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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