0 引言

    近年來，智能終端迅速發展，通信的數據流量需求呈爆炸式的增長^[1]。密集部署小基站是解決海量移動設備以及應用最有效方案，微微基站接入點(Femto Access Point，FAP)作為重要類型小蜂窩部署可提高室內信號覆蓋范圍^[2]。然而，小基站大規模部署下由于頻繁切換會造成核心網信令負荷和切換中斷。文獻[3]提出在切換執行階段采用無隨機接入方案減少用戶與目標基站重連接過程中導致的服務中斷時延，但未考慮路徑切換導致切換中斷和切換過程中的信令消耗。文獻[4]提出使用X2接口進行數據轉發，但增加鏈路使用率，中間小區建立和維護的X2轉發鏈經多次切換，導致目標基站數據不明確。文獻[5]提出小區協作分簇切換管理策略用以提升容量，但切換流程中執行階段涉及隨機接入過程，產生大量信令交互和更長用戶平面中斷時延。

    為此，本文針對密集蜂窩簇的網絡架構提出一種本地錨點的小區分簇切換管理機制。構建離散馬爾科夫轉移模型，引進5G新空口技術中提到的用戶連接非激活狀(inactive)^[6]作為會話結束往返態，制定一次會話過程中每次切換的信令、數據轉發以及中斷時延的平均成本函數，通過仿真評估證明所提切換機制性能增益得到提升。

1 系統架構

    本文研究的簇內小基站之間的切換系統網絡架構如圖1所示，每個簇包含多個小蜂窩接入點，一組相鄰的小蜂窩簇形成一個本地網絡。形成本地網絡中至少有一個本地錨點小基站（Local Anchor Femto Access Point，LA_FAP）與簇內其他小蜂窩保持一個連接。本地錨點基站功能：代理移動性管理實體，用作控制平面本地移動性控制點，攔截和操作S1-MME接口上的移動性相關信令消息。代理服務網關用作用戶平面上的本地移動錨點，攔截S1-U接口上的數據流，實現數據平面隧道協議功能。監測計數器功能（count），統計用戶切換流程中路徑切換請求之前在簇內切換的次數。

1.1 增強本地路徑切換機制

    提出的增強本地路徑切換機制（Enhance Local Path Switching，eLPS）切換流程圖如圖2所示，適用于同一蜂窩簇小基站的基于本地路徑切換機制，用戶在相同的簇內多達p次切換。S1路徑在目標基站（T-FAP）與LA_FAP之間創建。當T-FAP通過X2接口接收到服務基站(S-FAP)“結束”標記后，LA_FAP和T-FAP之間新下行鏈路路徑將用于之后通信。count=np(n∈N⁺)時，目標基站到傳統核心網執行路徑切換。提出的小蜂窩分簇切換機制最小化路徑轉發切換過程，實現最小化切換中斷時延，同時最小化切換相關信令消耗。

1.2 增強數據轉發機制

    增強數據轉發機制（Enhance Data Forwarding，eDF）適用于本地錨點切換到相鄰小區，提出的無路徑切換機制方案的流程圖如圖3所示。當UE從簇內的錨點基站切換到相鄰的小蜂窩基站時，可以完全消除路徑切換操作。在切換準備階段，服務基站與目標基站之間創建的X2鏈路通常在切完成之后被釋放。然而，提出的eDF機制中，X2鏈路將繼續用于錨點基站到目標基站間數據包的轉發。

2 分析模型與問題制定

2.1 分析模型

    通過歸納總結法表示上述穩態概率一般表達式：

2.2 問題制定

    評估平均切換成本的數學模型如下：

3 仿真結果與分析

    本文系統仿真參數表設置如表1所示^[8]，所提機制與3GPP切換機制實現值的比例作為度量指標，并與基于流轉發級聯路徑（TF-CP）^[4]機制性能進行比較。

    圖6仿真表明本文所提出機制切換平均信令成本在小的閾值p時急劇下降。當閾值p≥4時，切換閾值對信令成本影響極小，表明方案的性能不受路徑切換閾值設置的限制，p≥4時，eLPS可以實現較3GPP將近80％以上的信令成本的節省；eDF方案能夠實現大約90％信令成本的節約。所提兩種機制較基于TF-CP機制實現40％性能增益。

    圖7顯示不同切換閾值p與平均數據轉發成本的變化。數據轉發成本與p無關，eLPS機制能實現13%切換數據轉發成本性能增益，eDF切換機制實現高達50％的數據轉發成本增益，較基于TF-CP機制實現10％性能增益。對于切換中斷時延實現類似的性能增益，如圖8所示，隨切換閾值增加兩種機制切換中斷時延減少約80％增益，較TF-CP機制實現平均切換中斷時延約60%性能增益。

    圖9顯示eLPS切換機制下，切換成本隨小區停留時間1/m的變化。小區停留時間越小，用戶移動速度越大，切換信令消耗、切換數據轉發成本較大。隨1/m增加，用戶會話期間在小區之間轉移的蜂窩數減少，切換消耗降低。

    定義呼叫移動性比率CP=λ/m，低的呼叫移動比率表示用戶在兩次會話到達之間的平均時間高度移動。圖10仿真結果顯示，低的CP，其切換時延消耗較大。隨著CP的增加，用戶低的移動性切換概率較小，對于大的CP，其切換時延消耗降低。

4 結論

    針對密集組網，本文提出一種本地移動性切換管理機制與評估算法。仿真結果表明，該方法可使切換成本節省至少60％，比現有方案減少了超過80％的切換中斷，所提切換管理機制可實現更好的無縫切換。

參考文獻

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[8] 3GPP.Feasibility study for evolved universal terrestrial radio access(UTRA) and universal terrestrial radio access network(UTRAN)[S].3GPP TR 25.912 v13.0.0，2016. 

作者信息:

趙  旭，唐  倫，劉云龍，陳前斌

（重慶郵電大學 移動通信重點實驗室，重慶400065）