CN108966273B - 高低频协作组网中基于切换辅助微基站的越区切换方法 - Google Patents

高低频协作组网中基于切换辅助微基站的越区切换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高低频协作组网中基于切换辅助微基站的越区切换方法，基于高低频协作组网***模型，在两个宏基站的宏蜂窝重叠区域引入了切换辅助微基站，使得用户终端从连接的一个宏基站向另一个宏基站进行切换时用户终端还始终与切换辅助微基站保持连接，改进了用户信号测量上报过程，优化了越区切换时的信令流程，提高了宏蜂窝间越区切换成功率。高低频超密集组网被认为是提升第五代移动通信***容量的关键技术之一，随着毫米波的应用以及基站的密集化，越区切换的频率和复杂性不断上升，整个通信网络将面临严峻的移动性管理问题。仿真结果表明，本发明所公开的越区切换方法在***性能方面取得了较好的效果。

Description

高低频协作组网中基于切换辅助微基站的越区切换方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别是涉及高低频协作组网中基于切换辅助微基站的越区切换方法。
背景技术
高低频协作组网被认为是提升第五代移动通信***容量的关键技术之一，该技术是将传统组网中的控制平面与用户平面进行分离，采用低频段(小于6GHz)在控制平面进行控制信息的传递，采用高频段(大于6GHz)在用户平面进行用户数据信息的传递，从而提升整个通信***的容量。由于高频段无线电波的传播特性和5G的通信需求，5G高低频组网中的高频段微蜂窝的覆盖面积相比于宏蜂窝将大大减小，这就带来了严峻的移动性管理问题，尤其是越区切换问题。越区切换是移动终端从现行服务的基站将通信链路切换至能提供更好服务的目标基站。5G高低频组网中的分层网络，以及微蜂窝的微小化必然会带来频繁且复杂的越区切换，同时毫米波的应用也使得信号测量有了很大的波动，最终导致越区切换失败率的提升，乒乓切换率的提升，降低通信***的整体性能。在传统的控制用户分离架构中，宏基站之间进行越区切换时需要分别进行宏蜂窝之间和微蜂窝之间的切换，其中任何一项的切换失败都会导致整个切换的无线链路失败。因此寻求一种高效的高低频组网中宏蜂窝间越区切换方法的任务变得迫在眉睫。
目前针对5G高低频协作组网中的越区切换问题，常见的解决方法有改进组网架构、优化目标基站选择算法、自适应优化越区切换参数、预测下一时刻移动终端的状态、应用波束赋形增强信号质量等。移动性锚点的引入是改进网络架构的一种方法，对于存在宏基站覆盖的场景，移动性锚点可以被部署于宏基站，对于无宏基站覆盖的场景，移动性锚点可以作为一个新的物理实体，来终结S1接口的控制平面和用户平面，同时负责本地控制范围内的移动终端的位置管理、切换管理等，但其缺陷是需要多部署新的移动性管理实体，增加了网络的复杂性。与大数据机器学习的结合可以使得一个群体或者个体的移动习性得以预测，继而可以针对单一用户或用户群体的移动习性进行越区切换的参数配置，以达到高效的移动性管理性能，但是大数据机器学习的分析会大大提高通信***的复杂性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高低频协作组网中基于切换辅助微基站的越区切换方法，以解决宏蜂窝间越区切换成功率低的问题。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明公开了一种高低频协作组网中基于切换辅助微基站的越区切换方法，所述越区切换方法包括：
用户终端进入设置在相邻宏基站的宏蜂窝重叠区域内的切换辅助微基站覆盖区域后，将与微蜂窝基站的连接切换至与切换辅助微基站连接；
用户终端响应于现服务宏基站周期性发送的测量控制指令，向所述现服务宏基站发送测量报告，
当测量报告的结果满足用户终端接近目标宏基站，且在触发时间内目标宏基站的信号强度高于现服务宏基站的信号强度一个门限Γ条件时，现服务宏基站触发由现服务宏基站向目标宏基站的切换，现服务宏基站与目标宏基站完成宏基站的切换，当现服务宏基站切换过程中与用户终端发生中断后，切换辅助微基站接替现服务宏基站完成宏基站的切换，
其中，所述切换辅助微基站能承载用户数据信息及控制信息。
优选地，所述现服务宏基站触发由所述现服务宏基站向所述目标宏基站的切换包括：
所述现服务宏基站向所述目标宏基站发送切换请求；
所述目标宏基站收到切换请求后，同时向所述现服务宏基站和切换辅助微基站发送越区切换请求回复；
所述现服务宏基站同时向用户终端和切换辅助微基站发送切换指令。
优选地，所述宏基站的切换进一步包括：
所述现服务宏基站或所述切换辅助微基站与所述目标宏基站之间完成PDCP层的协议流程；
所述用户终端与所述目标宏基站完成同步；
所述目标宏基站向所述现服务宏基站或所述切换辅助微基站发送控制平面路径切换请求；
所述现服务宏基站或所述切换辅助微基站向MME发送控制平面路径切换请求；
MME向所述现服务宏基站和/或所述切换辅助微基站发送控制平面路径切换请求回复，所述目标宏基站完成与所述用户终端的连接；
所述目标宏基站向所述现服务宏基站发送资源释放命令；
所述现服务宏基站释放资源。
本发明的有益效果如下：
本发明所公开的技术方案基于高低频协作组网***模型，在两个宏蜂窝之间引入了切换辅助微基站备用，使得两个宏蜂窝之间进行切换时移动终端始终与切换辅助微基站保持连接，改进了用户信号测量上报过程，优化越区切换时的信令流程，从而提高了宏蜂窝间越区切换成功率。本发明采用信号传输的一般模型进行研究，保证了算法的普遍性。采用理论分析、可行性论证和计算机仿真结合的方法，从理论和实践方面验证了所提出的方案具有实用性强成功率高等优点。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本实施例中加入切换辅助微基站后的高低频组网架构示意图；
图2示出本实施例中加入切换辅助微基站后的宏蜂窝间切换信令流程；
图3示出本实施例中现服务宏基站中断后的切换信令流程；
图4示出本实施例中所提出方法与传统控制用户分离架构的越区切换中断概率对比的仿真结果图；
图5示出本实施例中所提出方法与传统控制用户分离架构的越区切换成功概率对比的仿真结果图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明提出的一种适用于5G高低频协作组网中的越区切换方法，是通过在两个宏基站的宏蜂窝之间引入了可以承担用户数据信息以及部分控制信令的切换辅助微基站，简化了用户终端测量上报的过程，优化了信令的传输流程，保证用户终端进行宏蜂窝间切换时不会出现中断，提高了越区切换的成功率。
基于上述，本发明的一种高低频协作组网中基于切换辅助微基站的越区切换方法，具体包括：用户终端进入设置在相邻宏基站的宏蜂窝重叠区域内的切换辅助微基站覆盖区域；用户终端将与微蜂窝基站的连接切换至与切换辅助微基站连接；用户终端响应于现服务宏基站周期性发送的测量控制指令，向所述现服务宏基站发送测量报告，当测量报告的结果满足用户终端接近目标宏基站，且在触发时间内目标宏基站的信号强度高于现服务宏基站的信号强度一个门限Γ时，现服务宏基站与目标宏基站进行宏基站的切换，若现服务宏基站切换过程中与用户终端发生中断时，切换辅助微基站承担发生中断的现服务宏基站的控制信令完成宏基站的切换，当测量报告的结果不能同时满足上述任条件时，则不发生切换，用户终端继续进行周期性测量。在上述所述切换辅助微基站能够承载用户数据信息及部分控制信息。
在一个具体的实施例中，本实施例采用信号传输一般模型，整体架构示意图，如图1所示，为简化研究内容，本实施例是具体研究两个宏蜂窝之间的重叠区域。在一个5G高低频组网的场景中有同一个移动管理实体(MME)下两个相邻的宏基站(现服务宏基站i和目标宏基站j)，每个宏基站覆盖范围内有多个微蜂窝基站，在同一个移动管理实体(MME)下的两个宏基站的宏蜂窝重叠区域内，引入一个可以承载数据信息以及部分控制信息的切换辅助微基站。当用户终端在未进入两个所述宏蜂窝重叠区域前，与现服务宏基站i和一个普通微蜂窝基站连接，当用户终端进入切换辅助微基站覆盖区域内，所述用户终端与普通微蜂窝基站的连接切换至与所述切换辅助微基站的连接，即能够保证当用户终端在这两个宏蜂窝之间进行切换时，始终保持与切换辅助微基站以及一个宏基站的连接，从而降低切换过程中的中断概率。当用户终端在所述切换辅助微基站覆盖范围内进行越区切换时，此时所述用户终端仍保持与所述现服务宏基站i的控制信息连接，同时所述用户终端保持与所述切换辅助微基站的数据信息连接。所述现服务宏基站i保持周期性的向所述用户终端发送测量控制指令；所述用户终端则向所述现服务宏基站i发送信号强度的测量报告。所述测量报告包括现服务宏基站i的信号强度SIR_i和目标宏基站j的信号强度SIR_j等。
如果信号测量的结果为接近目标宏基站j，且在触发时间内目标基站j的信号强度高于服务基站的信号强度一个门限Γ，即：
SIR_j-SIR_i>Γ (1)
则所述现服务宏基站i触发宏基站之间的切换，并发送越区切换请求到所述目标宏基站，所述目标宏基站向所述现服务宏基站和所述切换辅助微基站回复越区切换请求；如果信号测量结果不符合(1)式，则不进行切换请求，用户终端继续进行周期性测量。
进一步的，本发明在一个具体的实施例中加入切换辅助微基站后的越区切换信令流程。本实施例是在高低频协作组网的框架下同一个MME下的两个相邻宏基站之间引入了切换辅助微基站，用来完成用户数据信息传递的同时也承担部分控制信令的传输，以达到宏基站之间的软切换。由于宏基站间进行切换时用户平面数据始终由切换辅助微基站承担，故在切换过程中不需要与服务网关进行用户平面切换请求。主要改进点包含以下几个关键步骤：(1)信号测量结果满足切换判决后，由现服务宏基站向目标宏基站发送切换请求(Handover Request)，目标宏基站在发送允许接入的越区切换回复的同时也向切换辅助微基站发送越区切换请求回复；(2)现服务基站给用户终端发送切换指令的同时也向切换辅助微基站发送切换指令；(3)服务宏基站在通信切换过程中发生中断，由切换辅助基站承担原服务宏基站的控制信令，完成越区切换。
因此，总的信令流程如附图2所示，在高低频协作组网中引入了切换辅助微基站，提出了一种有利于宏基站间越区切换的网络架构，越区切换的流程如下：
(1)现服务宏基站发送测量信息(Measurement configuration)，用户终端周期性地向基站回复测量报告(Measurement Report)；
(2)当测量报告满足越区切换判决时式子(1)，现服务宏基站向目标基站发送越区切换请求(Handover Request)；
(3)目标基站确认可以接入，则发送越区切换请求回复(HO Request ACK)给切换辅助微基站和现服务宏基站，现服务宏基站向用户终端和切换辅助微基站发送越区切换命令；
(4)现服务宏基站与目标宏基站之间完成PDCP层的协议流程；
(5)用户终端与目标宏基站完成同步；
(6)目标宏基站向现服务宏基站发送控制平面路径切换请求(C-Plane PathSwitch Request)；
(7)现服务宏基站向MME发送控制平面路径切换请求；
(8)MME向现服务基站和切换辅助微基站发送控制平面路径切换回复(C-PlanePath Switch Request ACK)，所述目标宏基站完成与所述用户终端的连接；
(9)目标宏基站向现服务基站发送资源释放命令(Release Resource Command)；
(10)现服务宏基站释放资源后目标宏基站完成与用户终端的连接。
当在第(3)步后现服务宏基站与用户终端之间发生了中断，则后续控制层信令流程由切换辅助微基站来完成，继上述已完成前三个步骤后有如下步骤，如附图3所示：
(4＇)切换辅助微基站与目标宏基站之间完成PDCP(Packet Data ConvergenceProtocol，分组数据汇聚协议)层的协议流程；
(5＇)用户终端与目标宏基站完成同步；
(6＇)目标宏基站向切换辅助微基站发送控制平面路径切换请求(C-Plane PathSwitch Request)；
(7＇)切换辅助微基站向MME发送控制平面路径切换请求；
(8＇)MME向切换辅助微基站发送控制平面路径切换回复(C-Plane Path SwitchRequest ACK)，所述目标宏基站完成与所述用户终端的连接；
(9＇)目标宏基站向现服务基站发送资源释放命令(Release Resource Command)；
(10＇)现服务宏基站释放资源后目标宏基站完成与用户终端的连接。
其中上述由切换辅助微基站所继续执行的信令流程，可以是从现服务宏基站在后续信令流程中断后开始执行，也可以是从所述第(4＇)步骤开始执行。通过引入一个切换辅助微基站对现服务宏基站发生中断后的信令流程得以继续执行，使得越区切换成功率得到进一步保障。
基于上述实施例，本发明对采用加入切换辅助微基站的越区切换成功率进行，并对加入所述切换辅助微基站后的成功率与未加入切换辅助微基站的成功率进行计算和比较。
假设所述宏基站的覆盖半径为RM，其发射功率为PtM，基站载频为f1，天线高度为hM设。微基站的覆盖半径为RS，其发射功率为PtS，基站载频为f2，天线高度为hS。两个宏基站之间的重叠区域为AM。宏基站同频基站距离为IM，微基站同频基站的距离为IS设，移动台高度为hT。
第一步：由Okumura-hata模型和纽约曼哈顿28GHz毫米波传输模型可以分别得到移动终端与现服务宏基站、目标宏基站，以及切换辅助微基站之间的路径损耗：
PL(i,x)＝69.55+26.16·lg(f1)-13.82·lg(hM)-am+[44.9-6.55·lg(hM)]·lg(x)+ε(i,x) (2)
PL(j,y)＝69.55+26.16·lg(f1)-13.82·lg(hM)-am+[44.9-6.55·lg(hM)]·lg(y)+ε(j,y) (3)
PL(h,z)＝72.0+2.92·10·lg(z)+ε(h,z) (4)
其中，am＝3.2·[lg(11.75·hM)]·2-4.97，ε为阴影衰落，是0均值，标准差为σ的高斯分布变量。
第二步：由路径损耗得到用户终端接收到各基站信号的信号强度：
Pr(i,x)＝PtM-PL(i,x) (5)
Pr(h,z)＝PtS-PL(h,z) (6)
继而可以计算出宏基站i和切换辅助微基站接收信号质量的SIR形式：
SIR(i,x)＝Pr(i,x)-Ii (7)
SIR(h,z)＝Pr(h,z)-Ih (8)
其中
Figure GDA0002474570940000081
为同频干扰信号的功率。
第三步：宏基站j的SIR满足越区切换条件的概率表示为：
Pho_i,j(x)＝P[SIR(j,x)-SIR(i,x)≥Γ,SIR(j,x)＞SIR(k,xk)] (9)
其中SIR(k,xk)为其他相邻宏基站的SIR。此时Pho_i,j为加入切换辅助基站后的宏基站切换触发概率。
第四步：中断概率表示为用户终端从基站出接收到的信号小于一个门限Υ的概率。宏基站中断概率和切换辅助微基站的中断概率表示为：
P(i,x)outage＝P[SIR(i,x)＜Υ] (10)
P(h,z)outage＝P[SIR(h,z)＜Υ] (11)
未加入切换辅助微基站的宏基站间切换的中断概率为：
P(x)outage＝(1-P(i,x)outage)P(j,x)outage+(1-P(j,x)outage)P(i,x)outage+P(i,x)outage·P(j,x)outage (12)
＝P(i,x)outage-P(i,x)outage·P(j,x)outage+P(j,x)outage
加入切换辅助微基站后，由于切换辅助微基站可以与MME连接并传递控制信令，切换过程中宏基站的中断并不会导致切换的失败，故此时的中断概率就是P(h,z)outage。
第五步：加入切换辅助微基站后的宏基站间切换成功率可以表示为两个宏基站没有中断，且切换辅助微基站也没有中断的概率，即
Psuc(x)＝Psuc_i,j(x)·(1-P(h,x)outage)＝(1-P(i,x)outage)·Pho_i,j(x)·(1-P(j,x)outage)·(1-P(h,x)outage) (13)
为了检验所提出方法的性能，利用MATLAB R2012a对所提出的方法进行了仿真。基于切换辅助微基站的宏蜂窝间越区切换的仿真参数如下：
宏基站的覆盖半径RM设定为1000m，其发射功率PtM为43dBm，基站载频f1为2GHz，天线高度hM设定为20m。微基站的覆盖半径RS设定为300m，其发射功率PtS为23dBm，基站载频f2为28GHz，天线高度hS设定为10m。两个宏基站之间的重叠区域AM为300m。宏基站同频基站距离IM为4800m，微基站同频基站的距离IS设定为2000m，移动台高度hT为1m。
图4是基于本发明所提出方法中一个具体实施例与传统控制用户分离架构的越区切换中断概率对比的仿真结果图，通过对比，可以看出所提方案能有效地降低重叠区域发生越区切换时的中断概率。
图5是基于本发明所提出方法中一个具体实施例与传统控制用户分离架构的越区切换成功概率对比的仿真结果图，此概率为用户终端发生越区切换且切换成功的概率，故数值较小，但仍可看出所提出方法的成功概率高于传统控制用户分离的越区切换方法。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (3)

1.一种高低频协作组网中基于切换辅助微基站的越区切换方法，其特征在于，所述越区切换方法包括：
用户终端进入设置在相邻宏基站的宏蜂窝重叠区域内的切换辅助微基站覆盖区域后，将与微蜂窝基站的连接切换至与切换辅助微基站连接，
其中所述切换辅助微基站承载用户数据信息及部分控制信息；
用户终端响应于现服务宏基站周期性发送的测量控制指令，向所述现服务宏基站发送测量报告，
当测量报告的结果满足用户终端接近目标宏基站，且在触发时间内目标宏基站的信号强度高于现服务宏基站的信号强度一个门限Γ条件时，现服务宏基站向目标基站发送越区切换请求，目标基站确认可以接入，则发送越区切换请求回复给切换辅助微基站和现服务宏基站，现服务宏基站向用户终端和切换辅助微基站发送越区切换命令，当现服务宏基站切换过程中与用户终端发生中断后，切换辅助微基站接替现服务宏基站完成宏基站的切换。
2.根据权利要求1所述的高低频协作组网中基于切换辅助微基站的越区切换方法，其特征在于，所述现服务宏基站触发由所述现服务宏基站向所述目标宏基站的切换包括：
所述现服务宏基站向所述目标宏基站发送切换请求；
所述目标宏基站收到切换请求后，同时向所述现服务宏基站和切换辅助微基站发送越区切换请求回复；
所述现服务宏基站同时向用户终端和切换辅助微基站发送切换指令。
3.根据权利要求1或2所述的高低频协作组网中基于切换辅助微基站的越区切换方法，其特征在于，所述宏基站的切换进一步包括：
所述现服务宏基站或所述切换辅助微基站与所述目标宏基站之间完成PDCP层的协议流程；
所述用户终端与所述目标宏基站完成同步；
所述目标宏基站向所述现服务宏基站或所述切换辅助微基站发送控制平面路径切换请求；
所述现服务宏基站或所述切换辅助微基站向MME发送控制平面路径切换请求；
MME向所述现服务宏基站和所述切换辅助微基站发送控制平面路径切换请求回复，当现服务宏基站切换过程中与用户终端发生中断的情况下，MME仅向所述切换辅助微基站发送控制平面路径切换请求回复，所述目标宏基站完成与所述用户终端的连接；
所述目标宏基站向所述现服务宏基站发送资源释放命令；
所述现服务宏基站释放资源。
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