LTE系統(tǒng)中切換優(yōu)化算法的研究

李 斌，朱宇霞

（1.北京北方烽火科技有限公司，北京 100085;2.光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430074）

LTE系統(tǒng)中切換優(yōu)化算法的研究

李 斌1，2，朱宇霞1，2

（1.北京北方烽火科技有限公司，北京 100085;2.光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430074）

提出了一種基于SON的切換參數(shù)優(yōu)化（Handover Parameter Optimization，HPO）算法，并且考慮了不同移動(dòng)速度的UE

對(duì)切換性能的影響，設(shè)置不同的遲滯參數(shù)，通過檢測不同的場景動(dòng)態(tài)調(diào)整切換參數(shù)。最后搭建了仿真平臺(tái)。仿真結(jié)果表明，經(jīng)過該算法優(yōu)化后，切換性能大幅提高。

LTE;SON;切換優(yōu)化算法

隨著移動(dòng)用戶數(shù)量的逐漸增長，用戶需求的業(yè)務(wù)量日益升級(jí)，3GPP等標(biāo)準(zhǔn)化組織提出了LTE［1］作為未來移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。切換是LTE系統(tǒng)中最常見的過程之一，當(dāng)UE（User Equipment）在小區(qū)之間移動(dòng)時(shí)，基站可能基于某種策略發(fā)起切換過程。切換性能與切換參數(shù)的設(shè)置密切相關(guān)，不合理的切換參數(shù)設(shè)置會(huì)降低用戶感受度，并且還會(huì)因乒乓切換、無線鏈路失?。≧adio Link Failure，RLF）等原因而浪費(fèi)網(wǎng)絡(luò)資源。3GPP提出了一種自組織、自配置、自愈合網(wǎng)絡(luò)，即 SON［2］（Self Organizing Network）。其主要目的是通過基站自配置合適的切換參數(shù)，提高基站的切換性能，能在保證用戶QoS的情況下，大大提升用戶的感受。因此SON已經(jīng)成為LTE系統(tǒng)的一個(gè)重點(diǎn)研究問題。切換參數(shù)優(yōu)化（Handover Parameter Optimization，HPO）的主要目的是減少因切換而導(dǎo)致的無線鏈路失?。?］，提高切換性能已經(jīng)是LTE系統(tǒng)提供高質(zhì)量服務(wù)的迫切需求。

1 切換

切換通常分為基站內(nèi)切換和基站間切換?；鹃g切換又分為S1切換和X2切換。與S1切換相比，X2切換減少了基站與MME（Mobility Management Entity）之間的信令開銷。切換過程分為切換請(qǐng)求、切換判決、切換執(zhí)行3個(gè)過程。

1.1 切換導(dǎo)致的問題及檢測

當(dāng)滿足式（1）時(shí)（稱之為A3［4］事件），UE將發(fā)送測量上報(bào)給本地基站，本地基站將發(fā)起到目的基站的切換過程。

式中:Mn為沒有考慮偏移量的鄰區(qū)測量結(jié)果;Ofn為鄰區(qū)頻點(diǎn)的頻率特定偏移量;Ocn為鄰區(qū)的小區(qū)特定偏移量，如果不為鄰區(qū)配置，取值為0;Ms為沒有考慮偏移量的服務(wù)小區(qū)測量結(jié)果;Ofs為服務(wù)小區(qū)頻點(diǎn)的頻率特定偏移量;Ocs為服務(wù)小區(qū)的小區(qū)特定偏移量，如果不為服務(wù)小區(qū)配置，取值為0;Hys為對(duì)此測量事件的遲滯參數(shù);Off為對(duì)此測量時(shí)間的偏移量參數(shù)。

不合理的切換參數(shù)導(dǎo)致切換性能惡化，導(dǎo)致切換失敗或無線鏈路失敗。UE發(fā)生的切換失敗可以總結(jié)為以下幾種情況:過早切換、過晚切換及切換到錯(cuò)誤小區(qū)。因?yàn)槠古仪袚Q也會(huì)增加系統(tǒng)的信令開銷和負(fù)荷，所以也必須盡力避免。上述切換場景定義如下:

過晚切換。當(dāng)UE移動(dòng)速度超過切換參數(shù)設(shè)置允許的量，切換被觸發(fā)時(shí)導(dǎo)致無線鏈路失敗。此外，如果UE移動(dòng)速度遠(yuǎn)超切換參數(shù)所允許的量也會(huì)發(fā)生無線鏈路失敗。過晚切換導(dǎo)致的無線鏈路失敗可以總結(jié)為如果UE在基站A發(fā)生無線鏈路失敗后，在基站B重建無線鏈路，基站B報(bào)告這個(gè)無線鏈路失敗時(shí)間給基站A。

過早切換。當(dāng)最早基站A切換到基站B的時(shí)候，基站B建立了該UE上下文，啟動(dòng)定時(shí)器Tstore_UE_cntxt，并通過X2發(fā)送UE上下文釋放消息給基站A，基站A釋放了該UE的上下文。隨后UE在基站B發(fā)生了無線鏈路失敗，在基站A內(nèi)重建無線鏈路，并且發(fā)送無線鏈路失敗給基站B，如果這個(gè)時(shí)間段在Tstore_UE_cntxt秒內(nèi)，基站B應(yīng)返回一個(gè)過早切換事件指示給基站A。

切換到錯(cuò)誤小區(qū)。如果切換參數(shù)CIO（Cell Individual Offset）設(shè)置不正確，盡管切換時(shí)機(jī)恰當(dāng)，也可能切換到錯(cuò)誤的小區(qū)。切換到錯(cuò)誤的小區(qū)特征可以總結(jié)為UE成功連接到目的小區(qū)后，在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生無線鏈路失敗;UE重建接入的小區(qū)既不是源小區(qū)，也不是目的小區(qū)。

乒乓切換。UE從基站A中的小區(qū)成功切換到基站B中的小區(qū)后又回到基站A重新建立連接。

1.2 切換結(jié)果統(tǒng)計(jì)

當(dāng)發(fā)生切換時(shí)，發(fā)生重建立［5］的小區(qū)所在的基站向源小區(qū)報(bào)告切換結(jié)果。具體包括下面3個(gè)處理流程:重建立請(qǐng)求過程處理、無線鏈路失敗指示過程處理和切換結(jié)果分析及其上報(bào)過程處理。如圖1所示，當(dāng)收到重建立請(qǐng)求時(shí)，如果重建立OLD小區(qū)與重建立接收小區(qū)所在的基站相同，直接進(jìn)行切換結(jié)果的分析，否則通過無線鏈路失敗指示消息，通知重建立OLD小區(qū)所在的基站，進(jìn)行切換結(jié)果的分析。當(dāng)源基站收到無線鏈路失敗指示消息后，獲取相關(guān)參數(shù)，如圖2所示，如果獲取成功，則進(jìn)行切換過程分析，否則丟棄RLF消息。經(jīng)過上述兩個(gè)處理過程之后，進(jìn)入最終的切換分析和上報(bào)過程。如圖3所示，使用的相關(guān)參數(shù)主要有:1）重建立OLD小區(qū)，標(biāo)記為［a］;2）重建立接收小區(qū)，標(biāo)記為［b］;3）發(fā)生重建立的UE，標(biāo)記為［u］;4）切換源小區(qū)［6］標(biāo)記為［c］;5）切換目的小區(qū)，標(biāo)記為［d］。切換結(jié)果的上報(bào)，有兩種情況:1）如果切換源小區(qū)與重建立OLD小區(qū)在同一基站上，可直接統(tǒng)計(jì)切換結(jié)果。2）如果切換源小區(qū)與重建立OLD小區(qū)不在同一基站上，則通過切換上報(bào)消息，指示給切換源小區(qū)所在的基站，進(jìn)行切換結(jié)果的統(tǒng)計(jì)。

切換分析過程開始時(shí)，首先通過［a］，［u］查找切換過程，如果切換源小區(qū)與切換目的小區(qū)不同，繼續(xù)判斷重建立OLD小區(qū)和重建立接收小區(qū)的標(biāo)識(shí)是否相同，如果相同，則進(jìn)入切換過早和切換到錯(cuò)誤小區(qū)的統(tǒng)計(jì)過程。否則進(jìn)入切換過晚統(tǒng)計(jì)過程。

2 切換優(yōu)化算法設(shè)計(jì)與仿真

在LTE網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中進(jìn)行切換優(yōu)化不得不受限于不同的約束條件，比如每次切換參數(shù)的修改必須保證無線網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)維，必須避免不穩(wěn)定和導(dǎo)致乒乓切換的切換參數(shù)。切換失敗率（見式（2））必須低于預(yù)先設(shè)定的切換失敗率門限。在一定時(shí)間內(nèi)檢測該指標(biāo)，并設(shè)置相應(yīng)的門限，進(jìn)行觀察，如果切換失敗率達(dá)到了門限值，則啟動(dòng)一輪優(yōu)化，由基站上報(bào)切換的結(jié)果，如果新的性能指標(biāo)大于優(yōu)化前的性能指標(biāo)，則將相應(yīng)參數(shù)保存，并作為下一輪參數(shù)優(yōu)化的入口。

式中:HPIHOF是切換失敗率;NHOfail是切換失敗的次數(shù);NHOsucc是切換成功的次數(shù)。

圖3 切換結(jié)果分析及切換上報(bào)過程處理

2.1 切換優(yōu)化算法設(shè)計(jì)

本文提出的算法中充分考慮了UE移動(dòng)速度對(duì)切換性能的影響，對(duì)不同移動(dòng)速度的UE設(shè)置了不同的遲滯參數(shù)。SON初始化時(shí)，對(duì)高速移動(dòng)的UE，Hys設(shè)置為2 dB，對(duì)中速移動(dòng)的UE，Hys設(shè)置為3 dB，正常速度移動(dòng)的UE，設(shè)置Hys為4 dB。對(duì)所有的小區(qū)，均設(shè)置觸發(fā)時(shí)間TTT為120 ms，小區(qū)特定偏移Ocn為0。切換優(yōu)化算法的基本步驟如圖4所示。

首先SON算法模塊初始化切換參數(shù)。本地基站對(duì)小區(qū)中UE發(fā)生切換這一事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)切換計(jì)數(shù)值達(dá)到一個(gè)預(yù)定的門限值，比如100個(gè)事件才啟動(dòng)一輪移動(dòng)性優(yōu)化。當(dāng)SON優(yōu)化模塊開始工作時(shí)，根據(jù)之前統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)（每種場景分別計(jì)數(shù)）計(jì)算切換失敗率。如果統(tǒng)計(jì)的總的切換次數(shù)中，主要發(fā)生了過早切換或者乒乓切換，那么增大Hys。如果主要發(fā)生了過晚切換或切換到錯(cuò)誤小區(qū)，那么減小Hys。此時(shí)，基站發(fā)起到UE的重配置請(qǐng)求消息，更新Hys，進(jìn)入下一輪SON過程。如果下一輪SON過程中，切換性能反而惡化，那么參數(shù)回退，保存上一輪切換參數(shù)，否則進(jìn)入下一輪SON過程。為了檢查SON算法模塊對(duì)切換性能的影響，可以設(shè)置開關(guān)，如果經(jīng)過幾輪優(yōu)化，切換失敗率還是在預(yù)先定義的門限之上，那么通知集中網(wǎng)絡(luò)單元，關(guān)閉SON算法模塊，讓運(yùn)維人員介入控制。

圖4 切換自優(yōu)化算法流程

2.2 仿真及其結(jié)果分析

為了驗(yàn)證算法的可行性，搭建了仿真平臺(tái)，本仿真中共設(shè)置19個(gè)基站，每個(gè)基站分3個(gè)扇區(qū)，基站間距離500 m，小區(qū)中的UE以50 km/h，200 km/h，320 km/h移動(dòng)，每種速度分布40個(gè)UE。傳播環(huán)境采用cost231－Hata［7］模型，陰影衰落方差為9 dB，熱噪聲密度為－174 dBm/Hz，系統(tǒng)帶寬為10 MHz。為了簡化問題的復(fù)雜程度，假設(shè)所有用戶的請(qǐng)求速率都為512 kbit/s。仿真開始時(shí)，所有小區(qū)設(shè)置相同的TTT，而且Ocn設(shè)置為0 dB。仿真結(jié)果如圖5所示，經(jīng)過10輪優(yōu)化后，失敗率控制在2%以下。

圖5 切換失敗率隨優(yōu)化輪數(shù)變化

在前4輪優(yōu)化過程中，主要發(fā)生了過晚切換，所以采取的措施是減小Hys;進(jìn)入第5輪優(yōu)化時(shí)，主要發(fā)生了過早切換，所以增加了Hys;后續(xù)的幾輪Hys出現(xiàn)小范圍的上下波動(dòng)調(diào)整，而切換失敗率都保持在一個(gè)較小的范圍。在整個(gè)仿真過程中，當(dāng)切換失敗率低于預(yù)先設(shè)置的門限時(shí)，SON優(yōu)化算法模塊啟動(dòng)優(yōu)化功能，經(jīng)過一輪優(yōu)化，切換失敗率降低了，此時(shí)的切換參數(shù)作為下一輪切換入口參數(shù)，繼續(xù)統(tǒng)計(jì)切換次數(shù)，到達(dá)門限（100次）后，啟動(dòng)第二輪優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果表明，切換失敗率相對(duì)之前降低了。仿真結(jié)果表明，該算法大大減小了切換失敗率，算法可行。

3 結(jié)束語

本文提出了LTE自組織網(wǎng)絡(luò)（SON）中一種切換優(yōu)化算法，通過檢測不同的場景動(dòng)態(tài)調(diào)整切換參數(shù)，同時(shí)考慮了不同移動(dòng)速度的UE對(duì)切換性能的影響，分別設(shè)置了不同的遲滯參數(shù)，達(dá)到切換性能優(yōu)化的目的。仿真結(jié)果表明，經(jīng)過該算法優(yōu)化，系統(tǒng)總體切換性能顯著提升。

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［1］3GPP TS36.300，Evolved universal terrestrial radio access（EUTRA）and evolved universal terrestrial radio access network（EUTRAN）［S］.2009.

［2］3GPP TR36.902，Self－configuring and self－optimizing network use cases and solutions（Release 9）［S］.2009.

［3］SHEN Jia.3GPP long term evolution（LTE）technology principle and system design［M］.Beijing:Post＆Telecom Press，2008.

［4］3GPP TS36.331，Radio resource control（RRC）protocol specification［S］.2009.

［5］3GPP TS36.304，User equipment（UE）procedures in IDLE mode［S］.2009.

［6］3GPP TS36.133，Requirements for support of radio resource management［S］.2010.

［7］趙訓(xùn)威，林輝，張明，等.3GPP長期演近（LTE）系統(tǒng)架構(gòu)與技術(shù)規(guī)范［M］.北京:人民郵電出版社，2010.

Research on Handover Optimization Algorithm in LTE System

LI Bin1，2，ZHU Yuxia1，2

（1.Northern FiberHome Technologies Co.，Ltd.，Beijing 100085，China;2.State Key Laboratory of Optical Communication Technologies and Networks，Wuhan 430074，China）

In this paper，one SON－based Handover Parameter Optimization（HPO）algorithm is proposed which takes different moving speed into consideration and then different handover parameters is set.The handover parameters are dynamically changed under different scene.Finally，a simulation platform is build，results show that the quality is significantly improved under the HPO algorithm.

LTE;SON;handover optimization algorithm

TN929.5

A

【本文獻(xiàn)信息】李斌，朱宇霞.LTE系統(tǒng)中切換優(yōu)化算法的研究［J］.電視技術(shù)，2013，37（3）.

國家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（2010ZX03005－001）

李 斌（1986— ），碩士生，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信協(xié)議及軟件;

朱宇霞（1972— ），博士生導(dǎo)師，北京北方烽火科技有限公司總經(jīng)理，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信協(xié)議及軟件。

責(zé)任編輯:許 盈

2012－07－03