CN107302778B - 一种宏基站与家庭基站间的垂直向下切换判决方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宏基站与家庭基站间的垂直向下切换判决方法，该方法依据速度对移动用户进行分类，对低速用户仍采用传统的切换判决算法，而对于高速用户则设定用户在家庭蜂窝中有效驻留时间门限，在保证用户达到系统预定信干噪比的前提下，拒绝移动用户的有效驻留时间低于设定的驻留时间门限值的切换请求；仿真试验结果表明该方法在有效降低LTE‑A网络中宏基站与家庭基站间的不必要切换次数的同时，还能显著地降低了用户的切换中断概率，可广泛应用于由LTE‑A的宏基站与家庭基站组成的异构网络中。

Description

一种宏基站与家庭基站间的垂直向下切换判决方法

技术领域

本发明涉及无线移动通信技术领域，尤其涉及一种宏基站与家庭基站间的垂直向下切换判决方法。

背景技术

在LTE-A时代，移动数据业务发展迅猛，网络容量需求巨大。数据流量需求的飞速增长，促使运营商在频谱紧缺的环境下积极探寻合适的网络扩容方案，以满足用户的长期诉求。而目前常用的扩容方法，如扩载波、升级演进技术以及小区分裂等，均难以满足多样化的长期扩容需要。在4G时代频谱资源极度紧缺的情况下，运营商可有效利用LTE-A宏基站(Macro eNodeB，MeNB)和家庭基站(Home evolved Node Base，HeNB)协同组网改善网络质量、提升用户的体验质量。

家庭基站(HeNB)通过缩短基站与用户之间的传播距离，为用户提供了更好的体验质量，一定程度上解决了宏蜂窝系统中室内信号强度弱、无线资源短缺和宏基站(MeNB)负载过大的问题。

然而HeNB的覆盖范围很小，高速移动的用户会在MeNB与HeNB之间产生大量频繁的切换，这会显著地增加基站的负载与用户的中断概率。此外，由于在HeNB覆盖范围内的驻留时间过短，用户可能刚切换到HeNB便需再次执行切换重新连入MeNB，也称为乒乓切换，两次乒乓切换的平均时间间隔称为乒乓切换门限，这样的切换只会浪费网络资源，不会带来实际益处。

MeNB与HeNB间的切换属于异构网络间的垂直切换，切换过程可分为网络发现、切换判决和切换执行3个阶段，其中切换判决是最为关键的一步。适当的切换判决算法可以显著地减少此类不必要切换。目前国内外已有许多针对垂直切换判决算法的研究，Zhang等通过对用户的速度进行分级，拒绝高速用户的切换请求，但此算法在限制不必要切换的同时也间接地增加了用户的中断概率。Jeong等通过对用户的移动轨迹进行分析，预测用户下一阶段的状态，估测其在HeNB覆盖范围内的驻留时间，此方法需要额外的服务器以及较长的处理时间，难以运用于实际情况。

由于HeNB与MeNB之间的不必要切换大多是由MeNB到HeNB的切换(即垂直向下切换)所引起的，为此本发明提出了一种垂直向下切换判决算法，达到有效地降低MeNB与HeNB间不必要的切换的目的。

本发明提出的垂直向下切换判决算法是通过设置有效驻留时间门限，拒绝有效驻留时间低于门限值的切换请求。首先将用户从开始接入某HeNB的时刻到断开与该HeNB之间连接的时刻之间的时间长度定义为用户在该HeNB内的有效驻留时间，记作T_valid-dwell，本发明不考虑切换延迟的影响。若某次切换与下次切换之间的时间间隔小于乒乓切换门限值T_pp，则将此次切换视为一次不必要切换，定义不必要切换率Pr_un为不必要切换次数与总切换次数的比值。将中断概率Pr_out定义为用户的信干噪比SINR低于信干噪比门限值SINR_th事件的发生次数与用户从MeNB进入HeNB总次数的比值。

要预测用户在HeNB中的有效驻留时间，必须要判断用户进入HeNB覆盖范围时的速度与方向。LTE-A中引入了演进的服务移动位置中心(E-SMLC)，E-SMLC可对MeNB和HeNB实施有效控制，并借助精确的定位技术对用户的轨迹和速度进行估计。在LTE-A异构网络中，用户的移动是有一定的规律性，即用户移动时具有一种保持其当前运动状态的趋势。用户的速度越快，其改变方向的可能性越小。与此同时，HeNB通常部署在商场、写字楼等区域，其覆盖范围很小，用户的移动总是受到障碍物的影响。由此可以假定，高速移动的用户在HeNB覆盖范围内的移动方向总是相对固定的；而低速用户改变方向的随机性较高，此时驻留时间预测并不适用，可以采用传统的切换判决算法进行判决，例如采用基于接收信号强度(RSS)的切换判决算法进行切换判决。基于接收信号强度的切换判决算法在满足条件

RSRP_HeNB>RSRP_MeNB+Hyst (1)

式(1)中RSRP_HeNB和RSRP_MeNB分别为用户终端从HeNB和MeNB处接收到的参考信号(参考信号为：通信开始时基站发送的供用户终端检测或校准的一种标准信号)接收功率值，Hyst为切换迟滞值；

且式(1)所示条件的持续时间需要满足

t>TTT (2)

时，才会触发由MeNB到HeNB的切换。式(2)中TTT为切换迟滞时间，用于调节切换触发的难易程度。

在实际情况中，信号的接收强度常常受噪声和衰弱的影响，使得其与真实值存在一定的误差。本发明通过卡尔曼滤波等方法来减小噪声和衰弱的影响，平滑信号的变化曲线，该方法结合层三滤波可准确地计算出当前参考信号接收强度的真实值。

在LTE-A异构网络中，用户的接收信号信干噪比的计算如式(3)所示：

式(3)中，P_m,u和P_h,u分别为MeNB与HeNB的信号发射功率；P_noise为噪声功率；N为对用户产生干扰的HeNB的总数，此处假设各HeNB之间覆盖范围没有重叠，即N＝1；K为玻尔兹曼常数，T为开氏温度；B为系统带宽，单位为Hz；h_m,u和h_h,u分别为MeNB和HeNB与用户终端之间的信道增益，计算式分别如式(4)所示。

式(4)中，c_m,u和c_h,u分别为MeNB和HeNB与用户终端之间的随机复信道增益；G_m,u为MeNB发射天线与用户接收天线间的增益之积，G_h,u为HeNB发射天线与用户接收天线间的增益之积；λ_m和λ_h为MeNB及HeNB的发射信号波长；d^m,u为MeNB与用户间的距离，d^h,u为HeNB与用户间的距离。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明提供一种宏基站与家庭基站间垂直向下切换判决方法，避免了LTE-A异构网络中高速移动用户在宏基站与家庭基站之间产生大量频繁的不必要切换，能显著地降低用户的切换中断概率。

本发明实现上述目的的技术方案是，一种宏基站与家庭基站间的垂直向下切换判决方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

1)首先判断目标家庭基站HeNB类型，若目标HeNB为开放或混合接入模式，则直接进入步骤2)；若为闭合接入模式且目标基站的闭合用户群CSG列表中存在此用户，则进入步骤2)；否则，拒绝切换请求；

2)宏基站MeNB与目标HeNB进行信息交互，MeNB获取与目标HeNB之间的距离d_m,h、目标HeNB的覆盖半径R_h、目标HeNB设置的用户速度门限值V_th和有效驻留时间门限值T_th，以及目标HeNB覆盖范围内满足RSRP_HeNB>RSRP_MeNB条件的近似覆盖圆半径R’；

3)对用户的移动速度进行分类，若用户的平均移动速度V高于速度门限值V_th，则直接进入步骤4)；否则将直接基于传统的切换判决算法进行切换；

4)计算用户与目标基站之间预测的最小距离

5)判断用户的最小接收信干噪比SINR_min是否小于信干噪比门限值SINR_th，若小于此门限值，则允许执行切换；若大于或等于此门限值，则进入步骤6)；

6)计算用户在目标HeNB覆盖范围内满足RSRP_HeNB>RSRP_MeNB条件的移动路径长度x_in，估算用户在目标HeNB内的有效驻留时间T_valid-dwell；其中，RSRP_HeNB和RSRP_MeNB分别为用户终端从HeNB和MeNB处接收到的参考信号接收功率值；

7)用户驻留时间判决：将有效驻留时间T_valid-dwell与目标HeNB设定的有效驻留时间门限值T_th进行比较，若有效驻留时间超过T_th，则认为此切换为必要的切换，允许此次切换操作；否则，则认为该切换为非必要切换，拒绝用户的切换请求；

8)当满足：RSRP_HeNB>RSRP_MeNB时，开始执行切换。

前述的一种宏基站与家庭基站间的垂直向下切换判决方法，其特征是：所述步骤2)，所述目标HeNB覆盖范围内满足RSRP_HeNB>RSRP_MeNB条件的近似覆盖圆半径R’的具体计算公式为：

其中：

式(5)和(6)中，λ_h和λ_m分别为HeNB及MeNB的发射信号波长；P_h,u和P_m,u分别为HeNB及MeNB的信号发射功率；d_m,h为MeNB与目标HeNB之间的距离，G_m,u为MeNB发射天线与用户接收天线间的增益之积。

前述的一种宏基站与家庭基站间的垂直向下切换判决方法，其特征是：所述步骤4)，具体步骤为：

通过定位技术获得用户在一个上报周期内的移动距离l₀以及用户与目标HeNB之间的距离d₀，计算出用户进入HeNB覆盖范围的角度θ：

通过该角度θ以及目标HeNB的覆盖半径R_h计算出用户与目标基站之间最小距离；用户与目标基站之间最小距离

为：

前述的一种宏基站与家庭基站间的垂直向下切换判决方法，其特征是：所述步骤5)，所述用户的最小接收信干噪比SINR_min为：

式(9)中，λ_m和λ_h分别为MeNB及HeNB的发射信号波长；c_m,u和c_h,u分别为MeNB和HeNB与用户终端之间的随机复信道增益；G_m,u为MeNB发射天线与用户接收天线间的增益之积，G_h,u为HeNB发射天线与用户接收天线间的增益之积；P_m,u和P_h,u分别为MeNB与HeNB的信号发射功率；K为玻尔兹曼常数，T为开氏温度，B为系统带宽，单位为Hz；

分别为用户与MeNB之间、HeNB之间的最小距离。

前述的一种宏基站与家庭基站间的垂直向下切换判决方法，其特征是：所述步骤6)，所述移动路径长度x_in为：

式(10)中，R’为RSRP_HeNB>RSRP_MeNB的近似覆盖圆半径，

为目标HeNB与用户间的最小距离，θ为用户进入HeNB覆盖范围的角度；

其中：

式(5)和(6)中，λ_h和λ_m分别为HeNB及MeNB的发射信号波长；P_h,u和P_m,u分别为HeNB及MeNB的信号发射功率；d_m,h为MeNB与目标HeNB之间的距离，G_m,u为MeNB发射天线与用户接收天线间的增益之积；

根据此路径长度x_in计算出相应满足RSRP_HeNB>RSRP_MeNB条件的驻留时间T_dwell：

而用户在离开RSRP_HeNB>RSRP_MeNB信号覆盖范围后需持续TTT毫秒后才会重新接入MeNB，TTT为切换迟滞时间，用户在HeNB内的有效驻留时间T_valid-dwell为：

前述的一种宏基站与家庭基站间的垂直向下切换判决方法，其特征是：所述基于传统的切换判决算法包括基于接收信号强度RSS的切换判决算法、基于移动速度的切换判决算法。

本发明的有益效果是：

1、避免了LTE-A异构网络中高速移动用户在宏基站与家庭基站之间产生大量频繁的不必要切换，减少了系统资源的使用量和网络的负荷；

2、能显著地降低用户的切换中断概率，从而能为用户提供更好的服务或体验质量；

3、可有效地利用LTE-A网络的宏基站和家庭基站协同组网，以缩短基站与用户之间的传播距离，一定程度上解决了宏蜂窝系统中室内信号强度弱、无线资源短缺和宏基站负载过大的问题，因而改善LTE-A网络的服务性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明；

图1是本发明垂直向下切换判决算法流程图；

图2是估算有效驻留时间示意图；

图3是使用三种切换判决算法的切换次数比较图；

图4是使用三种切换判决算法时用户中断次数比较图。

具体实施方式

一种垂直向下切换判决方法，实现框图如附图1所示，其特征在于：该方法包括如下步骤：

1)首先判断目标家庭基站(HeNB)类型

若目标HeNB为开放或混合接入模式，则直接进入步骤2)；若为闭合接入模式且目标基站的闭合用户群(Closed Subsciber Group，CSG)列表中存在此用户，则进入步骤2)；否则，拒绝此后的切换请求。

2)宏基站与家庭基站间进行信息交互

当前宏基站(MeNB)与目标HeNB进行信息交互，MeNB获取与目标HeNB之间的距离d_M,H、目标HeNB的覆盖半径R_h、目标HeNB设置的用户速度门限值V_th和有效驻留时间门限值T_th，以及目标HeNB覆盖范围内满足RSRP_HeNB>RSRP_MeNB条件的近似覆盖圆半径R’，R’与MeNB和目标HeNB的发射功率及两者之间的距离d_m,h有关。

如附图2所示，R’的具体计算公式为：

由于在目标HeNB覆盖范围内，MeNB信号衰弱缓慢，用户终端从MeNB处接收到的参考信号接收功率值可近似为在目标HeNB中心接收到的从MeNB处发出的参考信号接收功率值，而且可看成是在目标HeNB覆盖范围内处处相等，即：

式(5)和(6)中，λ_h和λ_m分别为HeNB及MeNB的发射信号波长；P_h,u和P_m,u分别为HeNB及MeNB的信号发射功率；d_m,h为MeNB与目标HeNB之间的距离。

3)对用户的移动速度进行分类

若用户的平均移动速度V高于门限值V_th，则直接进入步骤4)；否则将直接基于传统的切换判决算法进行切换。

4)计算用户的属性值

如附图2所示，E-SMLC通过定位技术获得用户终端在一个上报周期内的移动距离l₀以及此上报周期结束时用户与目标HeNB之间的距离d₀，可计算出用户进入HeNB覆盖范围的角度θ：

通过该角度以及目标HeNB的覆盖半径R_h可计算出用户与目标基站之间可能的最小距离；用户与目标基站之间可能的最小距离

为：

5)用户接收信干噪比的比较

由式(3)和式(4)可求得当用户与目标基站之间距离最小时用户的最小接收信干噪比为：

式(9)中，

为当用户与目标基站之间距离最小时用户与MeNB间的距离，由于MeNB信号衰减缓慢，可以近似为MeNB与目标HeNB之间的距离d_m,h。判断SINR_min是否小于信干噪比门限值SINR_th，若小于此门限值，则允许执行之后的切换操作，否则会因为用户的SINR过低而产生中断；若大于或等于此门限值，则进入步骤6)；

6)估算有效驻留时间

由式(9)可计算用户在该HeNB覆盖范围内满足RSRP_HeNB>RSRP_MeNB条件的移动路径长度x_in：

式(10)中，R’为RSRP_HeNB>RSRP_MeNB的近似覆盖圆半径，

为目标HeNB与用户间的最小距离，θ为用户进入HeNB覆盖范围的角度；根据此路径长度x_in可计算相应的满足RSRP_HeNB>RSRP_MeNB条件的驻留时间T_dwell：

而用户在离开RSRP_HeNB>RSRP_MeNB范围后需持续TTT毫秒后才会重新连入MeNB，所以，用户在HeNB内的有效驻留时间T_valid-dwell为：

7)用户驻留时间判决

将T_valid-dwell与目标HeNB设定的有效驻留时间门限值T_th进行比较，若有效驻留时间超过T_th，则认为此切换为必要的切换，MeNB允许此次切换操作；否则，则认为该切换为非必要切换，拒绝用户此次切换请求。

8)信号强度比较与切换执行

当满足式(13)：

RSRP_HeNB>RSRP_MeNB (13)

时，开始执行切换。

假定LTE-A异构网络中，演进的服务移动位置中心(E-SMLC)可对宏基站MeNB和家庭基站实施有效控制，HeNB位于MeNB覆盖范围内，两者相距d_m,h 500米，所使用的频段均为2.0GHz，系统带宽均为20MHz。用户终端接收机灵敏度为-105dBm，信干噪比门限值SINR_th为-10dB。基于接收信号强度判决算法中的切换迟滞值Hyst为0dB，切换迟滞时间TTT为320毫秒。设定用户的速度门限值V_th为5米/秒,而有效驻留时间门限值T_th为3.32秒。用户终端以0～20米/秒之间的某速度值以任意角度(0^。～90^。)进入家庭基站覆盖范围。

计算机仿真实验中所使用到的部分仿真参数如表1所示。

表1仿真参数

附图3是基于上述仿真环境、分别使用三种不同的切换判决算法(基于RSS、基于移动速度和本发明所提出的)时，从MeNB向HeNB切换的总次数、必要切换次数以及不必要切换次数的对比图，实验的总仿真次数为10⁵次。从附图3中可看出，相比于传统的基于RSS的切换判决算法，本发明提出的算法显著地减少了总切换和不必要切换次数；而相比于仅基于移动速度的切换判决算法，本发明提出的算法增加的总切换和不必要切换次数非常有限，微不足道。

附图4是分别使用基于RSS、基于移动速度和本发明所提出的算法时用户终端切换中断次数的对比图。从附图4中可看出，使用三种不同的切换判决算法时，用户的切换中断次数总是随着仿真次数的增加而逐渐上升，但相比于前两种算法，本发明提出的切换预判决算法所引起的中断次数增长速率明显较为缓慢。具体来说，当总仿真次数相同时，本发明提出的判决算法所造成的用户切换中断次数相比于其他两种算法有了较为明显的下降，具体数据如表2所示，从而更好地保证了用户的服务或体验质量。

表2不必要切换率及中断概率比较

表2是仿真次数为10⁵次时，使用上述三种不同切换判决算法的不必要切换率以及中断概率对比结果，由表2可以看出，相比于传统的基于RSS的切换判决算法，本发明所提出的算法小幅度地降低了用户中断概率(1.19％→0.98％)，但大幅度地降低了用户的不必要切换率(38.84％→20.73％)；而与仅基于移动速度分类的算法相比，本发明所提出的算法在保持着与其相近的不必要切换率(19.67％≈20.73％)的同时却显著降低了用户中断概率(7.29％→0.98％)。

Claims (4)

1.一种宏基站与家庭基站间的垂直向下切换判决方法，其特征是：该方法包括以下步骤：

1)首先判断目标家庭基站HeNB类型，若目标HeNB为开放或混合接入模式，则直接进入步骤2)；若为闭合接入模式且目标基站的闭合用户群CSG列表中存在当前请求切换的用户，则进入步骤2)；否则，拒绝切换请求；

2)宏基站MeNB与目标HeNB进行信息交互，MeNB获取与目标HeNB之间的距离d_m,h、目标HeNB的覆盖半径R_h、目标HeNB设置的用户速度门限值V_th和有效驻留时间门限值T_th，以及目标HeNB覆盖范围内满足RSRP_HeNB>RSRP_MeNB条件的近似覆盖圆半径R’；R’的计算公式为：

其中：

式(5)和(6)中，λ_h和λ_m分别为HeNB及MeNB的发射信号波长；P_h,u和P_m,u分别为HeNB及MeNB的信号发射功率；G_m,u为MeNB发射天线与用户接收天线间的增益之积；

3)对用户的移动速度进行分类，若用户的平均移动速度V高于速度门限值V_th，则直接进入步骤4)；否则将直接基于接收信号强度的切换判决算法或者基于移动速度的切换判决算法进行切换；

4)通过目标HeNB的覆盖半径R_h计算用户与目标HeNB之间预测的最小距离

5)根据用户与目标HeNB之间预测的最小距离

计算用户的最小接收信干噪比SINR_min，判断用户的最小接收信干噪比SINR_min是否小于信干噪比门限值SINR_th，若小于此门限值，则允许执行切换；若大于或等于此门限值，则进入步骤6)；

6)通过用户与目标HeNB之间预测的最小距离

以及目标HeNB覆盖范围内满足RSRP_HeNB>RSRP_MeNB条件的近似覆盖圆半径R’计算用户在目标HeNB覆盖范围内满足RSRP_HeNB>RSRP_MeNB条件的移动路径长度x_in，根据路径长度x_in估算用户在目标HeNB内的有效驻留时间T_valid-dwell；其中，RSRP_HeNB和RSRP_MeNB分别为用户终端从HeNB和MeNB处接收到的参考信号接收功率值；

7)用户驻留时间判决：将有效驻留时间T_valid-dwell与目标HeNB设定的有效驻留时间门限值T_th进行比较，若有效驻留时间超过T_th，则认为此切换为必要的切换，允许此次切换操作；否则，则认为该切换为非必要切换，拒绝用户的切换请求；

8)当满足：RSRP_HeNB>RSRP_MeNB时，开始执行切换。

2.根据权利要求1所述的一种宏基站与家庭基站间的垂直向下切换判决方法，其特征是：所述步骤4)，具体步骤为：

通过定位技术获得用户在一个上报周期内的移动距离l₀以及用户与目标HeNB之间的距离d₀，计算出用户进入HeNB覆盖范围的角度θ：

通过该角度θ以及目标HeNB的覆盖半径R_h计算出用户与目标HeNB之间最小距离；用户与目标HeNB之间最小距离

为：

。

3.根据权利要求2所述的一种宏基站与家庭基站间的垂直向下切换判决方法，其特征是：所述步骤5)，所述用户的最小接收信干噪比SINR_min为：

式(9)中，λ_m和λ_h分别为MeNB及HeNB的发射信号波长；c_m,u和c_h,u分别为MeNB和HeNB与用户终端之间的随机复信道增益；G_m,u为MeNB发射天线与用户接收天线间的增益之积，G_h,u为HeNB发射天线与用户接收天线间的增益之积；P_m,u和P_h,u分别为MeNB与HeNB的信号发射功率；K为玻尔兹曼常数，T为开氏温度，B为系统带宽，单位为Hz；分别为用户与MeNB之间、HeNB之间的最小距离，

近似为MeNB与目标HeNB之间的距离d_m,h。

4.根据权利要求2所述的一种宏基站与家庭基站间的垂直向下切换判决方法，其特征是：所述步骤6)，所述移动路径长度x_in为：

式(10)中，R’为RSRP_HeNB>RSRP_MeNB的近似覆盖圆半径，

为目标HeNB与用户间的最小距离，θ为用户进入HeNB覆盖范围的角度；

根据此路径长度x_in计算出相应满足RSRP_HeNB>RSRP_MeNB条件的驻留时间T_dwell：

而用户在离开RSRP_HeNB>RSRP_MeNB信号覆盖范围后需持续TTT毫秒后才会重新接入MeNB，TTT为切换迟滞时间，用户在HeNB内的有效驻留时间T_valid-dwell为：

Images