（通信与信息系统专业论文）lte系统中的自组织网络技术研究.pdf

摘要 j i f i i f l i i r l l r l f l l l l lj ii r l l r ji r l r l l l l l l l 删 | y 19 7 4 5 5 4 3 g p p ( 3 埘g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 是未 来移动通信系统发展的主流技术，是3 g 系统的长期演进，对现有3 g 系统的网 络架构和无线接入方式都有较大的改进。在l t e 系统中，自组织网络技术已经 成为标准化工作的重要内容。下一代移动网络具有自配置、自优化和自治愈功 能，可以极大地缓解网规网优的工作量，减少网络建设和运营的成本。针对下 一代移动网络的特点，我们对l t e 系统中自组织网络s o n ( s e l f - o r g a n i z i n g n e t w o r k ) 技术开展研究。 本文基于自组织网络技术的研究，分别对于连接状态和空闲状态下的移动 性管理进行了优化，提出了相应的优化算法和方案，并对优化算法和方案进行 了仿真与分析。论文的主要研究工作如下： 1 调研了l t e 系统架构和自组织网络s o n 技术发展的相关内容，分析了 s o n 技术的功能实体和研究现状。 2 针对连接状态下的移动性管理，研究分析了l t e 系统的硬切换机制和移 动鲁棒性优化，并跟进l t e 的相关标准化工作进展。从用户移动特性和切换参 数这两方面考虑对移动鲁棒性开展研究，提出了基于用户速度特性的切换优化 算法，并进行了仿真验证，结果表明优化算法可以降低系统的无线链路失败率， 提高用户的切换成功率。 3 针对空闲状态下的移动性管理，研究分析了该状态下用户在小区间移动 时自动执行小区选择和重选的过程及准则。由于负载均衡过程将修改移动参数 设置，进而影响空闲状态下的移动性管理，所以考虑结合负载均衡场景，对空 闲状态下的移动性进行优化。在研究移动参数协商过程和分析负载均衡的基础 上，针对切换重选参数修改流程开展研究，提出了小区重选参数的协商方案， 并通过仿真验证重选参数修改协商方案的必要性。 关键词：自组织网络移动鲁棒性优化负载均衡优化切换小区重选 a b s t r a c t 3 g p pl t ei st h el a t e s ts t a n d a r df o r t h en e x t g e n e r a t i o n o fm o b i l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，w h i c hh a sm a d eg r e a ti m p r o v e m e n to nt h e s y s t e m a r c h i t e c t u r ea n dr a d i oa c c e s s t e c h n o l o g i e s s e l f - o r g a n i z i n gn e t w o r k ( s o n ) t e c h n o l o g yi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta s p e c t si nl t es y s t e m s n e x tg e n e r a t i o n m o b i l en e t w o r k sw i l lb es e l f - c o n f i g u r e d ，s e l f - o p t i m i z e da n ds e l f - h e a l e d s o n t e c h n o l o g i e sc a nr e d u c eo p e r a t i o n a la n dc a p i t a le x p e n d i t u r eb yd i m i n i s h i n gh u m a n i n v o l v e m e n ti nn e t w o r ko p e r a t i o n a lt a s k s s o nt e c h n o l o g yi nl t es y s t e mh a s a t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o nf r o mb o t hi n d u s t r ya n da c a d e m i a , a n di ss t i l lf a rf r o mb e i n g e x p l o r e d t h i st h e s i si n t r o d u c e st h em o b i l i t yr o b u s t n e s su s ec a s eo fs o n ，a n dd e v e l o p s m o b i l i t yr o b u s t n e s so p t i m i z a t i o n ( m r o ) a l g o r i t h m su n d e rb o t ht h er r c c o n n e c t e d a n di d l em o d e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h m si m p r o v et h es y s t e m p e r f o r m a n c es i g n i f i c a n t l y t h em a i nc o n t r i b u t i o ni sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , i n t r o d u c el t es y s t e ma r c h i t e c t u r ea n ds o nt e c h n o l o g y d i s c u s st h e p r o g r e s so f3 g p pl t es t a n d a r d i z a t i o na n dt h ec h a l l e n g e sf a c e db ys o n s e c o n d l y , i n t r o d u c eh a r dh a n d o v e ri nl t ea n dt h em o b i l i t yr o b u s t n e s s o p t i m i z a t i o nu s ec a s ei nm r o f o ru s e re q u i p m e n t s ( u e s ) u n d e rr r cc o n n e c t e d m o d e b a s e do nt h em o b i l i t ys t a t u so fu e ，an o v e la l g o r i t h mi sp r o p o s e d ，w h i c h a s s i g n sd i f f e r e n th a n d o v e rh y s t e r e s i sp a r a m e t e r sf o ru e sa td i f f e r e n ts p e e d s t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mg r e a t l yi n c r e a s e st h eh a n d o v e rs u c c e s s r a t ea n di m p r o v e st h eu s e re x p e r i e n c e t h i r d l y , i n t r o d u c ec e l ls e l e c t i o na n dc e l lr e s e l e c t i o np r o c e d u r e sf o ru e su n d e r r r ci d l em o d e d u et ot h ei m p a c to ft h em o b i l i t yl o a db a l a n c i n gp r o c e d u r eo n h a n d o v e r p a r a m e t e r s w h i c hm a k e sh a n d o v e r p a r a m e t e r s a n dc e l l s e l e c t i o n r e s e l e c t i o np a r a m e t e r su n m a t c h e d ，w ec o n s i d e ran e g o t i a t i o np r o c e d u r e b e t w e e nc e l l si nt h ep r o c e s so fo p t i m i z i n gc e l ls e l e c t i o n r e s e l e c t i o np a r a m e t e r s t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en e g o t i a t i o np r o c e d u r eh e l p st ob a l a n c et h ec e l ll o a d ， d e c r e a s et h en u m b e ro f p i n g p o n gh a n d o v e r s ，a n dh e n c ei m p r o v es y s t e m p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：s e l f - o r g a n i z i n gn e t w o r k ( s o n ) ，m o b i l i t yr o b u s t n e s so p t i m i z a t i o n ( m r o ) ，m o b i l i t yl o a db a l a n c i n g ( m l b ) ，h a n d o v e r , c e l lr e s e l e c t i o n i i i 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 无线移动通信已成为当今世界通信领域内发展潜力最大、市场前景最广的 热点技术之一，也是中国通信业持续快速增长的主要推动力，对中国经济社会 发展和广大人民的日常生活产生了深远影响。近年来，随着无线移动通信市场 的发展，用户数量飞速增加，业务种类和带宽的需求不断增加，现有的通信系 统已远远不能满足未来用户需求。以宽带、高效、全移动和全业务为特征的新 一代宽带无线移动通信网的研究迫在眉睫。 l t e ( l o n gt e r me v o l m i o n ，长期演进) 项目是3 g 的演进，其研究始于2 0 0 4 年3 g p p ( 3 坩g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ，第3 代合作伙伴计划) 多伦多会议。 l t e 系统作为3 g 向4 g 的演进系统，它对3 g 系统的物理层空中接口技术、多 址技术、多天线技术、调度技术、网络架构等方面进行了全面的改进和演化， 使系统性能得到了全面的提升。l t e 系统已于2 0 1 0 年3 月完成r e l e a s e9 版本 的协议制定，并启动r e l e a s e1 0 版本的协议制定工作，而l t er e l e a s e1 0 系统 又称为l t e a d v a n c e d 系统，其标准即为i t u4 g 标准最主要的候选者。 m m e ，s g w ：j m m e ，s g w e n b 图1 1l t e 系统接入网架构 l t e 系统中的自组织网络技术研究 l t e 系统的接入网架构如上图1 1 【l 】所示。l t e 系统的接入网又称为 e u t 砒气n ( e v o l v e du n i v e r s a lt e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k ，演进型全球地面 无线接入网) 由e n b ( e v o l v e dn o d eb ，演进型基站) 构成，e n b 之间由x 2 接 口互连，每个e n b 又和e p c ( e v o l v e dp a c k e tc o r e ，演迸型分组核心网) 通过 s 1 接口相连。在e p c 端，s l 接口的用户面( u s e r - p l a n e ) 和控制面( c o n t r 0 1 p l a n e ) 分别终止在s - g w ( s e r v i n gg a t e w a y , 服务网关) 和m m e ( m o b i l i t ym a n a g e m e n t e n t i t y , 移动性管理实体) 上【旧。 随着通信技术的快速发展，蜂窝网络变得越来越复杂和庞大。对于网络运 营商来说，在使用新技术的同时，如何降低c a p e x ( c a p i t a le x p e n d i t u r e s ，基 础设施建设费用) 以及o p e x ( o p e r a t i n ge x p e n s e s ，网络运营费用) ，是一个巨 大的挑战。根据i t u r m 1 6 4 5 文件中的明确定义，接入网络的高度自配置、自 优化和自治愈是i m t - a d v a n c e d 系统的一个重要设计目标。在这一背景下， n g m n ( n e x tg e n e r a t i o nm o b i l en e t w o r k ，下一代移动网络) 和3 g p p 国际标准 化组织先后提出了s o n ( s e l f - o r g a n i z i n g n e t w o r k , 自组织网络) 的具体需求， 并正在l t e s a e 系统中开展标准化的制定工作p 。5 1 。 网络优化在移动通信系统的运营周期中，是一个十分重要的部分。在2 g 移 动通信网络中，已经针对网络规划及优化定义了一系列的规范流程；在3 g 系 统中，各种网络规划及优化的方法和工具均得到了进一步的改进。在2 g 和3 g 移动通信系统的网络优化中，包括了通过基站维护、信令测试调试、数据收集 分析等手段来改善覆盖，降低干扰；然而，这种传统的网络布设和优化是十分 复杂和具有挑战性的。在未来移动通信网络中，多种多样的小区类型( 宏小区、 微小区、微微小区等) 将同时存在，网络中需要进行优化配置的参数也将大大 增加，这些都促使我们去寻找更好的网络规划、优化手段。在i m t - a d v a n c e d 系统中，s o n 技术将成为运营商对网络进行规划、维护、优化的主要手段。s o n 技术主要包括对网络进行自配置、自优化和自治愈三个方面的内容，网络自组 织示意图如下图1 2 所示。 2 第一章绪论 图1 2 网络自组织示意图 自配置( s e l f - c o n f i g u r a t i o n ) 功能是指对新部署的基站节点通过自动配置过 程对回程接口进行配置，从而与e p c 建立连接，获得必要的无线参数配置信息 和系统运行软件。基站的自配置功能工作在预运行状态，当其完成自配置后， 便进入正常的运行状态。基站自配置功能在l t er e l e a s e8 版本的协议中已经完 成标准化。自优化( s e l f - o p t i m i z a t i o n ) 功能是指在系统正常运行过程中，为适 应无线环境的变化，通过u e ( u s e re q u i p m e n t ，用户设备) 、基站提供的测量结 果以及性能测量信息，基站在运营商配置的参数范围内自适应的调整网络的运 行参数，以适应网络环境的变化，从而达到网络性能优化的目的。而自治愈 ( s e l f - h e a l i n g ) 功能则是系统检测到问题时能自主减轻或解决，从而减少维护 工作成本并避免对网络质量和用户感受的影响。3 g p p 也确定了s o n 技术在l t e r e l e a s e9 和r e l e a s e l 0 中的工作目标，包括完成覆盖与容量优化( c o v e r a g ea n d c a p a c i t yo p t i m i z a t i o n ，c c o ) 、移动鲁棒性优化( m o b i l i t yr o b u s t n e s so p t i m i z a t i o n ， m r o ) 、移动负载均衡优化( m o b i l i t yl o a db a l a n c i n g ，m l b ) 、随机接入信道优 化( r a n d o ma c c e s sc h a n n e lo p t i m i z a t i o n ，r a c h ) 、路测( d r i v et e s t i n g ，d t ) 和 节能管理( e n e r g ys a v m gm a n a g e m e n t ，e s ) 的具体方案及标准制定。 1 2 研究目的和意义 下一代移动通信网络面临的主要挑战是，在继续提高服务质量的同时如何 减少运营商的系统配置和维护成本，也就是如何构造一个自组织、自适应、自 3 l t e 系统中的自组织网络技术研究 优化和自治愈的网络，从而减少人工维护和干预6 ，7 1 。在3 g p p 开展的u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ，通用移动通信系统) 技术的长期 演进l t e 以及l t e a d v a n c e d 系统中，自组织网络s o n 技术已被正式列入 工作课题【8 , 9 1 。 纵观全球，目前s o c r a t e s 项目、3 g p p 组织、n g m n 组织、i e e e 8 0 2 1 6 m 分别开展s o n 方面的研究与讨论f l o l ，其中s o c r a t e 项目 1 1 - 1 6 s e _ 足研究l t e 系统下的自组织技术，通过将传统网络中的网络规划、网络配置和网络优化三 个相对独立的步骤融合为一个独立、统一的自动化过程，达到优化网络的性能、 减少人工操作复杂度的目的；3 g p p 协议也为自配置、自优化和自治愈分别定义 了相关的用户场景；相比而言，n g m n 组织1 7 , 1 8 1 将自配置、自优化和自治愈划 分为网络规划、设备铺设、自优化和维持四个相对独立的方面，并分别规定各 自的用户场景和需求；i e e e 8 0 2 1 6 m 标准在s o n 方面的讨论仅限于空中接口性 能指标的测量和上报，以及相应的基站参数自动调整。 从标准化的现状来看，目前s o n 标准化工作主要还是在3 g p p 组织内进行， 重点包括s o n 在无线网络中的应用场景和实现方案，相应的s 1 x 2 接口的影响， 及对电信管理网络的影响和接口要求【l o l 。s o n 技术在3 g p pl t e l t e a d v a n c e d 系统中进行标准化制定，有三个主要的驱动力： ( 1 ) 蜂窝系统的快速演进导致多种系统( g s m 、u m t s 和l t e s a e 等) 同时 运营，多系统之间的协调需进一步优化； ( 2 ) 家庭基站、中继站等新节点的引入，使基站数量大大增加，网络场景和干 扰环境变得更为复杂，需要宏小区、微小区和微微小区之间进行较好的协调； ( 3 ) l t e a d v a n c e d 系统的先进性和复杂性，使得网络参数的数量十分庞大且 管理复杂。 下图1 3 1 1 9 】给出应用s o n 技术后网络运行维护与使用人力和其他工具的传 统网络运行维护机制的对比。自配置技术可以使网络运营商更快速的安装和部 署基站，并且可以实现新加入基站的即插即用，因此，自配置技术是移动通信 网络在预运行状态的一项重要技术。其次，自优化技术，如随机接入优化技术 等，将使网络能够自适应地选择和调整适当的算法及参数，来达到系统的最优 性能体现，因此，自优化技术是网络运行状态时提高网络性能的关键技术。晟 4 第一章绪 论 后，自治愈技术将帮助运营商把网络从失败或异常状态中自动恢复。自治愈技 术通常是一个事件触发的过程，当网络性能下降到某个门限或者网络节点的失 败发生，将触发自治愈过程的启动。 基站开启电源 基站开启电源 i 一十 一 配置 i ，1 人力工具 预运行状态 自配置l ， j l l 卜 优化人力工具 自优化s o n 协调 ，7 运行阶段 - j 白治俞i 一。 1 r 治愈 i ，1 人力t 具 刚日思i 1 一 ( a ) 传统的网络操作( b ) 具有s o n 功能的操作 图1 3 应用s o n 技术前后网络操作对比 s o n 技术的目标是使网络具有自动进行配置、优化和治愈的功能，从而减 少网络维护中的人为操作，并且提高网络性能。l t e s a e 中s o n 技术相关的 标准化工作主要在r a n 3 和s a 5 两个工作组中进行。在l t er e l e a s e1 0 之前的 标准化工作中，s o n 技术的研究仅考虑开放式的基站，并且主要针对l t e 单一 系统进行考虑，具体的研究内容包括基站物理小区标识的分配、邻居列表自动 建立、移动鲁棒性检测、移动负载均衡和随机接入信道优化等多个方面。在 r e l e a s e1 0 及之后的标准化演进中，网络容量覆盖优化、小区中断补偿、节能、 家庭基站与宏基站的协调、家庭基站之间的协调、频谱聚合等新技术带来的影 响、不同接入系统之间( i n t e r - r a t ) 的自组织等，在下一代移动网络中的其他 自组织网络需求将成为新的研究目标。 1 3 国内外研究现状 目前，各大运营商一改在3 g 标准制定中的被动角色，在i m t - a d v a n c e d 技 术的发展上以积极的态度主导技术发展趋势，并介入国际标准制定过程，不但 积极向国际标准组织提出技术提案，更进一步要求在i m t - a d v a n c e d 系统网络中 5 l t e 系统中的自组织网络技术研究 降低o p e x 及c a p e x 费用。为此，运营商联盟n g m n b 6 , 1 7 】于2 0 0 6 年9 月成 立，并提出下一代通信网络的需求以及研究用例【2 0 - 2 1 1 。此外，在3 g p p 标准化 组织中，s o n 也被列为一个非常重要的工作项目，该组织在规范版本r e l e a s e8 中推出了技术规范t s3 6 9 0 2 ，其分别针对s o n 技术应用实例和解决方案进行 技术研究和标准化制定。在3 g p p 中设置了4 个技术专家组进行标准制定，分 别进行g e r a n 、r a n 、s a 和c t 的研究，其中s a 5 工作组在2 0 0 8 年成立了 s o n 子工作组，专门讨论s o n 技术相关议题，r a n 3 主要讨论s o n 的相关用 例需求和解决方案，以及定义x 2 s 1 接口部分内容。 根据i ，r u rm 1 6 4 5 文件中的定义，接入网络的高度自配置自优化是 i m t - a d v a n c e d 的一个重要设计目标。自配置自优化的目的是尽可能的减少 i m t - a d v a n c e d 网络系统的建设投资成本和网络系统的运营和维护成本。某运营 商曾经对站点生命周期的成本结构进行分析，结果发现最高的成本组成来自于 安装调试与运营，分别占总成本的6 5 与2 5 。这两个环节都涉及了大量的人 工和重复操作。当然，在网规和网优环节，虽有一定程度的自动化，但还是需 要有很多人工参与。如果在网规、网优、安装和运营环境引入s o n 技术，将可 节约4 0 的成本。因此研究s o n 技术，在组网过程中部署s o n 功能，为实现 节能网优的目标，具有高度的国家战略意义。 在i m t - a d v a n c e d 系统中，多种类型的基站将共同存在，微型、微微型基站 将大量布设，基站节点数目相比与2 g 和3 g 网络将有很大提高，自配置技术是 减少基站安装布设成本的有效方法，运营商可通过核心网为整个网络提供无线 参数及软件配置，无需人工干预。家庭基站的投入使用，使网络的布设变得更 加随意，超出了运营商网络规划的范围，设计家庭基站的主要无线参数的自配 置方案，可最大限度的减少家庭基站之间以及对宏基站的干扰。移动用户及其 业务分布的不均匀性、实时变化性，以及不可预测性，造成小区间负载的不均 衡，从而降低资源利用率。为解决这一问题，以及最小化到达负载均衡所需的 小区切换和重选次数，需要动态地根据小区负载状况优化i n t r a - l t e 和i n t e r - r a t 的重选切换参数，从而提高系统容量，并且减少人工干预【2 2 。2 4 】。在网络中，由 于小区之间切换参数的不匹配会造成过早切换，过晚切换，切换到错误小区等 降低网络效率和用户体验的事件，如何检测出这些降低网络性能的事件，并进 6 第一章绪论 行改善是亟需解决的问题【2 5 副】。另外，i m t - a d v a n c e d 系统的需求包含对高速移 动用户的支持，但是在高速移动状态下，r l f ( r a d i ol i n kf a i l u r e ，无线链路失 败) 事件的产生将更加频繁，如何动态地根据小区用户的移动状态对网络进行 调整也是需要研究的问题之一。能源消耗是运营商在运营成本中一个重要部分， 当网络能够为用户提供足够的容量时，可以通过有选择地关闭一些基站，来达 到节约能源消耗的目的。另一方面，网络故障的自动检测、定位和修复也是运 营商减少人力干预，节约运营成本的一个重要方面。在i m t - a d v a n c e d 系统中， 网络故障将通过智能的故障检测、定位机制，故障自动修复机制来实现自治愈， 这与传统的通过人工路测的方式来检测故障，由人力来进行故障分析和解决的 方式相比较，能大大节约网络的维护成本，并且可在一定程度上改善用户的体 验。综上所述，由于蜂窝网络变得越来越复杂，涉及到的网络参数十分庞大， 因此研究适应蜂窝系统的快速演进，并且降低基础设施建设费用以及网络运营 费用，提高网络性能的s o n 技术，为我国在i m t - a d v a n c e d 研发和产业化中占 据领先地位，具有十分重要的意义。 1 4 本文主要内容安排 论文的结构安排如下： 第一章绪论，首先，阐述了l t e 系统架构网络，重点对自组织网络s o n 技 术的功能实体及研究意义做了介绍。其次，进一步阐述了s o n 技术在3 g p p l t e l t e a d v a n c e d 系统中进行标准化制定的途径和方法。最后，介绍了论文的 主要内容安排。 第二章针对连接状态下的移动性管理，主要概括了i n t r a - l t e 硬切换过程的 详细流程，分析了i n t r a l t e 硬切换的特点。总结了移动鲁棒性优化的标准进展 和策略分析，其中，重点研究讨论了过晚切换、过早切换和切换到错误小区的 典型事例，并进行了相应的分析。 第三章主要进行在连接状态下的移动性优化工作，从用户移动特性和切换 参数这两方面对移动鲁棒性开展研究，提出了基于用户速度特性的切换优化算 法，详细描述了移动性迟滞参数( h y s t e r e s i s ) 配置的原理和方法，搭建m a t l a b 仿真平台，加以验证。仿真结果表明所提优化算法取得了较好的性能。 7 l t e 系统中的自组织网络技术研究 第四章针对空闲状态下的移动性管理，主要概括了空闲状态下用户在小区 间移动时自动执行小区选择和重选的过程，分析了i n t r a l t e 小区选择重选的 算法。由于负载均衡过程将修改移动参数设置，进而影响空闲状态下的移动性 管理，因此考虑结合负载均衡场景，进行空闲状态下的移动性优化，总结了移 动负载均衡优化的标准进展和策略分析。 第五章主要进行在空闲状态下的移动性优化工作，在基于研究移动参数协 商过程和负载均衡的基础上，针对切换重选参数修改方面开展研究，提出了基 于负载均衡的重选参数协商方案，搭建m a t l a b 仿真平台，加以验证。仿真结 果验证了所提协商方案的必要性。 最后，第六章对全文进行总结，并提出下一步的研究工作。 8 第二章连接状态的移动性管理 第二章连接状态的移动性管理 连接状态下的用户移动性管理是通过用户在小区间进行切换来实现的。切 换整体性能最重要的衡量指标是切换成功率，而s o n 技术标准化中移动鲁棒性 优化的目标是提高用户切换成功率，降低其发生无线链路失败的可能，所以， 要进行移动鲁棒性优化首先要对用户切换内容做分析。本章我们首先研究l t e 系统内的切换机制，其次对目前移动鲁棒性优化内容的标准化进展做出分析总 厶 ；口o 2 1 连接状态机制简介 本文所说的连接状态是指演进型分组系统e p s 连接性管理( e p s c o n n e c t i v i t ym a n a g e m e n t ，e c m ) 的连接状态( e c m c o n n e c t e d ) ，其主要特 征描述如下【3 2 j ： ( 1 ) 用户与网络之间有r r c 和s 1 m m e t 3 3 ，3 4 】两部分信令连接； ( 2 ) 网络对用户位置所知精度为小区级别； ( 3 ) 由切换过程来控制在连接状态的用户移动性管理； ( 4 ) 当用户进入未注册的的新跟踪区时，应执行跟踪区域( t r a c k i n g a r e a ，t a ) 更新； ( 5 ) s 1 释放过程将使用户从e p s 连接性管理的连接状态转移到空闲状态。 2 2i n t r a l t e 移动性管理 2 2 1 硬切换概述 切换是系统移动性管理中的重要功能，而在移动性方面，文献 1 】中将l t e 系统中的用户状态划分为r r ci d l e 和r r cc o n n e c t e d 两种，其中 r r ci d l e 状态下对应的移动性行为是小区选择重选，而r r cc o n n e c t e d 状态下对应的移动性行为即为切换【3 副。切换过程根据用户在与目标基站建立新 连接前是否与源基站断开连接，一般分为硬切换和软切换类型。由于目前l t e 系统在上行和下行都没有采用宏分集合并技术【2 】，所以l t e 系统无法采用软切 9 l t e 系统中的自组织网络技术研究 换，而是采用硬切换，也就是在用户连接到目标小区前，先断开与源小区的连 接。 切换是用户在业务连接状态下，保持业务服务基本不变，无线承载由目前 小区改为相邻小区的操作过程。切换是系统移动性管理的重要组成部分，切换 成功率也是系统移动性管理性能的重要指标。源侧基站决定切换过程的发起， 其通过控制和评估用户与基站的测量结果，并考虑用户的区域限制情况，从而 来判定是否发起用户切换过程。l t e 系统内切换均采用用户辅助的网络控制方 式，其中在e u t r a n 中执行切换准备信令，切换后所需要的资源则在目标系 统中被预留，待切换命令执行后再为用户分配这些预留的资源【3 2 1 。这个过程还 包括在相关节点之间传输上下文信息、转发用户数据，以及用户平面和控制平 面的核心网节点重定位。 这里我们考虑的是目标小区和源小区是相同无线接入技术( r a d i oa c c e s s t e c h n o l o g y , r a t ) ，切换是i n t r a - r a t 方式。由源基站直接与目标基站通过x 2 3 6 , 3 7 1 接口进行交互，且不涉及演进型分组核心网节点重定位的移动性管理【3 8 】。该切 换过程主要包括四个阶段：测量控制_ 切换准备_ 切换执行_ 切换完成。其中 测量控制和切换准备是由用户跟基站完成；切换判决是在基站中进行；切换执 行是在用户、基站和移动性管理实体m m e 的共同协作下完成【3 5 】。 1 0 第二章连接状态的移动性管理 2 2 2 硬切换流程 图2 1m m e 内切换过程 当l t e 接入系统内的切换在同一个m m e 内执行时，切换过程不涉及这个 m m e ，即由源基站直接与目标基站通过x 2 接u i 进行交互。上图2 1 t 1 1 描述了一 个详尽的切换过程，该切换过程为一个不涉及m m e 改变也不涉及服务网关改 l t e 系统中的自组织网络技术研究 变的l t e 接入系统内的切换过程( 属于i n t r a - m m e s e r v i n gg a t e w a yh o ) 。其中 步骤属于测量控制阶段，步骤4 7 属于切换准备阶段，步骤8 1 1 属于切换 执行阶段，步骤1 2 1 8 属于切换完成阶段。 具体步骤如下： 步骤0 ：针对处于连接状态的用户来说，源基站已经从m m e s e r v i n g g a t e w a y 获得用户的相关漫游限制信息。 步骤1 ：源基站根据所获得的相关漫游限制信息对用户下发测量控制消息 ( m e a s u r e m e n tr e p o r t ) ，从而配置用户测量过程，如控制用户测量的范围、方 式等。 步骤2 ：用户根据所需测量配置的内容，完成相应测量，并发送该测量报 告( m e a s u r e m e mr e p o r t ) 给源基站。 步骤3 ：源基站根据用户所提供的测量报告和无线资源管理r r m 信息，在 基站内进行切换判决过程，决定用户是否进行切换。 步骤4 ：源基站根据判决准则，当满足切换条件时，向目标基站发送切换 请求( h a n d o v e rr e q u e s t ) 消息，通知目标基站在切换时所必需的信息，其中包 含在目标侧为切换准备所必需的信息，如用户在源基站中的相关信令、上下文 参考信息、目标基站标识等。 步骤5 ：目标基站可根据源基站所发请求及相关信息，对用户执行接纳控 制。 步骤6 ：若目标基站接受用户接入，则在完成接纳控制后，目标基站返回 切换请求确认( h a n d o v e rr e q u e s ta c k n o w l e d g e ) 消息给源基站，该消息中包含 发送给用户的切换命令和其他所需参数。 步骤7 ：当源基站收到目标基站切换请求确认后，会产生r r c 消息切换信 令，并发送给用户，该消息中会将目标基站的配置信息提前通知给源基站，使 其做好相应的资源和功能准备，用户收到该消息后开始执行切换过程。 步骤8 ：源基站将s ns t a t u st r a n s f e r 消息通知给目标基站。 步骤9 ：当用户接收到来自源基站的相关信息后，向目标基站开始同步接 入。 步骤1 0 ：目标基站接收到同步接入消息后向用户下发u l a l l o c a t i o n 上行分 1 2 第二章连接状态的移动性管理 配及时间提前量。 步骤11 ：当用户成功接入，并与目标基站取得同步，则用户向目标基站发 送切换完成( h a n d o v e rc o m p l e t e ) 消息，确认切换过程完成。 步骤1 2 ：目标基站向m m e 发送路径更改请求( p a t hs w i t c hr e q u e s t ) 消息， 告知为该用户服务的基站已经发生改变。 步骤1 3 ：m m e 收到来自目标基站的路径更改请求消息后，向服务网关发 送更新用户平面请求( u p d a t eu s e rp l a n er e q u e s t ) 消息，通知其用户平面的连 接需要从源基站切换到目标基站。 步骤1 4 ：服务网关进行下行路径更改过程，将路径更改为目标基站，之后 会发送一个或者几个e n dm a r k e r 给源基站，此时释放该路径。 步骤1 5 ：当服务网关确认下行路径更新后，向m m e 发送用户平面更新响 应( u s e rp l a n eu p d a t er e s p o n s e ) 消息。 步骤1 6 ：m m e 接收到服务网关发来的更新用户平面响应后，向目标基站 发送确认路径更新( p a t hs w i t c hr e q u e s t a c k n o w l e d g e ) 消息。 步骤1 7 ：目标基站接收到来自m m e 的路径更新确认消息后，向源基站发 送用户上下文释放( u ec o n t e x tr e l e a s e ) 消息，告知源基站切换已经成功完成， 可以释放原先所占用的资源。 步骤1 8 ：源基站根据目标基站的要求，释放该用户在无线的和控制平面的 所占相关资源。 上述己详细介绍了控制平面的处理过程，下面简单介绍一下切换过程中在 用户平面进行的处理，该处理过程可以保证避免数据的丢失，并且能够支持无 缝无损的业务【3 2 】： ( 1 ) 切换准备过程中，源基站和目标基站间建立用户平面隧道； ( 2 ) 切换执行过程中，用户数据可依赖于业务或者基于实现方式从源基站转发 到目标基站； ( 3 ) 切换完成阶段：目标基站发送切换完成消息到移动性管理实体m m e ，通 知其切换完成；演进型分组核心网e p c 将用户平面路径从源基站切换到目标基 站，而源基站在持续从演进型分组核心网e p c 收到数据或者缓存的数据还没有 发送完毕的情况下可继续进行数据转发。 1 3 l t e 系统中的自组织网络技术研究 2 2 3 硬切换分析 3 g p p 规范中的l t e 硬切换过程的特点是：在切换执行过程中，用户断开与源 小区的连接，准备同步接入目标小区，同时源小区会向目标小区缓存下行数据， 等切换完成，再由目标小区转发缓存数据到用户。可见在l t e 系统中，e u t r a n 内的无损切换是采用数据转发来实现的。这样的处理虽然能保证数据的无损失， 但是在执行切换阶段用户断开与源小区的连接，此时如果在中断时间内受到干扰 或者切换参数设置不合理等因素的影响，会导致用户发生切换失败，引起掉话； 当硬切换区域面积狭窄时，会出现目标基站与源基站之间进行来回重复切换的 “乒乓现象 ，影响业务信道的传输，会对具有高服务质量要求的业务产生消极 影响。 2 3 标准化进展和分析 在2 g 3 g 系统中，切换参数是由网络运营商手动设置的，配置过程比较耗 时，并且手动配置切换参数这种方式的鲁棒性较差，当网络环境变化时，极易 导致用户发生过晚( t o ol a t eh o s ) 、过早( t o oe a r l yh o s ) 、切换到错误小区( h o t oaw r o n gc e l l ) 等切换失败事件。 为解决上述问题，3 g p p 在l t e 系统的s o n 技术r e l e a s e9 中引入了移动鲁 棒性优化m r o 的功能。移动鲁棒性优化的主要思路是通过先检测到相关问题， 然后根据问题提供解决方案进行优化。在m r o 中每发生一次r l f ( r a d i ol i n k f a i l u r e ，无线链路失败) 事件，用户就会发送r l f 报告给相应的基站，基站会 对收到的r l f 报告进行分析，并且通过相互间的交互协作完成对各自切换参数 的调整，从而避免r l f 事件的发生。移动鲁棒性优化使得各基站可以根据r l f 事件类型动态调整自己的切换参数，来优化切换过程，使用户得到最好的服务。 当前移动鲁棒性优化的主要目标是 9 1 ：减少切换相关的r l f 事件发生以及 减少不必要切换所带来的网络资源低效率使用情况。 2 3 1 过晚切换( t o ol a t eh o s ) 在两个覆盖重叠的小区中，小区a 为源小区，小区b 为目标小区。用户在小区 1 4 第二章连接状态的移动性管理 a 中由基站a 提供服务。 当用户从源小区a 向目标小区b 运动时，如果用户的移动性超出切换参数配 置的允许范围外，在切换触发时，由于源小区a 的信号质量已经很低，导致用 户发生r l f 或者是用户在运动过程中，由于无线链路环境恶化严重，切换过程 还没有触发就已经发生r l f ，之后用户重新搜索选择可以服务的小区，此时用户 重新连接到目标小区b ，该过程我们判定用户在源小区a 发生过晚切换而导致 r l f 。 所以，对于过晚切换的特征可以描述为： ( 1 ) 在切换触发前或者是在切换过程中，用户在源小区a 发生r l f ； ( 2 ) 用户在目标小区b ( 非源小区) 中重新建立连接。 由于在源小区a 收到来自用户的切换触发测量报告消息前，用户会发生r l f ， 则源小区a 通常没有意识到过晚切换的发生。因此，在重新建立连接的目标小区 b 将发送r l f 事件给源小区a 是很有必要的，这是为了让源小区a 恰当的识别出过 晚切换的发生，从而调整切换相关参数。 所以，对于过晚切换的检测如下图2 2 所示，可以描述为： 如果用户在小区a 发生r l f 后重新建立连接到小区b ，则小区b 将汇报这次 r l f 事件给小区a 。r l f 事件所包含的信息通常有：失败小区标识( f a i l u r ec e l li d ， f c i ) 、重建连接小区标识( r e e s t a b l i s hc e l li d ，r c i ) 和小区随机接入无线网络临 时标识( c e l l r a n d o m