康桂華，周文波，齊 柏，黃銅娟

(河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，常州213022)

1 引言

無線移動網(wǎng)絡(luò)的一個重要特性就是切換，切換的提出是為了解決用戶在移動過程中維持業(yè)務(wù)的連續(xù)性問題，切換管理是移動性管理的一項重要內(nèi)容。當(dāng)用戶在移動過程中跨越小區(qū)邊緣或當(dāng)前通信鏈路的信號質(zhì)量變差時，切換將會被觸發(fā)并執(zhí)行［1］。

切換性能是無線移動通信系統(tǒng)性能的重要評判指標(biāo)，有效的切換算法是實現(xiàn)用戶無處不在網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。在引入CoMP(Coordinated Multipoint Transmission and Reception)技術(shù)后，系統(tǒng)的切換場景發(fā)生了變化，原系統(tǒng)中的切換算法將不能滿足新場景的切換要求，因此設(shè)計一種適應(yīng)新場景的有效切換算法是一個亟待解決的問題［2］，由此根據(jù)CoMP中JP技術(shù)的特點提出了一種基于多目標(biāo)的CoMP切換算法。

2 CoMP技術(shù)原理

CoMP技術(shù)，即指處于多個地理位置相互獨(dú)立分散的傳輸節(jié)點，通過不同的協(xié)作方式消除或降低小區(qū)間的干擾，為用戶提供服務(wù)的技術(shù)［3］。按照傳輸方案的不同，CoMP技術(shù)可以分為兩大類:聯(lián)合處理JP(Joint Processing)技術(shù)和協(xié)作調(diào)度/波束賦形CS/CB(Coordinated Scheduling/Beamforming)技術(shù)［4］。

2.1 聯(lián)合處理技術(shù)

信息可以在每個CoMP協(xié)作集中共享，讓相鄰的多個小區(qū)為一個用戶發(fā)送數(shù)據(jù)并將小區(qū)間的干擾變?yōu)橛杏玫男盘枴f(xié)作小區(qū)不僅共享用戶的信道信息，而且共享用戶的數(shù)據(jù)信息，其模型見圖1，聯(lián)合處理技術(shù)又可以細(xì)分為聯(lián)合傳輸技術(shù)和動態(tài)小區(qū)選擇技術(shù)［5］。

圖1 聯(lián)合處理技術(shù)

2.2 協(xié)作調(diào)度/波束賦形技術(shù)

通過小區(qū)間調(diào)度或者波束賦形去協(xié)調(diào)小區(qū)間干擾，盡量避免將相同的資源分配給干擾嚴(yán)重的兩用戶，協(xié)作小區(qū)中同時只有一個小區(qū)給一個用戶(UE)傳輸數(shù)據(jù)，協(xié)作小區(qū)間只共享用戶的信道信息，不共享用戶的數(shù)據(jù)信息［6］，其模型如圖2所示。

圖2 協(xié)作調(diào)度/波束賦形技術(shù)

3 切換

切換是指用戶正在進(jìn)行呼叫或者正在會話過程中從一個基站覆蓋范圍移動到另一基站覆蓋范圍，或因為外界的干擾而引起會話質(zhì)量下降，或由于一個基站覆蓋范圍內(nèi)用戶數(shù)目太多，沒有足夠時頻資源供給所有用戶傳輸數(shù)據(jù)時，必須改變原有的通信鏈路而轉(zhuǎn)接到信道狀況更好的新通信鏈路上，以保持與網(wǎng)絡(luò)持續(xù)連接的過程［7］。

按新鏈路的建立順序不同，切換可以分為硬切換、軟切換、接力切換。硬切換是指用戶在與新基站建立連接之前先與舊基站斷開連接［8］;軟切換是指用戶在切斷與舊基站連接之前先建立與新基站的連接;接力切換指運(yùn)用準(zhǔn)確的定位技術(shù)，將用戶的方位和距離作為輔助信息來判斷UE是否移動到了可切換區(qū)，如果UE進(jìn)入了可切換區(qū)，無線網(wǎng)絡(luò)控制器便告知可切換區(qū)基站做好切換準(zhǔn)備并最終完成切換。

由于LTE－A系統(tǒng)中采用的是硬切換［9］，而在CoMP時需要為具有多個數(shù)據(jù)傳輸點的邊緣用戶設(shè)計一種新型切換算法，于是便提出了基于多目標(biāo)的CoMP新切換算法。

4 傳統(tǒng)A3切換算法和基于多目標(biāo)的CoMP切換算法

4.1 傳統(tǒng)A3切換算法

傳統(tǒng)A3切換算法(簡稱傳統(tǒng)切換算法)是指LTE系統(tǒng)中以A3事件作為切換觸發(fā)條件的算法。傳統(tǒng)切換算法只要目標(biāo)小區(qū)的信號強(qiáng)度超過服務(wù)小區(qū)信號強(qiáng)度某一門限值并持續(xù)一段時間就進(jìn)行切換，使用戶從服務(wù)小區(qū)切換到目標(biāo)小區(qū)［10］。

4.2 基于多目標(biāo)的CoMP切換算法

基于多目標(biāo)的CoMP切換算法包含四個單元:服務(wù)小區(qū)、CoMP測量集、CoMP協(xié)作集、CoMP傳輸集。切換的決定權(quán)在服務(wù)小區(qū)，服務(wù)小區(qū)同時維持每個用戶(UE)與網(wǎng)絡(luò)的連接，任何時候一個UE只能與一個服務(wù)小區(qū)保持連接。測量集是UE進(jìn)行周期性的信道信息(包括參考信號接收功率、參考信號接收質(zhì)量、傳播時延等)測量的小區(qū)集合。CoMP協(xié)作集是直接或間接參與PDSCH(物理下行共享信道)信息傳輸?shù)膮f(xié)作小區(qū)集合。CoMP傳輸集是將數(shù)據(jù)信息直接傳輸給UE的小區(qū)集合。

基于多目標(biāo)的CoMP切換算法包括6個參量:HOM(切換遲滯門限)、TTT(觸發(fā)時長)、測量周期、RB(資源塊)利用率、RSRP(參考信號接收功率)、RSRQ(參考信號接收質(zhì)量)。HOM是目標(biāo)小區(qū)與服務(wù)小區(qū)的RSRP差值門限，TTT是目標(biāo)小區(qū)與服務(wù)小區(qū)RSRP差值大于HOM的持續(xù)時間，測量周期是周期性檢測切換條件的時間，切換只有在同時滿足HOM和TTT的條件下才能被執(zhí)行，以防止“乒乓效應(yīng)”產(chǎn)生，導(dǎo)致用戶在兩個小區(qū)間來回切換，對系統(tǒng)性能和用戶體驗產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

RB利用率是小區(qū)內(nèi)被占用的資源塊數(shù)與小區(qū)內(nèi)總資源塊數(shù)的比值，它描述了在時間t內(nèi)小區(qū)的負(fù)載情況，其表達(dá)式如下:

式(1)中PRBusedc(t)就是小區(qū)C在時間t內(nèi)的RB利用率，RBusedc(t)表示小區(qū)C在時間t內(nèi)被占用的RB數(shù)，RBtotalc(t)表示小區(qū)C在時間t內(nèi)可用的RB總數(shù)目。高的RB利用率顯示該小區(qū)處于高負(fù)載狀態(tài)，用戶如果切換到高負(fù)載的小區(qū)上，不僅會影響到小區(qū)原服務(wù)用戶的服務(wù)質(zhì)量，而且對該用戶的服務(wù)質(zhì)量也會產(chǎn)生很大的負(fù)面影響，引起切換失敗或一些不必要的切換。顯然切換的目標(biāo)小區(qū)應(yīng)該要滿足低負(fù)載、低RB利用率的要求。

RSRP是衡量小區(qū)無線信號強(qiáng)度的重要參數(shù)，RSRQ是表征小區(qū)信號質(zhì)量好壞的關(guān)鍵參數(shù)，兩者之間的關(guān)系為:RSRQ=N×RSRP/RSSI，其中N是系數(shù)，RSSI是某個符號內(nèi)接收到的所有信號的功率平均值，包括導(dǎo)頻信號、數(shù)據(jù)信號和小區(qū)間干擾信號等。在切換時應(yīng)綜合考慮RSRP與RSRQ，如果僅考慮RSRP，即使信號強(qiáng)度較大，但不能保證信號質(zhì)量好、干擾小，而小區(qū)信號質(zhì)量不好會引起用戶在小區(qū)之間來回切換;如果僅考慮RSRQ，雖然能夠避免用戶在小區(qū)之間來回切換，但如果RSRP較小，即信號強(qiáng)度小，會引起掉話，所以切換時將RSRP與RSRQ進(jìn)行綜合考慮是合理的。基于多目標(biāo)的CoMP切換算法具體實現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 基于多目標(biāo)的CoMP切換算法流程圖

當(dāng)UE與服務(wù)小區(qū)(CoMP傳輸集中RSRP最大的小區(qū)或由原服務(wù)小區(qū)指定的新服務(wù)小區(qū))連接后，基于多目標(biāo)的CoMP切換算法開始進(jìn)行小區(qū)選擇或重新選擇。UE在連接的服務(wù)小區(qū)(所屬eNodeB)測量命令指示下對測量集中的小區(qū)信道信息進(jìn)行測量，并將測量結(jié)果反饋給服務(wù)小區(qū)，與此同時服務(wù)小區(qū)通過X2接口獲取測量集中各小區(qū)的負(fù)載信息(主要考慮RB利用率)。首先服務(wù)小區(qū)根據(jù)獲取的RB利用率的信息按大小順序進(jìn)行升序排列，從中選取前N=5個小區(qū)作為CoMP協(xié)作集。然后服務(wù)小區(qū)綜合考慮CoMP協(xié)作集中各小區(qū)的RSRP和RSRQ值選取CoMP傳輸集。具體操作如下:將CoMP協(xié)作集各小區(qū)RSRP和RSRQ的綜合值進(jìn)行降序排列，服務(wù)小區(qū)選取前M=3個小區(qū)作為CoMP傳輸集。選取傳輸集中RSRP最大的小區(qū)作為目標(biāo)小區(qū)，判斷該小區(qū)在整個TTT內(nèi)是否滿足公式(2)，若滿足將觸發(fā)切換，服務(wù)小區(qū)要求原CoMP傳輸集內(nèi)所有小區(qū)取消當(dāng)前的數(shù)據(jù)傳輸，并向UE發(fā)送切換命令，指示UE切換到目標(biāo)小區(qū)即新的服務(wù)小區(qū)，UE斷開與原服務(wù)小區(qū)的連接，然后與新服務(wù)小區(qū)保持連接;若不滿足公式(2)，CoMP傳輸集開始向UE傳輸數(shù)據(jù)，直到下一個測量周期過期。

式(2)中RSRPt為CoMP傳輸集中RSRP最大的小區(qū)即目標(biāo)小區(qū)RSRP的值，RSRPs是服務(wù)小區(qū)RSRP的值。該算法通過CoMP協(xié)作集和CoMP傳輸集的兩重優(yōu)選，先后考慮了小區(qū) RB利用率、RSRP、RSRQ多目標(biāo)參量，確保最終切換后的小區(qū)既有較小的負(fù)載，又有較強(qiáng)的信號強(qiáng)度和較好的信號質(zhì)量。

5 仿真實驗和分析

仿真場景選取7小區(qū)模型，并采用Wrap Round技術(shù)，假定用戶均勻分布，用戶只做勻速直線運(yùn)動，但起始運(yùn)動方向是隨機(jī)的，速率都為160Km/h，基站和UE的接收天線和發(fā)射天線數(shù)都為2，CoMP協(xié)作集和CoMP傳輸集內(nèi)小區(qū)數(shù)目分別為5和3，系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

采用基于多目標(biāo)的CoMP切換算法與傳統(tǒng)切換算法得到的系統(tǒng)吞吐量仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)吞吐量比較

從圖4可以看出，基于多目標(biāo)的CoMP切換算法與傳統(tǒng)切換算法相比，前者能明顯提升系統(tǒng)吞吐量，這是因為基于多目標(biāo)的CoMP切換算法中，用戶切換到的目標(biāo)小區(qū)不僅具有較低的負(fù)載，更具有較強(qiáng)的信號強(qiáng)度及較好的信號質(zhì)量，而傳統(tǒng)切換算法只能保證目標(biāo)小區(qū)具有較強(qiáng)的信號強(qiáng)度。同時，用戶在CoMP條件下，能夠確保3個協(xié)作小區(qū)同時為用戶傳輸數(shù)據(jù)。綜合上述原因，相對于傳統(tǒng)切換算法，基于多目標(biāo)的CoMP切換算法能夠提高系統(tǒng)吞吐量。

圖5分別給出了基于多目標(biāo)的CoMP切換算法和傳統(tǒng)切換算法的切換次數(shù)仿真結(jié)果。

圖5 系統(tǒng)切換次數(shù)比較

從圖5中可看出隨著UE數(shù)的增加，兩種切換算法總切換次數(shù)的變化情況。在用戶數(shù)相同的條件下，基于多目標(biāo)CoMP切換算法的切換總次數(shù)要少于傳統(tǒng)切換算法。這是因為傳統(tǒng)切換算法只要RSRP符合條件就進(jìn)行切換，而基于多目標(biāo)的CoMP切換算法必須在RSRP、RSRQ、RB利用率同時滿足條件的情況下才進(jìn)行切換，這樣能減少許多不必要的切換。

6 結(jié)束語

綜上所述，根據(jù)CoMP的聯(lián)合處理(JP)技術(shù)特點提出的多目標(biāo)CoMP切換算法，與傳統(tǒng)切換算法相比，能提高系統(tǒng)的吞吐量，改善小區(qū)邊緣用戶的傳輸性能。同時還能減少系統(tǒng)的切換總次數(shù)，避免了系統(tǒng)很多不必要的切換，提高了用戶的體驗質(zhì)量。

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