LTE系統(tǒng)切換過(guò)程中RRC信令可靠性的研究與改進(jìn)*

劉麗敏，董宏成，李小文

（重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院 重慶400065）

1 引言

現(xiàn)有的蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)(如3G系統(tǒng))提供的數(shù)據(jù)速率在小區(qū)中心和小區(qū)邊緣有很大的差異，不僅影響整個(gè)系統(tǒng)的容量，還使不同位置上的服務(wù)質(zhì)量(quality of service)有很大的波動(dòng)。因此，目前正在研發(fā)的LTE(long term evolution)系統(tǒng)，將提高小區(qū)邊緣性能作為主要的需求指標(biāo)之一[1]。而小區(qū)邊緣地帶由于低SINR、高路徑損耗的特點(diǎn)，經(jīng)常造成切換。與切換相關(guān)信令的可靠性傳輸對(duì)提高小區(qū)邊緣性能非常重要。本文將從上行功率控制（以下簡(jiǎn)稱功控）造成的功率受限(power limitation)入手，提高與切換相關(guān)的RRC信令傳輸?shù)目煽啃裕瑥亩岣咝^(qū)邊緣性能。

2 相關(guān)過(guò)程

無(wú)線資源管理(RRM)功能涉及分配和維護(hù)無(wú)線鏈路通信，由無(wú)線接入網(wǎng)完成。在LTE的E-UTRAN系統(tǒng)中，RRM功能的定義參考了3G系統(tǒng)RRM的基本功能，并基于LTE的E-UTRAN架構(gòu)和需求對(duì)其功能進(jìn)行了擴(kuò)展,包括無(wú)線承載控制(RBC)、無(wú)限接納控制(RAC)、連接移動(dòng)性控制(CMC)、動(dòng)態(tài)資源分配(DRA)、小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)(ICIC)和負(fù)載均衡(LB)。LTE系統(tǒng)中所進(jìn)行的無(wú)線資源管理既包括對(duì)單小區(qū)無(wú)線資源的管理，還包括對(duì)多小區(qū)無(wú)線資源的管理。本文重點(diǎn)介紹連接移動(dòng)性控制中在連接模式下的切換決策和小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)的功控機(jī)制[2,3]。

2.1 切換流程

RRM功能中的連接移動(dòng)性控制(CMC)在連接模式下，支持無(wú)線連接移動(dòng)性，基于UE與eNode B的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行切換決策。切換的相關(guān)流程如圖1所示。TD-LTE系統(tǒng)中采用硬切換，首先，根據(jù)系統(tǒng)消息所規(guī)定的測(cè)量上報(bào)準(zhǔn)則，UE發(fā)送“measurement report”信息給源eNode B。例如：當(dāng)鄰小區(qū)比服務(wù)小區(qū)好時(shí)，就會(huì)觸發(fā)事件A3[4],當(dāng)事件A3的條件得到滿足時(shí)，就會(huì)發(fā)送測(cè)量報(bào)告到源eNode B。源eNode B判斷是否需要進(jìn)行切換。若進(jìn)行切換，則源eNode B基 于“measurement report”和RRM算 法 為UE確定目標(biāo)基站，并將UE的上下文（UE context）信息隨切換請(qǐng)求一起發(fā)送到目標(biāo)基站。UE收到源基站“HO command”命令（即“RRC connection reconfiguration”命令）后開(kāi)始準(zhǔn)備切換，當(dāng)UE向目標(biāo)基站返回“HO confirm”命令（即“RRC connection reconfiguration complete”命令），表明切換過(guò)程完成。

2.2 上行功率控制

小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)的功控機(jī)制與單純的小區(qū)功控是不同的。單純的小區(qū)功控只用于路損補(bǔ)償，當(dāng)一個(gè)UE的上行信道質(zhì)量下降（如處于小區(qū)邊緣）時(shí)，eNode B可以根據(jù)該UE的需要，加大其發(fā)射功率。但每個(gè)小區(qū)都一味地提高小區(qū)邊緣UE的發(fā)射功率，反而會(huì)由于小區(qū)間干擾的增加造成系統(tǒng)總?cè)萘康南陆?。因?從整個(gè)系統(tǒng)總?cè)萘孔畲蠡慕嵌瓤紤]，相鄰eNode B之間通過(guò)X2接口傳送高干擾指示（HII）和過(guò)載指示（OI）來(lái)調(diào)度PRB[5]。

LTE系統(tǒng)采用慢功控的方式，UE的發(fā)射功率通過(guò)eNode B發(fā)送慢功控指令（如PSD）和通過(guò)下行RS測(cè)量路損值等計(jì)算。上行功控計(jì)算式為[6]：

其中，P為UE的發(fā)射功率；Pmax為UE的最大發(fā)射功率，為固定值，取決于UE的等級(jí)；P0為小區(qū)特定或UE特定的參數(shù)；M為分配給UE上行RB的數(shù)量；α是小區(qū)特定的路損補(bǔ)償系數(shù)；PL是UE測(cè)量下行路損值；Δmcs是由RRC層指定的針對(duì)某個(gè)特定的MCS的參數(shù)；Δi是小區(qū)特定的發(fā)射功率控制（transmit power control，TPC）閉環(huán)修正系數(shù)，其中i表示子幀序號(hào)；函數(shù)f(x)由高層給出。

基站可以通過(guò)信令控制UE是否根據(jù)所選的MCS計(jì)算Δmcs的值，如果不計(jì)算則其值為0。這里采用開(kāi)環(huán)功率控制，將MSC（modeulation and coding scheme）的參數(shù)Δmcs與閉環(huán)功控相關(guān)的參數(shù)f(Δi)都設(shè)為0，則式（1）變?yōu)椋?/p>

第i幀的PUSCH中的每個(gè)RB（M=1）上的發(fā)射功率為：

由式（3），可以得到能夠分配給用戶的最大PRB的數(shù)量為：

則基站分配給UE的上行PRB一定不能超過(guò)Mmax。

2.3 功率受限

LTE系統(tǒng)應(yīng)提供快速且可靠的切換過(guò)程。切換的可靠性與切換相關(guān)的參數(shù)直接相關(guān)，但與切換相關(guān)信令的可靠性傳輸也同樣非常重要。比如，若相關(guān)消息沒(méi)有快速且可靠地傳輸，切換有了時(shí)延，那么切換失敗及無(wú)線鏈路失敗的可能性就會(huì)提高。

當(dāng)式（4）中的Mmax<1時(shí)，終端就會(huì)被認(rèn)為是功率受限。這里把功率受限的定義擴(kuò)展一下，當(dāng)Mmax比當(dāng)前要分配的PRB小時(shí)，UE就會(huì)被認(rèn)為是功率受限。各個(gè)PRB的低功率傳輸會(huì)造成接收方的低SINR、高BLER、重傳次數(shù)的提高。

小區(qū)邊緣地帶由于低SINR、高路徑損耗的特點(diǎn)，經(jīng)常造成切換。而高的路徑損耗使UE處于功率受限狀態(tài)，給上行功控造成一定的挑戰(zhàn)。為了減少時(shí)延，不對(duì)RRC信令進(jìn)行分割，即RRC信令被分配在一個(gè)TTI（transmission time interval）中傳輸。而RRC信令所分配的長(zhǎng)度則由消息的長(zhǎng)度和采用的MCS所決定。A3消息所分配的資源見(jiàn)表1?？梢园l(fā)現(xiàn)PRB的分配在消息的可靠性及功率受限的概率之間尋求平衡?？刂葡⒉捎玫恼{(diào)制編碼方式越可靠，就越容易造成功率受限。

表1 控制信息分配大小

3 切換過(guò)程中功率受限的分析

切換過(guò)程中，功率受限是造成上行控制信息遇到問(wèn)題的主要原因。

power）分布曲線。其中一條是周期性上報(bào)A3事件情況下UE的RSRP的累積分布函數(shù)，另一條是在切換的情況下UE的RSRP的累積分?jǐn)?shù)函數(shù)。由圖2可以看出，在切換條件下，RSRP分布情況比周期性上報(bào)條件下差，也就是說(shuō)在切換的條件下可能存在功率受限的情況，對(duì)消息的可靠性傳輸造成影響。

下面分析可能造成功率受限的2個(gè)相關(guān)參數(shù)。

·P0，由式（3）可以得到P0對(duì)上行傳輸功率有著直接的影響。

·控制信息的長(zhǎng)度及采用的調(diào)制編碼方式。由前面功率受限的分析可以得到，采用越高階的MCS，功率越容易受限。

下面將改變這兩個(gè)相關(guān)參數(shù)以減小功率受限的概率并得到仿真結(jié)果。

4 仿真與結(jié)果分析

在切換過(guò)程中，RRC信令非常重要，而其功率的提高也有助于處于小區(qū)邊緣的用戶更好地完成切換過(guò)程。另一方面，由事件而觸發(fā)切換報(bào)告的用戶一般很少，而由此提升的上行干擾不會(huì)對(duì)其他用戶造成嚴(yán)重的干擾問(wèn)題。相鄰小區(qū)根據(jù)X2接口收到的HII和OI，避開(kāi)自己小區(qū)邊緣UE也調(diào)度到這個(gè)PRB上，或盡量減小對(duì)這個(gè)PRB的干擾。因此由上文中造成功率受限的原因入手，結(jié)合小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)機(jī)制，可以提出一種簡(jiǎn)單的功率提升（power boosting）機(jī)制，即增大與切換相關(guān)的上行信令的發(fā)射功率。本文中，與默認(rèn)的發(fā)射功率相比增加3 dB。由式（3）可得，這相當(dāng)于增大UE的最大傳輸功率，即UE的最大傳輸功率提升為26 dBm，或者P0與默認(rèn)的P0相比，減小3 dB。

本文的系統(tǒng)仿真主要從造成功率受限的兩個(gè)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真結(jié)果及分析如圖3所示。

圖3顯示了針對(duì)不同大小的A3事件及不同的調(diào)制編碼方式，隨著P0值的增大，功率受限概率的變化。由圖3可見(jiàn)，隨著P0的增大，功率受限的概率也增大。這是由于P0直接影響每個(gè)PRB的發(fā)射功率，當(dāng)最大發(fā)射功率及分配的資源大小不變時(shí)，P0越大，功率受限的概率也越大。同時(shí)從圖中可以看出，控制信道采用的MCS方式越可靠，A3消息越大，功率受限的可能性越大。因?yàn)檫@些參數(shù)會(huì)造成為A3測(cè)量報(bào)告分配的資源增大，在傳輸功率不變的情況下，功率受限的可能性會(huì)增大。從圖中可以看出，采用功率提升機(jī)制的boost曲線與提升前的機(jī)制比較，可以得出功率受限的概率相對(duì)降低了20%～30%。

圖4顯示了A3測(cè)量報(bào)告成功接收的概率。結(jié)合圖3可以看出，功率受限的概率越低，A3測(cè)量報(bào)告成功的概率越高。同時(shí)，采用了功率提升機(jī)制的boost曲線與提升前的曲線相比，A3報(bào)告成功的概率得到了提高。這說(shuō)明，采用功率提升機(jī)制，結(jié)合最優(yōu)的MCS方式及資源大小可以提高服務(wù)質(zhì)量，改善用戶的體驗(yàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了在LTE系統(tǒng)中，功率受限降低了切換過(guò)程中信令傳輸?shù)目煽啃?。接著從造成功率受限的原因入手，結(jié)合小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)機(jī)制提出了一種簡(jiǎn)單的功率提升機(jī)制，降低了功率受限的概率，提高了RRC信令傳輸?shù)目煽啃?。?dāng)然，要在LTE系統(tǒng)中實(shí)施，還存在要繼續(xù)研究及完善的部分，如TTI綁定以及對(duì)控制信息的分割等。

1 3GPP TS 36.300.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)and Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network(E-UTRAN).Overall Description(Release 9),2009

2 3GPP TS 36.133.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA).Requirements for Support of Radio Resource Management(Release 10),2011

3 Peng Mugen,Wang Wenbo.A framework for investigating radio resource management algorithms in TD-SCDMA systems.IEEE Radio Communication Magazine,2005（6）

4 3GPP TS 36.331.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA).Radio Resource Control(RRC)Protocol Specification(Release 10),2010

5 沈嘉，索士強(qiáng).3GPP長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京：人民郵電出版社，2009

6 3GPP TS 36.213 V10.1.0.Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)Physical Layer Procedures(Release 10),2011