异构网中移动鲁棒性优化技术仿真研究

摘要：文章通过大量的仿真验证找出异构网场景中具体的移动鲁棒性问题，进而有针对性地给出解决方案。仿真中通过同构网和异构网场景中的移动鲁棒性性能比较，发现异构网场景中移动性参数应根据切换的对象不同，进行相应的参数匹配；仿真中通过异构网场景中设置不同的参数配置发现，在选择合适的移动性参数时应综合考虑移动鲁棒性性能和系统开销。

关键词：异构网；移动鲁棒性；移动性参数；切换；无线链路失败

Abstract：In this paper， we run a large number of simulations to find problems with detailed mobility robustness in heterogeneous networks. We also provide solutions to such problems. After comparing mobility robustness in a heterogeneous network with that in a homogeneous network， we found that the mobility parameters in a heterogeneous network should be selected according to different switching targets. By setting different mobility parameters in heterogeneous network simulation， we found that the trade-off between mobility robustness and system overheard should be taken into account.

Key words：heterogeneous network； mobility robustness； mobility parameter； handover； radio link failure

随着通信技术的快速发展，蜂窝移动通信网络也进行了全面的改进，一方面网络性能得到大幅的提升，另一方面网络参数更加复杂，网络结构多层次化，这给网络运营维护带来了挑战[1]。对于网络运营商来说，在使用新技术的同时，如何降低基础设施建设费用以及网络运营费用，是一个巨大的挑战。国际电联在文件中的明确定义[2]，接入网络的高度自配置、自优化和自治愈是IMT-Advanced系统的一个重要设计目标。在这一背景下，下一代移动通信网络（NGMN）组织和第三代合作伙伴计划（3GPP）先后提出了自组织网络（SON）的具体需求，并正在LTE/SAE系统中开展标准化的制订工作。希望通过在网络部署和运营过程中引入自动化调整机制，减少人工干预，从而降低基础建设费用和网络运营费用。

通过网络规划和集中式的覆盖管理，蜂窝移动通信网络能够提供连续的覆盖。但是即使存在连续的覆盖，由于移动终端的移动轨迹、移动速度变化多样，以及小区之间的移动参数配置由于物理环境变化需要经常更新等原因，无线链路失败仍然会发生，而无线链路失败的发生将严重影响用户体验。如何通过动态的小区间移动参数调整，来减少链路失败的发生，保证移动鲁棒性是一个重要的研究问题，已经被列入了SON的工作议题[3]。

随着数据速率需求的日益增长，传统的宏蜂窝覆盖的组网形式已经不能够满足业务要求，在传统的宏蜂窝小区引入低功率节点提供热点覆盖可以有效地解决宏蜂窝覆盖存在的问题，同时能够使得运营商以更低成本提供更高数据速率的业务[4]。LTE-Advanced的工作重点之一就是对室内和热点场景进行优化。

1 移动鲁棒性优化

移动鲁棒性优化（MRO）是LTE标准化研究中的一个功能实体。在现有2G/3G系统中，人工调整切换相关参数设置是一项非常耗时的工作，在很多情况下，初始配置后移动性参数更新的消耗非常大；并且，在单个的无线资源管理中检测移动性问题和调整参数并不能很好地解决问题，需要基站之间相互协调。错误的切换参数设置所导致的乒乓效应，切换失败（HOF）和无线链路失败（RLF）会影响用户体验和消耗网络资源。

切换是移动鲁棒性技术研究中非常重要的通信过程。一般情况下，若无线链路环境在触发时间（TTT）内一直满足A3事件不等式，则触发测量上报过程，源小区根据测量结果做出切换判决，然后开始切换[5]，因此，可以认为A3事件不等式即为如下切换条件：

Mn >Ms +Hysts -CIOs，n

其中，Ms为用户接收到的当前服务小区信号强度；Mn为用户接收到的邻小区信号强度；Hysts为用户当前服务小区迟滞因子；CIOs，n为用户当前服务小区与邻小区之间的小区独立偏置。迟滞因子与邻小区无关，小区独立偏置是指向邻小区的单向切换参数，针对不同的邻小区独立设置。

MRO优化的主要目标是减少与切换相关的无线链路失败，其次是减少不必要的切换次数。具体可以分成4种情况：过晚切换、过早切换、切换到错误小区和不必要切换。

（1）过晚切换

终端从源小区A向邻小区B移动过程中，如果切换参数设置不合理，如CIOA，B设置偏小，则从源小区A向邻小区B切换到条件偏苛刻。在切换之前或切换过程中，源小区A的信号强度已经很低，导致终端发生RLF，之后，终端又重新与邻小区B建立连接[6]。

（2）过早切换

终端从源小区A向邻小区B移动过程中，如果切换参数设置不合理，如CIOA，B设置偏大，则从源小区A向邻小区B切换到条件偏宽松。切换触发时邻小区B的信号强度还很低，在切换到邻小区B后的短时间内用户发生无线链路失败，之后，用户与源小区A重新建立连接，则认为发生过早切换。

（3）切换到错误小区

终端从源小区A向邻小区移动过程中，用户首先切换到邻小区B，由于切换参数设置不合理，因此在切换后很短时间内发生RLF，之后，用户邻小区C重新建立连接，则认为发生错误切换。

（4）不必要切换

对于网络操作来说，切换是一个非常消耗资源的过程，并且，优化的参数设置要想发挥功效，也必须依赖于时刻变化的无线链路环境，这样的协调过程，对人工操作的要求极大。有时，终端的移动性模式和小区覆盖设置会产生频繁的不必要切换，从而浪费网络的资源。反之，错误的切换参数配置可能会遗漏那些应该发生的切换过程，错过最佳的切换时机。

由于未来将会部署大量低功率节点，为了研究同时存在宏小区和微小区的异构网场景中可能出现的移动鲁棒性问题，3GPP提出了异构网场景的仿真建模假设[7-8]，并通过大量的仿真结果来评估异构网场景中移动鲁棒性问题的严重性。

2 仿真建模

2.1 网络拓扑

为了发现大范围异构网络场景中可能存在的移动鲁棒性问题，我们参照文献[7]采用了如图1所示的仿真拓扑图。具体的仿真拓扑配置参数如表1所示。仿真区域为图中虚线范围内，移动终端初始时随机选择移动方向，并沿着此方向匀速直线运动直到到达仿真区域边界，到达仿真区域边界后，移动终端将随机选择一个方向反弹，然后继续匀速直线运动。

为了研究系统在不同的移动性参数的配置下的系统移动鲁棒性性能，文献[7]给出了5种仿真配置。

2.2 移动性模型

为了对异构网场景下的移动性性能进行评估，需要采用RLF的标准和过程来判断切换失败，在建立切换失败模型之前，文献[7]将切换过程分为3个状态：

状态一：满足A3事件之前。

状态二：满足A3事件之后，但是在终端成功接收到切换命令之前。

状态三：终端接收到切换命令之后，但是在终端成功发生切换完成消息之前。

当RLF发生在状态一和状态二时，将被统计为切换失败。当RLF发在状态一，并且有其他的合适小区可供用户选择，则我们可以认为这是由于切换参数不匹配，进而造成的切换失败。

在状态二中，当终端连接在源小区时，如果以下任一条件满足，我们将统计为切换失败：当终端接收切换命令时，T310定时器被触发或者仍然在进行；RLF条件满足。

在状态三中，当终端连接到目标小区之后，如果以下条件满足，我们将统计为切换失败：当切换执行时间结束，目标小区下行宽带信道质量指示（CQI）低于失步门限。

乒乓切换是不必要切换中的主要研究对象。切换之后终端在新建立连接的小区所停留的时间将被作为判断是否是乒乓切换的主要标准，停留时间具体可以从终端成功发送切换完成消息到小区A和到小区B这段时间。如果终端从小区B切换到小区A之后，又从小区A切换回小区B，并且终端连接到小区A的停留时间小于门限值，在文献[7]中，被判断为乒乓切换。

2.3 仿真结果及分析

2.3.1 异构网和同构网移动鲁棒性

指标比较

在表2中的仿真配置3下，我们对同构网和异构网中系统移动鲁棒性性能进行仿真比较。在仿真中，切换失败对系统性能的影响主要看切换和切换失败的发生频率。如果切换很少发生，即使切换失败率很高，切换失败对系统的影响仍然有限。另一方面，如果切换的频率和切换失败的频率较高，那么对系统的影响将会很严重。因此，时间因子应该在仿真性能评估中考虑。如图2和图3所示，我们可以得到系统切换相关指标，单位分别为切换失败次数与总切换次数的比值（HOF/HO）和切换失败次数与终端数的比值（HOF/UE）。

从图2中可以看出，就HOF指标而言，异构网的性能相比同构网要差一些，尤其是异构网中微小区到宏小区的HOF指标相对于同构网来讲要差的更多一些。因此我们有必要针对异构网中微小区到宏小区的切换性能进行深入研究，进一步提高异构网中的切换性能指标。

从图4和图5中可以看到，就乒乓切换相关指标而言，即短暂停留率和短暂停留率与终端数的比值，异构网的性能均比同构网要差。乒乓切换的频繁发生将会大大增加系统不必要切换的次数，进而大量增加系统的信令开销，如何减少异构网中乒乓切换的发生，提高异构网的移动鲁棒性，也是未来需要研究的课题之一。

2.3.2 异构网中不同移动性参数下

移动鲁棒性性能比较

为了研究在不同的移动性参数配置下，异构网的移动鲁棒性性能的变化趋势，我们参照表2的移动性参数配置进行了仿真。

从图6中可以看出，在配置5中，由于移动性参数相对其他配置而言比较宽松，因此切换比较容易发生，切换尝试次数有比较明显地增加。从图7可以看出，由于配置1的移动性参数非常苛刻，切换不容易发生，造成了大量的过晚切换，终端不能及时的在信号强度变差前切换到合适的小区，进而发生了RLF。随着移动性参数的逐渐宽松，配置4的RLF指标为5个配置中最低。在配置5时，由于移动性参数过于宽松，会造成一些终端过早切换，进而切换到不合适的小区。

从图8中可以看出，微小区到微小区的HOF指标最高，这是因为在仿真中低功率节点随机部署，造成了大量的微小区不连续覆盖，使得HOF指标相对升高。可以观察到，从微小区到宏小区的HOF指标也相对较高，主要原因是终端离开微小区时，信号强度衰落比较快，移动性参数配置中的TTT计时相对较长，进而导致终端不能及时从微小区切换到宏小区，造成大量的过晚切换。

3 解决方案

从上面的仿真结果可以观察到，在异构网场景中移动性鲁棒性问题比较严重的主要有4个方面，我们将给出初步的分析和解决思路。

（1）微小区到宏小区的切换失败率较高

由于在仿真中所有小区间都设置相同的移动性参数，而这些参数主要是针对宏小区到宏小区之间切换而设置的，因此在异构网场景中，必须针对不同的切换对象，如微小区到宏小区或者宏小区到微小区设置相匹配的移动性参数，进而降低系统的切换失败率，优化移动鲁棒性性能。

（2）在仿真配置1的条件下，RLF和HOF相关指标很差

由于仿真配置1的移动性参数相对比较苛刻，因此造成大量终端切换时机较晚，如果适当地调节移动性参数，例如调整到仿真配置4，则系统的移动鲁棒性将会得到较大的提升。

（3）在仿真配置5的条件下，切换尝试次数很高

由于仿真配置5的移动性参数相对比较宽松，因此造成大量终端发生过早切换，一些本不该发生切换的终端在此配置下也发生了切换。虽然在此配置下的RLF和HOF相关指标可以接受，但由于系统的切换尝试次数大大增加，导致系统的信令开销非常大。综合来看，应该在优化移动鲁棒性的同时，考虑系统开销的因素。

（4）在RLF相关指标中，状态二（HOF）占的比例非常高

由于大量的切换失败是因为终端不能接收到源基站的切换命令，所以终端将继续进行T310计时，直到发生RLF或者链路质量恢复，从图7可以观察到，发生切换失败后，链路质量恢复的比例非常小，大部分的终端最终发生了RLF，进而进行无线链路重建。而T310计时时长为1 s，也就意味着终端从切换失败到无线链路重建将等待较长时间。我们可以通过设置新的计时器，使得终端尽早进行无线链路的重建，进而提高用户体验。

4 结束语

移动鲁棒性优化已经成为蜂窝移动通信网络中的重要研究课题之一，在未来新的网络场景中，我们要深入研究传统优化方案的有效性，针对新场景的特点，对传统方案进行修正和改进，进而使得新场景中移动鲁棒性性能仍然可以控制在可接受的范围之内，使得终端可以在不影响服务质量和体验的条件下，享受高速度业务带来的无尽快乐。

参考文献

[1] HU Honglin， ZHANG Jian， ZHENG Xiaoying， et al. Self-configuration and self-optimization for LTE network [J]. IEEE Communications Magazine， 2010， 48（2）：94-100.

[2] ITU-R M. 1645.Framework and overall objectives of the future development of IMT-2000 and systems beyond [S]. 2000.

[3] 3GPP TR36.902 V9.3.1. Self-configuring and self-optimization network use cases and solution [S]. 2011.

[4] Enhanced inter-cell interference coordination challenges in heterogeneous networks [J]. IEEE Wireless Communications Magazine， 2011，18（3）：22-31.

[5] 王华， 李鲁群， 王力. LTE-A中基于准入控制的切换决策算法 [J]. 计算机工程， 2011，37（5）： 88-90.

[6] 余建涛， 胡宏林， 金圣， 等. 移动负载均衡与移动鲁棒性优化的冲突协调 [J]. 计算机工程， 2012， 38（1）： 37-41.

[7] 3GPP TR36.839 V11.0.0. Mobility enhancements in heterogeneous networks [S]. 2012.

[8] 3GPP TR36.814 V9.0.0. Further advancements for E-UTRA physical layer aspects [S]. 2010.

收稿日期：2012-11-06

作者简介

金圣，英国肯特大学硕士毕业；中科院上海微系统所助理研究员；从事网络自组织自优化研究；已主持基金项目2项；已3篇，参与编写专著2本，申请发明专利18项，向国内外标准化组织提交提案42篇，其中12篇被通过。

陈琛，安徽大学通信与信息系统专业在读硕士研究生；现在上海无线通信研究中心实习；从事智能网优通用仿真平台的开发和移动鲁棒性技术的研究。

胡宏林，中国科技大学博士毕业；中科院上海微系统与信息技术研究所研究员、博士生导师；从事下一代移动通信技术的研究及国际标准化工作；已编著英文专业书籍4部，中文书籍1部；已发表SCI论文30余篇，获专利授权10余项。