CN1791261A - 一种基于速度和位置的无线通信系统的切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于速度和位置的无线通信系统的切换方法，根据分层软小区自身的特点，不再采用信号强度作为切换启动的依据，而是根据对移动终端位置估计的结果来确定是否需要进行切换。在移动台的归一化等效切入深度大于给定阈值时，启动切换，并由移动台的位置，确定候选目标小区，选取小区中心与移动终端的归一化距离在所有候选小区中最短的、可用的目标小区，实施切换，确保用户的正常通信不受影响。

Description

一种基于速度和位置的无线通信系统的切换方法

技术领域

本发明涉及用于超三代/第四代无线移动通信系统的切换技术。

背景技术

传统蜂窝网络中，切换主要是由于用户在移动过程中可能会穿过多个小区，而各个小区中的无线资源的使用是相互独立的，为了能向用户提供一种连续性的服务，就需要在用户移动到不同小区中的时候或者通信质量不能满足用户要求的时候，及时对系统资源的使用进行调整，这就是所谓的切换。切换的主要依据是信号强度以及信道质量。当用户当前接收功率低于某一门限值时，将考虑采用基站信号强度高于接收门限的其它小区为用户服务。当用户当前使用信道质量不能满足通信需要时，将考虑采用当前小区中的其他信道或其他小区中的信道为用户服务。采用基于信号强度的切换方式主要的缺陷在于，在多个小区(≥2)的交叠区域，由于无线信道性能收到大尺度阴影衰落以及小尺度衰落的影响，小区基站的信号强度有时会出现大小交替变化，导致用户在相对较短的时间内在多个小区之间来回切换，即产生所谓的乒乓效应。

目前已有研究利用对用户移动速度和位置的估计提供的辅助信息对基于信号强度的切换方法进行改进，但在一定程度上仍然依赖于接收信号强度进行判断。仍然不能从根本上解决基于信号强度方式带来的“乒乓效应”的问题。

针对传统蜂窝网络中存在的资源利用率低、业务适应性差等问题，有人提出一种新颖的无线接入网络体系结构，称为分层软小区(HSC：Hierarchical Soft Cell)无线网络体系结构，如图1所示。一方面充分降低发射功率，解决高速率无线传输的电磁干扰问题，另一方面通过无所不在的“空间分集”实现系统传输性能数十倍乃至上百倍的提高。在HSC中采用分布式天线系统(1-1)提供无缝的、功率起伏小的信号覆盖。相对于传统基站天线，分布式天线系统中单天线的发射功率较低，天线覆盖范围较小。对于这样一个新型的系统，切换技术的好坏将在很大程度上对系统性能产生影响。如图2所示，由于天线覆盖范围较小，天线间的交叠区(2-1)也较小，如果采用传统蜂窝网络中的基于信号强度的切换方法，一方面不能避免“乒乓效应”，另一方面对于高速用户而言在较小的交叠区内完成切换判断有很大的难度。所以，在HSC中引入了小区交叠区天线(2-2)，由多个小区交叠区天线构成阴影部分所示的交叠区(2-3)，使得在交叠区内的信号覆盖与在小区中心由小区内天线(2-4)构成的信号覆盖一样好。因此，要使HSC充分发挥其自身的特长就要采用一个与其特点相适应的切换方法。引入适合的无线资源管理策略解决用户数目增加导致的负载平衡的问题，采用适于HSC网络结构的切换方法解决高速用户在微小区中频繁切换以及传统小区结构中的乒乓效应。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于速度和位置的无线通信系统的切换方法，克服现有技术的上述缺点。

本发明所述的切换方法，采用以下步骤：

首先，利用空间采样，及时根据移动终端位置估计的结果，计算出移动终端与小区中心的距离；

其次，将移动终端与小区中心的距离转化为等效值，当该等效值超过给定阈值时，启动切换；

最后，根据目标小区的选择策略，确定目标小区，完成切换。

所述的空间采样，指的是在用户移动过程中，对用户状态进行及时采样，包括用户的位置、速度以及用户当前使用的信道质量等信息；采样的频率f_sample与其对应用户j的速度v_j相关，f_sample∝v_j，确保对于快速用户能及时得到用户状态信息。

所述的等效值是归一化等效切入深度，指的是等效切入深度与其对应的等效小区半径的比值，其作用在于为处于小区中不同位置的移动用户提供一个统一度量。

所述的等效切入深度是指移动终端进入切换区域的深度的等效值，该等效小区半径是指软小区中心到软小区各分区边缘的垂线段的长度。

该等效切入深度通过投影法得到：是将移动终端与小区中心的距离投影到小区中心与移动终端所处分区边缘的垂线上，该段投影距离即是移动终端的等效切入深度。

进一步，可将该方法应用于基于软小区分布式天线覆盖的分层软小区无线网络体系结构。

所述软小区分布式天线覆盖包括小区交叠区天线和小区内天线，小区交叠区天线可以同时为构成交叠区的小区服务，交叠区的宽度则根据软小区所对应的软小区平面中相应软小区层所服务的移动用户的速度类型以及平均交叠区逗留时间所确定。

所述目标小区的选择策略指的是，在由构成移动终端所处交叠区的小区所构成的候选小区集中，选取一个目标小区，该目标小区中心与移动终端的归一化距离在所有候选小区中最短，并且有可用资源可以分配给需要切换的移动终端。

所述目标小区中心与移动终端的归一化距离指的是目标小区中心与移动终端的距离与目标小区外接圆半径的比值，其作用在于为不同大小的目标小区提供一个统一度量。

具体而言，在由分布式天线系统提供的软小区信号覆盖平面中，如图2所示，利用空间采样，及时根据移动终端位置估计的结果，计算出移动终端与小区中心的距离，并根据投影算法，将移动终端与小区中心的距离转化为等效切入深度，当归一化等效切入深度超过给定阈值时，启动切换，根据目标小区的选择策略，确定可用的目标小区，完成切换。

所述软小区分布式天线覆盖由小区交叠区天线(2-2)和小区内天线(2-4)构成，小区交叠区天线可以同时为构成交叠区的小区服务，交叠区的宽度则根据软小区所对应的软小区平面(1-2)中相应软小区层所服务的移动用户的速度类型以及平均交叠区逗留时间所确定。

所述交叠区逗留时间指的是用户从沿与交叠区(2-3)边缘垂直的方向进入交叠区到离开交叠区所需要的时间。

所述平均交叠区逗留时间指的是小区内不同用户交叠区逗留时间的统计平均值。

所述的空间采样，指的是在用户移动过程中，对用户状态进行及时采样，包括用户的位置、速度以及用户当前使用的信道质量等信息。采样的频率f_sample与其对应用户j的速度v_j相关，f_sample∝v_j，确保对于快速用户能及时得到用户状态信息，而对于慢速用户而言系统的处理开销不大。对于不同软小区层而言，处理方法是相同的，不同的仅仅是对处理能力的要求，而在分层结构中不同层本来就具备了不同的处理能力。

如图3所示，本发明所述的投影算法指的是将移动终端与小区中心的距离(3-1)投影到小区中心与移动终端所处分区(3-2)边缘(3-3)的垂线(3-4)上，得到移动终端的等效切入深度(3-5)。

所述等效切入深度(3-5)指的是移动终端进入切换区域的深度的等效值。

所述归一化等效切入深度指的是等效切入深度与其对应的等效小区半径的比值，为处于小区中不同位置的移动用户提供一个统一度量。

所述等效小区半径(3-6)指的是软小区中心到软小区各分区边缘的垂线段的长度。

所述目标小区的选择策略指的是，在由构成移动终端所处交叠区的小区所构成的候选小区集中，选取一个目标小区，该目标小区中心与移动终端的归一化距离在所有候选小区中最短，并且有可用资源可以分配给需要切换的移动终端。

所述目标小区中心与移动终端的归一化距离指的是，目标小区中心与移动终端的距离与目标小区外接圆半径的比值，为不同大小的目标小区提供一个统一度量。

综上所述，本发明所述的切换方法根据分层软小区无线网络体系结构的特点，利用在分层软小区无线网络中对移动终端高精度的位置估计结果作为切换的依据，而不再采用传统的基于信号强度的切换方法，解决了传统小区中存在的切换乒乓效应的问题。利用分层软小区无线网络体系结构的特点，解决了高速移动用户切换复杂性的问题。对于不同软小区层，可以采用相同的切换算法，简化了系统复杂度，实现了分层软小区切换控制复杂性可控的特点，并达到较好的切换性能。

附图说明

图1是本发明应用于分层软小区无线网络的一种实施例的逻辑功能平面示意图；

图2是本发明一种实施例软小区分布式天线覆盖示意图；

图3是本发明一种实施例分层软小区无线网络切换方法示意图；

图4是本发明应用于分层软小区无线网络的一种实施例的切换方法在正六边形小区中使用的示意图；

图5是本发明应用于分层软小区无线网络的一种实施例的切换方法在圆形小区中使用的示意图；

图6是本发明一种实施例分层软小区无线网络切换启动示流程意图；

图7是本发明一种实施例分层软小区无线网络切换方法在方形小区中使用的示意图；

图8是本发明一种实施例分层软小区无线网络切换目标小区选择流程示意图；

图9是本发明一种实施例分层软小区无线网络切换目标小区选择方法在方形小区中使用的示意图；

具体实施方式

以下以本发明所述切换方法应用于分布式天线系统的分层软小区无线网络体系为例作进一步详细说明。

对于位于软小区平面(1-2)不同层的小区，需要首先确定小区的形状、大小，以及交叠区的宽度。确定上述参数后，即可采用所述切换方法，根据对移动终端位置估计的结果，计算出移动终端与小区中心的距离，并根据投影算法，将移动终端与小区中心的距离转化为等效切入深度，当等效切入深度与其对应的等效小区半径的比值超过给定阈值时，启动切换，根据目标小区的选择策略，确定目标小区，完成切换。

1.确定小区形状及大小

小区形状可采用正方形小区，当然，同行业的技术人员也应该了解，本实施例使用方形小区并不是为了限制本发明的权力要求，只是为了更好的说明本发明的内容。

小区的大小根据小区所处软小区层所服务的移动终端的速度来确定，小区大小与用户速度成正比，假设软小区平面第i层软小区服务的移动终端速度特征为(v_(i-1)max，v_imax]，平均小区逗留时间确定 TCDT。正方形小区的等效直径(3-7)为：

D_CELLi＝v_imax× T_CDT×α_i，i＝1，2，L，K

其中K为小区层数，v_imax为第i层软小区服务的移动终端速度特征的最大值，α_i为小区尺寸调整系数，0＜α_i≤1，来调整小区的大小。

所述i用来表示第i层软小区，除非特别说明，下面的描述将保持i的含义不变。

所述小区逗留时间是指移动终端从进入小区到离开小区所需要的时间。

所述平均小区逗留时间指的是小区内不同用户小区逗留时间的统计平均值。

2.确定交叠区宽度

交叠区的设置是为了给系统提供足够的时间来准备切换，与确定小区等效直径类似，第i层小区交叠区的宽度(3-8)也与第i层软小区服务的移动终端速度特征成正比：

L_HOi＝v_imax×T_HDT×β_i，i＝1，2，L，K

式中T_HDT为交叠区逗留时间，v_imax为第i层软小区服务的移动终端速度特征的最大值，β_i为交叠区调整系数，0＜β_i≤1，其作用与α_i类似。

需要指出的是小区大小以及交叠区宽度的确定方法同样适用于其他形状的小区使用。如图4所示的正六边形小区和图5所示的圆形小区。

3.切换启动

切换启动指的是开始进行切换的时机，即判断什么时候进行切换。在本发明所述的切换方法中根据位置估计的结果来确定是否需要进行切换，对于切换时机的判断则采用终端等效切入深度d_p来进行衡量。参照图6，具体步骤如下：

步骤S6-1，首先根据上述1描述的方法，确定小区i的等效小区半径R_CELLi。如图7所示，对于正N边形小区，R_i为小区外接圆半径，以方形小区为例，N＝4，R_i为7-1。R_CELLi为等效小区半径(7-2)，R_CELLi＝D_CELLi/2，D_CELLi为小区的等效直径(7-3)。R_CELLi与R_i之间的关系为

$R_{\mathrm{CELLi}}=R_i\×\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{N}\right)\·$

步骤S6-2，对于终端(7-4)每次进行空间采样时，根据位置估计的结果判断终端是否已经进入如阴影所示的交叠区(7-5)，如果是则转S6-3，否则转S6-8。

步骤S6-3，计算出终端与当前服务小区中心间的距离d_CM(7-6)：

$d_{\mathrm{CM}}=\sqrt{{({\stackrel{\$}{x}}_j-x_{\mathrm{bs}})}^2+{({\stackrel{\$}{y}}_j-y_{\mathrm{bs}})}^2}$

式中

为移动终端x坐标和y坐标的位置估计结果，x_bs、y_bs为小区中心的x坐标和y坐标。

步骤S6-4，计算出终端与当前服务小区中心间连线的方向角θ(7-7)，θ′为中间结果。

${\mathrm{\θ}}^{\′}=\arctan \left(\frac{{\stackrel{\$}{y}}_j-y_{\mathrm{bs}}}{{\stackrel{\$}{x}}_j-x_{\mathrm{bs}}}\right)$

a)当θ′＜0时，如果 $\sin \mathrm{\θ}=\frac{{\stackrel{\$}{y}}_j-y_{\mathrm{bs}}}{d_{\mathrm{CM}}}>0,$ 则θ＝θ′+π，否则θ＝θ′+2π。

b)当θ′≥0时，如果sinθ≤0，则θ＝θ′+π。

步骤S6-5，将θ映射到 $[-\frac{\mathrm{\π}}{N},\frac{\mathrm{\π}}{N}]$ 中，得到等效方向角θ″(7-8)。

a) N_s为终端所处分区编号( 为向上取整)；

b) ${\mathrm{\θ}}^{\text{'}}=\mathrm{\θ}-(N_s-1)\·\frac{2\mathrm{\π}}{N}\·$ 步骤S6-6，计算等效切入深度d_p(7-9)：d_p＝d_CM×cosθ″。

当N→∞时，正多边形变为圆形，则中 $N_s=(\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\π}}{N})/\left(\frac{2\mathrm{\π}}{N}\right),$ 从而可以推出θ＝0，即所有用户都被映射到x轴的正方向来，则d_p＝d_CM。

步骤S6-7，计算归一化等效切入深度 d_p：

${\stackrel{\‾}{d}}_p=\frac{d_p}{R_{\mathrm{CELLi}}}\·$

当 d_p＞P_threshold时，启动切换，0＜P_threshald≤1为带滞后余量的切入深度门限。

步骤S6-8，结束。

上述方法需要进行实时计算，其优点是对任意多边形的小区都可以适用，缺点时实时计算需要占用一定的系统处理时间。在建立小区时可以将不同扇区的交叠区进行编号，根据用户进入交叠区的位置就可以确定用户进入的是位于哪个扇区的交叠区，从而采取相应的投影，计算等效切入深度。如图3所示，只需采用步骤S6-6、S6-7描述的方法判断是否启动切换。

4.目标小区选择(Target Cell Selection)

当确定移动终端需要切换后，需要对切换的目标小区进行选择。参照图8，具体步骤如下：

步骤S8-1，如图9所示，终端在Cell1中移动，经过空间采样，确定终端(9-1)的估计位置，确定构成终端所处交叠区的切换目标候选小区集(9-2，9-3，9-4)。

步骤S8-2，计算终端(9-1)到各个候选小区的归一化距离；

$d_{\mathrm{CELLik}}=\sqrt{{({\stackrel{\$}{x}}_j-x_k)}^2+{({\stackrel{\$}{y}}_j-y_k)}^2},$

d_CELLik＝d_CELLik/R_ik，k＝1L M，M为候选小区个数。

为终端j的估计位置坐标(9-5)，(x_k，y_k)为候选小区k的中心坐标(9-6，9-7，9-8)，R_ik为候选小区k的小区外接圆半径(9-9，9-10，9-11)。d_CELLik为终端j到候选小区k中心的距离(9-12，9-13，9-14)。 d_CELLik为终端j到候选小区k中心的归一化距离。

步骤S8-3，在候选小区集中选取可用的、 d_CELLi最小的小区作为目标小区。如无可用小区可以选取，转S8-5。

步骤S8-4，当S8-3选取的目标小区中有可用资源可以分配时，实施切换并转S8-6，否则将该目标小区标识为不可用，转S8-3。

步骤S8-5，切换失败，结束。

步骤S8-6，切换成功，结束。

上述实施例使用方形小区，只是为了更好的说明本发明的内容，本发明同样可以用于其他形状的小区。对于小区大小的确定以及交叠区宽度的确定，可以采用与正方形小区一样的操作。对于切换启动而言，可以将移动终端与小区中心的距离投影到小区中心与移动终端所处分区边缘的垂线上，得到移动终端的等效切入深度，并根据相应的等效小区半径计算出归一化等效切入深度，从而完成切换判断。对于目标小区的选择，可以从由构成移动终端所处交叠区的小区所构成的候选小区集中，选取一个目标小区，该目标小区中心与移动终端的归一化距离在所有候选小区中最短，并且有可用资源可以分配给需要切换的移动终端。下面进一步对应用于正六边形小区和圆形小区的实施例作说明。

对于正六边形小区，小区大小和交叠区宽度的确定，以及目标小区的选择都可以采用与正方形小区相同的操作。在进行切换启动判断时，根据图6所示步骤：

步骤S6-1，如图4所示，确定小区i的等效小区半径R_CELLi(4-1)和小区外接圆半径R_i(4-2)，其中 $R_{\mathrm{CELLi}}=R_i\×\cos \left(\frac{\mathrm{\π}}{N}\right),N=6\·$

步骤S6-2，对于终端(4-3)每次进行空间采样时，根据位置估计的结果判断终端是否已经进入如阴影所示的交叠区(4-4)，如果是则转S6-3，否则转S6-8；

步骤S6-3，计算出终端与当前服务小区中心间的距离d_CM(4-5)。

步骤S6-4，计算出终端与当前服务小区中心间连线的方向角θ(4-6)。

步骤S6-5，将θ映射到 $[-\frac{\mathrm{\π}}{N},\frac{\mathrm{\π}}{N}]$ 中，得到等效方向角θ″(4-7)。

步骤S6-6，计算等效切入深度d_p(4-8)。

步骤S6-7，计算归一化等效切入深度 ${\stackrel{\‾}{d}}_p=\frac{d_p}{R_{\mathrm{CELLi}}},$

当 d_p＞P_threshold时，启动切换，0＜P_threshold≤1为带滞后余量的切入深度门限。步骤S6-8，结束。

对于圆形小区，小区大小和交叠区宽度的确定，以及目标小区的选择都可以采用与正方形小区相同的操作。在进行切换启动判断时，只需采用图6所示的部分步骤即可：

步骤S6-1，如图5所示，确定小区i的等效小区半径R_CELLi(5-1)，此时因为N→∞，所以R_CELLi＝R_i。

步骤S6-2，对于终端(5-2)每次进行空间采样时，根据位置估计的结果判断终端是否已经进入如阴影所示的交叠区(5-3)，如果是则转S6-3，否则转S6-8。

步骤S6-3，计算出终端与当前服务小区中心间的距离d_CM(5-4)，此时等效切入深度d_p＝d_CM，转步骤S6-7。

步骤S6-7，计算归一化等效切入深度 ${\stackrel{\‾}{d}}_p=\frac{d_p}{R_{\mathrm{CELLi}}}\·$

当 d_p＞P_threshold时，启动切换，0＜P_threshold≤1为带滞后余量的切入深度门限。

步骤S6-8，结束。

上述的对较佳实施例的描述可以使该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本技术的人员显然可以很快地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1、一种基于速度和位置的无线通信系统的切换方法，其特征在于采用以下步骤：

首先，利用空间采样，及时根据移动终端位置估计的结果，计算出移动终端与小区中心的距离；

其次，将移动终端与小区中心的距离转化为等效值，当该等效值超过给定阈值时，启动切换；

最后，根据目标小区的选择策略，确定目标小区，完成切换。

2、根据权利要求1所述的基于速度和位置的无线通信系统的切换方法，其特征在于：

所述的空间采样，指的是在用户移动过程中，对用户状态进行及时采样，包括用户的位置、速度以及用户当前使用的信道质量等信息；采样的频率f_sample与其对应用户j的速度v_j相关，f_sample∝v_j，确保对于快速用户能及时得到用户状态信息。

3、根据权利要求1所述的基于速度和位置的无线通信系统的切换方法，其特征在于：

所述的等效值是归一化等效切入深度，指的是等效切入深度与其对应的等效小区半径的比值，其作用在于为处于小区中不同位置的移动用户提供一个统一度量。

4、根据权利要求3所述的基于速度和位置的无线通信系统的切换方法，其特征在于：

所述的等效切入深度是指移动终端进入切换区域的深度的等效值，该等效小区半径是指软小区中心到软小区各分区边缘的垂线段的长度。

5、根据权利要求3所述的基于速度和位置的无线通信系统的切换方法，其特征在于：

该等效切入深度通过投影法得到：是将移动终端与小区中心的距离投影到小区中心与移动终端所处分区边缘的垂线上，该段投影距离即是移动终端的等效切入深度。

6、根据权利要求1至5中任一所述的基于速度和位置的无线通信系统的切换方法，其特征在于：该方法应用于基于软小区分布式天线覆盖的分层软小区无线网络体系结构。

7、根据权利要求6所述的基于速度和位置的无线通信系统的切换方法，其特征在于：

所述软小区分布式天线覆盖包括小区交叠区天线和小区内天线，小区交叠区天线可以同时为构成交叠区的小区服务，交叠区的宽度则根据软小区所对应的软小区平面中相应软小区层所服务的移动用户的速度类型以及平均交叠区逗留时间所确定。

8、根据权利要求1所述的基于速度和位置的无线通信系统的切换方法，其特征在于：

所述目标小区的选择策略指的是，在由构成移动终端所处交叠区的小区所构成的候选小区集中，选取一个目标小区，该目标小区中心与移动终端的归一化距离在所有候选小区中最短，并且有可用资源可以分配给需要切换的移动终端。

9、根据权利要求8所述的基于速度和位置的无线通信系统的切换方法，其特征在于：所述目标小区中心与移动终端的归一化距离指的是目标小区中心与移动终端的距离与目标小区外接圆半径的比值，其作用在于为不同大小的目标小区提供一个统一度量。

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