TD_LTE系统切换技术的研究
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ZTE TECHNOLOGY JOURNAL
研究论文 陈 俊等
TD-LTE 系统切换技术的研究
TD-LTE 系统切换技术的研究
Investigation of the Handover Mechanism in TD-LTE Systems
陈俊/CHEN Jun,彭木根/PENG Mugen, 王文博/WANG Wenbo
2 TD-LTE 系统的 RRM 组成
RRM 提 供 空 中 接 口 的 无 线 资 源 管 理 的 功 能 ，目 的 是 能 够 提 供 一 些 机 制保证空中接口无线资源的有效利 用 ，实 现 最 优 的 资 源 使 用 效 率 ，从 而 满足系统所定义的无线资源相关的 需求。
在 LTE 的 E-UTRAN 系 统 中 ，RRM 功 能 的 定 义 参 考 了 现 有 3G 系 统 RRM 的基本功能，并基于 LTE 的 E-UTRAN 架 构 和 需 求 特 性 对 RRM 功 能 进 行 了 扩 展 。 LTE 系 统 中 所 进 行 的 无 线 资 源管理包括对单小区无线资源的管
时分同步码分多址长期演进 (TD-LTE)，作 为 时 分 同 步 码 分 多 址 (TD-SCDMA) 的 演 进 技 术 ，目 前 已 经 成 为 3GPP 中 唯 一 基 于 时 分 双 工 (TDD) 技 术 的 LTE 标 准 。 中 国 已 经 全 面 启 动 TD-LTE 产 业 ，与 国 际 LTE 产 业 保 持 基 本 同 步 ，并 已 被 国 际 广 泛 接 受 和 认 可 。 TD-LTE 将 为 中 国 在 引 领 移动通信产业的发展带来很重要的 机遇。
关键词：无 线 资 源 管 理 ；时 分 同 步 码 分 多 址 长 期 演 进 ；频 分 双 工 长 期 演 进 ；切 换
Abstract: This paper introduces the key technology of Radio Resource Management (RRM) in TD-SCDMA Long Term Evolution (TD-LTE) as well as the handover flow and protocol design of the TD-LTE system. It proposes a handover algorithm based on Handover Hysteresis Margin (HOM) and Time-to-Tiger (TTT) that conforms to the requirements of TD-LTE. The impact of HOM and TTT on system performance is also analyzed. Simulation results show that with the growth of HOM and TTT, there is no significant drop in system throughput. However, the total number of handovers is greatly reduced. This reduces the frequency of signaling interaction, saves system resources, and improves handover efficiency.
MME/S-GW S1
eNB1
S1
x2
x2
S1 x2
MME/S-GW S1
eNB3
E-UTRAN
eNB2 小区间移动
图 1▶ LTE 系统架构
eNB ：演 进 后 的 节 点
LTE ：长 期 演 进
E-UTRAN ：通 用 陆 地 无 线 接 入 网 络 MME/S-GW ：移 动 性 管 理 实 体 / 业 务 网 关
ZTE TECHNOLOGY JOURNAL
TD-LTE 系统切换技术的研究
陈 俊等 研究论文
难 以 满 足 LTE 的 系 统 需 求 。 为 全 面 满 足 LTE 系 统 需 求 ，系 统 架 构 也 重 新 进行了设计。
从 整 体 上 看 ，TD-LTE 系 统 和 频 分 双 工 长 期 演 进 (FDD-LTE) 系 统 采 用 相 同 的 系 统 架 构 ，分 为 核 心 网 和 接 入 网 两 部 分 ；而 TD-LTE 和 FDD-LTE 的 差 别 主 要 在 于 帧 结 构（TDD 帧 包 含 特 殊 时 隙 DwPTS 和 UpPTS）和 多 天 线 配 置 上 [4（] TDD 沿 用 智 能 天 线 技 术 可 以 支 持 8 天 线 的 波 束 赋 形 技 术 ，而 FDD 最多支持 4 天线）。
如 图 1 所 示 ，LTE 系 统 的 整 体 架 构 包 括 演 进 后 的 核 心 网 (EPC)，即 图 1 中 的 移 动 性 管 理 实 体/业 务 网 关 (MME/S-GW) 和 演 进 通 用 陆 地 无 线 接 入 网 络 (E-UTRAN)。 LTE 接 入 网 由 演 进 后 的 节 点 (eNB) 组 成 ，并 提 供 用 户 设 备 (UE) 的 E-UTRAN 控 制 面 与 用 户 面 的 协 议 终 止 点 。 eNB 之 间 通 过 X2 接 口 进 行 连 接 ，该 接 口 总 会 存 在 于 需 要 通 信 的 两 个 不 同 的 eNB 之 间 。 S1 接 口 连 接 LTE 接 入 网 与 核 心 网 ，并 支 持多到多连接方式。
Key words: RRM; TD-LTE; FDD-LTE; handover
为了 使 移 动 通 信 与 宽 带 无 线 接 入 (BWA) 技 术 相 互 融 合 ，并 同 时 应 对 全 球 微 波 互 联 接 入 (WiMAX) 和 4G 的 挑 战 ，第 三 代 合 作 伙 伴 项 目 (3GPP) 启 动 了 长 期 演 进 (LTE) 项 目 。 LTE 采 用 正 交 频 分 复 用 (OFDM) 及 多 输 入 多 输 出 (MIMO) 等 先 进 的 无 线 传 输 技 术 ， 使用扁平网络结构和全 IP 系统架构， 能 够 支 持 最 大 为 20 MHz 的 系 统 带 宽 ，实 现 超 过 200 Mbit/s 的 峰 值 速 率 和 更 短 的 传 输 延 时 ，并 且 频 谱 效 率 可 以 达 到 3GPP R6 标 准 的 3~5 倍 ，是 一 项非常重大的革新。
在 所 有 蜂 窝 系 统 中 ，无 线 资 源 管 理 (RRM) 功 能 非 常 重 要 ，他 不 仅 决 定 了 系 统 的 容 量 、覆 盖 和 服 务 质 量 (QoS) ，还 决 定 了 无 线 接 口 资 源 的 使 用 效 率 。 RRM 提 供 空 中 接 口 无 线 资 源 管 理 的 功 能 ，目 的 是 提 供 一 些 机 制 以 保证空中接口无线资源的有效利用， 实 现 资 源 最 优 使 用 效 率 、更 高 的 数 据 速 率 和 更 低 的 时 延 ，从 而 满 足 系 统 所 定 义 的 无 线 资 源 的 相 关 需 求 [2] 。
1 LTE 系统架构
LTE 系统在设计之初便在提高数 据 速 率 、降 低 传 输 时 延 、提 高 系 统 性 能 、降 低 系 统 复 杂 度 等 方 面 进 行 了 严 格 的 定 义 ，并 且 现 行 3G 系 统 架 构 也
54 中兴通讯技术
2011 年 6 月 第 17 卷第 3 期 Jun. 2011 Vol.17 No.3
中 图 分 类 号 ：TN929.5 文 献 标 志 码 ：A 文 章 编 号 ：1009-6868 (2011) 03-0054-05
摘 要 ：文 章 介 绍 时 分 同 步 码 分 多 址 长 期 演 进 (TD-LTE) 中 的 无 线 资 源 管 理 (RRM) 的 关 键 技 术 ，及 TD-LTE 系 统 的 切 换 流 程 和 协 议 设 计 。 针 对 TD-LTE 系 统 现 存 的 一 些 迫 切 需 求 ，提 出 了 一 种 基 于 切 换 滞 后 差 值 (HOM) 和 触 发 时 间 (TTT) 的 切 换 算 法 ，研 究 了 在 切 换 中 HOM 和 TTT 对 系 统 性 能 的 影 响 。 动 态 仿 真 结 果 表 明 随 着 HOM 和 TTT 的 增 长 ，在 系 统 吞 吐 量 没 有 明 显 下 降 的 基 础 上 ，总 切 换 次 数 有 了 大 幅 度 的 减 少 ，降 低 了 系 统 信 令 的 交 互 频 率 ，节 省 了 系 统 资 源 并 提 高 了 切 换 效 率。
（北 京 邮 电 大 学 信 息 与 通 信 工 程 学 院 ，北 京 100876） (School of Information and Communication Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China)
TD-LTE 系 统 内 的 RRM 技 术 包 括 无 线 承 载 控 制 (RBC)、无 限 接 纳 控 制 (RAC)、连 接 移 动 性 控 制 (CMC)、动 态 资 源 分 配 (DRA)、小 区 间 干 扰 协 调 (ICIC) 和 负 载 均 衡 (LB)。 RBC 用 于 配 Βιβλιοθήκη Baidu 与 无 线 承 载 相 关 的 资 源 ；RAC 用 于 判断是否需要建立新的无线承载接 入；CMC 用于管理空闲模式以及连接 模 式 下 的 无 线 资 源 ，包 括 小 区 选 择 、 寻呼和切换；DRA 用于分配和释放控 制面与用户面数据包的无线资源； ICIC 用 于 管 理 无 线 资 源 ，通 过 对 他 的 管理将小区之间的干扰水平保持在 可 控 的 状 态 下 ；LB 用 于 处 理 多 个 小 区 间 不 均 衡 的 业 务 量 。 RRM 每 种 技 术的具体功能将在文章中进行详细 介 绍 [3] 。
理 ，同 时 也 包 括 对 多 小 区 无 线 资 源 的 管理。
(1) RBC RBC 用 于 配 置 无 线 承 载 相 关 的 资 源 ，包 括 无 线 承 载 的 建 立 、保 持 、释 放。当为一个服务连接建立无线承 载 时 ，无 线 承 载 控 制 需 要 综 合 考 虑 E-UTRAN 中 无 线 资 源 的 整 体 状 况 、 正 在 进 行 中 的 会 话 的 QoS 需 求 以 及 该新建服务连接的 QoS 需求。 (2) RAC RAC 功 能 用 于 判 断 是 否 需 要 建 立新的无线承载接入。为得到合理、 可 靠 的 判 决 结 果 ，在 进 行 接 入 判 决 时 ，无 线 接 纳 控 制 需 要 考 虑 E-UTRAN 中 无 线 资 源 状 态 的 总 体 情 况 、QoS 需 求 、优 先 级 、正 在 进 行 中 的 会 话 QoS 情 况 以 及 该 新 建 无 线 承 载 的 QoS 需 求 [6] 。 (3) CMC CMC 功 能 用 于 管 理 空 闲 模 式 及 连接模式下的无线资源。在空闲模 式下，CMC 不仅为小区重选算法提供 一 系 列 参 数（如 门 限 值 、滞 后 量 等）， 还 提 供 用 于 配 置 UE 测 量 控 制 以 及 测 量 报 告 的 E-UTRAN 广 播 参 数 ，同 时 还 能 配 合 网 关 对 UE 进 行 寻 呼 ；在 连 接 模 式 下 ，支 持 无 线 连 接 的 移 动 性 ， 并 基 于 UE 与 eNB 的 测 量 结 果 进 行 切 换 决 策 ，将 连 接 从 当 前 服 务 小 区 切 换 到另一个小区。
与 3G 系 统 的 网 络 架 构 相 比 ，接 入 网 仅 包 括 eNB 一 种 逻 辑 节 点 ，网 络 架 构 中 节 点 数 量 减 少 ，网 络 架 构 更 趋 于扁平化。这种扁平化的网络架构 降低了呼叫建立时延及用户数据的 传 输 时 延 ，并 且 随 着 逻 辑 节 点 的 减 少 ，运 营 成 本 (OPEX) 与 资 本 支 出 (CAPEX) 也会相应降低[5]。
TD-LTE 一 方 面 继 承 了 TD-SCDMA 智 能 天 线 、特 殊 时 隙 等 的 核 心 专 利 ；另 一 方 面 ，TD-LTE 可 以 提
供 更 高 的 带 宽 ，通 过 更 灵 活 的 频 谱 配 置 方 案 (1.4~20 MHz) 来 提 升 网 络 效 率 和 单 个 基 站 效 率 ，并 采 用 公 共 无 线 资 源 管 理 控 制 基 站 来 简 化 系 统 结 构 ，减 少 网 络 节 点 ，更 加 有 效 地 为 用 户 提 供 服 务 [1] 。
研究论文 陈 俊等
TD-LTE 系统切换技术的研究
TD-LTE 系统切换技术的研究
Investigation of the Handover Mechanism in TD-LTE Systems
陈俊/CHEN Jun,彭木根/PENG Mugen, 王文博/WANG Wenbo
2 TD-LTE 系统的 RRM 组成
RRM 提 供 空 中 接 口 的 无 线 资 源 管 理 的 功 能 ，目 的 是 能 够 提 供 一 些 机 制保证空中接口无线资源的有效利 用 ，实 现 最 优 的 资 源 使 用 效 率 ，从 而 满足系统所定义的无线资源相关的 需求。
在 LTE 的 E-UTRAN 系 统 中 ，RRM 功 能 的 定 义 参 考 了 现 有 3G 系 统 RRM 的基本功能，并基于 LTE 的 E-UTRAN 架 构 和 需 求 特 性 对 RRM 功 能 进 行 了 扩 展 。 LTE 系 统 中 所 进 行 的 无 线 资 源管理包括对单小区无线资源的管
时分同步码分多址长期演进 (TD-LTE)，作 为 时 分 同 步 码 分 多 址 (TD-SCDMA) 的 演 进 技 术 ，目 前 已 经 成 为 3GPP 中 唯 一 基 于 时 分 双 工 (TDD) 技 术 的 LTE 标 准 。 中 国 已 经 全 面 启 动 TD-LTE 产 业 ，与 国 际 LTE 产 业 保 持 基 本 同 步 ，并 已 被 国 际 广 泛 接 受 和 认 可 。 TD-LTE 将 为 中 国 在 引 领 移动通信产业的发展带来很重要的 机遇。
关键词：无 线 资 源 管 理 ；时 分 同 步 码 分 多 址 长 期 演 进 ；频 分 双 工 长 期 演 进 ；切 换
Abstract: This paper introduces the key technology of Radio Resource Management (RRM) in TD-SCDMA Long Term Evolution (TD-LTE) as well as the handover flow and protocol design of the TD-LTE system. It proposes a handover algorithm based on Handover Hysteresis Margin (HOM) and Time-to-Tiger (TTT) that conforms to the requirements of TD-LTE. The impact of HOM and TTT on system performance is also analyzed. Simulation results show that with the growth of HOM and TTT, there is no significant drop in system throughput. However, the total number of handovers is greatly reduced. This reduces the frequency of signaling interaction, saves system resources, and improves handover efficiency.
MME/S-GW S1
eNB1
S1
x2
x2
S1 x2
MME/S-GW S1
eNB3
E-UTRAN
eNB2 小区间移动
图 1▶ LTE 系统架构
eNB ：演 进 后 的 节 点
LTE ：长 期 演 进
E-UTRAN ：通 用 陆 地 无 线 接 入 网 络 MME/S-GW ：移 动 性 管 理 实 体 / 业 务 网 关
ZTE TECHNOLOGY JOURNAL
TD-LTE 系统切换技术的研究
陈 俊等 研究论文
难 以 满 足 LTE 的 系 统 需 求 。 为 全 面 满 足 LTE 系 统 需 求 ，系 统 架 构 也 重 新 进行了设计。
从 整 体 上 看 ，TD-LTE 系 统 和 频 分 双 工 长 期 演 进 (FDD-LTE) 系 统 采 用 相 同 的 系 统 架 构 ，分 为 核 心 网 和 接 入 网 两 部 分 ；而 TD-LTE 和 FDD-LTE 的 差 别 主 要 在 于 帧 结 构（TDD 帧 包 含 特 殊 时 隙 DwPTS 和 UpPTS）和 多 天 线 配 置 上 [4（] TDD 沿 用 智 能 天 线 技 术 可 以 支 持 8 天 线 的 波 束 赋 形 技 术 ，而 FDD 最多支持 4 天线）。
如 图 1 所 示 ，LTE 系 统 的 整 体 架 构 包 括 演 进 后 的 核 心 网 (EPC)，即 图 1 中 的 移 动 性 管 理 实 体/业 务 网 关 (MME/S-GW) 和 演 进 通 用 陆 地 无 线 接 入 网 络 (E-UTRAN)。 LTE 接 入 网 由 演 进 后 的 节 点 (eNB) 组 成 ，并 提 供 用 户 设 备 (UE) 的 E-UTRAN 控 制 面 与 用 户 面 的 协 议 终 止 点 。 eNB 之 间 通 过 X2 接 口 进 行 连 接 ，该 接 口 总 会 存 在 于 需 要 通 信 的 两 个 不 同 的 eNB 之 间 。 S1 接 口 连 接 LTE 接 入 网 与 核 心 网 ，并 支 持多到多连接方式。
Key words: RRM; TD-LTE; FDD-LTE; handover
为了 使 移 动 通 信 与 宽 带 无 线 接 入 (BWA) 技 术 相 互 融 合 ，并 同 时 应 对 全 球 微 波 互 联 接 入 (WiMAX) 和 4G 的 挑 战 ，第 三 代 合 作 伙 伴 项 目 (3GPP) 启 动 了 长 期 演 进 (LTE) 项 目 。 LTE 采 用 正 交 频 分 复 用 (OFDM) 及 多 输 入 多 输 出 (MIMO) 等 先 进 的 无 线 传 输 技 术 ， 使用扁平网络结构和全 IP 系统架构， 能 够 支 持 最 大 为 20 MHz 的 系 统 带 宽 ，实 现 超 过 200 Mbit/s 的 峰 值 速 率 和 更 短 的 传 输 延 时 ，并 且 频 谱 效 率 可 以 达 到 3GPP R6 标 准 的 3~5 倍 ，是 一 项非常重大的革新。
在 所 有 蜂 窝 系 统 中 ，无 线 资 源 管 理 (RRM) 功 能 非 常 重 要 ，他 不 仅 决 定 了 系 统 的 容 量 、覆 盖 和 服 务 质 量 (QoS) ，还 决 定 了 无 线 接 口 资 源 的 使 用 效 率 。 RRM 提 供 空 中 接 口 无 线 资 源 管 理 的 功 能 ，目 的 是 提 供 一 些 机 制 以 保证空中接口无线资源的有效利用， 实 现 资 源 最 优 使 用 效 率 、更 高 的 数 据 速 率 和 更 低 的 时 延 ，从 而 满 足 系 统 所 定 义 的 无 线 资 源 的 相 关 需 求 [2] 。
1 LTE 系统架构
LTE 系统在设计之初便在提高数 据 速 率 、降 低 传 输 时 延 、提 高 系 统 性 能 、降 低 系 统 复 杂 度 等 方 面 进 行 了 严 格 的 定 义 ，并 且 现 行 3G 系 统 架 构 也
54 中兴通讯技术
2011 年 6 月 第 17 卷第 3 期 Jun. 2011 Vol.17 No.3
中 图 分 类 号 ：TN929.5 文 献 标 志 码 ：A 文 章 编 号 ：1009-6868 (2011) 03-0054-05
摘 要 ：文 章 介 绍 时 分 同 步 码 分 多 址 长 期 演 进 (TD-LTE) 中 的 无 线 资 源 管 理 (RRM) 的 关 键 技 术 ，及 TD-LTE 系 统 的 切 换 流 程 和 协 议 设 计 。 针 对 TD-LTE 系 统 现 存 的 一 些 迫 切 需 求 ，提 出 了 一 种 基 于 切 换 滞 后 差 值 (HOM) 和 触 发 时 间 (TTT) 的 切 换 算 法 ，研 究 了 在 切 换 中 HOM 和 TTT 对 系 统 性 能 的 影 响 。 动 态 仿 真 结 果 表 明 随 着 HOM 和 TTT 的 增 长 ，在 系 统 吞 吐 量 没 有 明 显 下 降 的 基 础 上 ，总 切 换 次 数 有 了 大 幅 度 的 减 少 ，降 低 了 系 统 信 令 的 交 互 频 率 ，节 省 了 系 统 资 源 并 提 高 了 切 换 效 率。
（北 京 邮 电 大 学 信 息 与 通 信 工 程 学 院 ，北 京 100876） (School of Information and Communication Engineering, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China)
TD-LTE 系 统 内 的 RRM 技 术 包 括 无 线 承 载 控 制 (RBC)、无 限 接 纳 控 制 (RAC)、连 接 移 动 性 控 制 (CMC)、动 态 资 源 分 配 (DRA)、小 区 间 干 扰 协 调 (ICIC) 和 负 载 均 衡 (LB)。 RBC 用 于 配 Βιβλιοθήκη Baidu 与 无 线 承 载 相 关 的 资 源 ；RAC 用 于 判断是否需要建立新的无线承载接 入；CMC 用于管理空闲模式以及连接 模 式 下 的 无 线 资 源 ，包 括 小 区 选 择 、 寻呼和切换；DRA 用于分配和释放控 制面与用户面数据包的无线资源； ICIC 用 于 管 理 无 线 资 源 ，通 过 对 他 的 管理将小区之间的干扰水平保持在 可 控 的 状 态 下 ；LB 用 于 处 理 多 个 小 区 间 不 均 衡 的 业 务 量 。 RRM 每 种 技 术的具体功能将在文章中进行详细 介 绍 [3] 。
理 ，同 时 也 包 括 对 多 小 区 无 线 资 源 的 管理。
(1) RBC RBC 用 于 配 置 无 线 承 载 相 关 的 资 源 ，包 括 无 线 承 载 的 建 立 、保 持 、释 放。当为一个服务连接建立无线承 载 时 ，无 线 承 载 控 制 需 要 综 合 考 虑 E-UTRAN 中 无 线 资 源 的 整 体 状 况 、 正 在 进 行 中 的 会 话 的 QoS 需 求 以 及 该新建服务连接的 QoS 需求。 (2) RAC RAC 功 能 用 于 判 断 是 否 需 要 建 立新的无线承载接入。为得到合理、 可 靠 的 判 决 结 果 ，在 进 行 接 入 判 决 时 ，无 线 接 纳 控 制 需 要 考 虑 E-UTRAN 中 无 线 资 源 状 态 的 总 体 情 况 、QoS 需 求 、优 先 级 、正 在 进 行 中 的 会 话 QoS 情 况 以 及 该 新 建 无 线 承 载 的 QoS 需 求 [6] 。 (3) CMC CMC 功 能 用 于 管 理 空 闲 模 式 及 连接模式下的无线资源。在空闲模 式下，CMC 不仅为小区重选算法提供 一 系 列 参 数（如 门 限 值 、滞 后 量 等）， 还 提 供 用 于 配 置 UE 测 量 控 制 以 及 测 量 报 告 的 E-UTRAN 广 播 参 数 ，同 时 还 能 配 合 网 关 对 UE 进 行 寻 呼 ；在 连 接 模 式 下 ，支 持 无 线 连 接 的 移 动 性 ， 并 基 于 UE 与 eNB 的 测 量 结 果 进 行 切 换 决 策 ，将 连 接 从 当 前 服 务 小 区 切 换 到另一个小区。
与 3G 系 统 的 网 络 架 构 相 比 ，接 入 网 仅 包 括 eNB 一 种 逻 辑 节 点 ，网 络 架 构 中 节 点 数 量 减 少 ，网 络 架 构 更 趋 于扁平化。这种扁平化的网络架构 降低了呼叫建立时延及用户数据的 传 输 时 延 ，并 且 随 着 逻 辑 节 点 的 减 少 ，运 营 成 本 (OPEX) 与 资 本 支 出 (CAPEX) 也会相应降低[5]。
TD-LTE 一 方 面 继 承 了 TD-SCDMA 智 能 天 线 、特 殊 时 隙 等 的 核 心 专 利 ；另 一 方 面 ，TD-LTE 可 以 提
供 更 高 的 带 宽 ，通 过 更 灵 活 的 频 谱 配 置 方 案 (1.4~20 MHz) 来 提 升 网 络 效 率 和 单 个 基 站 效 率 ，并 采 用 公 共 无 线 资 源 管 理 控 制 基 站 来 简 化 系 统 结 构 ，减 少 网 络 节 点 ，更 加 有 效 地 为 用 户 提 供 服 务 [1] 。