LTE－A 移动台自适应切换无线资源管理测量带宽的方法*

王 凯，肖 乾

(中国移动通信集团山东有限公司 德州分公司，山东 德州253000)

1 引 言

为了满足人们无线数据需求的急速增长，无线通信技术也在不断更新换代。现如今，LTE 技术在全球范围内引领了一波4G 的潮流，许多地区已经部署了LTE 系统(Release 8)，并且日渐成熟。学术界已经放眼5G 标准的制定［1］。作为LTE 的演进版本，LTE－A(Release 10 之后的版本)标准已经进入了Release 13 的制定阶段，越来越得到学术界和工业界的重视［2］。异构网络的部署［3］被看作是对传统蜂窝宏小区部署的一个强有力的补充，能够进一步地提升系统的吞吐量。在宏小区范围内部署低功率的节点诸如小基站(Pico)、家庭基站(Femto)［4］和中继(Relay)节点是一种能够非常有效提升系统容量的方法。除此之外，载波聚合(Carrier Aggregation)也是LTE－A 系统提供的一项关键技术。该技术将处在频谱不同位置的频带逻辑上连接起来形成一个虚拟的更大的带宽，从而增大系统吞吐量［5］。移动性管理一直是LTE 各版本的一个重点。当移动台与网络进行数据交互时，移动台要维持与网络的正常连接就需要进行一系列的测量并且将测量结果上报基站，基站则利用这些测量结果对移动台的收发数据进行调度［6］。与此同时，LTE 系统的能量效率也成为近期学术界和工业界关注的重点。

传统的LTE 无线资源管理(Radio Resource Management，RRM)测量是基于参考信号接收功率(Reference Signal Received Power，RSRP)或参考信号接收质量(Reference Signal Received Quality，RSRQ)的，其中RSRQ 在系统满载的情况与信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)的函数成正比［7］。文献［8］指出，对于基于RSRP 的测量，更宽的测量带宽只能提供很细微的测量精度提升。基于RSRP 的测量只是测量了小区专有参考信号(Cell－Specific Reference Signal，CRS)的信号强度，所以这种测量方式对于测量带宽的敏感度很低。但是RSRQ 测量方式就不同，会受到测量带宽的影响，因为RSRQ 的组成部分接收信号强度指示(Received Signal Strength Indicator，RSSI)与测量带宽息息相关。LTE－A 系统中引入了异构网、载波聚合的技术以及近些年提出的新载波类型(New Carrier Type，NCT)削减了载波上的参考信号密度，使得RRM 测量面临新的挑战。本文就RRM 测量问题分析了一个典型的场景，找到问题的本质，提出了一个可行的方法。该方法可有效地解决上述RRM 测量问题，并且复杂度较低。

2 LTE－A 中的测量及测量问题的提出

RRM 测量的主要目的是为了让移动台能够进行合适的小区切换和小区重选，从而保证移动台与网络的正常连接。协议规定，移动台使用处在被测量的载波频率中央的6 个资源块(Resource Block，RB)作为满足小区搜索和测量最低需求的测量带宽［9］。值得注意的是，用于测量的CRS 却不只处在载波频率中央的6 个RB 上，而是遍布整个系统带宽。从Release 8 开始，RSRP 和RSRQ 就被用作移动性控制的测量量，可以利用这些测量触发测量量事件用于小区切换［10］。

原有移动台RRM 测量的方式是窄带测量，即移动台只使用载波中心的6 个RB 进行服务小区和邻小区进行小区搜索和测量。但是对于RRM 测量来说，使用6 个RB 作为测量带宽仅仅是满足最低性能需求的一个假设，移动台可以使用比6 个RB更宽的带宽来进行测量。值得注意的是，早在LTE Release 8 的协议中就已经有一个信息元素(Information Element，IE)、允许的测量带宽(allowedMeas-Bandwidth)［10］，这个IE 可用来指示移动台在某个载波上所允许的最大的测量带宽。一般来说，这个IE的典型值是系统的整个带宽，所以它只规定了测量带宽的上限，并没有规定移动台确切的测量带宽。

本文是在一定的场景假设前提下进行讨论的。正如文献［11］中的规定，不同载波之间的间隔是由部署场景、可使用的频带尺寸和信道带宽决定的。一般地，两个相邻的E－UTRA 的载波之间的间隔定义为两个E－UTRA 载波的信道带宽的算数平均值。本文只讨论E－UTRA 时分双工(Time Division Duplex，TDD)共信道场景，所以只考虑不同小区间的共信道干扰，不考虑邻信道干扰。这种不考虑邻道干扰的场景可以看作是评估LTE－A RRM 测量问题中最敏感的场景。

一般来讲，在E－UTRA 同构部署网络中，不同宏(macro)小区在同一个频带中都配置成相同的信道带宽。然而，对于异构网场景，一种可能的网络场景是pico 小区或femto 小区部分共信道部署。macro 网络与pico 或femto 网络层叠在一起，其中pico或femto 网络部署在较小的信道带宽上或者根据其网络内负载情况使用部分信道带宽。在这种场景下，从RRM 测量的角度出发，使用原有窄带测量(6个RB 作为测量带宽)就会导致一些问题。由于篇幅所限，本文只考虑E－UTRA 共信道场景，提出的方法同样适用于UTRA 的场景，甚至是多种系统的混合场景。

图1是一个LTE－A 系统中的典型部分共信道部署场景。整个系统由两层构成，分别是macro 层和pico 层。它们虽然处在同一频段，但使用不同大小的信道带宽。通过图1，我们还了解到传输带宽两侧加上预留的保护带宽才是信道带宽。对于macro 小区，它使用连续频带，信道带宽是10 MHz，而它的传输带宽是9 MHz(50 RB);对于pico 小区，它使用两块频带，两块频带中心的间隔是5 MHz，每一块的信道带宽是5 MHz，传输带宽是4.5 MHz(25 RB)。正是信道带宽和传输带宽的差别造成了图中两个pico 小区传输带宽之间的间隔，从而导致了测量误差。

图1 LTE－A 典型部分共信道部署场景Fig.1 LTE－A typical partial co－channel scenario

基于上面的假设和讨论，可以算出图1中两个相邻E－ UTRA pico 小区传输带宽之间的间隙为0.5 MHz。在这种场景下，macro 小区的移动台使用传统的窄带测量(即载波中心6 RB 测量)就会误判来自邻小区(两个pico 小区)的干扰，得到较低的RSSI 测量值。从RSRQ 测量的角度来看，就会造成测量误差。一个RB 的带宽是0.18 MHz，所以实际真正落入macro 小区移动台测量的载波中心6 RB的来自相邻pico 小区的干扰只有0.58 MHz(6×0.18 MHz－0.5 MHz =0.58 MHz)，相当于有一半的测量带宽测不到相邻小区的干扰。这时，移动台就会错误地认为RSRQ 足够高，可能实际情况恰恰相反，RSRQ 的真实值已经低到一定程度需要触发一些过程来维持正常的网络连接。

图1的场景一般可以分成两种:第一种，具有连续频带的小区是服务小区，具有不连续频带的相邻小区是小区重选或小区切换的目标小区;第二种，具有不连续频带的小区是服务小区，具有连续频带的相邻小区作为小区重选和小区切换的目标小区。窄带测量对于这两种情况可能造成的问题如下:

(1)具有连续频带的小区是服务小区。对于无线资源控制空闲(Radio Resource Control Idle，RRC_IDLE)，窄带测量会延误小区重选，寻呼丢失;对于无线资源控制连接(Radio Resource Control Connected，RRC_CONNECTED)，窄带测量会延误小区切换和重定向，最坏的情况会导致RRC 连接的重新建立;

(2)具有不连续频带的小区是服务小区。对于RRC_IDLE，窄带测量会造成不必要的小区重选和乒乓效应;对于RRC_CONNECTED，窄带测量会造成频繁的小区切换和重定向，乒乓效应严重。

为了解决上面提出的问题，一种简单的方法是简单地扩宽测量带宽。这种方法可以满足测量精度的需求，但是却忽略了移动台能量消耗的问题。该方法作为本文方案参照方法。

3 自适应切换测量带宽方法

本文提出移动台可以根据信道状况在不同的测量带宽间进行自适应地切换，该方案在满足测量需求的同时还考虑了移动台的能量消耗和实现复杂度。

图2给出了自适应切换测量带宽方法的示意图。如图所示，两个门限值将整个测量区域分为三个部分，分别是窄带测量区、缓冲区和宽带测量区。当测量的RSRQ 值落入窄带或宽带测量区域时，移动台则相应地进行窄带或宽带的RRM 测量;如果测量的RSRQ 值落入缓冲区，RRM 测量带宽将保持与最近一次测量所使用的相同带宽进行测量。通过合理地配置两个门限值，可以很好地权衡测量精确度和功率消耗。门限间距可以根据切换敏感度的需求来合理调整，例如，门限间距越小，切换敏感度就越高，移动台就越容易发生测量带宽的切换。

图2 自适应切换测量带宽方示意图Fig.2 Illustration of adaptive measurement bandwidth switch method

4 系统模型

本文为了评估窄带测量对RRM 测量的影响，进行了相应的系统级仿真。整个网络由19 个小区组成，每个小区由3 个扇区组成。19 个小区组成了一个三层的结构，最里层中央红色小区为10 MHz小区，外围的两层黄色和灰色小区分别是5 +5 MHz小区。这里说的5 + 5 MHz 是指总的信道带宽是10 MHz，由于两个相邻5 MHz载波中间的间隙，所以形成了如图1所示的两个相邻的5 MHz载波。移动台可以在最里层和中间层自由移动。最外层小区仅仅是作为干扰源，同样也是5 +5 MHz小区。

图3 网络拓扑Fig.3 Network topology

一个移动台接入最里层10 MHz小区，按图3中蓝色箭头所指路径从1 号小区以30 km/h的速度移动到2 号小区。移动台在整个移动过程中记录使用不同测量带宽进行RRM 测量得到的RSRQ 值和无线链路失败(Radio Link Failure，RLF)状态和测量能量消耗。

由于篇幅所限，本文只分析具有连续频带的小区是服务小区的情况，以RSRQ 为测量量进行RRM测量，只考虑测量带宽为6 RB和50 RB两种情况，其他情况可以此类推。

在上述场景下的测量带宽为i 时的RSRQ 的表达式如下所示:

式中，i 是测量带宽;NRE是在一个RB 上的CRS 数目;Ii是在测量带宽为i 时接收到的邻小区的共信道干扰功率;Ni是测量带宽为i 时的热噪声功率，值得注意的是，并不是所有5 MHz系统的带宽都落入测量带宽范围内;IBWi即是实际落入测量带宽范围内的干扰带宽，可以算出测量带宽为6 RB时，实际5 MHz 邻小区干扰带宽为1.6 RB;测量带宽为10 MHz时，实际5 MHz邻小区干扰带宽为23.6 RB;RSRPL5M是如图1所示左侧5 MHz的RSRP，RSRPR5M是右侧5 MHz的RSRP。

移动台测量能量消耗模型如下所示:

式中，α 是一次测量单个RB 上测量所消耗的能量，n 是进行测量的总次数，Pmeas是n 次测量所消耗的总能量。

5 仿真及结果分析

根据第4 节介绍的系统模型，我们用C + +搭建了LTE－A 系统级动态平台进行了系统级仿真。服务小区信道带宽为10 MHz(50 RB)。从测量精确度的角度考虑，使用50 RB 作为10 MHz系统的测量带宽是最优的，所以把50 RB 测量的结果作为性能的上限。值得注意的是，具体宽带测量的测量带宽有多宽，取决于第2 节提到的E－UTRA 系统发给移动台的IE、allowedMeasBandwidth。本文假设宽带测量等于IE 所规定的测量带宽值，即系统带宽。对于具有不同带宽的系统，则会有不同的宽带测量带宽。

仿真设定一个移动台按图3所指定路径从1 号小区移动到2 号小区。每40 ms进行一次RSRQ 测量，并且在200 ms 的时间窗内对测量结果取平均。对于RLF 统计，一旦检测到一定数量连续的Out－of－sync(失步)，移动台就启动一个定时器。如果定时器超过一个事先设定的时限，则更新一次RLF计数器。依据文献［12］中的典型场景设置仿真参数，具体的仿真参数见表1。

表1 仿真参数Table 1 Simulation parameters

首先我们比较了不同测量带宽下的RSRQ 值，如图4所示。从图4中我们可以看到当移动台靠近它的服务基站，即时间小于10 s时，移动台刚从1 号小区出发，不同测量带宽对RSRQ 测量值的影响是可以忽略的;当移动台继续向2 号小区移动时，不同测量带宽RSRQ 值的差别开始变大。这说明当移动台处在小区边缘时，受到相邻小区的干扰变得更大，前文提到的载波间隙对RRM 测量的影响变得更加明显。

图4 不同测量带宽的RSRQ 测量值Fig.4 RSRQ of different measurement bandwidths

RSRP 值可以反映移动台的位置，即反映移动台是处在小区中心还是小区边缘，但是因为RSRP不考虑干扰的影响，所以不能反映整个信道质量。从图5中我们可以看到，对于同一个RSRP 值，不同测量带宽下可能存在不同的RSRQ 值。在某些场景中，虽然移动台不在小区边缘，但是移动台处在热点覆盖区域，如超密集网络中，它就会受到来自邻小区低功率节点的严重干扰。RSRQ 能够反映出实时的干扰状况，更加适合这些场景的RRM 测量，所以我们选择使用RSRQ 来作为本文提出的自适应切换测量带宽的测量量。

图5 不同测量带宽下的RSRQ vs. RSRPFig.5 RSRQ vs. RSRP of different measurement bandwidths

图6评估了不同测量方式在多种切换迟滞因子情况下每次切换所发生的RLF 数，其中磁滞因子Hys 是一个无量纲的dB 值，是表1中A3 事件表达式里的一个参量。图中显示出窄带测量(6 RB)和宽带测量(50 RB)的RLF 性能有显著的差别。而相较于传统的6 RB 窄带RRM 测量，本文提出的自适应切换测量带宽方式能够有效地降低每次切换所发生的RLF 数。

图6 不同切换磁滞参数下各测量方式的RLF 值Fig.6 RLF of different measurement bandwidths and various Hysteresis

虽然，使用宽带测量(50 RB)的测量性能最优，但是却没有考虑移动台功率消耗的问题。为了观察方便，利用公式(2)，我们假设移动台在一个RB 上消耗的测量能量为一个单位，即α =1，并对得到的移动台总能量消耗值做取对数处理，如图7所示，移动台在越宽的测量带宽上进行RRM 测量需要进行更多的频率采样，会消耗更多的能量。本文提出的自适应切换测量带宽方式可以在保证一定的测量精度的情况下，尽可能地降低移动台的功率消耗。

图7 不同测量方式移动台所消耗总能量曲线Fig.7 UE’s power consumption of different measurement methods

6 结束语

本文深入地分析了LTE－A 系统中RRM 测量的测量带宽问题并且给出了可能出现测量问题的场景示意图，评估了在LTE－A 系统中移动台采用不同测量带宽进行测量对RRM 测量精确度的影响问题，提出了一种新的测量带宽选择方法，即自适应切换测量带宽方法，该方法使得移动台可以根据信道质量自行在窄带和宽带测量之间进行切换。利用系统级仿真与传统窄带测量和理想宽带测量方法对比，结果显示该方法比传统窄带测量有更高的测量精确度和足够的测量精度，并且同时还权衡了移动台的能量消耗，解决了理想宽带测量方法不考虑能耗的缺陷。该方案对实际移动台进行RRM 测量时测量带宽的选取具有指导意义。但是，本文提出的自适应切换测量带宽方法中，两个门限值的设定是否是最优，文中并没有进行讨论，因此，下一步将对这两个门限值的设置对测量性能的影响进行研究，探索最优门限值的选择方案。

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