文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.174337
中文引用格式： 趙旭，唐倫，劉云龍，等. 密集蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換管理機(jī)制與算法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(7)：102-106.
英文引用格式： Zhao Xu，Tang Lun，LiuYunlong，et al. Research on handoff management mechanism and algorithm in dense cellular heterogeneous network[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(7)：102-106.
0 引言
近年來(lái)，智能終端迅速發(fā)展，通信的數(shù)據(jù)流量需求呈爆炸式的增長(zhǎng)[1]。密集部署小基站是解決海量移動(dòng)設(shè)備以及應(yīng)用最有效方案，微微基站接入點(diǎn)(Femto Access Point，F(xiàn)AP)作為重要類型小蜂窩部署可提高室內(nèi)信號(hào)覆蓋范圍[2]。然而，小基站大規(guī)模部署下由于頻繁切換會(huì)造成核心網(wǎng)信令負(fù)荷和切換中斷。文獻(xiàn)[3]提出在切換執(zhí)行階段采用無(wú)隨機(jī)接入方案減少用戶與目標(biāo)基站重連接過(guò)程中導(dǎo)致的服務(wù)中斷時(shí)延，但未考慮路徑切換導(dǎo)致切換中斷和切換過(guò)程中的信令消耗。文獻(xiàn)[4]提出使用X2接口進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，但增加鏈路使用率，中間小區(qū)建立和維護(hù)的X2轉(zhuǎn)發(fā)鏈經(jīng)多次切換，導(dǎo)致目標(biāo)基站數(shù)據(jù)不明確。文獻(xiàn)[5]提出小區(qū)協(xié)作分簇切換管理策略用以提升容量，但切換流程中執(zhí)行階段涉及隨機(jī)接入過(guò)程，產(chǎn)生大量信令交互和更長(zhǎng)用戶平面中斷時(shí)延。
為此，本文針對(duì)密集蜂窩簇的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提出一種本地錨點(diǎn)的小區(qū)分簇切換管理機(jī)制。構(gòu)建離散馬爾科夫轉(zhuǎn)移模型，引進(jìn)5G新空口技術(shù)中提到的用戶連接非激活狀(inactive)[6]作為會(huì)話結(jié)束往返態(tài)，制定一次會(huì)話過(guò)程中每次切換的信令、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)以及中斷時(shí)延的平均成本函數(shù)，通過(guò)仿真評(píng)估證明所提切換機(jī)制性能增益得到提升。
1 系統(tǒng)架構(gòu)
本文研究的簇內(nèi)小基站之間的切換系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，每個(gè)簇包含多個(gè)小蜂窩接入點(diǎn)，一組相鄰的小蜂窩簇形成一個(gè)本地網(wǎng)絡(luò)。形成本地網(wǎng)絡(luò)中至少有一個(gè)本地錨點(diǎn)小基站（Local Anchor Femto Access Point，LA_FAP）與簇內(nèi)其他小蜂窩保持一個(gè)連接。本地錨點(diǎn)基站功能：代理移動(dòng)性管理實(shí)體，用作控制平面本地移動(dòng)性控制點(diǎn)，攔截和操作S1-MME接口上的移動(dòng)性相關(guān)信令消息。代理服務(wù)網(wǎng)關(guān)用作用戶平面上的本地移動(dòng)錨點(diǎn)，攔截S1-U接口上的數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)平面隧道協(xié)議功能。監(jiān)測(cè)計(jì)數(shù)器功能（count），統(tǒng)計(jì)用戶切換流程中路徑切換請(qǐng)求之前在簇內(nèi)切換的次數(shù)。
1.1 增強(qiáng)本地路徑切換機(jī)制
提出的增強(qiáng)本地路徑切換機(jī)制（Enhance Local Path Switching，eLPS）切換流程圖如圖2所示，適用于同一蜂窩簇小基站的基于本地路徑切換機(jī)制，用戶在相同的簇內(nèi)多達(dá)p次切換。S1路徑在目標(biāo)基站（T-FAP）與LA_FAP之間創(chuàng)建。當(dāng)T-FAP通過(guò)X2接口接收到服務(wù)基站(S-FAP)“結(jié)束”標(biāo)記后，LA_FAP和T-FAP之間新下行鏈路路徑將用于之后通信。count=np(n∈N+)時(shí)，目標(biāo)基站到傳統(tǒng)核心網(wǎng)執(zhí)行路徑切換。提出的小蜂窩分簇切換機(jī)制最小化路徑轉(zhuǎn)發(fā)切換過(guò)程，實(shí)現(xiàn)最小化切換中斷時(shí)延，同時(shí)最小化切換相關(guān)信令消耗。
1.2 增強(qiáng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制
增強(qiáng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制（Enhance Data Forwarding，eDF）適用于本地錨點(diǎn)切換到相鄰小區(qū)，提出的無(wú)路徑切換機(jī)制方案的流程圖如圖3所示。當(dāng)UE從簇內(nèi)的錨點(diǎn)基站切換到相鄰的小蜂窩基站時(shí)，可以完全消除路徑切換操作。在切換準(zhǔn)備階段，服務(wù)基站與目標(biāo)基站之間創(chuàng)建的X2鏈路通常在切完成之后被釋放。然而，提出的eDF機(jī)制中，X2鏈路將繼續(xù)用于錨點(diǎn)基站到目標(biāo)基站間數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。
2 分析模型與問(wèn)題制定
2.1 分析模型
通過(guò)歸納總結(jié)法表示上述穩(wěn)態(tài)概率一般表達(dá)式：
2.2 問(wèn)題制定
評(píng)估平均切換成本的數(shù)學(xué)模型如下：
3 仿真結(jié)果與分析
本文系統(tǒng)仿真參數(shù)表設(shè)置如表1所示[8]，所提機(jī)制與3GPP切換機(jī)制實(shí)現(xiàn)值的比例作為度量指標(biāo)，并與基于流轉(zhuǎn)發(fā)級(jí)聯(lián)路徑（TF-CP）[4]機(jī)制性能進(jìn)行比較。
圖6仿真表明本文所提出機(jī)制切換平均信令成本在小的閾值p時(shí)急劇下降。當(dāng)閾值p≥4時(shí)，切換閾值對(duì)信令成本影響極小，表明方案的性能不受路徑切換閾值設(shè)置的限制，p≥4時(shí)，eLPS可以實(shí)現(xiàn)較3GPP將近80％以上的信令成本的節(jié)省；eDF方案能夠?qū)崿F(xiàn)大約90％信令成本的節(jié)約。所提兩種機(jī)制較基于TF-CP機(jī)制實(shí)現(xiàn)40％性能增益。
圖7顯示不同切換閾值p與平均數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)成本的變化。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)成本與p無(wú)關(guān)，eLPS機(jī)制能實(shí)現(xiàn)13%切換數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)成本性能增益，eDF切換機(jī)制實(shí)現(xiàn)高達(dá)50％的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)成本增益，較基于TF-CP機(jī)制實(shí)現(xiàn)10％性能增益。對(duì)于切換中斷時(shí)延實(shí)現(xiàn)類似的性能增益，如圖8所示，隨切換閾值增加兩種機(jī)制切換中斷時(shí)延減少約80％增益，較TF-CP機(jī)制實(shí)現(xiàn)平均切換中斷時(shí)延約60%性能增益。
圖9顯示eLPS切換機(jī)制下，切換成本隨小區(qū)停留時(shí)間1/m的變化。小區(qū)停留時(shí)間越小，用戶移動(dòng)速度越大，切換信令消耗、切換數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)成本較大。隨1/m增加，用戶會(huì)話期間在小區(qū)之間轉(zhuǎn)移的蜂窩數(shù)減少，切換消耗降低。
定義呼叫移動(dòng)性比率CP=λ/m，低的呼叫移動(dòng)比率表示用戶在兩次會(huì)話到達(dá)之間的平均時(shí)間高度移動(dòng)。圖10仿真結(jié)果顯示，低的CP，其切換時(shí)延消耗較大。隨著CP的增加，用戶低的移動(dòng)性切換概率較小，對(duì)于大的CP，其切換時(shí)延消耗降低。
4 結(jié)論
針對(duì)密集組網(wǎng)，本文提出一種本地移動(dòng)性切換管理機(jī)制與評(píng)估算法。仿真結(jié)果表明，該方法可使切換成本節(jié)省至少60％，比現(xiàn)有方案減少了超過(guò)80％的切換中斷，所提切換管理機(jī)制可實(shí)現(xiàn)更好的無(wú)縫切換。
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作者信息:
趙 旭，唐 倫，劉云龍，陳前斌
（重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065）