LTE系统中宏小区与femtocell的切换方法

引言

在3GPP LTE (Long Term Evolution， 长期演进)系统中，不断增加的高速数据业务需求以及不断上涨的用户数量，给宏基站带来与日俱增的负担和挑战。又因为LTE系统工作在高频段，传播损耗和墙壁穿透损耗都较大，导致室内信号覆盖相对较差。根据日本NTT DoCoMo的调查表明，在宏小区中，超过2/3的数据业务和语音业务发生在室内场所[1]，因此室内覆盖问题成为当前无线移动通信亟待解决的关键问题。为了缓解宏基站的负载及解决室内覆盖问题，femtocell(家庭基站)技术应运而生，给运营商们提供了一个新的平台。

LTE系统中大量部署femtocell，由于femtcoell的安装和用户位置的随意性，导致宏小区与femtocell之间的频繁切换问题尤为突出，成为亟待解决的技术挑战。

针对切换问题，许多相应的切换方案被提出。文献[2]提出一种经典的CAC (Call Admission Control， 呼叫允许控制)算法，考虑了接收信号强度和SINR (signal to interference plus noise ratio，信干噪比) ，有效降低了不必要切换的次数和概率。文献[3]提出了一种考虑用户速度和SQ(Speed and Qos，服务质量)算法。将用户速度分为高速(>30km/h)、中速(15~30km/h)和低速(<15km/h)3个级别，并分情况执行切换。本文根据用户的位置和切换请求将用户进行分类，对不同类型用户进行不同处理，从而降低掉话率和减少不必要切换，提高吞吐量。

1 切换过程

3GPP TS36.300[4]协议中已经详细定义了宏基站之间切换的过程及信令流程，但femtocell与宏小区之间的信令流程还没正式定义，图1为目前研究比较认可的宏小区向femtocell切换信令流程[5]。其中各步骤简要介绍如下：1) 服务宏基站配置并触发用户进行测量，通过发送测量控制消息通知用户需要测量的参数;2) 用户将测量报告发送给服务宏基站;3) 服务宏基站根据测量报告做出切换判决;4) 服务宏基站向MME (mobility management entity， 移动管理实体)发送切换请求， MME再通过FGW (femtocell gate way， femtocell网关)将切换请求发给femtocell;5) 目标femtocell根据服务质量信息、CSG (closed subscriber group， 封闭用户组)鉴权信息等进行接入控制处理;6) 如果接纳该用户的请求，则发送切换响应给FGW，再经过MME发送到服务宏基站;7) 服务宏基站向用户发送RRC(Radio Resource Control，无线资源控制)切换信令;8) 用户执行切换，与原来的服务基站断开连接，与目标femtocell建立同步并接入，服务宏基站向目标femtocell发送与该用户相关的缓冲和传输包;9) 切换确认消息成功执行后，目标femtocell会向MME发送路径转换请求， MME再向S-GW (server gate way， 服务网关)发送用户面更新请求，S-GW转换下行路径信息，向MME发送用户面更新请求响应消息，再由MME向目标femtocell发送路径转换请求确认消息;10) 目标femtocell收到路径转换确认消息后，通过FGW、MME向服务宏基站发送释放资源响应;11) 服务宏基站释放相关无线控制资源后，目标femtocell就可以传输下行包数据，为用户提供服务。

2 切换算法

2.1 标准切换算法

LTE标准硬切换算法只考虑HOM (Handover Margin，切换阈值)、TTT (Time to Trigger，触发时间)以及RSS (Received Signal Strength，接收信号强)三个因素，其中RSS用 RSRP (Reference Signal Receiving Power，参考信号接收功率)表示。如图2所示，当接收到的目标小区RSS大于源小区RSS与HOM之和，即 ，并且持续时间TTT，则触发越区切换[6]。

2.2 CAC算法

该算法主要用于用户从宏小区向femtocell覆盖区域的运动过程中的切换。算法流程如图3所示。该算法主要考虑3个参数：(1)接收信号水平;(2)用户维持最小所需信号水平的时间T;(3)SINR的水平。阈值水平(threshold level)是指用户从宏小区切换到femtocell所需的最小的信号水平。当测量到的femtocell 的信号水平高于阈值水平，并且可以持续时间间隔T，而且接收到femtocell的SINR高于服务宏基站的SINR，那么在带宽允许的情况下就执行切换。

该算法通过设定阈值时间T可以有效减少切换的次数，并且降低了不必要切换的概率。

2.3 自适应切换算法

结合现有切换算法的优点，从全局网络出发，以CAC算法作为切换的基本方法，提出一种自适应切换方法，在CAC算法的基础上加入了自适应切换阈值，即根据目标负载及CSG列表信息选择不同的切换阈值;考虑到宏基站和femtocell间的下行干扰，通过femtocell的自适应功率调整降低干扰，减少不必要切换次数，降低掉话率。

自适应切换方法流程如图4所示，其中I型用户功率调整如图5所示，