小區(qū)，RN使用全向天線。UE的移動(dòng)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(gè)小區(qū)移動(dòng)到另一個(gè)小區(qū)。表1為各項(xiàng)仿真參數(shù)。

表1 仿真參數(shù)

UE低速移動(dòng)時(shí)，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(shù)不斷減?。浑S著測(cè)量窗口長(zhǎng)度的增大，平均切換次數(shù)也不斷減小。平均切換次數(shù)的減小，即降低了乒乓效應(yīng)的發(fā)生。因此在UE低速移動(dòng)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大HOM和測(cè)量窗口長(zhǎng)度。

圖5 不同HOM對(duì)切換次數(shù)的影響

圖6 不同測(cè)量窗口長(zhǎng)度對(duì)切換次數(shù)的影響

UE高速移動(dòng)時(shí)，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(cè)量窗口長(zhǎng)度增大，平均掉話率也不斷上升。平均掉話率越大，通信質(zhì)量越差。因此在UE高速移動(dòng)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減小HOM和測(cè)量窗口長(zhǎng)度。

圖7 不同HOM對(duì)平均掉話率的影響

圖8 不同測(cè)量窗口長(zhǎng)度對(duì)平均掉話率的影響

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

(a) 情形1

(b) 情形3

仿真場(chǎng)景可以分為城區(qū)和郊區(qū)環(huán)境，分別對(duì)應(yīng)3GPP定義的情形1和情形3。仿真時(shí)，UE以3 km/h的速度沿直線從一個(gè)小區(qū)移動(dòng)到另一個(gè)小區(qū)。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?yàn)?，共享中繼的部署位置更靠近小區(qū)邊緣，因此在同等覆蓋能力下，邊緣用戶接收到信號(hào)質(zhì)量更強(qiáng)，同時(shí)中繼數(shù)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(zhì)量，提高了吞吐量。與邊緣共享中繼方案相比，改進(jìn)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?yàn)樵谛路桨钢胁捎昧嘶?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(shù)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(hào)強(qiáng)度，同時(shí)提高了小區(qū)邊緣的吞吐量。

3 結(jié)束語(yǔ)

提出一種LTE-Advanced中繼系統(tǒng)切換優(yōu)化算法，從切換測(cè)量控制、切換執(zhí)行時(shí)間、切換實(shí)施過(guò)程三方面入手，考慮用戶移動(dòng)速度，結(jié)合LTE-Advanced系統(tǒng)特有的載波聚合技術(shù)、協(xié)作通信技術(shù)，以及利用高低頻載波的特性，達(dá)到了減少乒乓效應(yīng)、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(duì)于LTE-Advanced系統(tǒng)，中繼的引入將使得切換環(huán)境更加復(fù)雜，因此可考慮進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)中繼系統(tǒng)的研究，使其在提高系統(tǒng)覆蓋能力的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)切換優(yōu)化。

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[責(zé)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(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(07JK377)

朱國(guó)暉(1969-)，男，博士，教授，從事移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)研究。E-mail: zhgh@xupt.edu.cn 向珍(1989-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)橐苿?dòng)互聯(lián)網(wǎng)。E-mail:971213236@qq.com

TN929.53

A

2095-6533(2014)06-0048-05