LTE系統切換過程中RRC信令可靠性的研究與改進*

劉麗敏，董宏成，李小文

（重慶郵電大學通信與信息工程學院 重慶400065）

1 引言

現有的蜂窩移動通信系統(如3G系統)提供的數據速率在小區中心和小區邊緣有很大的差異，不僅影響整個系統的容量，還使不同位置上的服務質量(quality of service)有很大的波動。因此，目前正在研發的LTE(long term evolution)系統，將提高小區邊緣性能作為主要的需求指標之一[1]。而小區邊緣地帶由于低SINR、高路徑損耗的特點，經常造成切換。與切換相關信令的可靠性傳輸對提高小區邊緣性能非常重要。本文將從上行功率控制（以下簡稱功控）造成的功率受限(power limitation)入手，提高與切換相關的RRC信令傳輸的可靠性，從而提高小區邊緣性能。

2 相關過程

無線資源管理(RRM)功能涉及分配和維護無線鏈路通信，由無線接入網完成。在LTE的E-UTRAN系統中，RRM功能的定義參考了3G系統RRM的基本功能，并基于LTE的E-UTRAN架構和需求對其功能進行了擴展,包括無線承載控制(RBC)、無限接納控制(RAC)、連接移動性控制(CMC)、動態資源分配(DRA)、小區間干擾協調(ICIC)和負載均衡(LB)。LTE系統中所進行的無線資源管理既包括對單小區無線資源的管理，還包括對多小區無線資源的管理。本文重點介紹連接移動性控制中在連接模式下的切換決策和小區間干擾協調的功控機制[2,3]。

2.1 切換流程

RRM功能中的連接移動性控制(CMC)在連接模式下，支持無線連接移動性，基于UE與eNode B的測量結果進行切換決策。切換的相關流程如圖1所示。TD-LTE系統中采用硬切換，首先，根據系統消息所規定的測量上報準則，UE發送“measurement report”信息給源eNode B。例如：當鄰小區比服務小區好時，就會觸發事件A3[4],當事件A3的條件得到滿足時，就會發送測量報告到源eNode B。源eNode B判斷是否需要進行切換。若進行切換，則源eNode B基 于“measurement report”和RRM算 法 為UE確定目標基站，并將UE的上下文（UE context）信息隨切換請求一起發送到目標基站。UE收到源基站“HO command”命令（即“RRC connection reconfiguration”命令）后開始準備切換，當UE向目標基站返回“HO confirm”命令（即“RRC connection reconfiguration complete”命令），表明切換過程完成。

2.2 上行功率控制

小區間干擾協調的功控機制與單純的小區功控是不同的。單純的小區功控只用于路損補償，當一個UE的上行信道質量下降（如處于小區邊緣）時，eNode B可以根據該UE的需要，加大其發射功率。但每個小區都一味地提高小區邊緣UE的發射功率，反而會由于小區間干擾的增加造成系統總容量的下降。因此,從整個系統總容量最大化的角度考慮，相鄰eNode B之間通過X2接口傳送高干擾指示（HII）和過載指示（OI）來調度PRB[5]。

LTE系統采用慢功控的方式，UE的發射功率通過eNode B發送慢功控指令（如PSD）和通過下行RS測量路損值等計算。上行功控計算式為[6]：

其中，P為UE的發射功率；Pmax為UE的最大發射功率，為固定值，取決于UE的等級；P0為小區特定或UE特定的參數；M為分配給UE上行RB的數量；α是小區特定的路損補償系數；PL是UE測量下行路損值；Δmcs是由RRC層指定的針對某個特定的MCS的參數；Δi是小區特定的發射功率控制（transmit power control，TPC）閉環修正系數，其中i表示子幀序號；函數f(x)由高層給出。

基站可以通過信令控制UE是否根據所選的MCS計算Δmcs的值，如果不計算則其值為0。這里采用開環功率控制，將MSC（modeulation and coding scheme）的參數Δmcs與閉環功控相關的參數f(Δi)都設為0，則式（1）變為：

第i幀的PUSCH中的每個RB（M=1）上的發射功率為：

由式（3），可以得到能夠分配給用戶的最大PRB的數量為：

則基站分配給UE的上行PRB一定不能超過Mmax。

2.3 功率受限

LTE系統應提供快速且可靠的切換過程。切換的可靠性與切換相關的參數直接相關，但與切換相關信令的可靠性傳輸也同樣非常重要。比如，若相關消息沒有快速且可靠地傳輸，切換有了時延，那么切換失敗及無線鏈路失敗的可能性就會提高。

當式（4）中的Mmax<1時，終端就會被認為是功率受限。這里把功率受限的定義擴展一下，當Mmax比當前要分配的PRB小時，UE就會被認為是功率受限。各個PRB的低功率傳輸會造成接收方的低SINR、高BLER、重傳次數的提高。

小區邊緣地帶由于低SINR、高路徑損耗的特點，經常造成切換。而高的路徑損耗使UE處于功率受限狀態，給上行功控造成一定的挑戰。為了減少時延，不對RRC信令進行分割，即RRC信令被分配在一個TTI（transmission time interval）中傳輸。而RRC信令所分配的長度則由消息的長度和采用的MCS所決定。A3消息所分配的資源見表1。可以發現PRB的分配在消息的可靠性及功率受限的概率之間尋求平衡。控制消息采用的調制編碼方式越可靠，就越容易造成功率受限。

表1 控制信息分配大小

3 切換過程中功率受限的分析

切換過程中，功率受限是造成上行控制信息遇到問題的主要原因。

power）分布曲線。其中一條是周期性上報A3事件情況下UE的RSRP的累積分布函數，另一條是在切換的情況下UE的RSRP的累積分數函數。由圖2可以看出，在切換條件下，RSRP分布情況比周期性上報條件下差，也就是說在切換的條件下可能存在功率受限的情況，對消息的可靠性傳輸造成影響。

下面分析可能造成功率受限的2個相關參數。

·P0，由式（3）可以得到P0對上行傳輸功率有著直接的影響。

·控制信息的長度及采用的調制編碼方式。由前面功率受限的分析可以得到，采用越高階的MCS，功率越容易受限。

下面將改變這兩個相關參數以減小功率受限的概率并得到仿真結果。

4 仿真與結果分析

在切換過程中，RRC信令非常重要，而其功率的提高也有助于處于小區邊緣的用戶更好地完成切換過程。另一方面，由事件而觸發切換報告的用戶一般很少，而由此提升的上行干擾不會對其他用戶造成嚴重的干擾問題。相鄰小區根據X2接口收到的HII和OI，避開自己小區邊緣UE也調度到這個PRB上，或盡量減小對這個PRB的干擾。因此由上文中造成功率受限的原因入手，結合小區間干擾協調機制，可以提出一種簡單的功率提升（power boosting）機制，即增大與切換相關的上行信令的發射功率。本文中，與默認的發射功率相比增加3 dB。由式（3）可得，這相當于增大UE的最大傳輸功率，即UE的最大傳輸功率提升為26 dBm，或者P0與默認的P0相比，減小3 dB。

本文的系統仿真主要從造成功率受限的兩個相關參數進行分析，系統的仿真參數設置見表2。

表2 仿真參數設置

仿真結果及分析如圖3所示。

圖3顯示了針對不同大小的A3事件及不同的調制編碼方式，隨著P0值的增大，功率受限概率的變化。由圖3可見，隨著P0的增大，功率受限的概率也增大。這是由于P0直接影響每個PRB的發射功率，當最大發射功率及分配的資源大小不變時，P0越大，功率受限的概率也越大。同時從圖中可以看出，控制信道采用的MCS方式越可靠，A3消息越大，功率受限的可能性越大。因為這些參數會造成為A3測量報告分配的資源增大，在傳輸功率不變的情況下，功率受限的可能性會增大。從圖中可以看出，采用功率提升機制的boost曲線與提升前的機制比較，可以得出功率受限的概率相對降低了20%～30%。

圖4顯示了A3測量報告成功接收的概率。結合圖3可以看出，功率受限的概率越低，A3測量報告成功的概率越高。同時，采用了功率提升機制的boost曲線與提升前的曲線相比，A3報告成功的概率得到了提高。這說明，采用功率提升機制，結合最優的MCS方式及資源大小可以提高服務質量，改善用戶的體驗。

5 結束語

本文分析了在LTE系統中，功率受限降低了切換過程中信令傳輸的可靠性。接著從造成功率受限的原因入手，結合小區間干擾協調機制提出了一種簡單的功率提升機制，降低了功率受限的概率，提高了RRC信令傳輸的可靠性。當然，要在LTE系統中實施，還存在要繼續研究及完善的部分，如TTI綁定以及對控制信息的分割等。

1 3GPP TS 36.300.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN).Overall Description(Release 9),2009

2 3GPP TS 36.133.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA).Requirements for Support of Radio Resource Management(Release 10),2011

3 Peng Mugen,Wang Wenbo.A framework for investigating radio resource management algorithms in TD-SCDMA systems.IEEE Radio Communication Magazine,2005（6）

4 3GPP TS 36.331.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA).Radio Resource Control(RRC)Protocol Specification(Release 10),2010

5 沈嘉，索士強.3GPP長期演進（LTE）技術原理與系統設計.北京：人民郵電出版社，2009

6 3GPP TS 36.213 V10.1.0.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)Physical Layer Procedures(Release 10),2011