LTE—A異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)切換性能理論分析

李利萍

摘要：近幾年來，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量呈爆發(fā)性增長(zhǎng)，頻譜效率已接近極限值。在這種情況下，異構(gòu)組網(wǎng)是增加網(wǎng)絡(luò)容量、提高數(shù)據(jù)速率的有效方式。為了更全面分析LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換性能，使用幾何學(xué)的方法，得到各切換參數(shù)與切換性能之間的函數(shù)關(guān)系式，從而可以選擇更為合適的切換參數(shù)，使切換性能達(dá)到最佳。仿真結(jié)果表明，理論分析結(jié)果與實(shí)際仿真結(jié)果吻合，證明了該分析方法的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：LTE-A；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；切換參數(shù)；切換性能

DOIDOI：10.11907/rjdk.162746

中圖分類號(hào)：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2017）006-0168-03

0 引言

LTE-A中的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)在由宏小區(qū)組成的同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中增加低功率節(jié)點(diǎn)，消除了小區(qū)覆蓋盲點(diǎn)，擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，從而增加了網(wǎng)絡(luò)容量和用戶吞吐量。但這種高密度的組網(wǎng)方式在解決大量用戶需求的同時(shí)也帶來了復(fù)雜的移動(dòng)性管理問題。在同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)用戶使用相同設(shè)置的切換參數(shù)切換到目標(biāo)小區(qū)，但在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，如果用戶也使用相同的切換參數(shù)設(shè)置，將有可能增加切換失敗或“乒乓效應(yīng)”發(fā)生的概率，從而影響切換性能[1]。因此，分析切換參數(shù)與各種切換性能之間的關(guān)系顯得尤為重要。文獻(xiàn)[2]提出了合適閾值的選擇對(duì)降低一個(gè)兩層網(wǎng)絡(luò)的切換失敗率至關(guān)重要；文獻(xiàn)[3]首先提出了合適的觸發(fā)時(shí)間的選擇與切換成功率之間的密切關(guān)系；文獻(xiàn)[4]進(jìn)一步研究了觸發(fā)時(shí)間是怎樣影響移動(dòng)性能的。目前，已有不少文獻(xiàn)對(duì)切換性能進(jìn)行了理論分析。文獻(xiàn)[5]用幾何學(xué)的方法分析了切換參數(shù)TTT和用戶移動(dòng)速度與切換失敗率和“乒乓效應(yīng)”發(fā)生概率之間的函數(shù)關(guān)系，得出的結(jié)論是對(duì)于一個(gè)給定的用戶和基站，一定有一個(gè)最優(yōu)的觸發(fā)時(shí)間（TTT），但對(duì)切換性能的分析不太全面且方法較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[6]分析了層3濾波時(shí)刻長(zhǎng)短與切換失敗概率之間的函數(shù)關(guān)系式，可以根據(jù)用戶速度的大小來選擇層3濾波的長(zhǎng)短。文獻(xiàn)[7]用統(tǒng)計(jì)幾何學(xué)的方法得出了用戶速度、觸發(fā)時(shí)間和陰影信道衰落與切換失敗概率之間的函數(shù)表達(dá)式。文獻(xiàn)[8]分析了基站之間的距離和觸發(fā)時(shí)間與切換性能之間的關(guān)系，得出了基站間的距離和觸發(fā)時(shí)間與切換性能之間閉合的函數(shù)表達(dá)式。為了更簡(jiǎn)單全面地分析切換性能和切換參數(shù)之間的關(guān)系，用幾何學(xué)的方法得出了切換性能與切換參數(shù)之間閉合的函數(shù)表達(dá)式，從而可以選擇最優(yōu)的切換參數(shù)，使切換性能達(dá)到最佳。

1 LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換

1.1 切換過程

LTE-A異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的切換過程大致可以分為4個(gè)階段[9]：切換測(cè)量階段、切換處理階段、切換準(zhǔn)備階段和切換執(zhí)行階段。前兩個(gè)階段是在用戶端執(zhí)行。在用戶不斷移動(dòng)的過程中，用戶端測(cè)量出經(jīng)過層1濾波和層3濾波之后的下行參考信號(hào)接收功率，如果目標(biāo)小區(qū)的下行參考信號(hào)接收功率比源小區(qū)的下行信號(hào)接收功率大一定的閾值，3GPP中一般定義為3分貝[10]，并且能夠保持一定的時(shí)間（即觸發(fā)時(shí)間，記為TTT），則滿足切換條件，之后進(jìn)入切換準(zhǔn)備階段，直到一切準(zhǔn)備就緒，進(jìn)入切換執(zhí)行階段，源基站向用戶端發(fā)送切換命令，用戶端從源基站斷開，連接到目標(biāo)基站，切換過程完成。

1.2 切換性能

（1）不發(fā)生切換。不發(fā)生切換是指用戶在移動(dòng)過程中，源基站的下行參考信號(hào)接收功率一直強(qiáng)于目標(biāo)基站的下行參考信號(hào)接收功率，則不發(fā)生切換。或者是目標(biāo)基站的下行參考信號(hào)接收功率高于源基站下行參考信號(hào)接收功率一定的閾值，但是沒有保持一定的時(shí)間（即TTT），這種情況也不發(fā)生切換。

（2）切換成功。切換成功是指用戶在移動(dòng)過程中，目標(biāo)基站的下行參考信號(hào)接收功率高于源基站下行參考信號(hào)接收功率一定的閾值，并且保持了一定的時(shí)間（即TTT），則滿足發(fā)生切換的條件，在經(jīng)過切換準(zhǔn)備和切換執(zhí)行階段后，用戶從源基站斷開，連接到目標(biāo)基站，則切換成功。

（3）切換失敗。切換失敗[8]是指在切換過程中由于用戶從源基站接收到的信號(hào)質(zhì)量惡化從而導(dǎo)致切換中斷。發(fā)生無線鏈路失敗是發(fā)生切換失敗的一種情況。無線鏈路失敗是指服務(wù)基站的信干噪比惡化使信道無法通信從而使用戶失去與服務(wù)基站的聯(lián)系。因此，發(fā)生切換失敗主要有以下3種情況：①在切換準(zhǔn)備階段已經(jīng)完成，而無線鏈路失敗定時(shí)器（T310）還在運(yùn)行，則發(fā)生切換失敗；②在無線鏈路失敗定時(shí)器（T310）計(jì)時(shí)結(jié)束，而觸發(fā)時(shí)間（TTT）還沒結(jié)束，則切換失敗，即發(fā)生無線鏈路失敗；③在切換完成以后，目標(biāo)基站的信干噪比低于Qout（-8dB）[10]，則發(fā)生切換失敗。

（4）發(fā)生“乒乓效應(yīng)”。發(fā)生“乒乓效應(yīng)”是指用戶在移動(dòng)過程中成功地切換到目標(biāo)小區(qū)，之后繼續(xù)移動(dòng)回原小區(qū)，再次發(fā)生切換，如果兩次切換成功之間的時(shí)間差小于1s[10]，則發(fā)生“乒乓效應(yīng)”。

1.3 切換模型

由文獻(xiàn)[5]可知，使用3GPP仿真假定條件[10]仿真產(chǎn)生的切換觸發(fā)位置和切換失敗位置[5]是兩個(gè)同心圓。為了方便分析，將此仿真模型簡(jiǎn)化為圖1所示的同心圓模型。其中，半徑為r的圓周表示切換失敗的位置。半徑為R的圓周表示切換觸發(fā)的位置，也即微微基站的覆蓋范圍，在此區(qū)域內(nèi)切換成功，表示用戶切換到微微基站。若用戶切換到微微基站成功后繼續(xù)前行，再次經(jīng)過半徑為R的圓周，則再次觸發(fā)切換，若再次切換成功，則表示用戶又切換回原來的宏基站了。當(dāng)?shù)谝淮吻袚Q成功完成到第二次切換成功完成之間的時(shí)間小于1s，則發(fā)生“乒乓效應(yīng)”。根據(jù)3GPP仿真假定條件[10]，當(dāng)宏基站和微微基站之間的距離是250m時(shí)，可以通過仿真器仿真出此時(shí)的R是21.76m[5]。

1.4 切換理論

假設(shè)用戶從A點(diǎn)出發(fā)，如圖1所示，則觸發(fā)切換，為了方便分析，本文假設(shè)在觸發(fā)時(shí)間（TTT）結(jié)束時(shí)依然滿足切換條件，則切換成功。在TTT結(jié)束時(shí)，用戶已經(jīng)到達(dá)了半徑為r的小圓周覆蓋區(qū)域，則切換失敗。如果觸發(fā)時(shí)間TTT結(jié)束時(shí)用戶已經(jīng)離開了pico基站（微微基站）的覆蓋范圍，則不發(fā)生切換。若用戶在pico基站（微微基站）內(nèi)切換成功后繼續(xù)前行，再次到達(dá)半徑為R的圓周處將會(huì)觸發(fā)第二次切換，若兩次切換成功完成間隔的時(shí)間小于Tmin，3GPP中一般定義為1s，則稱用戶發(fā)生了“乒乓效應(yīng)”。

因?yàn)閳D2模型上下對(duì)稱，所以只分析上半圓即可，假設(shè)用戶從距離圓心（即O處）為R的位置出發(fā)，即從A點(diǎn)出發(fā)，以速度v（取0到120km/h）沿直線向前行進(jìn)，以進(jìn)入角度θ穿過小基站的覆蓋范圍，則θ的范圍為0～pi/2。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在MATLAB平臺(tái)上仿真出的切換性能曲線如圖2所示，包括實(shí)際仿真的性能曲線和理論仿真的性能曲線，分別顯示了不發(fā)生切換的概率、切換成功的概率、切換失敗的概率以及發(fā)生“乒乓效應(yīng)”的概率。其中，用戶速度從0取到120km/h，觸發(fā)時(shí)間分別取480ms、160ms、80ms、40ms等4種情況。通過圖像可以看出，通過分析得出的理論值與實(shí)際仿真值基本重合，說明了本文所用分析方法的準(zhǔn)確性。

2.2 結(jié)果分析

從圖2可以看出，隨著速度的增加，不發(fā)生切換的概率增加，速度一定時(shí)，隨著TTT的增加，不發(fā)生切換的概率也增加。這是因?yàn)樗俣仍礁撸M(jìn)入小基站后就會(huì)越快離開小基站的覆蓋范圍，以致于來不及發(fā)生切換。同理，TTT越大，在TTT結(jié)束時(shí)，用戶離開小基站覆蓋范圍的概率就越大，因此不發(fā)生切換的概率就越大。還可以看到，在TTT取480ms時(shí)，隨著速度的加快，切換失敗的概率越來越高，而TTT取其它值時(shí)，發(fā)生切換失敗的概率均為0，也即隨著TTT的增加，發(fā)生切換失敗的概率越來越高。這是因?yàn)樗俣仍酱螅诮o定的TTT時(shí)間內(nèi)，用戶就在小基站的覆蓋范圍內(nèi)移動(dòng)得越遠(yuǎn)，從宏基站接收到的下行信號(hào)信噪比就越小，發(fā)生無線鏈路失敗的可能性就越大，即發(fā)生切換失敗的概率就越大，同理可得速度一定時(shí)，隨著TTT的增加，發(fā)生切換失敗的概率也增加。從圖2（b）中可以看到，隨著速度的加快，切換成功的概率越來越小，速度一定時(shí)，隨著TTT的增加，切換成功的概率也越來越小。這是因?yàn)殡S著速度的增加，不發(fā)生切換的概率和切換失敗的概率越來越大，所以切換成功的概率就越來越小。同理可得，速度一定時(shí)，隨著TTT的增加，切換成功的概率也越來越小。從圖2（d）可以看出，隨著速度的增加，發(fā)生“乒乓效應(yīng)”的概率越來越大，速度一定時(shí)，隨著TTT的增加，發(fā)生“乒乓效應(yīng)”的概率越來越小。這是因?yàn)樗俣仍酱螅谝淮吻袚Q成功與第二次切換成功之間的時(shí)間就越短，就越容易發(fā)生“乒乓效應(yīng)”，而速度一定時(shí)，TTT越大，完成兩次切換之間所需的時(shí)間就越長(zhǎng)，發(fā)生“乒乓效應(yīng)”的概率就越小。因此，根據(jù)以上切換性能分析，對(duì)于一個(gè)給定的用戶（速度已知），在某一個(gè)小區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)，一定有一個(gè)最佳的TTT取值，使得各切換性能之間得到折衷，從而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的切換性能達(dá)到最佳。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要分析了切換參數(shù)與各切換性能之間的函數(shù)關(guān)系，對(duì)切換性能進(jìn)行了較為全面的分析，并通過仿真可知，理論值與實(shí)際仿真有較高的吻合度，證明了此方法的準(zhǔn)確性，進(jìn)而可以選取最為合適的切換參數(shù)，使切換性能達(dá)到最佳。為了方便分析，本文忽略了陰影衰落和快衰落對(duì)信道的影響。后續(xù)工作可以考慮陰影衰落和快衰落，并建立更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ停治銮袚Q參數(shù)與切換性能之間的關(guān)系，進(jìn)而得到預(yù)期的切換性能和網(wǎng)絡(luò)性能。

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（責(zé)任編輯：孫 娟）