LTE－A系统中基于多目标的CoMP切换算法研究

康桂华，周文波，齐 柏，黄铜娟

(河海大学物联网工程学院，常州213022)

1 引言

无线移动网络的一个重要特性就是切换，切换的提出是为了解决用户在移动过程中维持业务的连续性问题，切换管理是移动性管理的一项重要内容。当用户在移动过程中跨越小区边缘或当前通信链路的信号质量变差时，切换将会被触发并执行［1］。

切换性能是无线移动通信系统性能的重要评判指标，有效的切换算法是实现用户无处不在网络的关键。在引入CoMP(Coordinated Multipoint Transmission and Reception)技术后，系统的切换场景发生了变化，原系统中的切换算法将不能满足新场景的切换要求，因此设计一种适应新场景的有效切换算法是一个亟待解决的问题［2］，由此根据CoMP中JP技术的特点提出了一种基于多目标的CoMP切换算法。

2 CoMP技术原理

CoMP技术，即指处于多个地理位置相互独立分散的传输节点，通过不同的协作方式消除或降低小区间的干扰，为用户提供服务的技术［3］。按照传输方案的不同，CoMP技术可以分为两大类:联合处理JP(Joint Processing)技术和协作调度/波束赋形CS/CB(Coordinated Scheduling/Beamforming)技术［4］。

2.1 联合处理技术

信息可以在每个CoMP协作集中共享，让相邻的多个小区为一个用户发送数据并将小区间的干扰变为有用的信号。协作小区不仅共享用户的信道信息，而且共享用户的数据信息，其模型见图1，联合处理技术又可以细分为联合传输技术和动态小区选择技术［5］。

图1 联合处理技术

2.2 协作调度/波束赋形技术

通过小区间调度或者波束赋形去协调小区间干扰，尽量避免将相同的资源分配给干扰严重的两用户，协作小区中同时只有一个小区给一个用户(UE)传输数据，协作小区间只共享用户的信道信息，不共享用户的数据信息［6］，其模型如图2所示。

图2 协作调度/波束赋形技术

3 切换

切换是指用户正在进行呼叫或者正在会话过程中从一个基站覆盖范围移动到另一基站覆盖范围，或因为外界的干扰而引起会话质量下降，或由于一个基站覆盖范围内用户数目太多，没有足够时频资源供给所有用户传输数据时，必须改变原有的通信链路而转接到信道状况更好的新通信链路上，以保持与网络持续连接的过程［7］。

按新链路的建立顺序不同，切换可以分为硬切换、软切换、接力切换。硬切换是指用户在与新基站建立连接之前先与旧基站断开连接［8］;软切换是指用户在切断与旧基站连接之前先建立与新基站的连接;接力切换指运用准确的定位技术，将用户的方位和距离作为辅助信息来判断UE是否移动到了可切换区，如果UE进入了可切换区，无线网络控制器便告知可切换区基站做好切换准备并最终完成切换。

由于LTE－A系统中采用的是硬切换［9］，而在CoMP时需要为具有多个数据传输点的边缘用户设计一种新型切换算法，于是便提出了基于多目标的CoMP新切换算法。

4 传统A3切换算法和基于多目标的CoMP切换算法

4.1 传统A3切换算法

传统A3切换算法(简称传统切换算法)是指LTE系统中以A3事件作为切换触发条件的算法。传统切换算法只要目标小区的信号强度超过服务小区信号强度某一门限值并持续一段时间就进行切换，使用户从服务小区切换到目标小区［10］。

4.2 基于多目标的CoMP切换算法

基于多目标的CoMP切换算法包含四个单元:服务小区、CoMP测量集、CoMP协作集、CoMP传输集。切换的决定权在服务小区，服务小区同时维持每个用户(UE)与网络的连接，任何时候一个UE只能与一个服务小区保持连接。测量集是UE进行周期性的信道信息(包括参考信号接收功率、参考信号接收质量、传播时延等)测量的小区集合。CoMP协作集是直接或间接参与PDSCH(物理下行共享信道)信息传输的协作小区集合。CoMP传输集是将数据信息直接传输给UE的小区集合。

基于多目标的CoMP切换算法包括6个参量:HOM(切换迟滞门限)、TTT(触发时长)、测量周期、RB(资源块)利用率、RSRP(参考信号接收功率)、RSRQ(参考信号接收质量)。HOM是目标小区与服务小区的RSRP差值门限，TTT是目标小区与服务小区RSRP差值大于HOM的持续时间，测量周期是周期性检测切换条件的时间，切换只有在同时满足HOM和TTT的条件下才能被执行，以防止“乒乓效应”产生，导致用户在两个小区间来回切换，对系统性能和用户体验产生严重影响。

RB利用率是小区内被占用的资源块数与小区内总资源块数的比值，它描述了在时间t内小区的负载情况，其表达式如下:

式(1)中PRBusedc(t)就是小区C在时间t内的RB利用率，RBusedc(t)表示小区C在时间t内被占用的RB数，RBtotalc(t)表示小区C在时间t内可用的RB总数目。高的RB利用率显示该小区处于高负载状态，用户如果切换到高负载的小区上，不仅会影响到小区原服务用户的服务质量，而且对该用户的服务质量也会产生很大的负面影响，引起切换失败或一些不必要的切换。显然切换的目标小区应该要满足低负载、低RB利用率的要求。

RSRP是衡量小区无线信号强度的重要参数，RSRQ是表征小区信号质量好坏的关键参数，两者之间的关系为:RSRQ=N×RSRP/RSSI，其中N是系数，RSSI是某个符号内接收到的所有信号的功率平均值，包括导频信号、数据信号和小区间干扰信号等。在切换时应综合考虑RSRP与RSRQ，如果仅考虑RSRP，即使信号强度较大，但不能保证信号质量好、干扰小，而小区信号质量不好会引起用户在小区之间来回切换;如果仅考虑RSRQ，虽然能够避免用户在小区之间来回切换，但如果RSRP较小，即信号强度小，会引起掉话，所以切换时将RSRP与RSRQ进行综合考虑是合理的。基于多目标的CoMP切换算法具体实现流程如图3所示。

图3 基于多目标的CoMP切换算法流程图

当UE与服务小区(CoMP传输集中RSRP最大的小区或由原服务小区指定的新服务小区)连接后，基于多目标的CoMP切换算法开始进行小区选择或重新选择。UE在连接的服务小区(所属eNodeB)测量命令指示下对测量集中的小区信道信息进行测量，并将测量结果反馈给服务小区，与此同时服务小区通过X2接口获取测量集中各小区的负载信息(主要考虑RB利用率)。首先服务小区根据获取的RB利用率的信息按大小顺序进行升序排列，从中选取前N=5个小区作为CoMP协作集。然后服务小区综合考虑CoMP协作集中各小区的RSRP和RSRQ值选取CoMP传输集。具体操作如下:将CoMP协作集各小区RSRP和RSRQ的综合值进行降序排列，服务小区选取前M=3个小区作为CoMP传输集。选取传输集中RSRP最大的小区作为目标小区，判断该小区在整个TTT内是否满足公式(2)，若满足将触发切换，服务小区要求原CoMP传输集内所有小区取消当前的数据传输，并向UE发送切换命令，指示UE切换到目标小区即新的服务小区，UE断开与原服务小区的连接，然后与新服务小区保持连接;若不满足公式(2)，CoMP传输集开始向UE传输数据，直到下一个测量周期过期。

式(2)中RSRPt为CoMP传输集中RSRP最大的小区即目标小区RSRP的值，RSRPs是服务小区RSRP的值。该算法通过CoMP协作集和CoMP传输集的两重优选，先后考虑了小区 RB利用率、RSRP、RSRQ多目标参量，确保最终切换后的小区既有较小的负载，又有较强的信号强度和较好的信号质量。

5 仿真实验和分析

仿真场景选取7小区模型，并采用Wrap Round技术，假定用户均匀分布，用户只做匀速直线运动，但起始运动方向是随机的，速率都为160Km/h，基站和UE的接收天线和发射天线数都为2，CoMP协作集和CoMP传输集内小区数目分别为5和3，系统的主要参数如表1所示。

表1 仿真参数

采用基于多目标的CoMP切换算法与传统切换算法得到的系统吞吐量仿真结果如图4所示。

图4 系统吞吐量比较

从图4可以看出，基于多目标的CoMP切换算法与传统切换算法相比，前者能明显提升系统吞吐量，这是因为基于多目标的CoMP切换算法中，用户切换到的目标小区不仅具有较低的负载，更具有较强的信号强度及较好的信号质量，而传统切换算法只能保证目标小区具有较强的信号强度。同时，用户在CoMP条件下，能够确保3个协作小区同时为用户传输数据。综合上述原因，相对于传统切换算法，基于多目标的CoMP切换算法能够提高系统吞吐量。

图5分别给出了基于多目标的CoMP切换算法和传统切换算法的切换次数仿真结果。

图5 系统切换次数比较

从图5中可看出随着UE数的增加，两种切换算法总切换次数的变化情况。在用户数相同的条件下，基于多目标CoMP切换算法的切换总次数要少于传统切换算法。这是因为传统切换算法只要RSRP符合条件就进行切换，而基于多目标的CoMP切换算法必须在RSRP、RSRQ、RB利用率同时满足条件的情况下才进行切换，这样能减少许多不必要的切换。

6 结束语

综上所述，根据CoMP的联合处理(JP)技术特点提出的多目标CoMP切换算法，与传统切换算法相比，能提高系统的吞吐量，改善小区边缘用户的传输性能。同时还能减少系统的切换总次数，避免了系统很多不必要的切换，提高了用户的体验质量。

［1］Dongkyu Kim，Hano Wang，Jemin Lee.Analysis of Handoff Algorithm for Multihop Cellular Networks［C］.IEEE ICACT，2008.

［2］XuXiaodong，Chen Xin，Li.Jingya.Hand － over Mechanism in Coordinated Multi－Point Transmission/Reception System［J］.ZTE Communications，2010，8(1):31－35.

［3］3GPP TR36.913 V10.0.0，3rd Generation Partner－ ship Project;Technical Specification Group Radio Access Network;Requirements for further advance－ments for Evolved Universal Terrestrial Radio Acc－ess(EUTRA)(LTE －Advanced)(Release10)［S］.2011.

［4］3GPPTR36.912 V10.0.0，3rd Generation Partner－ ship Project;Technical Specification Group Radio Access Network;Feasibility study for Further Adva－ncements for E －UTRA(LTE －Advanced)(Release 10)［S］.2011.

［5］秦百爽.支持多点－多用户协作传输的切换技术研究［D］.西安:西安电子科技大学，2012.

［6］H Zhang，N B Mehta，A F Molisch，J Zhang，H Dai.Asynchronous Interference mitigation in Cooperative Base Station Systems［J］.IEEE Trans.Wireless Commun，2008，7(1):155 －164.

［7］H Nourizadeh，S Nourizadeh，R Tafazolli.Impact of the Inter－relay Handoff on the Relaying System Performance［C］.IEEE Vehicular Technology Conference，2006.

［8］Tong Wu，Jing Huang，Xinmin Yu，et al.Cost－ aware Handover Decision Algorithm for Cooperative Cellular Relaying Networks［C］.IEEE Vehicular Technology Conference，2008.

［9］K.Ronny Yongho，J Inuk，Y Xiangying，C.Chao－Chin.Advanced handover schemes in IMT－advanced systems［J］.IEEE Communications Magazine，2010，48(3):78－85.

［10］Naizheng Zheng，Wigard J.On the Performance of Integrator Handover Algorithms in LTE Networks［C］.IEEE Vehicular Technology Conference，2008.