LTE-Advanced中继系统切换优化算法

朱国晖, 向 珍

(西安邮电大学 通信与信息工程学院， 陕西 西安 710121)

LTE-Advanced中继系统切换优化算法

朱国晖, 向 珍

(西安邮电大学 通信与信息工程学院， 陕西 西安 710121)

为了提高LTE-Advanced中继系统的切换性能，提出一种能够提高系统性能的切换优化算法。在切换测量阶段加入测量平均窗口，减小多径效应对接收信号的影响，并考虑用户移动速度对切换测量和切换执行时间的影响；在切换实施阶段，结合LTE-Advanced中继系统中引入的载波聚合技术，采用改进的边缘共享中继方案。经仿真表明，该算法可减少乒乓效应及平均掉话率，简化切换信令流程，降低切换中断时间，提高边缘用户吞吐量。

协作通信；用户速度；共享中继

在移动通信系统中，切换是移动性管理的一部分。切换算法机制的研究主要集中在四个方面：切换测量控制、切换目标站点的选择、切换执行时间以及切换实施过程。对切换测量控制的研究，主要是基于接收信号强度，例如基于用户运动机制计算接收信号强度的权重[1]，考虑到用户运动方向和运动速度对测量信号的影响，但却忽略了多径效应对接收信号的影响。对于切换目标站点的选择的研究主要是多目标的选择算法，例如基于信号强度和负载的多目标站点选择算法[2]。切换执行时间的研究主要是解决在什么时候发起切换时最合适的，例如根据终端移动速度的不同，可动态地调整基于参考信号接收功率(Reference Signal Receiving Power, RSRP)测量的滞后容限[3]。切换实施过程的研究主要是尽最大可能减少切换信令的开销，提高系统吞吐量，例如基于辅助载波的协作切换算法[4]，虽采用高频切换，低频辅助，以降低切换中断概率并提高系统吞吐量，但却未能减少切换信令，再如共享中继切换算法[5]，减少了中继数量，从而能减少信令开销及切换中断时间，但却未能达到进一步提高边缘用户吞吐量的目的。

LTE-Advanced系统中由于中继的引入使得切换场景更加复杂，如何提高切换成功率，简化切换信令流程，提升用户吞吐量是目前切换算法研究的三个主要方面。本文将综合考虑这三个方面，引入测量平均窗口，以获得更准确的测量结果，同时考虑用户移动速度对切换的影响，以提高切换成功率，并借鉴文献[4-5]的优点，在减化切换信令流程的同时,进一步提高边缘用户的吞吐量。

1 优化算法

从切换测量控制、切换执行时间以及切换实施过程三方面对现有切换算法进行优化并考虑用户移动速度对切换的影响。

1.1 切换测量控制

无线信号在传输时，由于移动信道的影响，接收信号的强度可能存在偏差，对一定时间内的接收信号进行平均，可以获得比较可靠的测量结果。现采用矩形测量窗口，用户接收到来自基站的平均信号电平为

其中a(d)表示用户接收到的基站信号强度，dav表示测量窗口长度，单位m，根据用户移动速度的不同，选取测量窗口长度。将用户移动速度分为高低两种，当移动速度较快测量窗口长度可以略短以防止掉话发生。当移动速度较低，测量窗口长度可以略长，以避免乒乓效应。

1.2 切换执行时间

在基于RSRP测量的切换算法中，当测量配置下发后，用户测量主小区和目标小区的RSRP，随着用户往小区边缘移动，主小区的RSRP不断减小，目标小区的RSRP不断增大，当两者的差值达到切换滞后差值(Hysteresis Offset Margin, HOM)时，定时器开启，达到触发时间(Time To Trigger, TTT)后，用户发送测量报告给基站，基站决策是否执行切换[6],如图1所示。

图1 基于RSRP测量的切换算法

根据用户移动速度的不同，选择适当的HOM，在适当的时间触发切换可以提高切换的成功率。当移动速度较快时，减小HOM以防止掉话发生。当移动速度较低，增大HOM 减少切换次数，降低乒乓效应的发生。

1.3 切换实施过程

在LTE-Advanced系统中，为了增强网络的覆盖能力，采用中继技术来扩大小区覆盖面积；为获得更高频谱效率和吞吐量，引入了载波聚合、多用户多输入多输出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)、多点协同传输等新技术[7]。LTE-Advanced的部署频段为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，高频载波资源相对较多，且抗干扰能力强，低频载波传播范围更广。基于LTE-Advanced中继系统的新技术及频段资源，结合边缘共享中继[5]和的高低频协作通信[4]，给出改进的边缘共享中继方案。

在中继部署上，采用边缘共享中继方案，两个相邻基站共享同一个中继，为了避免干扰，中继使用不同的频率为两基站的用户提供服务。对于基站周围的用户，采用基站-用户一条链路为用户服务；对于边缘用户，文献[5]只用了基站-中继-用户一条链路，现利用协作通信技术，采用基站-用户和基站-中继-用户两条链路为用户服务。采用与原有中继方案相比，减少切换时使用的中继数量，从而简化了切换信令流程；在原有中继方案中，在切换时，用户必须先断开源小区中继，然后再与目标小区中继建立连接，在边缘共享中继方案中，中继和用户间链路的始终相连，从而降低了切换中断时间；由于中继的位置更加靠近小区边缘，增强小区边缘的覆盖能力，采用两条链路为边缘用户服务，提高了边缘用户的吞吐量。图2为边缘共享中继方案的切换场景。

图2 边缘共享中继方案的切换场景

在通信方式上，采用高低频载波辅助切换方式，充分运用高低频载波的特性。基站到用户间直连链路的距离较远，采用低频载波传输；基站到共享中继间回程链路的距离，比原有共享中继方案中回程链路的距离远，为了提高基站到共享中继间信号质量，同样采用低频载波传输信号；中继到用户间的接入链路，由于距离较近，采用高频载波传输信号。在切换前，基站-用户和基站-中继-用户两条链路同时为用户服务，用户收到两条链路的信号后通过载波聚合技术处理信号(这里用不同频带内的载波聚合技术)，将高低频载波聚合成大带宽载波[8]。在用户切换时，共享中继改变高频载波频率后(即对于目标小区，用户和共享中继的接入链路已建立)，再断开原基站-用户间低频直连链路，然后用户和目标基站间实现同步，建立目标基站-用户间低频直连链路。改进后的边缘共享中继方案的切换场景如图3所示。通过这种切换方案，可减少切换信令流程，降低切换中断时间，进一步提高边缘用户的吞吐量。

图3 改进后的边缘共享中继方案的切换场景

结合图3的切换场景，具体的切换流程如图4所示。

图4 改进后的切换信令流程

为了保证控制信令的可靠传输，除了用户设备(User Equipment, UE)与目标eNodeB间的上行接入信令用直连链路外(为了缩短UE上行同步的时间)，其余都用eNodeB-共享中继节点(Relay Node, RN)-UE链路传输，具体过程如下。

步骤1 UE对与源eNodeB间的低频载波信号进行测量，如果低频载波满足持续通信的条件，则执行步骤2，若不满足则执行步骤3。

步骤2 UE对与RN间的高频载波信号进行测量，如果满足持续通信的条件，就转回步骤1，如果满足切换条件就执行步骤3。

步骤3 UE发送测量报告给源eNodeB，源eNodeB接收到测量报告后，决策是否发起切换，决定切换后，使用低频载波向目标eNodeB发送切换请求。

步骤4 目标eNodeB决定切换后，使用低频载波，通过源eNodeB向UE和共享RN发送切换命令。

步骤5 共享RN收到切换命令后，将高频载波频率从f1改为f2，并继续与UE通信，共享RN将未传输完的数据都传给UE，UE也将未传输完的数据都传给共享RN，共享RN缓存收到的数据，等待UE与目标eNodeB实现同步。这一步可实现中继与用户间数据的不间断传输，降低切换时间。

步骤6 UE在收到共享RN传来的载频为f2的数据后，断开与源eNodeB间的低频直连链路，通过低频直连链路实现与目标eNodeB的同步。

步骤7 目标eNodeB请求移动管理实体(Mobility Management Entity, MME)进行路径切换，源eNodeB停止数据转发并释放资源。

2 仿真及结果分析

针对用户在高低两种移动速度下，选取不同测量平均窗口长度及切换滞后差值，对切换次数及切换平均掉话的影响进行仿真。

每个基站使用三个120°的定向天线，分成三个小区，RN使用全向天线。UE的移动速度，高速取为50 km/h，低速取为5 km/h。UE沿直线方向从一个小区移动到另一个小区。表1为各项仿真参数。

表1 仿真参数

UE低速移动时，从图5和6可以看出，随着切换滞后差值(HOM)的增大，平均切换次数不断减小；随着测量窗口长度的增大，平均切换次数也不断减小。平均切换次数的减小，即降低了乒乓效应的发生。因此在UE低速移动时，应适当增大HOM和测量窗口长度。

图5 不同HOM对切换次数的影响

图6 不同测量窗口长度对切换次数的影响

UE高速移动时，从图7和8可以看出，随着HOM的增大，平均掉话率不断上升，最后接近于0；随着测量窗口长度增大，平均掉话率也不断上升。平均掉话率越大，通信质量越差。因此在UE高速移动时，应适当减小HOM和测量窗口长度。

图7 不同HOM对平均掉话率的影响

图8 不同测量窗口长度对平均掉话率的影响

边缘用户的累计分布函数(Cumulative Distribution Function，CDF)曲线如图9所示。

(a) 情形1

(b) 情形3

仿真场景可以分为城区和郊区环境，分别对应3GPP定义的情形1和情形3。仿真时，UE以3 km/h的速度沿直线从一个小区移动到另一个小区。从图9可以看出，与原中继方案相比，边缘共享中继方案在一定程度上提高了边缘用户的吞吐量，这是因为，共享中继的部署位置更靠近小区边缘，因此在同等覆盖能力下，边缘用户接收到信号质量更强，同时中继数量减少，使得用户受到的噪声干扰降低，从而改善了边缘用户的通信质量，提高了吞吐量。与边缘共享中继方案相比，改进后的边缘共享中继方案大幅度的提升了边缘用户的吞吐量。这是因为在新方案中采用了基站-中继-用户和基站-用户两条链路为边缘用户通信，并且引入了载波聚合技术及利用高低频载波的特性，很好的增大了边缘用户的接受信号强度，同时提高了小区边缘的吞吐量。

3 结束语

提出一种LTE-Advanced中继系统切换优化算法，从切换测量控制、切换执行时间、切换实施过程三方面入手，考虑用户移动速度，结合LTE-Advanced系统特有的载波聚合技术、协作通信技术，以及利用高低频载波的特性，达到了减少乒乓效应、降低平均掉话率、提高边缘用户吞吐量和减少切换信令流程的目的。对于LTE-Advanced系统，中继的引入将使得切换环境更加复杂，因此可考虑进一步加强对中继系统的研究，使其在提高系统覆盖能力的同时，实现切换优化。

[1] 孙巍巍.3GPP LTE系统中结合位置预测的切换算法[D].天津:天津大学，2012:40-44.

[2] 王力. LTE-Advanced系统中切换算法和节能算法研究[D].西安:西安电子科技大学，2011:33-35.

[3] 张博. LTE切换优化方法的研究概述[D].重庆:重庆邮电大学，2013:54-56.

[4] 何炜扬.LTE-Advanced中继系统切换机制的研究[D].西安：西安邮电大学，2014:33-39.

[5] 王宗文.面向IMT-Advanced切换问题研究:边缘共享中继方案[D]，北京:北京邮电大学，2010:36-38.

[6] 张普.LTE系统中切换算法研究[J].西安邮电学院学报，2010,15(3):3-4.

[7] 郭会茹，卢光跃，孙长印.协作多点传输技术原理及仿真分析[J].西安邮电学院学报，2011,16(4):5-8.

[8] 曹恒，张欣.LTE-Advanced系统中的多载波聚合技术[J].现代电信科技，2009,2(2):48-49.

[责任编辑:王辉]

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

陕西省教育厅科学研究计划资助项目(07JK377)

朱国晖(1969-)，男，博士，教授，从事移动互联网研究。E-mail: zhgh@xupt.edu.cn 向珍(1989-)，女，硕士研究生，研究方向为移动互联网。E-mail:971213236@qq.com

TN929.53

A

2095-6533(2014)06-0048-05