5G 通信双连接下低时延辅助移动基站切换优化

2021-01-21杨世康李俊杰

科学技术创新 2021年2期

杨世康李俊杰

（凯里学院大数据工程学院，贵州凯里556011）

国内基站切换技术也较为成熟，将基站和用户作为转发节点，使基站之间的链路质量大于阂值条件，对基站终端进行移动性管理，无差别选择终端的基站链路，同时考虑基站的链路质量和双链路的特性，在中继通信的过程中，使用non-3GPP 参与到中继通信过程，明确定义non-3GPP 的链路切换标准，在终端选择合适的通信模式，使终端设备超密集分布，通过近距离位置关系的转换，实现通信切换[1]。在以上理论的基础上，提出5G 通信双连接下，低时延辅助移动基站切换的优化方法。

1 5G 通信双连接下低时延辅助移动基站切换优化方法

1.1 提供待切换基站列表

对5G 通信双连接网络进行抽象处理，分布式控制移动基站的通信链路，提供可供切换的基站列表。首先将5G 通信网络抽象化为基站、用户、网关及中继节点，利用用户终端所连接的辅助基站，执行切换管理，避免中央控制节点做出切换裁决，使基站间接口与相邻基站交互，从而通过基站的信息和信令[2]。再利用RTTM机制的实时业务度量，得到基站负载相关信息。其抽象架构如下图所示：

图1 5G 通信双连接网络抽象架构

采用分布式控制方案，对用户终端的低时延辅助移动基站进行控制，部署基站切换的总体流程。使基站发送切换请求，通过基站接口获取RTTM，使低时延辅助基站与相邻基站进行通信，选定目标基站后，辅助移动基站直接对切换请求进行裁决，回应切换请求后，通知基站切换结束[3]。过程中，利用RRM服务器对切换判决进行辅助，从通信双连接网络内的所有基站处获取信息，相比传统方法只能从相邻基站获取信息，该过程能够全面地对5G 网络全局信息进行把握。当基站或网关容量达到上限时，通过RRM服务器，为辅助移动基站提供可进行切换操的候选列表，列表中包括能够切换的基站。至此完成待切换基站列表的提供。

1.2 裁决基站切换请求

根据网络负载和拥塞情况，在列表中选择可切换的基站，裁决低时延辅助移动基站与切换基站之间的切换请求。由辅助移动基站直接进行切换管理，快速裁决切换请求，折中切换性能和设备复杂度，根据收集的测量参数，判断基站是否需要切换，并将接收信号强度作为裁决准则，在列表中选取最小信令开销的基站[4]。首先测量并收集与切换有关的信号参数，包括辅助移动基站与切换基站之间的导频强度、传输功率等，利用RSS算法，引入切换门限值，设置较高的切换参数，增加辅助移动基站与列表基站的切换难度，避免在5G 网络覆盖重叠区域内，辅助移动基站在两个信号强度接近的基站之间，进行来回切换操作。计算列表中所有待切换基站的信号强度，由于移动基站会对频谱进行复用，对辅助移动基站相同频率的信号接收造成干扰，因此要对信号的同频干扰进行分析。待切换基站接收信号同频干扰I 的计算公式为：

公式中，x 为待切换基站接收信号的位置，k 为两个基站间的参考距离，P 为参考距离k 下的路径损耗，n 为信号干扰系数，取决于传播环境，一般情况下取值为1，ε（x）为x 位置处的阴影衰落，具体数值服从均值为0 的高斯分布[5]。忽略其他待切换基站带来的干扰，则待切换基站的接收信号强度O 为：

公式中，L（x）为待切换基站天线在x 点处的路径损耗，U 为待切换基站的传输功率。当待切换基站的信号强度O，大于辅助移动基站的信号强度时，且大于设定门限值时，直接通过低时延移动辅助基站，裁决该基站为可切换基站，并在RRM提供列表中，选取信号强度最大的基站作为切换目标[6]。利用信干比代替接收信号功率，表示切换目标的接收信号质量，避免基站信道发生变化时，基站切换过早或不必要，以此优化切换时机。至此完成基站切换请求的裁决。

1.3 切换基站通信链路

裁决切换请求后，切换低时延辅助移动基站和切换目标之间的链路。引用网关池和基站池的概念，将区域内的一组网关看作一个资源池，一组基站看作基站池，利用网关池共享连接的基站池资源，切换基站之间的链路。由于基站切换不改变接入互联网及应用服务器的网关，因此保持网关的IP 地址不发生改变，只改变5G 通信的无线接入基站，将切换目标看作终端附着的无线接入点，使辅助移动基站接入点与目标接入点在同一网络域，利用OPNET 软件，对5G 异构网络互连进行建模，对网络节点的功能进行细化，将两个基站之间的通信网络分为UMTS 和WLAN 两个部分，其网络工作在同一IP 区域内，设置UMTS 和WLAN 网络的通信终端UE，使其在异构网络间漫游，处理两个网络的切换信令信息。

利用互连模型，对两个基站的链路切换进行评估，使WLAN网络网关与Gateway 在同一IP 域内，移动终端UE，使UE 接入UMTS 网络，附着在UMTS 并进行上下文激活过程，通过UMTS网络与5G 网络之间进行数据通信，然后再漫游到WLAN 网络中，通过WLAN 网络的AP，对切换目标的信号强度进行检测，触发两个基站的切换请求，释放终端UE 与UMTS 网络之间的链接，在WLAN 网络内进行认证与授权，通过W LAN 网络传递数据包，实现两个基站的链路切换。此次辅助移动基站切换裁决，还允许天线进行多次切换，当切换失败后，立刻断开链路并加入新的通信链路，直至达到最大切换次数为止。至此完成5G通信双连接下，低时延辅助移动基站切换的优化。

2 实验论证分析

2.1 实验准备

进行对比实验，将此次设计方法记为实验A 组，传统基站切换方法记为实验B 组。使用RWP 模型，设置实验仿真区域大小为1500×1500m，通过模型给出5G 通信双连接的移动轨迹，当信号移动到仿真区域的边界，通过反射方式，将其返回到仿真区域。仿真平台由1 台100M交换机、4 台400MHzPIII 台式机组成，操作系统采用RedHat Linux7.0。

表1 实验对比结果

2.2 实验结果

实验分别对移动基站进行切换，改变基站位置距离，使切换天线的接收信号质量越来越大，记录实验的切换成功率，实验对比结果如表1 所示。

如表1 所示，当基站位置距离越大，基站切换的成功率就越大，但实验A 组平均成功率始终要大于实验B 组，平均成功率为65.1%，B 组平均成功率为54.2%，A 组成功率增加了10.9%，且当基站距离为1550m 时，能够保证100%切换成功率。综上所述，此次设计方法相比传统方法，提高了移动基站切换的成功率，且切换后的通信连接情况更加稳定。