LTE－A與W iM ax2網間切換的研究與實現

宋漢文，何 健

(重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶400065)

隨著通信技術的迅猛發展，現在的無線通信技術都有各自的優缺點，任何一種無線通信都不能獨立支持所有業務的發展，可以預見，未來的無線通信網絡必然是一種相互共存，互相依賴的網絡［1］。為了順應時代發展的要求，如何設計一個融合各種移動網優勢的耦合網絡，為用戶提供更好更優質的服務，就成為了網絡融合中一個值得研究的方向［2］。本文提出的算法能有效降低垂直切換中的“乒乓效應”和系統的切換時延，改善UE的服務質量體驗。

1 切換原理

垂直切換主要是指UE在連接模式下從一個系統轉移到另外一個系統，并且通信業務質量能保證在可控制范圍內的一種行為。根據協議標準，切換一般可以分為切換判決、切換執行、切換結束3個步驟［3］，至于切換形式主要可以劃分為以下3種:

1)根據UE接收的無線信號質量進行切換

此種情況下，UE主要是根據網絡下發的Measure Control消息，將目前所處環境的服務小區和鄰近小區的信號質量上報給網絡，然后網絡下發切換命令，讓UE切換到通信信道質量更優的小區或異系統上去。

2)根據無線信號覆蓋的范圍進行切換

此種情況下，主要是UE在移動的過程中，當前的網絡環境已經不能繼續支持當前業務的正常進行，就會尋求其他系統接入來繼續當前的通信業務。比如:當UE從市區覆蓋的LTE－A(TDD)網絡逐漸向邊遠郊區移動時，由于LTE－A(TDD)的網絡質量就會逐漸下降，網絡就會讓UE切換到通信網絡環境較好的WiMax2中去，盡量維持當前的通信業務。

3)根據網絡的負載量進行切換

此種情況下，主要是因為在當前網絡環境下UE用戶數激增時，導致網絡能夠給每一個用戶提供的資源緊張所導致的切換到另一種無線接入技術的情況。例如，在用戶集中的熱點地區時，當前的LTE－A(TDD)環境已很難滿足所有人通信業務穩定可靠的使用，那么Node B/E Node B就會要求部分UE切換到負載相對較低的WiMax2網絡中去。

2 切換流程

根據LTE－A(TDD)與WiMax2在網絡覆蓋、業務方面的側重點及信道特性等各個方面的實際特點，可以分別詳細地給出兩者互相進行垂直切換的流程圖。首先假設UE在移動的過程中，已經處于LTE－A(TDD)與WiMax2二者網絡覆蓋的交叉區域，并且已經開始對二者的RSS值進行監測。

1)從LTE－A(TDD)到WiMax2的垂直切換方案

當UE在LTE－A(TDD)的網絡覆蓋下進行通信業務時，而且從WiMax2接入點獲取的RW已經大于或等于從LTE－A(TDD)基站處獲取的RL，從原則上來說，UE應盡可能快地切換到質量相對較好的WiMax2上去，但本文所提及的方案中，會優先判決UE在原網絡中進行的是否為RT(Real－Time)業務。因為如果UE在LTE－A(TDD)網絡上進行的是實時數據業務時，就會立刻觸發LTE－A(TDD)到側重于數據業務寬帶化的WiMax2網絡的垂直切換;若在LTE－A(TDD)上進行的是非實時數據業務，那么在垂直切換到WiMax2網絡的過程中必須要進行數據速率的調整過程，此時就會繼續監測RW＞RL的時間，且UE利用這一段時間來協調通信業務的傳輸速率，便于穩定可靠地切換到異系統WiMax2網絡，當RW＞RL的時間達到TTT時長時，就會觸發LTE－A(TDD)到WiMax2的切換。具體的切換流程可如圖1所示。

圖1 LTE－A(TDD)到WiMax2的切換

2)從WiMax2到LTE－A(TDD)的垂直切換方案

當UE在WiMax2的網絡覆蓋下進行通信業務時，而且從LTE－A(TDD)基站處獲取的RL已經大于或等于WiMax2接入點獲取的RW，從原則上來說，UE應盡快切換到質量相對較好的LTE－A(TDD)上，但在本文所提及的方案中，也會優先判決UE在原網絡中進行的是否為RT(Real Timing)業務。因為實時性業務對質量的可靠性和時延具有相對高的要求，如果處理不好，就會帶來業務的中斷。因此，若UE在WiMax2下進行實時數據業務時，由于WiMax2側重于數據業務的寬帶化，且呼吸效應要弱于LTE－A(TDD)網絡，在其網絡覆蓋下的UE進行數據業務時，數據速率相對較穩定，所以UE仍然會駐留在傾向于寬帶化的WiMax2網絡。此時說明LTE－A(TDD)的網絡條件在TTT的一段時間內一直保持得很好，這就為實時業務的順利切換提供了質量保證，觸發WiMax2到LTE－A(TDD)的垂直切換;反之，如果在RL≥RW的條件滿足后，判定UE此時進行的為非實時業務時，此時UE對數據業務傳輸速率的平穩性要求相對要弱一些，具體的切換流程如圖2所示。

圖2 WiMax2到LTE－A(TDD)的切換

3 仿真環境的搭建與驗證

上文給出了一種在LTE－A(TDD)與WiMax2異構網絡中，UE在連接模式下進行垂直切換的原理與流程，本節基于給出的垂直切換策略，利用MATLAB對該切換模型［4］進行仿真與驗證［5］，并通過一些參數或性能指標的對比來說明該方案在某種程度上的優越性。

3.1 仿真模型的建立

根據3GPP協議36.814中對LTE－A(TDD)傳播模型的限定，在此處選取其中的3GPPCase3作為LTE－A的仿真模型，對應的仿真參數［6］如表1所示。

表1 LTE－A(TDD)主要仿真參數

由于WiMax2剛成為4G標準不久，與之相匹配的設備性能還沒有一個統一的國際標準，并且WiMax2與之前的WiMax標準相比，其側重點是為同樣數目的用戶提供更大容量的數據傳輸速率，所以WiMax2的覆蓋半徑并沒有比當前的WiMax網絡提高多少，因此此處WiMax2傳播模型中的部分參數為參考WiMax網絡，具體的參數［7］設定可如表2所示。

表2 WiMax2主要仿真參數

根據協議及相應文獻對二者傳播模型界定，那么在仿真環境下，假設LTE－A(TDD)的載波頻率為2×109Hz，WiMax2的載波頻率為2.5 ×109Hz，且 LTE－A(TDD)的Node B/ENode B的發射功率值為46 dBm，WiMax2的發射功率為36 dBm;二者網絡的覆蓋半徑分別為1 732m與495 m，基站架設的盲區為(－35 m，35 m)。以垂直坐標系為基準，假設LTE－A(TDD)基站所處位置為(0，0)，WiMax2的位置為(900，0)。信號的采樣間隔為Tc，切換的滯后時間為TTT，滯后差值為HOM，UE所處的位置為(100，0)，并且在熱點覆蓋地區，UE以假定速度(36 km/h)由LTE－A(TDD)向WiMax2基站處運動。

那么根據上述參數，LTE－A(TDD)與WiMax2單基站網絡覆蓋下的切換模型就可以構造成如圖3所示結構。

3.2 切換仿真與結果分析

在實際的通信信道中，除了最基本的路徑損耗之外，還可能存在其他環境因素的影響，如快衰落效應或慢衰落效應［4］等，上述因素都會對信號在傳播過程中的質量產生一定的干擾。那么在本文的仿真環境中將考慮這兩種因素對整個通信鏈路的影響。

圖3 LTE－A(TDD)與WiMax2的基本模型

在設計仿真的過程中，基于快衰落與慢衰落效應的垂直切換流程關系到圖4中7個M文件和兩個模型的調用，調用關系如圖4所示。

圖4 垂直切換的流程調用

具體的算法通過代碼的表現形式如圖5所示。

圖5描述的就是二者混合組網時的垂直切換算法的主要判決代碼，其中第1行至第15行描述的是當UE進行實時業務時，垂直切換的判決情況;第16行至第29行描述的是UE進行非實時業務時，垂直切換的判決情況。在上述切換代碼中，count_handoff_number記錄的是具體切換的次數，觸發時長TTT在代碼中表現為handoff_drop的值。

1)service_type為1時，即UE進行非實時業務時

(1)當TTT=0 s，HOM=0 dBm時的仿真情況如圖6所示。

由切換的狀態圖6可知，本次仿真過程中UE切換了54次，當采樣的次數N為10時，切換的次數分別為54，60，50，52，56，52，46，48，58，56。

(2)當TTT=0.04 s，HOM=0.5 dBm 時的仿真情況如圖7所示。

圖5 垂直切換的判決代碼(截圖)

圖6 信號質量變化與切換狀態1

由切換的狀態圖7可知，本次仿真過程中UE切換了18次，當采樣的次數N為10時，切換的次數分別為18，20，20，14，16，18，16，18，18，16。

圖7 信號質量變化與切換狀態2

(3)當TTT=0.1 s，HOM=1 dBm時的仿真情況如圖8所示。

圖8 信號質量變化與切換狀態3

由切換的狀態圖8可知，本次仿真過程中UE切換了4次，當采樣的次數N為10時，切換的次數分別為4，6，6，6，4，8，4，6，6，6。

那么在觸發時長(TTT)與滯后差值(HOM)取值不同，且經N(N=10)次采樣結果統計后，UE在移動過程中切換的次數對比圖可如圖9所示。

圖9 當取不同參數時垂直切換對比情況(非實時業務)

在UE進行非實時業務時，對數據速率的平穩性要求相對要弱一些，那么UE會傾向于駐留在峰值速率更高的LTE－A(TDD)網絡制式中，當 LTE－A(TDD)向WiMax2切換時，就會考慮TTT對鏈路的影響;而當WiMax2向LTE－A(TDD)切換時，就考慮HOM對鏈路的影響。通過仿真，由上述結果可知，在TTT與HOM取不同的值時，UE切換的次數也各不相同。當TTT=0 s，HOM=0 dBm時，即采用基于簡單的RSS值大小來進行切換，在采樣數N=10次時，切換次數大致為53.2次，且大約在第t=62 s與t=108～115 s時刻，多次發生了切換中比較嚴重的“乒乓效應”;當TTT=0.04 s，HOM=0.5 dBm時，雖然在t=62 s和110 s的時刻，也發生了重復切換，但與前面相比，切換的次數有了明顯的下降，大約只有17.4 次;當TTT=0.1 s，HOM=1 dBm，切換的次數更是下降到了5.6次，基本上趨于最小值(最小切換次數為4次)，有效地克服了垂直切換中影響通信質量的“乒乓效應”。

2)當service_type=0，即UE進行實時業務時

(1)當HOM=0 dBm，TTT=0 s的仿真情況

由切換的狀態圖10可知，本次仿真過程中UE切換了50次，當采樣的次數N為10時，切換的次數分別為50，56，48，60，56，44，56，54，48，52。

(2)當HOM=0.5 dBm，TTT=0.04 s的仿真情況

由切換的狀態圖11可知，本次仿真過程中UE切換了18次，當采樣的次數N為10時，切換的次數分別為18，18，18，20，12，14，20，12，20，24。

(3)當HOM=1 dBm，TTT=0.1 s的仿真情況

由切換的狀態圖12可知，本次仿真過程中UE切換了8次，當采樣的次數N為10時，切換的次數分別為8，6，4，6，6，4，6，6，6，4。

圖10 信號質量變化與切換狀態4

圖11 信號質量變化與切換狀態5

那么在滯后差值(HOM)取值不同，且經N(N=10)次采樣結果統計后，UE在移動過程中切換的次數對比圖可如圖13所示。

圖12 信號質量變化與切換狀態6

圖13 當取不同參數時垂直切換對比情況(實時業務)

在UE進行實時業務時，對數據平穩性的要求更高一些，此時在臨界區域內，UE就更傾向于駐留在側重數據業務寬帶化的WiMax2網絡，所以當UE從LTE－A(TDD)向WiMax2切換時，此時選取HOM參數作為判決條件;反之，當由WiMax2向LTE－A(TDD)切換時，就考慮TTT對整個數據鏈路的影響。

由圖10～圖13可知，在選取不同的HOM與TTT時，UE切換的次數也各不相同。當HOM=0 dBm、TTT=0 s時，此種情況相當于只采用RSS值的大小來判決，在采樣次數N=10時，切換的平均次數為52.4次，并且大約在t為60～64 s及t為105～115 s時刻，嚴重地發生了切換中的“乒乓效應”;當HOM=0.5 dBm，TTT=0.04 s時，切換的次數也有了明顯下降，平均次數降到大致17.6次，大約只有在t=61 s和t=112 s的時刻，發生切換中的“乒乓效應”;當HOM=1 dBm，TTT=0.1 s時，切換的次數更是下降到了5.6次，且UE處于二者信號的相近的臨界區時，異構系統切換中的“乒乓效應”得到了很好的解決，顯著提高了整個系統的通信質量。

但是，上述結論并不意味著HOM與TTT越大越好，因為當HOM或TTT增加到一定程度，即TTT的值高于不斷仿真的經驗值，HOM大于所計算的值，此時UE在二者網絡之間移動時，垂直切換次數不會繼續減少，特別是當服務模式的質量比目標模質量差到一定范圍時，如果UE還不進行垂直切換，UE同網絡之間的連接就會受到嚴重的影響，甚至發生無線鏈路失敗，降低用戶的業務體驗。

4 總結

本文通過建立熱點地區環境下LTE－A(TDD)與WiMax2混合組網的模型，并充分考慮UE在該環境下移動的環境因素(快衰落和慢衰落)影響的情況下，從垂直切換的乒乓次數與切換過程中的系統時延這兩個方面來詳細論證了本文提及的垂直切換算法，根據仿真的結果可以清楚地看出，在采用給出的基于業務實際特點算法之后，切換中的“乒乓效應”及整個系統的切換時延都得到了改善，大大提高了UE的體驗質量效果。

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