移动位置协作感知的LTE?Advanced系统机会切换机制

史苇杭++马强++李跃新

摘 要： 为了缩短LTE?Advanced系统的切换延迟和降低切换掉话率，研究了一种可协作感知用户端位置移动的机会切换机制。首先，基于用户端到基站的距离对瞬时数据速率、系统传输延迟和系统峰值吞吐率的影响，建立了移动位置协作感知模型，该模型通过点到点与端到端的距离协作感知精确计算用户端移动位置。然后，以用户端、邻居用户群、基站群和接收端用户组成的机会网络通过机会感知和信号测量最终实现机会切换。实验结果表明，所提出的机会切换机制具有高接收功率、高带宽、短切换延迟和低切换掉话率等优势。

关键词： 动通信； 位置感知； 机会切换； 协作控制

中图分类号： TN911?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）09?0061?05

Abstract： In order to shorten the switching delay of the LTE?Advanced system and reduce the switching call drop rate， an opportunity switching mechanism to aware the mobile position of the client collaboratively. On the basis of the influence of the distance from the client to base station distance on the instantaneous data rate， system transmission delay and system peak throughput rate， the mobile location collaborative awareness model was established. The client mobile position is calculated accurately according to the distance collaborative awareness of the point?to?point and end?to?end distances. The opportunity network composed of the client， neighbor user group， base station group， and users of the receiving end is used to switch the opportunity by means of opportunity awareness and signal measurement. The experimental results show that the opportunity switching mechanism has the advantages of high received power， wide bandwidth， short switching delay， and low switching call drop rate.

Keywords： mobile communication； location awareness； opportunity switching； cooperative control

0 引 言

基于长期演进LTE（Long Term Evolution）?Advanced的移动通信系统逐渐成为无线通信系统的中坚力量[1]，不仅可以提供高质量的语音和数据业务，而且可以满足用户基于互联网的大数据查询等业务。但是，由于用户端以不确定的速度改变位置，使得用户端在不同基站之间频繁切换，既增加了通信延迟[2]，又容易发生丢包和数据链路中断[3]，为移动网络的性能保障带来诸多挑战。

在频谱利用和资源管理方面，文献[4]提出了一种审查的频谱聚合技术，其次是要求无线资源管理功能。文献[5]在LTE?Advanced中引入了三个新的功能：载波聚合、异构网络和多扩展多输出的支持，研究了长期演进（LTE）的设计网络节能LTE?Advanced网络。文献[6]提出一种解码算法来提高涡轮的吞吐量解码在LTE?Advanced系统中的硬件实现。该方法完全消除了不受欢迎的切换延迟，通过部分重叠的顺序和交叉解码阶段，显著增加吞吐量。文献[7]克服了LTE?Advanced网络效率的限制，研究了同步自适应电压跟踪控制，实现了时钟同步和快速响应的高速包络跟踪。

在移动切换方面，文献[8]提出一种双模式（高、低）功率放大器的第四代长期演进（LTE）的手机应用程序，使用一个设备切换技术来提高效率。该程序考虑了门电压变化的影响和双模偏压控制电路，可提供正确的电压输入、输出开关和控制电压。文献[9]提出一种切换策略，自适应开关打开或关闭一些低功率节点系统的瞬时负载。通过使用辐射源脉冲测量，文献[10]研究了一种基于实时移动无线电定位系统。

在上述LTE?Advanced系统切换和资源控制的基础上，研究了基于移动位置协作感知、信道质量驱动和机会控制的机会切换机制。

1 移動位置协作感知模型

在如图1所示的LTE?Advanced移动通信系统中，用户端到基站的距离对瞬时数据速率、系统传输延迟和系统峰值吞吐率等带来严重影响，如式（1）所示：

2 LTE?Advanced系统机会切换

用户端在移动过程中，上行链路和下行链路的通信质量容易受到基站切换的影响，例如延长数据发送时间，通话质量下降和系统资源利用率降低等问题。上述问题主要由切换时间、切换失败率等造成。

为了解决上述问题，在提高切换成功率的同时缩短切换延迟，从而为LTE?Advanced系统提供性能保障。在如图4所示的LTE?Advanced系统切换模型中，邻居用户节点可以机会式为用户端与基站之间提供信道支持。

综上所述，LTE?Advanced系统可以分为四类对象，包括用户端，邻居用户群，基站群和接收端用户。机会切换分为机会感知，信号测量和机会切换三个阶段，如图5所示。其中，机会切换信令结构如图6所示。具体机会切换流程描述如下：

（1） 用户端发出机会感知请求，并根据式（5）得到邻居用户群的信号向量；

（2） 邻居用户群对信号进行测量，并结合基站群之间的交叉信号强度进行反馈；

（3） 基站群根据天线综合增益和夹角，实现用户端移动过程中的机会切换；

（4） 接收端用户结合机会网络信号功率均值，根据式（7）计算得到切换后的接收信号强度。

将机会切换信令分为2个子信令，包括机会信令和切换信令，结构如图6所示。2个子信令之间的字段可以相互交换。当传输成功率较大时，为了缩短切换延迟，将机会信令中的传输块与切换信令的接收端记录进行交换。当切换成功率逐渐降低时，将切换信令中的切换延迟字段与机会信令中的感知字段相互交换，从而降低切换后信令的负载。特别注意的是，2个信令中的测量段与用户端记录是可以随时交换的，这样做是为了提高机会切换效率。

3 实验结果分析

为了分析和验证本文提出的机会切换机制OSCPP在LTE?Advanced系统中切换过程对通信质量的保障能力，设置了一组实验，平台参数如表1所示。分别从接收功率、有效带宽、切换延迟和切换掉话率等方面进行了分析，并与静态切换机制LTE?SS做比对，结果如图7～图10所示。

从图7可以看出，OSCPP切换机制在远距离通信下的接收功率明显高于静态机制LTE?SS。这是因为用户端的邻居用户自组织机会网络通过协作切换实现高功率远距离通信，保障了通信质量。

从图8发现，低信噪比信道上OSCPP切换机制依然可以保持高于75%的有效带宽，此时静态切换的有效带宽低于50%，无法保障LTE?Advanced系统正常通信。同时，OSCPP切换机制的切换延迟明显降低，这得益于移动位置协作感知，改善了距离与信号强度之间的抖动强度，弱化了用户端与接收端用户之间距离对通信质量的影响，而且保持较低的掉话率。

4 结 语

针对LTE?Advanced系统在移动用户高频切换过程中因延迟抖动和数据丢包等因素造成通话质量下降的问题，提出一种用户端位置移动协作感知机会切换机制。该机制通过分析用户端移动过程中的瞬时数据速率、系统传输延迟和系统峰值吞吐率，基于基站与邻居用户的协作建立了移动位置感知模型，以便为切换过程提供精确的用户端位置信息。同时，该机制将LTE?Advanced系统分为用户端、邻居用户群、基站群和接收端用户等四阶段控制对象，将机会感知信息与协作信号测量相结合，实现机会切换。实验结果表明，在接收信号强度、带宽利用率、切换实时性和可靠性等方面，所提出的机会切换机制与静态切换机制相比，均具有显著优势。

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