TD-LTE异构网层间互操作策略与实现机制分析

程日涛， 赵旭凇

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

TD-LTE异构网层间互操作策略与实现机制分析

程日涛， 赵旭凇

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

本文首先介绍了TD-LTE异构网的基本概念，针对中国移动TDD频谱资源和网络部署需求提出了异构网在近、中期建网中的具体实现形态，并基于此提出了异构网层间移动性管理的基本要求，随后重点分析了3GPP规范定义的层间互操作机制的特性，并就基于质量和优先级的小区选择，基于频率优先级和负荷的层间切换机制在中国移动多频组网状态下的实施策略和实现机制进行了分析，提出了完整和具体的实现方案。

异构网；小区选择与重选；S准则；切换

1 异构网简述

蜂窝网络结构从物理意义上讲分为水平与垂直结构。水平结构是指蜂窝架构，主要包括站间距、站高、重叠覆盖、天线特性及业务分布等要素。垂直结构是指网络的分层架构，主要取决于无线系统的多址方式，基于OFDMA的LTE同频系统可通过频分或时分的方式实现垂直分层结构。一个优良的网络首先应具备优良的水平蜂窝结构，同时还应依据不同系统特性实现不同的垂直分层结构。

TD-LTE提出了异构网络概念，定义为各种制式、各种功率等级的基站设备组成的多系统、多层次的网络结构。异构网络可以实现在一个目标区域内重叠部署不同类型小区，如在一个宏蜂窝小区覆盖的范围内部署多个微蜂窝和微微蜂窝小区。除层间异频组网方式外，异构网络针对OFDM特性进行优化改进，可以实现不同层网络间的同频部署。异构网络通常利用宏蜂窝小区提供基础覆盖，使用室内覆盖系统、Microcell(微小区)、Picocell（皮小区）、Femtocell（飞小区）、Relay Station（中继站）等用于改善深度覆盖、增加网络容量、提升用户感知。

对于中国移动而言，异构网也会是TD-LTE网络的长期演进发展目标。

2 TD-LTE网络结构及演进要求

中国移动现有TDD频段包括A、F、E、D共4个频段，综合分析各频段的频率资源、覆盖性能、建网能力、产业支持能力等各方面因素，F、E、D频段可用于TD-LTE系统。中国移动TDD频谱资源见表1所示。

根据相关分析，F和D频段在宏蜂窝组网方面各有优势。从网络覆盖质量、建设成本、网络建设难度、网络升级演进等方面考虑，F频段具有一定优势；从频谱资源、产业链的支持能力，开展国际化推广角度考虑，D频段有优势。因此中国移动TD-LTE建网可能采用的方案是：

表1 中国移动TDD频谱资源

室内覆盖：使用E频段，与现有TD-SCDMA室分系统合路建设可以满足规划需求；

室外覆盖：用F、D频段协同组网，兼顾覆盖和容量。

F、D、E综合组网实现的基本的异构网网络架构如图1所示。

该方案可以充分利用F、D、E频段各自的优点，并有效避免单一频段面临的问题。有利于发挥各个频段的性能，打造分区、分层、分网络的多维度的无线立体网，实现低成本高效率组网。

图1 TD-LTE近期可能采用的异构网方案

3 异构网层间互操作机制与策略分析

3.1 层间移动性管理目标

F、D、E频段组成的异构网架构形成了复杂的频率分层网络结构，在网络设计中要充分考虑覆盖场景的实际情况和技术特点，规划和协调好各频段的关系，兼顾容量和覆盖，分别采用针对性的建网策略，对网络规划和建设提出了更高的要求。

层间移动性管理是异构网的关键技术，比如按照话务下沉原则，应该让用户优先驻留在低层小区内，对于中高速移动性的用户，应优先驻留在高层小区以减少重选及切换频度，降低网络信令负荷。

F、D、E网络层间移动性管理的基本目标包括：

（1）保证用户的服务质量和感受是移动性管理的前提。

（2）在网络建设初期或网络负荷较低的场景，总体上对于建设室内覆盖的建筑物内的用户，应优先驻留在E频段室内覆盖网络上。F、D频段网络可设置同样的优先级，通过覆盖机制使用户优先驻留在覆盖质量更好的F频段网络上。

（3）在网络建设成熟期或网络负荷较高的场景，低速移动或静止的用户应优先驻留在E、D频段的网络上，以实现业务向中低层网络迁移，当D、E频段网络质量无法满足用户接入或服务要求时，可及时重选或切换到F频段网络上。

（4）除基于覆盖质量和频率优先级的层间移动性管理外，也应能够根据F、D、E频段的小区负荷进行基于负荷的重选和切换。

3.2 网络规划与建设要求

3.2.1 宏蜂窝基站

从系统设备解调能力来看，F、D频段在相同的网络配置条件下，其基本要求是一致的。从组网策略上看，当F、D频段重叠组网时，将F频段定位为满足数据业务热点区域连续覆盖的基本保障，因此F频段需要满足基本的网络规划指标要求，但D频段基于叠加的F频段网络上进行补忙、补热的基本定位，会出现不需要连续覆盖的情况，即D频段相对于F频段，其物理边界的覆盖性能会明显劣化。

从测试数据来看，在室外道路覆盖场景下，实测得到的视距场景下F、D平均差异2.9 dB，非视距场景下F、D平均差异4.5 dB。室外覆盖室内场景下，实测得到浅覆盖F、D差异平均4.9 dB，与其在室外非视距场景下的差异基本一致。深覆盖F、D差异平均7.8 dB，相比浅覆盖，深覆盖场景下F、D差异增大2～3 dB。

总体来讲，基于宏蜂窝基站的总体规划指标“覆盖数据业务热点区域，每片区域要实现室外成片连续覆盖。目标覆盖区域内95%以上的公共参考信号接收功率RSRP大于-100 dBm”评估，室内边缘区域的宏站信号应普遍高于-110 dBm，但距离宏蜂窝基站较近的建筑物，其宏基站覆盖电平会远高于-110 dBm。

3.2.2 室内覆盖系统

室内外小区间的协同关系是网络协同发展的需要，主要包括以下几个方面的考虑：

（1）室内用户尽量使用室内覆盖系统承载，室外用户应严格由室外小区承载。

室内覆盖系统承载业务的能力直接决定了室内覆盖系统建设的有效性，同时也对分流室外站负荷至关重要。

室外用户应严格由室外小区承载，由于室内覆盖信号在室外覆盖的局部特性，一旦承载室外业务将严重影响业务质量。RSRP参数是移动性管理的重要控制手段，一般要求室内覆盖系统边缘场强要高于最强的室外覆盖系统在室内泄露场强10 dB，同时要求室内覆盖系统外泄电平在室外10 m区域衰减至不高于室外宏基站覆盖电平。

（2）室内外良好的小区选择/重选，切换关系。

通过设置合理的过渡区域保障网络质量。主要通过RS强度、切换迟滞等参数控制，可结合小区间负载均衡等手段。

（3）业务切换的连续性。

与2G系统、3G系统导频信道与业务之间有相对统一的对应关系不同，LTE系统RSRP与业务速率的对应关系更为复杂，因此需要考核室内外切换过程中业务速率的连续性。

综合各方面因素，室内覆盖系统主要的覆盖场强设计指标为RS信号覆盖场强。RS信号作为进行小区选择/重选，切换的主要判决指标之一，同样也应该作为室内覆盖系统的覆盖评价指标，根据室内外小区间的协同关系，建议边缘RSRP设定为-105 dBm。

3.3 层间互操作机制及策略

3.3.1 UE状态与行为

TD-LTE的UE状态在3G网络基础上进行了简化，主要包括空闲态和RRC连接态。UE在空闲模式和RRC连接模式之间的转换是由网络根据UE活动和移动性进行控制的。TD-LTE UE状态及RAT间转换关系如图2所示。

图2 TD-LTE UE状态及RAT间转换关系

空闲模式移动性UE根据无线测量值，在已选的公用陆地移动网（PLMN）确定合适的小区。UE开始接收该小区的广播信道，并确认该小区是否适合使用，它要求小区处于非禁止状态，且无线信号质量足够好。选择好小区后，UE必须在网络进行注册。根据重选标准，如果UE能够找到一个较好的重选对象，它将在该小区上进行重选和预占，并再次检查小区是否适合预占。如果UE预占的小区不属于UE注册的任何一个跟踪区，则需要重新进行位置注册。

3.3.2 TD-LTE异构网移动性管理评价参数的特殊性

与GSM、TD-SCDMA系统不同，TD-LTE网络移动性管理参数不能仅依赖于信号强度， TD-LTE异构网对其提出了更高的要求。

第一，信号强度与用户体验之间不是简单的对应关系，从规模试验网测试及国际运营商LTE FDD商用网测试情况来看，最优的RSRP不等于最优的RSSINR，而最优的RS-SINR可能意味着最优的接入性能，但不意味着最优的业务体验，图3为RSRP与业务速率之间的关系。

第二，信号强度最高不等于是最优小区。对于异构网下不同功率等级的基站，最强RSRP只能保证最优的下行性能，但忽略了上行性能的需求。CRE（Cell Range Expansion）为移动性管理带来了新的挑战。

3.3.3 小区选择与重选策略

3GPP规范定义了开机初始小区选择的两种策略，即初始小区选择和存储小区选择。初始小区选择搜索所有RF通道，搜索每个载波上最强信号的小区，找到和PLMN匹配的小区后，将该小区及该小区的邻区作为候选列表。存储小区选择则是在UE上次接收测量控制信息的列表中选择合适的小区。

小区选择仍然使用和2G、3G系统相似的S准则，但TD-LTE系统在R9版本中补充定义了基于信号质量的S准则，可以更加有效的保证初始小区选择的质量。

S准则：Srxlev＞0&Squal＞0(R9版本)，

Srxlev=Qrxlevmeas-(Qrxlevmin+Qrxlevminoffset)-Pcompensation

Squal=Qqualmeas-(Qqualmin+Qqualminoffset)

显然，初始小区选择无法获得优先级相关的信息，所以无法按优先级选择小区。但可以通过接入后的重选根据优先级选择网络。

为满足F、D、E频段层间控制策略要求，在网络部署较理想的场景，典型的可将优先级设置为E＞D＞F，即E频段设为最高优先级，F频段设为最低优先级，灵活实现话务吸收等运营策略。各种优先级设置方式及使用场景分析如表2所示。

在小区重选机制具体实现方法上，S准则在覆盖电平和覆盖质量上的衡量指标是RSRP和RSRQ。当Srxlev＞SIntraSearchP且Squal＞SIntraSearchQ，UE可以不进行频内测量，否则进行频内测量。当使用小区优先级作为频间测量触发条件时，实现方法为：如果频间或RAT间的重选优先级高于服务小区优先级，则执行测量。

在此基础上，根据SIB3中定义的ThreshServingLowQ，下列情况下向高优先级的频间小区执行重选：

图3 RSRP与业务速率之间的关系

表2 优先级设置方式及分析

EUTRAN和UTRAN FDD高优先级小区满足Squal＞ThreshX， HighQ，UTRAN TDD、GERAN等高优先级小区满足Srxlev＞ThreshX， HighP，在当前小区已经驻留1s以上。

下列情况下向低优先级的频间和RAT间小区执行重选：

本小区满足Squal＜ThreshServing， LowQ ，并且EUTRAN和UTRAN FDD低优先级小区满足Squal＞ThreshX， LowQ，本小区满足Squal＜Thresh Serving， LowQ，并且UTRAN TDD、GERAN等低优先级小区满足Srxlev＞ThreshX， LowP，在当前小区已经驻留1s以上。

当多个小区满足条件，采用优先级高优先、系统内优先的排序原则。规范最多可以定义8个层优先级，每优先级最大16个小区。

3GPP规范也支持对高、中和常规移动性的UE采用不同的策略，并可以进一步针对频内、频间、RAT间进行区分。对于高、中移动性增加Rs中Qhyst和Treselection的取值，提高重选的阈值。移动性判断机制可根据过去的指定时间内小区重选发生的次数对UE移动性进行判决。

3GPP规范定义的重选优先级设置方式有两种：

（1）公共优先级：在服务小区的广播消息上发送。当前小区的优先级在SIB3中，异频的优先级在SIB5中。

（2）专用优先级：由RRC连接释放的提供专用频率优先级。优先级高于公共优先级，当由NAS要求的PLMN选择发生，UE进入RRC连接态，优先级定时器（可选）到期等情况发生时，专用信令提供的优先级失效。

3.3.4 切换

TD-LTE的切换机制和2G、3G系统并无本质区别，但针对TD-LTE分组域业务的特性，对切换机制有一些基本目标定义：

硬切换：在UE被指令移动到目标小区之前在目标小区已经准备好资源。

无损：数据会从源转发的目标小区的。

网络控制：目标小区选择有网络而非UE控制，切换控制由eNB而非核心网完成。

UE协助：测量和报告由UE完成，尽管是由eNB触发测量。

Late path switch：只有当eNB切换成功后，EPC才介入。

在切换机制方面，TD-LTE规范定义了基于覆盖、负荷和频率选择性的切换机制。基于覆盖的切换是基于对覆盖的测量，优先切换到覆盖好的频段。基于负荷的切换是当两个小区负荷差值大于门限时，触发异频切换。频率选择性切换是UE优先驻留在一个频段上，待达到某一条件后切换到另外一个频段。

F、D、E频段间的网络切换策略需综合覆盖、负荷和频率选择性进行判决和执行。

对于室内外切换的策略，可将上述切换机制与单向邻区设置等方式结合应用，保证网络性能与层间的协同。

对于室外F、D频段层间切换，如图4所示，基于覆盖的切换只在F→F或D→F进行，通过基于移动速度的切换把D频点小区的高速用户切到F频点小区。通过基于负荷均衡切换平衡F和D之间负荷，D→F基于负荷均衡切换选择用户盲切，F→D基于负荷均衡切换选择满足覆盖测量要求低速用户切换。对于F频段小区，开启基于覆盖同频切换和基于负荷均衡异频切换（非盲切需启动异频测量）；对于D频段小区，开启基于覆盖同频切换、基于覆盖异频切换、基于移动速度异频切换（盲切）和基于负荷均衡异频切换（盲切）。

图4 室外F、D小区间的切换策略

4 总结及建议

本文对TD-LTE异构网的层间移动性管理机制进行了细致的分析，尤其是针对S准则中的质量判决，层间优先级实现，基于频率优先级和负荷的切换等TD-LTE规范定义的新机制进行了探讨，基于中国移动TD-LTE网络建设可能采用的室外F、D频段，室内E频段组网的异构网结构，本文根据分层网络的基本需求，就层间移动性管理机制的设置策略和具体实现方式进行了分析和讨论。

总体而言，相对于2G、3G系统，3GPP规范在TD-LTE移动性管理方面定义了一些新的机制和方法，有利于保障基于异构网网络结构的层间网络协同。但互操作策略实现复杂度高，依赖于设备厂家具体的算法性能，且很可能面临异厂家设备间的互操作需求，因此还需要在扩大规模试验网及后续的商用网建设中不断探索和验证，通过规范化的移动性管理机制和互操作参数设置保证TD-LTE网络的整体性能。

[1] 赵旭凇， 张新程. TD-LTE网络深度覆盖解决方案初探[A]. 中国移动通信集团设计院有限公司第十七届新技术论坛[C].

[2] 3GPP TS 36.331 V9.4.0， Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)； Radio Resource Control (RRC)； Protocol Specification[S].

[3] 3GPP TS 36.304 V8.2.0， Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)； User Equipment (UE) Procedures in Idle Mode[S].

[4] 3GPP TS 36.304 V9.10.0， Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)； User Equipment (UE) Procedures in Idle Mode[S].

Analysis on interlayer interoperability strategy and implementation mechanism of TD-LTE HetNet

CHENG Ri-tao, ZHAO Xu-song
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing, 100080, China)

This paper first introduces the TD-LTE HetNet, present the realization of TD-LTE HetNet in recent, medium-term on account of TDD spectrum resources and deployment requirements, and put forward the basic requirements of the interlayer mobility management, and then analyses the interlayer interoperability mechanism of 3GPP, at last, this paper analyzes the complete and practical scheme of cell selection based on the quality and priority, the handover mechanism based on frequency priority and load balance apply to the deployment of multi frequency network.

HetNet; cell selection and reselection; S criteria; handover

TN929.5

A

1008-5599（2013）01-0002-06

2012-12-18