LTE系统中切换优化算法的研究

李 斌，朱宇霞

（1.北京北方烽火科技有限公司，北京 100085;2.光纤通信技术和网络国家重点实验室，湖北武汉 430074）

LTE系统中切换优化算法的研究

李 斌1，2，朱宇霞1，2

（1.北京北方烽火科技有限公司，北京 100085;2.光纤通信技术和网络国家重点实验室，湖北武汉 430074）

提出了一种基于SON的切换参数优化（Handover Parameter Optimization，HPO）算法，并且考虑了不同移动速度的UE

对切换性能的影响，设置不同的迟滞参数，通过检测不同的场景动态调整切换参数。最后搭建了仿真平台。仿真结果表明，经过该算法优化后，切换性能大幅提高。

LTE;SON;切换优化算法

随着移动用户数量的逐渐增长，用户需求的业务量日益升级，3GPP等标准化组织提出了LTE［1］作为未来移动通信标准。切换是LTE系统中最常见的过程之一，当UE（User Equipment）在小区之间移动时，基站可能基于某种策略发起切换过程。切换性能与切换参数的设置密切相关，不合理的切换参数设置会降低用户感受度，并且还会因乒乓切换、无线链路失败（Radio Link Failure，RLF）等原因而浪费网络资源。3GPP提出了一种自组织、自配置、自愈合网络，即 SON［2］（Self Organizing Network）。其主要目的是通过基站自配置合适的切换参数，提高基站的切换性能，能在保证用户QoS的情况下，大大提升用户的感受。因此SON已经成为LTE系统的一个重点研究问题。切换参数优化（Handover Parameter Optimization，HPO）的主要目的是减少因切换而导致的无线链路失败［3］，提高切换性能已经是LTE系统提供高质量服务的迫切需求。

1 切换

切换通常分为基站内切换和基站间切换。基站间切换又分为S1切换和X2切换。与S1切换相比，X2切换减少了基站与MME（Mobility Management Entity）之间的信令开销。切换过程分为切换请求、切换判决、切换执行3个过程。

1.1 切换导致的问题及检测

当满足式（1）时（称之为A3［4］事件），UE将发送测量上报给本地基站，本地基站将发起到目的基站的切换过程。

式中:Mn为没有考虑偏移量的邻区测量结果;Ofn为邻区频点的频率特定偏移量;Ocn为邻区的小区特定偏移量，如果不为邻区配置，取值为0;Ms为没有考虑偏移量的服务小区测量结果;Ofs为服务小区频点的频率特定偏移量;Ocs为服务小区的小区特定偏移量，如果不为服务小区配置，取值为0;Hys为对此测量事件的迟滞参数;Off为对此测量时间的偏移量参数。

不合理的切换参数导致切换性能恶化，导致切换失败或无线链路失败。UE发生的切换失败可以总结为以下几种情况:过早切换、过晚切换及切换到错误小区。因为乒乓切换也会增加系统的信令开销和负荷，所以也必须尽力避免。上述切换场景定义如下:

过晚切换。当UE移动速度超过切换参数设置允许的量，切换被触发时导致无线链路失败。此外，如果UE移动速度远超切换参数所允许的量也会发生无线链路失败。过晚切换导致的无线链路失败可以总结为如果UE在基站A发生无线链路失败后，在基站B重建无线链路，基站B报告这个无线链路失败时间给基站A。

过早切换。当最早基站A切换到基站B的时候，基站B建立了该UE上下文，启动定时器Tstore_UE_cntxt，并通过X2发送UE上下文释放消息给基站A，基站A释放了该UE的上下文。随后UE在基站B发生了无线链路失败，在基站A内重建无线链路，并且发送无线链路失败给基站B，如果这个时间段在Tstore_UE_cntxt秒内，基站B应返回一个过早切换事件指示给基站A。

切换到错误小区。如果切换参数CIO（Cell Individual Offset）设置不正确，尽管切换时机恰当，也可能切换到错误的小区。切换到错误的小区特征可以总结为UE成功连接到目的小区后，在短时间内发生无线链路失败;UE重建接入的小区既不是源小区，也不是目的小区。

乒乓切换。UE从基站A中的小区成功切换到基站B中的小区后又回到基站A重新建立连接。

1.2 切换结果统计

当发生切换时，发生重建立［5］的小区所在的基站向源小区报告切换结果。具体包括下面3个处理流程:重建立请求过程处理、无线链路失败指示过程处理和切换结果分析及其上报过程处理。如图1所示，当收到重建立请求时，如果重建立OLD小区与重建立接收小区所在的基站相同，直接进行切换结果的分析，否则通过无线链路失败指示消息，通知重建立OLD小区所在的基站，进行切换结果的分析。当源基站收到无线链路失败指示消息后，获取相关参数，如图2所示，如果获取成功，则进行切换过程分析，否则丢弃RLF消息。经过上述两个处理过程之后，进入最终的切换分析和上报过程。如图3所示，使用的相关参数主要有:1）重建立OLD小区，标记为［a］;2）重建立接收小区，标记为［b］;3）发生重建立的UE，标记为［u］;4）切换源小区［6］标记为［c］;5）切换目的小区，标记为［d］。切换结果的上报，有两种情况:1）如果切换源小区与重建立OLD小区在同一基站上，可直接统计切换结果。2）如果切换源小区与重建立OLD小区不在同一基站上，则通过切换上报消息，指示给切换源小区所在的基站，进行切换结果的统计。

切换分析过程开始时，首先通过［a］，［u］查找切换过程，如果切换源小区与切换目的小区不同，继续判断重建立OLD小区和重建立接收小区的标识是否相同，如果相同，则进入切换过早和切换到错误小区的统计过程。否则进入切换过晚统计过程。

2 切换优化算法设计与仿真

在LTE网络运行过程中进行切换优化不得不受限于不同的约束条件，比如每次切换参数的修改必须保证无线网络的正常运维，必须避免不稳定和导致乒乓切换的切换参数。切换失败率（见式（2））必须低于预先设定的切换失败率门限。在一定时间内检测该指标，并设置相应的门限，进行观察，如果切换失败率达到了门限值，则启动一轮优化，由基站上报切换的结果，如果新的性能指标大于优化前的性能指标，则将相应参数保存，并作为下一轮参数优化的入口。

式中:HPIHOF是切换失败率;NHOfail是切换失败的次数;NHOsucc是切换成功的次数。

图3 切换结果分析及切换上报过程处理

2.1 切换优化算法设计

本文提出的算法中充分考虑了UE移动速度对切换性能的影响，对不同移动速度的UE设置了不同的迟滞参数。SON初始化时，对高速移动的UE，Hys设置为2 dB，对中速移动的UE，Hys设置为3 dB，正常速度移动的UE，设置Hys为4 dB。对所有的小区，均设置触发时间TTT为120 ms，小区特定偏移Ocn为0。切换优化算法的基本步骤如图4所示。

首先SON算法模块初始化切换参数。本地基站对小区中UE发生切换这一事件进行计数，当切换计数值达到一个预定的门限值，比如100个事件才启动一轮移动性优化。当SON优化模块开始工作时，根据之前统计的数据（每种场景分别计数）计算切换失败率。如果统计的总的切换次数中，主要发生了过早切换或者乒乓切换，那么增大Hys。如果主要发生了过晚切换或切换到错误小区，那么减小Hys。此时，基站发起到UE的重配置请求消息，更新Hys，进入下一轮SON过程。如果下一轮SON过程中，切换性能反而恶化，那么参数回退，保存上一轮切换参数，否则进入下一轮SON过程。为了检查SON算法模块对切换性能的影响，可以设置开关，如果经过几轮优化，切换失败率还是在预先定义的门限之上，那么通知集中网络单元，关闭SON算法模块，让运维人员介入控制。

图4 切换自优化算法流程

2.2 仿真及其结果分析

为了验证算法的可行性，搭建了仿真平台，本仿真中共设置19个基站，每个基站分3个扇区，基站间距离500 m，小区中的UE以50 km/h，200 km/h，320 km/h移动，每种速度分布40个UE。传播环境采用cost231－Hata［7］模型，阴影衰落方差为9 dB，热噪声密度为－174 dBm/Hz，系统带宽为10 MHz。为了简化问题的复杂程度，假设所有用户的请求速率都为512 kbit/s。仿真开始时，所有小区设置相同的TTT，而且Ocn设置为0 dB。仿真结果如图5所示，经过10轮优化后，失败率控制在2%以下。

图5 切换失败率随优化轮数变化

在前4轮优化过程中，主要发生了过晚切换，所以采取的措施是减小Hys;进入第5轮优化时，主要发生了过早切换，所以增加了Hys;后续的几轮Hys出现小范围的上下波动调整，而切换失败率都保持在一个较小的范围。在整个仿真过程中，当切换失败率低于预先设置的门限时，SON优化算法模块启动优化功能，经过一轮优化，切换失败率降低了，此时的切换参数作为下一轮切换入口参数，继续统计切换次数，到达门限（100次）后，启动第二轮优化，优化结果表明，切换失败率相对之前降低了。仿真结果表明，该算法大大减小了切换失败率，算法可行。

3 结束语

本文提出了LTE自组织网络（SON）中一种切换优化算法，通过检测不同的场景动态调整切换参数，同时考虑了不同移动速度的UE对切换性能的影响，分别设置了不同的迟滞参数，达到切换性能优化的目的。仿真结果表明，经过该算法优化，系统总体切换性能显著提升。

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［1］3GPP TS36.300，Evolved universal terrestrial radio access（EUTRA）and evolved universal terrestrial radio access network（EUTRAN）［S］.2009.

［2］3GPP TR36.902，Self－configuring and self－optimizing network use cases and solutions（Release 9）［S］.2009.

［3］SHEN Jia.3GPP long term evolution（LTE）technology principle and system design［M］.Beijing:Post＆Telecom Press，2008.

［4］3GPP TS36.331，Radio resource control（RRC）protocol specification［S］.2009.

［5］3GPP TS36.304，User equipment（UE）procedures in IDLE mode［S］.2009.

［6］3GPP TS36.133，Requirements for support of radio resource management［S］.2010.

［7］赵训威，林辉，张明，等.3GPP长期演近（LTE）系统架构与技术规范［M］.北京:人民邮电出版社，2010.

Research on Handover Optimization Algorithm in LTE System

LI Bin1，2，ZHU Yuxia1，2

（1.Northern FiberHome Technologies Co.，Ltd.，Beijing 100085，China;2.State Key Laboratory of Optical Communication Technologies and Networks，Wuhan 430074，China）

In this paper，one SON－based Handover Parameter Optimization（HPO）algorithm is proposed which takes different moving speed into consideration and then different handover parameters is set.The handover parameters are dynamically changed under different scene.Finally，a simulation platform is build，results show that the quality is significantly improved under the HPO algorithm.

LTE;SON;handover optimization algorithm

TN929.5

A

【本文献信息】李斌，朱宇霞.LTE系统中切换优化算法的研究［J］.电视技术，2013，37（3）.

国家科技重大专项基金资助项目（2010ZX03005－001）

李 斌（1986— ），硕士生，主要研究方向为移动通信协议及软件;

朱宇霞（1972— ），博士生导师，北京北方烽火科技有限公司总经理，主要研究方向为移动通信协议及软件。

责任编辑:许 盈

2012－07－03