LTE异构网络部署下的移动性问题分析

【摘要】本文即在LTE异构网络部署环境下，着重分析了移动性方面存在的几个主要问题，并有针对性地提出了一些方向性的初步建议。

【关键词】LTE异构网络移动性

一、引言

近年来，随着智能终端的普及，无线移动数据业务呈现爆发式增长，现有的3G网络由于频谱效率、容量、时延等方面的技术限制，逐渐不再能满足运营商的业务发展要求。而面向4G的LTE网络携全球统一的标准性、技术先进性及日益提高的产业成熟度，在全球的商业部署开始不断升温。在我国，虽然LTE网络还没有正式的商业部署，但大规模的试验网已经开展，相关的网络验证和新技术试验分析也已经取得部分进展。

同时，从3G网络的发展经验以及全球已部署LTE网络的国家的统计结果来看，移动数据业务依然体现出以商业活动中心、家庭和办公楼宇等人群聚集地为主要业务热点与网络容量和性能瓶颈的特性。针对这一特点，当前最重要的实践对策是通过大型宏基站提供广覆盖，而大量在热点地区引入和部署小型以及超小型基站来实现区域业务的负荷分流，构成所谓的移动网络（HetNet），从而使容量、覆盖、负荷与用户速率、感受等各项性能指标之间尽量达成平衡。

本文即在LTE异构网络部署环境下，着重分析了移动性方面存在的几个主要问题，并有针对性地提出了一些方向性的初步建议。

二、异构网络下的移动性问题

本文所指的LTE异构网络，主要指采用LTE技术的各种形态的基站（如传统宏基站Macro eNB、小型基站Micro eNB和超小型基站Pico以及家庭基站HeNB/CSG）混合部署、共同提供无线覆盖的网络场景，如下图1所示。

当前，LTE异构网络中面临的移动性问题，主要来源于商业部署和试验网中发现和总结出的问题，同时，类似的问题也正在标准组织中讨论[1]。具体而言，当前，主要由下列问题，迫切需要引入新的思路来完善、优化和解决。

2.1小小区的发现

当前，LTE系统支持UE执行邻区测量，即网络可以给UE配置相关的测量目标和测量事件，包括同频和异频测量，当UE发现测量结果满足相关的门限条件时（如本小区的信号较差同时邻小区的信号较好），就上报测量结果给服务基站，以便服务基站及时根据测量结果执行移动性管理手段，比如，将UE切换到更合适的小区。在异构网络下，如上图1所示，宏基站小区（宏小区）与小基站小区（小小区）共同覆盖一些热点区域，取决于运营商的频率规划以及实际网络环境，宏小区与小小区这二者可能是同频部署的，也可能是异频部署的。此时，经常出现的两个问题。一个是UE对小小区的检测的困难，这个问题主要是由于异构网络下，同一个区域内多个不同形态的基站信号的共同覆盖下，无线环境相对复杂化，UE需要同时支持多个同频/异频小区的检测，包括小区标识的识别，测量的启动，异频测量间隔（gap）的设计，测量结果的上报等等，都带来了难度。

另外一个问题与切换有关，当UE从一个小区移动到另外一个小区的过程中，网络为UE发起的切换经常过迟，导致切换失败。这个问题的根源在于不同类型的小区的信号衰减特性不同，比如宏小区因为是广覆盖，覆盖半径较大，信号强度相对衰减较慢，而小小区只提供小范围覆盖，其信号在短距离内急剧变化。这样，当UE起初在原小区信号一直较好，不足以达到测量上报门限条件，而当UE达到测量结果上报条件时，往往为时已晚。

针对这个问题，当前还没有很好的解决方案。一个可能的办法是：网络针对UE处于不同的位置，并结合UE移动方向上的小区类型（如宏小区或小小区），为UE的不同邻区和频点配置不同的测量门限。这一方法可以提高UE发现小小区的有效性，代价是为网络的测量配置带来了一些额外的复杂度。

2.2用户移动速度的估测

但是，这些标准化的UE移动速度检测方案存在着先天的不足，主要是：这些方案的设计都是基于宏小区模型，而不太适用于异构网络的场景。具体而言，现有的方案中，假设的是各个小区的半径大致上是可以比较的，是一个量级的，因而可以通过对单位时间发生的重选次数或切换次数来做粗略的评估。但在异构网络的环境下，小区类型（小区尺寸）差别很大，于是，即使是匀速移动的UE，在同样的时间里，能够穿过（即发生小区重选或者切换）的小小区数量和宏小区数量可能差异很大，这样，估算UE的移动速度时，也将会有非常大的差异。因为UE的移动速度被广泛用于UE的移动性程序中，涉及到移动性测量中的相关偏置量和缩放因子的处理，进而影响移动性判决和移动性能，因而，UE移动速度的检测在异构网络的场景下必须尽量保持准确，而异构网络中不同形态的小区的广泛存在，使这一问题更加恶化。

针对这个问题，目前已经提出的方法是：UE在估算移动速度时，只计算与宏小区相关的重选和切换次数，而不计算小小区。但这个方法存在的问题是：当UE较多在小小区中停留或者移动时，相关的速度估算则明显不准确。一种可能的优化方案是：在计算UE的重选或者切换次数时，UE对于宏小区和小小区分别计算出一个结果，然后将二者以一定的系数进行耦合，得出一个综合的结果。这一方法可以依据有效提升UE的移动速度估计精度，从而提升移动性能。

2.3无线链路的中断与恢复

在异构网络场景下，宏小区与小小区的重叠覆盖，使得UE的无线环境复杂化。特别是如前所述的，小小区信号变化剧烈，UE对小小区的检测和测量难度加大，切换判决的及时性和准确度也受到严重影响，从而导致UE经常发生无线链路中断或切换失败，进而影响用户使用体验。LTE现有技术对无线链路中断已有一套机制，该机制主要依赖于网络侧。具体而言，当UE发现无线链路由于种种原因发生了中断，UE将启动无线链路重建过程，在这个过程中，UE将选择信号较好的合适的小区，并向该小区发起链路重建请求，该小区收到UE的重建请求后，会判断是否可以接纳该UE（依据是否有该UE的先验信息），若可以接纳，则为小区恢复无线链路。

如同上面的UE移动速度估测一样，这套机制也是以宏小区为基础模型来设计的，其隐含的假设在于，UE发生链路中断后，重新选择的小区要么还是原来发生链路中断的服务小区，要么是被原服务小区选作切换目标的目标小区，也即是相对确定的有先验信息小区。但在异构网络场景下，由于UE众多小小区的存在以及各小小区无线信号在短距离内的剧烈变化，导致UE重新选择的小区可能是一个全新的小区，而该小区很可能由于没有该UE的先验信息而拒绝UE的重建请求，致使UE回归到空闲态，也就是用户掉线。针对这个问题，一种可能的解决办法是：网络依据周边区域其他小区的部署信息，结合用户的移动方向和移动速度，提前将先验信息传递给UE移动区域周边的小区，从而，一旦UE发生无线链路中断并发起小区选择时，可以选择一个信号较好且具有UE先验信息的小区，进而，在UE发起链路重建时，该小区可以成功接纳该UE并为UE恢复无线链路

2.3终端省电

众所周知，随着智能终端的功能日益强大，终端功耗也越来越大，相应的，对省电的要求也越发重要而紧迫。终端的省电，一方面需要从UE本身使用各项业务的时间以及电池的容量方面去考虑，另外一个方面就是依据无线和移动通信的特点从信令设计的角度来改善。对于LTE标准而言，自设计之初就考虑到了终端省电的要求，其中的一个重要设计就是DRX（非连续性接收），简而言之，就是网络为UE配置一套断断续续的激活和休眠时刻，让UE尽可能多的处于休眠状态而减少信号收发，从而降低无线功耗。在LTE异构网络的场景下，DRX的设计面临着进一步的挑战。比如，由于众多小小区和无线环境的复杂化，UE的测量要求可能增加，同时，对于测量结果上报的及时性和频度也可能更高，这进一步导致UE的移动过程（小区重选和切换）发生得更加频繁，这些都拉长了UE激活时间并相应增加了功耗。此外，在异构网络环境下配置DRX参数时，UE还面临着休眠时间的设置与UE测量报告触发时间以及切换指令的折中。比如，当前的测量报告触发时间一般并不考虑DRX休眠时间的影响，但这些在异构网络环境下，将不得不重新审视。从无线信令处理的角度而言，对于终端省电的处理，在异构网络环境下，需要更仔细的考察DRX的配置与同频/异频测量以及切换指令之间的关系。这一关系，需要在实践中，经过大量的测试来形成基本的策略和基准。

三、总结

随着智能终端和移动业务的日益占据通信主流，LTE网络以其高性能设计和完善的产业成熟度终将成为下一代移动宽带的主要技术，而异构网络作为满足用户业务热点的一种低成本部署方式也将广泛应用。本文针对LTE异构网络中移动性方面存在的几个主要问题，做了初步的分析，并结合着现有技术给出了可行的进一步优化的建议方案，希望能够为我国即将到来的LTE商业部署提供一些借鉴和思路。

参考文献

[1] 3GPP TR 36.839 LTE Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Mobility enhancements in heterogeneous networks.

[2] Stefania sesia， Issam Toufik，The UMTS Long Term Evolution From Theory to Pratice， POSTS& TELECOM Press， 2009

[3] 3GPP TR 36.331 Evolved Universal Terrestrial Radio Access；Radio Resource Control；Protocol Specification

[4] Weiming Lang， Mobility Managementt Of LTE， Telecommunications Information，， 7， 2010

[5] Yinglong Liu， Research on Mobility Management in Wireless Heterogeneous IP Networks， BUPT Press，04，2012