CN102823299A - 无线异构网络中的基站、移动设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无线通信网络中的基站，包括：发射单元，被配置为向移动设备和相邻基站发射消息；接收单元，被配置为接收来自移动设备和相邻基站的消息；以及切换单元，被配置为：根据来自移动设备和相邻基站的消息，基于网络性能和信号强度来执行切换。本发明还提供了一种移动设备，包括：发射单元，被配置为向基站发射消息；接收单元，被配置为接收来自基站的消息；以及切换单元，被配置为：根据来自基站的消息，基于网络性能和信号强度来执行切换。另外，本发明还提供了一种相应的切换方法。本发明能够提供更高的服务速率，从而提供更好的用户体验，特别是对于小区边缘处的用户。

Description

无线异构网络中的基站、 移动设备和方法 技术领域

本发明涉及无线通信领域， 具体涉及一种用于无线异构网络中的 基站、 移动设备和方法。 背景技术

移动性是无线蜂窝通信系统的重要特征。 因此， 对该系统的最基 本的要求是， 当移动设备进入网络或从一个小区移到另一小区时， 良 好的小区切换标准是获得较好的服务质量（QoS ) 的前提。一般地， 通 过从一个小区到另一个小区（可以把进入网络看作是切换的一个特例） 的切换来实现连续服务。 切换是指当呼叫正在进行时对与当前连接相 关联的信道 （频率、 时隙、 扩频码或其组合） 进行改变。 如图 1所示， 移动设备 MS从基站 BS1的服务区进入基站 BS2的服务区时， 根据信号强 度而执行从 BS1至 BS2的切换， 以确保移动设备 MS的连续服务。在文献 1 ( Q. An Zeng, D. Agrawal, " Handof f in Wireless Mobi le Networks, " Chap 1 in Handbook of Wireless Networks and Mobile Computing, John Wi ley & Sons, Inc. 2002 ) 中对此进行了详细描述。

在任何蜂窝电信网络中， 小区切换都非常重要， 其对系统性能有 很大的影响。 由于一般通过穿过小区边界或当前信道中信号质量的恶 化而发起切换， 当小区的大小相对较小并且小区的部署变得复杂时， 设计良好的小区切换方案具有突出的价值。例如，对于文献 2 ( 3GPP TR 36. 814, " Further Advancements for E-UTRA Physical Layer Aspects, " vl. 5. 2, Dec. 2009 ) 所描述的 3GPP的 LTE演进中所涉及的 异构网络 （HTN)， 由于其具有密度更高结构更复杂的小区部署， 移动 设备的越区切换就越频繁， 故而切换方案的设计会在很大程度上影响 HTN网络的性能。

目前， 现有的小区切换标准主要基于接收信号强度 /质量或移动 设备与基站之间的相对距离而决定何时需要切换以及切换至哪个小 区。 显然， 基于信号强度或相对距离的小区切换并没有考虑到其对网 络的整体吞吐量的影响。 换句话说， 理想的小区切换不仅应当基于接 收信号的测量， 而且还应当基于总体系统性能的最优化 （包括用户公 平性）。

现有的小区切换方案仅能够尝试为目标移动设备提供满意的信 号质量， 但无法保证执行小区切换后网络的性能不发生退化。 因此， 需要一种基于网络吞吐量和用户公平性的小区切换方案。 发明内容

为了解决上述问题， 本发明的基本思想是以尽可能小的改动来改 进现有的小区切换方案。具体地，本发明提出了增强的切换决策条件， 该条件基于以用户平均服务速率的乘积形式而重新定义的网络吞吐 量。 在本发明中， 所切换的目标基站不仅提供可接受的信号强度， 而 且能够提供最大网络吞吐量。 也就是说， 如果当前基站的信号仍处于 可接受的水平， 则仅当可能的切换后的总体网络吞吐量大于切换之前 的网络吞吐量时 （例如大于某个特定差值） 才执行该切换； 如果当前 基站的信号处于可接受的水平之下， 则执行切换， 并且目标基站不仅 提供可接受的信号强度， 而且能够提供最大网络吞吐量。

具体地， 本发明的一个方面提供了一种无线通信网络中的基站， 包括： 发射单元， 被配置为向移动设备和相邻基站发射消息； 接收单 元， 被配置为接收来自移动设备和相邻基站的消息； 以及切换单元， 被配置为： 根据来自移动设备和相邻基站的消息， 基于网络性能和信 号强度来执行切换。

优选地， 网络性能包括以网络中的移动设备平均服务速率的形式 而定义的网络吞吐量。

优选地， 切换单元被配置为： 如果移动设备的当前信号强度仍处 于可接受的水平， 则仅当可能的切换之后的网络吞吐量大于当前的网 络吞吐量特定阈值、 并且仍能提供可接受的信号强度时， 才执行该切 换； 如果移动设备的当前信号强度处于可接受的水平之下， 则把移动 设备切换至不仅能够提供可接受的信号强度、 而且能够提供最大的网 络吞吐量的基站； 如果不存在能够提供可接受的信号强度的基站， 或 者切换至能提供可接受信号强度的基站后会导致网络吞吐量下降， 则 把移动设备切换至信号最强的基站。

优选地， 切换单元被配置为： 根据香农理论或调制和编码方案映 射来估计移动设备平均服务速率， 以此获得网络吞吐量。

优选地， 基站的发射单元和接收单元经由 X2接口与相邻基站交换 相关联的移动设备的信息， 而且所述基站的发射单元经由空中接口将 该信息传递给新入网的移动设备。

优选地， 无线通信网络是 LTE异构网络， 基站包括宏基站、 微基 站、 家庭基站和中继基站。

本发明的另一方面提供了一种由无线通信网络中的基站执行的 切换方法， 包括如下步骤： 接收来自移动设备和相邻基站的消息； 以 及根据来自移动设备和基站的消息， 基于网络性能和信号强度来执行 切换。

优选地，网络性能包括以网络中的移动设备平均服务速率的形式 而定义的网络吞吐量。

优选地，如果移动设备的当前信号强度仍处于可接受的水平， 则 仅当可能的切换之后的网络吞吐量大于当前的网络吞吐量特定阈值、 并且仍能提供可接受的信号强度时，才执行该切换； 如果移动设备的 当前信号强度处于可接受的水平之下，则把移动设备切换至不仅能够 提供可接受的信号强度、而且能够提供最大的网络吞吐量的基站； 如 果不存在能够提供可接受的信号强度的基站，或者切换至能提供可接 受信号强度的基站后会导致网络吞吐量下降，则把移动设备切换至信 号最强的基站。

优选地，根据香农理论或调制和编码方案映射来估计移动设备平 均服务速率， 以此获得网络吞吐量。

本发明的又一方面提供了一种移动设备， 包括： 发射单元， 被配 置为向基站发射消息； 接收单元， 被配置为接收来自基站的消息； 以 及切换单元， 被配置为： 根据来自基站的消息， 基于网络性能和信号 强度来执行切换。

优选地，网络性能包括以网络中的移动设备平均服务速率的形式 而定义的网络吞吐量。

优选地，切换单元被配置为：如果移动设备的当前信号强度仍处 于可接受的水平，则仅当可能的切换之后的网络吞吐量大于当前的网 络吞吐量特定阈值、并且仍能提供可接受的信号强度时，才执行该切 换；如果移动设备的当前信号强度处于可接受的水平之下，则把移动 设备切换至不仅能够提供可接受的信号强度、而且能够提供最大的网 络吞吐量的基站；如果不存在能够提供可接受的信号强度的基站，或 者切换至能提供可接受信号强度的基站后会导致网络吞吐量下降，则 把移动设备切换至信号最强的基站。

本发明通过对现有的小区切换方案进行改进， 提供了一种易于实 现的小区切换方案。 该方案提供了改进的用户公平性以及尽可能大的 网络吞吐量。 因此， 本发明能够提供改进的服务速率， 从而提供更好 的用户体验， 特别是对于小区边缘处的用户。 附图说明

通过下文结合附图的详细描述， 本发明的上述和其他特征将会变 得更加明显， 其中：

图 1示出了现有技术中移动设备在基站之间进行切换的示意图； 图 2示出了根据本发明一个实施例的基站的框图；

图 3示出了根据本发明一个实施例的移动设备的框图；

图 4示出了根据本发明一个实施例的示例应用场景；

图 5示出了图 4的示例应用场景中的详细参数表；

图 6示出了基于图 5中所示的参数表的累积分布函数曲线图； 图 7示出了根据本发明一个实施例的切换方法的流程图； 以及 图 8示出了根据本发明另一个实施例的切换方法的流程图。 具体实施方式

下面， 通过结合附图对本发明的具体实施例的描述， 本发明的原 理和实现将会变得明显。 应当注意的是， 本发明不应局限于下文所述 的具体实施例。 另外需要说明， 为了简便起见， 附图中没有示出与本 发明相关的公知组件。

图 2示出了根据本发明一个实施例的基站 200的框图， 该基站 200 应用于无线异构网络中， 例如包括但不限于： 宏基站、 微基站、 家庭 基站、 中继基站， 以及其他类型的服务节点， 等等。 如图 2所示， 在本 示例中， 基站 200包括发射单元 202、 接收单元 204以及切换单元 206。 发射单元 202被配置为向其服务区中的移动设备以及相邻基站发射消 息。接收单元 204被配置为接收来自移动设备和相邻基站的消息。切换 单元 206被配置为根据来自移动设备和相邻基站的消息，基于网络性能 和信号强度来执行切换。 具体地， 在本发明中， 考虑到普通切换和入 网这两种情况， 下面分别进行描述。

普通切换包括两种切换： 主动切换和被动切换。 主动切换的含义 是： 即使从基站 200的发射单元 202向目标移动设备发射的信号仍高于 可接受水平， 也可能发生切换。 也就是说， 只要存在能够提供更大的 网络吞吐量的潜在基站， 哪怕信号强度可能会稍微降低 （但仍高于可 接受的水平），目标移动设备也会被切换至该基站。被动切换的含义是： 如果从当前基站 200的发射单元 202向目标移动设备发射的信号低于可 接受水平 （比如低于某一阈值） 时， 执行切换。 目标基站是不仅提供 可接受的信号强度， 而且提供最大网络吞吐量的基站。 如果不存在符 合条件的目标基站， 则切换至接收信号最强的邻近基站。

在实际情况中， 需要知晓多个参数以确定是否需要执行合理的切 换。 移动设备连续监测其从基站接收到的信号 （包括其当 tr使用的信 号）的强度， 并反馈该信息。基站 200的接收单元 204接收该反馈信息， 并将该信息传递给切换单元 206， 由切换单元 206判断何时执行切换以 及切换至哪个小区。

具体地， 切换单元 206根据信号强度的反馈信息来估计从每一个 目标基站到移动设备的潜在数据速率。例如， 根据香农公式或 MCS (调 制和编码方案） 映射来估计从每一个目标基站到移动设备的链路数据 速率， 即移动设备平均服务速率。然后， 切换单元 206计算潜在的网络 吞吐量 （假定把移动设备切换至该基站）。 在此基础上， 切换单元 206 比较潜在的切换之前和之后的吞吐量， 以决定是否执行该切换。 例如， 假定存在 N个基站 （包括宏基站、 微基站、 家庭基站和中 继基站等类型）， 每一个基站有 ^个相关联的移动设备。 切换单元 206 根据以下公式来计算比例公平调度 （PFS) 下的下行链路网络吞吐量:

" ^2,1…

T )'( ,+1,2 · ) ' ' ' ^«,+...+«^.,+2,^ ·■·

•"2

(1) 其中， 是第 n个基站向其附属的编号为 u的移动设备提供的平 均链路数据速率。 根据信号强度反馈来估计 ?„„。 注意， 公式 （1) 中 定义的 τ可以向每一个用户提供比例公平服务。

相应地， 假定编号为 k的移动设备当前由第 i个基站提供服务， 则 如果切换至第 j个基站， 切换后和切换前的吞吐量之比是

Ti—>j ¹ after _h ^l kJ ^M,； "j

l _r = ~ = r- rn)

丁 '(" +ι ¹

显然， 7 ≥1成为执行切换的一个必要条件。 由此， 最终的小区 切换标准可以写为 j* = max T'~^>J

s.t" T;^→J≥ 1, and R_{k J}≥ R^^oS (³⁾

即， 目标基站是不仅提供可接受的信号强度， 而且提供最大网络 吞吐量的基站（其中 。^s是编号为 k的移动设备能够接受的最低信号强 度）。

下面详细介绍移动设备的入网这一情况。 实际上， 入网情况下的 小区切换方案与普通切换情况下的非常类似。假定一个新的移动设备 k 开始进入网络中的第 j个基站，那么入网之后和入网之前的吞吐量之比 是

T after— e ^k ,j ' ^Uj '

e ore _e (_Uj + 1)

类似地， Γ/≥1成为入网的一个必要条件。 因此， 最终的小区切换 标准可以写为 j = max T^J

j

s,t., Τ;≥ 1, and R_{k j}≥ R^^oS (^{5 )}

即， 目标基站是不仅提供可接受的信号强度， 而且提供最大网络 吞吐量的基站。

综上所述， 在根据本发明一个实施例的基站 200中， 需要预先知 晓平均链路速率和相邻基站所服务的移动设备的个数。 移动设备仅需 要向其当前服务基站反馈信道测量（通过导频信道测得）， 然后， 余下 的工作都在该基站 200的切换单元 206中执行。此外，基站 200可经由 X2 接口来交换每一个相邻基站所服务的移动设备的个数。 通过对现有的 小区切换方案进行改进，根据本发明一个实施例的基站 200提供了更好 的用户公平性以及尽可能大的网络吞吐量。

然而， 本领域的技术人员可以理解， 上述切换也可以由移动设备 来执行，特别是在移动设备刚刚幵启入网时。图 3示出了根据本发明一 个实施例的移动设备 300的框图。该移动设备 300包括发射单元 302、接 收单元 304以及切换单元 306。当移动设备 300刚刚开启以进入无线通信 网络时，接收单元 304通过空中接口从服务于当前小区的基站接收与每 一个相邻基站所关联的移动设备的数目信息。然后，切换单元 306基于 该信息并结合经由导频测知的与各个基站间的链路质量， 向最为合理 的目标基站发出入网请求， 在得到允许后， 切换至该基站。 切换单元

306所执行的过程与上文描述的基站 200的切换单元 206的操作类似，此 处不再赘述。

当然， 移动设备 300也可以先行接入能提供最大接收信号的基站， 然后由该基站执行切换操作，以便将该移动设备 300接入最为合适的基 站。

下文通过图 4- 7来描述根据本发明一个实施例的应用场景。

图 4示出了本发明在 3GPP LTE-A 异构网络中的应用的一个示例。 图 5示出了图 4中的示例应用的详细参数表。从图 5中可以看出，该示例 应用场景的蜂窝布局包括 7个宏基站，每个宏基站管辖 3个蜂窝小区。然 而， 为了清楚起见， 在图 4中仅示意性地示出了包括 1个宏基站 （图 4 中的 eNB) 的多小区六边形布局， 该宏基站管辖 3个小区， 每个小区中 有两个微基站（图 4中的 pico )。本领域技术人员可以想到， 其他 6个宏 基站具有相似的布局。

图 6示出了基于图 5中所示的参数表的函数曲线图， 该函数曲线是 与本发明的技术方案 （实线） 和现有技术中基于信干噪比 SINR的技术 方案 （虚线） 相对应的归一化用户吞吐量的累积分布函数曲线。 累积 分布函数曲线上的某一点表示系统中有对应于 （1-该点纵坐标） 百分 比数目的用户可以达到该点横坐标所示的归一化数据速率。 相应地， 曲线越靠右侧表明其所对应的方案性能越好。 下表列出了图 4中的 5% (小区边缘）、 50% (中值） 和均值 （小区平均） 用户吞吐量：

表 1-归一化用户吞吐量 从表 1可以看出， 与现有技术的方案相比， 本发明在 5%和 50%吞吐 量上分别提高了 23. 3%和 21. 3%， 这意味着多数用户 （特别是小区边缘 的用户） 能够显著地感受到服务质量的提升。 也就是说， 更好地确保 了用户公平性。 另外注意到， 本发明的小区平均用户吞吐量有 7. 9%的 下降， 这是因为在基于 SINR的小区切换方案中， 较少的用户获得了非 常高的吞吐量。

图 7示出了根据本发明一个实施例的切换方法 700的流程图。 该方 法例如可以由图 2中所示的根据本发明一个实施例的基站 200来执行。 具体地， 方法 700在步骤 702处开始。 接下来， 在步骤 704处， 移动设备 连续监测其从基站接收到的信号 （包括其当前使用的信号） 的强度， 并向当前的服务基站反馈该信息。之后， 在步骤 706处， 服务基站从相 邻基站获取与网络中的其他移动设备有关的信息。在步骤 708处，基站 根据来自移动设备和相邻基站的消息， 基于网络性能和信号强度来执 行针对移动设备的小区切换， 如上文所述。

需要说明的是， 图 7中所示的方法的执行顺序只是示意性的， 本 发明的切换方法并不一定限于图 7中所示的顺序。 例如， 步骤 704和步 骤 706的执行顺序可以颠倒。

图 8示出了根据本发明另一个实施例的切换方法 800的流程图。 该 方法例如可以由图 3中所示的根据本发明一个实施例的移动设备 300在 入网时执行。 具体地， 方法 800在步骤 802处开始。 在步骤 804， 刚入网 的移动设备从基站接收网络中的移动设备的数目信息。 之后， 在步骤 806 , 该移动设备测量其与基站之间的信道的质量。然后， 在步骤 808， 该移动设备根据从基站接收到的信息， 基于网络性能和信号强度来执 行切换， 以确定其应当接入哪个基站， 如上文所述。

本发明提出了一种具有增强的切换决策的基站和移动设备以及 相应的方法， 其中， 所切换的目标基站不仅提供可接受的信号强度， 而且能够提供最大网络吞吐量。 也就是说， 如果当前基站的信号仍处 于可接受的水平， 则仅当可能的切换后的总体网络吞吐量大于切换之 前的网络吞吐量时 （例如大于某个特定差值） 才执行主动切换。 如果 当前基站的信号处于可接受的水平之下， 则执行被动切换， 并且目标 基站不仅提供可接受的信号强度， 而且能够提供最大网络吞吐量。 本发明能够提供更好的用户公平性和尽可能大的网络吞吐量。 因 此，本发明能够提供更好的用户体验，特别是对于小区边缘处的用户。

尽管以上已经结合本发明的优选实施例示出了本发明， 但是本领 域的技术人员将会理解， 在不脱离本发明的精神和范围的情况下， 可 以对本发明进行各种修改、 替换和改变。 因此， 本发明不应由上述实 施例来限定， 而应由所附权利要求及其等价物来限定。

Claims (19)

1. 权 利 要 求

   1. 一种无线通信网络中的基站， 包括：

   发射单元， 被配置为向移动设备和相邻基站发射消息；

   接收单元， 被配置为接收来自移动设备和相邻基站的消息； 以及 切换单元， 被配置为： 根据来自移动设备和相邻基站的消息， 基 于网络性能和信号强度来执行切换。
2. 2. 如权利要求 1所述的基站， 其中， 所述网络性能包括： 以网络 中的移动设备平均服务速率的形式而定义的网络吞吐量。
3. 3. 如权利要求 2所述的基站， 其中， 所述切换单元被配置为： 如 果移动设备的当前信号强度仍处于可接受的水平， 则仅当可能的切换 之后的网络吞吐量大于当前的网络吞吐量特定阈值、 并且仍能提供可 接受的信号强度时， 才执行该 t刀换。
4. 4. 如权利要求 2所述的基站， 其中， 所述切换单元被配置为： 如 果移动设备的当前信号强度处于可接受的水平之下， 则把移动设备切 换至不仅能够提供可接受的信号强度、 而且能够提供最大的网络吞吐 量的基站。
5. 5. 如权利要求 4所述的基站， 其中， 所述切换单元被配置为： 如 果不存在能够提供可接受的信号强度的基站， 或者切换至能提供可接 受信号强度的基站后会导致网络吞吐量下降， 则把移动设备切换至信 号最强的基站。
6. 6. 如权利要求 2所述的基站， 其中， 所述切换单元被配置为： 根 据香农理论或调制和编码方案映射来估计移动设备平均服务速率， 以 此获得网络吞吐量。
7. 7. 如权利要求 1所述的基站， 其中， 所述基站的发射单元和接收 单元经由 X2接口与相邻基站交换相关联的移动设备的信息， 而且所述 基站的发射单元经由空中接口将该信息传递给新入网的移动设备。
8. 8. 如权利要求 1-7中任意一项所述的基站， 其中， 所述无线通信 网络是 LTE异构网络， 所述基站包括宏基站、微基站、家庭基站和中继 基站。
9. 9. 一种由无线通信网络中的基站执行的切换方法， 包括如卞歩 骤：

   接收来自移动设备和相邻基站的消息； 以及

   根据来自移动设备和基站的消息，基于网络性能和信号强度来执 行切换。
10. 10. 如权利要求 9所述的切换方法， 其中， 所述网络性能包括： 以网络中的移动设备平均服务速率的形式而定义的网络吞吐量。
11. 11. 如权利要求 10所述的切换方法， 其中， 如果移动设备的当前 信号强度仍处于可接受的水平，则仅当可能的切换之后的网络吞吐量 大于当前的网络吞吐量特定阈值、 并且仍能提供可接受的信号强度 时， 才执行该切换。
12. 12. 如权利要求 10所述的切换方法， 其中， 如果移动设备的当前 信号强度处于可接受的水平之下，则把移动设备切换至不仅能够提供 可接受的信号强度、 而且能够提供最大的网络吞吐量的基站。
13. 13. 如权利要求 12所述的切换方法， 其中， 如果不存在能够提供 可接受的信号强度的基站，或者切换至能提供可接受信号强度的基站 后会导致网络吞吐量下降， 则把移动设备切换至信号最强的基站。
14. 14. 如权利要求 10所述的切换方法， 其中， 根据香农理论或调制 和编码方案映射来估计移动设备平均服务速率， 以此获得网络吞吐 量。
15. 15. 一种移动设备， 包括：

    发射单元， 被配置为向基站发射消息；

    接收单元， 被配置为接收来自基站的消息； 以及

    切换单元， 被配置为： 根据来自基站的消息， 基于网络性能和信 号强度来执行切换。
16. 16. 如权利要求 15所述的移动设备， 其中， 所述网络性能包括： 以网络中的移动设备平均服务速率的形式而定义的网络吞吐量。
17. 17. 如权利要求 16所述的移动设备， 其中， 所述切换单元被配置 为：如果移动设备的当前信号强度仍处于可接受的水平， 则仅当可能 的切换之后的网络吞吐量大于当前的网络吞吐量特定阈值、并且仍能 提供可接受的信号强度时， 才执行该切换。
18. 18. 如权利要求 16所述的移动设备， 其中， 所述切换单元被配置 为：如果移动设备的当前信号强度处于可接受的水平之下， 则把移动 设备切换至不仅能够提供可接受的信号强度、而且能够提供最大的网 络吞吐量的基站。
19. 19. 如权利要求 18所述的移动设备， 其中， 所述切换单元被配置 为：如果不存在能够提供可接受的信号强度的基站，或者切换至能提 供可接受信号强度的基站后会导致网络吞吐量下降，则把移动设备切 换至信号最强的基站。 ·