超密集小蜂窩網絡移動性技術分析

董春利，王 莉

(南京交通職業技術學院 電子信息工程學院，江蘇 南京 211188)

1 5G超密集小蜂窩(UDSC)網絡的位置管理

在位置管理中，移動網絡收到用戶設備與特定位置相關聯的通知后，位置更新和尋呼過程開始，網絡通過這些位置信號操作信令過程和尋呼進程[1]。

在超5G空中網絡中，無人機路徑需要更改為靠近地面以減少通信延遲，因為更高的無人機高度會相應地引入路徑損失連接。因此，無人機高度取決于應用的使用案例，更高的參考信號接收功率(RSRP)值和來自更高的相鄰基站干擾，會導致更高的切換率。空對地和地面蜂窩網絡信道在高頻無人機上也面臨同信道干擾，這會導致載波間干擾(ICI)的多普勒頻移。相比之下，與宏基站(MBS)或核心網絡連接的無人機-基站(BS)需要高容量的無線回程鏈路。實際上，有限的回程將成為瓶頸并影響移動用戶的QoS。回程網絡按BS有線鏈路和無人機無線鏈路的異構鏈路分類，核心網絡需要高容量的無線回程關聯，因此不充分的回程會造成阻塞并干擾QoS。

由于技術有限，超5G網絡的移動性是研究人員主要的研究方向。在切換中，需要使用有關參考信號強度和其他網絡參數的信息，將信道連接切換到其他信道。為了優化這個過程，處理這些參數非常困難，因為它們對網絡有同樣的影響。其中一些參數可以干擾管理、能耗、負載平衡、覆蓋和容量。這些參數也對乒乓率、呼叫掉線/阻塞概率以及早期或晚期切換有影響[2]。已經有專家學者提出了許多理論和技術/工具，特別是人工智能學習，來優化切換過程的有效切換機制。

2 5G UDSC網絡的切換

為了管理無線電資源，切換在5G中發揮著重要作用。對不同的節點或終端，5G移動系統的傳輸需要更大的帶寬和更高的通信服務速率。因此，切換要確保提供良好的服務質量和持續的通信條件，以保持整體網絡性能[3]。使用人工智能技術，將無人機通信集成到智能移動性和切換管理/預測中，有助于解決頻繁地切換，提高可靠性和覆蓋范圍。

2.1 切換面臨的主要問題

網絡性能取決于切換率，即切換的失敗/成功率。RACH定時器的到期，在一定的最大重傳次數后，會導致無線電鏈路故障。由于UE和無人機的操作協議不同，因此必須參考信號的仰角，用戶設備的速度，垂直位置和用戶設備的路徑損耗/延遲。在無人機使用的情況下，并不總是連接到最近的基站，尋找最強的RSRP。無人機在120°，240°和270°的角度區域內飛行，可能會連接到位于該區域的其他基站，因為獲得的信號強度不足。無人機位置和飛行信息有助于進行有效切換，豐富現有的信號報告機制。BS使用改進的RSRP測量負載控制來幫助切換。無人機的高度在切換方面非常重要，無人機與超5G無線網絡的集成，為增強3D移動模式中的小區選擇過程創造了空間。圖1列出了切換決策方案的分類，分別是基于RSS、基于 QoS、基于功能、基于智能和基于上下文的切換類型。

圖1 切換決策方案的分類

小蜂窩的優點是頻譜效率高，數據速率高，節能/省錢，擁塞少，切換容易，但也有一些缺點，即實施成本和操作可靠性，頻繁的身份驗證以及主動或被動(開/關閉)狀態更新。切換意味著當從一個點移動到另一個點時，可以將其基本終端更改為附近的終端，而不會中斷通信[4]。在5G之后，切換面臨的固有挑戰是無服務，而在多RAT、零延遲、網絡致密化和高移動性的場景中，這些挑戰變得更加困難。除了這些問題之外，切換時，BS的負載平衡也是一個主要問題，特別是在地面網絡的情況下，UE在各個區域的早晚時間從房屋移動到辦公室。切換根據連通性分為不同的類型，例如宏小區內，宏小區間和多RAT的切換。在密集異構網絡(HetNets)中，切換機制仍然是一個懸而未決的問題，在切換速率和網絡中的干擾水平之間進行權衡，并建立對其他UE的不同類型的干擾。切換中，基本上都存在網絡切換過程。此外，還需要注意的問題主要有以下幾點。

2.1.1 頻繁切換

根據3GPP，無人駕駛車輛的信干噪比(SINR)可能比地面UE弱。由于無線信號之間存在障礙，切換的可能性增加，因此改善這些問題是不可避免的。如前所述，小蜂窩技術和蜂窩密集化也給移動性和切換管理帶來了挑戰。在超密集網絡中，小區的覆蓋范圍是有限的和重疊的。因此，覆蓋移動功能的UE需要從一個小區移動到另一個小區，或面臨頻繁地切換。

2.1.2 負載不平衡

盡管HetNets和蜂窩致密化具有所有優勢，但小蜂窩技術也存在必須解決的障礙。例如，負載不平衡是由于不同層的小區的發射功率和覆蓋區域的變化而發生的。此后，小蜂窩將不再通過使用僅圍繞接收功率的傳統用戶關聯規則來發揮實質性作用。單元范圍擴展 (CRE)或偏置可以應對這一挑戰。

2.1.3 小區間干擾

小區間干擾是小區致密化中存在的另一個問題，可以通過eICIC(用于小區干擾協調的縮寫)來解決。這種緩解技術利用幾乎空白的子幀 (ABS) 來消除宏小區BS的噪聲或干擾。ABS集成在 HetNets中，以優化高功率節點的干擾。然而，低功率節點知道干擾模式，允許CRE嵌入低功率節點，并可以服務大量UE，而不會受到高功率節點的干擾。

2.2 切換的基本步驟和類型

2.2.1 切換的基本步驟

(1)發現：在這一步中，網絡必須找到能夠為用戶提供良好服務質量的網絡。

(2)判定：在這一步中啟動切換過程。如果啟動發生在不準確的時間，則會增加掉話并因此降低 QoS。

(3)執行：為了提高服務質量，應該在正確的時間執行決策以繞過不相關的切換。當第二階段和第三階段的切換都由移動臺或任何其他控制器操作時，切換過程根據控制器進行分類，例如網絡控制切換(NCHO)。移動控制切換(MCHO)和移動輔助切換(MAHO)。圖2列出了切換信息收集(網絡和移動終端相關)和決策(基于標準和基于策略)的類別。

圖2 切換信息收集和切換決策類別

切換過程需要考慮3個參數，即系統參數、控制參數、性能參數。第一，參考信號接收功率和信噪比和干擾比屬于系統參數。第二，RSS 切換裕度(滯后)，觸發時間(TTT)屬于控制參數類別。第三，切換失敗率(HPIHOF)、乒乓切換率(HPIHPP)和掉話率(HPIDC)屬于性能指標。

2.2.2 切換類型

根據網絡、頻率和技術，存在的切換類型如下：

(1)水平切換：這種類型的切換是在相同網絡的基站之間執行的切換。例如，在5G到5G之間發生的切換稱為水平切換。這種類型的切換也稱為技術內切換。

(2)垂直切換：在不同網絡的基站之間執行的切換稱為垂直切換。例如，切換發生在5G到4G之間。為了進行這種類型的切換，OSI模型的第2層和第3層起著重要作用。

(3)同頻切換：當兩個不同的基站工作在相同的工作頻段時，它支持同頻切換。

(4)異頻切換：當兩個不同的基站在不同的工作頻段上工作時，它會提供異頻切換。

(5)軟切換：它遵循先接后斷的策略，在中斷之前，首先在UE和無線鏈路之間建立新的連接。

(6)硬切換：它遵循先斷后接的策略，首先從UE中移除所有無線鏈路，以建立新的無線通信連接。

(7)基于控制器的切換；此類切換由移動臺執行。還有3種分類：網絡控制切換(NCHO)、移動控制切換(MCHO)和移動輔助切換(MAHO)。在網絡控制切換中，決策步驟被控制器扣留，而移動臺執行啟動步驟。在移動控制切換中，移動臺執行兩個步驟，啟動步驟和決策步驟。而在MAHO中網絡執行決策，移動臺僅收集和發送基本信息，即接收信號強度指示和信號干擾噪聲比。

基于頻譜、開銷、可靠性、QoS和延遲，其主要的切換方案優缺點總結如下。

(1)硬切換：優點是高效的用戶頻譜效率，無數據開銷；其缺點是短時間中斷服務，對鏈路傳輸時間敏感(可能導致通話中斷)。

(2)軟切換：優點是高度可靠，在切換過程中不會丟失QoS；其缺點是數據開銷大，頻譜使用效率低下。

(3)預測性重路由：優點是最小化切換延遲；其缺點是信令開銷，可能的數據開銷。

(4)排隊方案：優點是易于實施先入先出(FIFO)隊列，根據信道的降級進行隊列重新排序。其缺點是信道退化，信令和計算開銷。

3 結語

移動性管理是5G基礎設施的一個關鍵特性，改善了用戶體驗和未來將出現的用例。因此，切換功能和操作必須在沒有干擾和中斷實例的情況下完成，才能執行5G移動性管理的要求。