LTE異構網絡部署下的移動性問題分析

皮立儒 李海軍

【摘要】本文即在LTE異構網絡部署環境下，著重分析了移動性方面存在的幾個主要問題，并有針對性地提出了一些方向性的初步建議。

【關鍵詞】LTE異構網絡移動性

一、引言

近年來，隨著智能終端的普及，無線移動數據業務呈現爆發式增長，現有的3G網絡由于頻譜效率、容量、時延等方面的技術限制，逐漸不再能滿足運營商的業務發展要求。而面向4G的LTE網絡攜全球統一的標準性、技術先進性及日益提高的產業成熟度，在全球的商業部署開始不斷升溫。在我國，雖然LTE網絡還沒有正式的商業部署，但大規模的試驗網已經開展，相關的網絡驗證和新技術試驗分析也已經取得部分進展。

同時，從3G網絡的發展經驗以及全球已部署LTE網絡的國家的統計結果來看，移動數據業務依然體現出以商業活動中心、家庭和辦公樓宇等人群聚集地為主要業務熱點與網絡容量和性能瓶頸的特性。針對這一特點，當前最重要的實踐對策是通過大型宏基站提供廣覆蓋，而大量在熱點地區引入和部署小型以及超小型基站來實現區域業務的負荷分流，構成所謂的移動網絡（HetNet），從而使容量、覆蓋、負荷與用戶速率、感受等各項性能指標之間盡量達成平衡。

本文即在LTE異構網絡部署環境下，著重分析了移動性方面存在的幾個主要問題，并有針對性地提出了一些方向性的初步建議。

二、異構網絡下的移動性問題

本文所指的LTE異構網絡，主要指采用LTE技術的各種形態的基站（如傳統宏基站Macro eNB、小型基站Micro eNB和超小型基站Pico以及家庭基站HeNB/CSG）混合部署、共同提供無線覆蓋的網絡場景，如下圖1所示。

當前，LTE異構網絡中面臨的移動性問題，主要來源于商業部署和試驗網中發現和總結出的問題，同時，類似的問題也正在標準組織中討論[1]。具體而言，當前，主要由下列問題，迫切需要引入新的思路來完善、優化和解決。

2.1小小區的發現

當前，LTE系統支持UE執行鄰區測量，即網絡可以給UE配置相關的測量目標和測量事件，包括同頻和異頻測量，當UE發現測量結果滿足相關的門限條件時（如本小區的信號較差同時鄰小區的信號較好），就上報測量結果給服務基站，以便服務基站及時根據測量結果執行移動性管理手段，比如，將UE切換到更合適的小區。在異構網絡下，如上圖1所示，宏基站小區（宏小區）與小基站小區（小小區）共同覆蓋一些熱點區域，取決于運營商的頻率規劃以及實際網絡環境，宏小區與小小區這二者可能是同頻部署的，也可能是異頻部署的。此時，經常出現的兩個問題。一個是UE對小小區的檢測的困難，這個問題主要是由于異構網絡下，同一個區域內多個不同形態的基站信號的共同覆蓋下，無線環境相對復雜化，UE需要同時支持多個同頻/異頻小區的檢測，包括小區標識的識別，測量的啟動，異頻測量間隔（gap）的設計，測量結果的上報等等，都帶來了難度。

另外一個問題與切換有關，當UE從一個小區移動到另外一個小區的過程中，網絡為UE發起的切換經常過遲，導致切換失敗。這個問題的根源在于不同類型的小區的信號衰減特性不同，比如宏小區因為是廣覆蓋，覆蓋半徑較大，信號強度相對衰減較慢，而小小區只提供小范圍覆蓋，其信號在短距離內急劇變化。這樣，當UE起初在原小區信號一直較好，不足以達到測量上報門限條件，而當UE達到測量結果上報條件時，往往為時已晚。

針對這個問題，當前還沒有很好的解決方案。一個可能的辦法是：網絡針對UE處于不同的位置，并結合UE移動方向上的小區類型（如宏小區或小小區），為UE的不同鄰區和頻點配置不同的測量門限。這一方法可以提高UE發現小小區的有效性，代價是為網絡的測量配置帶來了一些額外的復雜度。

2.2用戶移動速度的估測

但是，這些標準化的UE移動速度檢測方案存在著先天的不足，主要是：這些方案的設計都是基于宏小區模型，而不太適用于異構網絡的場景。具體而言，現有的方案中，假設的是各個小區的半徑大致上是可以比較的，是一個量級的，因而可以通過對單位時間發生的重選次數或切換次數來做粗略的評估。但在異構網絡的環境下，小區類型（小區尺寸）差別很大，于是，即使是勻速移動的UE，在同樣的時間里，能夠穿過（即發生小區重選或者切換）的小小區數量和宏小區數量可能差異很大，這樣，估算UE的移動速度時，也將會有非常大的差異。因為UE的移動速度被廣泛用于UE的移動性程序中，涉及到移動性測量中的相關偏置量和縮放因子的處理，進而影響移動性判決和移動性能，因而，UE移動速度的檢測在異構網絡的場景下必須盡量保持準確，而異構網絡中不同形態的小區的廣泛存在，使這一問題更加惡化。

針對這個問題，目前已經提出的方法是：UE在估算移動速度時，只計算與宏小區相關的重選和切換次數，而不計算小小區。但這個方法存在的問題是：當UE較多在小小區中停留或者移動時，相關的速度估算則明顯不準確。一種可能的優化方案是：在計算UE的重選或者切換次數時，UE對于宏小區和小小區分別計算出一個結果，然后將二者以一定的系數進行耦合，得出一個綜合的結果。這一方法可以依據有效提升UE的移動速度估計精度，從而提升移動性能。

2.3無線鏈路的中斷與恢復

在異構網絡場景下，宏小區與小小區的重疊覆蓋，使得UE的無線環境復雜化。特別是如前所述的，小小區信號變化劇烈，UE對小小區的檢測和測量難度加大，切換判決的及時性和準確度也受到嚴重影響，從而導致UE經常發生無線鏈路中斷或切換失敗，進而影響用戶使用體驗。LTE現有技術對無線鏈路中斷已有一套機制，該機制主要依賴于網絡側。具體而言，當UE發現無線鏈路由于種種原因發生了中斷，UE將啟動無線鏈路重建過程，在這個過程中，UE將選擇信號較好的合適的小區，并向該小區發起鏈路重建請求，該小區收到UE的重建請求后，會判斷是否可以接納該UE（依據是否有該UE的先驗信息），若可以接納，則為小區恢復無線鏈路。

如同上面的UE移動速度估測一樣，這套機制也是以宏小區為基礎模型來設計的，其隱含的假設在于，UE發生鏈路中斷后，重新選擇的小區要么還是原來發生鏈路中斷的服務小區，要么是被原服務小區選作切換目標的目標小區，也即是相對確定的有先驗信息小區。但在異構網絡場景下，由于UE眾多小小區的存在以及各小小區無線信號在短距離內的劇烈變化，導致UE重新選擇的小區可能是一個全新的小區，而該小區很可能由于沒有該UE的先驗信息而拒絕UE的重建請求，致使UE回歸到空閑態，也就是用戶掉線。針對這個問題，一種可能的解決辦法是：網絡依據周邊區域其他小區的部署信息，結合用戶的移動方向和移動速度，提前將先驗信息傳遞給UE移動區域周邊的小區，從而，一旦UE發生無線鏈路中斷并發起小區選擇時，可以選擇一個信號較好且具有UE先驗信息的小區，進而，在UE發起鏈路重建時，該小區可以成功接納該UE并為UE恢復無線鏈路

2.3終端省電

眾所周知，隨著智能終端的功能日益強大，終端功耗也越來越大，相應的，對省電的要求也越發重要而緊迫。終端的省電，一方面需要從UE本身使用各項業務的時間以及電池的容量方面去考慮，另外一個方面就是依據無線和移動通信的特點從信令設計的角度來改善。對于LTE標準而言，自設計之初就考慮到了終端省電的要求，其中的一個重要設計就是DRX（非連續性接收），簡而言之，就是網絡為UE配置一套斷斷續續的激活和休眠時刻，讓UE盡可能多的處于休眠狀態而減少信號收發，從而降低無線功耗。在LTE異構網絡的場景下，DRX的設計面臨著進一步的挑戰。比如，由于眾多小小區和無線環境的復雜化，UE的測量要求可能增加，同時，對于測量結果上報的及時性和頻度也可能更高，這進一步導致UE的移動過程（小區重選和切換）發生得更加頻繁，這些都拉長了UE激活時間并相應增加了功耗。此外，在異構網絡環境下配置DRX參數時，UE還面臨著休眠時間的設置與UE測量報告觸發時間以及切換指令的折中。比如，當前的測量報告觸發時間一般并不考慮DRX休眠時間的影響，但這些在異構網絡環境下，將不得不重新審視。從無線信令處理的角度而言，對于終端省電的處理，在異構網絡環境下，需要更仔細的考察DRX的配置與同頻/異頻測量以及切換指令之間的關系。這一關系，需要在實踐中，經過大量的測試來形成基本的策略和基準。

三、總結

隨著智能終端和移動業務的日益占據通信主流，LTE網絡以其高性能設計和完善的產業成熟度終將成為下一代移動寬帶的主要技術，而異構網絡作為滿足用戶業務熱點的一種低成本部署方式也將廣泛應用。本文針對LTE異構網絡中移動性方面存在的幾個主要問題，做了初步的分析，并結合著現有技術給出了可行的進一步優化的建議方案，希望能夠為我國即將到來的LTE商業部署提供一些借鑒和思路。

參考文獻

[1] 3GPP TR 36.839 LTE Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Mobility enhancements in heterogeneous networks.

[2] Stefania sesia， Issam Toufik，The UMTS Long Term Evolution From Theory to Pratice， POSTS& TELECOM Press， 2009

[3] 3GPP TR 36.331 Evolved Universal Terrestrial Radio Access；Radio Resource Control；Protocol Specification

[4] Weiming Lang， Mobility Managementt Of LTE， Telecommunications Information，， 7， 2010

[5] Yinglong Liu， Research on Mobility Management in Wireless Heterogeneous IP Networks， BUPT Press，04，2012