TD—LTE与TD—SCDMA切换判决机制的探究与仿真

王蕾　廖鑫　姚锐　黄帮明

摘要：不同网络之间的切换问题是网络间互操作的重要组成部分，尤其是当前备受关注的TD-LTE与TD-SCDMA的切换问题。该文在对常规切换机制剖析的基础上，通过详尽的理论分析，根据现有切换机制的不足，提出了新的切换判决算法机制。新机制中结合了多属性切换判决中的层次分析算法和二维函数收益法，考虑了移动用户的业务喜好，并使用Matlab搭建了网络模型着重针对数据业务进行仿真，根据不同的网络收益值来实现切换的选择，验证了数据业务切换判决算法的有效性。

关键词： TD-LTE；TD-SCDMA；切换；层次分析算法；二维函数收益法；Matlab

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）13-3169-06

Research and Simulation of the Handoff Algorithm between the TD-LTE and TD-SCDMA

WANG Lei1， LIAO Xin2， YAO Rui3， HUANG Bang-ming3

（1.Institute of Information and Communication Engineering ， Chongqing University of Posts and Telecommunications， Chongqing 400065， China； 2.Shenzhen Huawei Technologies Co.， Ltd.， Shenzhen 518000，China；3.China Mobile Group Design Institute Co. Ltd.， Chongqing Branch， Chongqing 401147，China）

Abstract： Handoff between the different networks is an important part of network interoperability. Especially the handoff between TD-SCDMA and LTE has attracted much attention. This paper is base on the conventional handoff strategy and detailed theoretical analysis. According to the shortage of the existing handoff mechanism， this paper puts forward a new handoff judgment algorithm mechanism， which combines with analytic hierarchy process and two-dimensional function income approach in the multi-attribute switching judgment algorithm， and considers the mobile user's business preferences. To verify the effectiveness of this new mechanism， especially for data service， this paper uses Matlab to build a network model to simulate the handoff function performance indicators， and finally confirms the efficiency of this new handoff algorithm on mobile data service.

Key words： TD-LTE；TD-SCDMA；Handoff； analytic hierarchy process； two-dimensional function income approach； Matlab

1 概述

TD-LTE是我国自主知识产权标准，得到了政府的大力支持，并且电信运营商中国移动已经在广州等10城市部署了实验网，用来进行规模网络技术试验。在通信网络业务的承载方式上，在网络建设初期的时候TD-LTE可能被作为纯数据网络，语言业务则主要由2G/3G网络来承载，但在TD-LTE网络技术逐步成熟，网络规模逐渐扩大以后，TD-LTE可能会同时提供语言和数据业务。因此，在网络逐步发展与成熟的一段长期的时间里， TD-LTE与TD-SCDMA共同覆盖问题是不可避免的。

2 切换概述

在移动性管理中，切换问题是核心问题之一。在用户终端的移动过程中，由于各种不同的原因，例如网络性能的变化，常常要重新选取合适的网络进行切换接入，为了使用户在移动的过程中获得不间断，通信质量良好的服务，也为了使网络的各项性能更优，就必须使用切换技术来达到上述目标。

2.1 切换定义

切换是当移动终端从一个基站覆盖区变化到另一个基站覆盖区，或者受到干扰，由原服务信道转接到新的空闲信道上，以便确保连续的通信服务，并保证用户感受“无缝的连接”，防止通信服务的中段。

2.2 切换种类

移动通信系统基于不同的原理和场景，有这不同的分类方法。例如：

1） 根据移动通信系统中四种不同的切换控制方式，可以分为，移动台控制切换，网络控制切换，以及移动台辅助切换，网络辅助切换。

2） 根据切换的同步机制又可分为：硬切换，软切换和接力切换。硬切换是在不同频率的基站货覆盖小区之间的切换。软切换是指载波频率相同的小区间的一种切换。接力切换时一种改进的硬切换技术，相比于硬切换，它提高了切换成功率；相比于软切换，可减少占用邻近基站信道资源，增加系统容量。endprint

3） 根据移动终端是否被接入到同一种技术组成的网络当中，可以分为系统内切换和系统间切换。系统内切换是指同种技术组成的网络系统之间的切换。系统间切换是指不同技术组成的网络系统之间的切换。

2.3 切换过程

无线网络环境下，切换一般包括3个基本步骤：第一，切换测量；第二，切换判决；第三，切换执行。如下图1所示。

图1 切换基本流程图

1） 切换测量

切换测量阶段是搜索在搜索的范围内有哪些网络，并且确定这其中有哪些网络是符合切花要求的备选网络的过程，完成测量各种切换信号的参数包括信号强度、频率等，并根据提取到的参数信息生成相应的测量报告。

2） 切换判决

切换判决阶段是以切换测量阶段所搜索到的信息为基础的。切换的判决和对应的资源分配需要移动终端评估所有目标网络的性能，同时再综合自身所处的原网络的性能之后，根据某种切换准则来进行相应的切换。

3） 切换执行

在通信系统在切换判决阶段完成了判决之后，相应的与切换有关的工作由切换执行阶段来完成。

3 TD-SCDMA和TD-LTE切换算法的研究

TD-SCDMA与TD-LTE网络之间的切换主要是网络系统的性能要求，没有考虑到用户的对网络服务的某方面的要求比如用户注重高带宽，因此时延可以相对的不那么重要，有些用户希望资费低，网络质量要求不高，而现有的TD-SCDMA与TD-LTE网络切换时只考虑了网络性能而没有考虑用户的需求因素，比如TD-SCDMA 网络注重语音和数据业务并重，而TD-LTE网络在网络运营前期会比较注重数据业务，语音业务会由TD-SCDMA网络和GSM网络来承载， 综上所述TD-SCDMA与TD-LTE网络之间的切换存在一定的瑕疵，也不能综合反应用户对网络的需求，而多属性切换判决算法是综合考虑多个因素的，其中层次分析法是其中的一种。

3.1 层次分析法（AHP）

层次分析（Analytical Hirachy Process）算法利用经验或其他方法得到各方案相对于每个准则的相对权重，并根据每个准则相对于总目标的相对权重，得到各个方案相对于总目标的权重，从而得以选出最优方案。

运用AHP进行判决的时候，大体上可分为以下4个步骤：（1）建立系统的递阶层次结构模型；（2） 构造出比较判决矩阵，对同一级别的各参与到判决属性的元素对于上一层中的某个判决标准的重要性进行相互间的比较，比较完之后用数字予以量化，从而就构成了判决矩阵；（3）由判决矩阵计算出相应的相对权重，并运用矩阵的相关理论进行一致性检验； （4）对各层元素的系统总目标的组合权重进行计算。

3.2 二维收益函数加权法

如果把网络空间视作一个二维空间，在这个空间中，备选网络使用行向量表示，网络的参数值使用列向量表示。属性j的值被rij 来表示，属性的重要性的权重的量化值我们用wj来表示。把各个备选网络属性的属性值rij和它相对应的其权重wj相乘，再把各个网络不同的属性加起来就得到这个网络的总得分值Asaw*。对收益函数来说，它会选择总得分最大的网络成为他首先考虑的切换的目标网络，因为总得分最大，对收益函数来说意味着网络收益是最大的，其公式用数学语言描述如下式（1）所示：

[A*saw=argmaxj=1Nrijwj] （1）

3.3 新的切换机制流程

根据以上阐述我们可以提出以下切换判决思想：

1） 首先把接收到的信号强度作为硬性切换判决，根据测量报告中获得的RSS值，不同网络的RSS值不相同。选取RSS值满足切换条件的网络，把RSS值是切换判决的必要条件。

2） 在1）的基础上加入目标函数的判决因子，根据AHP层次分析法构造出判决矩阵，并用一致性检测分析出判决矩阵是否合理，若合理得到相应的权重。

3） 得到的权重与判决属性相乘得到最大收益值的网络进行切换。其流程图如下图2所示。

图2 TD-LTE与TD-SCDMA切换新算法流程图

3.4 判决因子的选取以及构造判决矩阵

3.4.1判决因子的选取

因为TD-LTE网络前期主要是承载数据业务，所以在TD-SCDMA与TD-LTE网络间切换主要考虑数据业务，在数据业务中我们选择接收到的信号强度、传输速率、时延以及资费4个参数作为判决因子。

1） 接收信号强度：我们分为两个两种情况分别是无线信号在自由空间中传播考虑和不考虑快衰落的情况，无线信号在自由空间中传播的信号强度与距离的关系如下式（2）， 式（3）所示。

[PL（dB）=32.44+20lgd（KM）+20lgf（MHZ）] （2）

[Pr（dB）=Pt-PL] （3）

PL为路径损耗Pt为发射天线的信号强度。如果考虑快衰落的话则其服从瑞利分布。

2） 传输速率、时延、资费根据电信运营商实际工作中的来设置。

3.4.2 判决矩阵的构造和一致性检测

1） 判决比较判决矩阵的建立是要看各层元素中下一层各个元素之间对于上层要达到的目标的重要性，并将其量化后得到的值。同层中的两个元素u1 u2 进行比较，比较哪一个元素更重要一些并且这个元素比另外一个元素重要多少，然后按照T.L.Saaty教授的1-9标度法将进行相对重要程度进行赋值，具体可参考文献[4]中所述。

2） 为了验证构造判决矩阵的构造的合理性，矩阵的一致性检验是必不可少的也是保障。

进行一致性检验可按如下步骤来进行：

a） 首先是一致性指标C.I.的计算，其计算公式如式（4）所示：

[C?I?=λmax-nn-1] （4）

其中[λmax]为Vm=λm中λ的最大特征值，n为判决矩阵的阶数。

b） 其次是关于n的值对应的平均随机一致性指标R.I.值的查找：T.L.Saaty教授在1980年给出了样本容量100-500的1-15阶矩阵的R.I.值，具体值可参考文献[4]。

c） 最后是需要把[C?I?]与[R?I?]做比较得到一致性比例C.R.的大小，如式（5）所示：

[.C?R?=C?I?R?I?] （5）

如果按式（5）计算出的一致性比例[C?R?]的值小于0.1，那么表明判决矩阵的构造是相对合理；反之，如果大于0.1判决矩阵的构造不合理需要调整，以保持一定程度的一致性。

3.5 数据业务网络参数权重的分析与计算

因为TD-LTE前期是以承载数据业务为主，我们就以数据业务来构造的判决矩阵。通常来说数据业务对带宽要求高 ，但对时延较敏感不高，实时性不强。根据前面描述可构造判决矩阵以及计算出来的相对权重如下表1所示。

表1 数据业务判决矩阵及权重

[Vij＼&信号强度＼&传输速率＼&时延＼&资费＼&权重＼&信号＼&1＼&1/5＼&3＼&5＼&0.2218＼&速率＼&5＼&1＼&5＼&7＼&0.6129＼&时延＼&1/3 ＼&1/5＼&1＼&3＼&0.1127＼&资费＼&1/5＼&1/7 ＼&1/3 ＼&1＼&0.0527＼&]

根据式（4），式（5）对判决矩阵进行一致性检验：当n=4时，查相关表可得R.I.=0.90，则C.R.=C.I./R.I.==0.089<0.1，因此这个判决矩阵具有一致性。

4 仿真验证

4.1 仿真模型的搭建

4.1.1 参数的初始化和场景

1） TD-SCDMA与TD-LTE共覆盖的范围内覆盖半径1000 m；TD-SCDMA中心坐标（0，500），覆盖半径1000 m；两个TD-LTE基站的中心坐标为（150，0）（-150，0）覆盖半径为170 m；TD-SCDMA基站发射功率为70 dBm， TD-LTE基站发射功率为65 dBm， 移动终端以5 m/s的速度经过指定的点，分为考虑快衰落和不考虑快衰落的两种情景。

2） 用户在这个范围内行走路线必须经过以下几点：（-600，300），（-20， 40），（0， 40），（20， 40），（600，500） 。

图3 系统模拟场景仿真图

3） TD-SCDMA网络工作频率2020 MHz，接入门限值为-55 dBm，断开门限为-70 dBm；TD-LTE工作频率为2600 MHz， 接入门限值为-50 dBm，断开门限为-65 dBm。其场景如图3所示。

4.2 仿真结果及分析

4.2.1 数据业务仿真结果一

数据业务（自由空间损耗中不考虑快衰落）根据以上模型的搭建和参数的设置，在MATLAB仿真平台在不考虑快衰落的情况下，用户切换如下图4，图5，图6所示。

图4 仿真时接收信号强度图 图5 网络贡献值

图6 用户终端选择接入网络

4.2.2 数据业务仿真结果二

数据业务（自由空间损耗中考虑快衰落）根据以上模型的搭建和参数的设置，在MATLAB仿真平台在考虑快衰落的情况下，用户切换如下图7，图8，图9所示。

图7 仿真时接收信号强度图 图8 网络贡献值

分析：仿真结果表明在考虑与不考虑快衰落的两种情况下，数据业务中，图6和图9的终端接入网络都与图5和图8中的网络收益情况相符合；从而验证了AHP算法和二维函数收益法的有效性。

5 总结

综上所述， 在TD-SCDMA与TD-LTE切换引入层次分析法能更好的为移动客户服务，客户提供更多的选择，同时能为运营商提供更好的网络部署的指导，下一步我们可以从阴影衰落对切换次数的角度出发，看网络的切换次数情况。

参考文献：

[1] 阮国伟.UMTS切换子系统的设计与研究[D]. 武汉：华中科技大学，2005.

[2] 张凯.TD-LTE与TD-SCDMA、GSM跨系统重选技术及其测试方法研究 [D]. 北京：北京邮电大学硕士论文，2010.

[3] 3GPP TR 36.300T Radio Access Network Overall description；stage2.Release10[S].

[4] 贺昕，李斌.异构无线网络切换技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2009.

2） 为了验证构造判决矩阵的构造的合理性，矩阵的一致性检验是必不可少的也是保障。

进行一致性检验可按如下步骤来进行：

a） 首先是一致性指标C.I.的计算，其计算公式如式（4）所示：

[C?I?=λmax-nn-1] （4）

其中[λmax]为Vm=λm中λ的最大特征值，n为判决矩阵的阶数。

b） 其次是关于n的值对应的平均随机一致性指标R.I.值的查找：T.L.Saaty教授在1980年给出了样本容量100-500的1-15阶矩阵的R.I.值，具体值可参考文献[4]。

c） 最后是需要把[C?I?]与[R?I?]做比较得到一致性比例C.R.的大小，如式（5）所示：

[.C?R?=C?I?R?I?] （5）

如果按式（5）计算出的一致性比例[C?R?]的值小于0.1，那么表明判决矩阵的构造是相对合理；反之，如果大于0.1判决矩阵的构造不合理需要调整，以保持一定程度的一致性。

3.5 数据业务网络参数权重的分析与计算

因为TD-LTE前期是以承载数据业务为主，我们就以数据业务来构造的判决矩阵。通常来说数据业务对带宽要求高 ，但对时延较敏感不高，实时性不强。根据前面描述可构造判决矩阵以及计算出来的相对权重如下表1所示。

表1 数据业务判决矩阵及权重

[Vij＼&信号强度＼&传输速率＼&时延＼&资费＼&权重＼&信号＼&1＼&1/5＼&3＼&5＼&0.2218＼&速率＼&5＼&1＼&5＼&7＼&0.6129＼&时延＼&1/3 ＼&1/5＼&1＼&3＼&0.1127＼&资费＼&1/5＼&1/7 ＼&1/3 ＼&1＼&0.0527＼&]

根据式（4），式（5）对判决矩阵进行一致性检验：当n=4时，查相关表可得R.I.=0.90，则C.R.=C.I./R.I.==0.089<0.1，因此这个判决矩阵具有一致性。

4 仿真验证

4.1 仿真模型的搭建

4.1.1 参数的初始化和场景

1） TD-SCDMA与TD-LTE共覆盖的范围内覆盖半径1000 m；TD-SCDMA中心坐标（0，500），覆盖半径1000 m；两个TD-LTE基站的中心坐标为（150，0）（-150，0）覆盖半径为170 m；TD-SCDMA基站发射功率为70 dBm， TD-LTE基站发射功率为65 dBm， 移动终端以5 m/s的速度经过指定的点，分为考虑快衰落和不考虑快衰落的两种情景。

2） 用户在这个范围内行走路线必须经过以下几点：（-600，300），（-20， 40），（0， 40），（20， 40），（600，500） 。

图3 系统模拟场景仿真图

3） TD-SCDMA网络工作频率2020 MHz，接入门限值为-55 dBm，断开门限为-70 dBm；TD-LTE工作频率为2600 MHz， 接入门限值为-50 dBm，断开门限为-65 dBm。其场景如图3所示。

4.2 仿真结果及分析

4.2.1 数据业务仿真结果一

数据业务（自由空间损耗中不考虑快衰落）根据以上模型的搭建和参数的设置，在MATLAB仿真平台在不考虑快衰落的情况下，用户切换如下图4，图5，图6所示。

图4 仿真时接收信号强度图 图5 网络贡献值

图6 用户终端选择接入网络

4.2.2 数据业务仿真结果二

数据业务（自由空间损耗中考虑快衰落）根据以上模型的搭建和参数的设置，在MATLAB仿真平台在考虑快衰落的情况下，用户切换如下图7，图8，图9所示。

图7 仿真时接收信号强度图 图8 网络贡献值

分析：仿真结果表明在考虑与不考虑快衰落的两种情况下，数据业务中，图6和图9的终端接入网络都与图5和图8中的网络收益情况相符合；从而验证了AHP算法和二维函数收益法的有效性。

5 总结

综上所述， 在TD-SCDMA与TD-LTE切换引入层次分析法能更好的为移动客户服务，客户提供更多的选择，同时能为运营商提供更好的网络部署的指导，下一步我们可以从阴影衰落对切换次数的角度出发，看网络的切换次数情况。

参考文献：

[1] 阮国伟.UMTS切换子系统的设计与研究[D]. 武汉：华中科技大学，2005.

[2] 张凯.TD-LTE与TD-SCDMA、GSM跨系统重选技术及其测试方法研究 [D]. 北京：北京邮电大学硕士论文，2010.

[3] 3GPP TR 36.300T Radio Access Network Overall description；stage2.Release10[S].

[4] 贺昕，李斌.异构无线网络切换技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2009.

2） 为了验证构造判决矩阵的构造的合理性，矩阵的一致性检验是必不可少的也是保障。

进行一致性检验可按如下步骤来进行：

a） 首先是一致性指标C.I.的计算，其计算公式如式（4）所示：

[C?I?=λmax-nn-1] （4）

其中[λmax]为Vm=λm中λ的最大特征值，n为判决矩阵的阶数。

b） 其次是关于n的值对应的平均随机一致性指标R.I.值的查找：T.L.Saaty教授在1980年给出了样本容量100-500的1-15阶矩阵的R.I.值，具体值可参考文献[4]。

c） 最后是需要把[C?I?]与[R?I?]做比较得到一致性比例C.R.的大小，如式（5）所示：

[.C?R?=C?I?R?I?] （5）

如果按式（5）计算出的一致性比例[C?R?]的值小于0.1，那么表明判决矩阵的构造是相对合理；反之，如果大于0.1判决矩阵的构造不合理需要调整，以保持一定程度的一致性。

3.5 数据业务网络参数权重的分析与计算

因为TD-LTE前期是以承载数据业务为主，我们就以数据业务来构造的判决矩阵。通常来说数据业务对带宽要求高 ，但对时延较敏感不高，实时性不强。根据前面描述可构造判决矩阵以及计算出来的相对权重如下表1所示。

表1 数据业务判决矩阵及权重

[Vij＼&信号强度＼&传输速率＼&时延＼&资费＼&权重＼&信号＼&1＼&1/5＼&3＼&5＼&0.2218＼&速率＼&5＼&1＼&5＼&7＼&0.6129＼&时延＼&1/3 ＼&1/5＼&1＼&3＼&0.1127＼&资费＼&1/5＼&1/7 ＼&1/3 ＼&1＼&0.0527＼&]

根据式（4），式（5）对判决矩阵进行一致性检验：当n=4时，查相关表可得R.I.=0.90，则C.R.=C.I./R.I.==0.089<0.1，因此这个判决矩阵具有一致性。

4 仿真验证

4.1 仿真模型的搭建

4.1.1 参数的初始化和场景

1） TD-SCDMA与TD-LTE共覆盖的范围内覆盖半径1000 m；TD-SCDMA中心坐标（0，500），覆盖半径1000 m；两个TD-LTE基站的中心坐标为（150，0）（-150，0）覆盖半径为170 m；TD-SCDMA基站发射功率为70 dBm， TD-LTE基站发射功率为65 dBm， 移动终端以5 m/s的速度经过指定的点，分为考虑快衰落和不考虑快衰落的两种情景。

2） 用户在这个范围内行走路线必须经过以下几点：（-600，300），（-20， 40），（0， 40），（20， 40），（600，500） 。

图3 系统模拟场景仿真图

3） TD-SCDMA网络工作频率2020 MHz，接入门限值为-55 dBm，断开门限为-70 dBm；TD-LTE工作频率为2600 MHz， 接入门限值为-50 dBm，断开门限为-65 dBm。其场景如图3所示。

4.2 仿真结果及分析

4.2.1 数据业务仿真结果一

数据业务（自由空间损耗中不考虑快衰落）根据以上模型的搭建和参数的设置，在MATLAB仿真平台在不考虑快衰落的情况下，用户切换如下图4，图5，图6所示。

图4 仿真时接收信号强度图 图5 网络贡献值

图6 用户终端选择接入网络

4.2.2 数据业务仿真结果二

数据业务（自由空间损耗中考虑快衰落）根据以上模型的搭建和参数的设置，在MATLAB仿真平台在考虑快衰落的情况下，用户切换如下图7，图8，图9所示。

图7 仿真时接收信号强度图 图8 网络贡献值

分析：仿真结果表明在考虑与不考虑快衰落的两种情况下，数据业务中，图6和图9的终端接入网络都与图5和图8中的网络收益情况相符合；从而验证了AHP算法和二维函数收益法的有效性。

5 总结

综上所述， 在TD-SCDMA与TD-LTE切换引入层次分析法能更好的为移动客户服务，客户提供更多的选择，同时能为运营商提供更好的网络部署的指导，下一步我们可以从阴影衰落对切换次数的角度出发，看网络的切换次数情况。

参考文献：

[1] 阮国伟.UMTS切换子系统的设计与研究[D]. 武汉：华中科技大学，2005.

[2] 张凯.TD-LTE与TD-SCDMA、GSM跨系统重选技术及其测试方法研究 [D]. 北京：北京邮电大学硕士论文，2010.

[3] 3GPP TR 36.300T Radio Access Network Overall description；stage2.Release10[S].

[4] 贺昕，李斌.异构无线网络切换技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2009.