CN102256309A - 协作多基站组网环境下的主从基站选择与切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种协作多基站组网环境下的主从基站选择与切换方法，包括1)判断是否存在切换触发条件，若为是，执行步骤2)；2)并判断是切换需求一还是切换需求二，若为切换需求一，执行步骤3)，若为切换需求二，执行步骤6)；3)对活动基站簇成员按信号质量降序排列；4)候补基站簇成员按信号质量降序排列，若候补基站簇的基站数大于活动基站簇的基站数n，只需选出信号最强的n个基站；5)对候补基站簇中的有效基站的信号强度进行一一判断来更新活动基站簇等步骤。与现有技术相比，本发明具有适用范围广、灵活性好、最大程度地提高频谱利用率和功率利用率等优点。

Description

协作多基站组网环境下的主从基站选择与切换方法

技术领域

本发明涉及一种主从基站选择与切换方法，尤其是涉及一种协作多基站组网环境下的主从基站选择与切换方法。

背景技术

近年来，移动通信技术飞速发展，3G标准刚刚商用化，4G标准的制定工作又在紧张地开展中。ITU-R于2008年发出通函，向各国和各标准化组织征集IMT-Advanced技术提案。IMT-Advanced技术需要在支持灵活广泛的服务和应用的基础上，达到世界范围内的高度通用性；支持基于包传输的高质量移动业务；实现更高的数据率和更大的系统容量，目标峰值速率为：低速移动、热点覆盖场景下1Gbit/s以上，高速移动、广域覆盖场景下100Mbit/s。

为了达到系统要求的高数据率和高容量，系统应该采用MIMO技术。在采用MIMO技术的移动通信系统中，可以通过空时编码或分集传输，提高传输的可靠性；也可以通过空分复用传输，提高频谱效率；亦可以通过包含传统波束成形在内的预编码传输，提高功率效率，并降低共信道干扰。在3GPP LTE和IEEE 802.16e等最新标准中，空时编码、空时发送分集、空分复用、以及预编码传输等MIMO技术已经得到应用。然而即使采用一体化的单用户或多用户自适应MIMO传输技术，传统蜂窝系统存在的小区边缘问题仍然制约着系统频谱效率的提高。

在协作多点通信的研究中，人们发现协作多点技术能有效改善小区边缘用户性能，提高系统吞吐量，并因此已经成为3GPP LTE-Advanced标准化工作的重要研究项目。在协作多点新型网络系统中，相邻的基站可以协作完成与移动终端的通信，而且基站间通过高速链路(如：光纤、高速骨干网络等)相互连接。处于不同地理位置的基站在同一时频资源上协作完成与单个或多个移动通信终端的通信，可以从根本上克服传统蜂窝系统中MIMO技术应用的局限，并克服传统蜂窝系统的“边缘效应”。

在支持协作多点新型网络系统中，用户接入及切换过程中，需要考虑服务节点和协作节点的选择问题。针对不同的用户切换需求提出一个统一、灵活的基站选择和切换策略，满足用户业务质量要求的同时，在小区负载和信道信号质量之间进行合理的平衡。在协作多基站组网环境下，为移动用户的切换提供了业务连接质量保证。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用范围广、灵活性好、最大程度地提高频谱利用率和功率利用率的协作多基站组网环境下的主从基站选择与切换方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种协作多基站组网环境下的主从基站选择与切换方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)判断是否存在切换触发条件，若为是，执行步骤2)；

2)并判断是切换需求一还是切换需求二，若为切换需求一，执行步骤3)，若为切换需求二，执行步骤6)

3)对活动基站簇成员按信号质量降序排列；

4)候补基站簇成员按信号质量降序排列，若候补基站簇的基站数大于活动基站簇的基站数n，只需选出信号最强的n个基站；

5)对候补基站簇中的有效基站的信号强度进行一一判断来更新活动基站簇；

6)通过以下目标函数来计算活动基站簇中每个基站的F_i，

$F_i=k_1\frac{R_i}{R_{\mathrm{i\Σ}}}+k_2\frac{C_i}{C_{\max }}$

其中k₁和k₂是加权系数，BS_i为活动基站簇的基站，R_i∑是BS_i所有的资源，R_i是BS_i剩余的资源，C_i是BS_i与用户的信道容量，C_max是活动基站簇基站中信道容量的最大值；

7)活动基站簇中的基站按照F_i值进行排序，选择F_i最大的基站作为新服务基站，其余的基站作为协作基站；

8)原服务基站向新服务基站提交用户切换请求，新服务基站进行接纳控制流程，并与活动基站簇中的其他协作基站进行协商，判断接纳控制和协商是否成功，若为是，向原基站返回切换请求ACK信息，并执行步骤10)；若为否，返回失败信息，并执行步骤9)；

9)选择F_i值次大的基站作为新服务基站，并返回步骤8)；

10)执行切换操作。

所述的步骤1)中切换触发条件为：

切换需求一为信号质量的下降；

切换需求二为网络负载增大。

所述的步骤5)中的对候补基站簇中的有效基站的信号强度进行判断来更新活动基站簇包括以下步骤：

当候补基站簇中的基站BS_i信号强度大于设定的阈值，且大于活动基站簇中信号强度最小的基站BS_n时，将该基站BS_i移入活动基站簇，同时将基站BS_n移出活动基站簇。

与现有技术相比，本发明具有根据用户在小区边缘的可能状态，提出两种切换需求。服务基站基于用户权限和服务质量要求动态维护用户的活动基站簇和候补基站簇。在切换判决过程中，目标函数综合考虑基站负载和信道质量，加权系数的灵活选取，使得该目标函数可以适合各种不同的应用场景。以两种不同的切换需求为基础，充分考虑网络负载均衡，用户业务服务质量保证，及无线链路通信质量等多种因素，能够保证处在小区边缘的用户无论在移动或者静止状态下都最大程度地提高频谱利用率和功率利用率，保证切换质量。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的切换需求一的服务协作基站切换信令流程图；

图3为本发明的切换需求二的服务协作基站切换信令流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

本文所针对的协作多基站组网场景中，核心网和接入网中节点采用扁平化和分布式体系架构。具体来说：基站端配置多根收发天线，相邻的基站通过高速链路相互连接，组成一个类似MESH的网络。每个基站又和核心网通过专用接口相连接。此处的基站间协作是指多个基站通过彼此交互的信道状态信息，进行联合预编码，从而突破传统蜂窝系统中MIMO技术应用的局限，并从根本上克服传统蜂窝系统的“边缘效应”。

服务基站和协作基站。对某一个用户而言，服务基站需要管理用户的资源信息，对用户的数据进行调度和资源分配。协作基站的功能仅仅是配合服务基站进行相关的预编码和资源分配等操作，以使得小区间干扰(ICI)尽可能降低。因此，用户只有一个服务基站，却可以有多个协作基站。从理论上来说，协作基站的数量越多通信的质量会越好，但实现的复杂度也越高，在实际系统中需要在性能和复杂性方面进行折衷，依据协作点之间高速链路的支撑能力和物理层联合传输对高速链路的需求，可以事先确定协作点的最大个数。

针对每一个用户，服务基站和协作基站构成一个活动基站簇{BS₁，BS₂，BS₃...BS_n}(n≥1，n∈N)其中有一个服务基站，n-1个是协作基站；n由当时的系统决定，反映了系统的计算和传输能力。一般地，每个用户和它的服务基站都保存着活动基站簇信息。此外，服务基站还需为其小区内的每个用户维护一个候补基站簇{BS_n+1，BS_n+2...BS_m}(m≥n；n，m∈N)。服务基站周期性地通过广播信道将候补基站簇的信息发送给用户。用户需要对这些基站的导频信道质量进行测量，并将其结果反馈给服务基站。为了尽量降低基站与用户间测量信令量开销，减小用户设备的测量工作量。服务基站维护的候补基站簇基于下面两条原则进行预筛选。其一：该用户是否有权接入该基站。其二：该基站是否有足够的资源满足用户业务需求及保证相应的QoS。

两种切换需求。本专利根据用户在小区边缘的两种可能状态，提出了相应的切换需求。切换需求一：用户移动出原小区，用户与原服务基站的通信质量下降，需要依据本专利提供的算法更新活动基站簇和候补基站簇，重新选择服务和协作基站。切换需求二：用户处在静止状态，但是用户的业务需求增大或者原服务基站的负载加重，不改变原活动基站簇元素，根据本专利提供的算法，重新选择服务基站和协作基站。

如图1所示，其中

：候补基站簇中基站i的信号强度；

：活动基站簇中基站n的信号强度；P_th：信号强度阈值。主从基站选择算法：针对切换需求一，一旦切换触发条件成立，服务基站立刻根据主从基站选择算法进行切换判决。首先，原服务基站为用户更新活动基站簇。更新的规则如下：当候补基站簇中的基站BS_i信号强度大于设定的阈值，且大于活动基站簇中信号强度最小的基站BS_n时，将该基站BS_i移入活动基站簇，同时将基站BS_n移出活动基站簇。将候补基站簇中的基站一一进行判断，此步骤考虑的是信道的大尺度衰落情况。活动基站簇更新完成后，按照下面的目标函数计算活动基站簇中每个基站的F_i值，求出F_i最大的基站。选择F_i值最大的基站作为服务基站，剩余的n-1个基站作为协作基站。之后，原基站向新服务基站提交用户的切换请求，其中包含用户的业务需求信息及其活动基站簇和候补基站簇等信息。新服务基站进行接纳控制流程，并与活动基站簇中的其他协作基站进行协商。若接纳控制和协商成功，则向原基站返回切换请求ACK信息。如果失败，返回失败信息，其中包含失败原因。原服务基站收到失败信息后，选择F_i值次大的基站重新发起切换请求，该过程不断重复，直到原服务基站收到确认信息。一旦新服务基站和协作基站确定后，原服务基站通过切换指令，将其信息发送给用户。

针对切换需求二，由于用户处于静止状态，切换的触发基于网络负载的均衡或者基于用户业务服务质量的保证。假设服务基站和协作基站信道的状态，尤其是反映大尺度衰落的信号强度没有太大的变化。因而，在切换需求二中不需要更新活动基站簇中的成员，但需要根据下面给出的目标函数，重新选择服务基站和协作基站。之后的过程和需求一大体类似，原服务基站向新服务基站发起切换请求，这个过程将不断重复直到收到确认信息。

基站选择目标函数。在预筛选过程中，已经将不能够提供用户业务需要的基站剔除，因此此处假设，活动基站簇中的基站都可以满足用户业务需求。于是，该目标函数综合考虑了基站资源使用情况和用户与基站通信的信道状态，给出了一种基站选择的方法。目标函数如下：

$F_i=k_1\frac{R_i}{R_{\mathrm{i\Σ}}}+k_2\frac{C_i}{C_{\max }}$

其中k₁和k₂是加权系数，BS_i为活动基站簇的基站，R_i∑是BS_i所有的资源，R_i是BS_i剩余的资源，

反映BS_i当时的负载情况，

的值越大说明基站富余的资源越多。C_i是BS_i与用户的信道容量，它是通过用户反馈的信道状态统计(或瞬时)信息计算得出的。C_max是活动基站簇基站中信道容量的最大值。信道状态统计(或瞬时)信息表征信道小尺度衰落信息。k₁和k₂是加权系数，满足的约束条件k₁+k₂＝1，可根据实际系统的情况灵活调整。例如：在切换需求一中，信号质量的下降是引起切换的主要因素，要求k₁＜k₂。而在切换需求二的情况下，网络负载较大，要求k₁＞k₂。该目标函数是基站负载和信号质量两个因素的一种权衡。

切换执行。为了保证切换过程中丢包率的最小化，当原服务基站一旦收到切换请求ACK信息之后，立即将用户数据包发送给新服务基站进行缓存，新服务基站在完成和用户的同步之后，立刻向其发送缓存的数据包。

实施例2

多基站协作通信的组网方式特别适合解决小区边缘用户邻区干扰过大的问题。服务基站与用户进行用户数据流的传输，协作基站则通过联合预编码抑制邻居小区对用户通信的干扰。在小区边缘的用户移动出原小区，将导致其与原服务基站的通信质量下降(切换需求一)，此时需要切换操作。此外，当用户静止在小区边缘时，由于从距离上看，各相邻基站和用户之间信道的大尺度衰落的大体相当，如果原服务基站的负载过重或者用户提出新的业务需求而当前基站无法满足时(切换需求二)，可以考虑将用户切换到相邻的其他基站。简单来说，即是在原协作基站中选择一个基站作为用户的新服务基站。

针对两种切换需求，本专利还分别提出了相应的基站选择算法。基站算法在基站负载和信道质量之间进行了有效的平衡。下面通过一个LTE架构下的多基站协作通信场景来具体解释说明本专利的具体实施方式。

假设本场景中涉及的基站(eNB)之间都通过X2接口连接，所有基站通过各自的S1接口连接到同一个MME/S-GW(移动性管理实体/网关)上。受限于网络的计算和传输能力，每一个用户的服务基站和协作基站总数不应大于3。初始状态下，用户UE#1处于小区1的边缘，服务基站为eNB#1，协作基站为eNB#2和eNB#3。因此，活动基站簇为{eNB#1，eNB#2，eNB#3}。

服务基站eNB#1为用户维护着一个候补基站簇。该候补基站簇的成员，由服务基站eNB#1的邻居基站构成。自动邻居关系(ANR)功能是LTE自组织自优化(SON)实体的一个优化功能。服务基站eNB#1可以通过ANR实体获得小区邻居关系表。之后，服务基站eNB1根据用户UE#1的接入权限和邻居基站是否有条件提供用户UE#1所需要的业务资源，以及是否能满足相关业务的QoS对邻居基站进行预筛选，剩下的基站才允许列入候补基站簇。假设候补基站簇为{eNB#4，eNB#5，eNB#6，eNB#7，eNB#8}。服务基站将候补基站簇{eNB#4，eNB#5，eNB#6，eNB#7，eNB#8}信息通知用户UE#1，并要求用户UE#1周期性地测量服务基站簇和候补基站簇的基站信道质量，并将结果反馈给服务基站eNB#1。

如图2所示，当用户UE#1移动出小区1时，将发生“需求一”切换。该种需求下切换的触发条件是：

其中，eNB_S表示当前服务基站，eNB#i表示其他基站，

M_eNB#i是小区的测量值，Hyst_eNB#i是A3事件在服务基站的滞留量，

是eNB_S较eNB#i小区独立偏移。切换触发后，服务基站eNB#1判断切换需求类型并根据主从基站选择算法，为用户UE#1选择新的服务基站和协作基站。首先，服务基站eNB#1立刻根据最近一次信道质量测量报告的信号强度，对服务基站簇和协作基站簇进行降序排列。假设更新过的活动基站簇为{eNB#2，eNB#1，eNB#3}。特别需要注意的是，协作基站簇的排序过程中，为了减少运算量，加快系统切换判决的速度，如果候补基站簇的基站数多于活动基站簇的基站数n，只需选出信号最强的n个基站。即此实例中只需选出信号强度最好的3个候补基站。假设更新过的候补基站簇为{eNB#4，eNB#6，eNB#7}。

依次判断eNB#4，eNB#6，eNB#7是否满足P′_eNB#i＞P_th且P′_eNB#i＞P_eNB#min.其中，P′_eNB#i分别表示eNB#4，eNB#6，eNB#7的信号强度；P_th表示一个阈值；P_eNB#min表示活动基站簇中信号强度最小的基站。如果条件满足，则将候补基站簇中的基站移入活动基站簇，并将活动基站簇中最后一个基站成员移出，之后将更新过的服务基站簇再次进行降序排列。如果不满足条件，则放弃之后所有协作基站的判决。假设判决之后得到的活动基站簇为{eNB#2，eNB#4，eNB#3}。

接下来需要在活动基站簇{eNB#2，eNB#4，eNB#3}中选择服务基站。选择的依据是目标函数。目标函数中的k₁，k₂两个权重系数，由相应的基站eNB提供。也就是说，每个eNB处保存着针对不同切换需求的k₁，k₂参数，并根据本基站的实际情况实时调整。原服务基站通过自动邻居关系(ANR)功能实体获得相应基站的k₁，k₂参数。

服务基站将目标函数值最大的基站作为新服务基站，此处假设eNB#2，并向其发送切换请求，该消息中包含有协作基站eNB#4，eNB#3的相关信息。eNB#2收到切换请求后进行接纳控制。如果接纳控制通过，则它将与eNB#4，eNB#3进行协商。之后eNB#2将协商的结果反馈给原服务基站eNB#1。如果反馈的是成功的消息，则eNB#1通知用户UE#1开始切换。如果是失败的消息，则eNB#2将向eNB#4发起切换请求。

在LTE中只采用硬切换的方式，根据LTE的切换流程的规定。eNB#1一旦向UE#1发送了切换指令，则不再向其发送下行数据包。此时eNB#1将从服务网关(S-GW)处收到的UE#1数据包缓存起来，并陆续发送给新服务基站eNB#2。eNB#2收到数据包后，将其缓存起来。在UE#1向其发送切换确认消息后，eNB#2还需要再次和协作基站eNB#3和eNB#4进行通信，通知UE#1已经切换成功，并进行基站间的同步。之后，当eNB#2完成MME/S-GW的用户界面更新后，才开始向UE#1转发缓存的数据包。同时eNB#2还应通知eUB#1释放分配给UE#1的资源。自此整个切换过程结束。

如图3所示，当用户UE#1静止在小区边缘，而此时eNB#1的网络负载不断增大，将发生“需求二”切换，服务基站可以考虑将小区边缘的用户切换到邻居负载较轻的基站。该种需求下切换的触发条件是：

其中

是服务基站当前的负载，L_th是设定的阈值。此时不用更新活动基站簇的成员{eNB#1，eNB#2，eNB#3}。基站选择算法，只需要根据需求二选取各个基站的k₁和k₂进行计算，然后按照类似的步骤进行切换请求和协商即可。

所提出的协作多基站组网环境下的主从基站选择和切换方法，可以有效针对不同的切换需求，为用户选择不同的服务基站和协作基站。一方面能够保证在小区边缘的用户有较好的服务质量，降低切换丢包率，保证业务连接质量。另一方面可以有效均衡网络负载，提高网络整体的利用率。

Claims (3)

1.一种协作多基站组网环境下的主从基站选择与切换方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)判断是否存在切换触发条件，若为是，执行步骤2)；

2)并判断是切换需求一还是切换需求二，若为切换需求一，执行步骤3)，若为切换需求二，执行步骤6)；

3)对活动基站簇成员按信号质量降序排列；

4)候补基站簇成员按信号质量降序排列，若候补基站簇的基站数大于活动基站簇的基站数n，只需选出信号最强的n个基站；

5)对候补基站簇中的有效基站的信号强度进行一一判断来更新活动基站簇；

6)通过以下目标函数来计算活动基站簇中每个基站的F_i，

$F_i=k_1\frac{R_i}{R_{\mathrm{i\Σ}}}+k_2\frac{C_i}{C_{\max }}$

其中k₁和k₂是加权系数，BS_i为活动基站簇的基站，R_i∑是BS_i所有的资源，R_i是BS_i剩余的资源，C_i是BS_i与用户的信道容量，C_max是活动基站簇基站中信道容量的最大值；

7)活动基站簇中的基站按照F_i值进行排序，选择F_i最大的基站作为新服务基站，其余的基站作为协作基站；

8)原服务基站向新服务基站提交用户切换请求，新服务基站进行接纳控制流程，并与活动基站簇中的其他协作基站进行协商，判断接纳控制和协商是否成功，若为是，向原基站返回切换请求ACK信息，并执行步骤10)；若为否，返回失败信息，并执行步骤9)；

9)选择Fi值次大的基站作为新服务基站，并返回步骤8)；

10)执行切换操作。

2.根据权利要求1所述的一种协作多基站组网环境下的主从基站选择与切换方法，其特征在于，所述的步骤1)中切换触发条件为：

切换需求一为信号质量的下降；

切换需求二为网络负载增大。

3.根据权利要求1所述的一种协作多基站组网环境下的主从基站选择与切换方法，其特征在于，所述的步骤5)中的对候补基站簇中的有效基站的信号强度进行判断来更新活动基站簇包括以下步骤：

当候补基站簇中的基站BS_i信号强度大于设定的阈值，且大于活动基站簇中信号强度最小的基站BS_j时，将该基站BS_i移入活动基站簇，同时将基站BS_j移出活动基站簇。

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