LTE―A异构蜂窝网络切换性能理论分析_免费论文全文下载

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摘要：近几年来，传统网络数据流量呈爆发性增长，频谱效率已接近极限值。在这种情况下，异构组网是增加网络容量、提高数据速率的有效方式。为了更全面分析LTE-A异构网络切换性能，使用几何学的方法，得到各切换参数与切换性能之间的函数关系式，从而可以选择更为合适的切换参数，使切换性能达到最佳。仿真结果表明，理论分析结果与实际仿真结果吻合，证明了该分析方法的准确性。

关键词：LTE-A；异构网络；切换参数；切换性能
DOIDOI：10.11907/rjdk.162746
中图分类号：TP393
文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2017）006-0168-03
0 引言
LTE-A中的异构网络在由宏小区组成的同构网络中增加低功率节点，消除了小区覆盖盲点，扩大了网络覆盖范围，从而增加了网络容量和用户吞吐量。但这种高密度的组网方式在解决大量用户需求的同时也带来了复杂的移动性管理问题。在同构网络中，移动用户使用相同设置的切换参数切换到目标小区，但在异构网络中，如果用户也使用相同的切换参数设置，将有可能增加切换失败或“乒乓效应”发生的概率，从而影响切换性能[1]。因此，分析切换参数与各种切换性能之间的关系显得尤为重要。文献[2]提出了合适阈值的选择对降低一个两层网络的切换失败率至关重要；文献[3]首先提出了合适的触发时间的选择与切换成功率之间的密切关系；文献[4]进一步研究了触发时间是怎样影响移动性能的。目前，已有不少文献对切换性能进行了理论分析。文献[5]用几何学的方法分析了切换参数TTT和用户移动速度与切换失败率和“乒乓效应”发生概率之间的函数关系，得出的结论是对于一个给定的用户和基站，一定有一个最优的触发时间（TTT），但对切换性能的分析不太全面且方法较为复杂。文献[6]分析了层3滤波时刻长短与切换失败概率之间的函数关系式，可以根据用户速度的大小来选择层3滤波的长短。文献[7]用统计几何学的方法得出了用户速度、触发时间和阴影信道衰落与切换失败概率之间的函数表达式。文献[8]分析了基站之间的距离和触发时间与切换性能之间的关系，得出了基站间的距离和触发时间与切换性能之间闭合的函数表达式。为了更简单全面地分析切换性能和切换参数之间的关系，用几何学的方法得出了切换性能与切换参数之间闭合的函数表达式，从而可以选择最优的切换参数，使切换性能达到最佳。
1 LTE-A异构网络切换
1.1 切换过程
LTE-A异构网络的切换过程大致可以分为4个阶段[9]：切换测量阶段、切换处理阶段、切换准备阶段和切换执行阶段。前两个阶段是在用户端执行。在用户不断移动的过程中，用户端测量出经过层1滤波和层3滤波之后的下行参考信号接收功率，如果目标小区的下行参考信号接收功率比源小区的下行信号接收功率大一定的阈值，3GPP中一般定义为3分贝[10]，并且能够保持一定的时间（即触发时间，记为TTT），则满足切换条件，之后进入切换准备阶段，直到一切准备就绪，进入切换执行阶段，源基站向用户端发送切换命令，用户端从源基站断开，连接到目标基站，切换过程完成。
1.2 切换性能
（1）不发生切换。不发生切换是指用户在移动过程中，源基站的下行参考信号接收功率一直强于目标基站的下行参考信号接收功率，则不发生切换。或者是目标基站的下行参考信号接收功率高于源基站下行参考信号接收功率一定的阈值，但是没有保持一定的时间（即TTT），这种情况也不发生切换。
（2）切换成功。切换成功是指用户在移动过程中，目标基站的下行参考信号接收功率高于源基站下行参考信号接收功率一定的阈值，并且保持了一定的时间（即TTT），则满足发生切换的条件，在经过切换准备和切换执行阶段后，用户从源基站断开，连接到目标基站，则切换成功。
（3）切换失败。切换失败[8]是指在切换过程中由于用户从源基站接收到的信号质量恶化从而导致切换中断。发生无线链路失败是发生切换失败的一种情况。无�链路失败是指服务基站的信干噪比恶化使信道无法通信从而使用户失去与服务基站的联系。因此，发生切换失败主要有以下3种情况：①在切换准备阶段已经完成，而无线链路失败定时器（T310）还在运行，则发生切换失败；②在无线链路失败定时器（T310）计时结束，而触发时间（TTT）还没结束，则切换失败，即发生无线链路失败；③在切换完成以后，目标基站的信干噪比低于Qout（-8dB）[10]，则发生切换失败。
（4）发生“乒乓效应”。发生“乒乓效应”是指用户在移动过程中成功地切换到目标小区，之后继续移动回原小区，再次发生切换，如果两次切换成功之间的时间差小于1s[10]，则发生“乒乓效应”。
1.3 切换模型
由文献[5]可知，使用3GPP仿真假定条件[10]仿真产生的切换触发位置和切换失败位置[5]是两个同心圆。为了方便分析，将此仿真模型简化为图1所示的同心圆模型。其中，半径为r的圆周表示切换失败的位置。半径为R的圆周表示切换触发的位置，也即微微基站的覆盖范围，在此区域内切换成功，表示用户切换到微微基站。若用户切换到微微基站成功后继续前行，再次经过半径为R的圆周，则再次触发切换，若再次切换成功，则表示用户又切换回原来的宏基站了。当第一次切换成功完成到第二次切换成功完成之间的时间小于1s，则发生“乒乓效应”。根据3GPP仿真假定条件[10]，当宏基站和微微基站之间的距离是250m时，可以通过仿真器仿真出此时的R是21.76m[5]。
1.4 切换理论
假设用户从A点出发，如图1所示，则触发切换，为了方便分析，本文假设在触发时间（TTT）结束时依然满足切换条件，则切换成功。在TTT结束时，用户已经到达了半径为r的小圆周覆盖区域，则切换失败。如果触发时间TTT结束时用户已经离开了pico基站（微微基站）的覆盖范围，则不发生切换。若用户在pico基站（微微基站）内切换成功后继续前行，再次到达半径为R的圆周处将会触发第二次切换，若两次切换成功完成间隔的时间小于Tmin，3GPP中一般定义为1s，则称用户发生了“乒乓效应”。 因为图2模型上下对称，所以只分析上半圆即可，假设用户从距离圆心（即O处）为R的位置出发，即从A点出发，以速度v（取0到120km/h）沿直线向前行进，以进入角度θ穿过小基站的覆盖范围，则θ的范围为0～pi/2。
2 实验结果与分析
2.1 实验结果
在MATLAB平台上仿真出的切换性能曲线如图2所示，包括实际仿真的性能曲线和理论仿真的性能曲线，分别显示了不发生切换的概率、切换成功的概率、切换失败的概率以及发生“乒乓效应”的概率。其中，用户速度从0取到120km/h，触发时间分别取480ms、160ms、80ms、40ms等4种情况。通过图像可以看出，通过分析得出的理论值与实际仿真值基本重合，说明了本文所用分析方法的准确性。
2.2 结果分析
从图2可以看出，随着速度的增加，不发生切换的概率增加，速度一定时，随着TTT的增加，不发生切换的概率也增加。这是因为速度越高，进入小基站后就会越快离开小基站的覆盖范围，以致于来不及发生切换。同理，TTT越大，在TTT结束时，用户离开小基站覆盖范围的概率就越大，因此不发生切换的概率就越大。还可以看到，在TTT取480ms时，随着速度的加快，切换失败的概率越来越高，而TTT取其它值时，发生切换失败的概率均为0，也即随着TTT的增加，发生切换失败的概率越来越高。这是因为速度越大，在给定的TTT时间内，用户就在小基站的覆盖范围内移动得越远，从宏基站接收到的下行信号信噪比就越小，发生无线链路失败的可能性就越大，即发生切换失败的概率就越大，同理可得速度一定时，随着TTT的增加，发生切换失败的概率也增加。从图2（b）中可以看到，随着速度的加快，切换成功的概率越来越小，速度一定时，随着TTT的增加，切换成功的概率也越来越小。这是因为随着速度的增加，不发生切换的概率和切换失败的概率越来越大，所以切换成功的概率就越来越小。同理可得，速度一定时，随着TTT的增加，切换成功的概率也越来越小。从图2（d）可以看出，随着速度的增加，发生“乒乓效应”的概率越来越大，速度一定时，随着TTT的增加，发生“乒乓效��”的概率越来越小。这是因为速度越大，第一次切换成功与第二次切换成功之间的时间就越短，就越容易发生“乒乓效应”，而速度一定时，TTT越大，完成两次切换之间所需的时间就越长，发生“乒乓效应”的概率就越小。因此，根据以上切换性能分析，对于一个给定的用户（速度已知），在某一个小区内运动，一定有一个最佳的TTT取值，使得各切换性能之间得到折衷，从而使整个网络的切换性能达到最佳。
3 结语
本文主要分析了切换参数与各切换性能之间的函数关系，对切换性能进行了较为全面的分析，并通过仿真可知，理论值与实际仿真有较高的吻合度，证明了此方法的准确性，进而可以选取最为合适的切换参数，使切换性能达到最佳。为了方便分析，本文忽略了阴影衰落和快衰落对信道的影响。后续工作可以考虑阴影衰落和快衰落，并建立更复杂的网络拓扑模型，分析切换参数与切换性能之间的关系，进而得到预期的切换性能和网络性能。
参考文献：
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[9]LOPEZ-PEREZ D，GUVENC I，CHU X.Mobility management challenges in 3GPP heterogeneous networks[J].IEEE Communications Magazine，2012，50（12）：70-78.
[10]3GPP TR 36.839 V11.1.0.Evolved universal terrestrial radio access（E-UTRA），mobility enhancements in heterogeneous networks[R].2012.
（责任编辑：孙 娟）

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