文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.174337
中文引用格式： 趙旭，唐倫，劉云龍，等. 密集蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)切換管理機制與算法研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(7)：102-106.
英文引用格式： Zhao Xu，Tang Lun，LiuYunlong，et al. Research on handoff management mechanism and algorithm in dense cellular heterogeneous network[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(7)：102-106.
0 引言
近年來，智能終端迅速發(fā)展，通信的數(shù)據(jù)流量需求呈爆炸式的增長[1]。密集部署小基站是解決海量移動設(shè)備以及應(yīng)用最有效方案，微微基站接入點(Femto Access Point，F(xiàn)AP)作為重要類型小蜂窩部署可提高室內(nèi)信號覆蓋范圍[2]。然而，小基站大規(guī)模部署下由于頻繁切換會造成核心網(wǎng)信令負荷和切換中斷。文獻[3]提出在切換執(zhí)行階段采用無隨機接入方案減少用戶與目標基站重連接過程中導(dǎo)致的服務(wù)中斷時延，但未考慮路徑切換導(dǎo)致切換中斷和切換過程中的信令消耗。文獻[4]提出使用X2接口進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，但增加鏈路使用率，中間小區(qū)建立和維護的X2轉(zhuǎn)發(fā)鏈經(jīng)多次切換，導(dǎo)致目標基站數(shù)據(jù)不明確。文獻[5]提出小區(qū)協(xié)作分簇切換管理策略用以提升容量，但切換流程中執(zhí)行階段涉及隨機接入過程，產(chǎn)生大量信令交互和更長用戶平面中斷時延。
為此，本文針對密集蜂窩簇的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提出一種本地錨點的小區(qū)分簇切換管理機制。構(gòu)建離散馬爾科夫轉(zhuǎn)移模型，引進5G新空口技術(shù)中提到的用戶連接非激活狀(inactive)[6]作為會話結(jié)束往返態(tài)，制定一次會話過程中每次切換的信令、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)以及中斷時延的平均成本函數(shù)，通過仿真評估證明所提切換機制性能增益得到提升。
1 系統(tǒng)架構(gòu)
本文研究的簇內(nèi)小基站之間的切換系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，每個簇包含多個小蜂窩接入點，一組相鄰的小蜂窩簇形成一個本地網(wǎng)絡(luò)。形成本地網(wǎng)絡(luò)中至少有一個本地錨點小基站（Local Anchor Femto Access Point，LA_FAP）與簇內(nèi)其他小蜂窩保持一個連接。本地錨點基站功能：代理移動性管理實體，用作控制平面本地移動性控制點，攔截和操作S1-MME接口上的移動性相關(guān)信令消息。代理服務(wù)網(wǎng)關(guān)用作用戶平面上的本地移動錨點，攔截S1-U接口上的數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)數(shù)據(jù)平面隧道協(xié)議功能。監(jiān)測計數(shù)器功能（count），統(tǒng)計用戶切換流程中路徑切換請求之前在簇內(nèi)切換的次數(shù)。
1.1 增強本地路徑切換機制
提出的增強本地路徑切換機制（Enhance Local Path Switching，eLPS）切換流程圖如圖2所示，適用于同一蜂窩簇小基站的基于本地路徑切換機制，用戶在相同的簇內(nèi)多達p次切換。S1路徑在目標基站（T-FAP）與LA_FAP之間創(chuàng)建。當T-FAP通過X2接口接收到服務(wù)基站(S-FAP)“結(jié)束”標記后，LA_FAP和T-FAP之間新下行鏈路路徑將用于之后通信。count=np(n∈N+)時，目標基站到傳統(tǒng)核心網(wǎng)執(zhí)行路徑切換。提出的小蜂窩分簇切換機制最小化路徑轉(zhuǎn)發(fā)切換過程，實現(xiàn)最小化切換中斷時延，同時最小化切換相關(guān)信令消耗。
1.2 增強數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機制
增強數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機制（Enhance Data Forwarding，eDF）適用于本地錨點切換到相鄰小區(qū)，提出的無路徑切換機制方案的流程圖如圖3所示。當UE從簇內(nèi)的錨點基站切換到相鄰的小蜂窩基站時，可以完全消除路徑切換操作。在切換準備階段，服務(wù)基站與目標基站之間創(chuàng)建的X2鏈路通常在切完成之后被釋放。然而，提出的eDF機制中，X2鏈路將繼續(xù)用于錨點基站到目標基站間數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。
2 分析模型與問題制定
2.1 分析模型
通過歸納總結(jié)法表示上述穩(wěn)態(tài)概率一般表達式：
2.2 問題制定
評估平均切換成本的數(shù)學(xué)模型如下：
3 仿真結(jié)果與分析
本文系統(tǒng)仿真參數(shù)表設(shè)置如表1所示[8]，所提機制與3GPP切換機制實現(xiàn)值的比例作為度量指標，并與基于流轉(zhuǎn)發(fā)級聯(lián)路徑（TF-CP）[4]機制性能進行比較。
圖6仿真表明本文所提出機制切換平均信令成本在小的閾值p時急劇下降。當閾值p≥4時，切換閾值對信令成本影響極小，表明方案的性能不受路徑切換閾值設(shè)置的限制，p≥4時，eLPS可以實現(xiàn)較3GPP將近80％以上的信令成本的節(jié)??；eDF方案能夠?qū)崿F(xiàn)大約90％信令成本的節(jié)約。所提兩種機制較基于TF-CP機制實現(xiàn)40％性能增益。
圖7顯示不同切換閾值p與平均數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)成本的變化。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)成本與p無關(guān)，eLPS機制能實現(xiàn)13%切換數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)成本性能增益，eDF切換機制實現(xiàn)高達50％的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)成本增益，較基于TF-CP機制實現(xiàn)10％性能增益。對于切換中斷時延實現(xiàn)類似的性能增益，如圖8所示，隨切換閾值增加兩種機制切換中斷時延減少約80％增益，較TF-CP機制實現(xiàn)平均切換中斷時延約60%性能增益。
圖9顯示eLPS切換機制下，切換成本隨小區(qū)停留時間1/m的變化。小區(qū)停留時間越小，用戶移動速度越大，切換信令消耗、切換數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)成本較大。隨1/m增加，用戶會話期間在小區(qū)之間轉(zhuǎn)移的蜂窩數(shù)減少，切換消耗降低。
定義呼叫移動性比率CP=λ/m，低的呼叫移動比率表示用戶在兩次會話到達之間的平均時間高度移動。圖10仿真結(jié)果顯示，低的CP，其切換時延消耗較大。隨著CP的增加，用戶低的移動性切換概率較小，對于大的CP，其切換時延消耗降低。
4 結(jié)論
針對密集組網(wǎng)，本文提出一種本地移動性切換管理機制與評估算法。仿真結(jié)果表明，該方法可使切換成本節(jié)省至少60％，比現(xiàn)有方案減少了超過80％的切換中斷，所提切換管理機制可實現(xiàn)更好的無縫切換。
參考文獻
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作者信息:
趙 旭，唐 倫，劉云龍，陳前斌
（重慶郵電大學(xué) 移動通信重點實驗室，重慶400065）