胡子琛　王華洋

摘要：異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)（HetNets）中，由于用戶(hù)設(shè)備（UE）在宏蜂窩和微微蜂窩等網(wǎng)絡(luò)中頻繁切換，用戶(hù)設(shè)備（UE）的切換性能成為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)最重要的問(wèn)題之一。將切換失敗率表征為相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)（用戶(hù)速度、觸發(fā)時(shí)延（TTT）和宏-微微距離等）的函數(shù)。通過(guò)確定信道模型和隨機(jī)信道模型分析切換失敗概率。最后，通過(guò)仿真結(jié)果驗(yàn)證推導(dǎo)的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)；宏蜂窩；微微蜂窩；用戶(hù)設(shè)備；切換失敗率

中圖分類(lèi)號(hào)：TN 929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）36-0042-04

Probability Analysis of Handover Failure with the Random Model for Heterogeneous Networks

HU Zi-chen ， WANG Hua-yang

（School of Electrical Engineering and Automation， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China）

Abstract： In heterogeneous networks （HetNets）， the handover performance of User Equipment （UE） becomes one of the most important matter， due to the frequent handovers between macrocell and picocell. Expressing the handover failure rates as a function of relevant system parameters， such as， velocity of user， time-to-trigger and distance of macro-pico， etc. Analyzing the handover failure rates with deterministic channel model and random channel model. Finally， verifies the accuracy of the analytical derivations by simulation.

Key words： Heterogeneous networks； macrocell； picocell； User Equipment； handover failure rate

1引言

如今無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)逐漸深入到人們的日常生活和工作當(dāng)中，比如我們常用的手機(jī)、無(wú)線電話和數(shù)字電視等都離不開(kāi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。為了提高無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量，必須加快無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的進(jìn)程，提高無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，提高接通率，保證網(wǎng)絡(luò)容量能夠充分滿(mǎn)足所有用戶(hù)的要求[1]。

在現(xiàn)有宏基站的基礎(chǔ)上設(shè)置微微蜂窩不僅可以提高系統(tǒng)容量，還可以提高最初布置的宏蜂窩的覆蓋范圍。為驗(yàn)證異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)對(duì)覆蓋范圍和容量方面的提升作用，操作員面臨新的技術(shù)挑戰(zhàn)，比如在切換過(guò)程中，由于系統(tǒng)中不合適的參數(shù)，可能會(huì)出現(xiàn)無(wú)線鏈路失?。≧LF）和ping-pong。同時(shí)，手機(jī)移動(dòng)測(cè)速和車(chē)載測(cè)速等的發(fā)展，為切換過(guò)程提供了可靠的支持。

切換技術(shù)是保證移動(dòng)用戶(hù)業(yè)務(wù)連續(xù)性的重要手段[2]。針對(duì)處于不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的切換參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化十分重要。文章[3-5]，研究了不同遲滯H（hysteresis）和TTT下的切換性能，研究表明優(yōu)化的參數(shù)可以有效降低RLF和ping-pang。然而其只是進(jìn)行了一般性分析。文章[6]結(jié)果驗(yàn)證了不同站點(diǎn)距離和TTT對(duì)切換失敗率的影響。

切換失?。℉OF）率和乒乓（PP）率作為相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)（如宏單元-微微蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中TTT，速度和范圍擴(kuò)展偏差）的封閉表達(dá)式[7]。文章中，微微蜂窩覆蓋范圍和無(wú)線鏈路故障區(qū)域是理想的圓形區(qū)域，但其忽視了信道的隨機(jī)性。本文，我們的目的是為了了解切換參數(shù)對(duì)隨機(jī)信道模型切換性能的影響。我們將推導(dǎo)相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)（如TTT、用戶(hù)速度）的切換失敗率的表達(dá)式，研究不同站點(diǎn)距離和TTT下的切換性能。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)模型如圖1。

本文按以下結(jié)構(gòu)開(kāi)展：第一部分建立系統(tǒng)模型，第二部分介紹切換過(guò)程，第三部分說(shuō)明單一宏移動(dòng)設(shè)備的理想信道模型和隨機(jī)信道模型的切換失敗率，最后，第四、五部分總結(jié)仿真結(jié)果。

2系統(tǒng)模型

2.1 場(chǎng)景模型

本文所考慮的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)如圖2所示，包含一個(gè)宏蜂窩基站（MNB）和一個(gè)微微蜂窩基站（PNB）。假設(shè)MNB覆蓋整個(gè)區(qū)域，而PNB只覆蓋該區(qū)域的一小部分。接入MNB的UE記為宏蜂窩用戶(hù)設(shè)備（MUEs），接入PNB的UE記為PUEs。

圖2 MUE切換模型

如圖2，我們以單一的UE為研究對(duì)象，該UE開(kāi)始作為MUE，在MNB與PNB之間直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其成功接入PNB時(shí)成為PUE。

2.2 信道模型

本文我們考慮兩種信道，即確定性信道和隨機(jī)信道。

確定性信道模型中，我們采用對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型[8]，路徑損耗表示為：

PL=L+10n log（di） （1）

其中，L是路徑損耗常量，n是路徑損耗指數(shù)，表明路徑損耗隨時(shí)間增長(zhǎng)的速率，di是UE與MNB/ PNB之間的距離。

UE測(cè)量的參考信號(hào)接收功率（RSRP）如下：

RSRP （di） = Pt? PL （2）

其中Pt是MNB/ PNB的發(fā)射功率。

信道特性可能受到隨機(jī)因素的影響，如遮蔽效應(yīng)，從而形成了隨機(jī)信道模型[8]。利用高斯分布表示陰影的隨機(jī)效應(yīng)， UE測(cè)量的RSRP如下：

RSRP （di） = Pt? PL +[Xσ] （3）

其中，[Xσ]表示信道的陰影效應(yīng)，是0均值的高斯隨機(jī)變量，單位為dB，標(biāo)準(zhǔn)差為σ，單位也為dB。

3 切換過(guò)程

從圖2的系統(tǒng)模型可得，未進(jìn)入PNB覆蓋范圍內(nèi)的用戶(hù)設(shè)備只能接入MNB，而在PNB范圍內(nèi)的用戶(hù)設(shè)備可以選擇接入PNB。根據(jù)3GPP標(biāo)準(zhǔn)，如果從源小區(qū)和目標(biāo)小區(qū)測(cè)量的RSRP滿(mǎn)足一定條件，連接到源小區(qū)的UEs可以觸發(fā)切換。假設(shè)圖2在PNB區(qū)域之外的MUE向右運(yùn)動(dòng)，隨著其距離越遠(yuǎn)，可能會(huì)得到更小的RSRP。另一方面，隨著UE接近PNB，PNB的RSRP變大。因此，有可能觸發(fā)MNE與PNE的切換。

切換過(guò)程如下[9]：

1）MUE遇到切換事件

如圖2中點(diǎn)A （La， 0 ），觸發(fā)TTT，MUE從MNB和PNB收到的RSRP滿(mǎn)足下列方程：

RSRPP ≥RSRPM +H （4）

式中RSRPM和RSRPP是MUE從MNB和PNB測(cè)量到的RSRP，H（hysteresis）表示切換的觸發(fā)門(mén)限。

2）無(wú)線鏈路失敗

TTT觸發(fā)之后，如果MUE在觸發(fā)時(shí)延結(jié)束前遇到無(wú)線鏈路失敗事件（如圖2中點(diǎn)B （Lb， 0）），則切換失敗。無(wú)線鏈路失敗事件滿(mǎn)足下列方程：

RSRPM - RSRPP ≤Qout （5）

其中，Qout是無(wú)線鏈路失敗門(mén)限。

3）切換準(zhǔn)備

如果切換觸發(fā)事件在觸發(fā)時(shí)延內(nèi)始終得到滿(mǎn)足，且RLF并沒(méi)有發(fā)生，則該MUE將根據(jù)測(cè)量報(bào)告使MNB做好切換準(zhǔn)備。MNB開(kāi)啟切換后，與PNB一起準(zhǔn)備執(zhí)行切換。

4）執(zhí)行階段

MNB和PNB在MUE的配合下執(zhí)行必要的網(wǎng)絡(luò)程序，MUE連接到后者。切換過(guò)程如圖3所示。

4 切換失敗率的理論分析

這一部分，我們對(duì)圖2中MUE的切換失敗分兩種情況考慮，即確定信道模型和隨機(jī)模型。

4.1 確定信道模型切換失敗概率

首先，假設(shè)用戶(hù)移動(dòng)速度υ為服從平均值為 ，標(biāo)準(zhǔn)差為συ的高斯分布。

我們通過(guò)（2）計(jì)算MUE的RSRP。由（1）可以看出，MUE的RSRP僅由MUE與MNB/PNB之間的距離決定。當(dāng)MUE向右移動(dòng)通過(guò)A點(diǎn)時(shí)，

切換觸發(fā)事件發(fā)生，由（2）和（4），La可表示為：

La =[ D1+10P（t）P-Lp-P（t）M+Lm-H10n] （6）

其中，[P（t）P]和[P（t）M]為PNB和MNB的發(fā)射功率，Lp和Lm為固定的路徑損耗， D是MNB與PNB之間的距離。由（5）看出，La由 D和H決定，其隨D的增加而增加，隨H的增加而減少。

如果MUE移動(dòng)到B點(diǎn)，RLF事件發(fā)生，由（2）和（5），Lb可表示如下：

Lb = [D1+10P（t）P-Lp-P（t）M+Lm+Qout10n] （7）

假設(shè)在觸發(fā)延時(shí)時(shí)間內(nèi)，MUE的移動(dòng)方向和速度不變。在觸發(fā)延時(shí)時(shí)間內(nèi)，如果MUE在TM期間行進(jìn)的路程比Lb-La距離大，則有可能切換失敗，因此，切換失敗概率為：

PHOF = P （V T≥Lb-La）

= [Lb-LaT∞12πσυexp-（υ-μυ）22σ2υdυ]

= 1 - ?（[R-rTm-μυσυ]） （8）

其中，?（x）=[∞x12πe-x22] 。

4.2 隨機(jī)信道模型切換失敗概率

本部分，我們驗(yàn)證隨機(jī)信道模型的切換失敗概率。為了減少信道的隨機(jī)影響，每10毫秒對(duì)RSRP進(jìn)行采樣[2]，每5次采樣求平均值。假設(shè)MUE在A點(diǎn)開(kāi)始啟動(dòng)觸發(fā)延遲，時(shí)間是t0 （ t0 = 0），ti是RSRP估測(cè)時(shí)間。在ti時(shí)刻，用戶(hù)從MUE和PUE接收到的RSRP分別為：

RSRPM （[dti]） =[ 15k=04RSRPM（dti+kυTd）] （9）

RSRPP（[dti]） =[ 15k=04RSRPP[D-（dti+kυTd）]] （10）

其中Td是采樣間隔，[dti]是ti時(shí)刻MUE與MNB的距離。

根據(jù)（3）和（9），RSRPM （ti）可以寫(xiě)成：

RSRPM （[dti]） =[ 15k=04RSRP（dti+kυTd）] =WM（[dti]） + UM（[dti]） （11）

其中

WM（[dti]）= [15k=04（Ptm-LM-10nlog （dti-kυTd））] （12）

UM（[dti]）=[ 15k=04（Xσ（dti-kυTd））] （13）

同理，根據(jù)（3）和（10），RSRPP（ti）可以寫(xiě)成：

RSRPP（[dti]） =[ 15k=04RSRP[D-（dti+kυTd）]]

=WP（[dti]） + UP（[dti]） （14）

其中

WP（[dti]）= [15k=04{PtP-LP-10nlog [D-（dti+kυTd）]} ] （15）

UP（[dti]）=[ 15k=04Xσ[D-（dti+kυTd）]] （16）

定義切換觸發(fā)事件和RLF事件如下：

ΓP= RSRPP - RSRPM ≥ H （17）

ΓM= RSRPM- RSRPP≤ Qout （18）

從（3）我們可以看出，受到陰影效應(yīng)的存在，如果在ti時(shí)刻不滿(mǎn)足切換觸發(fā)條件，觸發(fā)延遲停止，切換失敗。

記MUE在ti 時(shí)刻遇到切換觸發(fā)事件且沒(méi)有遇到RLF事件的概率為：

Pho（[dti]）

= P （ΓP（[dti]） ≥H ∩ ΓM（[dti]） >Qout）

= P （ΓP（[dti]） ≥H）P （ΓM（[dti]） >Qout） （19）

根據(jù)（19），MUE在ti時(shí)刻切換失敗的可能性為：

Phof （[dti]）=1- Pho（[dti]）

= P （ΓP（[dti]） ≥H ∩ ΓM（[dti]） ≤Qout）+

P （ΓP（[dti]） ≤H ∩ ΓM（[dti]） ≤Qout）+

P （ΓP（[dti]） ≤H ∩ ΓM（[dti]） ≥Qout （20）

其中，

P （ΓP（[dti]） ≥H）

= P （UP（[dti]）- UM（[dti]）≥H-WP（[dti]）+WM（[dti]）） （21）

又有

P （ΓM（[dti]） >Qout） （22）

= P （UM（[dti]） -UP（[dti]） >Qout - WM（[dti]） + WP（[dti]））

其中，UM?UP ～ N （[ μM-μP，σ2M+σ2P）]

由分析可得，

Phof （[dti]）= P （ΓM（[dti]） ≤Qout） （23）

基于以上分析，在觸發(fā)時(shí)延期間切換失敗可能性如下：

PHOF =[k=1Ni-0k-1PhodtiPhofdtk+Phofdto ] （24）

其中 ，N =Tm /5Td

5 仿真

本節(jié)通過(guò)MATLAB評(píng)估切換性能。仿真過(guò)程中，我們假設(shè)單一的用戶(hù)設(shè)備在eNB和PNB之間移動(dòng)，仿真參數(shù)包括基站的發(fā)射功率，固定路徑損耗，路徑損耗指數(shù)，路徑損耗的陰影效應(yīng)和RLF門(mén)限[6]，參數(shù)如下表1。

5.1 確定信道模型

根據(jù)上述仿真假設(shè)，理論MUE 的Phof被繪制為UE速度的函數(shù)，并且與仿真結(jié)果重合。圖4明顯地看出用戶(hù)速度對(duì)MUE的Phof的影響。在TTT不變的情況下，MUE的Phof隨速度的增加而變大。因?yàn)樗俣仍娇欤脩?hù)移動(dòng)到RLF點(diǎn)的概率越大。

圖5和圖6分別為確定信道模型在不同宏-微微距離的MUE的Phof?？梢钥闯?，MUE的Phof隨TTT的增加而增加。比較兩圖可以得出，宏-微微距離同樣影響切換性能。更小的宏-微微距離具有更高的Phof。圖6和圖7顯示了確定信道在不同H值時(shí)，MUE的Phof。分析可得，在相同宏-微微距離下，越小的H值，MUE具有更低的Phof。

5.2 隨機(jī)信道模型

圖8和圖9顯示了隨機(jī)信道在不同H值下MUE 的Phof。比較可得，在相同宏-微微距離下，MUE 的Phof隨H的增加而增加。

切換失敗概率

通過(guò)圖6與圖8，圖7與圖9的比較可以看出，在TTT較低時(shí)，與確定信道相比，隨機(jī)信道的HOF概率更高。顯然，信道的隨機(jī)性影響異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換性能。

6結(jié)束語(yǔ)

本文首先考慮了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的切換過(guò)程，然后通過(guò)理論分析，給出了HOF概率與切換參數(shù)如用戶(hù)速度、觸發(fā)時(shí)延、宏-微微距離和H值之間的定量關(guān)系。通過(guò)仿真結(jié)果，我們可以通過(guò)切換參數(shù)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)切換性能。因此，切換參數(shù)（如TTT和H等）需要根據(jù)小區(qū)特性和用戶(hù)設(shè)備特性，進(jìn)行合理選擇。我們下一步的研究方向就是針對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換參數(shù)的特性，提出參數(shù)選擇的優(yōu)化方法，提高網(wǎng)絡(luò)性能。

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