演进无线网络中的高效CoMP切换 - 配合RSRP和RSRQ的可靠决策过程

可在www.sciencedirect.com在线获取理论计算机科学电子笔记340（2018）85-99www.elsevier.com/locate/entcs演进无线网络中一种高效的CoMP切换Rana RAhmed Demetres D Kouvatsos2网络与性能工程研究组电气工程与计算机科学学院工程与信息布拉德福德大学Bradford，BD71DP，UK摘要小区间干扰（ICI）将是未来无线网络在小区边缘降低性能的主要问题之一。这种不利情况在存在微小区和宏小区的密集部署的情况下将变得最坏。在此背景下，引入了协调多点（CoMP）技术以减轻演进的无线网络中的ICI并提高其在小区边缘处的网络性能。即使CoMP技术提供了小区边缘处的各种问题的令人满意的解决方案，然而现有的CoMP切换方案也不能防止不必要的切换初始化决策。在本文中，提出了一种新的基于CoMP的切换方案，以尽量减少不必要的切换决策，小区边缘结合诸如参考信号接收功率（RSRP）的信号测量，接收信号接收质量（RSRQ）。RSRP和RSRQ的计算的组合促进了小区边缘处的CoMP模式和切换模式的可靠决策过程。典型的数值实验表明，通过触发CoMP模式，整体网络性能不断提高，因为不必要的转发器的数量逐渐减少。关键词：协作多点（CoMP），不必要切换，参考信号接收功率（RSRP），接收信号接收质量（RSRQ）1引言协作多点（CoMP）是长期演进高级（LTE-A）的先进技术，其包括诸如小区间干扰和小区内干扰的许多解决方案[6][21][15]。此外，它有助于减轻上述干扰并提高小区边缘性能。为此，CoMP技术在当前的研究中起着至关重要的作用，以减少小区边缘处不必要的干扰的决策以及后续的网络性能改进[14] [11]。用户移动性发挥着重要作用1电子邮件：R.R. student.bradford.ac.uk2电子邮件：D.D. Bradford.ac.ukhttps://doi.org/10.1016/j.entcs.2018.09.0071571-0661/© 2018由Elsevier B. V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。86R.R. Ahmed，D. D.Kouvatsos/理论计算机科学电子笔记340（2018）85由于网络性能高度依赖于无线网络，因此，当无线网络处理在快速车辆中移动的用户或他们存在于拥挤的场所（如商场和体育场）时，无线网络变得更具挑战性的任务。为了解决移动性问题，蜂窝技术引入了切换机制。切换是UE的控制从一个小区转移到另一个小区或从一个扇区转移到另一个扇区的过程[14]。切换的主要目的是最小化干扰并向UE提供会话连续性[16]。此外，切换方案对于小区边缘用户来说更加关键和具有挑战性，因为在小区边缘处，由服务增强型节点B（eNB）接收的接收UE非常差[18]。 接收不良的主要原因是：UE与服务eNB的距离较长，并且由于相邻小区的干扰水平非常高[6]。演进的无线网络的性能高度依赖于在小区边缘处的用户的移动性，因为网络站点由许多微小区（fem-tocell）和宏小区（eNB）组成。在这种情况下，出现在小区边缘的用户设备（UE）执行从服务eNB到目标eNB的多次切换，并且还尝试在短时间间隔内切换回先前的服务小区[10][19]因此，系统质量（QoS）降低，因为资源被浪费，并且由于小区边缘处的大量不必要的切换而增加了切换失败的概率这还导致UE电池的功率耗散并降低吞吐量增益[2]。本文的主要重点是提供一种新的切换方案，以克服不必要的切换在小区边缘的原因，通过使用CoMP技术和eNB的参考信号测量在本文中，参考信号测量被称为参考信号接收功率（RSRP）和参考信号接收质量（RSRQ），参考信号接收功率（RSRP）是UE的线性平均接收功率，参考信号接收质量（RSRQ）指示接收信号的质量本文的结构如下。第2节介绍了文献综述，第3节介绍了所提出的切换方案的重要计算，第4节是基于所提出的方案的算法，第5节包含所提出的方案的性能措施以及仿真环境，第6节是基于所提出的不必要切换方案的结果和讨论，最后几节给出了整篇论文的结论2文献综述在无线网络中，切换滞后和切换余量（HOM）的值由网络定义的UE处的切换触发中的两个）主要被考虑用于减少不必要的切换的数量。因此，在LTE-A中，这些值也广泛用于切换算法和所提出的方案[14][12]。在[9]中，作者提出了基于自适应滞后值的分组算法基于实际滞后值但随时间变化）。该算法由两个步骤组成，其中为每个步骤定义预定义阈值以进入下一步骤。为了避免不必要的重复，算法简单。R.R. Ahmed，D. D.Kouvatsos/理论计算机科学电子笔记340（2018）8587在不确认用户的确切位置的情况下对整个组进行分组，他们仅根据用户当前所附接的基站的历史进行分组。在这种情况下，该算法可以在某些情况下避免不必要的切换，但开销增加，因为这不是一次必需的，组中的每个人都需要切换。在[2]中，作者提出了在具有密集部署的小小区的异构网络中控制不必要的拥塞的方法。在该方法中，基于UE距基站的实际距离和移动角度引入缩短的候选（UE）列表。仿真结果表明，在考虑速度的情况下，与传统的切换算法相比，该方法具有较低的不必要切换概率。虽然作者讨论并提出了很好的研究工作，但他们忽略了主要问题，如服务eNB上的负载这些是未来网络在切换决策期间的在[4]中提出了另一种用于微小区的切换方案，该方案基于滞后裕度值来克服冗余切换。为此，他们calculu- lated UE的位置设置滞后余量值。虽然该算法与传统算法和常规算法非常接近，但它使用良好的信道质量指标值来定义决策参数。该算法加入了RSRP和RSRQ，与现有算法更加接近在目前的研究中，提出了切换方案，通过引入CoMP模式以及切换模式来减少切换初始化决策一旦UE接收功率RSRP变得低于阈值水平（即，由网络运营商设置的RSRP的最小值）。另一方面，在所提出的切换方案中，一旦接收功率RSRP低于阈值水平但信道质量RSRQ可接受，则触发CoMP模式，其中UE开始从多个eNB接收数据而不执行任何切换。在所提出的方案中，切换模式仅在接收功率RSRP和信道质量RSRQ变得低于阈值水平时被触发。3建议移交方案无线同构网络的建议切换方案如图1所示。由3个六边形宏小区（eNB）组成。 eNB天线位于小区的中心，并且它们在相同的频带上操作。在图1中。绿色区域具有RSRP和RSRQ值的良好范围但在褐色区域中RSRP从阈值水平下降（即， RSRP的值由网络运营商设置 而RSRQ取决于条件，如负载，干扰等更多的解释，建议的方案可以看到在图。1。有助于做出减少不必要重复次数的决策的重要计算如下所示接收信号接收功率：RSRP被定义为UE（或任何接收器）从参考信号资源的线性平均接收功率。88R.R. Ahmed，D. D.Kouvatsos/理论计算机科学电子笔记340（2018）85ΣFig. 1. 建议方案期望带宽上的元件（即，5MHz、10MHz和20MHz）。由上述RSRP定义导出的通式为[1];1RSRP=KKPk=1rs，k（一）其中，Prs，k是物理资源块（PRB）中的第k个参考信号（RS）资源元素（RE）的估计功率（以瓦特为单位）。此外，PRB是下行链路LTE-A的最小传输单元。它由12个子载波和7 OFDM如图所示在PRB中，有四个RS存在，在时域中具有固定跟随图2。显示了PRB的详细描述[6][8]。因此，对于RSRP的计算，这些参考信号是重要的，因为UE在这些RS中测量RSRP值并反馈给服务小区。这些RS仅测量功率，排除噪声和干扰。UE到eNB的RSRP的测量值借助于以下公式来确定RSRPue->eNBi =Ptx−>eNBi+GeNBi其中，Ptx->eNBi是eNB（通常是服务eNB）的发射功率，并且eNBi是服务eNB的天线增益，UE与服务eNB之间的路径损耗，eNBi是具有零均值和3dB标准偏差的对数正态分布的阴影衰落[7]。在等式2中，路径损耗计算基于以下公式。路径损耗计算：对于公式（2）中的路径损耗计算，可以用R.R. Ahmed，D. D.Kouvatsos/理论计算机科学电子笔记340（2018）8589图二、物理资源块（PRB）概述[6][1][2][3]的帮助下。PiL= 69。五十五加二十六。16log（f）−13。82log（G eNB）-a（G UE）+（44. 九比六。55 log（GeNB））log（di）（三）哪里a（G UE）=（1. 11 log（f）− 0。7）G UE−（1. 56 log（f））− 0。第八章）GeNB=eNB（发射机）天线增益GUE=UE（接收机）天线增益图3.给出了详细的计算概述。其中UE位于具有半径R并且具有（0，2π）之间的方向θ的六边形宏小区的小区边缘。UE具有di是距eNB的距离。发射天线增益和接收天线增益分别为GeNB和GUE。图三. RSRP/路径损耗RSRQ的计算：RSRQ表示接收信号的质量，90R.R. Ahmed，D. D.Kouvatsos/理论计算机科学电子笔记340（2018）85可借助以下公式进行测量：RSRPRSRQ=NRBRSSI（4）其中，在其上进行测量的资源块的总数为NRB其中RSSI包括仅在OFDM符号中观察到的总接收功率的线性平均，OFDM符号包含UE在测量带宽中的N个RB资源块上的天线端口的小区特定参考符号，来自所有源，包括相邻信道干扰和热噪声以及同信道服务和非服务eNB，[1]。4切换方案提出的切换方案的主要目的是减少不必要的切换次数，提高性能的用户在小区边缘。为此，提出的切换方案分为两种模式：CoMP模式和切换模式。在CoMP模式中，UE从服务eNB接收低于阈值水平（由网络运营商设置的值）的RSRP在这种情况下，传统的和现有的切换方案触发切换模式，但是在所提出的方案中，CoMP模式被触发，而不是切换初始化决定。通过触发CoMP模式，UE开始基于诸如联合传输（即，UE以协调的方式从所有节点接收数据）或波束成形（即，eNB彼此协调，但是UE仅从单个eNB接收数据）。另一方面，当UE从eNB接收到低于阈值水平的RSRP并且RSRQ水平也差时，则切换模式被触发并且切换过程将发起。在数学上和逻辑上，CoMP的触发和切换模式解释如下：对于触发CoMP模式：当以下条件变为真时，CoMP模式将被激活。条件1：RSRP服务小区+ RSRPBoost RSRPCoMPTh（5）其中，以dBm为单位测量的RSRP 服 务 小 区是由UE从服务eNB接收的功率，并且RSRPBoost是由网络提供商设置的值，并且其用于增加RSRP和RSRQ的比特水平以花费时间来决定切换决定。类似地，以dBm为单位测量的RSRP CoMP Th是CoMP模式在其处的RSRP的阈值电平。是触发的，并且该值也由网络运营商决定。RSRP测量值范围在-44dBm到-140dBm之间下表详细显示了不同范围内的RSRP值[5]。对于触发切换过程：当条件1和条件2为真时，则切换过程将被发起。条件2：RSRP CoMPTh+ RSRP偏移 RSRP近小区（6）R.R. Ahmed，D. D.Kouvatsos/理论计算机科学电子笔记340（2018）8591测量的RSRP信号强度-44dBm至-80dBm优秀-81dBm至-90dBm良好-91dBm至-110dBm中间单元-111dBm至更多单元边缘表1表一：RSRP值的不同范围[7][3]条件3：RSRQ最小N=SumCountif（1：N，其中THCS是网络中存在的N个用户的切换决定的总数。在模拟过程中，只要条件1为真，就对3. 建议切换方案（THP）中的切换决定总数：在所提出的算法中，当条件2和3为真时，计算切换决定的总数THPS1−>N=SumCountif（1：N，其中THCS是网络中存在的N个用户的切换决定的总数只要条件2和条件3为真，它就计数并返回数字之和。4. 不必要的切换次数百分比（UNH）：不必要的切换次数百分比可以通过以下公式计算;UNH（%）=THCS1−>N−THPS1−>N100（10）移交总数其中传统系统中的切换总数总是高于所提出的系统中的切换总数。因此，THCS和THPS的差异在我们的算法中给出了UNH为了测量所提出的方案的性能以下离散时间仿真环境被认为是。5.1仿真环境基于RSRP和RSRQ的数值结果评估所提出的切换方案的性能，计算基于LTE-A下行链路系统级模拟器[17]。为了实现所提出的切换方案，考虑具有六边形形状的单个小区。UE均匀地分布在eNB的覆盖区域中的小区上。此外，eNB的位置在中心半径为3km。此外，还考虑了5MHz、10MHz和20MHz的带宽，分别具有25 RB、50RB和100 RB。还考虑了传输具有2GHz载波频率的OFDM所需的0.5ms持续时间。每个RB从服务eNB接收20毫瓦的相等传输功率。此外，还对数值计算94R.R. Ahmed，D. D.Kouvatsos/理论计算机科学电子笔记340（2018）85下面列出了用于减少不必要的切换的RSRP和RSRQ的计算。此外，下面列出了用于减少不必要的切换的RSRP和RSRQ的假设• 假设eNB位于小区的中心• UE均匀地分布在小区• 所有UE都位于小区覆盖区域中。这意味着没有UE位于小区• UE在小区中的位置是从（0，2）中随机选择的，并且始终恒定• UE的速度在小区内是恒定的最初它们是静止的• 每个参考信号包含相等的功率，没有任何干扰和扰动模拟参数6数值实验与讨论本节给出所提出的切换方案的数值结果，并与传统切换方案进行比较1. 不同带宽下RSRP值对距离的影响图五. 不同带宽下图5.示出了在资源块的不同值处RSRP与距离之间的关系。随着UE距eNB的距离增加，RSRP值下降，如以上结果所示，当UE距eNB的距离最小时，RSRP值在所有情况下都处于最大水平-39.9dBm（-40dBm的RB。另一方面，当距离最大约3km时，RSRP下降R.R. Ahmed，D. D.Kouvatsos/理论计算机科学电子笔记340（2018）8595模拟参数值小区半径3公里带宽/资源块5 MHz/25 RB，10 MHz/50 RB，20 MHz/100 RB每个RB的子载波数12OFDM符号数子载波间隔频率15kHz时隙持续时间0.5ms载波频率1800MHzeNB发射功率20瓦eNB天线增益30dBm至50dBmUE天线增益1dBm至10dBm副载波频率15KHz路径损耗模型成本231 Hata模型阴影衰落对数正态分布RSSI-75dBm至-90 dBmRSRP升压3dBm时间传输间隔（TTI）1msUE数量30、50、100表3模拟参数的输入数据[17]最大可达-120dBm（约）。这是因为随着UE与eNB的距离增加，他经历了更少的功率和高失真，这就是为什么接收功率在小区边缘处减小。降低RSRP的主要原因是大的衰落（即，例如多径、周围物体的速度、传输带宽等因素）。[20]第20话：一个人的幸福另一方面，在图5中，不同数量的资源块的RSRP曲线具有微小的变化。当RB值增加时，RSRP的值减小。这是由于资源要素之间的干扰造成的。当我们增加RB的数量时，资源元素的数量增加，因此资源元素之间的干扰增加。结果，对于高数量的RB，RSRP的值减小[13]。2. RSRQ在RSRP、RSRP提升和96R.R. Ahmed，D. D.Kouvatsos/理论计算机科学电子笔记340（2018）85外部干扰（EI）见图6。 RSRQ对负载见图6。演示RSRQ在有和没有RSRPboost和外部干扰（EI）的情况下对负载的行为。这里考虑EI，因为信道质量高度依赖于该因素并影响切换决策。最初，当负载为0%时，在所有考虑的情况下，RSRQ值最大为-3dBm。原因在于，在没有负载的情况下，在资源元素之间的干扰几乎可以忽略，并且RSSI和RSRP的值几乎是一样的，这就是为什么信道质量是最好的。 但当我们增加负载为100%时，RSRQ的值在所有考虑的情况下都下降到最大水平。原因是负载增加，并且RSSI值也增加，并且资源元素之间的干扰水平变高，这就是质量频道被删除了。当没有外部干扰且RSRP值升高时，观察到RSRQ的最佳值，在这种情况下，为-3dBm，最小值为-7.8dBm。 因此，在这种情况下，任何切换，直到情况变得最坏，甚至RSRP值处于其最低。3. 切换初始化决策（NHID）图7.显示了传统算法和建议算法的切换初始化决策（NHID）的数量。在所有考虑的情况下，当用户增加时，NHID增加。原因是，当用户增加时，这意味着负载增加，RSRP和RSRQ的值降低并低于其阈值水平，这就是NHID增加的原因。但是与传统的切换算法相比，本文提出的切换算法由于同时检查RSRP值和RSRQ值，所以NHID次数较少。我们观察到，在5MHz带宽的情况下，当UE数量为30时，传统算法和建议算法的NHID分别为总用户的46.6%和16.6R.R. Ahmed，D. D.Kouvatsos/理论计算机科学电子笔记340（2018）8597图第七章传统切换方案和建议切换方案之间的切换初始化决定的数量分别同样，在20 MHz带宽的情况下，相同数量的用户的NHID是80%和36.6%的总用户分别为传统的和建议的算法。因此，与传统切换方案相比，在所提出的方案中切换初始化决策的数量减少，但是如果比较不同带宽之间的结果，则在所提出的方案中NHID比特增加，这是由于图6中存在的发现4.不必要的移交次数百分比图八、不必要的移交次数百分比图8.示出了不必要的切换相对于没有UE的百分比。当UE的数量为30时，与所提出的切换方案相比，传统切换方案具有47%、37.14%和38.4%（分别对于5MHz、10MHz和20MHz）的更多的不必要切换决定。类似地，当UE的数量为100时，与所提出的切换方案相比，传统的切换方案具有24.2%、28.2%和28.4%的不必要的切换这意味着在所提出的切换方案的帮助下，上述不必要的切换可以98R.R. Ahmed，D. D.Kouvatsos/理论计算机科学电子笔记340（2018）85降低此外，切换决定减少导致系统性能。7结论提出了一种新的切换方案，以减少不必要的切换决策，基于CoMP和信号测量RSRP和RSRQ的UE。此外，当UE接收到低于阈值水平的信号功率RSRP时，CoMP模式被触发在传统的切换方案中，在相同的RSRP阈值水平上，触发切换。在传统的切换方案中，在切换期间，UE的控制从服务eNB转移到目标eNB。在CoMP模式中，控制不被因此，在CoMP模式之后，切换模式被激活以进一步检查RSRP信号功率以及RSRQ信号质量，以在做出最终切换决定之前确保网络的可接受条件进行了比较切换初始化的建议切换方案与传统的切换方案的决定。据观察，所提出的切换方案比先前的切换方案更有效，具有更少数量的切换决定和减少的不必要的百分比。引用[1] Ahmadi，S.，“LTE-Advanced: A Practical Systems Approach to Understanding 3GPP LTE Releases10 and[2] 阿尔哈博湾和L.Zhang，双层异构网络中不必要的切换最小化，在：2017年第13届无线按需网络系统和服务（WONS）年会，2017年，pp.160-164[3] Atanasov，P.和Z.Kissovski，Investigations of the signal path loss in 4g lte network，BulgarianJournal of Physics40（2013），pp.265-268[4] Becvar，Z.和p.Mach，Adaptive hysteresis margin for handover in femtocell networks，in：20106th International Conference on Wireless and Mobile Communications，2010，pp.256-261。[5] Chilamkurti，N.，S. Zeadally和H. Chaouchi，[6] 戈什A.和R.Ratasuk，Press，2011.[7] 詹森，T.，I. Balan，J. Turk，I. Moerman和T. Kurner，Lte自组织网络，在：2010年IEEE第72届车辆技术会议-秋季，2010年，pp.1比5。[8] KIROSS，K.，“Performance Evaluation Of Channel Estimation Techniques For An Lte DownlinkSystem,” GRIN PUBLISHING,[9] 李 ， H. ， D. 金 湾 Chung 和 H. Yoon ， Adaptive hysteresis using mobility correlation for fasthandover，IEEE Communications Letters12（2008），pp.152-154[10] Li、X. W.和J.Wang，The optimized method of reducing unconsiderable handover in lte system，in ： 2013 Third International Conference on Instrumentation ， Measurement ， Computer ，Communication and Control，2013，pp. 1224-1227。[11] 林角，英-地C.的方法，K. Sandrasegaran，X. Zhu和Z. Xu，关于lte-advanced中容量集成comp切换算法的性能，在：2012年第18届亚太通信会议（APCC），2012年，pp. 871-876[12] 林角，英-地C.的方法，K. Sandrasegaran，X. Zhu和Z. Xu，Performance evaluation of capacity basedcomp handover algorithm for lte-advanced第15届无线个人多媒体通信（2012），p. 236240。R.R. Ahmed，D. D.Kouvatsos/理论计算机科学电子笔记340（2018）8599[13] 林角，澳-地C.的方法，K. Sandrasegaran，X. Zhu和Z. Xu，Performance evaluation of capacity basedcomp handover algorithm for lte-advanced，in：The 15th International Symposium on WirelessPersonal Multimedia Communications，2012，pp. 236-240。[14] 林角，英-地C.的方法，K. Sandrasegaran，X. Zhu和Z. Xu，用于LTE高级的有限补偿切换算法，Journalof Engineering2013（2013），pp.一比九[15] Penttinen，J.，“The LTE-advanced deployment handbook,” Wiley,[16] Pierre，S.， 巧克力大道，好时，宾夕法尼亚州，17033，美国），2011年。[17] Ramli，H. A. M.，K.桑德拉塞加兰河Basukala和L. Wu，长期演进系统下行链路分组调度的建模与仿真，2009年第15届亚太通信会议，2009年，pp. 68比71[18] Rumney，M.，“LTE and the evolution to 4G wireless : Design and Measurement Challenges,” JohnWiley 2013年。[19] Te yeb，O.，W. Müller，K. Dimou和A. Cene Tonza，Imp ro v edhandoverrobustnessincellularradiocommunications（2013），wO Patent App. PCT/SE 2011/051，271。网址https://www.google.co.uk/patents/WO2013019153A1? cl=en[20] 西安，H.，W. Muqing，M. Jiansong和Z. Cunyi，信道环境对切换性能rsrp和rsrq测量的影响，在：2011年国际电子，通信和控制会议（ICECC），2011年，pp. 540-543[21] Zhang，X.，