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【网安学术】基于LTE-A系统的无线移动中继系统切换算法

通信技术编辑部 2019-01-15 15:34:05




摘要:移动中继增强蜂窝网作为高速率、高覆盖要求下的一种有效通信方式,成为长期演进增强(Long Term Evolution–Advanced,LTE-A)系统的关键新技术之一。而移动中继(Moblie Relay Stations,MRSs)的出现,引入了MRS和基站之间的干扰问题。因此,提出了一种MRS管理模式,以有效解决上述问题。当MRS靠近小区基站时,采用此方法可以避免演进型基站(E-UTRAN Node B,eNB)的干扰,又节省MRS的能源消耗,同时保持了MRS与eNB间的通信,避免了MRS从休眠模式转换到激活模式时再与eNB重新建立连接,从而减少了用户群切换带来的延迟,保证了用户的通信质量。当MRS远离eNB时,eNB对MRS原所属用户的控制减弱。当eNB不能为这些用户提供良好的通信质量时,休眠态的MRS将被激活,使用户全部从eNB切换到MRS,以保证用户的正常通信,从而不仅扩大了eNB的覆盖范围,而且节省了分配给这些用户的资源。这一方面保证了MRS原所属用户的通信质量,另一方面节省了eNB的资源。



正文内容:

0 引言

近年来,随着无线移动通信市场的发展,移动用户数量飞速增加,业务种类和带宽的需求相应地也不断增加,而现有的通信系统已远远不能满足未来的用户需求。以宽带、高效、全移动为特征的新一代宽带无线移动通信网的研究迫在眉睫。因此,3GPP启动了第四代移动通信系统LTE-Advanced(简称LTE-A)的技术征集[1]。

LTE-A系统的一个特色是在系统中引入了中继站(Relay Station,RS)。RS的引入,一定程度上提高了信号的覆盖范围,提高了系统容量。MRS增强蜂窝网作为高速率、高覆盖要求下的一种有效通信方式,成为LTE-A系统的关键技术之一。与传统蜂窝网相比,MRS不仅可以扩展小区的覆盖范围,消除或减少通信盲点,还可以根据实际网络环境的负载分布进行负载平衡,转移热点地区的业务,提高系统的频谱利用效率。引入MRS可以增加终端接入选择自由度,节省终端的发射功率,从而延长电池寿命。此外,中继站具有架设布网方便、运营维护成本低的优点[2]。

然而,MRS的引入却带来了新的干扰问题。当MRS进入某小区覆盖范围时,会对该小区基站所辖的用户造成干扰,同时基站所发出的信号也会对MRS所辖用户造成强干扰,从而造成通信中断等问题,是移动通信网络不能容忍的。

本文提出了一种MRS的管理方法,可以有效解决上述问题。


1 引入MRS带来的问题

3GPP的技术讨论定义了两种类型的中继:Type I Relay(类型1中继)和Type II Relay(类型2中继),并明确指出LTE-A将支持Type I Relay。Type I Relay有自己的小区ID(Identity)号,发送自己的同步信道和参考信号。对于现有的用户终端来说,Type I Relay就是一个基站。Type I Relay可以由网络规划安装在某个固定位置,也可以根据需要安装在移动物体上,譬如高速列车上,在移动场景下的中继站称为移动中继站[2-4]。

中继的移动势必会出现当MRS靠近基站时,基站会对移动中继所属的用户产生强烈干扰,甚至MRS的信号被基站的信号所湮没,从而与用户无法正常通信以及MRS对基站所属其他用户带来干扰等问题[5]。

如何解决当MRS靠近基站时,基站对MRS所属的用户产生强烈的干扰,甚至连MRS的信号也被基站信号所湮没,导致用户与MRS无法正常通信的问题以及MRS对基站所属其他用户产生干扰的问题,目前尚没有可行的解决方案[6-7]。


2 MRS模式管理方法

2.1 方案概述

本文提出一种无线中继模式管理系统及方法。MRS可以有激活和休眠两种工作模式。当MRS靠近基站,相互干扰很强时,MRS可以从激活模式进入休眠模式,这时MRS所属用户将全部切换到eNB;当MRS远离基站,基站无法为MRS所属用户提供良好的通信质量时,MRS可以从休眠模式进入激活模式,原MRS所属用户再全部从eNB切换回到MRS,以保证用户的正常通信。

MRS处于激活模式时,MRS作为基站与其所属用户保持链路的连接,同时与eNB保持链路的连接;MRS处于休眠模式时,其保持和eNB链路的连接,与原所属用户的通信链路断开,MRS将不发送同步信号、广播信号和参考信号等。系统包括信道监控模块和模式转换模块。

信道监控模块用以在MRS处于激活模式时监控eNB与MRS下属用户的干扰水平,得到第一监控值。在MRS处于休眠模式时,监控eNB与MRS原下属用户的通信质量水平,得到第二监控值。信道监控模块可设置于MRS或/和eNB或/和用户中;信道监控过程由MRS或/和eNB或/和用户完成。

模式转换模块用于当第一监控值或第二监控值不满足设定门限时,转换MRS的模式。例如,当MRS处于激活模式时,比较第一监控值与设定的干扰门限值,当第一监控值达到设定的干扰门限值时,把MRS的模式由激活模式转换为休眠模式。当MRS处于休眠模式时,比较第二监控值与设定的通信质量门限值,当第二监控值未达到设定的通信质量门限值时,把MRS的模式由休眠模式转换为激活模式。文中第一监控值、第二监控值、干扰门限值、通信质量门限值为SNR值、用户数据/信令重传次数值、路损值的一种。

2.2 激活到休眠模式

小区覆盖范围内,MRS靠近eNB,相互干扰加强,此时MRS进入休眠模式。图1(a)、图1(b)、图1(c)为MRS从激活模式进入休眠模式的流程图,其触发方式分别为MRS自我监控判决模式、eNB监控判决模式和用户监控MRS判决模式。本文可以采用三种判决方式的任意一种。

图1揭示了MRS自我监控,触发MRS从激活模块转换到休眠模式的流程图。MRS通过信道监控触发其工作模式的转换。由MRS自我监控并判决的流程如下:

(1)MRS监控信道,以此估算eNB对MRS当前所属用户的干扰水平;

(2)通过监听到的信道情况,MRS得出一个监控值。MRS将此值与既定监测值进行比较,从而判决是否需要休眠;

(3)MRS若判定需要休眠,则向eNB发出休眠请求信号;

(4)eNB收到MRS发来的休眠请求信号后,分析是否有能力接纳当前MRS下属的所有用户到自己的切换;

(5)如果eNB判决接纳MRS当前所属所有用户到自己的切换,则进行切换准备,并向MRS发出休眠确认信号;

(6)MRS收到eNB的休眠确认信号后,向用户发出信号,通知用户准备切换;

(7)执行MRS当前所属用户切换到eNB的进程;

(8)所有用户切换完毕后,MRS进入休眠模式。

图2揭示了eNB通过监控信道,触发MRS从激活模块转换到休眠模式的流程图。由eNB监控并判决的流程如下:

(1)eNB监控信道,以此估算eNB对MRS下属用户的干扰水平;

(2)通过监听的信道情况,eNB得出一个监控值。eNB将此值与既定监测值进行比较,从而判决是否需要休眠(监控值、监测值的获取遵照上述规则);

(3)eNB判决休眠后,向MRS发出指示休眠信号;

(4)MRS收到信息后,向eNB反馈确认信号;

(5)eNB收到确认信号后,进入切换准备模式;

(6)MRS向用户发出信号,要求用户准备切换;

(7)执行MRS当前所属用户切换到eNB的进程;

(8)所有用户切换完毕后,MRS进入休眠模式。

图3揭示了由用户监控信道质量,触发MRS从激活模块转换到休眠模式的流程图。由MRS当前所属用户进行信道测量后反馈测量报告给MRS,以此测量报告来获得其下属用户受到相邻eNB的干扰情况,触发MRS工作模式的转换。由用户监控MRS判决的流程如下:

(1)用户监控信道,以此估算eNB对MRS下属用户的干扰水平;

(2)用户上报测量报告给MRS;

(3)根据测量报告,MRS整理分析得出一个监控值。MRS将此值与既定监测值进行比较,从而判决是否需要休眠(监控值、监测值的获取遵照上述规则);

(4)MRS判决需要休眠后,向eNB发出休眠请求信号;

(5)eNB收到请求信号后,判决是否有能力切换MRS所属当前所有用户,eNB若判决同意MRS休眠,则进入切换准备模式,转步骤(6);

(6)eNB向MRS发出信号指示MRS休眠;

(7)MRS收到信号后,通知用户进入切换准备模式;

(8)执行MRS当前所属用户切换到eNB的进程;

(9)所有用户切换完毕后,MRS进入休眠模式。

2.3 MRS从休眠模式进入激活模式

在小区覆盖范围内,MRS开始远离eNB,eNB无法为用户提供良好的通信质量,则MRS从休眠转换到激活模式。图4、图5、图6为MRS从休眠模式进入激活模式的流程图,其触发方式分别为MRS自我监控判决模式、eNB监控判决模式和用户监控MRS判决模式。本文可以采用三种判决方式的任意一种。

图4揭示了MRS自我监控,触发MRS从休眠模式转换到激活模式的流程图。MRS通过信道监控,触发其工作模式的转换。由MRS自我监控并判决的流程如下:

(1)MRS监控信道,以此估算MRS原所属用户与eNB之间通信质量的水平;

(2)通过监听得到的参数,MRS估算一个监控值。MRS将此值与既定监测值进行比较,从而判决是否需要激活;

(3)MRS判决激活后,向eNB发出请求激活信号;

(4)eNB收到信息后进行分析,从而判决是否同意MRS激活;

(5)若eNB判决同意MRS激活,则向MRS发出确认信号;

(6)MRS激活;

(7)MRS发出信号触发eNB准备切换;

(8)eNB触发后开始搜索数据库,整理先前与MRS相连的用户信息,并进入准备切换模式;

(9)eNB进入切换模式后向用户发出信号,通知用户准备切换;

(10)执行原MRS原所属用户切换回MRS的进程;

(11)所有用户切换完毕后,eNB释放资源。

图5揭示了eNB通过监控信道,触发MRS从休眠模式转换到激活模式的流程图。由eNB监控并判决的流程如下:

(1)eNB监控信道,以此估算用户通信质量的水平;

(2)通过监听得到的参数,eNB得出一个监控值。eNB将此值与既定监测值进行比较,从而判决是否需要激活(监控值、监测值的获取遵照上述规则);

(3)eNB判决激活后,向MRS发出请求激活信号;

(4)MRS收到信号后激活;

(5)MRS激活后向eNB发出信号,触发eNB切换;

(6)eNB触发后开始搜索数据库,整理先前与MRS相连的用户信息,并进入准备切换模式;

(7)eNB进入切换模式后向用户发出信号,通知用户准备切换;

(8)执行MRS原所属用户切换回MRS的进程;

(9)所有用户切换完毕后,eNB释放资源。

图6揭示了由用户监控信道质量,触发MRS从休眠模式转换到激活模式的流程图。由MRS原所属用户进行相邻小区测量并反馈测量报告给eNB,eNB通过该测量报告获知用户的通信质量的水平,做出判决触发MRS工作模式的转换。由用户监控eNB判决的流程如下:

(1)MRS原所属用户监控信道得出测量报告;

(2)MRS原所属用户上报测量报告给eNB;

(3)eNB通过用户上报的测量报告,估出一个监控值。eNB将此值与既定监测值进行比较,从而判决是否需要激活(监控值、监测值的获取遵照上述规则);

(4)eNB判决激活后,向MRS发出指示激活信号;

(5)MRS收到信号后激活;

(6)MRS激活后向eNB发出信号,触发eNB切换;

(7)eNB触发后开始搜索数据库,整理先前与MRS相连的用户信息,并进入准备切换模式;

(8)eNB进入切换模式后向用户发出信号,通知用户准备切换;

(9)执行MRS原所属用户切换回MRS的进程;

(10)所有用户切换完毕后,eNB释放资源。


3 结 语

综上所述,该技术面向第四代移动通信系统,适用于LTE-A系统,也适用于其他使用了Relay的无线通信系统。该技术具有以下优点:(1)由于移动中继系统采用了休眠模式,即MRS保持和eNB之间的通信,同时断开与用户的通信,这样当MRS靠近小区基站时,既避免了eNB的干扰,又节省了MRS的能源消耗,同时保持了与eNB间的通信,避免了MRS从休眠模式到激活时与eNB重新建立连接,从而减小了用户群切换带来的延迟,保证了用户间的通信质量;(2)当MRS远离eNB时,eNB对MRS原所属用户的控制减弱,当eNB不能为这些用户提供良好的通信质量时,MRS将从休眠转化为激活模式,使用户全部从eNB切换到MRS,以保证用户的正常通信,从而eNB不仅扩大了覆盖范围,而且释放了分配给这些用户的资源,一方面保证了MRS原所属用户的通信质量,另一方面节省了eNB的资源。


参考文献:

[1] 郑毅,李中年,王亚峰等.LTE-A系统中继技术的研究[J].现代电信科技,2009,39(06):45-49.

[2] 3GPP R3-092314.Consideration on Multiple-hop of Type 1 Relay[S].Japan:TSG RAN WG3 #65bis,2009.

[3] 3GPP R3-112821.Analysis on Mobile Relay Functionalities[S].USA:TSG RAN WG3#74,2011.

[4] 3GPP TR 36.806 v9.0.0 Relay Architectures for E-UTRA(LTE-Advanced)[S].2010.

[5] 3GPP R3-112838.Consideration on Mobile Relay Solutions[S].USA:TSG-RAN WG3 #74,2011.

[6] 3GPP R3-112399.Target Deployment Scenario for Mobile Relay[S].China:TSG RAN WG3 Meeting #73bis,2011.

[7] 3GPP R3-112930.Requirements on Mobile Relay Architecture[S].USA:TSG RAN WG3 Meeting #74,2011.



作者:杜 婷1,程 浩2

单位:1.成都东软学院,四川 成都 611844;2.华为技术有限公司,四川 成都 611730

作者简介:杜 婷,女,硕士,工程师,主要研究方向为LTE-A/5G;

程 浩,男,硕士,工程师,主要研究方向为LTE-A/5G。

本文刊登在《通信技术》2018年第5期(转载请注明出处,否则禁止转载)














































































































































































































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