LTE－A系統中基于多目標的CoMP切換算法研究

康桂華，周文波，齊 柏，黃銅娟

(河海大學物聯網工程學院，常州213022)

1 引言

無線移動網絡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務的連續性問題，切換管理是移動性管理的一項重要內容。當用戶在移動過程中跨越小區邊緣或當前通信鏈路的信號質量變差時，切換將會被觸發并執行［1］。

切換性能是無線移動通信系統性能的重要評判指標，有效的切換算法是實現用戶無處不在網絡的關鍵。在引入CoMP(Coordinated Multipoint Transmission and Reception)技術后，系統的切換場景發生了變化，原系統中的切換算法將不能滿足新場景的切換要求，因此設計一種適應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CoMP中JP技術的特點提出了一種基于多目標的CoMP切換算法。

2 CoMP技術原理

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

2.1 聯合處理技術

信息可以在每個CoMP協作集中共享，讓相鄰的多個小區為一個用戶發送數據并將小區間的干擾變為有用的信號。協作小區不僅共享用戶的信道信息，而且共享用戶的數據信息，其模型見圖1，聯合處理技術又可以細分為聯合傳輸技術和動態小區選擇技術［5］。

圖1 聯合處理技術

2.2 協作調度/波束賦形技術

通過小區間調度或者波束賦形去協調小區間干擾，盡量避免將相同的資源分配給干擾嚴重的兩用戶，協作小區中同時只有一個小區給一個用戶(UE)傳輸數據，協作小區間只共享用戶的信道信息，不共享用戶的數據信息［6］，其模型如圖2所示。

圖2 協作調度/波束賦形技術

3 切換

切換是指用戶正在進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量下降，或由于一個基站覆蓋范圍內用戶數目太多，沒有足夠時頻資源供給所有用戶傳輸數據時，必須改變原有的通信鏈路而轉接到信道狀況更好的新通信鏈路上，以保持與網絡持續連接的過程［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;接力切換指運用準確的定位技術，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，如果UE進入了可切換區，無線網絡控制器便告知可切換區基站做好切換準備并最終完成切換。

由于LTE－A系統中采用的是硬切換［9］，而在CoMP時需要為具有多個數據傳輸點的邊緣用戶設計一種新型切換算法，于是便提出了基于多目標的CoMP新切換算法。

4 傳統A3切換算法和基于多目標的CoMP切換算法

4.1 傳統A3切換算法

傳統A3切換算法(簡稱傳統切換算法)是指LTE系統中以A3事件作為切換觸發條件的算法。傳統切換算法只要目標小區的信號強度超過服務小區信號強度某一門限值并持續一段時間就進行切換，使用戶從服務小區切換到目標小區［10］。

4.2 基于多目標的CoMP切換算法

基于多目標的CoMP切換算法包含四個單元:服務小區、CoMP測量集、CoMP協作集、CoMP傳輸集。切換的決定權在服務小區，服務小區同時維持每個用戶(UE)與網絡的連接，任何時候一個UE只能與一個服務小區保持連接。測量集是UE進行周期性的信道信息(包括參考信號接收功率、參考信號接收質量、傳播時延等)測量的小區集合。CoMP協作集是直接或間接參與PDSCH(物理下行共享信道)信息傳輸的協作小區集合。CoMP傳輸集是將數據信息直接傳輸給UE的小區集合。

基于多目標的CoMP切換算法包括6個參量:HOM(切換遲滯門限)、TTT(觸發時長)、測量周期、RB(資源塊)利用率、RSRP(參考信號接收功率)、RSRQ(參考信號接收質量)。HOM是目標小區與服務小區的RSRP差值門限，TTT是目標小區與服務小區RSRP差值大于HOM的持續時間，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的條件下才能被執行，以防止“乒乓效應”產生，導致用戶在兩個小區間來回切換，對系統性能和用戶體驗產生嚴重影響。

RB利用率是小區內被占用的資源塊數與小區內總資源塊數的比值，它描述了在時間t內小區的負載情況，其表達式如下:

式(1)中PRBusedc(t)就是小區C在時間t內的RB利用率，RBusedc(t)表示小區C在時間t內被占用的RB數，RBtotalc(t)表示小區C在時間t內可用的RB總數目。高的RB利用率顯示該小區處于高負載狀態，用戶如果切換到高負載的小區上，不僅會影響到小區原服務用戶的服務質量，而且對該用戶的服務質量也會產生很大的負面影響，引起切換失敗或一些不必要的切換。顯然切換的目標小區應該要滿足低負載、低RB利用率的要求。

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

圖3 基于多目標的CoMP切換算法流程圖

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

式(2)中RSRPt為CoMP傳輸集中RSRP最大的小區即目標小區RSRP的值，RSRPs是服務小區RSRP的值。該算法通過CoMP協作集和CoMP傳輸集的兩重優選，先后考慮了小區 RB利用率、RSRP、RSRQ多目標參量，確保最終切換后的小區既有較小的負載，又有較強的信號強度和較好的信號質量。

5 仿真實驗和分析

仿真場景選取7小區模型，并采用Wrap Round技術，假定用戶均勻分布，用戶只做勻速直線運動，但起始運動方向是隨機的，速率都為160Km/h，基站和UE的接收天線和發射天線數都為2，CoMP協作集和CoMP傳輸集內小區數目分別為5和3，系統的主要參數如表1所示。

表1 仿真參數

采用基于多目標的CoMP切換算法與傳統切換算法得到的系統吞吐量仿真結果如圖4所示。

圖4 系統吞吐量比較

從圖4可以看出，基于多目標的CoMP切換算法與傳統切換算法相比，前者能明顯提升系統吞吐量，這是因為基于多目標的CoMP切換算法中，用戶切換到的目標小區不僅具有較低的負載，更具有較強的信號強度及較好的信號質量，而傳統切換算法只能保證目標小區具有較強的信號強度。同時，用戶在CoMP條件下，能夠確保3個協作小區同時為用戶傳輸數據。綜合上述原因，相對于傳統切換算法，基于多目標的CoMP切換算法能夠提高系統吞吐量。

圖5分別給出了基于多目標的CoMP切換算法和傳統切換算法的切換次數仿真結果。

圖5 系統切換次數比較

從圖5中可看出隨著UE數的增加，兩種切換算法總切換次數的變化情況。在用戶數相同的條件下，基于多目標CoMP切換算法的切換總次數要少于傳統切換算法。這是因為傳統切換算法只要RSRP符合條件就進行切換，而基于多目標的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行切換，這樣能減少許多不必要的切換。

6 結束語

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

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［4］3GPPTR36.912 V10.0.0，3rd Generation Partner－ ship Project;Technical Specification Group Radio Access Network;Feasibility study for Further Adva－ncements for E －UTRA(LTE －Advanced)(Release 10)［S］.2011.

［5］秦百爽.支持多點－多用戶協作傳輸的切換技術研究［D］.西安:西安電子科技大學，2012.

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［10］Naizheng Zheng，Wigard J.On the Performance of Integrator Handover Algorithms in LTE Networks［C］.IEEE Vehicular Technology Conference，2008.