CN109005566A - 一种基于锚点的用户为中心多连接移动性设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于锚点的用户为中心多连接移动性设计方法。在用户为中心网络中，多个AP通过多连接技术同时服务用户，称为活跃集，其中backhaul容量最大的AP作为AP C负责控制平面，并与其他AP一起负责用户平面。AP C根据DL‑RSS更新活跃集AP，保证用户始终处于活跃集中心。当存在新的AP比任意服务AP提供更强的RSS时，若AP C不变，那么由AP C控制用户平面的切换；若AP C离开活跃集，将从活跃集中选出backhaul容量最大的AP作为目标AP C，发生控制平面的切换。相比于传统密集网络的切换设计，基于锚点的用户为中心多连接移动性性能有显著提升，控制平面切换概率降低了至少30％。

Description

一种基于锚点的用户为中心多连接移动性设计方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及第五代移动通信系统(the 5thgeneration，简称为5G)中超密集网络场景下以用户为中心网络的移动性研究。

背景技术

移动用户数量的急剧增长及其流量需求推动蜂窝网络运营商提供更高容量的网络。超密集网络(Ultra-Dense Network,UDN)作为5G新兴技术之一，通过密集化部署小站，能够通过缩短服务距离来提供更高的网络容量，实现容量和频率复用效率的大幅度提升，因此被认为是满足2020年5G网络中移动数据流量需求的主要技术手段。

然而，网络密集化意味着每个用户周围的潜在服务站数量增加，更强的小区间干扰和更频繁的切换，这会带来更高的网络控制开销，使得切换失败率增加，因此切换性能在UDN中变得相当重要。为了解决上述问题并探索UDN的潜力，网络体系结构从传统的以小区为中心向以用户为中心转变。以用户为中心网络(User-Centric Network,UCN)的理念从网络控制用户转变为网络服务用户，通过获取用户的无线通信环境信息，利用和协调用户周围的潜在服务站点，组织一个动态接入点组(Access Point Group,APG)，并灵活地分配所需的资源，为每个移动用户提供满意和安全的服务，并且无需用户参与。小区虚拟化技术是UCN的主要实现方法，为了保证用户体验的一致性和连贯性，虚拟化小区中的资源分配和站点选择都是以用户为中心的方式进行的。也就是说，从用户的角度出发为每个用户选择若干个条件较好的基站(例如信干噪比最大、backhaul容量最大的基站等)组成APG。因此在UCN中，用户感觉自己始终处于网络中心，打破了传统网络中小区边界的概念。

作为在UCN中形成APG的潜在技术之一，多连接强有力地提供了以用户为中心的服务。通过同时连接到多个接入点(Access Point,AP)，用户即使在服务AP集合修改或无线链路失败(Radio Link Failure,RLF)时也能享受连续的服务。另一方面，高密度AP部署为频谱密集复用带来了巨大优势，并且通过多连接技术可以提升用户的吞吐量，尤其是对传统网络中的边缘用户而言。由于多连接设计将用户的流量分成多个链路，使得单连接设计中的backhaul限制也可以被克服。

但是，以用户为中心的多连接网络中的切换次数随着服务AP数量的增加而增加，使得相应的基站到网络的信令开销增加。这是因为当连接的站点数增多时，用户在移动的过程中更容易发现新的基站优于原服务基站集合中条件较差的基站。为了减少网络控制开销并减少切换时延，在UCN网络中采用控制平面和用户平面(Control-Plane/User-Plane,CP/UP)分离的网络架构是一种潜在的实现方法。与异构网络中宏基站负责控制平面、小基站负责用户平面的网路架构不同，由于宏基站的位置相对固定并且控制平面在宏基站之间的切换与传统LTE下的切换类似，而在单层小基站的超密集网络中，由于条件最好的负责控制平面的小基站位置的不固定，并且需要选择控制平面切换的目标基站，因此，需要对在以用户为中心的多连接架构下移动用户的站点选择与切换重新进行设计。

发明内容

本发明的基于锚点的用户为中心多连接移动性设计方法主要分为用户平面的切换和控制平面的切换两个部分。在CP/UP分离架构下的UCN网络中，距离用户最近的多个AP同时为用户服务，并将这些服务AP组成的集合称为活跃集，并在活跃集中选出控制点(Control AP，记为AP C)，负责用户的控制平面，与活跃集中其他的服务AP一起为用户传输数据，即负责用户平面。为了保证用户始终处于网络的中心，AP C通过添加/删除活跃集中的AP，动态地为用户组建APG。并且活跃集中AP的添加/删除过程由AP C控制，因此涉及到的AP的控制信令的交互不再经过核心网中的移动性管理实体(Mobility ManagementEntity)，并且服务AP的用来识别AP的ID的控制信号和信道也不需要广播，所以用户不会感知到服务AP的变更。本发明主要针对以用户为中心网络场景下，基于锚点的多连接移动性设计方法。

本发明的移动性设计方法如下：

如图1所示，用户接收到周围AP的参考信号接收功率(Reference SignalReceived Power,RSRP)，为了减少小尺度衰落对AP选择带来Ping-Pong效应的影响，用户根据过滤的RSRP，即下行链路参考信号强度(Downlink Reference Signal Strength,DL-RSS)，选出信号强度最佳(即距离用户最近)的M个AP构成活跃集，同时为用户服务，其中，M是表示服务AP数量的网络参数，可以根据用户的不同速度和用户周围基站的密度调整M的大小，选出最优的服务站点数。由于AP C需要同时负责控制平面和用户，对容量和速率有着更高的要求，因此活跃集中选出backhaul容量最大的AP最为AP C，那么活跃集中剩余的AP则与AP C共同负责用户平面的数据传输。

在用户初始接入网络，确定了活跃集和AP C之后，由于用户具有移动性，为了保证用户始终处于活跃集中心，将由AP C对活跃集内的AP成员进行更新，即切换过程。通过用户上报的测量报告，AP C将根据用户周围AP的DL-RSS判断是否向活跃集中添加新的AP，同时移除活跃集中最远的AP，由于这里的添加和删除事件同时发生，将其统称为用户平面的切换，定义为活跃集中任意AP的修改。在用户移动之后，如果有一个新的AP比当前活跃集中最远的服务AP更近，AP C将触发用户平面的切换，以确保AS由最近的M个AP组成。

为了保证活跃集中始终有AP C作控制，根据UE发送的测量报告，在服务AP C离开活跃集时，将触发控制平面的切换。在服务AP C离开活跃集之前，服务AP C将活跃集中backhaul最好的AP被选择为目标AP C接管控制平面，该过程被称为控制平面的切换。在控制平面的切换过程中，活跃集中的其他AP在仍然为用户传输数据。如上文所述，用户平面的切换由AP C管理，并且不会被用户意识到，但是只有控制平面的切换信令会通知核心网络，由核心网中的MME负责AP C的变更，这一过程与LTE系统的切换类似。

图1说明了当活跃集中服务AP数量为3时的切换场景，其中AP 2负责控制平面，由于用户从l₁点移动了v距离到达l₂点，AP 2成为移动后活跃集中的最远服务基站，并且存在新的AP与用户的距离近与AP 2，因此触发控制平面的切换过程，且选出当前活跃集中backhaul容量最大的AP作为目标AP C。本发明提出的移动性设计方法，描述如下：

步骤200，用户初始接入网络，由最近的M个AP组建为活跃集，其中backhaul容量最大的AP作为AP C负责控制平面。

步骤210，AP C根据判DL-RSS判断是否更新活跃集AP成员，若需要更新，且活跃集的AP C不变，则由AP C负责用户平面的切换。

步骤220，若活跃集中的服务AP C离开活跃集，服务AP C从活跃集中选出backhaul容量最大的AP作为目标AP C，触发控制平面的切换。

有益效果

本发明的基于锚点的用户为中心多连接移动性设计方法，利用了CP/UP分离架构，扩大了控制平面的覆盖范围，从而降低了控制平面的切换概率。由于每个用户同时被多个AP服务，小区的边界从原先的AP与AP之间的边界扩大为服务AP簇之间的边界。由于服务AP的控制信号和控制信道不被广播，AP C负责管理AP和用户的无线资源控制(RadioResource Control，RRC)，因此服务AP对用户来说是透明的，降低了控制开销。另外，由于负载控制平面的AP C的覆盖范围从单个AP的范围扩大为服务AP簇，仅有控制平面的切换需要不频繁地通知MME，因此降低了切换时延。另外，多连接为用户组建活跃集，提供了以用户为中心的服务，使得任意位置的用户都能获得一致性的体验。

附图说明

图1是本发明的以用户为中心网络中，基于锚点的多连接移动性设计方法示意图；

图2是本发明的算法实施流程图；

图3是本方案中用户平面的切换概率与用户移动速度的变化关系图，其中(A)是理论值，(S)是仿真值，M如上文所述是活跃集服务AP数量，下同；

图4是本方案中用户平面的切换概率与用户移动速度的变化关系图。

具体实施方式

用户为中心的功率控制机制实施步骤：

步骤300，用户初始接入网络，由DL-RSS最强的M个AP组建为用户的活跃集，同时为用户传输数据。活跃集中backhaul容量最大的AP作为AP C负责控制平面。

步骤310，每个时隙，用户将周围AP的RSRP作为测量报告上报给AP C，从而判断是否触发切换。

步骤320，AP C判断是否有新的AP，相比于活跃集中任意AP，能够提供更强的DL-RSS信号强度，若有，且活跃集的AP C不变，则AP C触发用户平面的切换。

步骤330，若活跃集中的AP C提供的DL-RSS弱于新的AP C，在控制平面的切换之前，服务AP C从活跃集中选出backhaul容量最大的AP作为目标AP C，控制平面从服务AP C到目标AP C的变更将通知核心网的MME。

所给机制下用户平面和控制平面的切换概率与用户速度的变化关系分别如图3和图4所示，其中AP的密度为0.01个/m²。

由图3可知，用户平面的切换概率随服务AP的数量增加有所增加。在用户平面的切换概率达到0.5之前，切换概率几乎与用户速度成比例。这是因为在这种情况下，单位时间内用户平面的切换次数和切换概率可以近似相等，这与对切换次数的理论分析的结果一致。图3表明用户平面的切换概率随着用户速度增加而增加，这是很明显因为在高速情况下下，移动后用户将离服务AP更远，从而更有可能与附加区域中的新AP连接。与单连接相比，即M＝1，对于较大的服务AP数量，用户平面切换概率较高，但是随着服务AP数量的增加，切换概率最终趋于收敛。尽管用户平面切换不通知核心网络，但是对于较大的用户平面切换概率，服务AP和AP C之间的切换信令开销仍然不能被忽略。

由图4可知，控制平面的切换概率随服务AP的数量增加明显降低。与图3一样，控制平面的切换概率随着用户速度而增加。由于服务AP数量越多，AP C的控制范围越大，因此多连接降低了AP C离开AS的概率，所以控制平面的切换概率随服务AP数量的增加而降低。结果表明，我们的多连接方案降低了密集网络的切换概率。

Claims (5)

1.一种基于锚点的用户为中心多连接移动性设计方法，其特征在于，包括：在以用户为中心网络中，为用户建立活跃集，活跃集内的多个AP同时为用户提供数据传输；网络根据AP的backhaul容量大小，选择活跃集中backhaul容量最大的AP为控制点，负责用户的控制平面；选定控制点后，活跃集中除控制点以外的其他AP负责用户平面；在用户移动的过程中，用户根据周围AP的RSS变化情况，选择活跃集外RSS最强的AP进入活跃集，并将活跃集内RSS最弱的AP移除活跃集；在活跃集成员更新的过程中，活跃集内不涉及更新过程的AP保持用户的数据传输。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，用户移动过程中同时保持与RSS最强的多个AP组成为用户服务的活跃集，同时为用户提供数据传输。如果活跃集外AP的RSS高于活跃集内的控制点，用户触发活跃集切换。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用户根据移动过程中周围AP的RSS变化情况向控制点发送测量信息报告，控制点将活跃集内RSS最弱的AP修改为周围RSS最强的AP，完成活跃集内AP更新过程。由于活跃集内AP更新过程由控制点完成，信令在用户、控制点、更新AP之间传输，并不经过核心网中的MME，因此活跃集成员更新过程用户不感知。

4.根据权利要求1和3所述的方法，其特征在于，当控制点成为活跃集内RSS最弱的AP时，控制点在活跃集内其他AP内选出backhaul容量最大的AP最为目标控制点，向目标控制点发送切换请求，由目标控制点和用户共同完成活跃集的切换过程。

5.根据权利要求3和4所述的方法，其特征在于，活跃集内成员更新过程和切换过程由用户辅助控制点执行，用户将测量信息报告发送给控制点，由控制点做更新/切换判决；控制点的切换过程需要用户向服务控制点发送测量报告，并由服务控制点做出切换判决和向目标控制点发送切换请求，目标控制点和用户一起为控制点切换做准备，执行控制点切换过程中，用户从其他服务AP不中断地接收用户平面的服务，切换完成后，目标控制点通知服务控制点释放资源。