一种LTE异构网络下的移动性优化方法*

陈国平，杜庆波

（1.南京信息职业技术学院 南京210023；2.中兴通讯学院移动通信实验室 深圳518057）

1 引言

LTE网络是3GPP规范的移动通信网络的主要演进方向，目前学术界和工业界一致认为，截至2020年，全球无线网络数据量的需求将达到2012年的1000倍，为了应对未来移动通信业务对管道宽度的海量需求，最有效的途径是增加基站数量，提高无线频谱资源复用程度。业务需求量存在“热点”的特性，因此小基站是网络扩容最经济、最有效的方法。小基站的部署成本通常是宏基站的几百分之一，且发射功率比宏基站低16 dB以上，增加小基站引入的干扰远小于增加宏基站引入的干扰。

此外，考虑到由密集小站组成的异构网络是未来提高频谱复用的最有效途径，3GPP在版本R10中引入了对小基站的研究。目前，3GPP标准组织仍没有解决的最大系统风险是大量小基站的引入对切换等移动性的影响[1]。异构网络特别是拥有密集小站的异构网络中存在的移动性风险包括以下几点。

·切换数量增加。大量新增的宏基站—微基站（宏—微）和微基站—微基站（微—微）之间的切换，导致切换数量的极大增加。

·切换难度增加，成功率下降。小基站的引入带来了更大的阴影衰落和更复杂的切换边界，使得UE（用户设备）切换失败率急剧增加。

为了解决新网络形态下的切换问题，本文提出了一种新的切换机制，使得网络切换性能显著提升，特别是对切换成功率的改善远大于传统的3GPP切换机制。

2 LTE异构网络切换问题分析

LTE网络中的切换机制用于控制切换的时机[2]，该机制由3个主要参数控制，包括：切换偏差（handover offset）门限、触发定时（time to trigger）门限和K系数，如图1所示，具体介绍如下。

图1 LTE切换时机及参数

·切换偏差门限决定了UE计时的时刻。当目标小区的参考信号接收强度功率（RSRP）大于源小区的参考信号接收强度功率时，UE开始计时，准备进行测量结果上报。

·触发定时门限决定了UE计时的长度。当UE计时长度大于触发定时门限时，UE立刻向网络上报测量结果。

·K系数决定了对接收信号强度的滤波系数。不同滤波系数影响了UE对真实信号强度的反应速度。

3 GPP标准组织在版本R9中引入了移动顽健性优化（MRO），旨在通过调整上述的3个系数控制切换的时机，确保切换不会出现得太早或者太晚。切换太早，UE在切入的目标小区信号不稳定，容易导致UE在目标小区掉话；切换太晚，源小区的信号强度或质量过度衰减，容易导致UE在源小区掉话。因此，选择恰当的切换时机对于提高LTE切换性能具有重要作用，3GPP对MRO研究的大量工作都聚集在切换时机调整上，并提出了一系列复杂的算法和流程方案，增加了LTE网络系统的复杂度。

当网络发展成密集异构网络时，大量小基站的加入使得UE切换难度进一步加大，控制切换时机也变得越来越困难，移动性问题的挑战主要有以下几个方面。

·随着小基站密度的增加，切换次数显著上升。如图2所示，增加的切换次数是原有网络设计无法想象的。

·切换难度显著增加。由于小基站部署的高度很低，无线信道的传播非常容易受周围环境的影响，如一棵树的遮挡就可以使该小基站的信号出现十几个dB的阴影衰落，UE极易在移动很短的距离时就出现切换失败的情况，这给MRO调整切换参数增加了困难。此时，切换过晚的情况将显著增加。

·小基站的作用主要是提供覆盖热点，其覆盖的用户个数远远低于传统宏基站，通常只有几个用户，因此单个用户对小区资源的“占/空”极易导致小区负载复杂的变化，使其对周围邻区UE的干扰多变。传统MRO对于切换时机的调整，无法跟上小区负载的快速变化，大大降低了密集小基站网络下的UE切换性能。

图2 单位时间切换次数

在新的密集小基站异构网络下，传统的LTE切换机制及优化机制将遇到新的困难，切换性能难以保证，且基于传统切换机制的有效算法复杂度很高，增加了LTE网络的设计和维护难度，因此，本文设计了新的切换机制，从根本上保证了新网络形态下的UE切换性能。

3 LTE异构网络切换机制流程描述

3.1 现有3GPP的LTE切换机制

现有3GPP的LTE切换是UE和网络多次配合完成的，如图3所示，切换机制中各步骤的主要功能如下。

·源基站向UE发送测量控制消息，在该控制消息中，含有通知UE的相关切换控制参数，第2节所述的几个切换参数都是在这一步由网络通知UE的。

·UE持续进行切换测量，监测本小区和邻区的参考信号强度或者质量。当测量结果满足切换参数控制的要求时，UE向源基站发送测量报告消息，其中携带该UE对本小区和邻区的测量结果。

·源基站收到UE的切换测量报告后，立刻触发该UE的切换，此时，源基站通过分析该UE的切换测量报告，选出最合适的切换目标小区，并找到目标小区所属目标基站的地址。

·源基站向目标基站发送切换请求消息，请求目标小区能够为即将到来的UE预留资源，提供相应的无线承载，该切换请求消息中携带UE承载的服务质量要求。

·目标小区根据收到的切换请求以及其中携带的服务质量要求，判断是否能够接纳新的UE，如果自身资源条件允许，则向源基站返回切换的相应消息。

·源基站收到目标基站的切换接纳信息，就立刻向该UE发送切换命令消息，通知UE可以切换到目标邻区，在该切换命令中携带了UE进入目标邻区所必须的初始资源信息。

·UE在收到切换命令后，使用该命令通知的资源接入目标邻区，切换过程完成。

3.2 UE级切换机制

传统切换机制的困难在于无法有效地控制切换时机，网络状况的变化使得源基站下发的切换测量参数很难达到最优，从而可能导致切换失败率增加[3]。

本文推荐的创新方案从根本上屏蔽了由网络侧决定切换时机导致的切换难以达到最优这一难题。在网络的配合下，UE直接感受网络测量值的变化，触发服务小区的改变，UE直接向目标基站发起请求，由目标基站向源基站请求配合本次切换，从而在机制设计上避免密集小基站下切换性能下降的问题，称之为网络配合的UE级切换，如图4所示，具体说明如下。

·源基站向UE下发切换测量控制消息，消息内容与传统方案类似，目的是通知UE在合适的时机开始切换。

·UE使用该测量控制消息进行网络监测，当满足该测量控制要求时，UE并不直接向源基站请求切换，而是由UE自主决定发起切换，节省了宝贵的切换决策时延。切换的触发是UE直接向目标小区发起小区更新请求，同时UE可以保持或不保持在源小区的连接。

·当目标小区收到UE的小区更新请求时，决策是否接纳该UE。当目标小区缺乏UE上下文信息时，就无法获知该UE的服务质量要求、加密信息等，需要向源小区发起上下文请求。

·源小区收到目标小区的上下文请求后，迅速向目标小区返回上下文响应。

·目标小区收到该响应消息后，判断是否接纳UE，并且通知UE在目标小区新分配的接入资源，切换流程完成。

图3 现有的LTE切换机制流程

图4 UE级切换机制流程

综合以上分析可以看出，传统切换机制中切换命令消息的传递非常耗时，由于经历了多个切换命令之后，UE更加远离源小区的覆盖，其在源小区的信号质量很差，这时传递空口消息“切换命令”将非常困难，也非常耗时，因此UE在源小区的连接也很容易掉话。而本文的UE级切换机制中，UE允许脱离源小区后再根据自身的测量结果自主选择合适的小区发起接入请求，并且之后的上下文请求和响应消息通过网络接口传递，非常迅速，由于UE进入目标小区的覆盖范围，信号质量更好，因此最后一条空口消息“小区更新响应”非常容易传递。

4 仿真评估与结果分析

本文的切换机制性能仿真采用如图5所示的标准密集城区LTE拓扑结构，19个LTE基站使用小区折叠布网，每个基站由3个宏小区构成，平均每个宏小区的覆盖范围有5个 小 基 站[4]。

图5 异构网络切换性能评估拓扑结构

4.1 仿真用例

在HetNet的研究中，为了使小基站能够尽可能地卸载宏基站的负载，一般会采用CRE（cell range expansion，小区扩展）的方式进行UE的接入和服务。当小基站采用CRE方式时，宏基站中的UE会以更低门限Bias切入小基站，而小基站中的UE会以更高门限切入宏基站，一般在LTE下行控制信道能够工作的前提下，Bias取值在6 dB以下。不同Bias也给宏基站和微基站之间的切换带来了不同的挑战[5]。本文的切换性能研究采用表1中的Bias配置。

仿真中使用的其他配置，见表2。

4.2 切换次数

在HetNet中，切换次数和切换成功率与切换类型息息相关，在本次仿真使用的网络拓扑中，切换次数与Bias之间的关系如图6所示。宏—宏的切换次数随着Bias的增大而减小，因为小基站的有效覆盖范围增大，使很多宏—宏之间的切换转变成宏—微之间的切换，因此宏—微切换次数和微—宏切换次数都随着Bias的增加而增加[6]。同时，小基站覆盖范围变大也使得微—微之间的切换次数增加，但由于小基站的密度有限，微—微切换始终是系统中切换的极少数，只有在高密度小基站下，微—微切换性能才足够重要。

表1 仿真用例

图6 切换次数及分布

仿真结果还可以看出，不管是3GPP的传统切换方式还是本文提出的UE切换方式，在各种场景下它们的切换次数都几乎相同，极少的数量差异可以认为是仿真误差，不具有统计意义。

4.3 切换失败率

仿真结果显示，本文提出的UE级切换方案显著降低了UE切换失败率。如图7所示，随着Bias的增加，宏—宏之间的切换情况并未有太大变化，但传统3GPP切换方式的切换失败率明显高于本文的UE级切换方案，由于UE级切换方案中，UE在测到目标小区信号接收强度大于本小区一定门限后，立即由UE触发向目标小区发起切换请求，最终由目标小区直接向UE发起消息，接纳UE，由于网络的响应消息由目标小区发送，而目标小区此时的信号质量远好于源小区，因此发送的成功率就非常高[7]；而传统方案中UE获得测量信息后，需要继续在源小区逗留较长时间后，再由源小区向UE发送切换命令，此时UE会更加远离源小区，源小区的信号质量迅速下降，传递切换命令的可靠性也迅速下降，导致切换命令发送不成功而切换失败。

图7 宏—宏切换失败率

在HetNet中，宏—微之间的切换失败率随着Bias的增加而减小，如图8所示。原因是UE在由宏基站向微基站切换时，在源小区的UE信号质量变差，切换命令传输困难，而随着Bias的增加，UE将提前从宏基站向微基站切换，此时在源宏小区的信号质量更好，切换失败率反而降低。但当Bias为6 dB时，由于过早切入目标小区，此时目标小区的信号不稳定，容易造成在目标小区的切换命令传输失败，这一点也在UE级切换方式上得到体现[8]。在Bias较小的场景下，UE级切换方式几乎没有切换失败，而Bias增大时，在目标小区出现了少量的切换失败；但此时UE级切换方式的总失败次数仍然远小于传统方式。

图8 宏—微切换失败率

微基站到宏基站的切换更能说明UE级切换方式的优点，在传统切换方式下，微—宏切换是失败风险最高的一种切换类型（由于微—微切换的占比很低，本文不考虑微—微切换的情况），并且该类切换失败率就随着Bias的增加而显著增加，如图9所示；而在UE级切换方式下，切换失败率一直保持在很低的水平，即便Bias为6 dB时，仍然表现出极强的切换顽健性。

图9 微—宏切换失败率

5 结束语

在HetNet场景下，传统3GPP切换方式的切换性能很难得到保证，特别是在微基站到宏基站切换时，切换失败率较高，并且该失败风险随着微基站CRE Bias的增大而显著上升；本文提出的UE级切换方案，将切换过程中的重要命令由源小区转移到目标小区，由于一般目标小区具有比源小区更强、更稳定的信号质量，因此显著降低了切换失败率，提升了HetNet场景下的切换顽健性，同时，并未显著增加切换次数。

此外，用户面的中断时延为切换过程中的另一重要指标，其显著影响UE的感受，因此进一步研究两种切换方式下切换UE的用户面中断时延指标，是未来的工作方向。

1 胡荣贻,彭木根,张洪岩等.LTE-Advanced系统中的移动顽健性优化技术研究.电信科学,2013,29(5):84～89

2 祝炜凯,赵竹岩,康剑锋等.基于实际城区场景的TD-LTE异构网络性能研究.电信科学,2012,28(9):47～51

3 余翔,张丽,王蓉.LTE-A中异构网络的切换分析.电讯技术,2014,54(1):89～96

4 3GPP TR 36.814.Further Advancements for E-UTRA Physicallayer Aspects(Release 9),2011

5 Triantafyllopoulou D,Passos N,Kaloxylos A,et al.Coordinated handover initiation and cross-layer adaptation formobile multimedia systems.IEEE Transactions on Multimedia,2009,11(6):1131～1139

6 3GPP TS 36.331.E-UTRA Radio Resource Control(RRC);Protocol Specification(Release 9),2010

7 Hui G,Legg P.Soft metric assisted mobility robustness optimization in LTE networks.Proceedings of International Symposium on Wireless Communication Systems,Paris,France,2012:1～5

8 BarberaS,Michaelsen P,Sily M,et al.Mobility performance of LTE co-channel deployment of macro and picocells.Proceedings of IEEE Wireless Communications and Networking Conference,Shanghai,China,2012:2863～2868