王 凱，肖 乾

(中國移動通信集團山東有限公司 德州分公司，山東 德州253000)

1 引 言

為了滿足人們無線數(shù)據(jù)需求的急速增長，無線通信技術(shù)也在不斷更新?lián)Q代?，F(xiàn)如今，LTE 技術(shù)在全球范圍內(nèi)引領(lǐng)了一波4G 的潮流，許多地區(qū)已經(jīng)部署了LTE 系統(tǒng)(Release 8)，并且日漸成熟。學(xué)術(shù)界已經(jīng)放眼5G 標(biāo)準(zhǔn)的制定［1］。作為LTE 的演進版本，LTE－A(Release 10 之后的版本)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)進入了Release 13 的制定階段，越來越得到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視［2］。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的部署［3］被看作是對傳統(tǒng)蜂窩宏小區(qū)部署的一個強有力的補充，能夠進一步地提升系統(tǒng)的吞吐量。在宏小區(qū)范圍內(nèi)部署低功率的節(jié)點諸如小基站(Pico)、家庭基站(Femto)［4］和中繼(Relay)節(jié)點是一種能夠非常有效提升系統(tǒng)容量的方法。除此之外，載波聚合(Carrier Aggregation)也是LTE－A 系統(tǒng)提供的一項關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)將處在頻譜不同位置的頻帶邏輯上連接起來形成一個虛擬的更大的帶寬，從而增大系統(tǒng)吞吐量［5］。移動性管理一直是LTE 各版本的一個重點。當(dāng)移動臺與網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交互時，移動臺要維持與網(wǎng)絡(luò)的正常連接就需要進行一系列的測量并且將測量結(jié)果上報基站，基站則利用這些測量結(jié)果對移動臺的收發(fā)數(shù)據(jù)進行調(diào)度［6］。與此同時，LTE 系統(tǒng)的能量效率也成為近期學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注的重點。

傳統(tǒng)的LTE 無線資源管理(Radio Resource Management，RRM)測量是基于參考信號接收功率(Reference Signal Received Power，RSRP)或參考信號接收質(zhì)量(Reference Signal Received Quality，RSRQ)的，其中RSRQ 在系統(tǒng)滿載的情況與信干噪比(Signal to Interference plus Noise Ratio，SINR)的函數(shù)成正比［7］。文獻［8］指出，對于基于RSRP 的測量，更寬的測量帶寬只能提供很細微的測量精度提升。基于RSRP 的測量只是測量了小區(qū)專有參考信號(Cell－Specific Reference Signal，CRS)的信號強度，所以這種測量方式對于測量帶寬的敏感度很低。但是RSRQ 測量方式就不同，會受到測量帶寬的影響，因為RSRQ 的組成部分接收信號強度指示(Received Signal Strength Indicator，RSSI)與測量帶寬息息相關(guān)。LTE－A 系統(tǒng)中引入了異構(gòu)網(wǎng)、載波聚合的技術(shù)以及近些年提出的新載波類型(New Carrier Type，NCT)削減了載波上的參考信號密度，使得RRM 測量面臨新的挑戰(zhàn)。本文就RRM 測量問題分析了一個典型的場景，找到問題的本質(zhì)，提出了一個可行的方法。該方法可有效地解決上述RRM 測量問題，并且復(fù)雜度較低。

2 LTE－A 中的測量及測量問題的提出

RRM 測量的主要目的是為了讓移動臺能夠進行合適的小區(qū)切換和小區(qū)重選，從而保證移動臺與網(wǎng)絡(luò)的正常連接。協(xié)議規(guī)定，移動臺使用處在被測量的載波頻率中央的6 個資源塊(Resource Block，RB)作為滿足小區(qū)搜索和測量最低需求的測量帶寬［9］。值得注意的是，用于測量的CRS 卻不只處在載波頻率中央的6 個RB 上，而是遍布整個系統(tǒng)帶寬。從Release 8 開始，RSRP 和RSRQ 就被用作移動性控制的測量量，可以利用這些測量觸發(fā)測量量事件用于小區(qū)切換［10］。

原有移動臺RRM 測量的方式是窄帶測量，即移動臺只使用載波中心的6 個RB 進行服務(wù)小區(qū)和鄰小區(qū)進行小區(qū)搜索和測量。但是對于RRM 測量來說，使用6 個RB 作為測量帶寬僅僅是滿足最低性能需求的一個假設(shè)，移動臺可以使用比6 個RB更寬的帶寬來進行測量。值得注意的是，早在LTE Release 8 的協(xié)議中就已經(jīng)有一個信息元素(Information Element，IE)、允許的測量帶寬(allowedMeas-Bandwidth)［10］，這個IE 可用來指示移動臺在某個載波上所允許的最大的測量帶寬。一般來說，這個IE的典型值是系統(tǒng)的整個帶寬，所以它只規(guī)定了測量帶寬的上限，并沒有規(guī)定移動臺確切的測量帶寬。

本文是在一定的場景假設(shè)前提下進行討論的。正如文獻［11］中的規(guī)定，不同載波之間的間隔是由部署場景、可使用的頻帶尺寸和信道帶寬決定的。一般地，兩個相鄰的E－UTRA 的載波之間的間隔定義為兩個E－UTRA 載波的信道帶寬的算數(shù)平均值。本文只討論E－UTRA 時分雙工(Time Division Duplex，TDD)共信道場景，所以只考慮不同小區(qū)間的共信道干擾，不考慮鄰信道干擾。這種不考慮鄰道干擾的場景可以看作是評估LTE－A RRM 測量問題中最敏感的場景。

一般來講，在E－UTRA 同構(gòu)部署網(wǎng)絡(luò)中，不同宏(macro)小區(qū)在同一個頻帶中都配置成相同的信道帶寬。然而，對于異構(gòu)網(wǎng)場景，一種可能的網(wǎng)絡(luò)場景是pico 小區(qū)或femto 小區(qū)部分共信道部署。macro 網(wǎng)絡(luò)與pico 或femto 網(wǎng)絡(luò)層疊在一起，其中pico或femto 網(wǎng)絡(luò)部署在較小的信道帶寬上或者根據(jù)其網(wǎng)絡(luò)內(nèi)負載情況使用部分信道帶寬。在這種場景下，從RRM 測量的角度出發(fā)，使用原有窄帶測量(6個RB 作為測量帶寬)就會導(dǎo)致一些問題。由于篇幅所限，本文只考慮E－UTRA 共信道場景，提出的方法同樣適用于UTRA 的場景，甚至是多種系統(tǒng)的混合場景。

圖1是一個LTE－A 系統(tǒng)中的典型部分共信道部署場景。整個系統(tǒng)由兩層構(gòu)成，分別是macro 層和pico 層。它們雖然處在同一頻段，但使用不同大小的信道帶寬。通過圖1，我們還了解到傳輸帶寬兩側(cè)加上預(yù)留的保護帶寬才是信道帶寬。對于macro 小區(qū)，它使用連續(xù)頻帶，信道帶寬是10 MHz，而它的傳輸帶寬是9 MHz(50 RB);對于pico 小區(qū)，它使用兩塊頻帶，兩塊頻帶中心的間隔是5 MHz，每一塊的信道帶寬是5 MHz，傳輸帶寬是4.5 MHz(25 RB)。正是信道帶寬和傳輸帶寬的差別造成了圖中兩個pico 小區(qū)傳輸帶寬之間的間隔，從而導(dǎo)致了測量誤差。

圖1 LTE－A 典型部分共信道部署場景Fig.1 LTE－A typical partial co－channel scenario

基于上面的假設(shè)和討論，可以算出圖1中兩個相鄰E－ UTRA pico 小區(qū)傳輸帶寬之間的間隙為0.5 MHz。在這種場景下，macro 小區(qū)的移動臺使用傳統(tǒng)的窄帶測量(即載波中心6 RB 測量)就會誤判來自鄰小區(qū)(兩個pico 小區(qū))的干擾，得到較低的RSSI 測量值。從RSRQ 測量的角度來看，就會造成測量誤差。一個RB 的帶寬是0.18 MHz，所以實際真正落入macro 小區(qū)移動臺測量的載波中心6 RB的來自相鄰pico 小區(qū)的干擾只有0.58 MHz(6×0.18 MHz－0.5 MHz =0.58 MHz)，相當(dāng)于有一半的測量帶寬測不到相鄰小區(qū)的干擾。這時，移動臺就會錯誤地認為RSRQ 足夠高，可能實際情況恰恰相反，RSRQ 的真實值已經(jīng)低到一定程度需要觸發(fā)一些過程來維持正常的網(wǎng)絡(luò)連接。

圖1的場景一般可以分成兩種:第一種，具有連續(xù)頻帶的小區(qū)是服務(wù)小區(qū)，具有不連續(xù)頻帶的相鄰小區(qū)是小區(qū)重選或小區(qū)切換的目標(biāo)小區(qū);第二種，具有不連續(xù)頻帶的小區(qū)是服務(wù)小區(qū)，具有連續(xù)頻帶的相鄰小區(qū)作為小區(qū)重選和小區(qū)切換的目標(biāo)小區(qū)。窄帶測量對于這兩種情況可能造成的問題如下:

(1)具有連續(xù)頻帶的小區(qū)是服務(wù)小區(qū)。對于無線資源控制空閑(Radio Resource Control Idle，RRC_IDLE)，窄帶測量會延誤小區(qū)重選，尋呼丟失;對于無線資源控制連接(Radio Resource Control Connected，RRC_CONNECTED)，窄帶測量會延誤小區(qū)切換和重定向，最壞的情況會導(dǎo)致RRC 連接的重新建立;

(2)具有不連續(xù)頻帶的小區(qū)是服務(wù)小區(qū)。對于RRC_IDLE，窄帶測量會造成不必要的小區(qū)重選和乒乓效應(yīng);對于RRC_CONNECTED，窄帶測量會造成頻繁的小區(qū)切換和重定向，乒乓效應(yīng)嚴(yán)重。

為了解決上面提出的問題，一種簡單的方法是簡單地擴寬測量帶寬。這種方法可以滿足測量精度的需求，但是卻忽略了移動臺能量消耗的問題。該方法作為本文方案參照方法。

3 自適應(yīng)切換測量帶寬方法

本文提出移動臺可以根據(jù)信道狀況在不同的測量帶寬間進行自適應(yīng)地切換，該方案在滿足測量需求的同時還考慮了移動臺的能量消耗和實現(xiàn)復(fù)雜度。

圖2給出了自適應(yīng)切換測量帶寬方法的示意圖。如圖所示，兩個門限值將整個測量區(qū)域分為三個部分，分別是窄帶測量區(qū)、緩沖區(qū)和寬帶測量區(qū)。當(dāng)測量的RSRQ 值落入窄帶或?qū)拵y量區(qū)域時，移動臺則相應(yīng)地進行窄帶或?qū)拵У腞RM 測量;如果測量的RSRQ 值落入緩沖區(qū)，RRM 測量帶寬將保持與最近一次測量所使用的相同帶寬進行測量。通過合理地配置兩個門限值，可以很好地權(quán)衡測量精確度和功率消耗。門限間距可以根據(jù)切換敏感度的需求來合理調(diào)整，例如，門限間距越小，切換敏感度就越高，移動臺就越容易發(fā)生測量帶寬的切換。

圖2 自適應(yīng)切換測量帶寬方示意圖Fig.2 Illustration of adaptive measurement bandwidth switch method

4 系統(tǒng)模型

本文為了評估窄帶測量對RRM 測量的影響，進行了相應(yīng)的系統(tǒng)級仿真。整個網(wǎng)絡(luò)由19 個小區(qū)組成，每個小區(qū)由3 個扇區(qū)組成。19 個小區(qū)組成了一個三層的結(jié)構(gòu)，最里層中央紅色小區(qū)為10 MHz小區(qū)，外圍的兩層黃色和灰色小區(qū)分別是5 +5 MHz小區(qū)。這里說的5 + 5 MHz 是指總的信道帶寬是10 MHz，由于兩個相鄰5 MHz載波中間的間隙，所以形成了如圖1所示的兩個相鄰的5 MHz載波。移動臺可以在最里層和中間層自由移動。最外層小區(qū)僅僅是作為干擾源，同樣也是5 +5 MHz小區(qū)。

圖3 網(wǎng)絡(luò)拓撲Fig.3 Network topology

一個移動臺接入最里層10 MHz小區(qū)，按圖3中藍色箭頭所指路徑從1 號小區(qū)以30 km/h的速度移動到2 號小區(qū)。移動臺在整個移動過程中記錄使用不同測量帶寬進行RRM 測量得到的RSRQ 值和無線鏈路失敗(Radio Link Failure，RLF)狀態(tài)和測量能量消耗。

由于篇幅所限，本文只分析具有連續(xù)頻帶的小區(qū)是服務(wù)小區(qū)的情況，以RSRQ 為測量量進行RRM測量，只考慮測量帶寬為6 RB和50 RB兩種情況，其他情況可以此類推。

在上述場景下的測量帶寬為i 時的RSRQ 的表達式如下所示:

式中，i 是測量帶寬;NRE是在一個RB 上的CRS 數(shù)目;Ii是在測量帶寬為i 時接收到的鄰小區(qū)的共信道干擾功率;Ni是測量帶寬為i 時的熱噪聲功率，值得注意的是，并不是所有5 MHz系統(tǒng)的帶寬都落入測量帶寬范圍內(nèi);IBWi即是實際落入測量帶寬范圍內(nèi)的干擾帶寬，可以算出測量帶寬為6 RB時，實際5 MHz 鄰小區(qū)干擾帶寬為1.6 RB;測量帶寬為10 MHz時，實際5 MHz鄰小區(qū)干擾帶寬為23.6 RB;RSRPL5M是如圖1所示左側(cè)5 MHz的RSRP，RSRPR5M是右側(cè)5 MHz的RSRP。

移動臺測量能量消耗模型如下所示:

式中，α 是一次測量單個RB 上測量所消耗的能量，n 是進行測量的總次數(shù)，Pmeas是n 次測量所消耗的總能量。

5 仿真及結(jié)果分析

根據(jù)第4 節(jié)介紹的系統(tǒng)模型，我們用C + +搭建了LTE－A 系統(tǒng)級動態(tài)平臺進行了系統(tǒng)級仿真。服務(wù)小區(qū)信道帶寬為10 MHz(50 RB)。從測量精確度的角度考慮，使用50 RB 作為10 MHz系統(tǒng)的測量帶寬是最優(yōu)的，所以把50 RB 測量的結(jié)果作為性能的上限。值得注意的是，具體寬帶測量的測量帶寬有多寬，取決于第2 節(jié)提到的E－UTRA 系統(tǒng)發(fā)給移動臺的IE、allowedMeasBandwidth。本文假設(shè)寬帶測量等于IE 所規(guī)定的測量帶寬值，即系統(tǒng)帶寬。對于具有不同帶寬的系統(tǒng)，則會有不同的寬帶測量帶寬。

仿真設(shè)定一個移動臺按圖3所指定路徑從1 號小區(qū)移動到2 號小區(qū)。每40 ms進行一次RSRQ 測量，并且在200 ms 的時間窗內(nèi)對測量結(jié)果取平均。對于RLF 統(tǒng)計，一旦檢測到一定數(shù)量連續(xù)的Out－of－sync(失步)，移動臺就啟動一個定時器。如果定時器超過一個事先設(shè)定的時限，則更新一次RLF計數(shù)器。依據(jù)文獻［12］中的典型場景設(shè)置仿真參數(shù)，具體的仿真參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)Table 1 Simulation parameters

首先我們比較了不同測量帶寬下的RSRQ 值，如圖4所示。從圖4中我們可以看到當(dāng)移動臺靠近它的服務(wù)基站，即時間小于10 s時，移動臺剛從1 號小區(qū)出發(fā)，不同測量帶寬對RSRQ 測量值的影響是可以忽略的;當(dāng)移動臺繼續(xù)向2 號小區(qū)移動時，不同測量帶寬RSRQ 值的差別開始變大。這說明當(dāng)移動臺處在小區(qū)邊緣時，受到相鄰小區(qū)的干擾變得更大，前文提到的載波間隙對RRM 測量的影響變得更加明顯。

圖4 不同測量帶寬的RSRQ 測量值Fig.4 RSRQ of different measurement bandwidths

RSRP 值可以反映移動臺的位置，即反映移動臺是處在小區(qū)中心還是小區(qū)邊緣，但是因為RSRP不考慮干擾的影響，所以不能反映整個信道質(zhì)量。從圖5中我們可以看到，對于同一個RSRP 值，不同測量帶寬下可能存在不同的RSRQ 值。在某些場景中，雖然移動臺不在小區(qū)邊緣，但是移動臺處在熱點覆蓋區(qū)域，如超密集網(wǎng)絡(luò)中，它就會受到來自鄰小區(qū)低功率節(jié)點的嚴(yán)重干擾。RSRQ 能夠反映出實時的干擾狀況，更加適合這些場景的RRM 測量，所以我們選擇使用RSRQ 來作為本文提出的自適應(yīng)切換測量帶寬的測量量。

圖5 不同測量帶寬下的RSRQ vs. RSRPFig.5 RSRQ vs. RSRP of different measurement bandwidths

圖6評估了不同測量方式在多種切換遲滯因子情況下每次切換所發(fā)生的RLF 數(shù)，其中磁滯因子Hys 是一個無量綱的dB 值，是表1中A3 事件表達式里的一個參量。圖中顯示出窄帶測量(6 RB)和寬帶測量(50 RB)的RLF 性能有顯著的差別。而相較于傳統(tǒng)的6 RB 窄帶RRM 測量，本文提出的自適應(yīng)切換測量帶寬方式能夠有效地降低每次切換所發(fā)生的RLF 數(shù)。

圖6 不同切換磁滯參數(shù)下各測量方式的RLF 值Fig.6 RLF of different measurement bandwidths and various Hysteresis

雖然，使用寬帶測量(50 RB)的測量性能最優(yōu)，但是卻沒有考慮移動臺功率消耗的問題。為了觀察方便，利用公式(2)，我們假設(shè)移動臺在一個RB 上消耗的測量能量為一個單位，即α =1，并對得到的移動臺總能量消耗值做取對數(shù)處理，如圖7所示，移動臺在越寬的測量帶寬上進行RRM 測量需要進行更多的頻率采樣，會消耗更多的能量。本文提出的自適應(yīng)切換測量帶寬方式可以在保證一定的測量精度的情況下，盡可能地降低移動臺的功率消耗。

圖7 不同測量方式移動臺所消耗總能量曲線Fig.7 UE’s power consumption of different measurement methods

6 結(jié)束語

本文深入地分析了LTE－A 系統(tǒng)中RRM 測量的測量帶寬問題并且給出了可能出現(xiàn)測量問題的場景示意圖，評估了在LTE－A 系統(tǒng)中移動臺采用不同測量帶寬進行測量對RRM 測量精確度的影響問題，提出了一種新的測量帶寬選擇方法，即自適應(yīng)切換測量帶寬方法，該方法使得移動臺可以根據(jù)信道質(zhì)量自行在窄帶和寬帶測量之間進行切換。利用系統(tǒng)級仿真與傳統(tǒng)窄帶測量和理想寬帶測量方法對比，結(jié)果顯示該方法比傳統(tǒng)窄帶測量有更高的測量精確度和足夠的測量精度，并且同時還權(quán)衡了移動臺的能量消耗，解決了理想寬帶測量方法不考慮能耗的缺陷。該方案對實際移動臺進行RRM 測量時測量帶寬的選取具有指導(dǎo)意義。但是，本文提出的自適應(yīng)切換測量帶寬方法中，兩個門限值的設(shè)定是否是最優(yōu)，文中并沒有進行討論，因此，下一步將對這兩個門限值的設(shè)置對測量性能的影響進行研究，探索最優(yōu)門限值的選擇方案。

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