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LTE系统的切换机制优化


南京邮电大学 硕士学位论文 LTE系统的切换机制优化 姓名:洪亮 申请学位级别:硕士 专业:通信与信息工程 指导教师:潘甦 2010-01

南京邮电大学硕士研究生学位论文

摘要

摘 要
本文主要研究切换机制的优化。 长期演进(LTE)是基于3GPP协议标准的一种全球无线接 入技术,由于其高传输带宽,多业

务支持能力以及相对灵活的组网方式,使其成为了通信 领域的热点研究问题。3GPP LTE是基于OFDM和MIMO技术对当前3G系统的中长期演进, 对现有3G系统的网络结构和无线接入方式都有较大的改进。 切换是移动性管理的重要组成 部分,论文重点研究LTE系统中的切换技术。 论文首先介绍了3G的发展背景及发展状况, 之后分析了LTE系统的网络结构, 着重介绍 了LTE无线网络的网络单元功能和无线接口。第三章首先详细分析了LTE的接入过程,主 要是LTE的小区搜索过程以及系统信息,最后分析了邻区列表和切换的关系。 接着研究了LTE的切换流程,详尽分析了现有的LTE切换参数,之后分析了各厂商现有 的降低中断时间的方案,并综合比较提出了一种基于提前接入的最优化时延切换方案。最 后一章重点研究了切换判决算法,通过对RSRP和RSRQ切换算法的分析,提出了一种基于 层次分析法的权重判决算法,综合RSRP,RSRQ,以及负载三个因素进行联合切换判决, 对权值进行一致性检验,尽可能的降低了整网的丢话率并且减少了切换次数。

关键词: 关键词:LTE,切换, 切换,优化, 优化,判决, 判决,时延

I

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Abstract

Abstract
This paper focuses on the optimization of handover technology in LTE. The LTE technology, which is based on the 3GPP standards, has become a research hot-spot in the wireless communication field for it’s high data transmit rate, heterogeneous services supporting and efficient network mode. 3GPP LTE based on the technology of OFDM and MIMO is the long term evolution of 3G system, and it has made great improvement on the network structure and radio access. Handover is one of the most important aspects in mobile management. This paper summarizes the network architecture and access network structure of LTE system. In chapter three, the access process of LTE system is introduced. Cell search procedures are presented in detail and the system information is closed studied. In the end of this chapter, the relationship of cell relation list and handover is illustrated. The process of handover in LTE is described in detail. After the analysis of all of the parameters and measurement steps in handover, this paper gives the existing schemes of reducing the interruption time during handover. Then we propose a scheme based on the early random access handover. In the last chapter, a handover decision algorithm based on AHP and weight is proposed. Through the comparison between this algorithm and the algorithm based on RSRP only which are widely used, this algorithm performance lower rate of dropped calls and smaller number of handover.

II

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缩略语

缩略语
3GPP WiMAX TDD FDD UDP PDU SCTP PDCP RLC BCH PSS SSS PSCH SSCH CP PBCH MIB SIB BCCH PHICH PDCCH SFN RNTI RSRP RSRQ RSSI NRT GCI The 3rd Generation Partnership Project 第三代合作伙伴计划 Worldwide Interoperability for Microwave Access Time Division Duplexing 时分双工 Frequency Division Duplexing 频分双工 User Datagram Protocol 用户数据协议 Protocol Data Unit 协议数据单元 Stream Control Transmission Protocol 流控制传输协议 Packet Data Convergence Protocol 分组数据汇聚协议 Radio Link Control 无线链路控制 Broadcast Channel

全球协同微波接入系统

广播信道

Primary Synchronization Signal 主同步信号 Secondary Synchronization Signal Primary Synchronization Channel Secondary Synchronization Channel Cyclic Prefix 循环前缀 Physical Broadcast Channel 物理广播信道 Master Information Block 主信息块 System Information Block 系统信息块 Broadcast Control Channel

辅同步信号 主同步信道 辅同步信道

广播控制机信道

Physical Hybrid-ARQ Indicator Channel 物理HARQ指示信道 Physical Downlink Control Channel 物理下行链路共享信道 System Frame Number 系统帧号 Radio Network Temporary Identifier 无线网络临时标识 Reference Symbol received Power 参考信号强度 Reference Signal Receiving Quality 参考信号质量 Received Signal Strength Indicator 接收的信号强度指示 Neighbour Relation Table 邻区关系列表 Global Cell Identity 全球小区标识
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缩略语

PCI

Pre-coding Control Indication 预编码控制指示 Timing Advanced

TA
RACH

时间预先值

Random Access Channel 随机接入信道 Radio Access Bearer 无线接入承载 Common Pilot Channel 公共导频信道 Radio Resource Management 无线资源管理 Radio Bearer 无线承载 Signal to Interference plus Noise Ratio 信号与干扰加噪声比 Non Synchronized Radio Access 非同步化无线电接入

RAB CPICH RRM RB SINR NSRA

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南京邮电大学学位论文原创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

研究生签名:_____________ 日期:____________

南京邮电大学学位论文使用授权声明
南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外,允许论文被查阅和借阅,可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。 论文的公布(包括刊登)授权南京邮电大学研究生部办理。

研究生签名:____________ 导师签名:____________ 日期:_____________

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第一章 绪论

第一章 绪论
1.1 引言
移动通信是指通信的双方至少有一方在移动中进行信息交流的的通信方式,当今世界 上最先进的通信方式之一。蜂窝式移动通信,就正式商业运营而言,也不过只有20多年的 历史,就其发展历程看,大约每10年就更新一代,目前处于第二代移动通信和第三代移动 通信的交接期。移动通信从第一代模拟移信系统开始发展至今,主要历程如下[10] 郑侃, 赵慧,王文博.3G长期演进技术与系统设计.北京:电子工业出版社,2007: 1)第一代移动通信系统(1G) ,接入技术采用频分多址(FDMA,Frequency Division Multiple Access) , 并以模拟语音技术为核心, 其典型系统为美国的AMPS (Advanced Multiple Phone Service ) ,北欧的 NMT ( Nordic MobileTelephony)和英国的 TACS ( Total Access Communication System) ;但现在这种系统已经基本被淘汰; 2)第二代移动通信系统(2G) ,接入结束主要分为时分多址(TDMA,Time Division Multiple Access)和码分多址(CDMA,Code Division Multiple Access)两种,并以数字语 音传输技术为核心,其典型系统为GSM(Global System for Mobile System)和IS-95; 3)基于2G与3G之间的过渡系统(2.5G) ,增强数据业务支持,相对2G在数据的传输速 率和频率效率上有所提高,典型系统包括通用无线分组业务(GPRS,General Packet Radio Service)和增强数据速率的GSM演进(EDGE,Enhanced Data rates for GSM Evolution) ; 4)第三代移动通信系统(3G) ,主流技术为CDMA技术,通过增强的空中接口,提供 更高速率和宽带数据的传输,典型系统包括WCDMA,CDMA2000和TD-SCDMA; 5)增强型3G系统,原3G系统中增强空中接口功能,并部分调整原3G系统的核心网结 构,支持更高速率和更高可靠性的数据传输,强调提供无处不在(连续覆盖) 、高移动性、 全业务(语音和数据)以及更高数据速率的移动通信,具体包括高速下行链路分组接入 (HSDPA, High Speed Downlink Package Access) 和高速上行链路分组接入 (HSUPA, High Speed Uplink Package Access) ,CDMA2000 1xEV以及TD-SCDMA的增强型技术等; 6)演进型3G系统(E3G,Evolved 3G) ,是3GPP LTE(长期演进)和3GPP1.2 3G发展 的背景的背后动机

1.2.1 3G 历史和背景
3GPP规范的蜂窝技术是世界上布网最广泛的,截至2008年,蜂窝技术的用户已超过
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第一章 绪论

26亿。3GPP研究和发展的最新阶段是从3G到演进的无线接入网和演进的分组接入核心网 的发展,其中前者叫做 LTE(Long-Term Evolution, 长期演进 ) ,后者叫做 SAE ( System Architecture Evolution, 系统架构演进) 。 模拟电话网络包括北欧各国在80年代的NMT(Nordic Mobile Telephony, 北欧移动电 话)系统,与此同时,模拟AMPS(Advanced Mobile Phone Service, 高级移动电话系统)在北 美开始应用,另外还有TACS。随着80年代数字通信的到来,数字技术给移动通信系统带 来了机遇。确定GSM标准的制定机遇TDMA。1993年,完成了CDMA标准(IS-95)的制定。 最初2G的峰值数据速率仅9.6kbit/s。 之后GSM引入了GPRS实现了分组数据在蜂窝系统中的 传输, 称为2.5G。 ITU在1992年的世界无线电行政大会上划分出了230MHZ的世界通用频谱, 包括FDD的一对对称的60MHZ频谱,TDD的35MHZ的非对称频谱。设定了3G电路交换和 分组交换数据业务的目标速率: 室内环境下达到2Mbit/s;步行环境下达到144kbit/s,车载环境 下达到64kbit/s。 3GPP是3G标准发展的主题,制定了3G UTRA和GSM系统规范。3GPP分成了几个TSG (Technical Specification Group, 技术规范组) 。TSG RAN由5个工作组(WG)构成。 1)RAN WG1处理物理层规范。 2)RAN WG2处理层2和层3的无线接口规范。 3)RAN WG3处理固定的RAN接口,比如RAN节点间的接口和RAN与核心网的接口。 4)RAN WG4处理射频(RF)和无线资源管理(RRM)性能需求。 5)RAN WG5处理终端一致性测试。 众所周知,3G主要包括WCDMA,CDMA2000以及TD-SCDMA三种主流技术。

1.2.2 3G 演进的背后动机
技术进步,包括因特网和IP技术,传统电话业务,广泛的业务需求,以及关键的业务 涉及促进了3G的发展。 LTE标准化背后的基本原则是利用3GPP规范无线通信系统,尤其是空中接口的能力, 但是LTE标准化的结果并不受3GPP早先工作的约束。这样从头设计无线接口有了可能性。 以LTE为例,无线接口的优化针对IP传输,而不必支持ISDN业务,即不需要支持GSM电路 交换业务。此外,LTE有可能使得FDD和TDD的共性最大化,这在3GPP LTE之前是不存在 的。同时,LTE又有新的需求,运营商的频谱越来越分散,分布于不同的频段,有着不同 的连续带宽。为了避免射频和滤波器的设计开销过大,可用的带宽是非常有限的。因此, LTE设计的目的要支持大概1到20MHZ带宽的频谱分配,这使得LTE可能支持5MHZ之外的
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第一章 绪论

其他带宽,这对运营商是很有利的。

1.2 3G 演进及 演进及 LTE 相关技术
1.2.1 3G 演进技术
根据香农公式,限制数据速率的来年各个重要原因是接收信号可获得的功率(或者说 可获得性噪比S/N)和可用带宽。实际移动通信系统中,噪声和相邻小区的干扰是影响无 线链路的一个主要因素,邻小区干扰甚至比噪声影响还大。这在小区面积小并且高通信符 合的时候尤为明显。由于接收端需要不成比例的高信噪比和信干比,提供比可用带宽高的 数据速率基本上是低效的。在给定传输带宽时,提高数据速率的一个直接方法就是使用高 阶调制。这样调制的星座图可以扩大包含附加星座点,一个调制后的符号代表了更多的信 息比特。代价是对噪声和干扰的低抵抗能力。给定错误率时,相比QPSK来说,16QAM和 64QAM的高阶调制需要更高的接收端 Eb / N 0 ,使用信道编码附加的高阶调制,可以解决这 一个问题。另外一种不增加由于无线信道频率选择性带来的信号衰减并且提高传输总体带 宽 的 方 法 就 是 多 载 波 传 输 。 WCDMA 调 制 速 率 , 也 就 是 WCDMA 码 片 速 率 是 f cr = 3.84Mchip / s ,但是由于频谱成形,会大大超过3.84MHZ。理论上WCDMA频谱升余弦 滚降系数为 α = 0.22 。这样,WCDMA理论频带为0的部分近似为4.7MHZ。

1.3 论文的主要研究内容和文章结构 论文的主要研究内容和文章结构
本文第二章主要介绍 LTE 通信系统的网络结构及各个网络单元的功能,之后介绍 LTE各个无线接口的功能并对网络需求进行了分析。第三章结合小区的搜索过程及系统信 息阐述了LTE的接入过程,为之后的第四章做了铺垫。第四章首先简单介绍了LTE系统的 切换机制,之后分析了几种常见的降低中断时间方案,并且在此基础上,提出了基于提前 接入的优化方案。 第五章分析了切换最关键的步骤, 切换判决, 并提出了结合RSRP和RSRQ 的算法,以及基于层次分析法的权重判决算法。最后第六章对本文进行了小结

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第三章 LTE 接入过程

第二章 LTE 通信系统结构
本章介绍了WiMAX系统体系标准、网络基础架构、MAC层基本工作原理及QoS保障 机制,重点阐述了WiMAX系统四类业务流的特点及带宽请求授予过程,为设计MAC层调 度算法奠定基础。

2.1 LTE 通信系统网络结构
传统的3GPP接入网UTRAN由Node B和RNC两个节点构成如下图所示,从图中可以看 出3G网络由eNodeB(Node B) 、无线网络控制器(RNC) 、服务通用分组无线业务支持节 点(SGSN)和网关通用分组业务支持节点(GGSN)四种网络节点组成。Node B为UE提供接 入点并控制UE的无线接入, 同时负责网络流量的控制与管理; RNC负责对Node B进行整体 管理,包括对无线资源、本地移动用户和接入情况进行管理和控制,并对传输情况进行优 化;SGSN负责分组交换数据流量的控制和管理,并在Node B与GGSN之间完成移动分组数 据的接受与发送;GGSN负责与核心网的连接,是本地网与外部分组网之间的网关,GGSN 与SGSN之间通过基于IP协议的骨干网相连接。
GGSN

SGSN

RNC

RNC

Node B

Node B

Node B

Node B

Node B

图2-1 3GPP R6版本的网络结构 考虑LTE技术时,为了达到系统时延的要求,LTE对原有的网络架构进行了较大的改 进,使其仅由E-UTRANeNodeB(eNodeB)和接入网关(aGW)组成。与R6中给出的网络结构 相比较,最突出的两点变化是:没有了RNC ,空中接口的用户平面和控制平面的功能由
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第三章 LTE 接入过程

eNodeB进行管理和控制,少了一层节点,用户面的数据传送和无线资源的控制变的更加快 速;接入网关承担了及入网用户数据分组的功能,也承担了部分核心网的功能,从整体网 络结构的角度看,接入网和核心网的界限开始变得模糊。接入网关由两部分实体组成,分 别是移动性管理实体(MME)和服务网关(SWG) 。LTE的网络架构如图2.2所示,从图中 可以看出不同的eNodeB之间用X2接口相连接,eNodeB与核心网之间用S1接口相连接,这 种Mesh型的网络结构设计主要用于支持UE在整个网络内的移动性,保证用户的无缝切换。

MME/S-GW

MME/S-GW

S1

S1 X2

S1

S1

ENode B

ENode B

X2 ENode B

X2

图2-2 LTE网络结构

2.2 LTE 网络单元功能
2.2.1 MME/S-GW
作为LTE的接入网关,其主要功能有:NAS层信令交互;NAS层信令加密;AS层加密 控制;在不同核心网节点信令间与3G接入网的移动性管理;IDLE状态下UE的交互(包括 寻呼消息的控制与执行) ;数据包路由和转发;数据的合法侦听拦截;基于MME更新切换 时的MME选择;向2G或3G接入网切换时的SGSN选择;网络漫游功能;用户鉴权功能;业 务承载管理功能,包括专用业务承载建立等。其基本功能详细介绍如下: 1)移动性管理:在移动网络环境下,UE的位置是不固定的,因此需要实时跟踪UE的 位置,当移动用户从一个位置区漫游到另一个位置区时,会引起网络各个功能单元的一系 列操作。 这些操作将引起核心网中各种位置寄存器中移动台位置信息的登记、 修改或删除,
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第三章 LTE 接入过程

若移动台正在通话则将引起越区转接过程。这些就是支持蜂窝系统的移动性管理过程。此 功能应该不仅能支持LTE系统内的移动性管理,还应该支持LTE系统与异系统之间的移动 性管理。 2)呼叫控制:当UE与另一个UE进行语音通话时,无论这个UE是移动用户还是固定用 户,双方在通话之前必须建立一个有效的连接,通话结束后释放这个连接,这就需要核心 网的呼叫控制功能。 3)路径切换:当UE从一个eNodeB切换到另一个eNodeB时,eNodeB与核心网之间的链 路也会发生切换,此功能就是将S1路径产生切换,并且进行必要的数据转发。第二章LTE 通信系统网络结构9 4)NAS信令处理:NAS信令是指UE与核心网之间约定的信令消息。在NAS传递的过程 中,UE将一定格式的编码信息传给eNodeB,eNodeB不做任何消息内容上的分析,直接转 发给MME,MME接受到消息后进行解码处理,根据消息中指定的信息进行相应的处理。 5)会话管理:此功能与呼叫控制功能类似,提供此功能是为了对非语音业务的其他数 据业务进行业务建立、控制和释放。 6)路由:提供UE与其他UE数据包传输的路由功能。 7)用户签权:此功能用来保证用户是否有权限得到某种服务。

2.2.2 eNodeB
LTE无线接口在网络侧终结于eNodeB, 每个eNodeB实体的协议栈从底层到上层依次为 物理层、MAC层、RLC层、PDCP层、RRC层。物理层可以可以简单成为L1,MAC层、RLC 层、PDCP层可以合称为L2,RRC称为L3。各层的主要功能分别介绍如下: 1)物理层与MAC层和RRC层连接,负责用户数据在物理信道上传输,并提供相应的纠 错机制和重传机制,保证数据正确无误的传输。除此之外物理层负责向RRC层上报无线环 境测量报告。LTE物理层与UTMS相比较有重大革新,下行采用OFDM技术,上行采用基于 正交频分复用传输技术的单载波频分多址技术(SC-FDMA) ,可以降低发射UE的峰均功率 比,减小UE的体积和成本,带宽分配灵活 2)MAC(Medium Access Control)层是L2中的最低子层,与物理层之间通过传输信道 交换信息,与RLC层通过逻辑信道交换信息。其主要功能包括:完成逻辑信道与传输信道 的映射;完成多个UE之间的数据调度,完成单个UE中不同数据流之间的调度;向RRC层 进行数据流量报告,RRC层根据报告量进行MAC层容量配置;提供传输信道多路复用技术 以提高与物理层之间的信息传递效率;对RLC层的数据进行加密。
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第三章 LTE 接入过程

3)RLC(Radio Link Control)层主要作用在于数据传输的可靠性和正确性方面,它提供 了多种方法来保证数据的稳定传输,例如数据分段、数ARQ重传机制、流量控制、数据合 并、ARQ重传机制、流量控制、数据包序号检测、加密等。RLC层提供了三种数据传输模 式:透明传输(TM) 、非确认传输(UM) 、确认传输(AM) 。TM模式传输是最原始的传 输方式,仅仅提供两个数据包之间的简单传输,UM模式比TM模式的可靠性稍强,引入了 长度校验机制来确保数据包的完整性,而AM传输模式更为复杂,引入了纠错功能、流量 控制、加密等技术。 4)PDCP (Packet Data Convergence Protocol) 层主要功能是数据压缩, 由于口的带宽有限, 为了使无线带宽得到最有效的利用,需要把上层协(IP)数据进行头压缩和解压缩,这个功 能就是在PDCP层实现的。另外PDCP还负责向核心网传输数据。在发生eNodeB间切换时, PDCP还负责数据包序列的维护,以保证无损切换。 5)RRC(Radio Resource Control)层是控制层面上最重要的协议,它负责UE与eNodeB之间 的信令交互,对物理层和L2进行控制配置。它的主要功能有系统信息广播;RRC连接的建 立、重建、重配置、维护和释放;无线承载的建立、重配置和释放;切换过程中的RRC连 接管理;寻呼;UE的测量控制和测量报告;UE在非业务状态下的小区选择和重选等等。

2.2.3 UE
UE(User Equipment)也可以被称作是MS(Mobile Station) ,是用户接入网络的设备, 可以分为两个模块: 移动设备 (ME, Mobile Equipment) 和通用集成电路卡 (UICC, Universal Integrated Circuit Card) 。 ME是与用户无关的手持设备, 从逻辑功能上可以划分为两个部分: 移动端(MT,Mobile Termination)和设备端(TE,Terminal Equipment) 。MT负责无线接 入、无线传输、业务会话管理、移动性管理、NAS层信令管理等,TE负责对话筒、摄像头、 显示屏、UE软件等软硬件功能的管理。UICC是插入ME的智能卡,其中集成了通用用户识 别模块(USIM,Universal Subscriber Idendity Module),用来对用户身份进行识别和安全保 护。 负责接入E-UTRAN网络的是MT模块,它具有与eNodeB对等的协议栈,从底层到上层依 次是物理层、MAC层、RLC层、PDCP层、RRC层,在RRC层之上具有与核心网交互的NAS 层。

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第三章 LTE 接入过程

2.3 LTE 无线接口功能 无线接口功能
2.3.1 S1
S1是MME/SGW与eNodeB之间物理和逻辑接口,分为控制面和用户面,两部分的协议 栈不同。用户面的协议栈如图2.3所示,主要负责eNodeB与MME之间的PDU数据传输。可 以看到,传输网络层建立在IP传输之上,并且GTP-U在UDP/IP之上,用来承载eNodeB与 SGW之间用户面PDUs数据包[2]。 控制面的协议栈如图2.4所示,可以看到,传输网络层建立在IP传输之上,与用户面协 议栈相似,但与之不同的是控制面协议在IP层以上是SCTP层,以保 证信令消息的可靠传输。 而应用层信令协议定义为S1-AP[5] (S1 Application Protocol) 。 S1-AP 负责的主要功能有: 1)SAE承载管理功能: 负责eNodeB与MME之间信令承载 (SAE bearers) 的建立、 修改、 释放等等。
用户平面 PDU S1-AP

GTP-U SCTP

UDP

IP

IP

数据链路层

数据链路层

物理层

物理层

图2-3 S1接口用户面

图2-4 S1接口控制面

2)S1接口管理功能:包括S1接口初始化建立、S1接口数据检错功能、S1接口重启、S1 接口负载平衡。 3)对UE的寻呼功能。 4)移动性管理:负责通过S1接口进行切换时的一系列信令交互过程。
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第三章 LTE 接入过程

5)NAS信令处理。 6)UE初始上下文的建立与释放。

2.3.2 X2
与S1接口相同,X2接口也分为用户面和控制面。X2用户面接口定义为不同eNodeB之 间的物理和逻辑用户数据接口。X2接口用户面提供eNodeB之间用户PDU报文递交,其协 议栈与S1接口用户面协议栈相同,如图2.5所示。X2控制面接口定义为相邻eNodeB之间的 物理和逻辑控制数据接口。其协议栈如图2.6所示。可以看到传输网络层建立在IP层之上的 SCTP层。而应用层信令协议定义为X2-AP(X2Application Protocol)[3]。X2-AP负责的主要 功能有: 1)移动性管理功能:主要负责UE通过X2接口切换时,一系列信令交互过程;同时负责切换 时数据转发的状态报告等。 2)X2接口管理功能:包括X2接口的建立、删除、重启、负载平衡、接口异常错误上报等等。

2.3.3 UU
UE与E-UTRAN之间的接口称为UU接口, 通常也被称为空中接口, 与S1、 X2接口类似, UU口的协议栈也分为用户面和控制面,其中用户面由UE与eNodeB的对等协议层组成,如 图2.7所示,负责UE与eNodeB之间的用户数据传输、数据完整性保护、头压缩、加密、调 度、ARQ和HARQ数据重传。

UE

PDCP

PDCP

ENodeB

RLC

RLC

MAC

MAC

PHY

PHY

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第三章 LTE 接入过程

图2-5 UU口用户面协议栈 控制面包括NAS、 RRC、 PDCP、 RLC、 MAC和PHY六层协议, 其中NAS层在UE和MME 形成对等层,RRC、PDCP、RLC、MAC和PHY分别在UE和eNodeB侧形成对等层,如图2.8 所示。 UU接口负责用户接入控制、 数据安全保障、 移动性管理、 无线资源管理、 UE与MME 之间的信令处理等,这些功能分布

2.3LTE 网络需求分析
3GPP LTE的目标是:更高的数据速率、更低的时延、改进的系统容量和覆盖范围,以 及较低的成本。根据3GPP规定,LTE对空中接口和接入网的技术指标中与资源分配相关的 要求包括: 1、实现灵活的频谱带宽资源配置。支持1.25MHz、1.6MHz、2.5MHz、5MHz、10MHz、 15MHz和20MHz的带宽设置,从技术上保证3GPP LTE系统可以使用第3代移动通信系统的 频谱。 2、提高小区边缘传输速率,改善用户在小区边缘的体验。增强3GPP LTE系统的覆盖 性能,要通过频分多址和小区间干扰抑制技术实现。 3、提高频谱效率和峰值数据速率。频谱效率达到3GPP R6的2~4倍,下行峰值速率要 求为100Mbit/s,上行为50Mbit/s。3GPP LTE系统在频谱利用率方面的技术优势,主要通过 多天线技术、自适应调制与编码和基于信道质量的频率选择性调度实现。 4、提供低时延。用户平面内部单向传输时延低于5ms,控制平面从睡眠状态到激活状 态的迁移时间低于50ms,从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms,以增强对实时业 务的支持。 2.3.1 NGMN顶级运营商组织对下一代移动网络的要求 LTE/SAE技术被NGMN顶级运营商组织批准作为它的第一个适用技术。NGMN组织是 在2006年9月14日,由中国移动、Vodafone、Orange、NTTDoCoMo、T-Mobile、KPN、Sprint (因为NGMN在4G上选择了LTE,Sprint已于2008年7月退出该组织)倡议组成运营商实力 俱乐部。NGMN成立的宗旨是让最接近用户市场的运营商成为移动通信发展的牵引者,使 技术、标准、产品更加面向市场需求,降低整个产业的发展风险。因此,NGMN的工作目 标是以运营商为主导研究和制订下一代移动网络需求,提出未来宽带移动网络明确的系统 性能目标、功能要求和演进部署场景等,给标准化组织、设备制造商等开展下一代移动网 络的标准化和产品开发以明确指导;同时通过深入的评估以及广泛的沟通,促使标准化、
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第三章 LTE 接入过程

产品开发等真正满足NGMN提出的需求,最终为用户、运营商、制造商等价值链各环节创 造共赢的生态环境。 NGMN提出下一代移动网络要高度智能化, 具有良好的重构性、 可伸缩性和自组网性, 以适应不同的场景,下一代网络是一个高度自治、自适应的网络。网络能以自动的和最优 的方式提高质量和性能。传统的OSS功能应该看作自组网络的一部分,这样能最大程度上 减少人工干预。在NGMN白皮书中,七大运营商对下一代网络的功能、性能、系统结构等 方面提出要求[7]。[7]NGMN.Next Generation Mobile Networks Beyond HSPA&EVDO.2006. 1、功能 下一代移动网络的根本任务是接收、获取到UE的呼叫,在多个运行网络之间或者多个 无线接口之间建立其最有效的通信路径,并对其进行实时的定位和跟踪;在移动通信过程 中,保持良好的无缝连接能力,保证数据传输的高质量,高速率;基于多层蜂窝结构,通 过多个无线接口,由多个业务提供者和众多网络运营者提供多媒体业务。从业务上来说, 下一代移动网络将具有更广阔的业务范围。其主要目标是:支持实时的多媒体业务,支持 移动性,缩减服务投向市场的时间,支持多种接入方式,确保现有网络的平滑演进以及具 有经济、可扩展的网络结构。NGMN定义了几种业务类型:低延迟类业务(如交互式游戏)、 高吞吐量业务( 如流媒体)、网络高效利用类业务(如移动电视)、快速上传和下载文件 (如 FTP)、较高安全性类的业务(如VPN)等。因此NGMN应该达到无缝移动、较低的延迟、高 吞吐量、支持不同的QoS和安全性。这些功能要求需要适当地在成本、结构和协议的简化 以及高的频谱效率之间取得平衡。 下一代移动网络也希望更高效支持广播、多播类的技术,与其他系统相比,LTE系统 自动邻区关系的研究能高质量的传送流媒体和实时流类业务而成本更低。为此应达到下列 目标:比现有的移动电视DVB-H标准更高的频谱效率;广播/多播模式最大的通用性,以便 最大程度地减少UE的复杂性;能够利用成对或不成对的频谱进行广播,因此这就要求能够 支持以专用载波或共享载波的方式开展广播业务;快速的信道适应;能够同时支持广播/ 组播/和语音或数据业务。 2、性能 下一代移动网络要提供很好的QoS保证,QoS包括数据的完整性、响应时间、UE、无 线网和核心网的吞吐量等。因此下一代移动网络应满足下列要求: 比现有的3GPP解决方案的复杂性要小。 比现有的3GPP解决方案的成本要低。 更适合于IP网络。
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第三章 LTE 接入过程

更短的上、下行时延。 避免浪费和错误利用无线资源。 允许在结构内最优节点自定义QoS规则、执行、优先级等。 下一代移动网络对频谱效率要求非常高, 希望至少是3G的3-5倍, 最好可以支持6-8倍。 这可以通过采用多天线技术实现,即在不增加频率资源的前提下,利用空间复用来提高上 行和下行的传输速率,达到下行100M,上行50M,同时也可以提高容量。下一代移动网络 希望端到端时延降低到30毫秒,最好是20毫秒,CN和RAN时延均小于10毫秒。 3、系统结构 从系统结构上来说,由于2G、3G需要较多数目的结点来传输用户业务,导致复杂的节 点间通信开销和协议结构。下一代移动网络应该简化系统节点数目和协议结构,以减少延 迟。与已有的2G、3G网络无缝连接,能支持不同种类的业务模式,能充分利用已有的网络 设备资源,网络UE应能在不同的网络之间自由切换。下一代移动网络的所有业务应统一在 PS域上传输,并且网络都是全IP网络。

2.4 本章小结 本章小结
本章介绍了LTE系统总的网络架构,并且对网络单元的功能及无线接口功能进行了介绍, 对各个协议层的功能进行了归纳和概括,为后续章节的切换子系统的分析奠定了理论基 础。

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第三章 LTE 接入过程

第三章 LTE 接入过程
在LTE UE与LTE网络能够通信之前,它必须执行以下操作: 1、寻找并获得与网络中一个小区的同步 2、需要对信息(也被称为小区系统信息)进行接收并解码,以便可以在小区内进行 通信和正常操作。 一旦系统信息被正确解码,UE就可以通过所谓的随机接入过程方式接入小区。这些步 骤的第一步,经常被简称为小区搜索,下面对小区搜索进行介绍,之后的一节介绍网络如 何提供小区系统信息,最后介绍邻区列表与切换的关系。

3.1 LTE 小区搜索过程
UE不仅在开机即初始接入系统时需要执行小区搜索,为了支持移动性,还需要不断 地搜索相邻小区,与之同步并且估计其接收质量。相邻小区的接收质量与当前小区接收质 量有关, 之后进行评估以决策是否需要执行切换 (对于连接模式下的UE) 或者小区重选 (对 于空闲模式下的UE) 。 LTE小区搜索的基本部分: 1、获得与一个小区的频率和符号同步; 2、获得该小区的帧定时,即决定下行链路帧的开始点; 3、决定该小区的物理层小区标识。 LTE共定义了504个不同的物理层小区标识, 其中每个小区标识对应到一个特定的下行 链路导频信号序列。物理层小区标识集合被进一步分为168个小区表示群,每群包含3个小 区标识。 为辅助小区搜索,在LTE下行链路传输2个特殊的信号,主同步信号(PPS)和辅同 步信号(SSS) ,尽管具有相同的具体结构,但同步信号在帧中的时域位置略有不同,取决 于小区是采用FDD还是TDD操作。 1、在FDD情况下,PSS在子帧0和5的第一个时隙的最后一个符号内进行发送,而SSS 则在同时隙的倒数第二个符号内进行发送。 2、在TDD情况下,PSS在子帧1和6(即DwPTS内)的第三个符号内进行发送,而SSS 则在子帧0和5的最后一个符号(即比PSS提前三个符号)内发送。
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造成FDD和TDD情况下同步信号位置不同的原因是如果之前不知道所用的双工模式, 可通过这种差异对其进行检测。
一个帧(10ms) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

SSS

PSS

图3-1 FDD情况下在时域的位置
一个帧(10ms) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

SSS

PSS

图3-2 TDD情况下在时域的位置 在一个小区内,一个帧中的两个PSS是相同的。此外,一个小区的PSS可取3个值,取 决于该小区的物理层小区标识。更准确的说,小区标识群中的3个小区总是关联到不同的 PSS。因此,一旦UE检测到并识别出小区的PSS,它将获得以下信息: 1、该小区的5ms定时并由此获知SSS位置,其与PSS带有一个固定的位置偏置。 2、小区标识群中的小区标识,然而UE还不能检测出小区标识群本身,即只是把小区 标识的可能数目从504降低到168。 因此,一旦检测出PSS就可以知道SSS的位置,从而使UE可以获得以下信息。 1、帧定时(给定PSS所发现的位置,存在两个不同可选项FDD和TDD) 。 2、小区标识群(168个可选项) 。 此外,对于UE来说,通过来自小区一个单独SSS的接收来实现这些应该是可能。原因 在于,当UE在其他载波上搜索小区时,搜索窗口不会达到能够覆盖一个以上的SSS。 为此,每个SSS都可以携带168个不同的值以对应168个不同的小区标识群。此外,对 一个子帧( SSS1 在子帧0中, SSS 2 在子帧5中)内的两个SSS有效的一系列值是不同的,这
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意味着,来自一个单独SSS的检测,UE可以确定被检测出的是 SSS1 还是 SSS 2 ,从而确定帧 定时。 一旦UE捕获到帧定时和物理层小区标识,就可以确定小区特定导频信号,并可以开 始进行信道估计,之后,它可以对携带最基本系统信息的BCH传输信道进行解码。 小区搜索流程:

检测PSCH(用于获得5ms时钟,并 获得小区ID组内的具体小区ID)

检测SSCH(用于获得无线帧时 钟、小区ID组、BCH天线配置

检测下行导频信号(用于获得BCH 天线配置,是否采用位移导频)

读取BCH(用于获得其他小区信息)

图3-3 LTE最终采用的小区搜索流程 符号级定时检测:通过PSCH确定符号级定时和时隙级(5ms)定时。具体的方法有三 种:基于互相关(Cross-correlation)的检测,也就是基于SCH副本(Replica)的检测;基 于自相关(Auto-correlation)的检测;上述两种方法的混合。仿真结果[3GPP R1-062096] 显示, 互相关检测法的小区检测时间比自相关检测法的更短, 特别是在小区边缘。 基于SCH 的设计应该是根据最差的UE所处的情况设计, 因此互相关检测法相对自相关检测法有一定 的性能优势。代价是更高的解码复杂度。 无线帧时钟检测:采用基于 SSCH 的帧同步方法,在 PSCH 确定 5ms 定时并由此获知 SSCH位置,其与PSCH带有一个固定的位置偏移。从而进一步利用SSCH取得帧定时。对 于FDD而言,由于主同步信号是位于Slot0或Slot10的最后一个OFDM符号,因而不管CP的 长度是多少, 确定了PSS后就可以确定 Slot (也就是子帧) 的边界。 但是PSS在Slot0和Slot10
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上的内容是相同的,目前还无法区分这两个时隙,无法获得系统帧的信息。对于TDD而言, 捕获PSS后尚无法确定子帧边界。但是随后UE捕获SSS,就可以确定子帧边界,道理同上。 小区ID检测:WCDMA系统采用512个小区ID。在LTE系统中是否需要支持同样数量的 小区ID,是一个需要研究的问题。另外两个需要明确的问题是,使用哪个物理信道进行小 区ID检测,以及是否需要进行小区ID分组。 小区ID的数量从支持多小区组网的能力上讲,小区ID的数量当然越大越好。但与大量 小区ID对应的是,必须有足够数量的高性能的SCH序列以支持快速、准确的小区ID搜索。 WCDMA系统支持512个小区ID,直观的考虑是在LTE系统中保持这个小区ID数量。但是, LTE习题欧诺更要求支持各种带宽,包括较小的带宽(如1.25MHZ) 。对较小的系统带宽, SCH序列设计是否也能够支持如此数量的小区ID,又是一个需要研究的问题。 最后LTE通过研究认为,可以支持与WCDMA基本一样多的小区ID,但由于采用 了小区ID分组方法,而每个小区ID组包含3个小区ID,小区ID数量应能被3整除,因此初步 确定使用510个小区ID。结合下行扰码数量应为6的倍数,最终微调为504个。 用于小区ID检测的物理信道可能用来检测小区ID的,包括SCH和导频符号。前一种方 法就是通过SCH序列直接指示小区ID,这种方法可以用于分级SCH和不分级SCH。后一种 方法中,如果不同小区的导频信号是基于一个小区特定序列或小区特定的跳频图案(这个 序列或跳频图案显然是可以和小区ID一一对应的) ,则可以通过检测导频符号的接收信号 和导频符号副本之间的相关性来寻找相关性的最大值。从而确定小区ID。基于导频符号的 小区ID检测也可以用于分级SCH和不分级SCH。 小区ID分组像WCDMA系统那样,对小区特定的序列(即小区ID)进行分组可以减少 相关性检测的次数。例如,在基于导频符号的检测方法中,就可以先通过SCH序列指示小 区ID组。在SCH序列检测确定小区ID组后,只需要通过导频符号进一步对该小区ID组内的 小区ID进行检测,就可以确定具体的小区ID了。 对小区搜索流程进行讨论的最后结果是确定了使用小区ID分组,首先通过PSCH确 定小区组ID(在0,1,2中取值) ,再通过SSCH确定具体小区ID(0-167) 。所以在捕获SSS 后,就可以获得小区的物理ID, PCI= PSS+3*SSS 3-1

PCI是在物理层上用于小区间多种信号与信道的随机化干扰的重要参数。 SSS在每一帧 的两个子帧中所填内容是不同的,进而可以确定是前半帧还是后半帧,完成帧同步。同时, CP的长度也随着SSS的盲检成功而随之确定。 主同步信号的产生及应用:在10ms的时间范围内,每5ms上放置一个主同步信号,前
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后两个5ms中的主同步信号是相同的。它由长度为62的ZC序列在前后各加5个0后形成。ZC 序列,具有恒包络自相关序列(CAZAC)的特性,是
e
jα q

= exp[? j 2πq

n(n + 1) / 2 + ln ] N ZC

3-2

在LTE 中l=0,ZC N = 62,q 对应着168个分组中的码对应的同一个eNodeB下的三个 扇区,范围是0~2。在-7.5KHz 到7.5KHz频偏范围内,ZC序列具有近似于冲击响应的理想 自相关特性[3], 同时在互相关特性方面也存在明显的主峰、 次峰。 在小区搜索的第一步中, 通过接收端数据与本地的三组主同步信号进行相关,可以得到q的值。由于主同步信号也 存在于CP,可以利用图中两部分主同步信号(黄色)进行频偏估计,进而进行频偏补偿。 在频偏估计中,首先将位于两个部分的序列按位进行相关;之后对求得的相关值进行逐一 的幅度归一化;最后将归一化的31 个结果相加,根据相加结果的相位得到估计出的频偏 值。

3.2 系统信息
通过上一节的描述的基本小区搜索过程,UE可以同步到一个小区,并获得该小区的 物理层小区标识,检测到小区帧定时。一旦完成这些,UE必须获取小区系统信息。UE可 以进一步读取PBCH了。PBCH中承载了系统MIB的信息。时域上,在一个无线帧内,PBCH 位于Slot1的前4个OFDM符号上(对FDD和 TDD都是相同的,除去被导频信号占据的RE) 。 在频域上,PBCH与PSCH、SSCH一样,占据系统带宽中央的1.08MHz(DC子载波除外)。 这样在未知系统带宽的情况下,UE也可以快速地捕获PBCH的信息。所不同的是,此时已 取得精确同步,PBCH不需要像PSCH、SSCH那样在信道两侧保 留空闲子载波,而是全部 占用了带宽内的72个子载波。 这些信息被网络断不断重复广播, 并且必须为UE所获得以便进行接入以及在网络和特 定小区内正常操作。系统信息包括有关下行链路和上行链路小区带宽的信息、TDD模式情 况下的上下行链路配置信息、有关随机接入传输和功率控制的相关参数等。 在LTE中,系统信息通过依赖于两种不同传输信道的两种不同机制进行发送:
1、有限储量的系统信息,对应所谓的主信息块(MIB) ,采用PBCH进行传输; 2 、系统消息的主要部分,对应所谓的系统信息块( SIB ) ,采用下行链路共享信道 DL-SCH进行传输。

需要注意的是,MIB和SIB中的系统信息都对应到BCCH逻辑信道。因此,BCCH可基
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于确切的BCCH信息映射到BCH和DL-SCH信道。 采用 BCH 传输的 MIB 包含了有限的系统信息,主要是一些为了使 UE 能够读取通过
DL-SCH提供的剩余系统信息而绝对需要的信息。更准确的说,MIB包含下列信息: 1、有关上行链路和下行链路小区带宽的信息,MIB中可用4bit来指示下行链路带宽。

因此,每个频带最多可定义16种不同带宽,以资源快数进行测量。有3个比特。LTE(Rel.8) 支持 1.4M到20M的系统带宽,对应的资源块数如下图所示 信道带宽
(MHZ) 1.4 3 5 10 15 20

资 源 块
(RB)数量

6

15

25

50

75

100

表3-1 带宽与资源块映射数量表
2、有关小区PHICH上的L1/L2控制信令,UE必须获知PHICH配置信息以便能够接受 PDCCH上的L1/L2控制信令,而这是接收DL-SCH所必须的。PBCH中使用lbit指示PHICH

的长度, 2bit 指示 PHICH 使用的频域资源,即 PHICH 组的数量 ( 每个 PHICH 组包含 8 个
PHICH)。 3、系统帧号(SFN) ,或者更准确的说,包含MIB中除了SFN的最后两个最不重要比

特之外的所有比特。系统帧号SFN的长度为10Bit,在0到1023之间取值。在PBCH中只广播
SFN的前8位,因此,PBCH中的SFN只是在40ms的发送周期边界发生变化。通过PBCH在 40ms周期内的相对位置就可以确定SFN的后两位。 如下所述, UE可以间接地从BCH解码中

获知SFN中的两个最不重要的比特。
4、系统的天线配置信息。系统的天线端口数目隐含在PBCH的CRC 里面,通过盲检 PBCH的CRC就可以确定其对应的天线端口数目(Attenna Ports) 。

对应于MIB的BCH传输块,每40ms发送一次,因此BCH传输时间间隔(TTI)为40ms。 从初始小区搜索开始,UE只是获得了小区帧定时。因此,在接收BCH时,UE不知道 一个特定BCH传输块被映射到哪4个子帧。 相反, UE必须尝试在四种可能的定时位置对BCH 进行解码。基于正确CRC校验所指示的解码成功,移动UE就可以间接确定40ms定时或者 等效为SFN的2个不重要比特。这就是为什么这些比特不需要直接包含在MIB中的原因。 系统信息的主要部分被包含在通过DL-SCH传输的不同系统信息块(SIB)中。一个子 帧中有关DL-SCH的系统信息的出现与否是通过被标记为特别系统信息RNTI(SI-RNTI) 的 相关PDCCH传输来进行指示的。类似于PDCCH提供了对于“普通”DL-SCH传输的调度分 配,这个PDCCH也指示了系统信息传输所采用的传输格式和物理资源(资源块集合) 。
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LTE定义了至少8种不同的SIB, 而这些SIB的特征是通过包含在其中的信息类型所体现

的。
1、SIB1所包含的信息主要是关于UE是否被允许驻留在小区中。这里包含了小区运营

商的信息,以及是否存在关于哪些用户可以接入小区的限制等。SIB1还包含了TDD模式下 上下行链路子帧分配以及特殊子帧配置方面的信息。 最终, SIB1包含了有关其余SIB (SIB2 和更多)时域调度方面的信息
2、SIB2包含了UE接入小区所需的信息。这里包含了上行链路小区带宽、随机接入参

数以及上行链路功率控制相关参数方面的信息。
3、SIB3主要包含关于小区重传的信息。 4、SIB4-SIB8包含了相邻小区的相关信息,包含了同载波上相邻小区、不同载波上相

邻小区、相邻非LTE小区(如WCDMA/HSPA、GSM)以及CDMA2000小区的相关信息。 与MIB类似,SIB也是被重复广播的。某一特定SIB怎样频繁地传输取决于UE在接入小 区时怎样快地获取相关系统信息。总之,高序号SIB在时间上更紧急,因此高序号SIB被传 输的更为频繁。SIB1每80ms传输一次,而高序号SIB的发送周期是灵活的,并且对不同网 络可以是不同的。

3.3 相邻小区搜索及邻区列表 相邻小区搜索及邻区列表
除了在UE开机时进行的初始化小区搜索外,UE还要周期性地对相邻小区进行搜索, 以为小区重选和切换做准备,这种小区搜索又可以称为非初始化小区搜索(Non-initial Cell
Search) 1、非初始化小区搜索和初始化小区搜索

从理论上说, 非初始化小区搜索比初始化小区搜索有所简化, 至少下行同步已经取得。 但为了尽可能减少小区搜索的选项,降低UE的复杂度,非初始化小区搜索的过程应尽可能 和初始化搜索过程相似。 最后,LTE决定采用和初始化小区搜索相同的方法进行非初始化小区搜索。
2、相邻小区列表的作用

根据RAN4工作组的阶段性研究[4], 根据RAN2的观点, 如果取消邻区列表, 那么, S-BCH 上承载的参数可以大大的减少。这个是基于同时考虑同频和异频邻区列表考虑的。但是根 据RAN2现在的观点[5] [6],至少同频小区的中心频率需要信令。在小区搜索的测量方面,有 些公司认为邻区列表的信息可以用来优化UE的搜索。根据WCDMA的搜索性能,邻区的扰
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码可以减少需要检查关联的磁滞值(也就是减少了小区搜索时间) 。 同时,是否WCDMA的模型可以用在LTE上这个问题没有得到解决。这样就有两个问 题:
1、没有了网络关于邻区的帮助,邻区搜索是否在一个可以控制的复杂度可行范围内 2、如果没有邻区信息提供,那么LTE需要多长时间去搜索一个可能的邻区

小区搜索的参数假设如下:三个CS阶段,3个主同步信号,170个小区组,3个小区ID/ 组。对于没有达成一致的参数设定,如准确的主和从同步序列,在哪里检测用于主广播信 道(P-BCH)传输数量,以及导频标识是否跳变的检测,使用[7] [8]中的参数设置。 对于主同步信号序列,使用72位长的QPSK的PN序列
CS第二阶段的相干检测以及19个从同步子序列,使用36位长的ZC序列 3、通过CS第三阶段检测RS序列是否跳变。另外,使用48个RS来检测小区的ID。

根据[9]的仿真结果,取消相邻小区列表受到的性能损失时很小的。 邻区关系的配置是日常网规网优的工作重点,影响整个网络的性能指标。其 主要优点有[12]:
1)减少不必要的切换 2)减少邻区漏配或者邻区定义错误引起的掉话 3)提高吞吐量 4)业务负载平衡 5)提高测量质量

传统的邻区关系列表的意义已经随着LTE的出现发生变化[10]在2G和3G网络中, 邻区关 系列表是同时为eNodeB和手机服务的,但是在LTE网络中,由于UE能力的变化,UE在测 量时不需要邻区列表的指导,邻区关系列表主要是为eNodeB服务。 传统的邻区关系列表是小区规划工具通过eNodeB安装前的覆盖预测生成的。 由于地图 和建筑数据的不精确,这种预测常常存在误差,因此运营商需要通过路测来完善[11] [12] 无线网络中不断有新小区加入,无线传播环境也在不断变化,因此需要重复的执行规 划过程才能保证Phy-CID和邻区关系列表的的有效性和准确行。这个过程成本较高,因此 需要一种自动更新邻区关系列表的方法。宏小区(Micro-cell)和微小区(pico-cell)的引 入使无线环境更加复杂。而且,LTE标准中提出closedsubscribers group(CSG)cell,有时 也成为Home eNodeB,它是由用户购买放置在家中的设备。对它进行路测是不太可能的, 运营商不能掌握这些eNodeB的确切位置。因此,采用自动的方法生成和更新邻区关系列表 是必需的。Phy-CID(Physical Cell Identity)[13]是LTE系统中小区在无线网络中的一个重要
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标识,无线网络需要根据复用的小区局部物理标识来进行有效的测量和上报测量报告。例 如,在LTE系统中,UE需要测量候选小区的RSRP(reference symbolreceived power)并向UE 目前的服务小区上报测量报告。它保证了发生切换时UE有效及时的切换到目标小区。如果 服务小区的邻区区域所有的Phy-CID都是唯一的,那么测量报告将是确定的。在现实的LTE 通信网络规划中, Phy_CID只有504个, 因此Phy-CID是复用的, 在NRT表中将会存在Phy-CID 冲突的问题。ANR功能也包括Phy-CID的检测和处理。通过对通信系统的研究可知,LTE 系统中的Phy-CID类似与WCDMA系统中的编码的规划问题,不同的是WCDMA系统UE不 上报GCI信息。为了在全网范围内有效区分小区,LTE引入了GCI(Global Cell Identity)的 概念,UE通过读取系统消息来获得GCI,这是一个复杂的过程,因此获取GCI比较困难且 时间消耗较大[14] 。 因此LTE提出了自动邻区规划的概念, LTE系统与WCDMA等系统不同,
UE不需要邻区列表指导其测量。在进行异频异系统测量的时候,仅需要指导邻区所在频率

和系统。LTE系统中ANR更加强调了UE主动检测邻区功能,由UE自动地检测小区存在并 上报给eNB,由eNB进行邻区关系的判断、创建和删除等[22]。

3.3.1 邻区关系配置原则
基站的地理位置和周末地形条件对基站邻区的选择有着重要的影响;判断一个小区是 否与邻近小区发生邻区关系,主要通过对小区的地理环境条件进行分析,依靠现场操作经 验进行。如果两个小区有高山阻挡,这两个小区不会发生邻区关系。对于沿河流、湖泊及 海岛上建设的小区, 由于水面对无线信号的镜面反射非常明显, 常常造成信号的过远覆盖。 因此,一些小区距离尽管较远,甚至在相隔外围第三层以上的小区,也会产生邻区关系。 对于蜂窝网络而言,正确添加邻区关系非常重要。如果缺乏有效的邻区关系,不能进行正 确的扇区切换,会导致掉话等无线问题的产生[26]。 邻区关系的一般选择原则如下:
1、邻近原则

同eNB的小区要互为邻区。地理位置上直接相邻的小区要作为邻区。我们一般认为距离 目标小区越近的,相邻小区列入邻区关系列表的可能性越大。做邻小区规划时,为了保证 移动台在小区之间移动的时候可以自由切换,邻区关系列表应该能够包含它周围邻近的小 区[21]。
2、互易性原则

邻区关系是相互的, 即互为邻区。 例如, 如果cell 1是cell 2的邻区关系, 那么cell 2也是cell
1的邻区关系。
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3.3.2 邻区关系列表
邻区关系列表(Neighbour Relation Table,NRT)是eNB侧为其服务的小区维护的邻小区 信息,是处于一个小区内的UE有可能搜索到的强导频的集合[27]。
LTE系统中维持邻区关系列表的意义与传统网络的邻区列表的意义已经不同。GSM和 WCDMA系统维持邻区列表(Neighbour Cell Lists,NCL)的目的是RBS为所连接的UE提

供一组的邻小区去测量。GSM和WCDMA系统中,UE不能测量所有可能的小区,所以希望
NCL越短越好。但是LTE不同,LTE UE可以解码给定频率的任何测量小区ID。因此,LTE UE不像GSM和WCDMA系统一样需要NCL指导测量。在LTE中,我们不需要广播NCL,但

是仍然需要每个eNB维护这种邻区关系,例如,eNB需要知道相邻eNBs是否需要维持X2接 口等。NCL是GSM和WCDMA系统的说法,在LTE系统中,因为其作用已经发生变化,因 此更名为邻区关系列表 (Neighbour Relation List, NRL; 或者Neighbour Relation Table, NRT)
[28]。 UE在进行E-UTRAN同频小区检测和RSRP测量的时候,不需要同频邻区关系列表。异频

和异系统测量时,同样不需要邻区关系列表,服务小区只需要向UE提供载频和异系统信息 即可[29]。

3.3.3 自动邻区关系功能
3.3.3.1 小区标识 LTE系统中的与邻区规划优化过程相关的小区标识主要分两类:物理层小区标识和全球

小区标识。
1、物理层小区标识(Phy-CID)Phy-CID(Physical Cell Identity)[30]是物理层小区标识。 Phy-CID是一个整数标识,一共有504个不同的取值。在LTE系统网络规划中,网络为每个

小区分配一个Phy-CID。因为只有504个,在大型网络中,Phy-CID会复用,在网络规划时 尽量使某个小区的所有邻区的Phy-CID值都与之不同,也尽量保证某个的小区的任何两个 邻区的Phy-CID值不同。 但是事实上, 我们不能对Home-eNB的Phy-CID进行类似规划, Macro
eNB也会存在Phy-CID冲突的问题。因此存在Phy-CID冲突问题。 UE根据信号的无线特性获取phy-CID。 2、全球小区标识(GCI) GCI(Global Cell Identity,或者Global-CID):它是小区全球的唯一标识,E-UTRAN中 GCI的具体形式是[17]
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GCI=PLMNID+CellID

(3-1)

其中PLMNID是PLMN Identity,代表小区所接入的PLMN;
CellID是Cell Identity,在PLMN内小区的唯一标识。 GCI在系统消息SystemInformationBlockType1中下发,UE可以通过读取系统消息获得 GCI。获取GCI是一个耗时较长的工作。我们总希望在最短的时间内获取GCI,降低切换时

延[31][32]。
3.3.3.2 同频自动邻区关系功能

自动邻区关

小区B 小区A Phy-CID=3 Global-CID=17 1)报告(Phy-CID=5,强信号) Phy-CID=5 Global-CID=19

3) 报告Global-CID=19

2) 报告Global-CID需求 (目标Phy-CID=5)

2b) 读取BCH信道

UE

图3-4 LTE系统内同频ANR功能 系功能依赖于小区广播它的全球范围内的标识:Cell Global-Cell-Identifier(GCI)
ANR功能受O&M的控制,eNB侧邻区关系列表的变化需要通知O&M。O&M系统管理 ANR Blacklist和ANR Whitelist: ANR Blacklist:eNB即不需要建立也不要维持邻区关系的小区列表。 ANR Whitelist:eNB始终需要建立和维护邻区关系的小区的列表。

在LTE系统同频下,ANR功能具体执行如下: 小区A的服务eNB具有ANR功能。在正常的通信过程中,eNB指导每个UE去进行邻小区 的测量。eNB为每个UE指定不同的测量策略和上报测量报告的时间。
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第三章 LTE 接入过程

1、UE上报一个关于小区B的测量报告。测量报告中包括小区B的Phy-CID,不包括GCI。 2、eNB指导UE根据最新上报的Phy-CID,读取相应邻区GCI,TAC(Tracking area code,

跟踪域)和所有可用的PLMN ID。因此eNB需要调度合适的idle周期使UE读取检测邻区的 广播信道,以获取GCI。
3、如果UE发现新小区的GCI,则UE将该值上报给服务小区的eNB。另外UE根据eNB的

需要决定是否上报TAC和所有的PLMN ID。
4、eNB判决是否将该小区加入邻区关系,根据Phy-CID和Global-CID: 1)更新邻区关系列表; 2)查找新eNB的传输层地址; 3)根据需要判断是否需要与新eNB建立X2接口。

3.4 本章小结
本章介绍了LTE的接入过程,首先详细介绍了LTE的小区搜索过程,并且重点分析了系 统信息, 介绍了SIB以及MIB中的内容, 为后续章节关于切换的部分储备了预备知识。 最后, 本章介绍了LTE系统的邻区列表,以及邻区列表和切换的关系。

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第四章 一种基于提前接入的最优化时延切换方案

第四章 一种基于提前接入 一种基于提前接入的最优化时延切换方案 接入的最优化时延切换方案
本章首先介绍了LTE系统切换流程及切换测量过程,然后分析了常用LTE切换算法, 以及常用的降低中断时间的常见方案,并借鉴常用基于非竞争以及自适应的设计思路,设 计了一种基于自适应切换算法及最优化时延的LTE切换方案,并分别对自适应切换算法及 提前接入方案进行了详尽的性能分析。

4.1 3GPP LTE 系统切换机制简介
4.1.1 LTE 切换流程
A eNodeB内切换

当 UE 所在的源小区和要切换的目标小区同属一个 eNodeB 时,发生 eNodeB 内切换。
eNodeB内切换是各种情形中最为简单的一种,因为切换过程中不涉及eNodeB与eNodeB之

间的信息交互,也就是X2、S1接口上没有信令操作,只是在一个eNodeB内的两个小区之 间进行资源配置,其流程图如图3.16所示。对其中L3协议层的具体流程分析如下,其中步 骤1、2、3为切换准备阶段,步骤4、5、6、7为切换执行阶段,步骤8为切换完成阶段。
UE
1、测量控制 上行分配 数据包 数据 数据包 2、测量报告 3、切换决策



目标

4、切换命令 下行分配 7、RRC连接 6、切换命令应答

5、准入控制

8、RRC连接完成应答

图4-1 eNodeB内切换流程
B eNodeB间的切换
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第五章 基于层次分析法的权重切换判决算法

UE

源基站

目标基站

移动管理器
区域限制

服务网关

1、测量控制 数据包 上行分配 2、测量报告 3、切换决策 4、切换命令 5、准入控制 下行分配 7、RRC连接 6、切换命令应答 层1/2信令 数据 数据包 层3信令

断开源小区

传输缓存中的数据
8

数据传输 源eNodeB缓存中

9、同步 10、告诉UETA 11、RRC连接建立

12、路径切换请求 13、用户平面更新

14、切换下行链路

15、用户平面更新响应 16、路径切换请求 17、UE文本释放

释放下行缓存器

数据传输 结束标识

18、释放资源

图4-2 eNodeB间的切换流程
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第五章 基于层次分析法的权重切换判决算法

以下是切换步骤的具体描述:
0、在源eNodeB中的UE资料包括漫游限制信息,提供连接建立或者最后一个TA更新发

生的地点。UE起初是通过接入网关并经由原服务eNodeB来传送用户的资料。
1、源eNodeB会根据每个UE的功能特性及权限,包括地域限制等信息设定其测量参数

与测量程序,以供UE对邻近eNodeB进行测量扫描。
2、UE根据系统信息,以事件触发或者周期性触发的方式,将其测量邻近eNodeB的信

号质量,信号强度等参数报给服务eNodeB,以帮助服务eNodeB做监控以及切换的决策。
3、根据UE报告的测量结果,原eNodeB考察该UE所需的服务质量,同时综合无线资源

管理等因素来决定是否进行切换。并从中挑选出最适合切换的目标eNodeB。
4、一旦决定切换,服务eNodeB会给目标eNodeB发出切换要求信息,在切换要求信息

中,包含了可协助目标eNodeB接手这个UE的各种信息,包括该UE的基本资料,无线承载 配置参数以及最新的测量结果。
UE的X2接口信令信息, UES1接口EPC信令信息, 目标eNodeBID, 包括UE在源eNodeB

的C-RNTI,AS配置信息(不包括物理层的配置信息) ,E-RAB信令,源eNodeB物理层ID, 可能的RLF恢复的MAC 。UE的X2和S1信令可以帮助目标eNodeB 与源eNodeB以及EPC 通 信。E-RAB消息包括必要的RNL和TNL信息以及E-RAB的QOS文件。
5、目标eNodeB的准入控制机制将依据服务eNodeB所提供的参数,并根据自身当前的

负载状况,来决定是否接手此UE。如果决定接手这个UE,那么目标eNodeB会根据接收到 的E-RAB的QOS信息来配置需要的资源,并且目标eNodeB会保留一个C-RNTI以及为其预 留一个RACH保留码。目标eNodeB使用的AS配置会独立说明,或者作为一个与源eNodeB 使用的AS配置进行比较的变量。
6 、目标 eNodeB 为切换进行层 1 以及层 2 的准备,同时发送切换要求响应消息给源 eNodeB,通知其同意接管这个UE。这个消息中还包含要转交给UE的消息,例如:新的 C-RNTI识别码,目标eNodeB安全算法,一个特定的随机接入信道的预留码,以及系统信

息块(SIB) 。如果必要,这个消息中会包含转发隧道的RNL/TNL信息。这些信息可以帮助
UE在最短时间内与新接手的eNodeB去的连接,恢复通信。

以下7-16条消息提供了可以在切换中避开数据丢失的方法
7、源服务eNodeB产生一个RRC消息:切换命令,通知UE用户准备进行切换程序。这

个切换命令控制信号除了包含有目标eNodeB要转送给UE的信息(比如一个新的C-RNTI, 目标eNodeB安全算法,RACH预保留码以及目标eNodeB的SIB)外,还包含了开始做切换
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的起始时间。除此之外,当该用户收到切换命令信息之后,需要回复一个RLC ACK消息给 源eNodeB ,好让源 eNodeB 知道用户已经正确收到切换通知。UE不需要延时来执行传输
HARQ/ARQ响应给源eNodeB。 8 、源 eNodeB 发送 SB 状态转换消息给目标 eNodeB ,用来传输 PDCP 状态保留应用的 E-RAB的上行PDCP SN接收状态以及下行PDCP SN传输状态。上行PDCP SN接受其状态包

括第一个丢失的上行SDU的PDCP SN。如果有需要在目标eNodeB重新传输的上行SDU,那 么上行PDCP SN还可能包含一个比特的关于这些SDU的接收状态映射图。下行PDCP SN传 输状态指出了下一个目标eNodeB会分配给新的SDU的的PDCP SN。如果没有UE的E-RAB 会处理这个PDCP状态保留,那么源eNodeB会忽略发送这条信息。 这里介绍一下PDCP SN的作用,从UE的角度来看,如果一个下行无线承载的RLC实体 是AM(子层确认)模式,那么当UE发生切换前,UE中与该承载相关联的PDCP实体先从 源eNodeB收到一些PDCP SDU,切换后开始从目标eNodeB接收PDCP SDU(其中前面的一 些是源eNodeB转给目标eNodeB的,并且有一些是源eNodeB已发给UE但尚未得到确认的) , 因此,UE的PDCP实体前后收到的PDCP SDU可能是乱序的,并且有重复的,而如何判断 乱序和重复呢,就是通过PDCP SN。也就是说,对于AM模式,在切换时,PDCP的接收实 体会利用PDCP SN进行重排序和重复检测。对于一般工作模式下(即未切换时) ,产生乱 序时(由于进行ARQ操作) ,包的顺序由RLC根据RLC Header中的SN进行排序,RLC递交 给PDCP时,PDCP PDU的顺序已经是顺序的了。 其实SN的作用就跟它的字面意思说那样,序号,就是能够保证顺序提交以及检测重 复的包。这个时候它实现了类似于RLC里面的排序行为。因此如果在平时也使用这个模式 的有点浪费,因此最好能够在做切换或者连接重建立的时候启用这个功能。
9、一旦切换时间满足一定时间后,UE将断开源eNodeB的连接,转而向目标eNodeB

的随机接入信道发出接入请求。要求提供时间预先值,以完成上行同步。这里如果有一个 专有的RACH预保留码,那么就是一种非竞争模式。具体算法会在4.2.3章节中介绍。
10、目标eNodeB回复时间预先值,并将分配一个上行资源给UE。这个上行资源的功

能是给UE传输接下来的切换确认信息。
11、一旦UE 成功与目标eNodeB 取得连接之后,UE 将通过切换确认消息来通知目标 eNodeB来恢复正常的通信。目标eNodeB此时开始发送数据给UE。 12、目标eNodeB发送一个路径切换消息给MME通知UE更换小区。 13、MME发送一个用户面更新要求消息给服务网关。 14、服务网关切换下行数据路径到目标eNodeB。服务网关在旧路径上发送一个或者多
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个终止标签数据包给源eNodeB,并且释放任何源eNodeB相关的资源。
15、服务网关发送一个用户平面更新响应给MME。 16、MME通过路径交换应答消息来确认路径交换消息。 17、通过发送UE消息释放,目标eNodeB通知源eNodeB成功切换,并且触发资源的释

放。在MME收到路径交换应答消息之后,目标eNodeB发送这条消息。
18、在收到UE资料释放消息之后,源eNodeB会释放无线以及和UE资料相关的C平面

相关的资源。
C 异系统的切换

异系统切换的情形发生在UE在LTE小区与非LTE小区之间的切换,切换过程中设计到 的信令流主要集中在核心网。以UE从UTRAN切换到E-UTRAN为例说明,UE所在的RNC 向UTRAN的SGSN发送切换请求,SGSN需要与LTE的MME之间进行消息交互,为业务在
E-UTRAN上创建承载,同时需要UE具备双模功能,使UE的空口切换到E-UTRAN上来,最

后再由MME通知SGSN释放源UTRAN上的业务承载。

4.1.2 切换测量参数
首先LTE采用了和以前蜂窝系统相似的两项测量:载波接收机信号场强指示(Carrier
RSSI) 测量和导频信号接收功率 (Reference Sinal Received Power, RSRP) 测量。 Carrier RSSI

测量是对整个系统带宽内(包括热噪声以及接收机产生的噪声)的接收功率进行测量,此 测量可以得到被测小区的干扰情况。RSRP测量是对一定频带(如一个RB)内的RS接收功 率进行测量,从而得到该频带内的信号强度。 除了传统的Carrier RSSI和RSRP测量外, LTE还采用了RS接收质量 (Reference Signal
Received Quality, RSRQ)测量,以进一步提高切换质量,降低掉话率。RSRQ定义为

RSRQ = N * RSRP

( E ? UTRAcarrierRSSI )

4-1

其中N为进行RSRP测量的RB数量。
RSRP(Reference Signal Receiving Power)是在某个Symbol内承载Reference Signal的所

有RE上接收到的信号功率的平均值;
RSSI(Received Signal Strength Indicator)则是在这个Symbol内接收到的所有信号(包括

导频信号和数据信号,邻区干扰信号,噪音信号等)功率的平均值
RSRQ(Reference Signal Receiving Quality)则是RSRP和RSSI的比值,当然因为两者测量

所基于的带宽可能不同,会用一个系数来调整 。
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从定义来看RSRP相当于WCDMA里CPICH的RSCP,RSRQ相当于CPICH 的Ec/No. 在小区选择或重选时 , 通常使用 RSRP 就可以了 , 在切换时通常需要综合比较 RSRP 与
RSRQ,如果仅比较RSRP可能导致频繁切换,如果仅比较RSRQ虽然减少切换频率但可能导

致掉话,当然在切换时具体如何使用这两个参数是eNB实现问题.
RSSI和RX(Recieived POWER)虽然是同一概念,具体指(前向或者反向)接收机接收到

信道带宽上的宽带接收功率.实际上中,前向链路接收机(指手机)接收到的通常用Rx表示,反 向链路接收机(指eNodeB侧)通常用反向RSSI表示.前向Rx通常用作覆盖的判断依据(当然还 需结合Ec/Io),反向RSSI通常作为判断系统干扰的依据. 下面以反向RSSI为例解释: 为了获取反向信号的特征,在RSSI的具体实现中做了如下处理: 在104us 内进行基带IQ 功率积分得到 RSSI ' 的瞬时值,即
RSSI ' = sum( I 2 + Q 2 )

4-2

然后在约1秒内对8192个RSSI的瞬时值进行平均得到RSSI的平均值,即
RSSI = sum( RSSI ' ) / 8192

4-3

同时给出1秒内RSSI瞬时值的最大值和RSSI瞬时值大于某一门限的比率(RSSI瞬时值 大于某一门限的个数/8192).由于RSSI是通过在数字域进行功率积分而后反推到天线口得到 的,反向通道信号传输特性的不一致会影响RSSI的精度。 关于切换判决算法将在第五章详细 说明。 信道质量指示符(CQI)是无线信道的通信质量的测量标准。CQI 能够是代表一个给定 信道的信道测量标准所谓一个值(或多个值) 。通常,一个高值的 CQI 表示一个信道有高 的质量,反之亦然。对一个信道的 CQI 能够通过使用性能指标,例如,信噪比(SNR),信 号与干扰加噪声比(SINR),信号与噪声失真比(SNDR),等信道的性能被计算。这些值和其 它的能够针对一个给定的信道测量和然后用来计算信道的 CQI。一个给定信道的 CQI 能 够依赖于被通信系统使用的传输(调制)方案。例如,一个使用码分多址(CDMA) 的通信 系统能够利用一个不同的 CQI 而不是一个使用正交频分复用(OFDM)通信系统。 在更多复 杂的通信系统中,例如,那些使用多输入多输出(MIMO)和空间时间代码的系统,CQI 的 使用也依赖于接收器的类型。其它能够考虑 CQI 的因素是性能损伤。例如,多普勒转换、 信道预算错误、干扰等等。

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4.1.3 切换测量阶段
切换可以大致分为两个阶段: 第一阶段:判断是否有必要进行切换,这一阶段的执行是在UE内进行的。判决指标是
RSRP和RSRQ,但是如何综合进行判决没有定义。本文在第五章对切换判决算法做了详细

的阐述。 第二阶段:在诸多候选目标小区中选出切换的目标小区,这一阶段的执行是在eNodeB 内进行的。 判断是否需要切换,主要通过考察服务小区的信号的恶化程度,而信号的恶化程度主 要用两个因素衡量:信号强度和SINR。RSRP可以很好的表征信号的强度,而Carrier RSSI 可以表征基本的干扰情况,但是为了更好地了解信道恶化的明确原因,分别获知上述信息 还是不够的,还应该将这两种测量量联合起来,计算出SINR。 例如,在Carrier RSSI测量表明干扰上升时,似乎可以判断信道正在恶化。但如果同 时RSRP测量表明信道强度也在上升时,则实际上信道不一定真的在恶化。反之,当信号强 度和干扰同步下降时,信道也不一定会恶化。这种情况的一种典型场景是:当UE进入一个 建筑物时,接收信号和干扰都会变弱。也就是说,在判断切换的必要性时,SINR可能比单 纯的信号强度指标更重要。因此计算信号强度和干扰强度之比(即RSRQ)是有必要的。 这里提示一下
CPICHRSRP EC EC NO

, 如 果 UE 不 使 用 接 收 信 号 多 发 , 那 么 CPICH 的

NO 和

UTRACarrierRSSI 相同。如果主CPICH信道使用了多路TX,那么在计算 EC 之 EC

前,每个天线的

都应该分别测量然后求和得到总的

EC



得到RSRQ的途径有两种:
1) 由UE计算并上报一个单独的RSRQ值, 这种方法UE只需要在RSRQ降低到门限以下

时启动测量值上报即可,具体的算法见5.3;
2) 由UE上报Carrier RSSI和RSRP值,再由eNodeB计算出RSRQ。这种方法UE无法判

断在上报前RSRQ是否过低,只能在发现Carrier RSSI较高或RSRP较低时都进行上报,而这 样就会大大增加上报的频率。 因此在切换的第一阶段,更好的选择是上报独立的RSRQ。 在切换的第二阶段(即“选定目标小区”阶段) ,可能同样需要上报独立的RSRQ。在 考察一个小区是否可以作为合适的切换目标小区时, 该小区的信号强度和SINR是同等重要
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的指标。如果不上报RSRQ,和上面的道理一样,UE需要频繁的上报Carrier RSSI和RSRP, 供eNodeB计算RSRQ。 在上述“由室外进入室内”的场景中,信号强度和干扰强度同时突然大幅下降,如果 采用方式2, UE可能很难找到一个合适的上报门限, 而这种情况, RSRQ仍然保持相对稳定, 因此很适合UE用来判断是否需要进行上报。 系统可以利用已有的2bit“相邻校区MBSFN配置”信息中的剩余空间通知UE目标小 区的上下行比例是否和服务小区相同。 这2bit信息原本用于通知UE目标小区的MBSFN子帧 分配情况。
UE测量大概分为 空闲模式下的测量和 连接(RRC_CONNECTED)下的两种测量

空闲模式下的测量,此时UE的重选完全由自己决定 不受eNodeB的控制,因此此时的测量 结果不需要上报UE。本文讨论的情况是指连接模式下的测量,所以才涉及上报

4.2 降低中断时间的常见方案
当UE需要通过无线网络来接入网络上的资源时,它必须先与邻近的eNodeB取得连 接。首先,这个UE会先对目标eNodeB做时序与频率的下载同步,并且开始接收eNodeB所 广播的系统消息。然而,再上传的方面,由于无线电波在空气中传播的延迟,将使得UE 与eNodeB的信号在来回之间,存在一个时序上的差异,就如下图所示。因此,在UE做上 传的接入之前, eNodeB需要先为其估算时序差异, 以作为上传同步的准备。 在之后本文中, 我们将eNodeB所估得的时序差异,称为时间预先值(TA) 。

eNodeB 时间

UE

时间

图4-3
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当UE一开始开机完成,会向eNodeB发出索取时间预先值的请求之外,有些UE在不通 讯一段时间之后,也有可能会失去上行同步。甚至在当UE与eNodeB正在进行通信时,由 于UE正在移动的原因,而导致必须切换到另一个eNodeB。这时候它必须要向新的eNodeB 发出接入要求,以完成上行资料的同步。从UE与原先服务的eNodeB切断通信,一直到它 与新eNodeB取得上行同步的这段时间,将会有一段通信UE的时延。因此,如何快速的完 成上行同步便显得非常的重要。 为了能够让UE得到目标eNodeB的TA, 目标eNodeB计算得到这个数值并且发给UE或者 是UE自己得到TA值(只有在同步网络才可以实现) 。在非同步网络,目标eNodeB需要监听
UE的一些传输数据,从而计算出TA。

从第三章的流程图可以看到, 当UE断开源eNodeB的连接 (第9步) , 一直到目标eNodeB 接收到切换确认的信息为止(第11步)这段时间,是用户数据的传输中断时间。在这段时 间中,UE为了完成上行同步,必须通过随机接入信道,向目标eNodeB发出时间预先值的 请求,以供eNodeB估算其无线信号来回的时序误差。 目前,3GPP LTE所规范的随机接入过程主要包括了4个步骤。如下图所示:
UE 随机准入序列 eNodeB

1

随机准入响应 如: TA, 上行调度块

2

3

调度传输

竞争方案

4

图 4-4 随机接入过程步骤 在随机接入过程中,同一时间内可能会有多个接入要求到达eNodeB。而为了增加这些 接入要求碰撞时的监测概率,随机接入包通常以扰码(PN码)组成。随机接入包的基本架 构是从已知的识别码集合中,随机挑选出一组识别码,而每一组识别码都是以一乱码来表 示。这些乱码的自相关特性,会影响时序估算的准确度,而互相关的特性,则会影响多重
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侦测识别码的能力。
eNodeB从接入时隙的开始时间点,开始接收可能的接入要求封包。然而,UE却会在

它所认知的接入时隙开始时间点,才发出接入要求的封包。因此,eNodeB根据接收到此信 息的时间点,便可以进一步调整该UE的上传时序。然而,当UE送出接入封包后,若是在 既定的时间内没收到eNodeB的回应,它将启动随机等待机制,以避免持续和其他的无线设 备发生接入封包的的碰撞。 随机接入程序可能会由于不同的需求,在不同的情况下被启动。而在不同的需求下, 其所能容忍的延迟时间也会有所不同。然而,针对切换情况下的随机接入程序,特别是对 正处在实时服务的UE而言,快速的完成上行同步是必要的。在3GPP LTE的可行性分析中, 已经对整体切换的中断时间做了评估。从中可以发现,即使在没有发生碰撞的情况下,用 户的数据中断时间仍会高达25-30ms[31]. 这么长的数据延迟时间,将无法满足某些实时性服务的需求。因此,下面介绍已有的 各大通信厂商降低中断时间的方法,最后提出一种新的改进方案。

4.2.1 UE 主动估算方案
当源eNodeB与目标eNodeB的无线帧的时序是同步的,或者源eNodeB与目标eNodeB 彼此之间的无线帧的时序差

(SFN _ RX

t arg et

? SFN _ RX source )

已知的前提下,UE可以根据这

个时序差自动调整与源eNodeB的时间预先值 (TAsource ) , 来获得与新目标eNodeB的时间预先 值

(TA )。公式如下[10]
traget

TAt arg et = TAsource + 2 (SFN _ RX t arg et ? SFN _ RX source ) ? (SFN _ TX t arg et ? SFN _ TX source )

[

]

4-4

下面介绍传播时延和第一个重要路径定时, 设定 t i 是基站i的定时信息, pi 是从基站i到UE 的传播时延。假设UE和基站的距离为 Di ,那么就有如下公式:
pi = Di c 4-5

因此可知传播时延不受频率影响。为了保持适当的下行操作,UE的下行定时需要在多径信 道的第一重要路径(FSP)锁定。这可以通过UE在小区搜索定时侦测以及得到多径信道的功 率延时文件后进行信道估计获得,并且会和FSP锁定。 基站检测到的UE的下行定时是
TDL ,i = t i + pi + ? DL ,i
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4-6

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其中 ? DL ,i 是下行FSP的到达时间和基站检测到定时时的传播时延的差值。 ? DL ,i 受频率和 环境影响。上行信号的FSP到达基站i的上行时延是 p i + ? UL ,i ,其中 ? UL ,i 是上行FSP的到达 时间和基站检测到定时时的传播时延的差值。
ti
基站 多径信道

t i + pi

FSP

重要路径的开始

终端

pi ? DL ,i

图4-5 多经时延及FSP定时 设置当UE切换时的目标基站j以及源基站i。 UE知道两个基站的下行定时 TDL ,i 以及 TDL , j 。 因为UE和源基站i是实时同步的,那么UE就知道源基站i的时间预先值 TAi 。UE也可以评估 源基站和目标基站的下行时间差值 ?Tmeas 。我们假定通过切换命令(HANDOVER
COMMAND),UE可以知道该值 ?Tmeas = (t i ? t j ) 。那么在和目标基站调整过TA之后的最大

定时错位为:

TM , j

max

≤ ε f,j

max

+ εT, j

max

+ εi

4-7

其中 ε i 是源基站的信道文件引起的定时错误。 ε i 可以表示为 ε i ≤ ε M 则4-7式可以变为

TM , j

max

≤ ε f,j

max

+ εT, j

max

+ ε M ≤ TCP

4-8

通过这种方式,UE在切换时,不需要通过非同步随机接入机制,即可获得与新目标
eNodeB的时间预先值,可以大幅降低切换发生时所造成的数据中断时间。这种方案下,目

标基站的接入过程可以使用上行共享信道(UL-SCH)或者同步随机接入过程。
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这种方案的缺点是尽管UE可以主动进行时间预先值的估算,但是其所估得的结果的精 确程度仍然有待评估;另外这种方案只能应用在源eNodeB与目标eNodeB彼此间的无线通 信时序差已知的情况。

4.2.2 基于非竞争的上行共享信道方案
由于原先通过非同步随机信道来获得时间预先值将导致严重的数据中断延迟;因此 这种方案提出用户不应该通过竞争方式的随机接入信道而是通过上行共享信道 (UL Shared
Channel, SCH)的接入时隙,来发出时间预先值的请求。这样,便可以避免与其他的不同

需求的用户发生竞争式的碰撞,从而降低切换时的数据UE时间。 为了减少非竞争机制的切换中断时间而不浪费上行分配的资源块以及目标eNodeB 上行的共享信道的容量,UE相对目标eNodeB来说应该是一个同步的切换。为了达到这个 目标,在UE接入目标eNodeB之前需要目标eNodeB的系统帧序号(SFN)或者类似的信息。 另外一个方案是在接入资源内包含信令消息,接入资源可以是子帧,频率资源单位以及一 个SFN内的接入序列。这个方案可以避免上面提到的信令要求同时避免SFN解码导致的增 加的切换时延。还有一种方案是接入突发序列的上行资源可以使用下行共享信道传输。这 些上行资源即使接入序列是不同步的时候也可以使用,但是同时可能浪费目标小区的资 源。 本质上使用RACH以及非竞争机制的切换是很类似的。区别就是非竞争机制的接入 序列不是在随机的位置而是在预分配的位置。 这个分配的工作可以在源eNodeB发送文本给 目标eNodeB的时候确定。目标eNodeB决定合适的分配位置之后给源eNodeB提供相应的响 应。当源eNodeB发送切换要求信息给UE的时候,切换要求信应该包含资源分配的信息。 或者UE可以接收切换要求消息同时开始监听分配表从而得到接入序列的分配信息[32]。 以4.1.1中切换流程图为例,当目标eNodeB决定接手这个终端后(步骤5) ,目标eNodeB 会在上行共享信道上,为这个UE保留一份专属资源。并且将使用这个资源的信息(时间/ 频率)通过源eNodeB来告诉UE(步骤6,7) ,一旦UE获得这个上行资源的信息,它便会通 过上行共享信道来索取时间预先值的请求(步骤9) ,而避免在竞争随机接入信道中所可能 发生的碰撞。 非竞争机制的优点是很多UE同时需要切换的时候, 比如火车上的移动用户在小区边 缘的时候。原来的RACH机制肯定会导致碰撞从而导致切换延迟甚至RACH信道的阻塞。 另外,减少使用RACH信道会减轻网络规划的负担,因为运营商在设计RACH信道的容量 的时候不会考虑切换概率。
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当UE进入小区的时候,目标eNodeB应该迅速为UE分配资源。同时也避免过早的分 配资源。另一方面,源eNodeB需要知道UE离开小区的时间从而在切换开始时间之前避免 浪费上行和下行资源。因此,非竞争机制相比RACH机制可以减少时延。 这个方案的确定是除了需要保留原有的RACH信道以供其他不同目的的UE使用外, 还需要针对每个切换用户都预留一份上行共享信道的专用资源。因此,如何进行资源的预 留是需要进一步考虑的课题。

4.2.3 预留 RACH 识别码方案
在传统利用竞争方式的RACH机制索取TA的方法中, 一旦有两个以上的UE在相同的
RACH时隙使用相同识别码发出请求,就会发出碰撞从而导致数据传输的延迟。一个随机

接入信号通常都承载在一个随机接入突发 (Burst) 中。 RACH 占用的时频资源是由系统的
RRM(无线资源管理)算法控制的。 RACH信道配置在每个10ms无线帧的第一个RA(随机接入)时隙中。3GPP决定采用

固定的1.25MHZRACH传输带宽。如果需要获得更高的接入几率,则通过多个1.25MHz带 宽传输,实际的RACH有效带宽为6个RB(资源块) ,即1.08MHz[33]。
目标小区 eNB处理时延 (CI) 5.1RACH前导码 (B) UE处理时延 (DI) 5.2 TA+调度授权(C2) 5.3 CRNTI(D2) 5.4 L1/L2控制信令(解决碰 撞)(E2) UE处理时延 (FI) 6.切换确认(F2) eNB处理时延 (EI)

等待RACH时 隙的时延(A)

UE

图4-5 中断时延的组成
1、UE随机选择一个可用的Preamble码,在RACH信道上发送。 2、目标eNodeB返回TA和Scheduling grant(调度请求,指示UE下一条上行信令可以使用的

时频资源位置) 。
3、UE将其在目标小区分得的C-RNTI发送到网络侧。 4、目标eNodeB返回其在步骤5.3中收到的C-RNTI,并指示UE下一条
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在UE发送消息1之前,需要在eNodeB发送的BCH中发送如下系统信息
1)随机接入信道参数(RACH数量、频域文职、时域周期和时域便宜等) 2)本小区的随机接入码格式(例如根据小区大小选择) 3)ZC(Zadoff-Chu)根序列的数量和序列编号。 4)随机接入码序列和隐性信息(接入目的的值、CQI参数、签名序列的映射)之间的对应

关系,除非这些信息是静态的、不变的。
5)功率递增的步长(Step Size) ( ≥ 0dB ) 6)随机接入码最大重传次数。

为了避免用户发生碰撞的可能,本方案建议将eNodeB的识别码分为两部分:一部分专 门保留给切换用户使用,另一部分则是留给剩余的其他需求的用户来使用。 如第三章切换流程图来说,当eNodeB决定接手这个移动用户之后,即步骤5之后,目 标eNodeB会为切换用户保留一组特定的识别码。并且将这组识别码通过步骤6的切换要求 相应消息(HANDOVER REQUEST ACK)与步骤6中的切换要求信息通知该用户。如此一 来,这个用户便可以使用这组事先保留的随机接入识别码,来向目标eNodeB发出索取TA 的要求(步骤9) ,而不至于与发生碰撞。 这种方案,保留给切换用户的随机接入识别码的多少将影响这个系统的性能。在
3GPP LTE的规范中,目前规定一个小区总共有64个识别码。假如保留太多识别码给切换用

户将会提高其他使用者的碰撞几率。保留太少,又会增加切换的中断延迟时间。因此,如 何根据用户停留在这个区域的时间以及平均的切换频率来调整保留的随机接入识别码的 数目将会是影响这个系统性能的关键。

4.3 基于提前接入 基于提前接入的优化方案 接入的优化方案
以上三种降低中断时间的方案都锁定在当发出时间预先值请求时,通过避免发生碰撞 来降低数据的中断时间。本文提出的这种提前随机接入机制,则是瞄准在降低整体切换的 持续时间。主要目的是希望一旦原eNodeB决定进行切换移交时,可以在最短的时间内,将 这个用户转交给目标eNodeB。这样可以使用户尽快使用性能较好的信道进行数据的传输。 另外,本方案也综合了其他方案的可取之处。下面是该方案的步骤图及流程图,

图4-6 基于提前接入方案步骤图

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为邻区保留尽可能多的切换预留码,同时提供10个自预留码留给最可能切换到的邻区

源eNodeB根据测量报告进行切换决策决定目标eNodeB


源eNodeB和目标 eNodeB的时序有区


目标eNodeB有 预留码 否 是



运用同步网络的方法计 算出TA 源eNodeB向UE发送预留码, 并 且给出切换决定,同时启动向 目标eNodeB的文本传输 源eNodeB给出切换决策, 同时启动 基于竞争的切换初始过程,同时启 动向目标eNodeB的文本传输

UE运用预留码在RACH时隙中传输数据给 目标eNodeB。 目标eNodeB用下行消息返回 响应。如果RACH响应在文本证实之后, 该响应会在切换命令之后用的上行授权。

UE使用NSRA传输给目标eNodeB,并且解决 可能发生的碰撞。如果RACH的消息4是在文 本证实之后,该响应会在切换命令之后传输 上行授权。

目标eNodeB发送文本证明消息给源 eNodeB。如果文本证实消息是在RACH响 应之后发送的,它就会携带切换命令后需 要用的上行授权以及UE的TA信息。

目标eNodeB发送文本证明消息给源 eNodeB。如果文本证实消息是在消息4之 后发送的,它就会携带切换命令后需要用

源eNodeB向UE发出一个切换命令,包含所有需要的信息

UE断开源eNodeB连接,并且发送切换证实消息开始下行接入。剩余的步骤可导频流程图。

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第五章 基于层次分析法的权重切换判决算法

4.3.1 基于本方案的切换流程图
UE 源 目标 移动管理器
区域限制 1、测量控制 数据包 上行分配 2、测量报告 3.告知切换决定, 目标 eNodeB,预留码 4、同步 TA+上行分配 2、切换决策 3、切换命令(分配的切换预留码) 层1/2信令 数据 数据包 层3信令

服务网关

5、准入控制,预 留C-RNTI

下行分配 7、切换命令(TA+上行分配 新的C-RNTI)

6、切换命令应答(TA+上 行分配,新的C-RNTI)

断开源小区 传输缓存中的数据
8

数据传输

9、切换确认,上行同步完成

源eNodeB缓存中

10、路径切换请求

11、切换完成

12、用户平面更新

13、切换下行链路 15、路径切换请求 16、UE文本释放

14、用户平面更新响应

释放下行缓存器 数据传输 结束标识 17、释放资源

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第五章 基于层次分析法的权重切换判决算法

图4-7基于提前接入方案流程图

根据[15], 这种方案对于同步网络来说是最优化的方案。 根据文献[16], 同步过程的开始阶段, 也就是eNodeB之间文本的传输和同步过程并行进行的情况下,这样有助于减少延迟。我们 把这种思想也用于本方案的设计中。如果目标eNodeB的一个切换保留识别码已经在源
eNodeB存在,那么根据文献[17],我们注意到,这种情况下,文本传输过程会激活非竞争的

机制。因此,在本方案中,我们具体为每一个eNodeB会从它的切换预留码空间中为每个相 邻的eNodeB提供至少一个标识码。 因为这种非竞争资源非常耗费信道空间资源,我们假设只有很小的一部分标识码会因 为切换而保留起来。比如说,对于每个邻eNodeB来说,保留6-10个预留码。对于每个邻区 来说,不是每次都会有预留码存在。UE很可能在一个特殊的时隙使用了码字。在这种情况 下,码字可用于下一个时隙。对于有很多个邻区的数量的情况,预留识别码分配给6-10最 可能进行切换的小区。如果邻区的切换预留识别码不够,那么就使用回退方法。 如果不使用一个预留识别码进行预同步, 那么源eNodeB会通过目标eNodeB的NSRA[38] 时隙指示UE启动基于竞争接入方式的机制。竞争方法以及之后的RACH过程会完成初始化 接入[18]。为了完成目标eNodeB的RACH接入,UE不得不放弃源eNodeB的任何一个上行传 输,因为这些传输会占用目标eNodeB的上行的RACH接入信道。源eNodeB可以通过UE知 道RACH接入的次数,并且它会被要求不去调度那些频谱资源。在任何一种情况下,如果 一个冲突发生, 我们认为UE在已经完成了它在目标eNodeB的RACH过程, 因此优先进行目 标eNodeB和源eNodeB的通信传输[19]。 该文献说明了UE如何在源eNodeB没有任何下行空间 的情况,接收到系统信息以及目标eNodeB的RACH响应。上行传输丢失情况会导致一个错 误的CRC以及一个NACK。

4.3.2 本方案的上行分配策略
UE应该在源eNodeB的切换命令到来之后就开始和目标eNodeB的通信。 这需要UE完

全脱离源eNodeB, 这样才可以完全和目标eNodeB建立连接。 这就意味着启动和目标eNodeB 连接的上行分配应该在源 eNodeB 发送切换命令之后进行。在分配这个权限之前,目标
eNodeB应当等待文本的转换盒RACH消息1的传输的完成。通过目标eNodeB立即响应每个

步骤(文本传输要求以及RACH过程)可以减少时延。这会导致上行授权会在这两个步骤 之后响应。为了决定上行授权的时间分配,目标eNodeB需要评估UE接收到源eNodeB的切 换要求之后的剩余的时间,这样才能决定上行授权的时间分配。比如有这种情况,一般希
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望文本传输过程在大多数消息走完之后进行。那么发送给UE的切换命令的时间就会包括 “文本证实”消息到达骨干网以及从骨干网到源eNodeB以及源eNodeB开始发送该消息这 三部分时间的综合。我们应该提供给上行分配一个比该时间更后面的时间点。然而,因为 变动性,我们提出提供给UE两种分配方式:1、发送切换命令的估算时间。2、有99%9的 概率可能发送切换命令的时间。 对于保留识别码的情况,这种分配时对于消息6的分配。而对于基于竞争的机制,这 种分配时对于消息9的分配。因为消息6和7在基于竞争的方法中式在竞争解决过程中的, 而且我们需要竞争解决过程进行下去而不是等待切换命令。 (消息对应图中的数字) 虽然提前进入随机接入过程,将会使得切换的用户尽快恢复性能较好的通信。但是, 由于这种方案仍旧采用原本竞争式的随机接入的方式来发出索取时间预先值的请求,因 此,整体的数据中断时间并没有获得改善。一旦与其他的UE用户发生接入接入的碰撞,将 不可避免的导致严重的数据传输中断。

4.3.3 本方案的提前随机接入机制
这个方案的关键是如果一个UE会感知即将到来的切换, 然后决定是否启动提前随机机 制。那么有两种方式可以初始化这个机制:
1、通过基站指示消息:根据流程图,步骤4(同步过程)会在基站决定切换之后与步骤2

(切换指示)同时发生。在这种情况下,源基站通知UE已经决定切换到目标基站。根 据具体的目标基站,UE初始化提前RACH接入。同时源基站与目标基站建立切换。这 个同步的过程减少了切换延时。具体实现可以通过源基站的帮助,UE会把包含邻区
RACH的消息包含在测量报告内。这会帮助源基站了解UE什么时候会使用邻区的上行 RACH。 2、不通过基站指示消息:在这个方案中,步骤5(同步过程)以及这个消息的响应会在基

站指示切换决定之前就发生。当UE通过测量报告以及基站的决策预配置门限可以知道 即将发生一个切换。因此UE在发送测量报告给基站的同时会同时初始化提前RACH接 入。小区即为UE侦测到的最好候选小区。因为UE会测量邻区的无线链路因此会对邻区 的信道情况很了解,它不缺少作出切换决策的消息,除了负载信息。使用5.5的基于层 次分析法的权重判决算法后,这个因素也不存在了。

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第五章 基于层次分析法的权重切换判决算法

4.4 本章小结
本章介绍了LTE系统的切换机制,详细介绍了切换的流程及相关步骤,切换测量参数 以及切换测量的两个阶段。之后重点分析了现有的降低中断时间的常见设备商方案,并在 现有方案基础上提出了一种基于提前接入的切换方案,优化了相关切换流程。

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第五章 基于层次分析法的权重切换判决算法

第五章 基于层次分析法的权重切换判决算法 基于层次分析法的权重切换判决算法
5.1 LTE 系统的切换测量控制
UE最初从源eNodeB和接入网关与相应的网络节点进行通信。源eNodeB根据UE运行特性

和位置特征等执行测量控制程序, 以事件触发或者周期性报告的方式要求UE提供相应的测 量报告,以供源eNodeB作出触发切换的决策。

测量

处理

切换决策

处理

图5-1 切换步骤
L TE 切换过程一般可以分为四个部分(如图所示) :测量,处理,决策和执行。切换测量 (切换决策是基于信道测量) 由UE 在下行链路来进行处理。处理是为了过滤掉快衰落效应

和第1 层测量/ 估计的缺陷,这些处理测量要以周期性或事件触发的形式报告给eNodeB。 因 此切换的开始基于切换测量的处理,如果某些条件得到满足,目标小区在UE 的协助下成为 执行网络程序的服务小区。 切换过程从测量开始,然后UE 根据不同切换策略上报A3 或A5 事件,由源eNodeB下 发切换指令,开始切换。下面简单介绍3GPP协议中的触发事件:
1、事件A1(服务小区测量值比预定的测量门限大)

满足不等式A1-1(进入小区的条件)
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M s ? H ys > Thresh

满足不等式A1-2(离开小区的条件)
M s + H ys < Thresh

参数定义如下:
M s 是源基站的测量结果,没有考虑任何小区单独的补偿值。以 dB 为单位。具体的判

决参数是RSRP或者RSRQ,具体见第五章。
H ys 是这个事件的磁滞值。以 dB 为单位。
Thresh 是这个事件的初始参数。当 M s 是用 dBm 表达的时候, Thresh 对应单位为 dBm ,否则以 dB 为单位。

2、事件A2(服务小区测量值比预定的测量门限小)

满足不等式A2-1(进入小区的条件)
M s ? H ys < Thresh

满足不等式A2-2(离开小区的条件)
M s + H ys > Thresh

参数定义如下如A1事件所述。
3、事件A3(邻区小区测量值比源小区值与预定的偏移量的和高)

满足不等式A3-1(进入小区的条件)
Mn + Ofn + Ocn ? H ys > Ms + Ofs + Ocs + Off

满足不等式A3-2(离开小区的条件)
Mn + Ofn + Ocn ? H ys < Ms + Ofs + Ocs + Off

参数定义如下:
Mn 是邻区的测量结果。

Ofn 是邻区频率的具体的补偿值。
Ocn 是邻区的具体补偿值。如果没有配置就默认为0。

4、事件A4(邻小区测量值高于预定的测量门限)

满足不等式A4-1(进入小区的条件)
Mn + Ofn + Ocn ? H ys > Thresh
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满足不等式A4-2(离开小区的条件)
Mn + Ofn + Ocn ? H ys < Thresh 5、事件5(服务小区的测量值低于预先设定的测量门限并且相邻小区的测量值高于另

一预定的测量门限) 满足不等式A5-1(进入小区的条件1)
Ms + H ys > Thresh1

满足不等式A5-2(进入小区的条件2)
Mn + Ofn + Ocn ? H ys > Thresh 2

满足不等式A5-3(离开小区的条件1)
Ms ? H ys > Thresh1

满足不等式A5-4(离开小区的条件2)
Mn + Ofn + Ocn ? H ys < Thresh 2

5.2 基于 RSRP 的切换算法
5.2.1 测量
切换中的测量过程: 网络控制的切换是基于UE发起的测量,网络(服务小区所在的
eNodeB) 决定是否进行。下图显示了3GPP 用于L TE 中切换使用的工作假设模型,在点 A ,UE 通过在完全测量带宽的子帧连贯加入导频信号( 导频信号) 功率来测量RSRP。L1 (Layer1) 滤波对于A 点测量的采样进行不连贯的平均。 然后每个测量周期在B 点进行采样
[20]


事件触发报告

A L1滤波

B L3滤波 切换评估标准

滤波参数

切换参数

图5-1 切换中的测量和处理
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L3 (Layer3) 滤波作用可以写为[21] :
K /4 ? 1 K /4 ? 1 rn = ?1 ? × r + × qn ? n?1 2 ? 2 ?

(5.1)

rn 是更新的滤波器测量结果; m ? 1 是旧的滤波器测量结果; qn 是B 点收到的最新测量

结果; K 是网络提供的滤波器系数。

5.2.2 切换算法
UE 检测所有侦测小区的滤波后的RSRP[23]。当(2) 中条件满足给定的TTT(触发时间) ,UE

发送测量报告到eNodeB 的服务小区(如所示) 。

Rni ≥ Rns + h
其中: Rni 是除过服务小区的任何侦测到小区i 的第n 次RSRP 滤波采样值; Rns 是 服务小区的第n 次RSRP 滤波采样值; h 是给定的切换滞后容限。

服务扇区 滤波后 的RSRP [dB] 切换滞后容限

任意扇区 (将来目标) 触发时间 时间(ms)

触发时间开始

切换决策

切换命令

图5-2 基于RSRP测量的切换算法 图5-3为基于RSRP 带有时间触发( TTT) 窗的测量,引入TTT 窗是减少不必要切换次数的 一种途径[24]。这里不必要的切换主要是指乒乓效应。 当接收到测量报告,当前服务eNodeB 使用网络内部程序准备切换UE 到新的目标小 区。这时假定对于接入UE ,目标小区总是有可用的资源。图中P 是准备时间,这里作为一个 常数协议延迟模型。当准备过程完成后,服务小区在下行链路发送切换命令到UE。
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滤波参数 Tm 下行导频链 路RSRP L3滤波器

切换参数

切换评估标准

事件触发报告 Z -1

图5-3

基于RSRP 带有时间触发窗的测量

5.3 基于 RSRQ 的切换算法
由于RSRP 测量要确保使用最高的接收功率连接到小区。然而,在特定环境下,干扰导 致服务质量下降,使得UERSRP 测量不能检测。这样引入一个基于服务质量的测量可以获 得更好的系统性能。并且只进行RSRP 测量可能导致频繁的切换,因此为了解决这一问题, 这里引入RSRQ 的测量,

5.3.1 测量
1、RSRP:对于一个激活集的小区进行测量,RSRP作为一个资源要素中功率贡献的线性平

均的小区。具体导频信号可以用于RSRP的测量。36.211
2、RSSI:UE通过所有资源得到的所有接收带宽的功率,包括同信道的服务和非服务小区,

相邻信道干扰, 热噪声等等。 为了评价使用RSSI的负载状况, 使用两个RSSI模型来做仿真:
RSSI模式1:在某些符号包括服务小区的导频信号和控制信道的RSSI测量 RSSI模式2:只包含服务小区的数据的RSSI测量数据

测量模式应该包括测量时间如何以及怎样影响测量的性能。如果有区别,除非测量是很 具体的,否则我们很难去预测测量的行为。另一方面,我们可以更加自由的进行用户的测 量。
3、RSRQ:等于 N × RSRP / RSSI ,N是RB的数量。分子和分母的测量应该给予相通的资源

块集合。在这篇论文中,对应的RSRQ测量时基于已经提到的RSRQ测量模式。所以也有模 式1和模式2
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下面以反向RSSI为例解释: 为了获取反向信号的特征,在RSSI的具体实现中做了如下处理: 在104us 内进行基带IQ 功率积分得到 RSSI ' 的瞬时值,即
RSSI ' = sum( I 2 + Q 2 ) 5-2

然后在约1秒内对8192个RSSI的瞬时值进行平均得到RSSI的平均值,即
RSSI = sum( RSSI ' ) / 8192 5-3

同时给出1秒内RSSI瞬时值的最大值和RSSI瞬时值大于某一门限的比率(RSSI瞬时值 大于某一门限的个数/8192).由于RSSI是通过在数字域进行功率积分而后反推到天线口得到 的,反向通道信号传输特性的不一致会影响RSSI的精度。

5.3.2 RSRQ 的性能
RSRQ的初衷是优化接收信号的信号质量。应该避免过早切换,以避免不必要的切换。

基于观察到的用户吞吐量测量来评价RSRQ和RSRP。 不仅有所有UE搜集到的RSRQ和RSRP 测量结果,还有观察到的用户吞吐量的统计数据。用户吞吐量用一个滑动窗口进行平均。 低于阀值,触发切换的情况,根据最新的平均用户吞吐量,认为切换正确,如果不是吞吐 量低于阈值,则认为是不必要的。 对分别基于RSRQ触发和RSRP触发的两类情况进行了性能的仿真比较。重点研究的是随 着RF的自干扰情况的增加引起的后果。 我们基于RSRQ和RSRP的初始设置考虑了三类不同 的指标:总的切换数量,不必要切换的概率以及丢失切换的级别。从系统级别的角度,总 的切换数量是很重要的,因为需要避免不必要的切换。从用户和系统质量的角度来看,信 号质量不好的用户就应该进行切换。结果表明寻找一个很好的初始值在一个相对稳定的条 件下是非常困难的,当考虑了动态条件之后,就更加困难了。 基于这些关于RSRQ测量的结果,我们可以判断如果仅仅依靠RSRQ测量对于基于RSRP 触发的低信号质量的区域提供不了任何好处。同时也无法避免不必要的切换。另外,因为 很难提供RSRQ和下行质量的映射关系,很难把RSRQ作为两个频率层之间的一个相对指 标。用户的测量政策也会很大程度上影响比较。然而,未来的研究应该考虑是否RSRQ和
RSRP一起可以提供对于信号质量差的区域的更好的关于同频切换的出发点以及负载指示

的检测的更好的检测。 因此如果仅比较RSRQ 虽然能减少切换频率,但RSRQ 无法提供服务质量下降的鲁棒检 测,进一步,RSRQ 严重的依赖当前系统负载量和测量策略,因此可能导致掉话[25] 。
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5.4 RSRP 和 RSRQ 的综合算 的综合算法
到现在为止,没有文献给出如何综合运用RSRP和RSRQ进行切换判决。所有的文献都 是描述为:在切换时需要综合比较RSRP 和RSRQ ,当然在切换时具体如何使用这两个参数 是eNodeB的实现问题。 本节将对这种算法进行详尽的分析。如果仅比较RSRP可能导致频繁切换,如果仅比较
RSRQ虽然减少切换频率但可能导致掉话。RSRP和RSRQ测量其实分别相对应于WCDMA

网络的CPICH信道的

Ec

N0

,以及CPICH信道的RSCP。因此RSRP也就是信号强度测量值,

可以定义为资源块接收功率的线性平均,资源块承载小区具体频带内的导频信号。RSRQ 用来描述小区的信号质量并且定义为

RSRQ = N * RSRP

( E ? UTRAcarrierRSSI ) 。 载波的RSSI

是包含导频符号的OFDM符号的总接收功率的线性平均。因为除了子帧中的第一个OFDM 符号,剩余的符号都包含资源块[27]。这就意味着载波的RSSI同时也和带有用户数据的资源 块有关。LTE的RSSI模块的这个特性可以使得RSRQ很好的描述小区的信号质量。 一个运营商会在同一个地区配置不止一个LTE载波保证多载波频率的有效性,3GPP
E-UTRA对于切换提供了必要的步骤,机制以及无线资源管理要求。对于FDD和TDD来说, UE都需要同时为至少4个异频小区的每个载波进行RSRP和RSRQ的测量。对于UE来说,也

是需要监控至少3个LTE载波的要求[28]。这就意味着一个LTE的UE需要有能力监测至少12 个异频的小区。 一个异频切换需要运营商达到以下要求:保持服务质量,负载,保留小区的覆盖面积等 等。本方案的目标是评价第一个要求。也就是基于服务质量的异频切换。当UE因为邻小区 的同频干扰过大会导致这种切换。这种场景在高楼地区尤为严重,接收到的信号尽管信号 强度很大,信号质量仍会因为很强的同频干扰变的很差。这种场景下如果有多余两个的载 波可用,那么就会使用到切换。这时候如果使用RSRP和RSRQ进行综合判定的时候就会有 好处。因为保证了选定的目标小区有很好的覆盖范围以及很好的信号质量。

5.4.1 测量
这里切换还是分为4个步骤:
1)切换间隔触发:这里根据绝对门限进行判定。 2)切换报告及事件的评估:这里UE开始进行目标载频的测量。 3)测量事件报告:这个阶段UE会把测量报告发给源eNodeB。
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4)切换决策:通过切换命令是否发送,源eNodeB根据报告来决定是否进行切换。

5.4.2 切换标准
之前讨论过会综合使用RSRP和RSRQ进行判定。这里我们分析比较各种情况的组合,如下 表。符号 (γ ; ? ) 以及符号 (δ 1 ; δ 2 ) 分别表示绝对门限以及切换差值。
No

异频切换评估标准 绝对门限 切换差值

1 2 3 4 5

RSRP服务小区 < γ RSRP服务小区 < γ RSRQ服务小区 < ? RSRQ服务小区 < ? RSRP服务小区 < γ

(RSRP

目标小区

? RSRP服务小区 ) > δ 1 ? RSRQ服务小区 ) > δ 2 ? RSRQ服务小区 ) > δ 2 ? RSRP服务小区 ) > δ 1
目标小区

(RSRQ (RSRQ (RSRP

目标小区

目标小区

目标小区

(RSRP (RSRQ

? RSRP服务小区 ) > δ 1

OR
RSRQ服务小区 < ?
目标小区

AND
? RSRQ服务小区 ) > δ 2

表5-1 异频切换评估标准 服务小区和邻近小区的RSRP 测量的时间都是周期性的,以DRX 周期为单位[7],构造自 己的时间。它们的测量时间点有所不同。服务小区的测量时间点与UE 端接收寻呼的周期 相同。每当UE 端接收寻呼时,当前服务小区进行一次RSRP 测量。对邻近小区的小区质 量测量分3个时间段[2] : 探测时间段、 测量时间段和评估时间段。 每个阶段都由若干个DRX 周期组成。对于RSRP 的计算,3GPP 没有详细规定该如何进行计算。而且对于其他RAT (如TD-SCDMA等),也没有明确的规定。通过查阅36.141 协议知, 接收元素传输功率
RETP (Received Element Transport Power) 定义为:
RETP = Z ' (t , f ) 15KHZ
2

(5-3)

其中 Z ' (t , f ) 为接收端进行FFT后得到的结果。FFT是离散傅立叶变换的快速算法,可以 将一个信号变换到频域。有些信号在时域上是很难看出什么特征的,但是如果变换到频域 之后,就很容易看出特征了。这就是很多信号分析采用FFT变换的原因。另外,FFT可以将 一个信号的频谱提取出来,这在频谱分析方面也是经常用的。一个模拟信号,经过ADC采 样之后,就变成了数字信号,根据奈奎斯特采样定律,采样频率要大于信号频率的两倍。
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采样得到的数字信号,就可以做FFT变换了。 根据DSP的知识
X (k ) = ∑ x(n )W Nkn , k = 0,1,..., N ? 1
n =0 N ?1

(5-4)

根据欧拉定理:

W =e

m N

?j

2π m N

= cos(2πm / N ) ? j sin(2πm / N )

(5-5)

x(n ) 为复数序列的一般情况,代表离散消息的可能取值。从接收端的角度看,发送哪一
个可能值是不确定的, 因而只能用概率的概念来描述这种不确定性。 这个信号是数字信号, 经过数模转换变为模拟信号,即得到 Z ' (t , f ) 。 这样得到的导频信号发射功率(RSRP)为

RSRP =

1 ∑ RETP n

(5-6)

这是一个线性的平均功率。 根据以上的规定, RSRP也就是在一个子帧中的导频符号的功 率总和的平均,n是指在一个子帧中导频符号的数量。

5.4.3 仿真模型
算法的性能通过动态系统仿真来评估。该区域由7个六边形的小区组成。每个小区代表 一个LTE FDD载频。 小区的eNodeB之间距离为1.5千米。 在LTE的2.0GHZ范围内有两个LTE
FDD载频频段( f1 和 f 2 )。 A 业务模型

考虑了一个混合业务场景。由两类用户组成:上网业务和VOIP业务。载频的负载容量设 定为不同的值。通过加载更多的上网业务, f1 相比 f 2 有更多的负载。上网业务大约占 50% 的资源利用率。 在载波 f1 上配置更高的负载是为了激活辅助测量以及 f 2 根据标准进行的后 续的切换。 另外,在系统中有一个VOIP用户。VOIP数据包的大小是304BITS。包括实时传输协议 (RTP) , 用户数据协议 (UDP) , 以及英特网协议 (IP) 。 VOIP平均比特率大约是15.2kbps。 如果一个声音数据包在80ms内仍然无法成功传输就丢弃。
B 测量模型 RSRP和RSRQ的测量带宽由6个资源块组成 (1.4MHZ ) 。使用eNodeB的一个天线以及UE
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第五章 基于层次分析法的权重切换判决算法

的2个接收天线。所有的接收天线都假定为不关联的。同频和异频层1的测量周期都为
200ms。尽管在LTE规范中[29].规定层1的测量周期最小精确要求为480ms。但是这对于本篇

文章没有影响。对于每个小区,在时域,UE都会在每60ms内得到一个4-5ms的测量结果。 这就意味着每200ms内,会有3个测量结果来决定层1的滤波RSRP和RSRQ。RSRP和RSRQ 都是测量值的线性平均。 高层的时域滤波器,也就是层3滤波器使用dB为单位。系数k设定为4,对应时间常数大 约为664ms。切换差(对于RSRP和RSRQ都是)1 dB。这就意味着切换到目标小区的测量 值会比源小区大1 dB。
C 调度机制

在时域和频率eNodeB的调度机都会通过循环机制会分配资源块给用户。 这就意味着在频 率,资源块的分配从中心资源块开始。上网业务和VOIP使用相同的优先级。
D 无线环境

使用快速衰落模型以及信道模型组成3GPP-TU宏区[30]。用户的平均速度为 90km / h 。
eNodeB使用一个传输天线,UE使用两根接收天线。系统带宽为5MHZ。使用标准差为8dB

的对数衰落模型。阴影衰落的互相关系数为0.5。

5.4.4 仿真结果
仿真中语音用户不会因为很差的链路质量而掉话,相应的动作时在80ms内丢弃该语音 数据包。因此,如果没有正确执行切换,语音用户的性能会严重下降,评估性能的参数语 音数据包丢失率会上升。为了达到足够的语音通话质量,该参数应该不高于1%。 因此在评价5种不同的异频切换标准时,平均话音丢失率是一个评价标准。另外,还有 一个重要的参数是归一化的平均切换次数,导频案例是基于标准1执行的(标准1即只执行
RSRP算法)。

在所有的场景中,用户根据需要执行同频及异频切换。 仿真在同步和非同步系统中进行。在同步网络场景中,认为所有仿真小区的帧定时是对 齐的。在非同步网络中,每个小区的帧定时是独立设置的。根据RSRQ的定义,无论是在 同步还是非同步场景,LTE RSSI的部分都是通过包含导频信号的OFDM符号的资源单位进 行测量的。
1)RSRP和RSRQ的变化

下图显示了源eNodeB和目标eNodeB的RSRP和RSRQ随时间变化的情况。分别在系统高 负载和低负载两种情况下进行了测量。
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图1显示RSRP随系统负载变化明显。 这是可以预计的, 因为RSRP只是通过包含导频信号 的资源块进行测量的,这和系统负载及用户数据都没有关系。 另一方面,图2显示RSRQ受系统负载变化明显。这是因为RSRQ的分母(即RSSI)和包 含数据的资源块有关, 这可以反映UE所在的小区质量。 如果RSRQ变化很大或者变化很快, 都会有比较恶劣的影响。图2显示的变化不是很剧烈。一个原因是使用了高层的时域滤波 器,这会使得RSRQ的测量数据相对稳定。另外一个可能的因素是在仿真中使用的轮询调 度算法。

图5-4 RSRP的变化

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第五章 基于层次分析法的权重切换判决算法

图5-5 RSRQ的变化
2)平均数据丢失率

下图显示了对于五种切换标准在同步网络场景中的平均丢包率。

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图5-6 平均丢话率 结果表明, 以RSRP为判决条件甚至没有达到1%的语音数据丢包率。 类似的, 同样以RSRP 为判决条件的标准4也有很严重的语音数据丢包率。但是使用双重判决的标准5保证了语音 数据丢包率在1%以下。

3)平均切换次数

下图显示了5个标准在平均切换次数上的区别。这个参数已经用导频标准1做了归一化。 结果表明尽管标准4相比标准1可以保证最少的切换次数。但是同时也导致了最大的丢包 率。我们最希望看到的标准是既可以保证最少的切换次数也可以有最小的丢包率。因此, 从总的性能来看,标准5的性能是最好的。

图5-7 平均切换次数

5.5 基于层次分析法的权重判决算法
5.5.1 层次分析法简介
层次分析法是一种定性和定量相结合的、系统化、层次化的分析方法。运用层次分析法 有很多优点,其中最重要的一点就是简单明了。层次分析法不仅适用于存在不确定性和主
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观信息的情况,还允许以合乎逻辑的方式运用经验、洞察力和直觉。层次分析法最大的优 点是提出了层次本身,它使得用户能够认真地考虑和衡量指标的相对重要性。 层次分析法的基本步骤
1、建立层次结构模型。在深入分析实际问题的基础上,将有关的各个因素按照不同

属性自上而下地 分解成若干层次,同一层的诸因素从属于上一层的因素或对上层因素有 影响,同时又支配下一层的因素或受到下层因素的作用。最上层为目标层,通常只有1个 因素,最下层通常为方案或对象层,中间可以有一个或几个层次,通常为准则或指标层。 当准则过多时(譬如多于9个)应进一步分解出子准则层。
2、构造成对比较阵。从层次结构模型的第2层开始,对于从属于(或影响)上一层每个

因素的同一层诸因素,用成对比较法和1—9比较尺度构造成对比较阵,直到最下层。
3、计算权向量并做一致性检验。对于每一个成对比较阵计算最大特征根及对应特征

向量,利用一致性指标、随机一致性指标和一致性比率做一致性检验。若检验通过,特征 向量(归一化后)即为权向量:若不通过,需重新构造成对比较阵。
4、计算组合权向量并做组合一致性检验。计算最下层对目标的组合权向量,并根据

公式做组合一致性检验,若检验通过,则可按照组合权向量表示的结果进行决策,否则需 要重新考虑模型或重新构造那些一致性比率较大的成对比较阵。 构造成对比较矩阵 比较第 i 个元素与第 j 个元素相对上一层某个因素的重要性时,使用数量化的相对 权重 aij 来描述。设共有 n 个元素参与比较,则 A = (aij ) n*n 称为成对比较矩阵。 成对比较矩阵中aij的取值可根据 Satty 的提议, 按下述标度进行赋值。 aij在 1-9 及其 倒数中间取值。
? ? ? ? ? ? ?

aij = 1,元素 i 与元素 j 对上一层次因素的重要性相同; aij = 3,元素 i 比元素 j 略重要; aij = 5,元素 i 比元素 j 重要; aij = 7, 元素 i 比元素 j 重要得多; aij = 9,元素 i 比元素 j 的极其重要; aij = 2n, n=1,2,3,4, 元素 i 与 j 的重要性介于aij = 2n ? 1与aij = 2n + 1之间;

aij =

1 ,n=1,2,...,9, 当且仅当aji = n。 n

成对比较矩阵的特点: aij > 0, aij = 1, aij =

1 。(备注:当i=j时候,aij = 1) aij
57

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第五章 基于层次分析法的权重切换判决算法

作一致性检验 从理论上分析得到:如果A是完全一致的成对比较矩阵,应该有
aijajk = aik。

但实际上在构造成对比较矩阵时要求满足上述众多等式是不可能的。因此退而要求成对 比较矩阵有一定的一致性,即可以允许成对比较矩阵存在一定程度的不一致性。 由分析可知,对完全一致的成对比较矩阵,其绝对值最大的特征值等于该矩阵的维数。 对成对比较矩阵 的一致性要求,转化为要求: 的绝对值最大的特征值和该矩阵的维数相 差不大。 检验成对比较矩阵 A 一致性的步骤如下:
?

计算衡量一个成对比矩阵 A (n>1 阶方阵)不一致程度的指标CI:
n ?1

CI =

λmax ( A) ? n

(5-7)

其中λmax是矩阵 A 的最大特征值。 注解
?

从有关资料查出检验成对比较矩阵 A 一致性的标准RI:RI称为平均随机

一致性指标,它只与矩阵阶数有关。
?

按下面公式计算成对比较阵 A 的随机一致性比率 CR:
CI 。 RI

CR =
?

(5-8)

判断方法如下: 当CR<0.1时,判定成对比较阵 A 具有满意的一致性,或

其不一致程度是可以接受的;否则就调整成对比较矩阵 A,直到达到满意的一致性 为止。 求A的特征值的方法,可以用 MATLAB 语句求A的特征值:〔Y,D〕=eig(A),Y为 成对比较阵 的特征值,D 的列为相应特征向量。 在实践中, 可采用下述方法计算对成对比较阵A=(a_{ij})的最大特征值λmax(A)和相应特 征向量的近似值。 定义

UK

∑ a = ∑ ∑
n j =1 n n i =1

kj

a j =1 ij

, U = (u1 , u 2 ,..., u n ) Z

(5-9)

可以近似地看作A的对应于最大特征值的特征向量。 计算

58

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第五章 基于层次分析法的权重切换判决算法

1 n ( AU )i 1 n λ= ∑ = ∑ n i =1 u i n i =1

∑ u ∑a u
n i =1 n ij j =1

i

(5-10)
j

可以近似看作A的最大特征值。实践中可以由λ来判断矩阵A的一致性。 本文利用层次分析法中的特征根法来确定权重,它要求给出数据之间的比较,比较结 果用基本的1-9级层次分析法给出。

5.5.2 层次结构模型
在切换判决阶段,摒弃了单一参数作为切换判决依据的算法,引入了多参数的判决机 制。在考虑单一信号强度RSRP的同时,加入了RSRQ,eNodeB的负载水平这两个参数。 首先根据判决准则,备选网络,针对各业务的总目标构建层次结构模型。假定以顶层元 素 w0 为准则,所支配的下一层次(L1)的元素即为 w1 , w2 , w3 ... 。针对准则 w0 ,按照1~9 标度法[26]进行相对重要程度赋值(记为 qij ),这样,对于准则 w0 ,下层 l 个被比较元素 接着采用特征根法计算判决矩阵 Qc 的特征向量和最大 构成一个两两比较矩阵 Qc = (qij ) l×l 。 特征:

Qc w = λmax w
其中

(5-11)

λmax 为 Q 的最大特征根, w 是相应的特征向量, w 归一化后就可以作为权重向量。 c

由3GPP定义的4类业务分别是会话类(语音),流媒体类(视频),交互类和后台业务 类。根据业务要求,按照层次分析法中的1~9标度法,分别构造4个判决比较矩阵 Qc 。 业务类别 会话类 流媒体类 交互类 后台业务类

主要特征

对时延和抖 动要求较高

单向数据流,

双向数据流,

对误码率要求

对时延抖动要求 对数据的误码率 较高,对时延要 较高 要求较高,对时 求不高 延要求不高

QoS

时延

150ms

400ms

1s

无要求

要求

抖动

10~50ms
1 × 10 ?3

50ms
1 × 10 ?3

1s
1 × 10 ?3

无要求

丢包率

无要求
1 × 10 ?1

误码率

1 × 10 ?1

1 × 10 ?1

1 × 10 ?1

表 52 业务类别及性能比较 59

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第五章 基于层次分析法的权重切换判决算法

可见对延迟的敏感性是3GPP区分以上四类业务类型QoS级别的主要标准,会话类的承载
VOIP, 对于时延最为敏感, 而后台业务类的承载对于时延要求最低。 对应的典型业务分别为:

视频,WWW,E-mail。后两者对于时延的要求较为宽松,但对数据的可靠性要求较之前 者高。 对于本算法设定的三个导频因子,RSRP,RSRQ以及eNodeB负载(L),RSRP考察的 是信号的强度,RSRQ主要考察信号质量,而eNodeB的负载主要考察网络的掉话概率以及 切换概率。因此,对于会话类业务,RSRQ是最重要的,而对于后台业务来说,RSRP是最 重要的。被选网络的总分由其所有属性值的权重和决定,如下式:
C = arg max ∑ w j rij
j =1 N

(5-12)
wj

其中 rij 表示属性j的属性值,为属性矩阵中 Qij 的元素;

表示分配赋予属性的重要性权

重; N 表示属性参数的集合, i ∈ M , M ( M ≤ m + n )表示被选网络的集合。每个被选网 络的各属性及其权重的乘积叠加得到该网络的得分 C 。具有最高分值的备选网路为切换的 目标网络。RSRP的属性值 rij 为 ? 90dB , RSRQ的属性值 rij 设定为 ? 6dB ,系统负载L的属性 值 rij 设定为30Mdps。 根据层次分析法的定义以及业务要求,构造的判决矩阵如下:

?1 ? Qc1 = ? 9 ? ?1 ?

?1 1? ? ? 9 1 9 ? , Qc 2 = ? 3 ? 1 1? ? ?9 9 ? ?

1

1

3 1 5

1 ? ? 1 9 ? 1 5 5? ? ? ? 9? 1 ? , Q = ? 1 1 1 ? , Qc 4 = ? 1 1 c3 5? ? 9 ? 5 ? 1 ? ?1 ? 1 1 1? 5 ? ? 5 ? 5 ?

5 ? ? 1 ? 5? 1 ? ?

Qc1 对应的最大特征根为3,归一化后的权重向量为[0.0909,0.8182,0.0909] Qc 2 对应的最大特征根为3.0291,归一化后的权重向量为[0.0704,0.1782,0.7514] Qc 3 对应的最大特征根为2.7042,归一化后的权重向量为[0.7143,0.1429,0.1492] Qc 4 对应的最大特征根为3.1171,归一化后的权重向量为[0.7085,0.0603,0.2311]

本算法矩阵阶数为3,查表得平均随机一致性指标RI为0.52,根据5-7式,由上述求得的最 大特征根可以进行一致性检验。 由特征向量法确定的权重值及计算的一致性比如下表所示。
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第五章 基于层次分析法的权重切换判决算法

业务 会话类 流媒体 交互式 后台类

RSRP 0.0909 0.0704 0.7143 0.7085

RSRQ 0.8182 0.1782 0.1429 0.0603

L 0.0909 0.7514 0.1429 0.2311

一致性比
0 0.0158 0 0.0614

表5-3 权重大小及一致性比较 一致性比都<0.1,表明各判决矩阵具有满意的一致性。

5.5.3 仿真模型及结果
仿真场景中同5.4节中类似,由7个小区组成,小区的eNodeB之间距离为1.5千米。不同的是 这里不需要模拟出高负载和低负载的情况,因为本算法已经把负载因素考虑在切换判决 中。在仿真区域,随机产生400个UE,每过一段时间它们的位置会改变,这取决于它们的 用户最大移动速度为90km/h。 移动速度和方向, 方向 (即运行的角度) 在[0, 2π ]内均匀分布。 用户业务以泊松到达分布随机产生。
5.4以时间为衡量标准不同。这里的仿真运用不同的对话到达速率下比较本算法的性能,

与本算法相比较的是基于RSRP的普遍算法。

图5-8 系统丢话率
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第五章 基于层次分析法的权重切换判决算法

图5-9 切换次数 图5-11为系统丢话率性能比较图,由图可以看出,流媒体业务类的权重判决算法取得最 小的系统丢话率,这是因为在切换判决的条件中中系统负载这一属性占了绝大的权重,它 在选择网络时总是从负荷平衡角度倾向于选择可用带宽多的网络,所以它的丢话率也是最 低的。图5-12是切换次数比较图,即统计从一个小区到另外一个小区的次数,由图可以看 出,流媒体业务类的权重判决算法其垂直切换次数最高。 仿真结果表明,采用基于层次分析法的权重判决算法的性能优于基于RSRP算法的性 能,本算法具有较低的切换次数以及较低的系统掉话率。特别是在对于流媒体业务,也就 是未来通信系统会广泛使用的业务,本算法的性能有明显的改善。

5.6 本章小结
本章重点研究了切换判决算法,通过对RSRP和RSRQ切换算法的分析,提出了一种基 于层次分析法的权重判决算法,综合RSRP, RSRQ,以及负载三个因素进行联合切换判决, 对权值进行一致性检验,尽可能的降低了整网的丢话率并且减少了切换次数。

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第六章 结束语

第六章 总结与展望
6.1 总结
宽带无线接入技术作为有线接入的补充,具有覆盖范围广、系统成本低廉、扩容方便 迅速, 可以有效地缓解接入网瓶颈等问题。 IEEE工作组为实现这一应用而特别定制了3GPP 协议,该协议为LTE提供了统一的空中接口标准。作为无线接入技术相对于有线接入技术 普遍性的弱点,其有限的带宽资源将会严重地阻碍传输业务的大小和速率,也会阻碍用户 切换时的通话性能以及通话质量。虽然3GPP为LTE切换提供了各种方案,但对如何具体实 现并没有做出硬性的规定, 也没有提出建议性意见, 鉴于此, 我们就要寻求一种有效的LTE 切换机制,在考虑到信号的强度,信号的质量,以及基站负载的前提下,设计出一种优化 的LTE切换机制。 本文通过对3GPP协议的全面分析和研究, 对常用切换判决算法以及降低中断时间的方 案进行了深入分析和比较,提出了一种适合于LTE的切换流程和判决算法。仿真结果表明 设计的该算法相比现有的RSRP算法在性能上有所改善。

6.2 展望
作为下一代通信技术,LTE无疑具有很大的发展前景,特别随着支持移动性的3GPP各 个版本的制定和发布,LTE将具有更加广阔的应用前景。因此,对该技术进行深入的研究 无疑是具有较大的意义的。 在本文研究工作的基础上,我们可以在以下几个方面展开后续的研究工作:
1. 研究算法的复杂度问题,降低算法的时间与空间复杂度,提高算法的可实现性,改

进或提出更高效的适用于LTE切换的判决,以满足QoS需求。
2. 优化和改进本文提出的降低提前接入时间的切换流程,使其更实用。 3. 可以考虑将网络层、MAC层、物理层甚至应用层综合起来一起考虑,使用跨层调

度来实现LTE系统的切换。

由于时间和作者水平有限,文中存在一些不足之处,敬请各位专家、读者批评指正。

63

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导频文献

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QOS支持的多业务异构网络中的无线资源管理方案及相关分析 第一作者 2010年计

算机与通信学术年会全国计算机新科技与计算机教育论文集

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致 谢
在本论文完成之际,首先我要衷心地感谢我的指导老师潘甦教授,感谢潘老师在工作 和学习方面的关心和帮助。在我的研究生阶段,潘老师不仅教给我理论知识,还提供了良 好的实践机会,在工作实践中使我加深了对理论知识的理解。潘老师深厚的学术功底和丰 富的实践经验给我的学习和工作莫大的启发,同时他严谨的治学态度和忘我的工作作风也 使我受益终身。在此,我谨向敬爱的导师表示最衷心的感谢和敬意。 感谢我研究生阶段的朋友们,相信我、鼓励我,分享我的快乐与伤悲,有你们的关怀 和陪伴,使得我能一次次的渡过难关,与你们在一起共同学习、生活,共同奋斗、成长的 时光我永生难忘! 感谢我的家人这给予我无私的爱,让我无时无刻不心存感激和感动,你们是我在困难 和迷茫时继续前进下去的动力和源泉! 最后,感谢所有在百忙之中抽出宝贵时间对本文进行评审及提出意见的专家、教授和 老师们,辛苦了!

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LTE系统的切换机制优化
作者: 学位授予单位: 洪亮 南京邮电大学

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_D177428.aspx


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