LTE－A与W iM ax2网间切换的研究与实现

宋汉文，何 健

(重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆400065)

随着通信技术的迅猛发展，现在的无线通信技术都有各自的优缺点，任何一种无线通信都不能独立支持所有业务的发展，可以预见，未来的无线通信网络必然是一种相互共存，互相依赖的网络［1］。为了顺应时代发展的要求，如何设计一个融合各种移动网优势的耦合网络，为用户提供更好更优质的服务，就成为了网络融合中一个值得研究的方向［2］。本文提出的算法能有效降低垂直切换中的“乒乓效应”和系统的切换时延，改善UE的服务质量体验。

1 切换原理

垂直切换主要是指UE在连接模式下从一个系统转移到另外一个系统，并且通信业务质量能保证在可控制范围内的一种行为。根据协议标准，切换一般可以分为切换判决、切换执行、切换结束3个步骤［3］，至于切换形式主要可以划分为以下3种:

1)根据UE接收的无线信号质量进行切换

此种情况下，UE主要是根据网络下发的Measure Control消息，将目前所处环境的服务小区和邻近小区的信号质量上报给网络，然后网络下发切换命令，让UE切换到通信信道质量更优的小区或异系统上去。

2)根据无线信号覆盖的范围进行切换

此种情况下，主要是UE在移动的过程中，当前的网络环境已经不能继续支持当前业务的正常进行，就会寻求其他系统接入来继续当前的通信业务。比如:当UE从市区覆盖的LTE－A(TDD)网络逐渐向边远郊区移动时，由于LTE－A(TDD)的网络质量就会逐渐下降，网络就会让UE切换到通信网络环境较好的WiMax2中去，尽量维持当前的通信业务。

3)根据网络的负载量进行切换

此种情况下，主要是因为在当前网络环境下UE用户数激增时，导致网络能够给每一个用户提供的资源紧张所导致的切换到另一种无线接入技术的情况。例如，在用户集中的热点地区时，当前的LTE－A(TDD)环境已很难满足所有人通信业务稳定可靠的使用，那么Node B/E Node B就会要求部分UE切换到负载相对较低的WiMax2网络中去。

2 切换流程

根据LTE－A(TDD)与WiMax2在网络覆盖、业务方面的侧重点及信道特性等各个方面的实际特点，可以分别详细地给出两者互相进行垂直切换的流程图。首先假设UE在移动的过程中，已经处于LTE－A(TDD)与WiMax2二者网络覆盖的交叉区域，并且已经开始对二者的RSS值进行监测。

1)从LTE－A(TDD)到WiMax2的垂直切换方案

当UE在LTE－A(TDD)的网络覆盖下进行通信业务时，而且从WiMax2接入点获取的RW已经大于或等于从LTE－A(TDD)基站处获取的RL，从原则上来说，UE应尽可能快地切换到质量相对较好的WiMax2上去，但本文所提及的方案中，会优先判决UE在原网络中进行的是否为RT(Real－Time)业务。因为如果UE在LTE－A(TDD)网络上进行的是实时数据业务时，就会立刻触发LTE－A(TDD)到侧重于数据业务宽带化的WiMax2网络的垂直切换;若在LTE－A(TDD)上进行的是非实时数据业务，那么在垂直切换到WiMax2网络的过程中必须要进行数据速率的调整过程，此时就会继续监测RW＞RL的时间，且UE利用这一段时间来协调通信业务的传输速率，便于稳定可靠地切换到异系统WiMax2网络，当RW＞RL的时间达到TTT时长时，就会触发LTE－A(TDD)到WiMax2的切换。具体的切换流程可如图1所示。

图1 LTE－A(TDD)到WiMax2的切换

2)从WiMax2到LTE－A(TDD)的垂直切换方案

当UE在WiMax2的网络覆盖下进行通信业务时，而且从LTE－A(TDD)基站处获取的RL已经大于或等于WiMax2接入点获取的RW，从原则上来说，UE应尽快切换到质量相对较好的LTE－A(TDD)上，但在本文所提及的方案中，也会优先判决UE在原网络中进行的是否为RT(Real Timing)业务。因为实时性业务对质量的可靠性和时延具有相对高的要求，如果处理不好，就会带来业务的中断。因此，若UE在WiMax2下进行实时数据业务时，由于WiMax2侧重于数据业务的宽带化，且呼吸效应要弱于LTE－A(TDD)网络，在其网络覆盖下的UE进行数据业务时，数据速率相对较稳定，所以UE仍然会驻留在倾向于宽带化的WiMax2网络。此时说明LTE－A(TDD)的网络条件在TTT的一段时间内一直保持得很好，这就为实时业务的顺利切换提供了质量保证，触发WiMax2到LTE－A(TDD)的垂直切换;反之，如果在RL≥RW的条件满足后，判定UE此时进行的为非实时业务时，此时UE对数据业务传输速率的平稳性要求相对要弱一些，具体的切换流程如图2所示。

图2 WiMax2到LTE－A(TDD)的切换

3 仿真环境的搭建与验证

上文给出了一种在LTE－A(TDD)与WiMax2异构网络中，UE在连接模式下进行垂直切换的原理与流程，本节基于给出的垂直切换策略，利用MATLAB对该切换模型［4］进行仿真与验证［5］，并通过一些参数或性能指标的对比来说明该方案在某种程度上的优越性。

3.1 仿真模型的建立

根据3GPP协议36.814中对LTE－A(TDD)传播模型的限定，在此处选取其中的3GPPCase3作为LTE－A的仿真模型，对应的仿真参数［6］如表1所示。

表1 LTE－A(TDD)主要仿真参数

由于WiMax2刚成为4G标准不久，与之相匹配的设备性能还没有一个统一的国际标准，并且WiMax2与之前的WiMax标准相比，其侧重点是为同样数目的用户提供更大容量的数据传输速率，所以WiMax2的覆盖半径并没有比当前的WiMax网络提高多少，因此此处WiMax2传播模型中的部分参数为参考WiMax网络，具体的参数［7］设定可如表2所示。

表2 WiMax2主要仿真参数

根据协议及相应文献对二者传播模型界定，那么在仿真环境下，假设LTE－A(TDD)的载波频率为2×109Hz，WiMax2的载波频率为2.5 ×109Hz，且 LTE－A(TDD)的Node B/ENode B的发射功率值为46 dBm，WiMax2的发射功率为36 dBm;二者网络的覆盖半径分别为1 732m与495 m，基站架设的盲区为(－35 m，35 m)。以垂直坐标系为基准，假设LTE－A(TDD)基站所处位置为(0，0)，WiMax2的位置为(900，0)。信号的采样间隔为Tc，切换的滞后时间为TTT，滞后差值为HOM，UE所处的位置为(100，0)，并且在热点覆盖地区，UE以假定速度(36 km/h)由LTE－A(TDD)向WiMax2基站处运动。

那么根据上述参数，LTE－A(TDD)与WiMax2单基站网络覆盖下的切换模型就可以构造成如图3所示结构。

3.2 切换仿真与结果分析

在实际的通信信道中，除了最基本的路径损耗之外，还可能存在其他环境因素的影响，如快衰落效应或慢衰落效应［4］等，上述因素都会对信号在传播过程中的质量产生一定的干扰。那么在本文的仿真环境中将考虑这两种因素对整个通信链路的影响。

图3 LTE－A(TDD)与WiMax2的基本模型

在设计仿真的过程中，基于快衰落与慢衰落效应的垂直切换流程关系到图4中7个M文件和两个模型的调用，调用关系如图4所示。

图4 垂直切换的流程调用

具体的算法通过代码的表现形式如图5所示。

图5描述的就是二者混合组网时的垂直切换算法的主要判决代码，其中第1行至第15行描述的是当UE进行实时业务时，垂直切换的判决情况;第16行至第29行描述的是UE进行非实时业务时，垂直切换的判决情况。在上述切换代码中，count_handoff_number记录的是具体切换的次数，触发时长TTT在代码中表现为handoff_drop的值。

1)service_type为1时，即UE进行非实时业务时

(1)当TTT=0 s，HOM=0 dBm时的仿真情况如图6所示。

由切换的状态图6可知，本次仿真过程中UE切换了54次，当采样的次数N为10时，切换的次数分别为54，60，50，52，56，52，46，48，58，56。

(2)当TTT=0.04 s，HOM=0.5 dBm 时的仿真情况如图7所示。

图5 垂直切换的判决代码(截图)

图6 信号质量变化与切换状态1

由切换的状态图7可知，本次仿真过程中UE切换了18次，当采样的次数N为10时，切换的次数分别为18，20，20，14，16，18，16，18，18，16。

图7 信号质量变化与切换状态2

(3)当TTT=0.1 s，HOM=1 dBm时的仿真情况如图8所示。

图8 信号质量变化与切换状态3

由切换的状态图8可知，本次仿真过程中UE切换了4次，当采样的次数N为10时，切换的次数分别为4，6，6，6，4，8，4，6，6，6。

那么在触发时长(TTT)与滞后差值(HOM)取值不同，且经N(N=10)次采样结果统计后，UE在移动过程中切换的次数对比图可如图9所示。

图9 当取不同参数时垂直切换对比情况(非实时业务)

在UE进行非实时业务时，对数据速率的平稳性要求相对要弱一些，那么UE会倾向于驻留在峰值速率更高的LTE－A(TDD)网络制式中，当 LTE－A(TDD)向WiMax2切换时，就会考虑TTT对链路的影响;而当WiMax2向LTE－A(TDD)切换时，就考虑HOM对链路的影响。通过仿真，由上述结果可知，在TTT与HOM取不同的值时，UE切换的次数也各不相同。当TTT=0 s，HOM=0 dBm时，即采用基于简单的RSS值大小来进行切换，在采样数N=10次时，切换次数大致为53.2次，且大约在第t=62 s与t=108～115 s时刻，多次发生了切换中比较严重的“乒乓效应”;当TTT=0.04 s，HOM=0.5 dBm时，虽然在t=62 s和110 s的时刻，也发生了重复切换，但与前面相比，切换的次数有了明显的下降，大约只有17.4 次;当TTT=0.1 s，HOM=1 dBm，切换的次数更是下降到了5.6次，基本上趋于最小值(最小切换次数为4次)，有效地克服了垂直切换中影响通信质量的“乒乓效应”。

2)当service_type=0，即UE进行实时业务时

(1)当HOM=0 dBm，TTT=0 s的仿真情况

由切换的状态图10可知，本次仿真过程中UE切换了50次，当采样的次数N为10时，切换的次数分别为50，56，48，60，56，44，56，54，48，52。

(2)当HOM=0.5 dBm，TTT=0.04 s的仿真情况

由切换的状态图11可知，本次仿真过程中UE切换了18次，当采样的次数N为10时，切换的次数分别为18，18，18，20，12，14，20，12，20，24。

(3)当HOM=1 dBm，TTT=0.1 s的仿真情况

由切换的状态图12可知，本次仿真过程中UE切换了8次，当采样的次数N为10时，切换的次数分别为8，6，4，6，6，4，6，6，6，4。

图10 信号质量变化与切换状态4

图11 信号质量变化与切换状态5

那么在滞后差值(HOM)取值不同，且经N(N=10)次采样结果统计后，UE在移动过程中切换的次数对比图可如图13所示。

图12 信号质量变化与切换状态6

图13 当取不同参数时垂直切换对比情况(实时业务)

在UE进行实时业务时，对数据平稳性的要求更高一些，此时在临界区域内，UE就更倾向于驻留在侧重数据业务宽带化的WiMax2网络，所以当UE从LTE－A(TDD)向WiMax2切换时，此时选取HOM参数作为判决条件;反之，当由WiMax2向LTE－A(TDD)切换时，就考虑TTT对整个数据链路的影响。

由图10～图13可知，在选取不同的HOM与TTT时，UE切换的次数也各不相同。当HOM=0 dBm、TTT=0 s时，此种情况相当于只采用RSS值的大小来判决，在采样次数N=10时，切换的平均次数为52.4次，并且大约在t为60～64 s及t为105～115 s时刻，严重地发生了切换中的“乒乓效应”;当HOM=0.5 dBm，TTT=0.04 s时，切换的次数也有了明显下降，平均次数降到大致17.6次，大约只有在t=61 s和t=112 s的时刻，发生切换中的“乒乓效应”;当HOM=1 dBm，TTT=0.1 s时，切换的次数更是下降到了5.6次，且UE处于二者信号的相近的临界区时，异构系统切换中的“乒乓效应”得到了很好的解决，显著提高了整个系统的通信质量。

但是，上述结论并不意味着HOM与TTT越大越好，因为当HOM或TTT增加到一定程度，即TTT的值高于不断仿真的经验值，HOM大于所计算的值，此时UE在二者网络之间移动时，垂直切换次数不会继续减少，特别是当服务模式的质量比目标模质量差到一定范围时，如果UE还不进行垂直切换，UE同网络之间的连接就会受到严重的影响，甚至发生无线链路失败，降低用户的业务体验。

4 总结

本文通过建立热点地区环境下LTE－A(TDD)与WiMax2混合组网的模型，并充分考虑UE在该环境下移动的环境因素(快衰落和慢衰落)影响的情况下，从垂直切换的乒乓次数与切换过程中的系统时延这两个方面来详细论证了本文提及的垂直切换算法，根据仿真的结果可以清楚地看出，在采用给出的基于业务实际特点算法之后，切换中的“乒乓效应”及整个系统的切换时延都得到了改善，大大提高了UE的体验质量效果。

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［2］ BEREZDIVIN R，BREINIGR，TOPPR.Nextgeneration wireless communications concepts and technologies［J］.IEEE Communications Magazine，2002，40(3):108－116.

［3］ 贺锋.异构无线网络中切换技术研究［D］.武汉:华中科技大学.2009.

［4］葛哲学.精通Matlab［M］.北京:电子工业出版社.2008.

［5］赵宜升，李云.异构网络的垂直切换仿真建模及其性能评估［J］.计算机工程，2010(5):95 －96.

［6］ 3GPP TR 36.814 V0.4.1，Technical specification group radio access network;further advancements for E－UTRA，physical layer aspects(release 9)［S］.2009.

［7］ WiMax Forun.MobileWiMax－part I:a technical overview and performance evaluation［EB/OL］.［2013 －04 －05］.http://www.WiMaxforum.org/news/downloads/Mobile_WiMax_Part1_Overview_and_Performance.pdf.