超密集小蜂窝网络移动性技术分析

2022-11-11董春利

无线互联科技 2022年16期

董春利，王莉

(南京交通职业技术学院电子信息工程学院，江苏南京 211188)

1 5G超密集小蜂窝(UDSC)网络的位置管理

在位置管理中，移动网络收到用户设备与特定位置相关联的通知后，位置更新和寻呼过程开始，网络通过这些位置信号操作信令过程和寻呼进程[1]。

在超5G空中网络中，无人机路径需要更改为靠近地面以减少通信延迟，因为更高的无人机高度会相应地引入路径损失连接。因此，无人机高度取决于应用的使用案例，更高的参考信号接收功率(RSRP)值和来自更高的相邻基站干扰，会导致更高的切换率。空对地和地面蜂窝网络信道在高频无人机上也面临同信道干扰，这会导致载波间干扰(ICI)的多普勒频移。相比之下，与宏基站(MBS)或核心网络连接的无人机-基站(BS)需要高容量的无线回程链路。实际上，有限的回程将成为瓶颈并影响移动用户的QoS。回程网络按BS有线链路和无人机无线链路的异构链路分类，核心网络需要高容量的无线回程关联，因此不充分的回程会造成阻塞并干扰QoS。

由于技术有限，超5G网络的移动性是研究人员主要的研究方向。在切换中，需要使用有关参考信号强度和其他网络参数的信息，将信道连接切换到其他信道。为了优化这个过程，处理这些参数非常困难，因为它们对网络有同样的影响。其中一些参数可以干扰管理、能耗、负载平衡、覆盖和容量。这些参数也对乒乓率、呼叫掉线/阻塞概率以及早期或晚期切换有影响[2]。已经有专家学者提出了许多理论和技术/工具，特别是人工智能学习，来优化切换过程的有效切换机制。

2 5G UDSC网络的切换

为了管理无线电资源，切换在5G中发挥着重要作用。对不同的节点或终端，5G移动系统的传输需要更大的带宽和更高的通信服务速率。因此，切换要确保提供良好的服务质量和持续的通信条件，以保持整体网络性能[3]。使用人工智能技术，将无人机通信集成到智能移动性和切换管理/预测中，有助于解决频繁地切换，提高可靠性和覆盖范围。

2.1 切换面临的主要问题

网络性能取决于切换率，即切换的失败/成功率。RACH定时器的到期，在一定的最大重传次数后，会导致无线电链路故障。由于UE和无人机的操作协议不同，因此必须参考信号的仰角，用户设备的速度，垂直位置和用户设备的路径损耗/延迟。在无人机使用的情况下，并不总是连接到最近的基站，寻找最强的RSRP。无人机在120°，240°和270°的角度区域内飞行，可能会连接到位于该区域的其他基站，因为获得的信号强度不足。无人机位置和飞行信息有助于进行有效切换，丰富现有的信号报告机制。BS使用改进的RSRP测量负载控制来帮助切换。无人机的高度在切换方面非常重要，无人机与超5G无线网络的集成，为增强3D移动模式中的小区选择过程创造了空间。图1列出了切换决策方案的分类，分别是基于RSS、基于 QoS、基于功能、基于智能和基于上下文的切换类型。

图1 切换决策方案的分类

小蜂窝的优点是频谱效率高，数据速率高，节能/省钱，拥塞少，切换容易，但也有一些缺点，即实施成本和操作可靠性，频繁的身份验证以及主动或被动(开/关闭)状态更新。切换意味着当从一个点移动到另一个点时，可以将其基本终端更改为附近的终端，而不会中断通信[4]。在5G之后，切换面临的固有挑战是无服务，而在多RAT、零延迟、网络致密化和高移动性的场景中，这些挑战变得更加困难。除了这些问题之外，切换时，BS的负载平衡也是一个主要问题，特别是在地面网络的情况下，UE在各个区域的早晚时间从房屋移动到办公室。切换根据连通性分为不同的类型，例如宏小区内，宏小区间和多RAT的切换。在密集异构网络(HetNets)中，切换机制仍然是一个悬而未决的问题，在切换速率和网络中的干扰水平之间进行权衡，并建立对其他UE的不同类型的干扰。切换中，基本上都存在网络切换过程。此外，还需要注意的问题主要有以下几点。

2.1.1 频繁切换

根据3GPP，无人驾驶车辆的信干噪比(SINR)可能比地面UE弱。由于无线信号之间存在障碍，切换的可能性增加，因此改善这些问题是不可避免的。如前所述，小蜂窝技术和蜂窝密集化也给移动性和切换管理带来了挑战。在超密集网络中，小区的覆盖范围是有限的和重叠的。因此，覆盖移动功能的UE需要从一个小区移动到另一个小区，或面临频繁地切换。

2.1.2 负载不平衡

尽管HetNets和蜂窝致密化具有所有优势，但小蜂窝技术也存在必须解决的障碍。例如，负载不平衡是由于不同层的小区的发射功率和覆盖区域的变化而发生的。此后，小蜂窝将不再通过使用仅围绕接收功率的传统用户关联规则来发挥实质性作用。单元范围扩展 (CRE)或偏置可以应对这一挑战。

2.1.3 小区间干扰

小区间干扰是小区致密化中存在的另一个问题，可以通过eICIC(用于小区干扰协调的缩写)来解决。这种缓解技术利用几乎空白的子帧 (ABS) 来消除宏小区BS的噪声或干扰。ABS集成在 HetNets中，以优化高功率节点的干扰。然而，低功率节点知道干扰模式，允许CRE嵌入低功率节点，并可以服务大量UE，而不会受到高功率节点的干扰。

2.2 切换的基本步骤和类型

2.2.1 切换的基本步骤

(1)发现：在这一步中，网络必须找到能够为用户提供良好服务质量的网络。

(2)判定：在这一步中启动切换过程。如果启动发生在不准确的时间，则会增加掉话并因此降低 QoS。

(3)执行：为了提高服务质量，应该在正确的时间执行决策以绕过不相关的切换。当第二阶段和第三阶段的切换都由移动台或任何其他控制器操作时，切换过程根据控制器进行分类，例如网络控制切换(NCHO)。移动控制切换(MCHO)和移动辅助切换(MAHO)。图2列出了切换信息收集(网络和移动终端相关)和决策(基于标准和基于策略)的类别。

图2 切换信息收集和切换决策类别

切换过程需要考虑3个参数，即系统参数、控制参数、性能参数。第一，参考信号接收功率和信噪比和干扰比属于系统参数。第二，RSS 切换裕度(滞后)，触发时间(TTT)属于控制参数类别。第三，切换失败率(HPIHOF)、乒乓切换率(HPIHPP)和掉话率(HPIDC)属于性能指标。

2.2.2 切换类型

根据网络、频率和技术，存在的切换类型如下：

(1)水平切换：这种类型的切换是在相同网络的基站之间执行的切换。例如，在5G到5G之间发生的切换称为水平切换。这种类型的切换也称为技术内切换。

(2)垂直切换：在不同网络的基站之间执行的切换称为垂直切换。例如，切换发生在5G到4G之间。为了进行这种类型的切换，OSI模型的第2层和第3层起着重要作用。

(3)同频切换：当两个不同的基站工作在相同的工作频段时，它支持同频切换。

(4)异频切换：当两个不同的基站在不同的工作频段上工作时，它会提供异频切换。

(5)软切换：它遵循先接后断的策略，在中断之前，首先在UE和无线链路之间建立新的连接。

(6)硬切换：它遵循先断后接的策略，首先从UE中移除所有无线链路，以建立新的无线通信连接。

(7)基于控制器的切换；此类切换由移动台执行。还有3种分类：网络控制切换(NCHO)、移动控制切换(MCHO)和移动辅助切换(MAHO)。在网络控制切换中，决策步骤被控制器扣留，而移动台执行启动步骤。在移动控制切换中，移动台执行两个步骤，启动步骤和决策步骤。而在MAHO中网络执行决策，移动台仅收集和发送基本信息，即接收信号强度指示和信号干扰噪声比。

基于频谱、开销、可靠性、QoS和延迟，其主要的切换方案优缺点总结如下。

(1)硬切换：优点是高效的用户频谱效率，无数据开销；其缺点是短时间中断服务，对链路传输时间敏感(可能导致通话中断)。

(2)软切换：优点是高度可靠，在切换过程中不会丢失QoS；其缺点是数据开销大，频谱使用效率低下。

(3)预测性重路由：优点是最小化切换延迟；其缺点是信令开销，可能的数据开销。

(4)排队方案：优点是易于实施先入先出(FIFO)队列，根据信道的降级进行队列重新排序。其缺点是信道退化，信令和计算开销。