LTE-A中异构网络的切换分析*

2014-09-07,**,2

电讯技术 2014年1期

关键词：异构基站概率

,**,2

(1.重庆邮电大学,重庆 400065;2.电子科技大学，成都 611731)

LTE-A中异构网络的切换分析*

余翔1，张丽1,**，王蓉1,2

(1.重庆邮电大学,重庆 400065;2.电子科技大学，成都 611731)

在传统网络数据流量爆发性增长、频谱效率已接近极限值的形式下，异构组网是增加网络容量、提高数据速率的有效方式。LTE-A系统中异构组网引入低功率节点，缩短了网络与用户间距离，提高了无线链路质量和频谱效率，逐渐成为LTE-A系统中的关键技术之一，但同时也带来复杂的移动性管理等问题。在深入分析3GPP E-UTRA协议规范的基础上，首先建立了LTE-A Macro-Pico异构网络拓扑模型，然后对Macro-to-Pico和Pico-to-Macro双向切换概率进行了分析和仿真。在此基础上，给出了用户及其相关网络参数对于切换成功概率的影响分析。

LTE-A系统；异构网络；Macro-Pico网络模型；切换概率分析

1 引言

先进的长期演进系统(Long Term Evolution-Advanced,LTE-A)中的异构网络(Heterogeneous Network,HetNet)在原有的宏小区组成的同构网络中增加低功率节点(Low Power Nodes,LPNs)，消除了小区覆盖盲点，扩大了网络覆盖范围，从而增加了网络容量和用户吞吐量，成为当前最有希望解决传统网络问题，提供性能上巨大飞跃的一个方案。异构网络元素的多样化形成新的组网方式，在解决了大量用户需求的同时也带来了复杂的移动性管理问题。如何在多样化的异构组网中保持移动用户终端的通信持续性已经成为网络研究热点之一[1-4]。

在LTE-A系统中，由于用户终端(User Equipment,UE)的移动性，为保证UE通信的连续不间断需执行切换过程，将UE的服务小区从源小区切换到可提供更强信号质量的目标小区。在同构网络中，UE使用相同设置的切换参数切换到目标小区，但在异构网络中，如果UE也都使用相同的切换参数设置，将有可能增加切换失败或乒乓效应发生的概率，从而影响切换性能[5]。切换问题将导致用户掉话、数据丢失和系统资源浪费等一系列的移动性管理问题，影响系统性能。为了提高网络切换性能，已有许多文献对切换算法、切换机制、切换过程等方面进行了研究和优化，本文将从切换参数配置方面分析对切换成功概率的影响，进而得到适当的配置来最大化切换成功的可能性[6-7]。

本文主要研究LTE-A系统宏基站和微微基站组成的异构网络场景中用户服务网络的切换情况，通过分析UE在Macro-Pico异构网络模型中切换成功的概率，评估切换性能。网络仿真得出切换分析结果：不同参数条件对切换成功概率影响不同，特别是在高速移动情况下影响更为明显。比较分析各因素对切换成功概率的影响，适当调整和平衡切换参数配置，获取最大的切换成功可能性，进而使系统提供更大的带宽、更高的数据速率，改善网络覆盖情况，增加系统容量和提高用户吞吐量，满足用户对网络的需求。

2 LTE-A异构网络

LTE-A中异构网络(HetNet)是由宏小区(Macrocell)、射频拉远(Remote Radio Head,RRH)和低功率节点(LPNs)混合组成的，其中，LPNs包括微微基站(Pico)、家庭基站(Femto)和中继节点(Relay Node)，它们有不同的发射功率、覆盖范围和回程，但它们的发射功率都小于宏小区，较同构网络减少了资源开销，降低了运营成本。网络中节点类型多样化，形成不同的组网结构，在实际部署场景中，可以根据周围的环境部署不同的网络结构来提高网络性能。LTE-A中具体的网络部署场景有：单一宏小区网络(Macrocell)、宏/微微小区(Macro-Pico)异构网络、宏/家庭基站(Macro-Femto)异构网络、宏/微微小区/家庭基站(Macro-Pico-Femto)异构网络[8]。这些网络元素形成的多层网络拓扑结构，有效地卸载了宏基站的负载，减小了接入网络和终端用户间的距离，提高了网络覆盖率和小区边缘用户的性能，增加了系统容量和用户吞吐量，并且通过空间复用提高了频谱利用率[4,9]。

网络中家庭基站(Femtocell)一般服务于家庭或公司中的用户，服务范围较小，而微微小区(Picocell)与Macrocell有相似的回程和接入特性，但发射功率较小，成本较低，资源占用少，常被用来服务于宏基站渗透不充分的环境中的用户，增加系统容量，应用较普遍[9]。因此，本文主要研究Macro-Pico异构网络模型，其拓扑结构如图1所示，图中“Macro”和“Pico”分别为宏基站和微微基站，“MUE”和“PUE”分别为宏小区和微微小区的用户终端。

图1 Macro-Pico异构网络模型Fig.1 Macro-Pico heterogeneous network model

3 异构网络的切换

3.1异构网络的切换

在传统同构网络中，用户总是驻留在下行信号质量最好的小区，这对于异构网络也同样适用。由于UE的移动性，服务小区覆盖范围的限制，为了始终保证UE的通信和对业务的访问不受位置变换的影响，需要对其进行切换管理，将服务小区从源小区切换到信号质量更强的目标小区。

根据3GPP E-UTRA规范，切换(Handover,HO)过程被分为3个阶段，如图2中的state1、state2和state3[10]。并且切换失败(Handover Failure,HF)发生的条件有以下三点，其中任意一点被满足都会导致切换失败：

(1)在state2阶段，UE仍依附于源小区，发生了无线链路失败(RLF)的情况，见图2；

(2)在state2阶段，T310定时器被触发，并且当切换命令被UE接收到时仍然在运行，即在源小区发生了PDCCH失败；

(3)在state3阶段，UE依附于目标小区，当切换完成信息被发送，目标小区下行宽带CQI滤波均值小于阈值Qout(-8 dB)，即在目标小区发生了PDCCH失败。

图2 切换过程与切换失败图解Fig.2 Diagram of handover process and failure

结合图2和规范说明，如果在state2阶段没有发生RLF和源小区PDCCH失败，在state3阶段没有发生目标小区PDCCH失败，无线链路恢复，将不会影响切换过程，切换成功也有可能发生。为简化分析，下文将根据这些理论标准结合Macro-Pico异构网络模型从几何图解方面分析网络切换成功的概率。

3.2切换模型

本文以Macro-Pico网络模型为基础研究MUE从Macrocell向Picocell切换，切换成功成为PUE后再从Picocell向Macrocell切换，即主要研究LTE-A异构网络中Macro-to-Pico和Pico-to-Macro两次切换过程。

[10]中的大区域范围模拟的模型，首先建立如图3所示的网络部署模型。

图3 Macro-Pico网络模拟模型Fig.3 Macro-Pico network simulation model

按照上述模型首先模拟MUE移动情况，得到图4显示的MUE切换触发和失败位置分布图，其中，切换失败位置和切换触发位置形成了两个同心圆[5]。

图4 MUE切换触发和失败位置分布Fig.4 The locations of MUE handover trigger and failure

MUE向Picocell移动并切换成功后会成为PUE。然后同理可模拟出PUE向Macrocell移动时的切换情况与图4相似，由于PUE是向Picocell外移动，因此PUE切换失败的位置应分布在切换触发位置范围的外层。为便于UE切换情况分析，可将上述位置分布简化为几何图解模型，如图5所示(UE靠近Picocell覆盖边缘即触发切换，在HF圆上发生HF，图4中切换触发范围为图5中的Picocell覆盖范围)[5]。表1为图5中参数的说明。

图5 Macro-Pico模型几何图解Fig.5 Macro-Pico model geometric diagram

表1 几何模型参数说明Table 1 The description of geometric model parameters

3.3切换概率分析

图2中的切换过程经历的时间包括TTT、切换准备时间和切换执行时间。分析过程中，可忽略切换准备和执行时间，即统计的切换过程持续时长为TTT。因此，MUE和PUE完成切换需时间分别为Tm和Tp，在这段时间内移动的距离为vTm和vTp。

根据3.1节的规范说明，按照UE的移动顺序从几何图解上分析：首先MUE沿着直线向前移动，在Picocell覆盖圆上会触发切换过程，如图5中的A点，TTT启动计时，在完成切换过程之前，即移动vTm距离之前，若发生RLF或PDCCH失败，即MUE到达MUE HF圆，将会导致切换失败；反之，则会计为切换成功。其次，MUE成功切换到Picocell后成为PUE，继续向前移动会从Picocell覆盖圆再次向Macrocell切换，同理MUE切换过程分析，PUE在Picocell覆盖圆上触发切换，如图5中B点，TTT启动计时，在移动vTp距离之前，若没有发生RLF或PDCCH失败，切换过程顺利完成，即没有经过PUE HF圆，则计为切换成功。

在UE移动过程中，可能发生不切换、切换成功和切换失败3种情况，因此，可以通过分析3种切换成功的概率来分析整个切换性能：MUE不切换概率、MUE切换成功概率和PUE切换成功概率。

根据文献[11]，图5中r的概率密度函数为

(1)

(2)

3.3.1MUE不切换(MUENHO)的概率

MUE被触发切换后结束切换之前向Picocell覆盖圆边缘靠近，Picocell的服务质量降低到原服务小区以下，MUE停止切换过程，不切换到Picocell，即MUE不切换。从几何图形上分析，MUE的运动轨迹没有穿过MUE HF圆，并且穿过Picocell覆盖圆内的轨迹弦长度小于vTm，切换过程没有完成，这些条件下将不切换，这些事件发生的概率就是MUE不切换的概率，记为PNHO,m。

(3)

(4)

综上两种情况所述，MUE不切换的概率为

(5)

3.3.2MUE切换成功(MUEHO)的概率

PHO,m1=PHO,m1a+PHO,m1b=0

(6)

(7)

PHO,m2b=0

(8)

(9)

(10)

(11)

由表1中dHF,m的定义及α的范围可得

且有

因此，式(11)的概率为

PHO,m3b=

(12)

PHO,m3=PHO,m3a+PHO,m3b=

(13)

综合上述3种情况，MUE切换成功的概率为

(14)

3.3.3PUE切换成功(PUEHO)的概率

根据3.3的分析，PUE切换的前提是MUE成功从Macrocell切换到Picocell，成为PUE,然后PUE满足条件进行切换。并且几何图形分析，PUE切换成功需满足vTp

PHO,p1=0

(15)

(16)

根据表1中dHF,p的范围，可由vTp

(17)

因此式(16)的结果为

(18)

PHO,p2b=0

(19)

(20)

(21)

(22)

因此，由式(2)、(17)和(22)可得PUE切换成功的概率

(23)

(24)

综上所述，整个移动过程包括两次切换过程，总的PUE切换成功的概率为

(25)

4 仿真结果

根据上述UE切换过程分析得到了MUE NHO、MUE HO和PUE HO的概率。图6显示的是宏/微微基站距离d为250 m、Picocell覆盖圆半径R为21.76 m时的切换概率仿真结果，图7显示的是宏/微微基站距离d为125 m、Picocell覆盖圆半径R为9.60 m时的切换概率仿真结果。仿真时假设模型中所有基站(eNBs和PBS)都是全向天线，忽略衰落和阴影的影响，假设切换偏置为0 dB。

(a) MUE不切换概率

(b) MUE切换成功概率

(a) MUE不切换概率

(b) MUE切换成功概率

另外，比较图6和图7可知，宏/微微基站间距离d的大小也会影响UE切换成功的概率：d越大，MUE靠近Picocell覆盖圆边缘时获取到的Macrocell的信号质量越小，MUE受到的信号干扰越小，相对而言，获取的Picocell的信号质量越强，切换成功的可能性就越大。

总之，用户移动速度、切换触发时间TTT和宏/微微基站间距d等都能够影响UE的切换。从上述图中可以看出，TTT对切换概率的影响比较大，v在达到一定程度后对切换影响较大。因此，在实际小区网络部署时要注意选择大小合适的TTT和基站间距d，最大化UE切换成功概率，确保无缝切换，保障通信的持续不间断。

5 结论

LTE-A异构网络是可有效解决移动通信系统扩展覆盖、增强容量和终端能耗效率等问题的关键技术之一，成为当前及未来移动通信技术研究的热点。在LTE-A的首个国家标准3GPP LTE R10中明确了对宏蜂窝、Pico和Femto基站异构网的支持，在2012年9月启动的3GPP LTE R12中，异构网增强是其主要技术研究方向之一。

LTE-A异构网络移动性管理直接影响网络Qos(Quality of Service)及用户体验，本文主要分析研究Macro-Pico网络模型下的切换这一关键技术问题，包括Macro-to-Pico切换和Pico-to-Macro切换两个切换过程。本文参考了文献[5]，结合3GPP标准建立了Macro-Pico网络模型，分析两次切换过程中的3种切换成功概率，并且从正面直接明确地给出了用户移动速度v、切换触发时间TTT和宏/微微基站间距d各参数与UE切换成功的量化关系，对于实际场景下异构网络的部署和优化等有参考价值。

本文在研究过程中发现，频繁切换还可能引起乒乓效应，对切换成功有一定的制约作用，但研究较本文内容复杂。LTE-A异构网络移动性管理作为LTE-A的核心技术，以后将在乒乓效应对切换的影响、协作通信等多种技术组合应用情况的切换分析等方面展开深入研究。

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ZHU Wei-kai,ZHAO Zhu-yan,KANG Jian-feng,et al.Research on TD-LTE Heterogeneous Network Performance in a Realistic Metropolitan Scenario[J]. Telecommunications Science,2012,28(9):47-51. (in Chinese)

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YU Xiang was born in Chongqing,in 1964.He is now a professor with the Ph. D. degree. His research concerns wireless communication system.

张丽(1989—)，女，湖北人，硕士研究生，主要研究方向为无线移动通信；

ZHANG Li was born in Hubei Province,in 1989. She is now a graduate student. Her research concerns wireless mobile communication.

Email: zhangli890930@163.com

王蓉(1981—)，女，重庆人，博士研究生，主要研究方向为无线通信。

WANG Rong was born in Chongqing,in 1981. She is currently working toward the Ph.D. degree. Her research concerns wireless communication.

本刊定价调整通知

因各项成本的增加，为了保障期刊的正常出版，经研究决定，从2014年1月起，本刊定价由现在的20.00元调整为30.00元。

本刊编辑部

The National Science and Technology Major Project of the Ministry of Science and Technology of China (2012ZX03006002003)

AnalysisofHandoverProcessforHeterogeneousNetworkinLTE-A

YU Xiang1，ZHANG Li1，WANG Rong1,2

(1.Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China;2.University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731,China)

Since the data traffic is growing so rapidly and the spectrum efficiency is close to the limitation of traditional network,heterogeneous network is becoming an effective way to increase the network capacity and data rate. In LTE-A system,the network introduces low power nodes,shortening the distance between the network equipment and terminal user,then improves the wireless link quality and spectrum efficiency. Currently,heterogeneous networking is becoming one of the key technologies in LTE-A system,but as a result,brings complicated mobility management issues. This paper tries to establish the LTE-A Macro-Pico heterogeneous network mobility model through the deep analysis of 3GPP E-UTRA specifications. It analyzes and simulates the “from Macro-to-Pico to Pico-to-Macro” dual-direction handover probability,then derives the impact of user′s moving speed and other network parameters on the handover success probability.

LTE-A;heterogeneous network;macro-pico network model;handover probability analysis

10.3969/j.issn.1001-893x.2014.01.017

余翔，张丽，王蓉.LTE-A中异构网络的切换分析[J].电讯技术，2014,54(1):89-96.[YU Xiang，ZHANG Li，WANG Rong.Analysis on Handover Process for Heterogeneous Network in LTE-A[J].Telecommunication Engineering,2014,54(1):89-96.]

2013-10-27；

：2014-01-07 Received date:2013-10-27；Revised date: 2014-01-07

国家科技重大专项(2012ZX03006002003)

zhangli890930@163.com Corresponding author：zhangli890930@163.com

TN929

：A

：1001-893X(2014)01-0089-08