《电子技术应用》

密集蜂窝异构网络切换管理机制与算法研究

2018年电子技术应用第7期
赵 旭,唐 伦,刘云龙,陈前斌
(重庆邮电大学 移动通信重点实验室,重庆400065)
摘要: 密集异构网络通过加密部署小基站的方式提升空间复用,针对用户在小基站间频繁切换问题,提出了一种基于本地移动性的小区分簇网络架构和切换管理机制,引入5G新空口技术中的用户连接非激活态,构建离散时间马尔科夫转移模型,制定一次会话过程中平均每次切换成本消耗函数评估所提机制的性能。仿真结果表明,所提切换机制较当前切换方案减少了切换消耗,能有效降低切换中断时延。
中图分类号: TN929.5
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.174337
中文引用格式: 赵旭,唐伦,刘云龙,等. 密集蜂窝异构网络切换管理机制与算法研究[J].电子技术应用,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.

Research on handoff management mechanism and algorithm in dense cellular heterogeneous network

Zhao Xu,Tang Lun,Liu Yunlong,Chen Qianbin
(Key Lab of Mobile Communication Technology,Chongqing University of Post and Telecommunications,Chongqing 400065,China)
Abstract: Dense heterogeneous network enhances spatial multiplexing by encrypting a small base station, for users in the small base station between the frequent switching problems. In this paper, a local clustering network architecture and handoff management mechanism based on local mobility is proposed. The 5G New Radio technology user connected-inactive state is introduced, and the discrete-time Markov transfer model is constructed. The cost of the handoff function evaluates the performance of the proposed mechanism. The simulation results show that the proposed handoff mechanism reduces the handoff consumption compared with the current handoff scheme, and effectively reduces the handoff delay.

0 引言

    近年来,智能终端迅速发展,通信的数据流量需求呈爆炸式的增长[1]。密集部署小基站是解决海量移动设备以及应用最有效方案,微微基站接入点(Femto Access Point,FAP)作为重要类型小蜂窝部署可提高室内信号覆盖范围[2]。然而,小基站大规模部署下由于频繁切换会造成核心网信令负荷和切换中断。文献[3]提出在切换执行阶段采用无随机接入方案减少用户与目标基站重连接过程中导致的服务中断时延,但未考虑路径切换导致切换中断和切换过程中的信令消耗。文献[4]提出使用X2接口进行数据转发,但增加链路使用率,中间小区建立和维护的X2转发链经多次切换,导致目标基站数据不明确。文献[5]提出小区协作分簇切换管理策略用以提升容量,但切换流程中执行阶段涉及随机接入过程,产生大量信令交互和更长用户平面中断时延。

    为此,本文针对密集蜂窝簇的网络架构提出一种本地锚点的小区分簇切换管理机制。构建离散马尔科夫转移模型,引进5G新空口技术中提到的用户连接非激活状(inactive)[6]作为会话结束往返态,制定一次会话过程中每次切换的信令、数据转发以及中断时延的平均成本函数,通过仿真评估证明所提切换机制性能增益得到提升。

1 系统架构

    本文研究的簇内小基站之间的切换系统网络架构如图1所示,每个簇包含多个小蜂窝接入点,一组相邻的小蜂窝簇形成一个本地网络。形成本地网络中至少有一个本地锚点小基站(Local Anchor Femto Access Point,LA_FAP)与簇内其他小蜂窝保持一个连接。本地锚点基站功能:代理移动性管理实体,用作控制平面本地移动性控制点,拦截和操作S1-MME接口上的移动性相关信令消息。代理服务网关用作用户平面上的本地移动锚点,拦截S1-U接口上的数据流,实现数据平面隧道协议功能。监测计数器功能(count),统计用户切换流程中路径切换请求之前在簇内切换的次数。

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1.1 增强本地路径切换机制

    提出的增强本地路径切换机制(Enhance Local Path Switching,eLPS)切换流程图如图2所示,适用于同一蜂窝簇小基站的基于本地路径切换机制,用户在相同的簇内多达p次切换。S1路径在目标基站(T-FAP)与LA_FAP之间创建。当T-FAP通过X2接口接收到服务基站(S-FAP)“结束”标记后,LA_FAP和T-FAP之间新下行链路路径将用于之后通信。count=np(n∈N+)时,目标基站到传统核心网执行路径切换。提出的小蜂窝分簇切换机制最小化路径转发切换过程,实现最小化切换中断时延,同时最小化切换相关信令消耗。

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1.2 增强数据转发机制

    增强数据转发机制(Enhance Data Forwarding,eDF)适用于本地锚点切换到相邻小区,提出的无路径切换机制方案的流程图如图3所示。当UE从簇内的锚点基站切换到相邻的小蜂窝基站时,可以完全消除路径切换操作。在切换准备阶段,服务基站与目标基站之间创建的X2链路通常在切完成之后被释放。然而,提出的eDF机制中,X2链路将继续用于锚点基站到目标基站间数据包的转发。

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2 分析模型与问题制定

2.1 分析模型

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    通过归纳总结法表示上述稳态概率一般表达式:

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2.2 问题制定

    评估平均切换成本的数学模型如下:

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3 仿真结果与分析

    本文系统仿真参数表设置如表1所示[8],所提机制与3GPP切换机制实现值的比例作为度量指标,并与基于流转发级联路径(TF-CP)[4]机制性能进行比较。

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    图6仿真表明本文所提出机制切换平均信令成本在小的阈值p时急剧下降。当阈值p≥4时,切换阈值对信令成本影响极小,表明方案的性能不受路径切换阈值设置的限制,p≥4时,eLPS可以实现较3GPP将近80%以上的信令成本的节省;eDF方案能够实现大约90%信令成本的节约。所提两种机制较基于TF-CP机制实现40%性能增益。

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    图7显示不同切换阈值p与平均数据转发成本的变化。数据转发成本与p无关,eLPS机制能实现13%切换数据转发成本性能增益,eDF切换机制实现高达50%的数据转发成本增益,较基于TF-CP机制实现10%性能增益。对于切换中断时延实现类似的性能增益,如图8所示,随切换阈值增加两种机制切换中断时延减少约80%增益,较TF-CP机制实现平均切换中断时延约60%性能增益。

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    图9显示eLPS切换机制下,切换成本随小区停留时间1/m的变化。小区停留时间越小,用户移动速度越大,切换信令消耗、切换数据转发成本较大。随1/m增加,用户会话期间在小区之间转移的蜂窝数减少,切换消耗降低。

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    定义呼叫移动性比率CP=λ/m,低的呼叫移动比率表示用户在两次会话到达之间的平均时间高度移动。图10仿真结果显示,低的CP,其切换时延消耗较大。随着CP的增加,用户低的移动性切换概率较小,对于大的CP,其切换时延消耗降低。

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4 结论

    针对密集组网,本文提出一种本地移动性切换管理机制与评估算法。仿真结果表明,该方法可使切换成本节省至少60%,比现有方案减少了超过80%的切换中断,所提切换管理机制可实现更好的无缝切换。

参考文献

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[5] ZHANG H,JIANG C,CHENG J.Cooperative interference mitigation and handover management for heterogeneous cloud small cell networks[J].IEEE Wireless Communications,2015,22(3):92-99.

[6] 3GPP.Study on new radio access technology;Radio interface protocol aspects(Release 14)[S].Tech. Rep.,TR 38.804,Mar,2017.

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[8] 3GPP.Feasibility study for evolved universal terrestrial radio access(UTRA) and universal terrestrial radio access network(UTRAN)[S].3GPP TR 25.912 v13.0.0,2016. 



作者信息:

赵  旭,唐  伦,刘云龙,陈前斌

(重庆邮电大学 移动通信重点实验室,重庆400065)

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