TD-SCDMA与TD-LTE切换策略的研究

罗自强, 黄帮明, 姚锐

（1 重庆邮电大学通信与信息工程学院, 重庆市 400065；2 中国移动通信集团设计院有限公司重庆分公司, 重庆 401147）

1 前言

随着移动通信和互联网的迅速发展，人们对高带宽、高频谱效率、高速率网络的要求，第四代移动通信网络TD-LTE应运而生。如今随着中国移动TD-LTE实验网规模的不断扩大，相信TD-LTE商用也为时不远。而TD-SCDMA作为中国主导的3G技术到时候必将与TDLTE共存。在这种情况下，为了实现网络之间快速、无缝的连接，以提供给移动用户更好的服务， TD-LTE与TD-SCDMA之间的互操作就显得十分重要,而作为互操作重要组成部分的切换判决也越来越受到人们的关注。

2 切换概述

切换是移动性管理的重要组成部分之一。在终端的移动过程中，由于网络性能变化等原因，经常要选择合适的网络进行接入，切换时保证改变网络接入时，仍能保持正常的连接使用户感受到无缝连接的关键技术之一。

2.1 切换的概念

切换是指移动终端从一个小区或者信道变更到另外一个小区或信道时为保证通信的继续而进行的连接处理技术。切换可以分为系统内和系统间的切换。切换的目的是在终端与网络之间始终保持一个可以接受的通信质量水平，以防通信中断，这是适应移动性衰落信道等特征必不可少的措施。

2.2 切换的分类

如今复杂的无线网络环境，使得切换的种类也由于网络的复杂和应用场景的多样性变得丰富多彩。根据不同的原则，切换可以有不同的分类方法，例如：

（1）切换可以由移动终端或者网络端发起，根据切换的控制方式不同，切换可以分为4种类型：网络控制切换（NCHO）、移动终端控制切换（MCHO）、网络辅助切换(NAHO)、移动终端辅助切换(MAHO)。

（2）按照通信链路的建立方式，切换可以分为硬切换、软切换和接力切换。硬切换是指在不同的频率的基站或者扇区之间的切换；软切换是指在同一频率的不同基站之间的切换，当用户终端开始与一新小区建立联系时不立即中断与源小区的联系。在软切换状态下，用户终端与多个小区建立多条无线链路。

(3)根据连接建立方式的不同可以分为前向切换和后向切换。如果移动设备直接将相关信息发送到新基站，切换就称为前向切换，一般由目的基站发起切换。如果移动设备和网络之间的与切换有关的信息通过旧的路径进行交换称为后向切换。

(4)根据涉及到接入网络是否相同，可以分为水平切换和垂直切换。水平切换是指同种网络系统之间的切换。垂直切换是指不同网络系统之间的切换。

2.3 切换的原因

引起切换的原因一般由以下几种：（1）当前使用网络无线链路的质量明显下降；（2）当前使用网络业务拥塞严重；（3）新网络有更好的总体网络性能；（4）用户提出额外的业务需求而现有网络无法提供；（5）人为强制的切换等等。

在这些因素中，最基本的原因是当前使用网络的信号强度明显下降，空中接口性能不能满足链接要求，为了提高链接质量，用户终端需要寻找新的链接。

2.4 切换的3个阶段

无线网络环境下，切换一般包括3个阶段：切换的发起阶段、切换的判决阶段和切换的执行阶段。

2.4.1 切换的发起

切换触发的标准一般基于以下几个变量：测量平均窗口的持续时间、信号功率或者信号质量的门限电平及滞后余量。网络的发起阶段主要完成的工作是搜索和发现当前可用的无线网络的过程，主要完成各种切换信号的测量并生成测量报告。

在收集到一组组的测量数据和一些系统参数后，将他们进行处理在用于切换判决和对目标小区的确定算法上。这些主要的参量包括用户偏好、终端的能力和尺寸，以及应用要求、运营商、安全、可用网络资源和网络覆盖判决因素。

2.4.2 切换判决

切换判决阶段是以测量为基础的。用户结合自身网络特性以及其他网络性能，评估所有可达的网络，根据某种切换准则做出切换决定并完成资源的申请与分配。

2.4.3 切换执行

切换执行阶段是在完成所有判决操作之后的具体切换工作，是信令执行的过程。切换过程可以根据新链路的建立途径分为：硬切换、软切换和接力切换等；可以支持切换失败回退。

在以上3个阶段中，切换判决最为关键，该阶段的判决算法直接影响到切换的有效性和可靠性，对用户的QoS及网络性能均有重要影响。以测量为基础的。

3 TD-SCDMA和TD-LTE切换策略的研究

系统内的切换主要采用接受信号强度RSS作为接入网络可用指标，并由此判断切换是否发生，一般由以下3种典型的切换判决策略：

（1） 基于接收信号强度RSS；

（2） 基于接收信号强度加门限；

（3） 基于接收信号强度加滞后余量。

然而，不同网络系统间的切换判决除了传统的接收信号强度、链路质量以外，还有服务资费、用户偏好等。在不同接入技术的系统间的切换判决是多属性多目标判决，把众多影响判决的因素进行统一、综合决策和判断。下面介绍比较流行的切换判决算法。

3.1 数学加权法

数学加权法是最广泛使用的多属性决策方法。有多种表现形式，例如加权形式与加权积形式等，虽然表现形式多样，但总的思想都是把切换决策机制建模成最优化问题，构造出目标函数，目标函数的参数是一系列属性，包括信号强度、带宽、时延等等，并且对每个参数都给予不同的权值以显示他们不同的重要程度，最后根据目标函数，算出相应的数值进行比较，选出最适合的网络。目标函数一般分为代价函数和收益函数，代价函数是以最小代价作为切换目标；而收益函数是以最高收益网络作为切换目标，在这里主要应用了二维收益函数加权法。

3.1.1 二维收益函数加权法

把网络的特征空间看成是二维空间，在此空间内行向量表示备选网络，列向量表示网络的参数值。rij表示j的属性值，wj表示分配赋予属性的重要性权重。每个备选网络的各属性及其权重的乘积的叠加得到该网络的等分A,对于收益函数而言，具有最高收益的备选网络作为切换的目标网络，用数学语言描述为：

例如图1所示的例子。

图1 举例

其中A1，A2，A3，A4，代表不同的网络，X1,X2,X3,X4,X5,代表备选网络的可用带宽、切换时延、终端能耗、分组丢失率、资费等不同的属性。

若W=(0.3，0.2，0.1，0.2，0.2)T，根据公式（1）得到各网络的加权平均值，再根据平均值选取合适的网络接入。

3.2 层次分析法

层次分析法（Analytical Hirachy Process,AHP）是由美国运筹学家托马斯·塞迪提出来的，是一种定性和定量相结合的多目标系统分析方法，是人类对复杂问题层次结构理解的形式化，可以综合处理多判决参数的切换问题。

AHP采用分层思想，一般步骤为：（1）分析系统中各元素之间的关系，将复杂的切换问题分析称为各个子层；（2）根据经验把各属性给予量化，对同一层次的各属性元素对于上一层次中的某一准则的重要性进行比较，通过两两比较构造判别矩阵；（3）运用矩阵理论和一致性检测手段计算各个因素对于该准则的相对权重，进行层次单排序和一致性检验，根据两两比较方法分别构造准则-网络判决矩阵；（4）计算各层元素对于系统总目标的组合权重，进行层次总排序和一致性检验。AHP的优势在于通过两两比较的方法来避免同时考虑所有属性因素，极大的降低了分析问题的难度，适用于目标较复杂，考虑参数众多且缺乏必要实际数据的场合。

图2 流程图

3.3 新的切换策略

根据以上阐述我们可以提出以下切换判决思想：

（1）首先根据测量报告得到的RSS值，看哪些网络RSS值满足切换条件，把RSS值作为判决的必要条件。

（2） 在(1)的基础上加入目标函数的判决因子，根据3.1.1节提出的二维收益函数加权法来选择网络收益最大的网络作为切换目标。其流程图如图2所示。

4 仿真验证

4.1 仿真模型的搭建

4.1.1 参数的初始化和场景

（1） TD-SCDMA与TD-LTE共覆盖的范围内覆盖半径1 000 m；TD-SCDMA中心坐标(0,500)，覆盖半径1 000 m；两个TD-LTE基站的中心坐标为（150，0）（-150，0）覆盖半径为170 m；TD-SCDMA基站发射功率为70 dBm, TD-LTE基站发射功率为65 dBm。

（2）用户在这个范围内一以5 m/s的速度游走，行走路线必须经过以下几点：（-600,300);（-290,105);（-20, 40);（0, 40);（20, 40)；（250,120);(600,500)]。

（3）TD-SCDMA网络工作频率2 020 MHz，接入门限值为-55 dBm,断开门限为-70 dBm;TD-LTE工作频率为2 600 MHz, 接入门限值为-50 dBm,断开门限为-65 dBm。

其场景如图3所示。

图3 系统模拟场景

4.1.2 RSS值得计算以及判决因子参数的设定

RSS的值可以采用PR(dB)=PT-PL；PT为基站发射功率，PL为自由空间损耗，这里选择接收功率、最大的传输速率、时延、费用价格共4种,W初始定义为W=(0.2，0.3，0.3，0.2)T。其C矩阵为：

结合式（1）用户选择网络收益最大的网络进行切换。

4.2 仿真结果及分析

4.2.1 仿真结果1（自由空间损耗中不考虑快衰落）

根据以上模型的搭建和参数的设置，在MATLAB仿真平台在不考虑快衰落的情况下，用户切换如图4所示。

图4 仿真时接收信号强度(RSS)图

4.2.2 仿真结果2（自由空间损耗中考虑快衰落）

根据以上模型的搭建和参数的设置，在MATLAB仿真平台在不考虑快衰落的情况下，用户切换如图5～图9所示。

分析：仿真结果表明在不考虑快衰落的情况下，图6终端接入网络与 图5中的网络收益情况与本文第2、3节理论相吻合；在考虑了快衰落的情况下，图8和图9中的网络收益情况与本文第2、3节理论也相吻合。

图5 网络贡献值

图6 用户终端选择接入网络

图7 快衰落情况下仿真时接收信号强度(RSS)图

图8 快衰落情况下网络贡献值

图9 快衰落情况下用户终端选择接入网络

5 总结

综上所述，合理地利用多属性判决准则对于TDSCDMA与TD-LTE切换来说具有很重要的意义，能为运营商提供更好的网络部署的指导，更重要的是为移动用户提供无缝快捷的服务。

[1]李小文. 李贵勇. 陈贤亮. 等. TD-SCDMA第三代移动通信系统、信令及实现[M]. 北京：人民邮电出版社. 2003.

[2]肖建华，梁立涛，王航.TD-SCDMA无线网络规划优化指南［M］.北京：人民邮电出版社，2009.

[3]3GPP TR 36.300T Radio Access Network Overall Description;Stage2. Release10[S].

[4]贺昕，李斌. 异构无线网络切换技术[M]. 北京：北京邮电大学出版社，2009.06.