TD-LTE系统中基于切换性能的网络优化方法研究

刘凯凯

（中国移动通信集团设计院有限公司重庆分公司，重庆 401147）

TD-LTE系统中基于切换性能的网络优化方法研究

刘凯凯

（中国移动通信集团设计院有限公司重庆分公司，重庆 401147）

TD-LTE作为能提供高速数据业务的网络，其吞吐量的大小备受关注。本文通过对TD-LTE规模试验网测试数据的分析，研究因发生小区间切换造成的网络测试整体吞吐量低的问题，从切换策略，最佳切换带，站点位置，发射功率等方面进行全面分析，并总结出优化方法和经验，为提升TD-LTE全网整体的性能提供一些参考意见。

TD-LTE系统切换性能；最佳切换带；测量算法；吞吐量；网络优化

1 前言

在当前现有的商用蜂窝移动网络中，网络质量是影响用户感知的最重要因素，而TD-LTE网络建设规模不断扩大，网络建成后的网络质量也就成为了关注的重点。TD-LTE网络作为能提供高速数据业务的网络，其吞吐量的大小就成为评价网络性能的一个关键指标。TD-LTE网络中，业务的速率可以取决于终端的无线环境，信道的相关性，终端移动速度，不同天线传输模式的选择，以及小区间的切换性能。本文通过对已有的测试数据分析，发现终端进行数据业务时，在连续多个小区覆盖的区域内移动时的平均速率远低于单独遍历该区域内各小区（包括小区边界）的速率均值，也就是说终端在切换过程中速率较低，从而使网络整体的吞吐量降低。因此通过对切换过程中的性能进行分析，提出一些网络优化方法，供后续网络维护优化参考。

2 TD-LTE切换算法及切换机制

切换是移动台在业务连接状态时，当移动台位置发生变化，原来的服务小区将可能不再能够给用户继续提供服务，这时候为了业务不被中断，需要寻找最合适的小区或网络为用户提供服务，从而实现无缝覆盖。切换作为一个重要的移动性管理功能，直接影响整个系统的性能，切换不仅要保证用户在穿越边界时仍能正常地进行业务，而且还要做到快速、有效，这样才有利于降低整个系统干扰，减少掉话，提高系统容量。

切换一般分为硬切换、软切换和接力切换。其中硬切换先断后通的切换方式势必引起通信的短暂中断，但是它的优点是实现起来比较简单。而在LTE网络中，由于网络取消了RNC实体，不再支持宏分集，所以也采用的是硬切换。

LTE的切换过程一般可以分为4个部分：测量、处理、决策和执行。切换测量(切换决策是基于信道测量)由LTE在下行链路来进行处理。处理是为了过滤掉快衰落效应和层1测量的缺陷，这些处理过的测量要以周期性或事件触发的形式报告给基站。因此切换的开始基于切换测量的处理，如果终端上报的条件得到满足，决策通过后，由源基站下发切换指令，开始执行切换。

在3GPP TS36.331中切换测量报告的触发有 A1，A2，A3，A4，A5，B1，B2 7种，其中B1，B2是系统间的测量。其余5种测量的触发条件分别是A1，为测量值对比门限条件服务变好时触发；A2，为测量值对比门限条件服务变差时触发；A3，为测量值邻区比服务区更佳时触发；A4为邻区测量值比门限更佳时触发；A5为服务区测量值比threshold1变差而邻区测量值比threshold2更佳时触发。A1，A2一般为异频组网时，终端上报的该测量结果后，作为网络侧下发异频测量控制事件的触发，满足异频切换门限时再上报A5测量报告，就可以进行异频的小区切换。在当前TD-LTE规模实验网中，采用的是20 MHz同频组网，因此终端进行切换时，一般触发的是A3测量报告。A3切换算法反映了相邻／目标小区的信号质量，又反映了当前服务小区的信号质量，综合考虑了这两方面的因素来触发切换。具体算法规定如下：

UE将：

*当满足如下不等式A3-1时，认为满足此事件的进入条件：

*当满足如下不等式A3-2时，认为满足此事件的离开条件：

公式中变量的定义如下：Mn为相邻小区的测量结果；Ofn为相邻小区频率上的的频率特定的偏移量；Ocn为相邻小区的小区特定偏移量，如果该相邻小区没有配置，则该值为0；Ms为服务小区的测量结果；Ofs为服务小区的频率特定的偏移量；Ocs为服务小区的小区特定的偏移量；Hys为该事件的迟滞；Off为该事件的偏移参数。另外，Mn、Ms如果使用RSRP的话，则单位为dBm，如果使用RSRQ，则单位为dB。其他参数的单位都为dB。当使用RSRP时切换算法示意图如图1所示。

图1 A3算法示意图

现网中对于A3中的测量值采用RSRP，实际参数设置中，一般为Ofn频率特定偏移为0；Ocn，Ocs根据切换关系和覆盖目的进行调整，默认为0；Hys迟滞为2～4 dBm，Off一般也设置为1～2 dBm，当满足A3-1公式时，并且持续Time hysteresis：该参数一般设置为480 ms，640 ms，800 ms等，根据终端移动速度，切换场景设置切换的快慢，终端就会上报A3测量报告，网络侧收到测量报告后会触进行切换判决并发起建链过程，网络侧会与目标小区建立好链路，然后下发终端切换命令，终端收到切换命令后，将与目标小区进行同步，成功后在目标小区上报切换成功的消息，继续进行业务，详细的流程不再讨论。该算法GSM网络中PBGT功率预算切换算法类似。

3 网络切换性能分析

评价网络切换性能的好坏一般考察切换成功率，乒乓切换发生次数的多少，切换的时延等。这类常规的切换性能和现有的GSM，TD-SCDMA网络类似，而另一项性能：切换前后的速率变化则是TD-LTE网络中重要的评价指标。在LTE网络中，小区的位置，小区覆盖的半径，基站发射功率，切换算法中参数设置，切换触发的时间，切换带的位置等都会影响到切换前后的吞吐量，从而对全网的吞吐量高低起伏起着较大影响，本文将主要从切换过程中下行速率进行测试数据分析。

3.1 测试数据分析

在实验网中，对密集城区的某一连续覆盖道路进行了长保FTP下载业务测试，持续时间40 min，测试中涉及切换的小区数为18个，传输模式为TM2/TM3/ TM7自适应，平均站间距为400 m左右，整个测试过程中终端均上报的A3测量报告进行切换。

整体切换指标如表1所示。

表1 整体切换指标

对以上数据和TD-LTE网络的理论值相对比，除平均下行吞吐量以外，其余各测试值都与TD-LTE网络理论预期值基本相符。为分析下行吞吐量较低的原因，又进行多次单小区的遍历的测试，测试方法为在外场中使终端在单个TD-LTE小区覆盖的区域中进行移动测试并保持不切换出该小区，并选择了多个不同小区进行。这些小区的测试结果一般为20～35 Mbit/s左右，而整体覆盖测试时下行速率远小于单个小区测试的速率的最低值，这就表明小区间的切换是影响下行吞吐量低的一个主要原因。

为进一步分析整体覆盖测试中下行吞吐量的变化情况，主要考察在切换前后的几秒内，这时终端是处于两个小区的切换带区域内，整体的下行吞吐量变化如图2所示。

图2中横向阶梯状线表示是小区PCI码变化的情况，当横线向上或向下跳变时就是发生一次小区间的切换，而转折点对应下方的吞吐量 (部分画圈突出)，表示的切换前后10s内（根据终端发测量报告到最后切换成功的前后时间确定）的吞吐量大小，绿色区域表示其余时间内终端的下行吞吐量。从图中可以直观的看出在小区切换的前后的区域内大部分的吞吐量图是处于一个“V”形，类似坑一样，这就表明其吞吐量是低于平均水平的。如果对数据中发生的小区切换前后5s的数据进行分别剔除，也就是不考虑UE在切换带的下行吞吐量，这样整体吞吐量如表2所示。

表2 整体吞吐量表

剔除后，较整体覆盖的下行吞吐量分别提升了4.55%，6.30%，10.62%，因此从上述数据分析可以进一步得出切换前后也就是终端在切换带内的速率低是切换过程中影响吞吐量的主要原因，而尤其是切换后的5s内速率低影响较大。为进行深入的网络性能优化，分析不同原因导致的切换前后速率较低，对42次切换前后的吞吐量数据中存在问题的进行统计，见表3。

这4类问题都造成了吞吐量图中出现“坑”状，总共占了总切换次数的54.76%，下面将分别对这4类问题进行分析并提出解决方法。

3.2 下行吞吐量优化方法

3.2.1 切换情况1

图2 下行吞吐量图

表3 切换问题分类

发生切换时表现为切换前的吞吐量大于切换后吞吐量两倍以上，也就在发生切换后，终端在目标小区下的吞吐量急剧下降，吞吐量图上会出现一个“V”型坑，而切换后的原服务小区A的RSRP值仍会大于或等于当前服务小区的B的RSRP值如图3所示。

结合终端所处的无线情况分析，发生这类切换原因可能有几种情况，如切换前终端所处的环境是一个快衰落的环境，或信号电平受到影响波动较大。具体为如在道路上受周边车流影响，当终端和服务小区的发射天线直射径上有大型车辆阻挡时，服务小区的电平值会迅速的下降。如果这时发生切换，可能已没有了车辆阻挡，终端在目标小区的SINR值就会低于原服务小区的SINR（由香农公式可知，吞吐量随信噪比值增加而增加），也就是在网络低噪一定的情况下，原服务小区的RSRP仍然较强，或目标小区的RSRP还比较低，就会导致切换后吞吐量急剧下降。对于这样情况可以从A3的参数调整入手，如调整时间滞后量Time hysteresis，加大目标小区RSRP大于服务小区RSRP的滞后时间。

正如前文所述，终端对测量到的信号电平值需要进行L1和L3的滤波，以达到测量稳定的目的，但当终端测量的目标小区RSRP值在剧烈波动时，同时如果终端的L1频率测量采样点不够多时，或者L3滤波因子设置也不合适，也就会导致终端上报的测量结果不稳定，终端切换后就会出现在目标小区的RSRP质量不如原小区，SINR值就会低。所以根据无线场景适当加大时间滞后量就可以有效的避免这类切换发生，但同时也要考虑切换不及时的因素。另一种原因就是小区间的切换带设置不合理造成的，如太靠近服务小区，导致终端切换后RSRP值较低，或者和原服务小区的RSRP值相当，受到原服务小区的干扰。对于切换带的优化调整在切换情况3中详细介绍。

3.2.2 切换情况2

对于这类切换前后速率都高于10 Mbit/s的情况，虽然似乎对网络的整体吞吐量没有负面影响，但分析无线情况发现切换前后小区的电平值都比较高，RSRP基本在85 dBm左右，如图4所示。

切换时的服务小区RSRP值并没有衰落到规划时的小区边缘场强，而切换后新服务小区的RSRP也比较高，这样切换前后的SINR值都会比较好，吞吐量也较高。这类切换一般发生在网络中几个小区的站间距过小，发射功率又较大的区域。当前外场TD-LTE网络是采用20 MHz同频组网的，很容易发生小区间的同频干扰，如果小区的站间距一定时，发射功率大，在小区覆盖交叠范围内，终端占用的服务小区会提高发射功率，会以强信号压干扰的方法获得较高的SINR值，而其他小区的用户为了获得更好的SINR值，也会相应调整功率，同频间的干扰就会加剧，这样使得全网的低噪不断的抬升，因此对全网整体的吞吐量提升并没有好处。虽然小区间有ICIC，频选调度等算法可以减缓这类同频干扰带来的影响，但最直接的手段还是应从根本消除这类问题。发生这类问题的原因一般是站点建设时无法规避的，如规划站点的位置无法建设等等。因此在基站位置确定后，可以从优化eNode B的最大发生功率，或者调整天线的方位角与道路的夹角，下压倾角，使用大角度的电调天线等，避免过覆盖发生。而这种现象和现在GSM网络的情况非常类似，随着容量需求不断的增加，站间距越来越密，重叠覆盖现象严重，就会导致的网络低噪抬升，造成通话质量差等网络问题。

图3 切换情况1示意图

图4 切换情况2示意图

3.2.3 切换情况3

对于这类切换，主要问题在于切换前的速率太低，小于1 Mbit/s，而切换后的速率陡然提升。吞吐量图上出现一个 “J”型，虽然这类切换是达到了切换的目的，但因切换前的速率持续过低，不利于整体吞吐量的提升。分析这类切换发生时的无线环境，一般是切换带设置的不合理造成的。如切换带设置的过于远离服务小区，导致切换前服务小区的RSRP值低，SINR较低；二是服务小区的RSRP尚可，但干扰较高。对于后一种情况，干扰较高需要从多方面去查找解决，如邻区间PCI码的干扰，对于PCI码的规划一般要满足：

* collision-free，相邻的两个小区PCI不能相同；

* confusion-free，同一个小区的所有邻区中不能有相同的；

* 相邻的两个小区PCI模3后的余数不等。

如果邻区间的PCI码有不符合上述3种规则的，就有可能发生干扰，当然还需排查硬件设备方面带来的干扰等。

对于切换带如何设置最佳，需要结合多方面的因素，如切换控制策略、网络模型、业务模型、环境模型和话务量分布模型等。在网络维护阶段一般考虑切换控制策略，环境模型对于最佳切换的影响。

环境模型对最佳切换带的影响是指不同地理环境和移动环境对最佳切换带的影响，如市区与郊区最佳切换带的要求是不一样的，高速移动环境和低速移动环境下的最佳切换带设计也是不同的，都需根据实际的场景进行设计，本次测试发生在密集市区，切换带设置一般靠近服务小区，切换带大小适中，小于高速移动场景的切换带。

针对切换情况3和切换情况1出现的问题，就可以通过调整切换控制策略-A3算法的参数达到。图5是两个小区的覆盖示意图：当终端从A小区驶向B小区时，图中指示的阴影部分为A→B的切换带，切换带的位置可以通过设置Off参数来调整，但这时的调整相当于整体扩大了A小区的覆盖范围，而当考虑到容量上的平衡时，一般不希望这样整体起作用，这时就可以针对某一特定的切换关系，如图中的A-B邻区关系，调整Ocs，Ocn值。在A3算法实现时一般设置Ocs-Ocn=X，当X越大，切换带远离服务小区A； X越小时，切换带就靠近小区A。

图5 切换带示意图

因此对于切换情况1和切换情况3发生的问题，就能通过调整上述原则进行优化。切换情况1需要远离服务小区，首先判断是否服务小区切换至所有小区都存在速率差的问题，如果是就需要增大Off值，如果不是就针对某一对邻区关系增加X的值。同理对于情况3需要调整切换带靠近服务小区时，进行相反的调整即可。

3.2.4 切换情况4

切换情况4的问题比较明显的，终端切换前后速率都较低，如果在设备正常，无强干扰的条件下，一般发生的原件是由于弱覆盖导致的，也就是切换带处于覆盖空洞的区域，这需要通过功率，天馈调整，或增加站点解决。

3.3 影响切换性能的其他原因

导致吞吐量图中有“坑”的原因除了切换中切换参数，切换带设置、基站位置和发射功率这些因素外，还有就是系统侧在发生切换过程中一个数据分组传输机制，也就对于下发给终端的数据分组有一个“停止-续发”的过程，这也是硬切换的主要特征。因为在切换发生过程中，终端收到切换命令后，需要到目标小区去做同步过程，而这段时间内系统是不会下发数据分组的，因此终端同步的过程中同步计时器和同步次数的设置就需要优化，对于无线链路情况较好时，可以设置更少同步次数和更短的同步时间，这样就能减少切换过程中数据中断的时间，提升吞吐量。而在无线链路情况较差的时候，为保持业务只能加大同步记数次数和同步时间，不可避免的造成中断数据分组的时间，因此还是需要进行无线链路情况的优化，或者也可以考虑在网络侧通过优化数据分组的下发机制进行改善。

4 小结

本文通过对TD-LTE网络的测试数据中发现的切换问题，结合无线环境，深入分析，以切换中吞吐量指标为出发点，提出解决建议，但目的不只是为提升的吞吐量指标，通过A3算法的优化调整，切换带优化，并结合天馈，功率，站点位置提出的优化思路，这对整网的性能都有一个很大提升。

[1] 3GPP TS 36.331， 无线资源控制（RRC）协议规范[S].

[2] 3GPP TS 36.314， 层2测量[S].

[3] Thomas Jansen. Handover parameter optimization in LTE self-organizing networks[J]. IEEE Communications Letters， 2010(6).

[4] 王映民，孙韶辉等. TD-LTE技术原理与系统设计[M]. 北京：人民邮电出版社，2010.

Research of network optimization method based on handover performance in TD-LTE system

LIU Kai-kai
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Chongqing Branch, Chongqing 401147, China)

As we know, TD-LTE network can provide high-speed services, so the size of its throughout by people's attention. In this paper, we analysis the test data of Scale Trial TD-LTE network, and research the problem of low thought occurs between inter-cell handover, at last we summed up the optimization method and experience in many aspects, such as handover strategy, best handover region, eNode B location, transmit power. We hope this paper can provide some suggestions for enhance the performance of the TD-LTE network in future.

handover performance; TD-LTE system; best handover region; measurement algorithm; throughput; network optimization

TN929.5

A

1008-5599（2013）01-0016-06

2012-12-18