小区间协作测量及切换设置优化的方法

刘 为，纪子超

（中国电子科技集团公司第七研究所，广东 广州510310）

0 引 言

移动通信系统的小区间切换是指移动终端在无线接入网的控制下完成从源小区到目标小区的无线链路连接的迁移，是保证无缝的移动通信服务的基本技术手段。网络侧的基站 （特别是源基站）从移动终端侧获取无线测量结果报告，是触发切换以及切换设置优化的必要条件。通过获取无线测量结果报告，网络侧的基站能够及时获悉移动终端的无线链路情况已符合切换条件，反之则可以避免不必要的切换，从而降低移动终端侧无线连接失败的概率 （radio link failure，RLF）。

本文设计了一种移动通信系统中多小区间协作测量及切换设置优化的方法，能够提高判断切换问题场景及基站间协商移动参数的准确性和可靠性，从而提高无线通信系统对移动功能支持的稳定性［1］。

1 问题切换场景

由于无线传播环境的复杂性，小区间重叠区域的无线链路覆盖情况必然存在时变的差异性。这些复杂的覆盖场景可能会导致移动通信系统的切换行为产生异常，如乒乓切换 （ping－pong handover）、切换失败 （handover failure），甚至RLF等问题。文献 ［2］定义了3种问题切换场景：①过早切换 （too early handover）；②过晚切换 （too late handover）；③错误小区切换 （handover to wrong cell）。

在这3种问题切换场景下，移动终端会检测到RLF，并在其后建立与基站的连接时，上报与无线连接失败相关的无线链路测量结果，使得网络则能够检测出当前无线连接失败是否由于前述3种问题造成。随后，相关的基站可以通过基站间协商机制对有关切换参数进行协商并优化，最终消除上述3种问题切换场景。但是，文献 ［2］并没有考虑其他一些场景，例如尽管切换取得了成功，但是这些切换可能并不是必要的。如果能够避免不必要的切换，则可在为移动终端提供同等质量的服务的同时，减少网络资源的消耗，实现网络整体性能和容量的提升。

文献 ［3］提出了1种 “快速切换” （rapid handover）的问题切换场景，如图1所示。在此场景中，3个相邻小区存在着重叠覆盖区域。当移动终端沿着一定的轨迹高速移动时，在小区B的驻留时间很短，因此将产生小区A到小区B、小区B到小区C的快速连续切换。当移动终端位于2次切换之间的区域时，在特定条件下，实际无线传播环境可能允许移动终端同时接收到小区A和小区C的无线信号并建立双向连接。这种情况下，上述快速连续切换是不必要的，也是应该避免的。文献 ［3］提出了由小区B检测此“快速切换”问题，并通知第1次切换的源小区A；随后，源小区A可以选择和第2次切换的目标小区C进行移动参数设置的协商，设法消除 “快速切换”。然而并未考虑到，当第1次切换的源小区A和第2次切换的目标小区C没有足够的信息，即无法获知移动终端位于2次切换之间重叠区域中的无线链路状况时，就无法正确判断是否可以避免“快速切换”及协商相应的移动参数设置。

图1 文献 ［3］给出的3个小区间的 “快速切换”问题场景

在文献 ［4］中也讨论了一种类似的 “快速切换”场景，即当网络中的相邻小区覆盖区域相互交错，从而形成所谓 “越区覆盖”的场景时，可能会形成 “覆盖孤岛”（coverage island）。当移动终端沿着一定的轨迹移动并经过此 “孤岛”时，就可能产生 “快速切换”，如图2所示。

图2 文献 ［4］给出的 “覆盖孤岛”问题场景示例

文献 ［4］给出了一种方法，使得发起 “快速切换”的源小区A能够在得知问题产生后，可在切换发生前要求移动终端在一定时间内进行周期性测量，并将此情况通知本次切换的目标小区B；即使再次发生切换，如移动终端从小区B移动到小区C，则由小区B通知小区C相关信息，以此保证上述周期性测量配置仍可保持直至指定的定时器超时。当测量完成后，移动终端将测量结果上报给当前服务小区 （例如小区C），再由当前服务小区根据此移动终端进入该小区时的切换相关信息将测量结果返回给移动终端之前的服务小区 （例如小区B）。如此类推，最终测量结果将返还给此周期性测量的发起方源小区A。该源小区A通过分析测量结果，可以做出有关 “快速切换”的正确判断并与小区B或C进行移动参数设置的协商。该方法的缺点在于：①除发起测量指令的小区外，其它后续相关小区不能对已经配置的周期性测量进行修改或停止的操作，这严重限制了其它小区对移动终端无线连接的管理；②由于此周期性测量的时间和位置跨度大，需各个相关小区延长对已经从自己覆盖范围切换出去的移动终端相关配置信息的存储时间，从而增加了资源的占用和处理负荷；③移动终端需要更多的资源来记录此周期性测量的配置信息和测量结果；④移动终端可能在此周期性测量的时间内发生RLF，导致相应的测量和上报操作无法完成。

2 小区间协作测量及切换设置优化方法

2.1 优化方法策略

要求网络侧的多个小区协同控制移动终端完成在其指定小区覆盖区域的无线链路测量，而此区域是多个小区试图进行小区间切换优化的目标区域。小区间协作测量机制，使得发起测量的源小区能够从其它小区获取移动终端的测量结果，帮助源小区检测切换的必要性和移动参数设置的合理性。若源小区发现协作小区间存在不必要的切换或移动参数设置不合理，能够将此信息通知协作小区，由此触发移动参数设置优化的过程。最终，多个协作小区能够修改参数，避免不合理的切换，从而达到网络的整体移动功能得到优化，实现移动通信系统性能和容量的提升。

可由发起测量小区在切换过程中通知协作小区有关移动终端测量任务的信息，也可以由移动终端在切换到协作小区后，主动通知协作小区有关测量任务的信息。上述2种实现途径所能达到的效果相同。

2.2 实现步骤

下面以连续2次切换为例 （实际网络中可有连续多次切换的场景）说明主要实现步骤，如图3所示。

（1）小区设置用于判断移动终端正常驻留时间下限的若干定时器，分别对应于不同的移动速度范围。定时器的分类和取值与当前小区的覆盖半径Radiuscell以及移动终端移动速度UEspeed所采用的分类方法有关。

例如，在LTE系统中，UEspeed分为3类：低速移动、中速移动和高速移动［5］。因此，可分别设置正常驻留时间下限定时器Tlow＿speed＿stayed对应低速移动终端，Tmedium＿speed＿stayed对应中等速度移动终端及 Thigh＿speed＿stayed对应高速移动终端。

（2）为了实现对切换问题的检测，小区应对如下场景相关信息进行记录：当小区检测到某个其曾经服务的移动终端先通过切换进入到此小区所属的范围，短暂驻留后又切换至下一个小区。记录的信息中至少应包括移动终端的驻留时间Tue＿stayed、移动速度UEspeed、移动终端进入本小区前的源服务小区的切换历史信息、移动终端切换的目标小区等。

如小区检测到发生连续快速切换的移动终端，将利用录得的移动终端移动速度UEspeed信息进行场景分析。例如，比较移动终端在小区内驻留时间Tue＿stayed和移动速度类型所对应的移动终端正常驻留时间下限定时器的设定值，如果前者小于后者，则可判断此切换过程中涉及的相邻小区间发生了连续快速切换事件，而且可确定当前小区是连续快速切换过程中的中间小区。

（3）此后，在发生快速切换的相邻小区再次作为切换源小区向其发出切换准备请求消息时，此中间小区可在返回的切换请求应答消息中，提供针对移动终端的测量配置信息。测量可以是周期性测量，也可以是基于事件触发的周期性测量等。

测量配置信息中，主要包括如下内容：

测量对象：主要指给定频段的相邻小区，记为cell－List。中间小区应要求移动终端至少对连续快速切换过程相关的数个小区进行测量。

触发条件：可以针对某一个测量对象的测量结果设置阈值，以使移动终端在条件满足时可启动此测量，用于基于事件触发的周期性测量过程。以LTE系统为例，其规范定义的同系统A1－A5、异系统B1－B2事件，可作为触发测量的条件。该测量参数可设为可选项，当未配置触发条件则表示移动终端应立即启动测量任务。

测量结果：配置移动终端的测量结果类型，记为meas－Result。以LTE系统为例，可包括参考信号接收功率 （reference signal receiving power，RSRP）和参考信号接收质量（reference signal receiving quality，RSRQ）。

测量周期：配置移动终端进行周期性测量的时间间隔，记为measPeriod。

测量持续时间：配置移动终端进行周期性测量的总时间长度，记为measDuration。或采用测量总次数的方式表达，记为measAmount。

测量结果延迟上报间隔：配置移动终端延迟上报测量结果的时间间隔，记为Tdelay。移动终端需要存储测量结果直到此时间间隔到达才上报该结果。由于测量结果上报需要一定的时间开销，因此该设置适用于当切换时间紧急、小区可能没有足够的时间获取移动终端的上报消息的场景。该测量参数可设为可选项。如果无此项配置，则移动终端按照测量周期正常上报测量结果，不会产生Tdelay超时事件。

速度因子：移动终端可以根据自身的移动速度，利用速度因子对测量周期、测量持续时间和测量结果延迟上报间隔进行处理 （例如相乘加权），并取结果作为测量配置，记为S。速度因子与移动终端移动速度的UEspeed分类方法相对应。以LTE系统为例，可设置速度因子Smedium和Shigh，分别对应中速和高速移动类别，低速移动则可对应常数1。

根据当前小区的覆盖范围 （小区半径）、终端的移动速度和移动终端正常最小驻留时间等信息，可以对测量周期、测量持续时间 （或测量总次数）和测量结果延迟上报间隔进行优化。可设置测量周期的长度来保证移动终端的测量结果足够多，使得通过统计方法分析无线链路信号的覆盖情况成为可能；可设置测量持续时间较连续2次快速切换的时间间隔更长，以使得移动终端所做的测量能够完整体现移动终端2次切换间运动轨迹上的无线链路信号变化情况。

（4）切换源小区在向移动终端发送的切换命令中将携带上述测量配置信息。移动终端接收到测量配置信息后，完成相应的处理过程，其中包括选定适用的速度因子并对应地调整测量周期、测量持续时间和测量结果延迟上报间隔。然后，移动终端执行切换命令，连接到中间小区。此时中间小区成为移动终端的当前服务小区。与此同时，移动终端启动中间小区所配置的测量动作。

（5）当移动终端驻留中间小区期间，中间小区可对前述切换发生之前所进行的测量配置做出如下调整：增加或删除测量对象；调整测量配置中的其它内容；在测量结果延迟上报间隔Tdelay未超时之前停止该测量。

以LTE系统中的测量配置调整为例，可以通过小区与移动终端间的无线链路资源重配置信令过程完成。

（6）根据移动终端驻留中间小区期间是否发生测量结果延迟上报间隔Tdelay超时的事件，分为以下2种情况：

1）发生了Tdelay超时事件，按以下步骤执行：①移动终端停止测量。实现方法可以是移动终端主动通知当前服务小区该测量已经完成，其所存储的测量结果有待上报；或中间小区通过内部所记录的配置信息，发现此移动终端测量结果延迟上报间隔Tdelay超时，表示测量已经完成，可要求移动终端上报测量结果。2种实现途径的效果相同。移动终端通过测量报告消息来完成测量结果measResult上报，其中可包括移动终端所选定的速度因子的值，以便于小区更准确地分析；②接收到移动终端上报的测量结果后，中间小区分析此移动终端在其移动轨迹上部分或全部连续快速切换相关小区的小区间重叠区域无线信号的测量信息。如果中间小区分析上述数据后认为，即使不发生切换也可保证移动终端保持与这些小区的无线连接，则可判定中间小区与相关小区间的切换参数设置存在问题，导致了不必要的 “快速切换”发生。相应地，中间小区将评估移动参数设置的优化范围；③中间小区通过切换报告消息通知相邻小区 “快速切换”问题存在，并可提供测量结果以便相邻小区分析。随后，小区间可以启动移动设置更新过程，分别协商移动参数设置并完成优化工作，消除“快速切换”问题。

2）未发生Tdelay超时事件，按以下步骤执行：①在测量结果延迟上报间隔Tdelay未超时之前，中间小区可能需要将前述移动终端切换到目标小区，则向目标小区发出切换准备请求。随后，中间小区接收到目标小区返回切换请求应答消息后，向移动终端发出切换命令。移动终端执行切换连接至目标小区，并在完成切换时停止源小区，即中间小区所配置的测量动作。此时，目标小区成为移动终端的当前服务小区。对目标小区而言，有以下2种可能的途径获取移动终端未上报测量结果的信息：途径1：中间小区在切换准备请求命令中，告知目标小区此移动终端尚有未上报的测量结果；途径2：移动终端在完成切换后，通过切换完成消息通知目标小区尚有未上报的测量结果；②目标小区得知移动终端尚有未上报的测量结果，则在移动终端完成切换后，作为该终端的新的服务小区，通过终端信息查询信令过程要求移动终端上报测量结果：新的服务小区向移动终端发送终端信息查询请求消息，要求终端上报测量结果；移动终端发送终端信息应答消息，其中包含了测量结果。测量结果应包含移动终端所选定的速度因子的值，以便小区更准确地进行分析；③目标小区获得测量结果后，向该移动终端之前所在的源小区 （即中间小区）发送切换报告消息，指明类型为此前述移动终端的未上报测量结果，并捎带测量结果；④中间小区接收到切换报告，并提取出测量结果后，分析连续快速切换相关小区在小区间重叠区域的无线信号质量。如果中间小区判断，即使不发生切换仍可以保证移动终端保持与这些小区的无线连接，则可判定 “快速切换”问题存在，并评估移动参数设置的优化范围。中间小区向第一次切换的源小区发送切换报告消息，告知有 “快速切换”问题发生，并可携带测量结果供其分析评估有关的无线链路情况；⑤第一次切换的源小区 （小区A）或第一次切换的目标小区 （小区B）均可启动移动参数设置更新过程，在所涉及的3个小区间两两协商移动参数设置并完成优化工作，消除 “快速切换”问题。至此，分支二的步骤执行完毕。小区可进入新一轮的切换问题检测过程。

（7）至此，本次切换问题检测过程执行完毕。小区可进入新一轮过程。

小区间移动参数设置的协商可以针对不同的终端移动速度分类，区分地应用不同的优化参数。

2.3 适用范围

除了连续2次快速切换以外，实际网络中还可能出现以下2种情况：同1个移动终端在多个小区之间连续多次（多于2次）快速切换；多个移动终端在2个或2个以上的小区之间同时发生连续2次切换。

本方法对上述2种情况仍适用。例如，同一个移动终端连续多次 （多于2次）的快速切换可按每连续2次快速切换作为一个基本处理单元在时域上进行分解。当多个移动终端在2个或2个以上的小区之间同时发生连续2次切换时，为每个移动终端提供切换服务的相关小区的协作测量及切换设置优化过程，均为独立的、可并行进行的过程。在此情况下，虽然宏观上参与切换协作的小区数随之相应增加，但因各个协作处理过程在不同的小区配对中完成，故不会导致单个小区本身处理复杂度的大幅增加。

本方法并不限定多小区间协作测量或切换设置优化过程的次数。同时，也并不限定负责执行测量的移动终端的数量，小区可以指定一个或多个移动终端执行协作测量任务。

本方法也不限定协作小区是否分属于不同的基站。当需要进行通信的协作小区属于同一个基站时，则前述所提到的交互消息将以基站内部信令的方式进行传递，但其中携带的信息内容与本文所描述的一致。

本方法也可以适用于双小区间发生连续快速切换的情形，即第一次切换源小区和第2次切换目标小区是同一个小区。此场景在下一代无线网络，特别是异构无线网络的实际部署中会较为常见。以LTE系统为例，如图4所示，当一个微微小区 （Pico cell）位于一个宏小区的覆盖范围内，则移动终端沿图中所示的方向高速移动时，将可能导致从宏小区至微微小区、再到宏小区的2次 “快速切换”。采用本文的方法优化后，可避免这2次 “快速切换”。

3 具体实施方式

通用的移动通信系统网络架构包括核心网、无线接入网和移动终端3个组成部分。基站可以控制多个小区，相邻小区的覆盖范围通常存在一定的重叠区域。相邻小区可以是相同无线接入技术的同频小区，也可以是异频小区，还可以是不同接入技术的小区。基站能够控制移动终端在属于相同或不同基站的小区间进行切换；移动终端能够在小区覆盖范围内或在相邻小区重叠区域内与一个或多个基站通信，并且对小区下行信号进行信号接收功率或质量的测量。

下面以LTE系统为例，说明本方法的一个具体实施例。

LTE系统的无线接入网由基站及基站控制的小区组成，基站之间可通过X2接口或S1接口进行消息交互，如图5所示［5］。图6给出了1个切换的典型场景，其中小区A、小区B和小区C是相邻小区，分别属于不同的基站。移动终端X的移动轨迹如图5中直线箭头方向所示，并会在小区覆盖范围交界处发生切换，即图中 “＊”所标示出的位置A和位置B。

以下是本实施例的处理过程，如图7所示。

（1）小区A根据现有的切换参数配置以及移动终端X的无线连接情况，做出切换决策，准备将终端X切换到小区B；

（2）小区A向小区B发出切换准备请求消息；

（3）小区B接受小区A的切换准备请求，并且选择对移动终端X进行测量配置。假设此测量为周期性测量，其参数设置如下：

测量对象：相邻小区列表cellList，包括小区A、小区B和小区C；

触发条件：无 （即要求移动终端立刻触发测量任务）；

测量结果：测量结果measResult类型配置为参考信号接收强度 （RSRP）；

测量周期：周期性测量时间间隔measPeriod取值为1秒 （1s）；

测量持续时间：总测量时间长度measDuration取值为30s；

测量结果延迟上报间隔：延迟上报时间间隔Tdelay取值为30s；

速度因子：速度因子Smedium取值为0.5，Shigh取值为0.25；

（4）小区B向小区A返回切换请求应答消息，其中包括对移动终端X的测量配置信息；

（5）小区A从接收的切换准备应答消息中提取出小区B对移动终端X的测量配置信息，并通过切换命令消息发送给移动终端X；

（6）移动终端X接收到测量配置信息后，根据自身移动速度，选择速度因子为Smedium，并对测量周期、测量持续时间和测量结果延迟上报间隔调整如下：

调整后取值＝小区B配置值＊速度因子Smedium

移动终端X调整无线端口，连接到切换目标小区B。

（7）假设切换成功，移动终端X通过切换完成应答消息告知小区B切换完成，同时启动所配置的周期性测量；

（8）小区B在20s后，根据现有的切换参数配置，发现需要将移动终端X切换到小区C。小区B做出切换决策；

（9）小区B向小区C发出切换准备请求消息，告知目标小区此移动终端尚有未上报的测量结果 （即前述步骤（6）中2）①的途径1）；

（10）小区C向小区B返回切换请求应答消息，表示可以进行切换；

（11）小区B向移动终端X发出切换命令消息，移动终端X调整无线端口，连接到切换目标小区C；

（12）假设切换成功，移动终端X通过切换完成应答消息告知小区C切换完成，同时移动终端X停止小区B所配置的测量任务；

（13）小区C向移动终端X发送终端信息查询请求（UE information request）消息，指明终端上报测量结果；

（14）移动终端X回应终端信息应答 （UE information response）消息，其中携带包括速度因子Smedium在内的测量结果；

（15）小区C获得测量结果后，向小区B发送切换报告（handover report）消息，指明类型为移动终端X的未上报测量结果，并携带该测量结果；

（16）小区B收到切换报告并提取出测量结果后，可以分析移动终端X从位置A到位置B的运动轨迹上，小区A、小区B和小区C下行无线参考信号接收功率RSRP的变化情况。假设小区B认为即使不发生切换仍可以保证移动终端X保持与这些小区的无线连接，则判定 “快速切换”问题存在，并进一步评估移动参数设置的优化范围；

（17）小区B向小区A发送切换报告 （handover report），告知有 “快速切换”问题发生，并携带测量结果供其分析评估有关无线链路情况；

（18）小区A和小区B均发起移动参数设置修改（mobility setting change）过程［6］。小区B同小区A和小区C协商，调高切换门限值，例如3dB；而小区A和小区C则协商调低切换门限值，例如3dB。移动参数设置修改过程可进行多次，最终消除小区A和小区B之间、以及小区B和小区C之间的不必要的切换。优化前后的对比如图8所示。

4 优化方法特点和优势

综上所述，小区间协作测量及切换设置优化具有以下基本特点和优势：

（1）通过为小区设置用于判断移动终端正常驻留时间下限的定时器，并分别对应不同移动速度范围，提高了切换问题检测的准确性；

（2）通过小区间的协作，切换源小区能够从切换目标小区获取移动终端测量结果。该测量结果能够反映移动终端从进入到离开中间小区的过程中，移动轨迹上的无线信号情况。这可避免因没有足够的无线链路测量信息 （即移动终端位于2次切换之间的区域的无线链路情况），无法做出能否避免 “快速切换”的正确判断以及相应的移动参数设置协商。

（3）配置移动终端延迟上报测量结果的时间间隔，使得测量能够适用于当切换时间紧急，小区可能没有足够的时间获取移动终端的上报消息的情况。

（4）移动终端可以根据自身移动速度，利用速度因子对测量周期、测量持续时间和测量结果延迟上报间隔进行处理，使得自身可根据速度快慢情况自适应地调整测量的频率和总时长。例如：

当移动终端移动速度为10m／s时，测量周期为1s，测量持续时间为30s，速度因子取值为1。则相邻测量点间距为10m，总测量点数为30点，对应总的移动距离为300m；

当移动终端移动速度为20m／s时，选取速度因子值0.5，则

加权测量周期＝1×0.5＝1.5s；

加权测量持续时间＝30×0.5＝15s；

加权调整后，相邻测量点间距仍保持为10m，总测量点数也保持为30点不变。这就保证了移动终端所做的测量能够完整地、一致地体现移动终端2次切换之间运动轨迹上的无线链路信号变化情况；

（5）切换源小区对移动终端所进行的测量配置，不会影响移动终端移动到其它小区后，其它小区所需进行的后续测量配置，即不会限制其它小区对该移动终端无线连接的管理。

5 结束语

分析了切换失败和 “快速切换”等典型问题切换场景，说明了已有无线链路测量方法在配置灵活度、作用范围等方面的局限性。在此基础上提出了一种小区间协作测量及切换设置优化方法，网络侧基站可获取移动终端切换到不同小区的移动轨迹上的无线测量结果。该方法可对应不同移动速度范围控制测量周期，还可应用在发生多次切换的场景中，能够有效提高判断切换问题场景及基站间协商移动参数的准确性和可靠性。

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