LTE系统的切换机制优化优秀毕业论文.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文 lte系统的切换机制优化 姓名 洪亮 申请学位级别 硕士 专业 通信与信息工程 指导教师 潘甦 2010 01 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 i 摘摘摘摘 要要要要 本文主要研究切换机制的优化 长期演进 lte 是基于3gpp协议标准的一种全球无线接 入技术 由于其高传输带宽 多业务支持能力以及相对灵活的组网方式 使其成为了通信 领域的热点研究问题 3gpp lte是基于ofdm和mimo技术对当前3g系统的中长期演进 对现有3g系统的网络结构和无线接入方式都有较大的改进 切换是移动性管理的重要组成 部分 论文重点研究lte系统中的切换技术 论文首先介绍了3g的发展背景及发展状况 之后分析了lte系统的网络结构 着重介绍 了lte无线网络的网络单元功能和无线接口 第三章首先详细分析了lte的接入过程 主 要是lte的小区搜索过程以及系统信息 最后分析了邻区列表和切换的关系 接着研究了lte的切换流程 详尽分析了现有的lte切换参数 之后分析了各厂商现有 的降低中断时间的方案 并综合比较提出了一种基于提前接入的最优化时延切换方案 最 后一章重点研究了切换判决算法 通过对rsrp和rsrq切换算法的分析 提出了一种基于 层次分析法的权重判决算法 综合rsrp rsrq 以及负载三个因素进行联合切换判决 对权值进行一致性检验 尽可能的降低了整网的丢话率并且减少了切换次数 关键词关键词关键词关键词 lte 切换切换切换切换 优化优化优化优化 判决判决判决判决 时延时延时延时延 南京邮电大学硕士研究生学位论文 abstract ii abstract this paper focuses on the optimization of handover technology in lte the lte technology which is based on the 3gpp standards has become a research hot spot in the wireless communication field for it s high data transmit rate heterogeneous services supporting and efficient network mode 3gpp lte based on the technology of ofdm and mimo is the long term evolution of 3g system and it has made great improvement on the network structure and radio access handover is one of the most important aspects in mobile management this paper summarizes the network architecture and access network structure of lte system in chapter three the access process of lte system is introduced cell search procedures are presented in detail and the system information is closed studied in the end of this chapter the relationship of cell relation list and handover is illustrated the process of handover in lte is described in detail after the analysis of all of the parameters and measurement steps in handover this paper gives the existing schemes of reducing the interruption time during handover then we propose a scheme based on the early random access handover in the last chapter a handover decision algorithm based on ahp and weight is proposed through the comparison between this algorithm and the algorithm based on rsrp only which are widely used this algorithm performance lower rate of dropped calls and smaller number of handover 南京邮电大学硕士研究生学位论文 缩略语 64 缩略语缩略语缩略语缩略语 3gpp the 3rd generation partnership project 第三代合作伙伴计划 wimax worldwide interoperability for microwave access 全球协同微波接入系统 tdd time division duplexing 时分双工 fdd frequency division duplexing 频分双工 udp user datagram protocol 用户数据协议 pdu protocol data unit 协议数据单元 sctp stream control transmission protocol 流控制传输协议 pdcp packet data convergence protocol 分组数据汇聚协议 rlc radio link control 无线链路控制 bch broadcast channel 广播信道 pss primary synchronization signal 主同步信号 sss secondary synchronization signal 辅同步信号 psch primary synchronization channel 主同步信道 ssch secondary synchronization channel 辅同步信道 cp cyclic prefix 循环前缀 pbch physical broadcast channel 物理广播信道 mib master information block 主信息块 sib system information block 系统信息块 bcch broadcast control channel 广播控制机信道 phich physical hybrid arq indicator channel 物理harq指示信道 pdcch physical downlink control channel 物理下行链路共享信道 sfn system frame number 系统帧号 rnti radio network temporary identifier 无线网络临时标识 rsrp reference symbol received power 参考信号强度 rsrq reference signal receiving quality 参考信号质量 rssi received signal strength indicator 接收的信号强度指示 nrt neighbour relation table 邻区关系列表 gci global cell identity 全球小区标识 南京邮电大学硕士研究生学位论文 缩略语 65 pci pre coding control indication 预编码控制指示 ta timing advanced 时间预先值 rach random access channel 随机接入信道 rab radio access bearer 无线接入承载 cpich common pilot channel 公共导频信道 rrm radio resource management 无线资源管理 rb radio bearer 无线承载 sinr signal to interference plus noise ratio 信号与干扰加噪声比 nsra non synchronized radio access 非同步化无线电接入 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其它复制手段保存论 文 本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 除在保密期内的保密论文 外 允许论文被查阅和借阅 可以公布 包括刊登 论文的全部或部分内容 论文的公布 包括刊登 授权南京邮电大学研究生部办理 研究生签名 日期 研究生签名 导师签名 日期 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 1 第一章第一章第一章第一章 绪论绪论绪论绪论 1 1 引言引言引言引言 移动通信是指通信的双方至少有一方在移动中进行信息交流的的通信方式 当今世界 上最先进的通信方式之一 蜂窝式移动通信 就正式商业运营而言 也不过只有20多年的 历史 就其发展历程看 大约每10年就更新一代 目前处于第二代移动通信和第三代移动 通信的交接期 移动通信从第一代模拟移信系统开始发展至今 主要历程如下 10 郑侃 赵慧 王文博 3g长期演进技术与系统设计 北京 电子工业出版社 2007 1 第一代移动通信系统 1g 接入技术采用频分多址 fdma frequency division multiple access 并以模拟语音技术为核心 其典型系统为美国的amps advanced multiple phone service 北欧的nmt nordic mobiletelephony 和英国的tacs total access communication system 但现在这种系统已经基本被淘汰 2 第二代移动通信系统 2g 接入结束主要分为时分多址 tdma time division multiple access 和码分多址 cdma code division multiple access 两种 并以数字语 音传输技术为核心 其典型系统为gsm global system for mobile system 和is 95 3 基于2g与3g之间的过渡系统 2 5g 增强数据业务支持 相对2g在数据的传输速 率和频率效率上有所提高 典型系统包括通用无线分组业务 gprs general packet radio service 和增强数据速率的gsm演进 edge enhanced data rates for gsm evolution 4 第三代移动通信系统 3g 主流技术为cdma技术 通过增强的空中接口 提供 更高速率和宽带数据的传输 典型系统包括wcdma cdma2000和td scdma 5 增强型3g系统 原3g系统中增强空中接口功能 并部分调整原3g系统的核心网结 构 支持更高速率和更高可靠性的数据传输 强调提供无处不在 连续覆盖 高移动性 全业务 语音和数据 以及更高数据速率的移动通信 具体包括高速下行链路分组接入 hsdpa high speed downlink package access 和高速上行链路分组接入 hsupa high speed uplink package access cdma2000 1xev以及td scdma的增强型技术等 6 演进型3g系统 e3g evolved 3g 是3gpp lte 长期演进 和3gpp1 2 3g发展 的背景的背后动机 1 2 1 3g 历史和背景 3gpp规范的蜂窝技术是世界上布网最广泛的 截至2008年 蜂窝技术的用户已超过 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 2 26亿 3gpp研究和发展的最新阶段是从3g到演进的无线接入网和演进的分组接入核心网 的发展 其中前者叫做lte long term evolution 长期演进 后者叫做sae system architecture evolution 系统架构演进 模拟电话网络包括北欧各国在80年代的nmt nordic mobile telephony 北欧移动电 话 系统 与此同时 模拟amps advanced mobile phone service 高级移动电话系统 在北 美开始应用 另外还有tacs 随着80年代数字通信的到来 数字技术给移动通信系统带 来了机遇 确定gsm标准的制定机遇tdma 1993年 完成了cdma标准 is 95 的制定 最初2g的峰值数据速率仅9 6kbit s 之后gsm引入了gprs实现了分组数据在蜂窝系统中的 传输 称为2 5g itu在1992年的世界无线电行政大会上划分出了230mhz的世界通用频谱 包括fdd的一对对称的60mhz频谱 tdd的35mhz的非对称频谱 设定了3g电路交换和 分组交换数据业务的目标速率 室内环境下达到2mbit s 步行环境下达到144kbit s 车载环境 下达到64kbit s 3gpp是3g标准发展的主题 制定了3g utra和gsm系统规范 3gpp分成了几个tsg technical specification group 技术规范组 tsg ran由5个工作组 wg 构成 1 ran wg1处理物理层规范 2 ran wg2处理层2和层3的无线接口规范 3 ran wg3处理固定的ran接口 比如ran节点间的接口和ran与核心网的接口 4 ran wg4处理射频 rf 和无线资源管理 rrm 性能需求 5 ran wg5处理终端一致性测试 众所周知 3g主要包括wcdma cdma2000以及td scdma三种主流技术 1 2 2 3g 演进的背后动机 技术进步 包括因特网和ip技术 传统电话业务 广泛的业务需求 以及关键的业务 涉及促进了3g的发展 lte标准化背后的基本原则是利用3gpp规范无线通信系统 尤其是空中接口的能力 但是lte标准化的结果并不受3gpp早先工作的约束 这样从头设计无线接口有了可能性 以lte为例 无线接口的优化针对ip传输 而不必支持isdn业务 即不需要支持gsm电路 交换业务 此外 lte有可能使得fdd和tdd的共性最大化 这在3gpp lte之前是不存在 的 同时 lte又有新的需求 运营商的频谱越来越分散 分布于不同的频段 有着不同 的连续带宽 为了避免射频和滤波器的设计开销过大 可用的带宽是非常有限的 因此 lte设计的目的要支持大概1到20mhz带宽的频谱分配 这使得lte可能支持5mhz之外的 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章 绪论 3 其他带宽 这对运营商是很有利的 1 2 3g 演进演进演进演进及及及及 lte 相关技术相关技术相关技术相关技术 1 2 1 3g 演进技术 根据香农公式 限制数据速率的来年各个重要原因是接收信号可获得的功率 或者说 可获得性噪比s n 和可用带宽 实际移动通信系统中 噪声和相邻小区的干扰是影响无 线链路的一个主要因素 邻小区干扰甚至比噪声影响还大 这在小区面积小并且高通信符 合的时候尤为明显 由于接收端需要不成比例的高信噪比和信干比 提供比可用带宽高的 数据速率基本上是低效的 在给定传输带宽时 提高数据速率的一个直接方法就是使用高 阶调制 这样调制的星座图可以扩大包含附加星座点 一个调制后的符号代表了更多的信 息比特 代价是对噪声和干扰的低抵抗能力 给定错误率时 相比qpsk来说 16qam和 64qam的高阶调制需要更高的接收端 0 neb 使用信道编码附加的高阶调制 可以解决这 一个问题 另外一种不增加由于无线信道频率选择性带来的信号衰减并且提高传输总体带 宽 的 方 法 就 是 多 载 波 传 输 wcdma 调 制 速 率 也 就 是 wcdma 码 片 速 率 是 smchipfcr 84 3 但是由于频谱成形 会大大超过3 84mhz 理论上wcdma频谱升余弦 滚降系数为22 0 这样 wcdma理论频带为0的部分近似为4 7mhz 1 3 论文的论文的论文的论文的主要研究内容和文章结构主要研究内容和文章结构主要研究内容和文章结构主要研究内容和文章结构 本文第二章主要介绍lte通信系统的网络结构及各个网络单元的功能 之后介绍 lte各个无线接口的功能并对网络需求进行了分析 第三章结合小区的搜索过程及系统信 息阐述了lte的接入过程 为之后的第四章做了铺垫 第四章首先简单介绍了lte系统的 切换机制 之后分析了几种常见的降低中断时间方案 并且在此基础上 提出了基于提前 接入的优化方案 第五章分析了切换最关键的步骤 切换判决 并提出了结合rsrp和rsrq 的算法 以及基于层次分析法的权重判决算法 最后第六章对本文进行了小结 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章 lte 接入过程 4 第二章第二章第二章第二章 lte 通信系统结构通信系统结构通信系统结构通信系统结构 本章介绍了wimax系统体系标准 网络基础架构 mac层基本工作原理及qos保障 机制 重点阐述了wimax系统四类业务流的特点及带宽请求授予过程 为设计mac层调 度算法奠定基础 2 1 lte 通信系统网络结构通信系统网络结构通信系统网络结构通信系统网络结构 传统的3gpp接入网utran由node b和rnc两个节点构成如下图所示 从图中可以看 出3g网络由enodeb node b 无线网络控制器 rnc 服务通用分组无线业务支持节 点 sgsn 和网关通用分组业务支持节点 ggsn 四种网络节点组成 node b为ue提供接 入点并控制ue的无线接入 同时负责网络流量的控制与管理 rnc负责对node b进行整体 管理 包括对无线资源 本地移动用户和接入情况进行管理和控制 并对传输情况进行优 化 sgsn负责分组交换数据流量的控制和管理 并在node b与ggsn之间完成移动分组数 据的接受与发送 ggsn负责与核心网的连接 是本地网与外部分组网之间的网关 ggsn 与sgsn之间通过基于ip协议的骨干网相连接 图2 1 3gpp r6版本的网络结构 考虑lte技术时 为了达到系统时延的要求 lte对原有的网络架构进行了较大的改 进 使其仅由e utranenodeb enodeb 和接入网关 agw 组成 与r6中给出的网络结构 相比较 最突出的两点变化是 没有了rnc 空中接口的用户平面和控制平面的功能由 ggsn sgsn rnc rnc node b node b node b node b node b 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章 lte 接入过程 5 enodeb进行管理和控制 少了一层节点 用户面的数据传送和无线资源的控制变的更加快 速 接入网关承担了及入网用户数据分组的功能 也承担了部分核心网的功能 从整体网 络结构的角度看 接入网和核心网的界限开始变得模糊 接入网关由两部分实体组成 分 别是移动性管理实体 mme 和服务网关 swg lte的网络架构如图2 2所示 从图中 可以看出不同的enodeb之间用x2接口相连接 enodeb与核心网之间用s1接口相连接 这 种mesh型的网络结构设计主要用于支持ue在整个网络内的移动性 保证用户的无缝切换 图2 2 lte网络结构 2 2 lte 网络单元功能网络单元功能网络单元功能网络单元功能 2 2 1 mme s gw 作为lte的接入网关 其主要功能有 nas层信令交互 nas层信令加密 as层加密 控制 在不同核心网节点信令间与3g接入网的移动性管理 idle状态下ue的交互 包括 寻呼消息的控制与执行 数据包路由和转发 数据的合法侦听拦截 基于mme更新切换 时的mme选择 向2g或3g接入网切换时的sgsn选择 网络漫游功能 用户鉴权功能 业 务承载管理功能 包括专用业务承载建立等 其基本功能详细介绍如下 1 移动性管理 在移动网络环境下 ue的位置是不固定的 因此需要实时跟踪ue的 位置 当移动用户从一个位置区漫游到另一个位置区时 会引起网络各个功能单元的一系 列操作 这些操作将引起核心网中各种位置寄存器中移动台位置信息的登记 修改或删除 mme s gw mme s gw enode b enode b enode b s1 s1 s1 s1 x2 x2 x2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章 lte 接入过程 6 若移动台正在通话则将引起越区转接过程 这些就是支持蜂窝系统的移动性管理过程 此 功能应该不仅能支持lte系统内的移动性管理 还应该支持lte系统与异系统之间的移动 性管理 2 呼叫控制 当ue与另一个ue进行语音通话时 无论这个ue是移动用户还是固定用 户 双方在通话之前必须建立一个有效的连接 通话结束后释放这个连接 这就需要核心 网的呼叫控制功能 3 路径切换 当ue从一个enodeb切换到另一个enodeb时 enodeb与核心网之间的链 路也会发生切换 此功能就是将s1路径产生切换 并且进行必要的数据转发 第二章lte 通信系统网络结构9 4 nas信令处理 nas信令是指ue与核心网之间约定的信令消息 在nas传递的过程 中 ue将一定格式的编码信息传给enodeb enodeb不做任何消息内容上的分析 直接转 发给mme mme接受到消息后进行解码处理 根据消息中指定的信息进行相应的处理 5 会话管理 此功能与呼叫控制功能类似 提供此功能是为了对非语音业务的其他数 据业务进行业务建立 控制和释放 6 路由 提供ue与其他ue数据包传输的路由功能 7 用户签权 此功能用来保证用户是否有权限得到某种服务 2 2 2 enodeb lte无线接口在网络侧终结于enodeb 每个enodeb实体的协议栈从底层到上层依次为 物理层 mac层 rlc层 pdcp层 rrc层 物理层可以可以简单成为l1 mac层 rlc 层 pdcp层可以合称为l2 rrc称为l3 各层的主要功能分别介绍如下 1 物理层与mac层和rrc层连接 负责用户数据在物理信道上传输 并提供相应的纠 错机制和重传机制 保证数据正确无误的传输 除此之外物理层负责向rrc层上报无线环 境测量报告 lte物理层与utms相比较有重大革新 下行采用ofdm技术 上行采用基于 正交频分复用传输技术的单载波频分多址技术 sc fdma 可以降低发射ue的峰均功率 比 减小ue的体积和成本 带宽分配灵活 2 mac medium access control 层是l2中的最低子层 与物理层之间通过传输信道 交换信息 与rlc层通过逻辑信道交换信息 其主要功能包括 完成逻辑信道与传输信道 的映射 完成多个ue之间的数据调度 完成单个ue中不同数据流之间的调度 向rrc层 进行数据流量报告 rrc层根据报告量进行mac层容量配置 提供传输信道多路复用技术 以提高与物理层之间的信息传递效率 对rlc层的数据进行加密 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章 lte 接入过程 7 3 rlc radio link control 层主要作用在于数据传输的可靠性和正确性方面 它提供 了多种方法来保证数据的稳定传输 例如数据分段 数arq重传机制 流量控制 数据合 并 arq重传机制 流量控制 数据包序号检测 加密等 rlc层提供了三种数据传输模 式 透明传输 tm 非确认传输 um 确认传输 am tm模式传输是最原始的传 输方式 仅仅提供两个数据包之间的简单传输 um模式比tm模式的可靠性稍强 引入了 长度校验机制来确保数据包的完整性 而am传输模式更为复杂 引入了纠错功能 流量 控制 加密等技术 4 pdcp packet data convergence protocol 层主要功能是数据压缩 由于口的带宽有限 为了使无线带宽得到最有效的利用 需要把上层协 ip 数据进行头压缩和解压缩 这个功 能就是在pdcp层实现的 另外pdcp还负责向核心网传输数据 在发生enodeb间切换时 pdcp还负责数据包序列的维护 以保证无损切换 5 rrc radio resource control 层是控制层面上最重要的协议 它负责ue与enodeb之间 的信令交互 对物理层和l2进行控制配置 它的主要功能有系统信息广播 rrc连接的建 立 重建 重配置 维护和释放 无线承载的建立 重配置和释放 切换过程中的rrc连 接管理 寻呼 ue的测量控制和测量报告 ue在非业务状态下的小区选择和重选等等 2 2 3 ue ue user equipment 也可以被称作是ms mobile station 是用户接入网络的设备 可以分为两个模块 移动设备 me mobile equipment 和通用集成电路卡 uicc universal integrated circuit card me是与用户无关的手持设备 从逻辑功能上可以划分为两个部分 移动端 mt mobile termination 和设备端 te terminal equipment mt负责无线接 入 无线传输 业务会话管理 移动性管理 nas层信令管理等 te负责对话筒 摄像头 显示屏 ue软件等软硬件功能的管理 uicc是插入me的智能卡 其中集成了通用用户识 别模块 usim universal subscriber idendity module 用来对用户身份进行识别和安全保 护 负责接入e utran网络的是mt模块 它具有与enodeb对等的协议栈 从底层到上层依 次是物理层 mac层 rlc层 pdcp层 rrc层 在rrc层之上具有与核心网交互的nas 层 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章 lte 接入过程 8 2 3 lte 无线接口无线接口无线接口无线接口功能功能功能功能 2 3 1 s1 s1是mme sgw与enodeb之间物理和逻辑接口 分为控制面和用户面 两部分的协议 栈不同 用户面的协议栈如图2 3所示 主要负责enodeb与mme之间的pdu数据传输 可 以看到 传输网络层建立在ip传输之上 并且gtp u在udp ip之上 用来承载enodeb与 sgw之间用户面pdus数据包 2 控制面的协议栈如图2 4所示 可以看到 传输网络层建立在ip传输之上 与用户面协 议栈相似 但与之不同的是控制面协议在ip层以上是sctp层 以保 证信令消息的可靠传输 而应用层信令协议定义为s1 ap 5 s1 application protocol s1 ap 负责的主要功能有 1 sae承载管理功能 负责enodeb与mme之间信令承载 sae bearers 的建立 修改 释放等等 图2 3 s1接口用户面 图2 4 s1接口控制面 2 s1接口管理功能 包括s1接口初始化建立 s1接口数据检错功能 s1接口重启 s1 接口负载平衡 3 对ue的寻呼功能 4 移动性管理 负责通过s1接口进行切换时的一系列信令交互过程 用户平面 pdu gtp u udp ip 数据链路层 物理层 s1 ap 物理层 sctp ip 数据链路层 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章 lte 接入过程 9 5 nas信令处理 6 ue初始上下文的建立与释放 2 3 2 x2 与s1接口相同 x2接口也分为用户面和控制面 x2用户面接口定义为不同enodeb之 间的物理和逻辑用户数据接口 x2接口用户面提供enodeb之间用户pdu报文递交 其协 议栈与s1接口用户面协议栈相同 如图2 5所示 x2控制面接口定义为相邻enodeb之间的 物理和逻辑控制数据接口 其协议栈如图2 6所示 可以看到传输网络层建立在ip层之上的 sctp层 而应用层信令协议定义为x2 ap x2application protocol 3 x2 ap负责的主要 功能有 1 移动性管理功能 主要负责ue通过x2接口切换时 一系列信令交互过程 同时负责切换 时数据转发的状态报告等 2 x2接口管理功能 包括x2接口的建立 删除 重启 负载平衡 接口异常错误上报等等 2 3 3 uu ue与e utran之间的接口称为uu接口 通常也被称为空中接口 与s1 x2接口类似 uu口的协议栈也分为用户面和控制面 其中用户面由ue与enodeb的对等协议层组成 如 图2 7所示 负责ue与enodeb之间的用户数据传输 数据完整性保护 头压缩 加密 调 度 arq和harq数据重传 pdcp rlc mac phy phy pdcp rlc mac ue enodeb 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章 lte 接入过程 10 图2 5 uu口用户面协议栈 控制面包括nas rrc pdcp rlc mac和phy六层协议 其中nas层在ue和mme 形成对等层 rrc pdcp rlc mac和phy分别在ue和enodeb侧形成对等层 如图2 8 所示 uu接口负责用户接入控制 数据安全保障 移动性管理 无线资源管理 ue与mme 之间的信令处理等 这些功能分布 2 3lte 网络需求分析网络需求分析网络需求分析网络需求分析 3gpp lte的目标是 更高的数据速率 更低的时延 改进的系统容量和覆盖范围 以 及较低的成本 根据3gpp规定 lte对空中接口和接入网的技术指标中与资源分配相关的 要求包括 1 实现灵活的频谱带宽资源配置 支持1 25mhz 1 6mhz 2 5mhz 5mhz 10mhz 15mhz和20mhz的带宽设置 从技术上保证3gpp lte系统可以使用第3代移动通信系统的 频谱 2 提高小区边缘传输速率 改善用户在小区边缘的体验 增强3gpp lte系统的覆盖 性能 要通过频分多址和小区间干扰抑制技术实现 3 提高频谱效率和峰值数据速率 频谱效率达到3gpp r6的2 4倍 下行峰值速率要 求为100mbit s 上行为50mbit s 3gpp lte系统在频谱利用率方面的技术优势 主要通过 多天线技术 自适应调制与编码和基于信道质量的频率选择性调度实现 4 提供低时延 用户平面内部单向传输时延低于5ms 控制平面从睡眠状态到激活状 态的迁移时间低于50ms 从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms 以增强对实时业 务的支持 2 3 1 ngmn顶级运营商组织对下一代移动网络的要求 lte sae技术被ngmn顶级运营商组织批准作为它的第一个适用技术 ngmn组织是 在2006年9月14日 由中国移动 vodafone orange nttdocomo t mobile kpn sprint 因为ngmn在4g上选择了lte sprint已于2008年7月退出该组织 倡议组成运营商实力 俱乐部 ngmn成立的宗旨是让最接近用户市场的运营商成为移动通信发展的牵引者 使 技术 标准 产品更加面向市场需求 降低整个产业的发展风险 因此 ngmn的工作目 标是以运营商为主导研究和制订下一代移动网络需求 提出未来宽带移动网络明确的系统 性能目标 功能要求和演进部署场景等 给标准化组织 设备制造商等开展下一代移动网 络的标准化和产品开发以明确指导 同时通过深入的评估以及广泛的沟通 促使标准化 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第三章 lte 接入过程 11 产品开发等真正满足ngmn提出的需求 最终为用户 运营商 制造商等价值链各环节创 造共赢的生态环境 ngmn提出下一代移动网络要高度智能化 具有良好的重构性 可伸缩性和自组网性 以适应不同的场景 下一代网络是一个高度自治 自适应的网络 网络能以自动的和最优 的方式提高质量和性能 传统的oss功能应该看作自组网络的一部分 这样能最大程度上 减少人工干预 在ngmn白皮书中 七大运营商对下一代网络的功能 性能 系统结构等 方面提出要求 7 7 ngmn next generation mobile networks beyond hspa rssi received signal strength indicator 则是在这个symbol内接收到的所有信号 包括 导频信号和数据信号 邻区干扰信号 噪音信号等 功率的平均值 rsrq reference signal receiving quality 则是rsrp和rssi的比值 当然因为两者测量 所基于的带宽可能不同 会用一个系数来调整 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第五章 基于层次分析法的权重切换判决算法 30 从定义来看rsrp相当于wcdma里cpich的rscp rsrq相当于cpich 的ec no 在小区选择或重选时 通常使用rsrp就可以了 在切换时通常需要综合比较rsrp与 rsrq 如果仅比较rsrp可能导致频繁切换 如果仅比较rsrq虽然减少切换频率但可能导 致掉话 当然在切换时具体如何使用这两个参数是enb实现问题 rssi和rx recieived power 虽然是同一概念 具体指 前向或者反向 接收机接收到 信道带宽上的宽带接收功率 实际上中 前向链路接收机 指手机 接收到的通常用rx表示 反 向链路接收机 指enodeb侧 通常用反向rssi表示 前向rx通常用作覆盖的判断依据 当然还 需结合ec io 反向rssi通常作为判断系统干扰的依据 下面以反向rssi为例解释 为了获取反向信号的特征 在rssi的具体实现中做了如下处理 在104us内进行基带iq 功率积分得到 rssi的瞬时值 即 22 qisumrssi 4 2 然后在约1秒内对8192个rssi的瞬时值进行平均得到rssi的平均值 即 8192 rssisumrssi 4 3 同时给出1秒内rssi瞬时值的最大值和rssi瞬时值大于某一门限的比率 rssi瞬时值 大于某一门限的个数 8192 由于rssi是通过在数字域进行功率积分而后反推到天线口得到 的 反向通道信号传输特性的不一致会影响rssi的精度 关于切换判决算法将在第五章详细 说明 信道质量指示符 cqi 是无线信道的通信质量的测量标准 cqi 能够是代表一个给定 信道的信道测量标准所谓一个值 或多个值 通常 一个高值的 cqi 表示一个信道有高 的质量 反之亦然 对一个信道的 cqi 能够通过使用性能指标 例如 信噪比 snr 信 号与干扰加噪声比 sinr 信号与噪声失真比 sndr 等信道的性能被计算 这些值和其 它的能够针对一个给定的信道测量和然后用来计算信道的 cqi 一个给定信道的 cqi 能 够依赖于被通信系统使用的传输 调制 方案 例如 一个使用码分多址 cdma 的通信 系统能够利用一个不同的 cqi 而不是一个使用正交频分复用 ofdm 通信系统 在更多复 杂的通信系统中 例如 那些使用多输入多输出 mimo 和空间时间代码的系统 cqi 的 使用也依赖于接收器的类型 其它能够考虑 cqi 的因素是性能损伤 例如 多普勒转换 信道预算错误 干扰等等 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第五章 基于层次分析法的权重切换判决算法 31 4 1 3 切换测量阶段 切换可以大致分为两个阶段 第一阶段 判断是否有必要进行切换 这一阶段的执行是在ue内进行的 判决指标是 rsrp和rsrq 但是如何综合进行判决没有定义 本文在第五章对切换判决算法做了详细 的阐述 第二阶段 在诸多候选目标小区中选出切换的目标小区 这一阶段的执行是在enodeb 内进行的 判断是否需要切换 主要通过考察服务小区的信号的恶化程度 而信号的恶化程度主 要用两个因素衡量 信号强度和sinr rsrp可以很好的表征信号的强度 而carrier rssi 可以表征基本的干扰情况 但是为了更好地了解信道恶化的明确原因 分别获知上述信息 还是不够的 还应该将这两种测量量联合起来 计算出sinr 例如 在carrier rssi测量表明干扰上升时 似乎可以判断信道正在恶化 但如果同 时rsrp测量表明信道强度也在上升时 则实际上信道不一定真的在恶化 反之 当信号强 度和干扰同步下降时 信道也不一定会恶化 这种情况的一种典型场景是 当ue进入一个 建筑物时 接收信号和干扰都会变弱 也就是说 在判断切换的必要性时 sinr可能比单 纯的信号强度指标更重要 因此计算信号强度和干扰强度之比 即rsrq 是有必要的 这 里 提 示 一 下 o c n e 如 果ue不 使 用 接 收 信 号 多 发 那 么cpich的 o c n e 和 rrssiutracarrie cpichrsrp 相同 如果主cpich信道使用了多路tx 那么在计算 c e 之 前 每个天线的 c e 都应该分别测量然后求和得到总的 c e 得到rsrq的途径有两种 1 由ue计算并上报一个单独的rsrq值 这种方法ue只需要在rsrq降低到门限以下 时启动测量值上报即可 具体的算法见5 3 2 由ue上报carrier rssi和rsrp值 再由enodeb计算出rsrq 这种方法ue无法判 断在上报前rsrq是否过低 只能在发现carrier rssi较高或rsrp较低时都进行上报 而这 样就会大大增加上报的频率 因此在切换的第一阶段 更好的选择是上报独立的rsrq 在切换的第二阶段 即 选定目标小区 阶段 可能同样需要上报独立的rsrq 在 考察一个小区是否可以作为合适的切换目标小区时 该小区的信号强度和sinr是同等重要 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第五章 基于层次分析法的权重切换判决算法 32 的指标 如果不上报rsrq 和上面的道理一样 ue需要频繁的上报carrier rssi和rsrp 供enodeb计算rsrq 在上述 由室外进入室内 的场景中 信号强度和干扰强度同时突然大幅下降 如果 采用方式2 ue可能很难找到一个合适的上报门限 而这种情况 rsrq仍然保持相对稳定 因此很适合ue用来判断是否需要进行上报 系统可以利用已有的2bit 相邻校区mbsfn配置 信息中的剩余空间通知ue目标小 区的上下行比例是否和服务小区相同 这2bit信息原本用于通知ue目标小区的mbsfn子帧 分配情况 ue测量大概分为 空闲模式下的测量和 连接 rrc connected 下的两种测量 空闲模式下的测量 此时ue的重选完全由自己决定 不受enodeb的控制 因此此时的测量 结果不需要上报ue 本文讨论的情况是指连接模式下的测量 所以才涉及上报 4 2 降低中断时间的常见方案降低中断时间的常见方案降低中断时间的常见方案降低中断时间的常见方案 当ue需要通过无线网络来接入网络上的资源时 它必须先与邻近的enodeb取得连 接 首先 这个ue会先对目标enodeb做时序与频率的下载同步 并且开始接收enodeb所 广播的系统消息 然而 再上传的方面 由于无线电波在空气中传播的延迟 将使得ue 与enodeb的信号在来回之间 存在一个时序上的差异 就如下图所示 因此 在ue做上 传的接入之前 enodeb需要先为其估算时序差异 以作为上传同步的准备 在之后本文中 我们将enodeb所估得的时序差异 称为时间预先值 ta 图4 3 时间 时间 ue enodeb 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第五章 基于层次分析法的权重切换判决算法 33 当ue一开始开机完成 会向enodeb发出索取时间预先值的请求之外 有些ue在不通 讯一段时间之后 也有可能会失去上行同步 甚至在当ue与enodeb正在进行通信时 由 于ue正在移动的原因 而导致必须切换到另一个enodeb 这时候它必须要向新的enodeb 发出接入要求 以完成上行资料的同步 从ue与原先服务的enodeb切断通信 一直到它 与新enodeb取得上行同步的这段时间 将会有一段通信ue的时延 因此 如何快速的完 成上行同步便显得非常的重要 为了能够让ue得到目标enodeb的ta 目标enodeb计算得到这个数值并且发给ue或者 是ue自己得到ta值 只有在同步网络才可以实现 在非同步网络 目标enodeb需要监听 ue的一些传输数据 从而计算出ta 从第三章的流程图可以看到 当ue断开源enodeb的连接 第9步 一直到目标enodeb 接收到切换确认的信息为止 第11步 这段时间 是用户数据的传输中断时间 在这段时 间中 ue为了完成上行同步 必须通过随机接入信道 向目标enodeb发出时间预先值的 请求 以供enodeb估算其无线信号来回的时序误差 目前 3gpp lte所规范的随机接入过程主要包括了4个步骤 如下图所示 图 4 4 随机接入过程步骤 在随机接入过程中 同一时间内可能会有多个接入要求到达enodeb 而为了增加这些 接入要求碰撞时的监测概率 随机接入包通常以扰码 pn码 组成 随机接入包的基本架 构是从已知的识别码集合中 随机挑选出一组识别码 而每一组识别码都是以一乱码来表 示 这些乱码的自相关特性 会影响时序估算的准确度 而互相关的特性 则会影响多重 随机准入序列 随机准入响应 如 ta 上行调度块 调度传输 竞争方案 4 3 2 1 ue enodeb 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第五章 基于层次分析法的权重切换判决算法 34 侦测识别码的能力 enodeb从接入时隙的开始时间点 开始接收可能的接入要求封包 然而 ue却会在 它所认知的接入时隙开始时间点 才发出接入要求的封包 因此 enodeb根据接收到此信 息的时间点 便可以进一步调整该ue的上传时序 然而 当ue送出接入封包后 若是在 既定的时间内没收到enodeb的回应 它将启动随机等待机制 以避免持续和其他的无线设 备发生接入封包的的碰撞 随机接入程序可能会由于不同的需求 在不同的情况下被启动 而在不同的需求下 其所能容忍的延迟时间也会有所不同 然而 针对切换情况下的随机接入程序 特别是对 正处在实时服务的ue而言 快速的完成上行同步是必要的 在3gpp lte的可行性分析中 已经对整体切换的中断时间做了评估 从中可以发现 即使在没有发生碰撞的情况下 用 户的数据中断时间仍会高达25 30ms 31 这么长的数据延迟时间 将无法满足某些实时性服务的需求 因此 下面介绍已有的 各大通信厂商降低中断时间的方法 最后提出一种新的改进方案 4 2 1 ue 主动估算方案 当源enodeb与目标enodeb的无线帧的时序是同