CN105554825A - 一种HetNet系统中DRX状态下的小区选择方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种HetNet系统中DRX状态下的小区选择方法和装置，接入网为每个小区设置一个HetNet级别并广播给用户，用户接收消息并保存在本终端；每个基站判断处于连接状态的用户在一段时间内数据包的活动性是否低于某个门限值，若是则使用DRX机制，进行DRX建模分析；以代价函数值最小为原则为每个用户分配DRX周期长度；考虑用户速度和DRX周期长度计算单调函数值，判别不同值对应的小区HetNet级别值。最终用户根据得到的要测量的邻区HetNet级别信息对符合要求的邻区进行测量，选择最佳的目标小区进行切换。本发明具有减少网络侧与用户终端的信令交互，降低用户功耗，延长终端使用寿命，有效地降低切换过程中的切换失败率、无线链路失败率和乒乓率的特点。

Description

一种HetNet系统中DRX状态下的小区选择方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于LTE-AHetNet系统中DRX状态下的小区选择方法和装置，属于移动通信系统中无线资源管理研究领域。

背景技术

在LTE-AHetNet部署场景下，对处于连接状态下的用户而言，如果从一个小区移动到另一个小区，则网络侧需要将该用户从源小区切换到目标小区，其关键一步是为用户选择最好的目标小区进行服务，然后执行切换流程。小区选择有效地平衡了宏蜂窝和低功率节点间的负载，提高了整个系统的性能。

在切换过程中，连接状态下用户的移动性测量是由网络侧控制。具体地说，当移动用户向网络侧发出切换请求时，网络侧向用户发送专用测量控制命令，包含测量类型、测量报告准则参数、测量命令、测量量、报告量等参数。用户收到该测量控制命令后，对邻小区进行相应的测量，当满足网络侧规定的测量报告条件时就上报测量报告。网络侧检测出其中信号质量最好的一个小区将其作为该用户目标小区，然后再对该用户进行小区切换。可见在一次正常的切换中，用户和网络之间要进行测量控制、测量报告、切换命令、切换确认等多条信令交互。虽然传统的最大下行参考信号接收功率(ReferenceSignalReceivedPower，RSRP)、小区范围扩展(CellRangeExpansion，CRE)等多种小区选择方案都有效地改善了系统性能，但是在用户侧和网络侧之间需要频繁的信令交互，导致了用户的高功率损耗，减少了用户终端的电池寿命，从而限制了用户接收最佳服务的体验。

为了更好地节电，我们使用非连续接收(DiscontinuousReception，DRX)机制。在LTE-A系统中，DRX分为2种：空闲状态下的DRX(Idle-DRX)和连接状态下的DRX(Connected-DRX)，通过无线资源控制层(RadioResourceControl，RRC)来管理。在Idle-DRX模式中，UE没有无线资源连接，主要完成对呼叫信道和广播信道监听，为了达到非连续接收，只需配置好固定睡眠周期。但是UE要监听用户数据信道，则必须从Idle状态先进入连接状态。在Connected-DRX模式中，UE有3个状态，分别处于活跃期，短DRX周期(即浅睡眠期)和长DRX周期(即深睡眠期)，如附图3所示。在活跃期，UE处于功率消耗模式；在浅、深睡眠期，UE处于功率节省模式。本专利对用户分配的DRX周期长度主要考虑连接状态下的DRX。

在活跃期，去激活计时器(DRXinactivitytimer(t_i))开始启动，UE打开接收机检测PDCCH，同时接收基站从演进分组核心网(evolvedpackedcore，EPC)传送来的数据包。在t_i计时器溢出之前，PDCCH指示一个下行链路数据传输，则重新启动t_i，再次进入活跃期；反之，则UE进入浅睡眠期。

在短DRX周期，DRX短循环计时器(DRXshortcycletimer(t_s))用来指定短DRX周期的个数；短DRX周期(DRXshortcycle(t_ds))是短DRX周期的大小，包括开启持续时间(ondurationtimer(T_on))和睡眠期。T_on为UE监听PDCCH的时间，等待/接收基站上下行数据的传输；在睡眠期UE关闭收发单元，不监听PDCCH。当PDCCH指示一个下行链路传输时，UE从短DRX周期进入活跃期；反之，UE仍处于短DRX周期直到t_s计时器溢出，进入深睡眠期。

在长DRX周期，DRXlongcycle(t_dl)为深睡眠周期，与短DRX周期类似，也由T_on和睡眠期组成。其中，长短DRX周期中的T_on相同，但睡眠期不同。如果PDCCH指示有一个下行链路传输，UE从长DRX周期转换到活跃期，同时开启t_i计时器；反之，UE仍处于长DRX周期。在短、长DRX周期内基站不会向UE传输任何数据包。RRC通过控制这几个参数协同工作，使UE在这3个状态之间切换，实现了DRX机制的节能作用。Connected-DRX的建模分析流程图如附图4所示。

DRX机制的主要思想是允许用户关闭接收器一段时间，在这段时间内周期性地醒来监测物理下行控制信道，若没有自己的数据，将会继续睡眠。但采用DRX机制会存在如下问题：若DRX很长，用户很可能会移动到新小区，这时如果该用户醒来发现进入了新的小区，需要发起小区更新或者前向切换，用户移动速度越快，小区的大小越小，此情况出现的概率就越大，这使得用户的节电性能不是很好(每次醒来都发现已移动到了新小区，从而发起小区更新或前向切换，产生了很多信令交互)，而且很可能用户进入的新小区已经和原小区之间相隔了很多小区，从而无法切换，导致无线链路失败、掉话。为此，需要一种有效的小区选择方法，在用户终端节能的基础上，配置合适的DRX周期长度，并考虑用户速度这项因素，以最大限度地降低用户功耗，提高切换过程中的无线链路失败率、切换失败率和乒乓率。

发明内容

发明目的：本发明针对切换过程中现有小区选择方法存在的不足，面向实际工程应用，提出了一种能够降低用户功率消耗、有效改善切换过程中多项性能指标的小区选择方法和装置，它能够简单快速地实现HetNet场景下目标小区的自适应选择。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种HetNet系统中DRX状态下的小区选择方法，该方法在每次的运行周期中重复以下几个步骤：

第一步：接入网为每个小区设置一个HetNet级别，并将其通过系统消息进行广播，用户接收消息并将各小区的HetNet级别保存在本终端；所述小区包括宏小区、微微蜂窝小区和毫微微蜂窝小区，同类小区的HetNet级别相同；

第二步：每个基站根据各自的服务用户中处于连接状态的用户在一段时间内数据包的活动性值，判决用户是否需要使用DRX机制，若活动性值低于设定的阈值则使用DRX机制，转入第三步，否则采用传统小区选择算法；

第三步：基站进行DRX建模分析，计算出用户的功率消耗和平均等待时延；

第四步：基站基于用户的功率消耗和平均等待时延计算代价函数值CF，并以代价函数值CF最小为原则为用户配置DRX周期长度；

第五步：基站根据用户的DRX周期长度和用户速度的乘积得到单调函数值H，并将H值转化为小区HetNet级别，作为用户切换时选择的要测量的邻区的HetNet级别；

第六步：用户根据得到的要测量的邻区的HetNet级别，对具有相应级别的邻区进行测量，选择目标小区进行切换；

每次小区选择的过程是在每个系统运行周期的倍数重复以上第一步到第六步。

进一步地，所述第二步中，处于连接状态的用户UE_i在一段时间内数据包的活动性值的计算规则为：

$A_{{\mathrm{UE}}_i}=\frac{N_r+N_s}{T}$

其中，N_r和N_s分别为统计时间T内用户UE_i从基站接收和向基站发送的数据量。

进一步地，所述第三步中，具体包括：

(3.1)根据ETSI数据模型，定义3个状态[N，S_S，S_L]，建立连接状态下的DRX马尔科夫模型；其中N表示激活态，S_S表示轻度睡眠态，S_L表示深度睡眠态；

(3.2)计算马尔科夫链转移概率矩阵和平稳分布；所述转移概率矩阵为

$\left(\begin{array}{ccc}{p}_{pc}{q}_1+p_s{q}_2& p_{pc}(1-q_1)+p_s(1-q_2)& 0\\ p_{pc}{q}_3+p_s{q}_4& 0& p_{pc}(1-q_3)+p_s(1-q_4)\\ 1& 0& 0\end{array}\right),$

其中，p_pc和p_s分别为一个新的分组呼叫在当前会话期间到达和在下一个会话开始时到达的概率；q₁和q₂为在状态N时去激活计时器溢出之前有新的分组数据到达的概率；q₃和q₄为在状态S_S时短DRX周期循环计时器溢出之前有新的分组数据到达的概率；p_ij(i＝1,2,3；j＝1,2,3)为[N,S_S,S_L]三个状态间的转移概率；

(3.3)计算用户终端UE_i在DRX马尔科夫链中对应的3个状态的停留时间E[T₁]、和计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}E\[T_1\]=({\mathrm{\μ}}_p-1)/{\mathrm{\λ}}_{ip}+\left(\frac{p_{pc}}{{\mathrm{\λ}}_{ipc}}\right)\[1-e^{-{\mathrm{\λ}}_{ipc}{t}_i}\]+\left(\frac{p_s}{{\mathrm{\λ}}_{is}}\right)\[1-e^{-{\mathrm{\λ}}_{is}{t}_i}\]\\ E\[T_2^{*}\]=\[p_{pc}(1-e^{-{\mathrm{\λ}}_{ipc}{t}_i})+p_s(1-e^{-{\mathrm{\λ}}_{is}{t}_i})\](\frac{p_{pc}}{1-e^{-{\mathrm{\λ}}_{ipc}{t}_{ds}}}+\frac{p_s}{1-e^{-{\mathrm{\λ}}_{is}{t}_{ds}}})(t_{ds}-T_{on})\\ +\[p_{pc}{e}^{-{\mathrm{\λ}}_{ipc}{t}_i}+p_s{e}^{-{\mathrm{\λ}}_{is}{t}_i}\]N_s(t_{ds}-T_{on})\\ E\[T_3^{*}\]=(\frac{p_{pc}}{1-e^{-{\mathrm{\λ}}_{ipc}{t}_{dl}}}+\frac{p_s}{1-e^{-{\mathrm{\λ}}_{is}{t}_{dl}}})(t_{dl}-T_{on})\end{array}\right.$

其中，t_ds和t_dl分别为短DRX周期长度和长DRX周期长度，N_s为用户在状态S_S经历的短DRX周期个数；λ_is、λ_ipc和λ_ip分别为ETSI模型中会话间隙t_is、分组呼叫间隙t_ipc和数据包到达时间间隙t_ip的均值；t_i为去激活计时器，T_on为户处于短DRX循环周期和长DRX循环周期时监听PDCCH的时间；

(3.4)计算用户UE_i的功率消耗E和平均等待时延E[D]，计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}E\[P_{{\mathrm{UE}}_i}\]=P_{Listen}(E\[T_1\]+E\[T_{on}\])+P_{Sleep}(E\[T_2^{*}\]+E\[T_3^{*}\])\\ E\[D\]=\underset{j=1}{\overset{N_s}{\Σ}}{p}_j\frac{t_{ds}}{2}+\underset{j=N_s+1}{\overset{\mathrm{\∞}}{\Σ}}{p}_j\frac{t_{dl}}{2}\end{array}\right.$

其中，P_Listen为用户监听PDCCH时的功率消耗，P_Sleep为用户处于睡眠期的功率消耗；E[T_on]为用户处于短DRX周期和长DRX周期时监听PDCCH的平均时间；p_j为第j个DRX循环周期时有分组呼叫达到的概率。

进一步地，所述第四步中，代价函数值CF的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}CF=w_1\·E\[P_{{\mathrm{UE}}_i}\]+w_2\·E\[D\]\\ w_1+w_2=1\end{array}\right.$

其中，w₁和w₂分别是用户UE_i的功率消耗和平均等待时延的权重因子。

进一步地，所述权重因子w₁和w₂的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{w}_2=\frac{r_i\left(t\right)}{{\mathrm{\δ}}_i{t}_{active,i}\left(t\right)t_{rem,i}\left(t\right)R_i\left(t\right)}\\ w_1=1-w_2\end{array}\right.$

其中，r_i(t)和R_i(t)分别为用户UE_i在当前时刻t的瞬时速率和平均速率；δ_i、t_active,i(t)和t_rem,i(t)分别为用户UE_i最大允许的包丢失率、数据包在每个DRX周期内的剩余活跃时间和数据包距超时的剩余时间。

进一步地，所述第四步中，DRX周期长度由DRX机制中的开启持续时间计时器时长t_ON、去激活计时器时长t_i、短DRX周期循环计时器时长t_s和长DRX周期循环计时器时长t_l组成，设置t_ON＝50ms、t_i＝10ms、t_s＝40ms，80ms≤t_l≤640ms，选取使得代价函数值CF最小的长DRX周期循环长度t_l，从而得到DRX周期长度。

进一步地，所述第五步中，单调函数值H的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}H={\mathrm{\βT}}_{DRX}\·V_{{\mathrm{UE}}_i}\\ \mathrm{\β}=\frac{1}{T_{avg}{V}_{avg}}\end{array}\right.$

其中，β为乘积系数，将DRX周期长度T_DRX和用户速度V_UEi的单位归一化，T_avg为用户配置的DRX周期长度；为系统中所有用户的平均速度。

进一步地，所述第五步中，基站根据如下规则将不同的H值转化为相应的小区HetNet级别值，

$C_{HetNet}=\left\{\begin{array}{cccc}1,& H<{\mathrm{TH}}_1& & Femtocell\\ 2,& {\mathrm{TH}}_1<H<{\mathrm{TH}}_2& \&Element;& Picocell\\ 3,& H>{\mathrm{TH}}_2& & Macrocell\end{array}\right\}$

其中，TH₁和TH₂为设定的门限值。

进一步地，所述第六步中，用户从具有相同HetNet级别值的小区组中选出使RSRP最大的小区作为最佳的目标小区进行切换。

一种实现如上所述的小区选择方法的HetNet系统中DRX状态下的小区选择装置，包括：基站侧装置和终端侧装置，所述基站侧装置，包括：HetNet级别设置模块，用于根据宏小区、微微蜂窝小区和毫微微蜂窝小区的类型，为每个小区设置一个HetNet级别，并将其通过系统消息进行广播；DRX机制选用模块，用于根据基站各自的服务用户中处于连接状态的用户在一段时间内数据包的活动性值，判决用户是否需要使用DRX机制，若活动性值低于设定的阈值则使用DRX机制，否则采用传统小区选择算法；DRX建模分析模块，用于DRX建模分析，计算出用户的功率消耗和平均等待时延；DRX周期长度配置模块，用于基于用户的功率消耗和平均等待时延计算代价函数值CF，并以代价函数值CF最小为原则为用户配置DRX周期长度；以及，HetNet级别选择模块，用于根据用户的DRX周期长度和用户速度的乘积得到单调函数值H，并将H值转化为小区HetNet级别，并在用户终端发起小区更新时将所得的小区HetNet级别通知给用户终端；

所述终端侧装置，包括：HetNet级别保存模块，用于接收广播消息，并将各小区的HetNet级别保存在本终端；以及小区选择模块，用于根据接收到的要测量的邻区的HetNet级别，对具有相应级别的邻区进行测量，选择目标小区进行切换。

有益效果：本发明的一种用于LTE-AHetNet系统中DRX状态下的小区选择方法和装置，在采用DRX机制的基础上，根据代价函数最小情况下为用户分配的DRX周期长度和用户速度判别用户需要测量的小区类型，能够达到自适应地选择HetNet中相应级别的小区作为需要测量的邻区或需要切换的目标小区，能够节约用户的功率消耗，延长终端的使用寿命，减少用户侧和网络侧的信令交互，并且降低了切换过程中无线链路失败率、切换失败率和乒乓率。该方法的主要工作是为用户分配合适的DRX周期长度，在降低用户功率消耗的基础上，保证用户的数据包等待时延不宜过长，再结合用户速度根据计算得到的HetNet级别值选择相应的邻小区进行测量，使得用户可以高效地进行HetNet多小区的自适应选择。

附图说明

图1是本发明实施例的方法流程图。

图2是本发明实施例的装置结构图。

图3是RRC-Connected状态下的DRX机制图。

图4是Connected-DRX的建模分析流程图。

图5是ETSI数据模型图。

图6是LTE-ADRX状态模型图。

图7是本发明实施例的HetNet网络场景图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本实施例设定在LTE-AdvancedHetNet部署场景中，一共有7个宏小区，每个宏小区包含3个扇区，每个扇区中有2个微微小区、3个毫微微小区。每个物理资源块带宽为180kHz，相邻宏小区间的距离为500米。每个扇区均匀分布着30个用户，设置A_th＝30，t_ON＝50ms、t_i＝10ms、t_s＝40ms，TH₁＝0.4，TH₂＝1，本发明涉及的阈值参数在不同的网络场景中可基于经验或仿真实验进行适当调整。系统中的其他重要参数如表1所示。本实施例的网络场景示意图如图7所示。

表1实施例的系统参数

如图1所示，本发明实施例公开的一种用于LTE-AHetNet系统中DRX状态下的小区选择方法，主要步骤如下：

第一步：LTE-A的接入网(EvolvedUMTSTerrestrialRadioAccessNetwork，E-UTRAN)为宏小区集 ${\mathrm{\&Omega;}}_M=\{M_1,M_2,...,M_i,...,M_{N_m}\},i=1,...,N_m,$ 微微蜂窝小区集 ${\mathrm{\&Omega;}}_P=\{P_1,P_2,...,P_i,...,P_{N_p}\},i=1,...,N_p,$ 毫微微蜂窝小区集的每个小区设置一个HetNet级别。设置Femtocell的HetNet级别C_{Femto_HetNet}＝1，Picocell的HetNet级别C_{Pico_HetNet}＝2，Macrocell的HetNet级别C_{Macro_HetNet}＝3，将其通过系统消息进行广播，用户集Ω_UE＝{UE₁,UE₂,…,UE_i,…,UE_N},i＝1,…,N接收该消息并将各小区的HetNet级别保存在本终端。本例中，宏小区集Ω_M＝{M₁,M₂,…,M₇}、微微蜂窝小区集Ω_P＝{P₁,P₂,...,P₄₂}、毫微微蜂窝小区集Ω_F＝{F₁,F₂,...,F₆₃}，用户集Ω_UE＝{UE₁,UE₂,…,UE₆₃₀}。此处的1、2、3只是HetNet级别的标识，可选用其它数字或其它标识。

第二步：基站BS_m(m＝1,2,3,...,M)(M为宏基站、pico基站和femto基站的总和，本例中M为112，BS_m为宏基站/pico基站/femto基站)根据

$A_{{\mathrm{UE}}_i}=\frac{N_r+N_s}{T}$ [规则1]

分别计算各自的服务用户中处于连接状态的用户UE_i在一段时间内数据包的活动性值其中，N_r和N_s分别为统计时间T内用户从基站接收和向基站发送的数据量。根据

$A_{{\mathrm{UE}}_i}<A_{th}$ [规则2]

判决用户UE_i是否需要使用DRX机制。其中，A_th为用户数据包的活动性阈值，本例中A_th＝30。若满足[规则2]则使用DRX机制，转入第三步，否则采用传统小区选择算法。

第三步：基站BS_m(m＝1,2,3,...,112)根据欧洲电信标准化协会(EuropeanTelecommunicationsStandardsInstitute，ETSI)数据模型(ETSI流量模型的主要参数如表2所示)，定义了3个状态[N,S_S,S_L]建立连接状态下的DRX马尔科夫模型(具体的Connected-DRX的建模分析流程见附图4，ETSI数据模型图见附图5，LTE-ADRX状态模型图见附图6)。

表2ETSI数据流量模型的主要参数

根据

$\left(\begin{array}{ccc}{p}_{pc}{q}_1+p_s{q}_2& p_{pc}(1-q_1)+p_s(1-q_2)& 0\\ p_{pc}{q}_3+p_s{q}_4& 0& p_{pc}(1-q_3)+p_s(1-q_4)\\ 1& 0& 0\end{array}\right)$

$\&Pi;=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&pi;}}_1\frac{1}{1+p_{12}+p_{12}{p}_{23}}\\ {\mathrm{\&pi;}}_2=\frac{p_{12}}{1+p_{12}+p_{12}{p}_{23}}\\ {\mathrm{\&pi;}}_3=\frac{p_{12}{p}_{23}}{1+p_{12}+p_{12}{p}_{23}}\end{array}\right.$ [规则3]

推导出马尔科夫链转移概率矩阵和平稳分布。其中，p_pc和p_s分别为一个新的分组呼叫在当前会话期间到达和在下一个会话开始时到达的概率；q₁和q₂为在状态N时去激活计时器溢出之前有新的分组数据到达的概率；q₃和q₄为在状态S_S时短DRX周期循环计时器溢出之前有新的分组数据到达的概率。p_ij(i＝1,2,3；j＝1,2,3)为[N,S_S,S_L]三个状态间的转移概率。根据

$\left\{\begin{array}{c}E\&lsqb;T_1\&rsqb;=({\mathrm{\&mu;}}_p-1)/{\mathrm{\&lambda;}}_{ip}+\left(\frac{p_{pc}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{ipc}}\right)\&lsqb;1-e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_{ipc}{t}_i}\&rsqb;+\left(\frac{p_s}{{\mathrm{\&lambda;}}_{is}}\right)\&lsqb;1-e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_{is}{t}_i}\&rsqb;\\ E\&lsqb;T_2^{*}\&rsqb;=\&lsqb;p_{pc}(1-e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_{ipc}{t}_i})+p_s(1-e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_{is}{t}_i})\&rsqb;(\frac{p_{pc}}{1-e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_{ipc}{t}_{ds}}}+\frac{p_s}{1-e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_{is}{t}_{ds}}})(t_{ds}-T_{on})\\ +\&lsqb;p_{pc}{e}^{-{\mathrm{\&lambda;}}_{ipc}{t}_i}+p_s{e}^{-{\mathrm{\&lambda;}}_{is}{t}_i}\&rsqb;N_s(t_{ds}-T_{on})\\ E\&lsqb;T_3^{*}\&rsqb;=(\frac{p_{pc}}{1-e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_{ipc}{t}_{dl}}}+\frac{p_s}{1-e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_{is}{t}_{dl}}})(t_{dl}-T_{on})\end{array}\right.$ [规则4]

计算出用户终端UE_i在DRX马尔科夫链中激活态N、轻度睡眠态S_S和深度睡眠态S_L这3个状态的停留时间E[T₁]、和其中，t_ds和t_dl分别为短DRX周期长度和长DRX周期长度，N_s为用户在状态S_S经历的短DRX周期个数。λ_is、λ_ipc和λ_ip分别为ETSI模型中会话间隙t_is、分组呼叫间隙t_ipc和数据包到达时间间隙t_ip的均值；t_i为去激活计时器，T_on为户处于短DRX循环周期和长DRX循环周期时监听物理下行控制信道(PhysicalDownlinkControlChannel，PDCCH)的时间。

根据

$\left\{\begin{array}{c}E\&lsqb;P_{{\mathrm{UE}}_i}\&rsqb;=P_{Listen}(E\&lsqb;T_1\&rsqb;+E\&lsqb;T_{on}\&rsqb;)+P_{Sleep}(E\&lsqb;T_2^{*}\&rsqb;+E\&lsqb;T_3^{*}\&rsqb;)\\ E\&lsqb;D\&rsqb;=\underset{j=1}{\overset{N_s}{\&Sigma;}}{p}_j\frac{t_{ds}}{2}+\underset{j=N_s+1}{\overset{\mathrm{\&infin;}}{\&Sigma;}}{p}_j\frac{t_{dl}}{2}\end{array}\right.$ [规则5]

计算用户UE_i的功率消耗和平均等待时延E[D]。其中，P_Listen为用户监听PDCCH时的功率消耗，P_Sleep为用户处于睡眠期的功率消耗；E[T_on]为用户处于短DRX周期和长DRX周期时监听PDCCH的平均时间。p_j为第j个DRX循环周期时有分组呼叫达到的概率。

第四步：基站BS_m(m＝1,2,3,...,112)基于用户UE_i的功率消耗和平均等待时延这两个策略参数，根据

$\left\{\begin{array}{c}CF=w_1\&CenterDot;E\&lsqb;P_{{\mathrm{UE}}_i}\&rsqb;+w_2\&CenterDot;E\&lsqb;D\&rsqb;\\ w_1+w_2=1\end{array}\right.$ [规则6]

计算代价函数值CF。其中，w₁和w₂分别是用户UE_i的功率消耗和平均等待时延E[D]的权重因子，根据

$\left\{\begin{array}{c}{w}_2=\frac{r_i\left(t\right)}{{\mathrm{\&delta;}}_i{t}_{active,i}\left(t\right)t_{rem,i}\left(t\right)R_i\left(t\right)}\\ w_1=1-w_2\end{array}\right.$ [规则7]

$\left\{\begin{array}{c}{t}_{active,i}\left(t\right)=(1-\mathrm{\&eta;})t_{on}\left(t\right)+{\mathrm{\&eta;t}}_I\left(t\right)\\ t_{rem,i}\left(t\right)=T_i-{\mathrm{\&omega;}}_i\left(t\right)\\ R_i(t+1)=(1-\frac{1}{T_c})R_i\left(t\right)+\frac{1}{T_c}\underset{k}{\&Sigma;}{\mathrm{DRC}}_{i,k}\left(t\right)\end{array}\right.$ [规则8]

计算出w₁和w₂。其中，r_i(t)和R_i(t)分别为用户UE_i在当前时刻t的瞬时速率和平均速率；δ_i、t_active,i(t)和t_rem,i(t)分别为用户UE_i最大允许的包丢失率、数据包在每个DRX周期内的剩余活跃时间和数据包距超时的剩余时间；η＝1表示UE_i处于去激活时间，否则为0；t_on(t)和t_I(t)分别为当前时刻t距离开启持续时间计时器(Ondurationtimer)超时剩余时间和距离去激活计时器(Inactivitytimer)超时的剩余时间；T_i和ω_i(t)分别为用户UE_i最大允许的数据包时延和当前业务队首分组等待时延；R_i(t+1)为R_i(t)在下一时刻的更新值，DRC_i,k(t)为用户UE_i在资源块k上可获得的数据速率，T_c＝1000。然后根据

T_DRX＝t_ON+t_i+t_s+t_l＝argmin{CF}[规则9]

为用户UE_i配置DRX周期长度T_DRX。其中，t_ON、t_s和t_l分别为DRX机制中的开启持续时间计时器、短DRX周期循环计时器和长DRX周期循环计时器时长。这里固定设置t_ON＝50ms、t_i＝10ms、t_s＝40ms，80ms≤t_l≤640ms，配置DRX周期长度即选择合适的长DRX周期循环长度t_l。

第五步：基站BS_m(m＝1,2,3,...,112)根据

$\left\{\begin{array}{c}H={\mathrm{\&beta;T}}_{DRX}\&CenterDot;V_{{\mathrm{UE}}_i}\\ \mathrm{\&beta;}=\frac{1}{T_{avg}{V}_{avg}}\end{array}\right.$ [规则10]

计算单调函数值H。该值是用户UE_i的DRX周期长度T_DRX和速度乘积的单调函数。其中，β为乘积系数，将DRX周期长度(ms)和用户速度(km/h)的单位归一化。T_avg＝(t_ON+t_i+t_s+t_l)_avg＝50ms+10ms+40ms+(80ms+640ms)/2＝460ms为一般情况下为用户配置的DRX周期长度；用户UE_i的速度可以通过最近时间段内小区重选或切换的情况估算得到，或者根据用户的历史移动信息预测得到，为用户集Ω_UE中所有用户的平均速度，N为系统中所有用户数，这里N＝630。设定2个固定门限值TH₁＝0.4和TH₂＝1，根据

$C_{HetNet}=\left\{\begin{array}{cccc}1,& H<0.4& & Femtocell\\ 2,& 0.4<H<1& \&Element;& Picocell\\ 3,& H>1& & Macrocell\end{array}\right\}$ [规则11]

将不同的H值转化为相应的小区HetNet级别值C_HetNet，进而判别出用户需要测量的邻区类型是Femtocell、Picocell、Macrocell三者中的哪一种，然后在相应的小区集中选出合适的目标小区进行切换。

第六步：当用户UE_i从DRX睡眠状态醒来后，若发现已经移动到了一个新的小区，则发起小区更新，基站BS_m(m＝1,2,3,...,112)通过小区更新流程中的测量控制命令消息将要测量的邻区的HetNet级别C_HetNet通知给该用户终端；该终端根据得到的HetNet级别信息，对符合要求的邻区进行测量，再从具有相同HetNet级别值的小区组中根据

$ServingcellID=\arg {\max }_{\{C_{HetNet}=1/2/3\}}\left(RSRP\right)$ [规则12]

选出使RSRP最大的小区作为最佳的目标小区。用户UE_i的源基站BS_m通过X2接口的信息交互向目标基站BS_n(n＝1,2,3,...,N)(N为用户UE_i需要测量的具有相同HetNet级别C_HetNet的宏基站/pico基站/femto基站的总和，BS_n为宏基站/pico基站/femto基站)发送切换请求，等待目标基站的切换请求响应，执行切换流程。

每次小区选择的过程是在每个系统运行周期(传输时间间隔，TTI)的倍数(如j*TTI(j＝1,2,...J))重复以上第一步到第六步。

如图2所示，本发明实施例公开的一种实现上述的小区选择方法的HetNet系统中DRX状态下的小区选择装置，包括：基站侧装置和终端侧装置，其中，基站侧装置，包括：HetNet级别设置模块，用于根据宏小区、微微蜂窝小区和毫微微蜂窝小区的类型，为每个小区设置一个HetNet级别，并将其通过系统消息进行广播；DRX机制选用模块，用于根据基站各自的服务用户中处于连接状态的用户在一段时间内数据包的活动性值，判决用户是否需要使用DRX机制，若活动性值低于设定的阈值则使用DRX机制，否则采用传统小区选择算法；DRX建模分析模块，用于DRX建模分析，计算出用户的功率消耗和平均等待时延；DRX周期长度配置模块，用于基于用户的功率消耗和平均等待时延计算代价函数值CF，并以代价函数值CF最小为原则为用户配置DRX周期长度；以及，HetNet级别选择模块，用于根据用户的DRX周期长度和用户速度的乘积得到单调函数值H，并将H值转化为小区HetNet级别，并在用户终端发起小区更新时将所得的小区HetNet级别通知给用户终端；

终端侧装置，包括：HetNet级别保存模块，用于接收广播消息，并将各小区的HetNet级别保存在本终端；以及小区选择模块，用于根据接收到的要测量的邻区的HetNet级别，对具有相应级别的邻区进行测量，选择目标小区进行切换。

本发明提出的一种用于LTE-AHetNet系统中DRX状态下的小区选择方法和装置，用户终端能够自适应地选择合适的邻小区进行测量，最终选出最佳的目标小区执行切换，从而在降低用户功率消耗的同时，有效地改善切换失败率、无线链路失败率、乒乓率等切换性能指标。

Claims (10)

1.一种HetNet系统中DRX状态下的小区选择方法，其特征在于，该方法在每次的运行周期中重复以下几个步骤：

第一步：接入网为每个小区设置一个HetNet级别，并将其通过系统消息进行广播，用户接收消息并将各小区的HetNet级别保存在本终端；所述小区包括宏小区、微微蜂窝小区和毫微微蜂窝小区，同类小区的HetNet级别相同；

第二步：每个基站根据各自的服务用户中处于连接状态的用户在一段时间内数据包的活动性值，判决用户是否需要使用DRX机制，若活动性值低于设定的阈值则使用DRX机制，转入第三步，否则采用传统小区选择算法；

第三步：基站进行DRX建模分析，计算出用户的功率消耗和平均等待时延；

第四步：基站基于用户的功率消耗和平均等待时延计算代价函数值CF，并以代价函数值CF最小为原则为用户配置DRX周期长度；

第五步：基站根据用户的DRX周期长度和用户速度的乘积得到单调函数值H，并将H值转化为小区HetNet级别，作为用户切换时选择的要测量的邻区的HetNet级别；

第六步：用户根据得到的要测量的邻区的HetNet级别，对具有相应级别的邻区进行测量，选择目标小区进行切换；

每次小区选择的过程是在每个系统运行周期的倍数重复以上第一步到第六步。

2.根据权利要求1所述的一种HetNet系统中DRX状态下的小区选择方法，其特征在于，所述第二步中，处于连接状态的用户UE_i在一段时间内数据包的活动性值的计算规则为：

$A_{{\mathrm{UE}}_i}=\frac{N_r+N_s}{T}$

其中，N_r和N_s分别为统计时间T内用户UE_i从基站接收和向基站发送的数据量。

3.根据权利要求1所述的一种HetNet系统中DRX状态下的小区选择方法，其特征在于，所述第三步中，具体包括：

(3.1)根据ETSI数据模型，定义3个状态[N,S_S,S_L]，建立连接状态下的DRX马尔科夫模型；其中N表示激活态，S_S表示轻度睡眠态，S_L表示深度睡眠态；

(3.2)计算马尔科夫链转移概率矩阵和平稳分布；所述转移概率矩阵为

$\left(\begin{array}{ccc}{p}_{pc}{q}_1+p_s{q}_2& p_{pc}(1-q_1)+p_s(1-q_2)& 0\\ p_{pc}{q}_3+p_s{q}_4& 0& p_{pc}(1-q_3)+p_s(1-q_4)\\ 1& 0& 0\end{array}\right),$

平稳分布 $\mathrm{\&Pi;}=\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&pi;}}_1=\frac{1}{1+p_{12}+p_{12}{p}_{23}}\\ {\mathrm{\&pi;}}_2=\frac{p_{12}}{1+p_{12}+p_{12}{p}_{23}}\\ {\mathrm{\&pi;}}_3=\frac{p_{12}{p}_{23}}{1+p_{12}+p_{12}{p}_{23}}\end{array}\right.$

其中，p_pc和p_s分别为一个新的分组呼叫在当前会话期间到达和在下一个会话开始时到达的概率；q₁和q₂为在状态N时去激活计时器溢出之前有新的分组数据到达的概率；q₃和q₄为在状态S_S时短DRX周期循环计时器溢出之前有新的分组数据到达的概率；p_ij(i＝1,2,3；j＝1,2,3)为[N,S_S,S_L]三个状态间的转移概率；

(3.3)计算用户终端UE_i在DRX马尔科夫链中对应的3个状态的停留时间E[T₁]、E[T₂ ^*[和E[T₃ ^*]，计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}E\&lsqb;T_1\&rsqb;=\left({\mathrm{\&mu;}}_p-1\right)/{\mathrm{\&lambda;}}_{ip}+\left(\frac{p_{pc}}{{\mathrm{\&lambda;}}_{ipc}}\right)\&lsqb;1-e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_{ipc}{t}_i}\&rsqb;+\left(\frac{p_s}{{\mathrm{\&lambda;}}_{is}}\right)\&lsqb;1-e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_{is}{t}_i}\&rsqb;\\ E\&lsqb;T_2^{*}\&rsqb;=\&lsqb;p_{pc}\left(1-e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_{ipc}{t}_i}\right)+p_s\left(1-e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_{is}{t}_i}\right)\&rsqb;\left(\frac{p_{pc}}{1-e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_{ipc}{t}_{ds}}}+\frac{p_s}{1-e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_{is}{t}_{ds}}}\right)\left(t_{ds}-T_{on}\right)\\ +\&lsqb;p_{pc}{e}^{-{\mathrm{\&lambda;}}_{ipc}{t}_i}+p_s{e}^{-{\mathrm{\&lambda;}}_{is}{t}_i}\&rsqb;N_s\left(t_{ds}-T_{on}\right)\\ E\&lsqb;T_3^{*}\&rsqb;=\left(\frac{p_{pc}}{1-e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_{ipc}{t}_{dl}}}+\frac{p_s}{1-e^{-{\mathrm{\&lambda;}}_{is}{t}_{dl}}}\right)\left(t_{dl}-T_{on}\right)\end{array}\right.$

其中，t_ds和t_dl分别为短DRX周期长度和长DRX周期长度，N_s为用户在状态S_S经历的短DRX周期个数；λ_is、λ_ipc和λ_ip分别为ETSI模型中会话间隙t_is、分组呼叫间隙t_ipc和数据包到达时间间隙t_ip的均值；t_i为去激活计时器，T_on为户处于短DRX循环周期和长DRX循环周期时监听PDCCH的时间；

(3.4)计算用户UE_i的功率消耗E和平均等待时延E[D]，计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}E\&lsqb;P_{{\mathrm{UE}}_i}\&rsqb;=P_{Listen}\left(E\&lsqb;T_1\&rsqb;+E\&lsqb;T_{on}\&rsqb;\right)+P_{Sleep}\left(E\&lsqb;T_2^{*}\&rsqb;+E\&lsqb;T_3^{*}\&rsqb;\right)\\ E\&lsqb;D\&rsqb;=\underset{j=1}{\overset{N_s}{\&Sigma;}}{p}_j\frac{t_{ds}}{2}+\underset{j=N_s+1}{\overset{\mathrm{\&infin;}}{\&Sigma;}}{p}_j\frac{t_{dl}}{2}\end{array}\right.$

其中，P_Listen为用户监听PDCCH时的功率消耗，P_Sleep为用户处于睡眠期的功率消耗；E[T_on]为用户处于短DRX周期和长DRX周期时监听PDCCH的平均时间；p_j为第j个DRX循环周期时有分组呼叫达到的概率。

4.根据权利要求1所述的一种HetNet系统中DRX状态下的小区选择方法，其特征在于，所述第四步中，代价函数值CF的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}CF=w_1\&CenterDot;E\&lsqb;P_{{\mathrm{UE}}_i}\&rsqb;+w_2\&CenterDot;E\&lsqb;D\&rsqb;\\ w_1+w_2=1\end{array}\right.$

其中，w₁和w₂分别是用户UE_i的功率消耗和平均等待时延的权重因子。

5.根据权利要求4所述的一种HetNet系统中DRX状态下的小区选择方法，其特征在于，所述权重因子w₁和w₂的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{w}_2=\frac{r_i\left(t\right)}{{\mathrm{\&delta;}}_i{t}_{active,i}\left(t\right)t_{rem,i}\left(t\right)R_i\left(t\right)}\\ w_1=1-w_2\end{array}\right.$

其中，r_i(t)和R_i(t)分别为用户UE_i在当前时刻t的瞬时速率和平均速率；δ_i、t_active,i(t)和t_rem,i(t)分别为用户UE_i最大允许的包丢失率、数据包在每个DRX周期内的剩余活跃时间和数据包距超时的剩余时间。

6.根据权利要求1所述的一种HetNet系统中DRX状态下的小区选择方法，其特征在于，所述第四步中，DRX周期长度由DRX机制中的开启持续时间计时器时长t_ON、去激活计时器时长t_i、短DRX周期循环计时器时长t_s和长DRX周期循环计时器时长t_l组成，设置t_ON＝50ms、t_i＝10ms、t_s＝40ms，80ms≤t_l≤640ms，选取使得代价函数值CF最小的长DRX周期循环长度t_l，从而得到DRX周期长度。

7.根据权利要求1所述的一种HetNet系统中DRX状态下的小区选择方法，其特征在于，所述第五步中，单调函数值H的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}H={\mathrm{\&beta;T}}_{DRX}\&CenterDot;V_{{\mathrm{UE}}_i}\\ \mathrm{\&beta;}=\frac{1}{T_{avg}{V}_{avg}}\end{array}\right.$

其中，β为乘积系数，将DRX周期长度T_DRX和用户速度的单位归一化，T_avg为用户配置的DRX周期长度；为系统中所有用户的平均速度。

8.根据权利要求1所述的一种HetNet系统中DRX状态下的小区选择方法，其特征在于，所述第五步中，基站根据如下规则将不同的H值转化为相应的小区HetNet级别值，

$C_{HetNet}=\left\{\begin{array}{cccc}1,& H<{\mathrm{TH}}_1& & Femtocell\\ 2,& {\mathrm{TH}}_1<H<{\mathrm{TH}}_2& \&Element;& Picocell\\ 3,& H>{\mathrm{TH}}_2& & Macrocell\end{array}\right\}$

其中，TH₁和TH₂为设定的门限值。

9.根据权利要求1所述的一种HetNet系统中DRX状态下的小区选择方法，其特征在于，所述第六步中，用户从具有相同HetNet级别值的小区组中选出使RSRP最大的小区作为最佳的目标小区进行切换。

10.一种实现如权利要求1-9任一项所述的小区选择方法的HetNet系统中DRX状态下的小区选择装置，其特征在于，包括：基站侧装置和终端侧装置，

所述基站侧装置，包括：

HetNet级别设置模块，用于根据宏小区、微微蜂窝小区和毫微微蜂窝小区的类型，为每个小区设置一个HetNet级别，并将其通过系统消息进行广播；

DRX机制选用模块，用于根据基站各自的服务用户中处于连接状态的用户在一段时间内数据包的活动性值，判决用户是否需要使用DRX机制，若活动性值低于设定的阈值则使用DRX机制，否则采用传统小区选择算法；

DRX建模分析模块，用于DRX建模分析，计算出用户的功率消耗和平均等待时延；

DRX周期长度配置模块，用于基于用户的功率消耗和平均等待时延计算代价函数值CF，并以代价函数值CF最小为原则为用户配置DRX周期长度；

以及，HetNet级别选择模块，用于根据用户的DRX周期长度和用户速度的乘积得到单调函数值H，并将H值转化为小区HetNet级别，并在用户终端发起小区更新时将所得的小区HetNet级别通知给用户终端；

所述终端侧装置，包括：

HetNet级别保存模块，用于接收广播消息，并将各小区的HetNet级别保存在本终端；

以及小区选择模块，用于根据接收到的要测量的邻区的HetNet级别，对具有相应级别的邻区进行测量，选择目标小区进行切换。