一种EHOPPPA算法改进LTE切换性能的研究

徐新飞+李波

摘 要： 由于LTE切换过程是支持多个切换准备的，针对在切换过程中无线链路失败后重新成功建立这一问题提出一种具有避免乒乓效应并提前准备切换（EHOPPPA）的算法，该算法重点在于用户可以接收到多个准备切换的目标基站的切换命令信息，并且通过小区选择到最佳的目标基站。通过OPNET仿真该算法可以在切换过程中实现切换失败率降低约60%，并且在没有增加乒乓效应的前提下在切换过程中从无线链路失败中成功恢复的概率接近100%。该算法提高了切换成功率，尤其是在人口密集的地方效果更为显著。

关键词： 切换准备； 无线链路重建； 乒乓效应；小区选择； 目标基站； EHOPPPA算法

中图分类号： TN92?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）01?0023?05

Abstract： As the handover procedure of LTE supports multiple handover preparations， an early handover preparation with ping?pong avoidance （EHOPPPA） algorithm is proposed to successfully re?establish the radio link failed in handover procedure. With the algorithm， the user can receive the target base station′s multiple handover command messages for handover preparation， and the optimal target base station is selected by means of cell. The OPNET simulation results show that the algorithm can reduce the handover failure rate by 60% in handover procedure， and the successful recovery probability of radio link failure （RLF） in handover procedure is nearly 100% without addition of the ping?pong effect. Therefore， the algorithm can improve the successful rate of handover， and its effect is particularly obvious， especially in densely?populated areas.

Keywords： handover preparation； radio link reestablishment； ping?pong effect； cell selection； target base station； EHOPPPA algorithm

0 引 言

LTE（Long Term Evolution）是指3GPP（3rd Generation Partnership Project）组织推行的蜂窝技术在无线接入方面的最新演进，近年来在世界各地得到了广泛的应用。在人们的日常生活中无时无刻需要通信，因此，对通信质量的要求也就越来越高，所以在LTE网络中切换的好坏显得尤为重要。针对传统的切换算法，有很多文献提出了改进算法，例如：基于SON （Self Organizing Network）的切换参数优化（Handover Parameter Optimization，HPO）算法[1]，基于RSRQ测量的自适应算法[2]，基于移动特性的鲁棒性优化（MRO）方案[3]等。3GPP无线接入网（Radio Access Network，RAN）工作组制定“对LTE的异构网络（Heterogeneous Network，HetNet）移动性的增强”[4]有助于改善在LTE网络中总的移动鲁棒性。这项工作的目的就是改善具有无线链路失败和乒乓效应系统的切换性能，从而提高在LTE异构网络中的移动鲁棒性。文献[5]针对异构网络，主要分析研究Macro?Pico网络模型下的切换这一关键技术问题。但是在无线链路失败和乒乓效应之间，当选择优化切换参数来减少无线链路失败率时乒乓效应会增加，反之亦然[6]。在2014年2月3GPP无线接入网工作组会议中，提供了在北美的主要城市进行LTE（VoLTE）的外场测试语音效果[7]。文档表明，切换失败率在城市地区达到7.6%，在闹市地区高达21.7%，而从无线链路失败成功恢复的效率仅为38%。所以本文是针对用户低速运动和在比较密集场所的情况下改进原有的切换算法，这里的低速是指速度小于120 km/h的用户，本文分别选取3 km/h，30 km/h，60 km/h，120 km/h，说明改进算法的优势。

1 LTE系统架构

LTE系统总体采用扁平化、IP化的网络架构，相对于3G来说，UTRAN衍生为E?UTRAN，E?NodeB代替原有的RNC?NodeB结构，各网络节点之间的接口使用IP传输，通过IMS承载综合业务，原UTRAN的CS域业务均可由TD?LTE网络的PS域承载。

图1所示为LTE的系统架构图。从系统架构的整体上来说分为两部分，即演进后的核心网EPC（即图中的MME/S?GW）和演进后的接入网E?UTRAN。LTE接入网仅由演进型节点B（evolved Node B，eNode B）组成，提供到用户设备（UE，User Equipment）的E?UTRA控制平面与用户平面的协议终止点。eNode B之间通过X2接口进行连接。LTE接入网与核心网之间通过S1接口进行连接，S1接口支持多对多的连接方式。相對于UMTS的网络结构而言，LTE的网络结构进行了大幅度的简化。endprint

2 LTE切换和优化算法的提出

切换（Handover）：又称为越区切换或过区切换，是指移动台在通话过程中从一个小区移动到另一个小区，或是由于外界干扰而切换到另外一条话音信道上的过程。切换一般分为三个步骤：切换测量、切换判决以及切换执行，其中前两个是切换的主要部分。其切换流程图如图2所示。

2.1 LTE切换算法

LTE网络中最基本的是基于A3事件触发的切换算法，当满足下式就会触发A3事件：

[Mn+Ofn+Ocn-Hys>Ms+Ofs+Ocs+Off]

式中：Mn为邻小区的测量结果；Ms为当前服务小区的测量结果；Ofn为邻区频点的频率特定偏移量；Ofs为当前服务小区工作频率的特定偏置；Ocn为邻小区特定偏置；Ocs为当前服务小区特定偏置；Hys为A3事件的迟滞参数；Off为A3事件的偏置。

A3事件发生在同频小区内，用户设备UE会周期性地对当前的服务小区和周围的邻小区发送参考信号进行测量，当用户测量到邻小区的信号质量高于当前的服务小区，且差值高于一定的切换迟滞Hys，当这种状态维持了TTT的时长后，UE会向网络侧上报A3时间的测量报告，收到测量报告后会通过判决算法决定是否要启动切换过程。A3事件切换算法示意图如图3所示。

2.2 改进算法的提出

不合理的切换参数会导致切换失败或者无线链路失败。在基于A3事件的切换算法中，如果切换迟滞Hys或者触发时间TTT设置过低，使得切换条件容易满足，则会导致乒乓切换发生的次数增多，引起大量不必要的切换；如果切换迟滞Hys或者触发时间TTT设置过大，使得切换很难满足，UE无法及时地收到切换命令而转移至目标小区，导致切换失败频繁发生。

LTE切换支持多个准备切换的目标小区，在LTE网络中，仅当UE接入到小区准备切换时，这个切换是成功的。因此，在UE执行切换到目标小区之前，源基站要求目标基站准备切换。而源基站允许有多个目标基站的准备切换[7?8]，而且在切换过程中，多个准备是有助于在无线链路失败后重建成功的。但是UE只能够接收到一个准备好的目标基站的切换命令消息并执行切换到该目标基站。如果发生无线链路失败（Radio Link Failure，RLF），则该切换是失败的并且用户在小区重选后尝试连接重新建立过程。如果用户选择源基站或者仅选择准备好的基站作为最好的小区，则这个重新建立是成功的。由于该方式获得的效果是很有限的，所以本文提出EHOPPPA（Early Handover Preparation with Ping?Pong Avoidance）切换算法。

3 EHOPPPA算法概述和仿真

3.1 EHOPPPA算法概述

EHOPPPA切换算法提出在接收到切换命令后，UE不会立即执行切换，先备份切换命令，并持续测量。该算法提供多个切换准备，并且给基于多个切换准备的UE小区选择的机会。然后UE根据持续测量决定最佳的切换执行时间和最佳的切换目标基站。UE将发送切换指示通知源基站执行切换并且选择最佳的目标基站，当UE在良好的无线链路状况中，EHOPPPA确定切换信号并延迟切换执行到最佳的切换时间，通过提早切换准备可以抑制不必要的切换发生。

在切换时，由于邻小区的干扰，导致下行物理层链路失败，从而使得RLF频繁发生。无线链路失败发生在很多场景下，如：在下行物理层失败后T310定时器停止。只要RLF发生，UE开始T311定时器并且请求重新建立无线资源控制（RRC）连接。一旦启动T311定时器，UE将尝试小区重选。如果成功，UE开始定时器T301并且与选择的小区开始连接重建的过程。若没有成功的重新建立连接，则T301定时器停止用户进入空闲模式并尝试非接入层（NAS）的恢复[9?10]。文献[11]表明，在成功切换中服务中断时间大约有80～130 ms，在切换失败的RLF恢复中有800～3 000 ms，在RLF恢复失败的NAS恢复中有3 000～5 000 ms。因此，就用户的体验质量（QoE）而言，成功的切换比RLF恢复好，RLF的恢复比NAS的恢复好。

3.2 EHOPPPA算法的切换过程

对图4切换步骤的描述具体如下：

1） 当一个“切换准备事件”为潜在的目标eNB1被触发，UE将发送测量报告信息给源eNB，这个切换准备事件可以是类似有偏移1（小偏移）没有TTT的A3事件等（提前切换准备）；

2） 基于测量报告源基站发送切换准备给目标eNB1；

3） 目标eNB1执行接入控制和资源预留，并且发送切换准备应答消息（ACK）给源eNB；

by two target base stations

4） 源eNB发送切换命令给UE（早期的切换命令），如果“切换准备事件”为另外一个目标基站，如：目标基站2被触发，则另外的切换准备被执行（如图4中的1*～4*）；

5） 在接收“早期的切换命令”之后，UE不立即执行切换到目标eNB。该UE只是备份“早期的切换命令”并连续执行测量。然后UE根据该连续测量决定最佳的切换时间和最佳目标eNB。如果由于“切换执行事件”使得UE决定一个最佳切换时间和最佳目标eNB，则UE发送切换指示通知源基站立即执行切换并选定目标eNB。这种“切换执行事件”可以是类似于带有偏移2（大的偏移）的A3事件等（以下称A7事件）。（带有“乒乓避免”的“切换指示”）图4表明了UE为目标eNB1和目标eNB2备份“早期的切换命令”，并且选择目标eNB1作为一个最佳的目标进行切换；

6） 源eNB发送切换指示，ACK确认切换指示成功接收，如果UE没有收到ACK，则UE可以重新发送切换指示消息；

7） 源eNB发送X2切换指示來选择目标eNB1，然后源基站的数据将转化到所选择的目标eNB1；endprint

8） UE与源eNB断开连接，并连接到目标eNB1；

9） 在通知源eNB切换成功后，它将发送资源释放到另外一个目标eNB准备，在本文中如目标eNB2。

这种方法虽然有一些额外的信号，但是它很大程度上改善了总的切换性能。由于没有考虑到由于多个准备所引发的X2和A3离开的信令，所以这种方法多少增加了测量报告堵塞。但是这个“提前切换准备”能够消除切换失败以及提高对准备好的目标成功重建的可能性。

3.3 仿真模型

小区布局如图5所示，采用的模型由19个基站组成，站点间距为500 m，干扰器节点与每个基站并置用来给下行链路提供100%的干扰负荷，用户的移动轨迹采用随机移动模型。

19 LTE base stations

3.4 仿真结果

选用OPNET Modeler网络仿真软件，因为该软件几乎可以完成现有的各种通信系统的仿真，包括核心网、接入网、无线网络以及各种混合型网络等。表1为在有两种切换参数（第一种是带有大偏移的，第二种是带有小偏移的）的前提下，LTE和EHOPPPA算法的仿真参数。

小的偏移可以减少切换失败率，但是增加了sToS（Short Time?of?Stay）率。如果ToS（Time?of?Stay）连接在A小区比预定的MTS（Minimum Time?of?Stay）参数小，则从B小区切换到A小区再切换回B小区被定义为乒乓效应。当UE小区的停留时间小于MTS时，统计一次sToS。测量切换失败率、sToS率、切换RLF恢复的成功率和额外的切换准备率作为切换性能指标。切换失败率、sToS率和切换RLF恢复的成功率遵守3GPP LTE异构网络的移动性仿真[9]。在EHOPPPA算法中额外切换准备被定义为：

[总的切换准备次数-总的小区变换次数总的小区变换次数]

仿真结果用柱形图表示，如图6，图7所示。图6表明在低速的情况下，隨着速度的增加三种方案的切换失败率都增加，EHOPPPA算法平均发生切换失败率的概率比LTE算法小得多。图7表明在低速的情况下，随着速度的增加三种方案的切换RLF恢复成功率也都增加，但是EHOPPPA算法的平均切换RLF恢复成功率比LTE高得多，尤其EHOPPPA（2）基本上接近100%的成功恢复在切换过程中无线链路失败。

表2为EHOPPPA算法最主要的两个影响因素sToS率和额外的切换准备率与LTE算法的对比，从表中可以看出UE在低速运动中，所有的sToS率基本都维持在2%以下。所以EHOPPPA算法解决了在减少无线链路失败率时增加乒乓效应这一问题。而且在大多数情况下，EHOPPPA算法的副作用即额外的切换准备率不是很高。所以该算法很好地改善了切换性能。

4 结 论

本文通过分析LTE系统切换算法的缺点以及切换过程中具体的信令，搭建模型通过OPNET仿真提出EHOPPPA算法。该算法从切换执行中分离了切换准备，提早的切换准备和执行切换使得UE通过小区选择在最佳的时间切换到最佳的目标小区，并且可以确定切换过程是稳定完成的。在不增加乒乓效应的前提下，该方案具有在切换期间可以实现切换失败率减少约60%和接近100%的从无线链路失败中成功恢复的优势。该算法主要针对低速密集场所中切换性能的改进，下一步将针对高速和各种复杂环境下进行研究。

参考文献

[1] 李斌，朱宇霞.LTE系统中切换优化算法的研究[J].电视技术，2013，37（3）：109?112.

LI Bin， ZHU Yuxia. Research on handover optimization algorithm in LTE system [J]. Video engineering， 2013， 37（3）， 109?112.

[2] 张普，王军选.LTE系统中切换算法的研究[J].西安邮电学院学报，2010，15（3）：1?5.

ZHANG Pu， WANG Junxuan. Handover algorithm for LTE system [J]. Journal of Xian University of Posts and Telecommunications， 2010， 15（3）： 1?5.

[3] 魏珍珍，徐晓，张健，等.LTE系统中基于移动特性的切换优化[J].通信技术，2010，43（11）：134?138.

WEI Zhenzhen， XU Xiao， ZHANG Jian， et al. Handover optimization based on UE mobility in LTE system [J]. Communication technology， 2010， 43（11）： 134?138.

[4] 3GPP. RAN RP?122007， new WI proposal： hetnet mobility enhancements for LTE [EB/OL]. [2012?12?10]. http：//ftp.3gpp.org/tsg_ran/TSG_RAN/TSGR_58/Docs/RP?122007.zip.

[5] 余翔，张丽，王蓉.LTE?A中异构网络的切换分析[J].电讯技术，2014，54（1）：89?96.

YU Xiang， ZHANG Li， WANG Rong. Analysis of handover process for heterogeneous network in LTE?A [J]. Telecommunication engineering， 2014， 54（1）， 89?96.endprint

[6] L?PEZ?P?REZ D， GUVENC I， CHU X. Mobility management challenges in 3GPP heterogeneous networks [J]. IEEE communications magazine， 2012， 50（12）： 70?78.

[7] YI S J， CHUN S D， LEE Y D， et al. Radio protocols for LTE and LTE?advanced [M]. Singapore： John Wiley & Sons， 2012： 47?85.

[8] HUSSEIN Y S， ALI B M， RASID M F A， et al. Reduction of outage probability due to handover by mitigating inter?cell interference in long?term evolution networks [J]. ETRI journal， 2014， 36（4）： 554?563.

[9] 3GPP. 3GPP TS 36.300， evolved universal terrestrial radio access （E?UTRA） and evolved universal terrestrial radio access network （E?UTRAN）： overall description [EB/OL]. [2014?06?10]. http：//wenku.it168.com/d_000065983.shtml

[10] 3GPP. 3GPP TS 36.331： evolved universal terrestrial radio access （E?UTRA）； radio resource control （RRC） [EB/OL]. [2013?09?10]. https：//www.arib.or.jp/english/html/overview/doc/STD?T104v2_20/2_T104/ARIB?STD?T104/Rel11/36/A36331?b50.pdf.

[11] 3GPP. 3GPP RAN2 R2?134432， early HO CMD with ping?pong avoidance， further information [EB/OL]. [2013?11?24]. http：//ftp.3gpp.org/tsg_ran/WG2_RL2/TSGR2_84/Docs/R2?134432.zip.endprint