CN105764100B - 一种面向密集小站部署的基于虚拟小区设计的移动性增强方案 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种面向密集小站部署的基于虚拟小区设计的移动性增强方案，构建以用户为中心的无线网络。本发明考虑两层网络的架构，即宏基站的覆盖范围内包括多个小站。在虚拟小区构建中，用户识别号是虚拟小区的唯一标识。本发明的同步过程和切换过程由宏蜂窝辅助执行，用户将测量信息和用户上下文报告给宏蜂窝，由宏蜂窝执行虚拟小区构建和同步FAP选择算法，同步小站做资源预留和数据准备，保证较稳定的业务质量。同时，本发明在虚拟小区中优化TTT等切换参数，降低切换过程中时延问题造成的链路失败的概率，保证中高速移动用户的移动性能。

Description

一种面向密集小站部署的基于虚拟小区设计的移动性增强 方案
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***(5G)中超密集网络场景下以用户为中心虚拟小区(VC，Virtual Cell)组成和用户移动性研究。
背景技术
由于小站(Small cell)易于部署、功率小等特点，在3GPP LTE R12(the 3rdGeneration Partnership Project Long Term Evolution Release 12)中，Small cell增强备受关注。5G网络中为了实现10Gbps的高数据速率和任何时间任何地点的无处不在的服务，大量的small cell被灵活的部署在服务区内，从而形成超密集网络(UDN，Ultra-DenseNetwork)提供无缝覆盖和现有宏基站的业务泄流，提升***容量。基于small cell超密集部署的密集网络被认为是5G蜂窝网络实现10Gbps的高数据速率最主要的特点。
密集部署small cell是解决网络覆盖和容量问题的重要方法：一方面，这可以在热点区域实现对宏基站的高速分流；另一方面，对有大量业务分布的室内，通过small cell覆盖比宏蜂窝更为有效。大量的部署使得small cell密度急剧增长，甚至可以达到和用户设备同等的密度。在UDN下，由于基站间的距离(ISD，Inter Sites Distance)很小，即使在用户移动性很低的情况下，可靠的切换程序也是十分必要的。而且对用户移动轨迹的预测也有助于提高用户对网络的选择性和利用性。
UDN下由于基站部署很密集，基站间距离很小，如果使用传统的切换算法会导致切换测量过多，并且切换的命中率很低，不满足用户移动性的需求。造成切换失败(HOF，Handover Failure)的原因可能是在UE(User Equipment)执行切换时和服务小区失去了同步。比如，SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio，信干噪比)在给定的T310(Timer310，时钟310)时间内低于阈值。在UDN下，由于小站更小的覆盖和切换(HO，Handover)过程造成的时延会使失败率更高。尤其是对于高速移动的用户而言，如果仍然采用之前的切换的准则，使得切换发生的时刻是在小站中心的区域，这样会造成很大的干扰，用户和原有小站失去同步。因此我们提出一种面向密集小站部署的基于虚拟小区设计的移动性增强发明。随着用户移动，虚拟小区不断更新，新的小站加入到虚拟小区中成为同步小站，而原有的小站则从虚拟小区中剔除。同时，在虚拟小区中优化切换参数，降低切换过程中时延问题造成的链路失败的概率，使得用户保证中高速移动用户的移动性能。
虚拟小区是以用户终端为中心，由用户周围的多个FAPs(Femto Access Point，毫微微蜂窝室内基站)组成该用户的虚拟小区，根据用户需求为用户提供服务。虚拟小区的FAP分为服务FAP和同步FAP，服务FAP是当前正在为终端提供服务的FAP，同步FAP是没有向终端提供服务，但已做好资源预留和数据准备，随时能为终端提供服务的FAP，保证较稳定的QoS(Quality-of-Service，业务质量)。
发明内容
我们考虑UDN下的虚拟小区构建，构建以用户为中心的无线网络。虚拟小区由用户周围的多个小站组成，像影子一样随着用户的移动及周围环境的变化而快速的更新。用户识别号(ID，Identity)是虚拟小区的唯一标识，在虚拟小区更新之前，满足条件的用户根据相应的切换触发准则选择下一个为用户提供服务的小站。
本发明从如下几个方面增强UDN的移动性。
在FAP加入虚拟小区时已完成接纳控制及资源预留(即以用户为中心的资源分配)，加快了数据服务FAP切换的速度。将数据服务FAP的选择权下放给UE可以降低链路质量上报与切换决定之间的延迟。
在FAP加入虚拟小区时完成上行定时调整量的测量，不需要在数据服务FAP转换时测量/调整定时关系，降低了空口延迟。另外，当虚拟小区范围较小的时，上行定时调整过程也可以省略。
宏蜂窝管理一定数量的FAP节点，完成FAP节点的资源分配和调度。随着网络变得更加密集，为了更加有效地控制用户的接入，本发明中宏蜂窝协助每个用户确定相应的虚拟小区集合并提醒用户进行目标小区的更新。
虚拟小区内的小站实现数据同步。当用户构建虚拟小区后，与用户相关的虚拟小区信息需要在宏蜂窝登记，用户所需的数据由核心网传送给服务FAP，之后由服务FAP传送给用户，同时宏蜂窝需将用户数据同步到虚拟小区内的同步FAP，从而实现无边界小区。
在服务FAP转换前的数据同步过程降低了由于数据转发及核心网数据路径转换造成的延迟。在虚拟小区间的资源协调及虚拟小区内的以用户为中心的资源分配降低了切换(即数据服务FAP转换)失败的概率。
虚拟小区的更新过程如下：
UE开启切换测量和扫描，虚拟小区周期性更新满足用户的移动性需求。用户周期性上报邻近小站的信息和用户context(上下文信息)，上报的周期与UE穿过小站覆盖范围的时间有关。UE的物理ID与FAP的物理ID成映射关系存储在宏蜂窝，为虚拟小区的构建提供依据。本发明借助控制和业务分离的架构，用来获得更高的数据速率。
虚拟小区列表的更新由宏蜂窝控制。虚拟小区列表更新不影响用户数据传输，因此虚拟小区列表更新没有给用户增加切换时延。通过虚拟小区列表更新的准备阶段，极大的降低了用户选择服务小站的时延。假设超密集组网下切换阶段的切换参数TTT(Time toTrigger，触发时间)设置为0，以用户ID为标识的虚拟小区的更新时间间隔与用户速度密切相关，用户的速度越快，虚拟小区的更新时间间隔也就越短，从而为用户提供良好的服务。
有益效果
本发明中，虚拟小区内的同步小站同步了用户数据，用户在虚拟小区内无边界移动。通过数据同步，使得用户提前进行切换准备阶段，降低了切换过程的时延。优化切换参数，降低了切换失败率，使得用户保证中高速移动用户的移动性能。使用方向预测优化虚拟小区集合降低了不必要的切换和乒乓(Ping-pong)发生的概率。
附图说明
图1是本发明的借助于C/U(C-plane/U-plane，控制面/业务面)分离的虚拟小区设计；
图2是UDN下基于虚拟小区更新流程；
图3是本发明的算法实施流程图；
图4是本发明的详细切换流程图；
图5是UDN下切换参数对切换性能影响的仿真图；
图6是LTE下和基于虚拟小区的切换性能对比图；
具体实施方式
本发明实施案例结合附图做详细说明。
本发明主要应用于密集小站部署的异构网络中，即在LTE网络中部署大量的小站。通常，考虑在单一的宏基站覆盖范围内，多个小站分布的情况，而且小站的位置具有随机性。考虑到实际的应用，小站密集分布的场景大多出现在人流量较大，业务需求较多的地方，例如密集街区。
附图1是实例应用的***架构和场景，在UDN的密集街区场景中，FAP密集部署。我们将网络分为两层。第一层是宏小区从核心网获得数据用来提供覆盖。第二层由FAP组成，通过自回程链路从上一层宏小区获得数据，用于提高UDN网络的覆盖，实现传输节点的无规划部署，进一步提高UDN网络的容量。
附图2是虚拟小区更新场景图。灰色FAP代表当前给用户服务的FAP。随着用户的移动，以用户为中心的虚拟小区进行更新，同时，在新的虚拟小区中需要选择同步FAP，也就是图中黑色FAP，并从核心网同步数据到这些同步FAP。
本发明的切换过程由宏蜂窝辅助执行。用户将测量信息报告给宏蜂窝，由宏蜂窝执行虚拟小区构建和同步FAP选择算法，选取最终的同步FAP。附图3是本发明的算法实施流程图。
算法步骤如下：
步骤200，用户将测量信息和上下文信息上报给宏蜂窝。
这里，用户上报的测量信息包括用户能够接收到的FAP的下行链路RSRP(Reference Signal Received Power，参考信号接收功率)信息并将测量的能够接收到的FAP的RSRP信息上报给宏蜂窝。
步骤210，基于用户轨迹预测，构建虚拟小区。
本发明中虚拟小区的构建考虑的了用户的移动偏好，如选择运动方向上的小站作为虚拟小区，优化虚拟小区。虚拟小区优化过程公式表达如下：
V＝{FAPj|φij<β},FAPj∈C (1)
VC大小约束：N(V)≤n
其中，各变量代表的物理含义如下：
φij：UEi与FAPj之间的夹角。
角度β：运动方向上选取的φij的阈值。
C：所有的小站的集合。
V：根据RSRP选取的基站中心与用户的连线在方向阈值内的邻居小站。
N(V)：虚拟小区内小站的数目即VC的大小。
宏蜂窝根据LTE中的小区选择准则，选取下行链路RSRP最强的FAP加入虚拟小区，成为同步TP。
步骤220，宏蜂窝协助选择目标小站,执行切换判决。
虚拟小区确定后，选择RSRP最强的小站作为要切换的目标小站并进行A3(Event3，事件3)判决，目标小区的选择公式如下：
其中，VCi为用户i的虚拟小区，Pk,i为用户i接收到小站k的信号强度，Pj,i为用户i接收到服务小区j的信号强度，Offset为电平偏移量。
当在触发时间期间内切换准则一直满足后，两个邻小区之间的切换就被执行。由于UDN下，传统的切换参数值，如TTT为320ms，Offset为3dB对于中高速移动用户而言并不能满足其移动性，切换时延容易带来很大的切换失败率。而TTT为0ms，offset为0dB可以降低切换失败率却增加了很多不必要的切换，为了更加符合UDN中VC的构建，我们将TTT设为0ms。
步骤230，宏蜂窝向目标站发出切换请求，终端执行切换。
详细的虚拟小区的更新流程设计如附图4所示。
本发明中用于切换性能的评估的关键技术指标(KPIs，Key PerformanceIndicators)，定义如下：
切换失败率(HOF Rate，Handover Failure Rate)：如果已经触发切换，但在获得切换命令前发生了无线链路失败则认为切换失败了，表达式如下：
其中，NHOF表示发生切换失败的次数，Ntotal_HO_attempts为总的切换次数。
乒乓率(PP Rate，Ping-pong Rate)：如果在一定时间内切换数目超过一个阈值(仿真中设置的阈值为-5dB)或者新的目标小站是让一次切换的源小站则认为发生了乒乓效应，表达式如下：
其中，Nping-pong表示发生乒乓的次数。
未命中率：切换完成后用户接入到新的服务小区，如果用户获得的信干噪比值低于一定的阈值则认为用户没有命中到合适的目标小区，表达式如下：
其中，Nmissing表示没有命中的次数，SINRj,i是与小站j连接的用户i的信干噪比值，SINRth为设定的一个信干噪比阈值。
UDN下切换参数对切换性能的影响如图5所示，以用户速度为30km/h为例。从仿真结果可以得出，随着TTT的增长，切换失败率随之增长，这是因为在UDN中等待触发时间内更容易造成RLF(Radio Link Failure，无线链路失败)。除此之外，Offset值越小切换失败率随之降低，这是由于快速的切换选择和判决可以使得RLF发生的概率降低。然而当TTT值特别小的时候，比如0ms，切换特别容易发生，但是乒乓率也会随之增加。虚拟小区和LTE性能比较如图6所示。

Claims (4)

1.一种基于虚拟小区设计的移动性增强方法，其特征在于，包括：在超密集网络场景下，构建以用户为中心的无线网络，根据用户参考信号接收功率(RSRP)选择初始FAP(FemtoAccess Point，毫微微蜂窝室内基站)加入虚拟小区，其中用户识别号是虚拟小区的唯一标识；
用户将能够接收到的FAP下行链路RSRP作为测量信息，上报给宏蜂窝，用于虚拟小区同步FAP选择；
根据用户上报的测量信息，宏基站以小区内RSRP最强的FAP作为要切换的FAP，根据用户周围FAP的下行链路RSRP选择加入虚拟小区的目标FAP，以及移除虚拟小区的目标FAP，具体为:
基于A3事件，当虚拟小区外的FAP的RSRP比小区内最强RSRP高出Offset并保持TTT长度，即RSRP虚拟小区外FAP+Offset>max{RSRP虚拟小区内FAP}，则该FAP加入虚拟小区；基于A3事件，当虚拟小区内的FAP的RSRP比小区内最强RSRP低出Offsetrmv并保持TTT长度，即max{RSRP虚拟小区内FAP}>RSRP虚拟小区内FAP+Offsetrmv，则该FAP移除虚拟小区；
为降低用户选择服务FAP时延，在超密集部署下，将切换阶段的TTT设置为0，Offset设为3dB，Offsetrmv设置值比Offset高3dB。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟小区设计的移动性增强方法，其特征在于，宏蜂窝选择虚拟小区外的FAP加入虚拟小区时，需判断该FAP与用户连线和用户运动方向之间的夹角小于阈值β，即V＝{FAPj|φij<β},FAPj∈小站集合，其中阈值β设置为π/2。
3.根据权利要求1所述基于虚拟小区设计的移动性增强方法，其特征在于，宏蜂窝统一完成虚拟小区内FAP节点的资源分配和调度；当用户构建虚拟小区后，与用户相关的虚拟小区信息需要在宏蜂窝登记，用户所需的数据由核心网传送给服务FAP，之后由服务FAP传送给用户，同时宏蜂窝需将用户数据同步到虚拟小区内的同步FAP，从而实现无边界小区。
4.根据权利要求1所述的基于虚拟小区设计的移动性增强方法，其特征在于，为降低空口延迟，上行定时调整测量发生在FAP加入虚拟小区时，不需要在数据服务FAP转换时测量/调整定时关系；当虚拟小区范围较小时，省略上行定时调整过程。
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