LTE系统切换过程中RRC信令可靠性的研究与改进*

刘丽敏，董宏成，李小文

（重庆邮电大学通信与信息工程学院 重庆400065）

1 引言

现有的蜂窝移动通信系统(如3G系统)提供的数据速率在小区中心和小区边缘有很大的差异，不仅影响整个系统的容量，还使不同位置上的服务质量(quality of service)有很大的波动。因此，目前正在研发的LTE(long term evolution)系统，将提高小区边缘性能作为主要的需求指标之一[1]。而小区边缘地带由于低SINR、高路径损耗的特点，经常造成切换。与切换相关信令的可靠性传输对提高小区边缘性能非常重要。本文将从上行功率控制（以下简称功控）造成的功率受限(power limitation)入手，提高与切换相关的RRC信令传输的可靠性，从而提高小区边缘性能。

2 相关过程

无线资源管理(RRM)功能涉及分配和维护无线链路通信，由无线接入网完成。在LTE的E-UTRAN系统中，RRM功能的定义参考了3G系统RRM的基本功能，并基于LTE的E-UTRAN架构和需求对其功能进行了扩展,包括无线承载控制(RBC)、无限接纳控制(RAC)、连接移动性控制(CMC)、动态资源分配(DRA)、小区间干扰协调(ICIC)和负载均衡(LB)。LTE系统中所进行的无线资源管理既包括对单小区无线资源的管理，还包括对多小区无线资源的管理。本文重点介绍连接移动性控制中在连接模式下的切换决策和小区间干扰协调的功控机制[2,3]。

2.1 切换流程

RRM功能中的连接移动性控制(CMC)在连接模式下，支持无线连接移动性，基于UE与eNode B的测量结果进行切换决策。切换的相关流程如图1所示。TD-LTE系统中采用硬切换，首先，根据系统消息所规定的测量上报准则，UE发送“measurement report”信息给源eNode B。例如：当邻小区比服务小区好时，就会触发事件A3[4],当事件A3的条件得到满足时，就会发送测量报告到源eNode B。源eNode B判断是否需要进行切换。若进行切换，则源eNode B基 于“measurement report”和RRM算 法 为UE确定目标基站，并将UE的上下文（UE context）信息随切换请求一起发送到目标基站。UE收到源基站“HO command”命令（即“RRC connection reconfiguration”命令）后开始准备切换，当UE向目标基站返回“HO confirm”命令（即“RRC connection reconfiguration complete”命令），表明切换过程完成。

2.2 上行功率控制

小区间干扰协调的功控机制与单纯的小区功控是不同的。单纯的小区功控只用于路损补偿，当一个UE的上行信道质量下降（如处于小区边缘）时，eNode B可以根据该UE的需要，加大其发射功率。但每个小区都一味地提高小区边缘UE的发射功率，反而会由于小区间干扰的增加造成系统总容量的下降。因此,从整个系统总容量最大化的角度考虑，相邻eNode B之间通过X2接口传送高干扰指示（HII）和过载指示（OI）来调度PRB[5]。

LTE系统采用慢功控的方式，UE的发射功率通过eNode B发送慢功控指令（如PSD）和通过下行RS测量路损值等计算。上行功控计算式为[6]：

其中，P为UE的发射功率；Pmax为UE的最大发射功率，为固定值，取决于UE的等级；P0为小区特定或UE特定的参数；M为分配给UE上行RB的数量；α是小区特定的路损补偿系数；PL是UE测量下行路损值；Δmcs是由RRC层指定的针对某个特定的MCS的参数；Δi是小区特定的发射功率控制（transmit power control，TPC）闭环修正系数，其中i表示子帧序号；函数f(x)由高层给出。

基站可以通过信令控制UE是否根据所选的MCS计算Δmcs的值，如果不计算则其值为0。这里采用开环功率控制，将MSC（modeulation and coding scheme）的参数Δmcs与闭环功控相关的参数f(Δi)都设为0，则式（1）变为：

第i帧的PUSCH中的每个RB（M=1）上的发射功率为：

由式（3），可以得到能够分配给用户的最大PRB的数量为：

则基站分配给UE的上行PRB一定不能超过Mmax。

2.3 功率受限

LTE系统应提供快速且可靠的切换过程。切换的可靠性与切换相关的参数直接相关，但与切换相关信令的可靠性传输也同样非常重要。比如，若相关消息没有快速且可靠地传输，切换有了时延，那么切换失败及无线链路失败的可能性就会提高。

当式（4）中的Mmax<1时，终端就会被认为是功率受限。这里把功率受限的定义扩展一下，当Mmax比当前要分配的PRB小时，UE就会被认为是功率受限。各个PRB的低功率传输会造成接收方的低SINR、高BLER、重传次数的提高。

小区边缘地带由于低SINR、高路径损耗的特点，经常造成切换。而高的路径损耗使UE处于功率受限状态，给上行功控造成一定的挑战。为了减少时延，不对RRC信令进行分割，即RRC信令被分配在一个TTI（transmission time interval）中传输。而RRC信令所分配的长度则由消息的长度和采用的MCS所决定。A3消息所分配的资源见表1。可以发现PRB的分配在消息的可靠性及功率受限的概率之间寻求平衡。控制消息采用的调制编码方式越可靠，就越容易造成功率受限。

表1 控制信息分配大小

3 切换过程中功率受限的分析

切换过程中，功率受限是造成上行控制信息遇到问题的主要原因。

power）分布曲线。其中一条是周期性上报A3事件情况下UE的RSRP的累积分布函数，另一条是在切换的情况下UE的RSRP的累积分数函数。由图2可以看出，在切换条件下，RSRP分布情况比周期性上报条件下差，也就是说在切换的条件下可能存在功率受限的情况，对消息的可靠性传输造成影响。

下面分析可能造成功率受限的2个相关参数。

·P0，由式（3）可以得到P0对上行传输功率有着直接的影响。

·控制信息的长度及采用的调制编码方式。由前面功率受限的分析可以得到，采用越高阶的MCS，功率越容易受限。

下面将改变这两个相关参数以减小功率受限的概率并得到仿真结果。

4 仿真与结果分析

在切换过程中，RRC信令非常重要，而其功率的提高也有助于处于小区边缘的用户更好地完成切换过程。另一方面，由事件而触发切换报告的用户一般很少，而由此提升的上行干扰不会对其他用户造成严重的干扰问题。相邻小区根据X2接口收到的HII和OI，避开自己小区边缘UE也调度到这个PRB上，或尽量减小对这个PRB的干扰。因此由上文中造成功率受限的原因入手，结合小区间干扰协调机制，可以提出一种简单的功率提升（power boosting）机制，即增大与切换相关的上行信令的发射功率。本文中，与默认的发射功率相比增加3 dB。由式（3）可得，这相当于增大UE的最大传输功率，即UE的最大传输功率提升为26 dBm，或者P0与默认的P0相比，减小3 dB。

本文的系统仿真主要从造成功率受限的两个相关参数进行分析，系统的仿真参数设置见表2。

表2 仿真参数设置

仿真结果及分析如图3所示。

图3显示了针对不同大小的A3事件及不同的调制编码方式，随着P0值的增大，功率受限概率的变化。由图3可见，随着P0的增大，功率受限的概率也增大。这是由于P0直接影响每个PRB的发射功率，当最大发射功率及分配的资源大小不变时，P0越大，功率受限的概率也越大。同时从图中可以看出，控制信道采用的MCS方式越可靠，A3消息越大，功率受限的可能性越大。因为这些参数会造成为A3测量报告分配的资源增大，在传输功率不变的情况下，功率受限的可能性会增大。从图中可以看出，采用功率提升机制的boost曲线与提升前的机制比较，可以得出功率受限的概率相对降低了20%～30%。

图4显示了A3测量报告成功接收的概率。结合图3可以看出，功率受限的概率越低，A3测量报告成功的概率越高。同时，采用了功率提升机制的boost曲线与提升前的曲线相比，A3报告成功的概率得到了提高。这说明，采用功率提升机制，结合最优的MCS方式及资源大小可以提高服务质量，改善用户的体验。

5 结束语

本文分析了在LTE系统中，功率受限降低了切换过程中信令传输的可靠性。接着从造成功率受限的原因入手，结合小区间干扰协调机制提出了一种简单的功率提升机制，降低了功率受限的概率，提高了RRC信令传输的可靠性。当然，要在LTE系统中实施，还存在要继续研究及完善的部分，如TTI绑定以及对控制信息的分割等。

1 3GPP TS 36.300.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN).Overall Description(Release 9),2009

2 3GPP TS 36.133.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA).Requirements for Support of Radio Resource Management(Release 10),2011

3 Peng Mugen,Wang Wenbo.A framework for investigating radio resource management algorithms in TD-SCDMA systems.IEEE Radio Communication Magazine,2005（6）

4 3GPP TS 36.331.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA).Radio Resource Control(RRC)Protocol Specification(Release 10),2010

5 沈嘉，索士强.3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计.北京：人民邮电出版社，2009

6 3GPP TS 36.213 V10.1.0.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)Physical Layer Procedures(Release 10),2011