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摘要:3GPP LTE (长期演进)系统中部署大量femtocell后,在宏小区与femtocell之间将会存在不必要的频繁切换,针对这些不必要的切换,提出一种自适应切换方法。根据用户的位置及切换请求将用户分为四类,对前两种类型用户进行自适应功率控制,第三种类型用户以CAC (呼叫允许控制)算法为基础,自适应选择HOM (切换阈值),进行不同HOM的CAC切换,第四种类型用户进行简单的标准切换即可。通过与CAC算法和标准切换算法进行仿真对比,仿真结果表明,该算法明显降低了掉话率,减少了不必要的切换,提高了用户的平均吞吐量。本文网络版地址:http://www.eepw.com.cn/article/247461.htm
关键词:femtocell;自适应;切换;CAC算法;功率调整
DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.5.007
苏寒松,男,教授,博士,主要研究方向为无线通信、光通信、移动通信、光纤传感;钱鑫,男,硕士生,主要研究方向为无线通信;朱士兵,男,硕士生,主要研究方向为无线通信;刘高华,女,硕士生,主要研究方向为无线通信。
引言
在3 G P P LT E (L o n g Te r m Evolution, 长期演进)系统中,不断增加的高速数据业务需求以及不断上涨的用户数量,给宏基站带来与日俱增的负担和挑战。又因为LTE系统工作在高频段,传播损耗和墙壁穿透损耗都较大,导致室内信号覆盖相对较差。根据日本NTT DoCoMo的调查表明,在宏小区中,超过2/3的数据业务和语音业务发生在室内场所[1],因此室内覆盖问题成为当前无线移动通信亟待解决的关键问题。为了缓解宏基站的负载及解决室内覆盖问题, femtocell(家庭基站)技术应运而生,给运营商们提供了一个新的平台。
LTE系统中大量部署femtocell,由于femtcoell的安装和用户位置的随意性,导致宏小区与femtocell之间的频繁切换问题尤为突出,成为亟待解决的技术挑战。
针对切换问题,许多相应的切换方案被提出。文献[2]提出一种经典的CAC (Call Admission Control,呼叫允许控制)算法,考虑了接收信号强度和SINR (signal to interference plus noise ratio,信干噪比) ,有效降低了不必要切换的次数和概率。文献[3]提出了一种考虑用户速度和SQ(Speed and Qos,服务质量)算法。将用户速度分为高速(>30km/h)、中速(15~30km/h)和低速(<15km/h)3个级别,并分情况执行切换。本文根据用户的位置和切换请求将用户进行分类,对不同类型用户进行不同处理,从而降低掉话率和减少不必要切换,提高吞吐量。
1 切换过程
3GPP TS36.300[4]协议中已经详细定义了宏基站之间切换的过程及信令流程,但femtocell与宏小区之间的信令流程还没正式定义,图1为目前研究比较认可的宏小区向femtocell切换信令流程[5]。其中各步骤简要介绍如下:1) 服务宏基站配置并触发用户进行测量,通过发送测量控制消息通知用户需要测量的参数;2) 用户将测量报告发送给服务宏基站;3) 服务宏基站根据测量报告做出切换判决;4) 服务宏基站向MME (mobility management entity, 移动管理实体)发送切换请求, MME再通过FGW (femtocell gate way, femtocell网关)将切换请求发给femtocell;5) 目标femtocell根据服务质量信息、CSG (closed subscriber group, 封闭用户组)鉴权信息等进行接入控制处理;6) 如果接纳该用户的请求,则发送切换响应给FGW,再经过MME发送到服务宏基站;7)服务宏基站向用户发送RRC(Radio Resource Control,无线资源控制)切换信令;8) 用户执行切换,与原来的服务基站断开连接,与目标femtocell建立同步并接入,服务宏基站向目标femtocell发送与该用户相关的缓冲和传输包;9) 切换确认消息成功执行后,目标femtocell会向MME发送路径转换请求, MME再向S-GW(server gate way, 服务网关)发送用户面更新请求,S-GW转换下行路径信息,向MME发送用户面更新请求响应消息,再由MME向目标femtocell发送路径转换请求确认消息;10) 目标 femtocell收到路径转换确认消息后,通过FGW、MME向服务宏基站发送释放资源响应;11) 服务宏基站释放相关无线控制资源后,目标femtocell就可以传输下行包数据,为用户提供服务。
2 切换算法
2.3 自适应切换算法
结合现有切换算法的优点,从全局网络出发,以CAC算法作为切换的基本方法,提出一种自适应切换方法,在CAC算法的基础上加入了自适应切换阈值,即根据目标负载及CSG列表信息选择不同的切换阈值;考虑到宏基站和femtocell间的下行干扰,通过femtocell的自适应功率调整降低干扰,减少不必要切换次数,降低掉话率。
自适应切换方法流程如图4所示,其中I型用户功率调整如图5所示,II型用户功率调整如图6所示。在功率调整中,用事件A表示用户需发起不必要切换事件,用事件B表示用户发生掉话,在3GPP TS25.133[7]协议中规定,保证用户正常通信的SINR的最低门限值为-20dB,低于此值则用户会发生掉话。
自适应切换方法详细流程如下。
首先根据用户位置及切换请求将用户分为四类:I型用户,位于femtocell内,由femtocell提供服务的授权用户;II型用户,位于femtocell附近且相隔一定的距离,由宏基站提供服务的用户;III型用户,向femtocell发起切换请求且需要切换,由宏基站提供服务的用户,与II型用户有一定的区别;IV型用户,位于femtocell边缘内部,需发起切出femtocell的用户。对四类用户进行以下不同的处理。 a)如果是I型用户,则进行I型用户功率调整,如图4所示;
b)如果是II型用户,则进行II型用户功率调整,如图5所示;
c)如果是III型用户,首先判断用户是否是授权的用户,如果是,则降低触发机制,选择较小的HOM进行CAC切换;如果不是,则判断femtocell内服务的用户个数是否低于femtocell的最大负载门限值N,如果低于N,则适当降低HOM(此HOM比前述HOM要高),降低切换难度,这样可以有效利用资源,提升用户服务质量,如果高于N,则适当提高HOM(此HOM在三者中最高),增加切换难度,这样可以保证授权用户的优先权及服务质量;
d)如果是IV型用户,采用标准切换即可。
图5中I型用户功率调整流程如下。
由于用户信号强度较弱,用户发生掉话或femtocell会向宏基站发起切换请求,首先判断用户发起事件,对不同事件进行不同处理:
a)如果为用户发起事件A,则说明用户受宏基站干扰较大,应当增大femtocell的发射功率,使用户达到较好的信号强度;如果femtocell已到达最大发射功率而用户仍需要发起切换请求,则将用户按要求切换到信号较强的宏基站。
b)如果为用户发起事件B,则说明用户信号已不能维持正常通信,则尽量增大femtocell发射功率,使用户达到能够正常通信但仍需发起不必要切换请求,然后按事件A进行处理;如果femtocell已到达最大发射功率而用户仍需发起切换请求切换或掉话,则将用户按要求切换到信号较强的宏基站。
图6中II型用户功率调整流程如下。
由于femtocell的干扰信号较强,用户发生掉话或femtocell会收到来自宏基站的切换请求,首先判断用户发起事件,对不同事件进行不同处理。
a)如果为用户发起事件A,在考虑与自身服务用户信号强度平衡的条件下,降低femtocell的发射功率,降低对宏用户的干扰;如果femtocell已达较小发射功率而仍有切换请求,则将宏用户切入到信号较强的目标femtocell。
b)如果为用户发起事件B,宏用户由于信号较差而发生掉话,所以降低femtocell的发射功率,尽量使用户恢复正常通信但仍有切换请求;如果femtocell已达相对较小功率而宏用户仍需发起请求切换或掉话,则将宏用户切入到信号较强的目标femtocell。
3 仿真结果分析
本文采用Matlab对LTE系统进行系统级仿真,宏基站采用传统的蜂窝小区覆盖,采用环数为1的7基站三扇区结构,即中间一个基站,周围环绕6个基站。在7基站内设定仿真的ROI(Region of Interest, 有用区域),根据用户总数比例在每个扇区随机撒入宏用户,如果用户超出ROI,则重新随机分配用户位置[8]。femtocell采用简单的单个随机部署,初始化功率100mW,即20dBm,覆盖半径20米,每个femtocell初始化接入四个用户,具体参数如表1所示。
对标准切换算法、CAC切换算法、本文所提方法分别进行仿真验证,并对仿真结果进行统计对比,结果如图7、图8所示。
图7为三种算法在4个阶段内的掉话率直方图,其中掉话率是掉话次数与切换次数的比值,每500个TTI统计一次掉话率。从直方图分布可以看出,标准切换算法中,各阶段的掉话率基本相同,变化不大;CAC算法中,掉话率在各阶段虽然都比标准切换算法低,但是各阶段也同样没有明显变化;而采用本文提出的算法时,随着仿真的进行,HOM的值会根据当前femtocell小区内的负载进行动态的调整,femtocell的发送功率也为达到最适合的覆盖而做动态的调整,因此掉话率有逐渐降低的趋势。并且从图中也可以看出,本文提出的算法的总体掉话率也明显比其他两种算法低。
4 结束语
本文针对宏小区与femtocell之间的不必要的频繁切换提出了自适应切换方法,所提出的自适应方法既包括自适应功率调整,也包括自适应选择HOM。与标准切换算法和CAC算法相比,由于自适应切换方法动态地调整HOM和femtocell的发射功率,因此掉话率随着仿真时间增加有降低的趋势,并且提高了用户平均吞吐量。
参考文献:
[1]Chandrasekhar V,Andrews J G . F e m t o c e l l n e t w o r k s : a survey[J]IEEE Communicaitons Magazine,2008,46(9):59-67
[2]Chowdhury M Z,Ryu W,Rhee E , e t a l . H a n d o v e r b e t w e e n macrocell and femtocell for UMTS based networks[C].IEEE the 11th International Conference on Advanced Communication Technology. Piscataway,2009:237-241
[3]Zhang H J,Wen X M,Wang B,et al.A novel handover mechanism between femtocell and macrocell for LTE based networks[C].2010 Second International Conference on Communication Software and Networks.Piscataway,2010:228-231
[4]3GPP TS 36.300 V10.0.0.Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA) and evolved universal terrestrial radio access network(E-UTRAN); overall description; stage
2[S].2010
[5]Seok K J,Jin L T.Handover in UMTS networks with hybrid access[C].IEEE the 12th International Conference on Advanced Communication Technology. Piscataway,2010:904-908
[6]Lin C C,Lumbers S,Adibah M H,et al.Optimization of handover algorithms in 3GPP long term evolution system[C].2011 4th International Conference on Modeling, Simulation and Applied Optimization.Piscataway,2011:1-5
[7]3GPP TS25.133 V11.1.0.Requirements for support of radio resource management[S].2012
[8]孙巍巍,苏寒松,滕友伟,等.3GPP LTE系统中结合位置预测的切换算法[J].计算机应用,2012,32(7):1849-1851
关键词:femtocell;自适应;切换;CAC算法;功率调整
DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2014.5.007
苏寒松,男,教授,博士,主要研究方向为无线通信、光通信、移动通信、光纤传感;钱鑫,男,硕士生,主要研究方向为无线通信;朱士兵,男,硕士生,主要研究方向为无线通信;刘高华,女,硕士生,主要研究方向为无线通信。
引言
在3 G P P LT E (L o n g Te r m Evolution, 长期演进)系统中,不断增加的高速数据业务需求以及不断上涨的用户数量,给宏基站带来与日俱增的负担和挑战。又因为LTE系统工作在高频段,传播损耗和墙壁穿透损耗都较大,导致室内信号覆盖相对较差。根据日本NTT DoCoMo的调查表明,在宏小区中,超过2/3的数据业务和语音业务发生在室内场所[1],因此室内覆盖问题成为当前无线移动通信亟待解决的关键问题。为了缓解宏基站的负载及解决室内覆盖问题, femtocell(家庭基站)技术应运而生,给运营商们提供了一个新的平台。
LTE系统中大量部署femtocell,由于femtcoell的安装和用户位置的随意性,导致宏小区与femtocell之间的频繁切换问题尤为突出,成为亟待解决的技术挑战。
针对切换问题,许多相应的切换方案被提出。文献[2]提出一种经典的CAC (Call Admission Control,呼叫允许控制)算法,考虑了接收信号强度和SINR (signal to interference plus noise ratio,信干噪比) ,有效降低了不必要切换的次数和概率。文献[3]提出了一种考虑用户速度和SQ(Speed and Qos,服务质量)算法。将用户速度分为高速(>30km/h)、中速(15~30km/h)和低速(<15km/h)3个级别,并分情况执行切换。本文根据用户的位置和切换请求将用户进行分类,对不同类型用户进行不同处理,从而降低掉话率和减少不必要切换,提高吞吐量。
1 切换过程
3GPP TS36.300[4]协议中已经详细定义了宏基站之间切换的过程及信令流程,但femtocell与宏小区之间的信令流程还没正式定义,图1为目前研究比较认可的宏小区向femtocell切换信令流程[5]。其中各步骤简要介绍如下:1) 服务宏基站配置并触发用户进行测量,通过发送测量控制消息通知用户需要测量的参数;2) 用户将测量报告发送给服务宏基站;3) 服务宏基站根据测量报告做出切换判决;4) 服务宏基站向MME (mobility management entity, 移动管理实体)发送切换请求, MME再通过FGW (femtocell gate way, femtocell网关)将切换请求发给femtocell;5) 目标femtocell根据服务质量信息、CSG (closed subscriber group, 封闭用户组)鉴权信息等进行接入控制处理;6) 如果接纳该用户的请求,则发送切换响应给FGW,再经过MME发送到服务宏基站;7)服务宏基站向用户发送RRC(Radio Resource Control,无线资源控制)切换信令;8) 用户执行切换,与原来的服务基站断开连接,与目标femtocell建立同步并接入,服务宏基站向目标femtocell发送与该用户相关的缓冲和传输包;9) 切换确认消息成功执行后,目标femtocell会向MME发送路径转换请求, MME再向S-GW(server gate way, 服务网关)发送用户面更新请求,S-GW转换下行路径信息,向MME发送用户面更新请求响应消息,再由MME向目标femtocell发送路径转换请求确认消息;10) 目标 femtocell收到路径转换确认消息后,通过FGW、MME向服务宏基站发送释放资源响应;11) 服务宏基站释放相关无线控制资源后,目标femtocell就可以传输下行包数据,为用户提供服务。
2 切换算法
2.3 自适应切换算法
结合现有切换算法的优点,从全局网络出发,以CAC算法作为切换的基本方法,提出一种自适应切换方法,在CAC算法的基础上加入了自适应切换阈值,即根据目标负载及CSG列表信息选择不同的切换阈值;考虑到宏基站和femtocell间的下行干扰,通过femtocell的自适应功率调整降低干扰,减少不必要切换次数,降低掉话率。
自适应切换方法流程如图4所示,其中I型用户功率调整如图5所示,II型用户功率调整如图6所示。在功率调整中,用事件A表示用户需发起不必要切换事件,用事件B表示用户发生掉话,在3GPP TS25.133[7]协议中规定,保证用户正常通信的SINR的最低门限值为-20dB,低于此值则用户会发生掉话。
自适应切换方法详细流程如下。
首先根据用户位置及切换请求将用户分为四类:I型用户,位于femtocell内,由femtocell提供服务的授权用户;II型用户,位于femtocell附近且相隔一定的距离,由宏基站提供服务的用户;III型用户,向femtocell发起切换请求且需要切换,由宏基站提供服务的用户,与II型用户有一定的区别;IV型用户,位于femtocell边缘内部,需发起切出femtocell的用户。对四类用户进行以下不同的处理。 a)如果是I型用户,则进行I型用户功率调整,如图4所示;
b)如果是II型用户,则进行II型用户功率调整,如图5所示;
c)如果是III型用户,首先判断用户是否是授权的用户,如果是,则降低触发机制,选择较小的HOM进行CAC切换;如果不是,则判断femtocell内服务的用户个数是否低于femtocell的最大负载门限值N,如果低于N,则适当降低HOM(此HOM比前述HOM要高),降低切换难度,这样可以有效利用资源,提升用户服务质量,如果高于N,则适当提高HOM(此HOM在三者中最高),增加切换难度,这样可以保证授权用户的优先权及服务质量;
d)如果是IV型用户,采用标准切换即可。
图5中I型用户功率调整流程如下。
由于用户信号强度较弱,用户发生掉话或femtocell会向宏基站发起切换请求,首先判断用户发起事件,对不同事件进行不同处理:
a)如果为用户发起事件A,则说明用户受宏基站干扰较大,应当增大femtocell的发射功率,使用户达到较好的信号强度;如果femtocell已到达最大发射功率而用户仍需要发起切换请求,则将用户按要求切换到信号较强的宏基站。
b)如果为用户发起事件B,则说明用户信号已不能维持正常通信,则尽量增大femtocell发射功率,使用户达到能够正常通信但仍需发起不必要切换请求,然后按事件A进行处理;如果femtocell已到达最大发射功率而用户仍需发起切换请求切换或掉话,则将用户按要求切换到信号较强的宏基站。
图6中II型用户功率调整流程如下。
由于femtocell的干扰信号较强,用户发生掉话或femtocell会收到来自宏基站的切换请求,首先判断用户发起事件,对不同事件进行不同处理。
a)如果为用户发起事件A,在考虑与自身服务用户信号强度平衡的条件下,降低femtocell的发射功率,降低对宏用户的干扰;如果femtocell已达较小发射功率而仍有切换请求,则将宏用户切入到信号较强的目标femtocell。
b)如果为用户发起事件B,宏用户由于信号较差而发生掉话,所以降低femtocell的发射功率,尽量使用户恢复正常通信但仍有切换请求;如果femtocell已达相对较小功率而宏用户仍需发起请求切换或掉话,则将宏用户切入到信号较强的目标femtocell。
3 仿真结果分析
本文采用Matlab对LTE系统进行系统级仿真,宏基站采用传统的蜂窝小区覆盖,采用环数为1的7基站三扇区结构,即中间一个基站,周围环绕6个基站。在7基站内设定仿真的ROI(Region of Interest, 有用区域),根据用户总数比例在每个扇区随机撒入宏用户,如果用户超出ROI,则重新随机分配用户位置[8]。femtocell采用简单的单个随机部署,初始化功率100mW,即20dBm,覆盖半径20米,每个femtocell初始化接入四个用户,具体参数如表1所示。
对标准切换算法、CAC切换算法、本文所提方法分别进行仿真验证,并对仿真结果进行统计对比,结果如图7、图8所示。
图7为三种算法在4个阶段内的掉话率直方图,其中掉话率是掉话次数与切换次数的比值,每500个TTI统计一次掉话率。从直方图分布可以看出,标准切换算法中,各阶段的掉话率基本相同,变化不大;CAC算法中,掉话率在各阶段虽然都比标准切换算法低,但是各阶段也同样没有明显变化;而采用本文提出的算法时,随着仿真的进行,HOM的值会根据当前femtocell小区内的负载进行动态的调整,femtocell的发送功率也为达到最适合的覆盖而做动态的调整,因此掉话率有逐渐降低的趋势。并且从图中也可以看出,本文提出的算法的总体掉话率也明显比其他两种算法低。
4 结束语
本文针对宏小区与femtocell之间的不必要的频繁切换提出了自适应切换方法,所提出的自适应方法既包括自适应功率调整,也包括自适应选择HOM。与标准切换算法和CAC算法相比,由于自适应切换方法动态地调整HOM和femtocell的发射功率,因此掉话率随着仿真时间增加有降低的趋势,并且提高了用户平均吞吐量。
参考文献:
[1]Chandrasekhar V,Andrews J G . F e m t o c e l l n e t w o r k s : a survey[J]IEEE Communicaitons Magazine,2008,46(9):59-67
[2]Chowdhury M Z,Ryu W,Rhee E , e t a l . H a n d o v e r b e t w e e n macrocell and femtocell for UMTS based networks[C].IEEE the 11th International Conference on Advanced Communication Technology. Piscataway,2009:237-241
[3]Zhang H J,Wen X M,Wang B,et al.A novel handover mechanism between femtocell and macrocell for LTE based networks[C].2010 Second International Conference on Communication Software and Networks.Piscataway,2010:228-231
[4]3GPP TS 36.300 V10.0.0.Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA) and evolved universal terrestrial radio access network(E-UTRAN); overall description; stage
2[S].2010
[5]Seok K J,Jin L T.Handover in UMTS networks with hybrid access[C].IEEE the 12th International Conference on Advanced Communication Technology. Piscataway,2010:904-908
[6]Lin C C,Lumbers S,Adibah M H,et al.Optimization of handover algorithms in 3GPP long term evolution system[C].2011 4th International Conference on Modeling, Simulation and Applied Optimization.Piscataway,2011:1-5
[7]3GPP TS25.133 V11.1.0.Requirements for support of radio resource management[S].2012
[8]孙巍巍,苏寒松,滕友伟,等.3GPP LTE系统中结合位置预测的切换算法[J].计算机应用,2012,32(7):1849-1851