TD-LTE系统切换技术的研究

为了使移动通信与宽带无线接入(BWA)技术相互融合，并同时应对全球微波互联接入(WiMAX)和4G的挑战，第三代合作伙伴项目(3GPP)启动了长期演进(LTE)项目。LTE采用正交频分复用(OFDM)及多输入多输出(MIMO)等先进的无线传输技术，使用扁平网络结构和全IP系统架构，能够支持最大为20 MHz的系统带宽，实现超过200 Mbit/s的峰值速率和更短的传输延时，并且频谱效率可以达到3GPP R6标准的3~5倍，是一项非常重大的革新。

    时分同步码分多址长期演进(TD-LTE)，作为时分同步码分多址(TD-SCDMA)的演进技术，目前已经成为3GPP中唯一基于时分双工(TDD)技术的LTE标准。中国已经全面启动TD-LTE产业，与国际LTE产业保持基本同步，并已被国际广泛接受和认可。TD-LTE将为中国在引领移动通信产业的发展带来很重要的机遇。

    TD-LTE一方面继承了TD-SCDMA智能天线、特殊时隙等的核心专利；另一方面，TD-LTE可以提供更高的带宽，通过更灵活的频谱配置方案(1.4~20 MHz)来提升网络效率和单个基站效率，并采用公共无线资源管理控制基站来简化系统结构，减少网络节点，更加有效地为用户提供服务[1]。

    在所有蜂窝系统中，无线资源管理(RRM)功能非常重要，他不仅决定了系统的容量、覆盖和服务质量(QoS)，还决定了无线接口资源的使用效率。RRM提供空中接口无线资源管理的功能，目的是提供一些机制以保证空中接口无线资源的有效利用，实现资源最优使用效率、更高的数据速率和更低的时延，从而满足系统所定义的无线资源的相关需求[2]。

    TD-LTE系统内的RRM技术包括无线承载控制(RBC)、无限接纳控制(RAC)、连接移动性控制(CMC)、动态资源分配(DRA)、小区间干扰协调(ICIC)和负载均衡(LB)。RBC用于配置与无线承载相关的资源；RAC用于判断是否需要建立新的无线承载接入；CMC用于管理空闲模式以及连接模式下的无线资源，包括小区选择、寻呼和切换；DRA用于分配和释放控制面与用户面数据包的无线资源；ICIC用于管理无线资源，通过对他的管理将小区之间的干扰水平保持在可控的状态下；LB用于处理多个小区间不均衡的业务量。RRM每种技术的具体功能将在文章中进行详细介绍[3]。

1 LTE系统架构
    LTE系统在设计之初便在提高数据速率、降低传输时延、提高系统性能、降低系统复杂度等方面进行了严格的定义，并且现行3G系统架构也难以满足LTE的系统需求。为全面满足LTE系统需求，系统架构也重新进行了设计。

    从整体上看，TD-LTE系统和频分双工长期演进(FDD-LTE)系统采用相同的系统架构，分为核心网和接入网两部分；而TD-LTE和FDD-LTE的差别主要在于帧结构（TDD帧包含特殊时隙DwPTS和UpPTS）和多天线配置上[4]（TDD沿用智能天线技术可以支持8天线的波束赋形技术，而FDD最多支持4天线）。

    如图1所示，LTE系统的整体架构包括演进后的核心网(EPC)，即图1中的移动性管理实体/业务网关(MME/S-GW)和演进通用陆地无线接入网络(E-UTRAN)。LTE接入网由演进后的节点 (eNB)组成，并提供用户设备(UE)的E-UTRAN控制面与用户面的协议终止点。eNB之间通过X2接口进行连接，该接口总会存在于需要通信的两个不同的eNB之间。S1接口连接LTE接入网与核心网，并支持多到多连接方式。

    与3G系统的网络架构相比，接入网仅包括eNB一种逻辑节点，网络架构中节点数量减少，网络架构更趋于扁平化。这种扁平化的网络架构降低了呼叫建立时延及用户数据的传输时延，并且随着逻辑节点的减少，运营成本(OPEX)与资本支出(CAPEX)也会相应降低[5]。

2 TD-LTE系统的RRM组成
    RRM提供空中接口的无线资源管理的功能，目的是能够提供一些机制保证空中接口无线资源的有效利用，实现最优的资源使用效率，从而满足系统所定义的无线资源相关的需求。

    在LTE的E-UTRAN系统中，RRM功能的定义参考了现有3G系统RRM的基本功能，并基于LTE的E-UTRAN架构和需求特性对RRM功能进行了扩展。LTE系统中所进行的无线资源管理包括对单小区无线资源的管理，同时也包括对多小区无线资源的管理。

    (1) RBC
    RBC用于配置无线承载相关的资源，包括无线承载的建立、保持、释放。当为一个服务连接建立无线承载时，无线承载控制需要综合考虑E-UTRAN中无线资源的整体状况、正在进行中的会话的QoS需求以及该新建服务连接的QoS需求。

    (2) RAC
    RAC功能用于判断是否需要建立新的无线承载接入。为得到合理、可靠的判决结果，在进行接入判决时，无线接纳控制需要考虑E-UTRAN中无线资源状态的总体情况、QoS需求、优先级、正在进行中的会话QoS情况以及该新建无线承载的QoS需求[6]。

    (3) CMC
    CMC功能用于管理空闲模式及连接模式下的无线资源。在空闲模式下，CMC不仅为小区重选算法提供一系列参数（如门限值、滞后量等），还提供用于配置UE测量控制以及测量报告的E-UTRAN广播参数，同时还能配合网关对UE进行寻呼；在连接模式下，支持无线连接的移动性，并基于UE与eNB的测量结果进行切换决策，将连接从当前服务小区切换到另一个小区。

    (4) DRA
    DRA又可称为分组调度(PS)，该功能用于分配和释放控制面与用户面数据包的无线资源，包括缓冲区、进程资源、资源块等。动态资源分配主要考虑无线承载QoS需求、信道质量信息及干扰状态等信息。

    (5) ICIC
    ICIC功能是指通过对无线资源进行管理，将小区间的干扰水平保持在可控的状态下。尤其是在小区边界地带，更需要对无线资源做些特殊的管理。

    (6) LB
    LB功能用于处理多个小区间不均衡的业务量，通过均衡小区间的业务量分配，提高无线资源的利用率，将正在进行中的会话的QoS保持在一个合理的水平上，降低掉话率。负载均衡算法可能会导致部分终端进行切换或小区重选，以均衡小区间负载状况。

3 TD-LTE系统的切换技术
    (1) 切换技术
    切换技术大致可分为：硬切换和软切换。

    硬切换的特点是先中断源小区的链路，后建立目标小区的链路，这时通话会产生“缝隙”。硬切换机制使得切换不够健壮，会出现“掉话”的现象。因此，硬切换多用于由于覆盖、负载、业务等引起的频率间的切换，如宽带码分多址(WCDMA)系统内的频率之间的硬切换和系统之间的硬切换。

    软切换的特点是CDMA系统所特有的。在采用频分多址(FDMA)或时分多址(TDMA)的系统中，相邻小区采用不同的频率，所以小区之间的切换只能采用硬切换；而在CDMA系统中，相邻小区采用相同的频率，这就使得软切换的使用成为可能。

    在进行软切换时，要先建立目标小区的链路，后中断与源小区的链路，这样可以避免通话的“缝隙”，有效地提高切换成功率，减少上行链路干扰，提高系统容量并扩大小区覆盖范围。但同时也存在一些缺点，如要比硬切换占用更多的信道资源、信令复杂导致系统负荷增加、增加了下行链路烦扰等。

    (2) TD-SCDMA系统接力切换
    TD-SCDMA特有的接力切换技术，克服了软切换浪费信道资源的缺点，不仅具有软切换的功能，而且可用于不同载波频率甚至其他移动通信系统的基站间，实现不丢失信息、不中断通信的理想越区切换。

    TD-SCDMA系统的接力切换概念不同于硬切换与软切换，在切换之前，目标基站已经获得移动台比较精确的位置信息，因此在切换过程中UE断开与源基站的连接之后，能迅速切换到目标基站。移动台比较精确的位置信息，主要是通过智能天线技术从而获得。

    (3) TD-LTE切换理论
    作为TD-SCDMA演进技术的TD-LTE系统，可以采用快速硬切换方法实现不同频段之间以及各系统间的切换，从而更好地实现地域覆盖和无缝切换，并且实现与现有3GPP和非3GPP的兼容。软切换由于设备复杂度高、定时难度大，会带来较高处理能力的需求，因而未被采用。核心网的设计也发生了相应的改变，增加了系统架构演进(SAE)和3GPP模块，实现了LTE系统与3GPP和非3GPP系统切换的兼容。

    切换过程都会被分为4个步骤：测量、上报、判决和执行。接收功率、误比特率和链路距离都能够作为测量标准从而进行理论上的估计和相应的处理。TD-LTE系统的切换是UE辅助的硬切换，他和FDD-LTE硬切换的最大区别在于：在TD-LTE中导频信号是在一个特殊的时隙上进行传输，而FDD-LTE系统中导频信道则占用一整个帧长度，所以基于导频信道的测量标准对于TD-LTE来说并不是那么精确。所以对于TD-LTE的测量，还需要结合信道质量、UE的位置和导频信号强度来进行。

    (a) 切换原理
    在连接模式下的E-UTRAN内切换是终端辅助网络控制的切换。切换主要分成切换准备、切换执行和切换完成3个部分，这3个部分在文章的信令交互部分有详细的说明。其中eNB包括以下几种切换：

• 基于无线质量的切换
  通常进行此类切换的原因是：UE的测量报告显示出存在比当前服务小区信道质量更好的邻小区。
• 基于无线接入技术覆盖的切换
  此类切换是在UE丢失当前无线接入技术(RAT)覆盖从而连接到其他RAT的情况下产生的。例如，一个UE远离了城市区域从而丢失TD-LTE覆盖，网络就会切换到UE检测到的质量次好的RAT，如通用移动通信系统(UMTS)或者全球移动通信系统(GSM)。
• 基于负载情况的切换
  此类切换用于当一个给定小区过载时，尽量平衡属于同一操作者的不同RAT间的负载状况。例如，如果当一个TD-LTE小区非常拥挤，一些用户就需要转移到相邻TD-LTE小区或是相邻UMTS小区中。

    (b) 切换过程中的信令交互

• 如图2所示，源eNB根据漫游限制配置UE的测量报告，UE根据预定的测量规则发送报告；源eNB根据报告及RRM信息决定UE是否需要切换。当需要切换时，源eNB向目标eNB发送切换请求；目标eNB根据收到的QoS信息执行接纳控制，并返回至ACK。

• 如图3所示，源eNB向UE发送切换指令，UE接到后进行切换并同步到目标eNB；网络对同步进行响应，当UE成功接入目标eNB后，向目标eNB发送切换确认消息。

• 如图4所示MME向S-GW发送用户面更新请求，用户面切换下行路径到目标侧；目标eNB通知源eNB释放原先占用的资源。切换过程完成。

    (c) 切换测量与判决标准
    切换测量在切换算法中占有着重要的地位，UE的测量报告对eNB的切换决策具有关键作用，在LTE标准[6-9]中定义的切换测量和判决的相应标准为：

• 参考信号接收功率(RSRP)：即对于需要考虑的小区，在需要考虑的测量频带上，承载小区专属参考信号的电磁波干扰(RE)功率贡献（以W为单位）的线性平均值。
• 切换滞后差值(HOM)：即当前服务小区与相邻小区的RSRP差值，该值可根据通信环境不同而自行设定，其大小决定了切换时延长短。
• 触发时长(TTT)：即在此段时间内必须持续满足某一HOM条件才能进行切换判决，TTT可以有效防止切换中“乒乓效应”的发生。

    下面将详细介绍LTE中的切换算法：
    UE监测所有被测小区经过滤波器后的RSRP，并给服务小区的eNB发送测量报告。当下面的条件在给定的TTT内持续被满足时，eNB将对UE进行切换。UE根据他的速度来设定TTT参数。RSRPT是目标小区的参考信号接收功率，而RSRPS是服务小区的参考信号接收功率。

    RSRPT＞RSRPS+HOM

    图5 中描述了该切换算法的一个重要实例。

    在接收到测量报告之后，当前服务的eNB使用网络内部程序开始准备将UE切换到新的目标小区。假设目标小区总有足够的资源给将要切换过来的UE。准备时间被建模为一个常数协议延迟，在图中表示为P。准备完成之后，服务小区在下行向UE发送切换命令消息。

    很多文献都在此算法的基础上对切换测量、决策等算法进行了改进与创新，避免了“乒乓效应”，从而完善了系统的整体性能。

    (4) 切换仿真结果分析
    图6给出了不同HOM（0 dB和3 dB）和TTT（0 s和0.04 s）下小区平均总吞吐量的对比，图7中给出了不同的HOM（0 dB和3 dB）和TTT（0 s和0.04 s）下总切换次数的对比。

    两幅图的结果均由动态系统级仿真平台得出，仿真环境主要参数如下：场景为单入单出(SISO)，带宽20 MHz，UE速度为120 km/h，仿真时长300 TTI，撒点用户570个，测量间隔30 TTI。

    从图7可以看出当固定TTT时，随着HOM的增加，小区平均总吞吐量几乎没有变化，然而总切换次数却减少62次（TTT=0 s）和35次（TTT=0.04 s）；当固定HOM时，随着TTT的增加，小区平均总吞吐量相应有了较小幅度的下降，但是总切换次数分别却减少了103次（HOM=0 dB）和76次（HOM=3 dB）。

    仿真结果显示：使用基于RSRP、HOM和TTT的切换算法后，不仅系统的整体性能没有大幅降低，而且总切换次数也有了明显下降，从而减少了系统信令交互的开销，提高了切换效率。但是，这并不意味着HOM和TTT的值越大越好，因为增大HOM和TTT的取值会增加系统的切换时延，导致用户服务质量的降低。

4 结束语
    LTE是第四代移动通信的主流技术之一，LTE及其增强版本LTE-Advanced的研究和标准化受到了全球运营商和设备商最为广泛的支持和参与。

    文章研究了TD-LTE中的RRM关键技术，针对TD-LTE系统Handover切换技术的流程以及相应的协议设计进行了详细探讨和论述，对于用户对TD-LTE系统提出的一系列需求，例如降低切换时延、提高用户服务体验质量等。同时文章提出了一种基于HOM和TTT的切换算法，研究了在切换中HOM和TTT对系统性能的影响。动态系统级仿真结果表明随着HOM和TTT的增长，在系统吞吐量没有明显下降的基础上，总切换次数有了大幅度的减少，降低了系统信令的交互频率，节省了系统资源并提高了切换效率。

    为了更好的满足未来通讯技术的发展，后续的研究工作的重心将放在切换参数的自优化技术上，通过自优化算法更好地适应网络结构的扁平化和灵活性，降低运营商对网络进行操作维护的人工成本。

5 参考文献
[1] PENG Mugen, WANG Wenbog, CHEN Hsiao-Hwa. TD-SCDMA Evolution [J]. IEEE Vehicular Technology Magazine, 2010, 5 (2): 28 - 41.
[2] 彭木根,王文博. 3G无线资源管理与网络规划优化[M]. 北京:人民邮电出版社,2006.
[3] PENG Mugen,WANG Wenbo. A Framework for Investigating Radio Resource Management Algorithms in TD-SCDMA Systems[J]. IEEE Communications Magazine, 2005, 43(6):12-18.
[4] PENG Mugen,WANG Wenbo,CHEN Hsiao-Hwa. Technologies and Standards for TD-SCDMA Evolutions to IMT-Advanced[J]. IEEE Communications Magazine, 2009, 47(12): 50-58.
[5] 沈嘉,索士强,全海洋,等. 3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计[M]. 北京:人民邮电出版社,2008.
[6] PENF Mugen, WANG Wenbo, ZHANG Jie. Investigation of Capacity and Call Admission Control in TD-SCDMA Uplink Systems Employing Multi-User Detection and Smart Antenna Techniques[J]. Wireless Communications and Mobile Computing, 2010, 10(2): 241-256.
[7] 3GPP TS 36.133 v8.6.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Requirements for Support of Radio Resource Management (Release 8) [S].2009.
[8] 3GPP TS 36.214 v8.6.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical Layer - Measurements (Release 8) [S].2009.
[9] 3GPP TS 36.331 v8.6.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control (RRC); Protocol Specification (Release 8) [S].2009.

收稿日期：2011-01-14

[摘要] 文章介绍时分同步码分多址长期演进(TD-LTE)中的无线资源管理(RRM)的关键技术，及TD-LTE系统的切换流程和协议设计。针对TD-LTE系统现存的一些迫切需求，提出了一种基于切换滞后差值(HOM)和触发时间(TTT)的切换算法，研究了在切换中HOM和TTT对系统性能的影响。动态仿真结果表明随着HOM和TTT的增长，在系统吞吐量没有明显下降的基础上，总切换次数有了大幅度的减少，降低了系统信令的交互频率，节省了系统资源并提高了切换效率。

[关键词] 无线资源管理；时分同步码分多址长期演进；频分双工长期演进；切换

[Abstract] This paper introduces the key technology of Radio Resource Management (RRM) in TD-SCDMA Long Term Evolution (TD-LTE) as well as the handover flow and protocol design of the TD-LTE system. It proposes a handover algorithm based on Handover Hysteresis Margin (HOM) and Time-to-Tiger (TTT) that conforms to the requirements of TD-LTE. The impact of HOM and TTT on system performance is also analyzed. Simulation results show that with the growth of HOM and TTT, there is no significant drop in system throughput. However, the total number of handovers is greatly reduced. This reduces the frequency of signaling interaction, saves system resources, and improves handover efficiency.

[Keywords] RRM; TD-LTE; FDD-LTE; handover