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TD-SCDMA到TD-LTE跨系统小区重选仿真研究

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小区重选是一种终端行为,通常是终端主动发起的用户迁移。终端根据当前的测量结果和网络侧配置的门限值,依据重选判决准则来判定是否发起小区重选过程。小区重选不仅是终端重要的移动性功能,也是实现不同网络相互兼容的重要方法。小区重选分为系统内重选和跨系统(int- RAT)重选。

TD- LTE 作为 TD- SCDMA 技术未来的演进方向,为保证网络演进的平滑过渡,同时支持 TD- SCDMA 和TD- LTE 的双模终端(如数据卡等)成为必然。这种双模终端的跨系统小区重选分为 TD- SCDMA 重选到 TD- LTE和 TD- LTE 重选到 TD- SCDMA两种不同的过程。前者遵循 TD- SCDMA 重选规律,后者则依据 TD- LTE 重选原理。

关于小区重选算法有 R 准则和基于优先级重选准则等。目前 TD- SCDMA商用终端的小区重选算法遵循 R 准则,而 TD- LTE 终端重选判决算法则是基于优先级概念的小区重选。

本文通过仿真分析发现,在两种网络共站址的环境下 R 准则并不适用于 TD- SCDMA 到 TD- LTE 跨系统重选过程。结果表明 TD- SCDMA和 TD- LTE 双模终端如果遵循 R 重选准则进行跨系统小区重选,则会产生“乒乓效应”。这样不仅使得用户无法正常通信,而且会极大地增加网络侧信令负担。另外采用 R 重选准则后,大大降低了双模终端用户驻留在 TD- LTE 网络的比例。因此本文针对性提出两种解决方案,一种是在R 准则基础上进行部分修改,另外一种则是引入基于优先级的重选准则。通过仿真数据表明,这两种方案都很好地解决了 R 重选准则所带来的弊端。相比较而言,引入优先级概念的重选判决算法在实现手段上更加灵活简便,且应用范围更广,更加适用于TD- LTE 网络和其他多制式网络共存的特点。但缺点是对 TD- SCDMA网络侧改动较大,给网络升级带来一定困难。且增加了双模终端测量的概率,进而增大了终端硬件的功耗。

1 TD- S CDMA 到 TD- LTE 跨系统重选问题分析

1.1 TD-SCDMA 和 TD-LTE 重选准则的特点

目前 TD- SCDMA 商用终端重选所遵循的准则通常也被称之为 R 准则。此准则的特点是基于目标小区和服务小区信号差值的比较,终端触发测量后,如果目标小区的信号值比服务小区好于一定门限值,则触发重选。

TD- LTE 制式终端跨系统重选则采用基于优先级的重选准则。简单来说终端触发测量后,对于高优先级的目标小区来说,只要其信号值好于一定门限,就会触发重选。

对于低优先级的目标小区而言,首先服务小区信号值低于一定门限,且目标小区的信号值高于一定门限,此时才会触发重选。由此看出此方法和TD- SCDMA 最大的不同在于:TD- LTE 的重选准则是绝对信号值的比较,而 TD- SCDMA的重选判决则是服务小区和目标小区的差值比较。

1.2 TD-SCDMA 和 TD-LTE 共站址环境下双模终端信号接收规律

在共站址(TD- SCDMA 和 TD- LTE)的小区环境下,对于静止或移动速度很低的双模终端来说,在一定时间内,其分别接收到的接收信号码功率(RSCP:Received Signal Code Power,接收信号码功率)和参考信号接收功率 (RSRP:Reference Signal Received Power)服从固定线性差值关系。

一般的,从信号覆盖的角度考虑损耗,快衰落带来的影响忽略不计。路径损耗和阴影衰落对终端的信号接收产生主要影响。终端天线接收处的信号功率值服从公式(1):

接收功率 = 基站有效发射功率 + 天线增益 - 路径损耗 - 阴影衰落 - 穿透损耗 (1)

公式(1)中:天线增益为相对空间位置和频率的函数,路径损耗为距离和频率的函数,阴影衰落呈对数正态分布,穿透损耗与室内建筑物理材料和频率有关。

对于双模终端而言,由于本身终端的特性,如两种通信制式共用一个硬件单元,共处一个地理位置等,且 TD- SCDMA 和 TD- LTE 占用频率相近,因此天线增益相近。而对于路损模型都是采用适用于2 GHz 的 Cost231- Hata 模型,则二者的路损相等。阴影效应带来的衰落对于同一个双模终端来说,对不同制式的信号损耗非常相近,差别足够小到忽略不计。穿透损耗则对于终端静止在一个不变的通信环境下是固定不变的。因此根据公式(1)得知终端接收到的 RSCP 和 RSRP 服从线性关系。

通过仿真也证实这一结论。当这两种制式都不做对边缘用户的优化时,设 TD- LTE 的全带宽(10MHz) 的发射功率为 46 dBm,TD- SCDMA 全带宽(1.28 MHz)发射功率为 33 dBm,双模终端接收信号电平值概率分布如图 1 所示。

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图 1 双模终端接收信号 CDF 图

在此基站功率配置下,对于静止的双模终端,接收到不同网络的信号值关系服从公式(2):

RSCP- RSRP=9.2 dB (2)

1.3 共站址环境下 R 重选准则问题分析

驻留在 TD- SCDMA网络的双模终端,开启测量后,当 TD- LTE 小区和 TD- SCDMA 小区的信号差值高于一定门限时,则发生跨系统重选。而在共站址环境下,这两种网络的信号差值固定不变,为保证终端能够驻留到 TD- LTE,网络侧配置门限必须满足重选标准,否则终端始终无法驻留到 TD- LTE。而当门限满足重选标准时,造成的后果是 TD- SCDMA 终端一旦开启对 TD- LTE 的测量,则必定发生重选,并驻留到 TD- LTE 小区上去。这样会导致恶劣的连锁反应。下面以图 2 为例进行分析。

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图 2 共站址小区门限参数划分区域图

假设 TD- SCDMA 覆盖全小区,TD- LTE 覆盖小区中心部分;区域 A 边界是划分 TD- SCDMA 是否触发对 TD- LTE 测量的分水岭,区域 B 的外边界是划分 TD- LTE 满足是否驻留要求的分水岭。

表 1 共站址小区 TD-SCDMA 用户行为表

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(1)对于在区域 A 的 TD- SCDMA 用户,由于网络环境和重选参数配置的原因,使得这些双模终端并不会开启对 TD- LTE 的测量,因此也无从发起跨系统重选。这样带来一个问题,从 TD- LTE 的覆盖角度看,一般情况下,离基站近的一个圆形区域信号覆盖是比较理想的。因此对于运营商来说,在 TD- LTE网络的初期规划中,希望用户在保证服务质量的情况下,优先驻留到 TD- LTE,让用户去体验高速数据服务带来的便利。在共站址的情况下,对于TD- SCDMA 的 R 准则来说,无论重选参数怎么样设置,总存在一个或大或小的圆形区域,使得TD- SCDMA 无 法 重 选 到 TD- LTE, 尽 管 此 时TD- LTE 足够好。

(2)对于在区域 B 的 TD- SCDMA 用户,由于此时 TD- SCDMA 网络低于一定门限值,此时开启测量,并根据重选准则稳定驻留到 TD- LTE 网络上。

(3)对于区域 C 的 TD- SCDMA 用户,终端根据网络状况开启测量,并重选到 TD- LTE 网络上去。但由于此时 TD- LTE 并不满足驻留标准,接着双模终端又从 TD- LTE 重选回 TD- SCDMA。这样带来的结果是终端始终在这两种网络制式做“乒乓”似的重选,根本无法正常通信,并且也会对网络增加无谓的负担。

如表 2 所示,通过仿真数据分析发现:当TD- LTE 满足驻留的最低门限值设定为 - 90 dBm时,即当区域 C 不变时,由于程序默认整个小区等概率用户撒点,因此区域 C 的用户比例保持不变,稳定在总用户数 32.4%的比例,且 TD- LTE 用户驻留比最高极限值无线趋近于 1- 32.4%=67.6%。

表 2 R 重选准则在共站址环境下用户驻留比例

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综上分析 , 可以得知对于TD- SCDMA 和TD- LTE 双模终端,在这两种制式共站址的小区环境下,TD- SCDMA 的 R 准则并不适用。现提出两种解决方案。

2 解决方案

2.1 方案 1:对 R 重选测量准则的改进此方案只是修改 TD- SCDMA 到 TD- LTE 的重选准则,对于 TD- SCDMA 系统内重选和与 GSM的跨系统重选不做修改。具体分为测量准则和判决准则两个部分。

(1)测量准则

当门限值 Qsearch 设置在(0~6)范围内时,服务小区的测量值接收信号码功率(RSCP:Received Signal Code Power) 低于表 3 中所对应的电平值时,则触发对目标小区 TD- LTE 的测量。

当门限值 Qsearch 设置在(8~14)范围内时,服务小区的测量值接收信号码功率高于表 3 中所对应的电平值时,触发对目标小区 TD- LTE 的测量。

表 3 Qsearch 测量门限值设定表

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如系统消息设置 Qsearch 为 4 时,则当 RSCP 低于 - 82 dBm 时,发起对目标小区 TD- LTE 的测量;设置 Qsearch 为 11 时,则当 RSCP 高于 - 86 dBm时,触发测量。

当 Qsearch 为 7 时,终端对 TD- LTE 小区始终做周期性测量;当 Qsearch 为 15 时,终端不开启对TD- LTE 的测量。

(2)判决准则

如表 4 所示,当终端测得目标小区(TD- LTE)的RSRP 值大于等于门限参数 Qoffset 超过 5s,则触发重选过程。其中 Qoffset 是 TD- LTE RSRP 的绝对值。

表 4 重选门限值 Qoffset 的设置

此方案的应用场景有以下几种:

(1)场景 1:TD- LTE 和 TD- SCDMA共站址这种环境下,Qsearch 设置范围应当在(7- 14)。引发的结果是,TD- SCDMA 信号越好,越有可能触发测量准则。终端一旦触发测量,由于此时 TD- LTE信号也很好,所以 TD- SCDMA用户可以稳定驻留到TD- LTE。

从 TD- LTE 用户驻留比的提升相比较前 R 准则有本质的改善。

另外对于此环境下的边缘用户来说,终端根据测量准则,并不触发测量,因此也不会发生“乒乓效应”。

需要注意的是,这种情况有个负面影响。那就是TD- SCDMA 用户信号越差,则越不可能发生重选。因此针对这一特点,应当设置 TD- SCDMA 基站功率尽量大,保证对 TD- SCDMA用户全小区覆盖。

(2)场景 2:TD- LTE 和 TD- SCDMA 非共站址小区环境

这类小区,当 Qsearch 取值(0- 7),则 RSCP 低于 Qsearch 的值就会触发测量。对于 RSCP 覆盖好的区域,减低其触发测量的概率。这种配置的优点是一定程度减少终端测量的概率,但是会对 TD- LTE 驻留比带来一定程度上的减少;

当 Qsearch 取值为 7 时,则终端始终对 TD- LTE进行测量,这样的效果正好和上述情况相反;

另外对于某些特殊情况,比如通过减 少TD- LTE 用户驻留比来降低 TD- LTE 小区的负荷,可以设置 Qsearch=15,这样 TD- SCDMA 终端始终不对 TD- LTE 进行测量,从而降低终端从 TD- SCDMA重选到 TD- LTE 的概率,以此来达到减少 TD- LTE用户的目的。

2.2 方案 2:基于优先级的跨系统重选判决

此方案和 TD- LTE 重选准则相同,都是基于优先级的重选判决,对于 TD- SCDMA和其他制式跨系统重选时,遵循优先级的重选准则,而 TD- SCDMA系统内重选,仍然采用 R 准则。具体规则在此不做赘述。

2.2.1 应用场景

对于 TD- LTE 和 TD- SCDMA 共存(包括共站址和非共站址)的小区环境,如果设置 TD- LTE 的优先级高于 TD- SCDMA,则对于驻留在 TD- SCDMA 小区的用户,会周期性对 TD- LTE 小区进行测量(如果存在的话),并根据测量结果,依据准则判决是否发起重选。

这样对于图 1 中区域 A 的 TD- SCDMA 用户,根据重选准则判决,当 TD- LTE 的信号值高于某个绝对门限值时,则触发重选。因此 TD- LTE 的驻留比也有本质提升。

对于区域 C 的 TD- SCDMA 用户,虽然始终周期性对 TD- LTE 进行测量,但由于此时 TD- LTE 的信号值并没有达到驻留标准,因此此时 TD- SCDMA用户并不会发生跨系统重选。从而避免了“乒乓效应”的发生。

2.3 方案 1 和方案 2 的优劣分析

无论是方案 1 还是方案 2,对于图 2 区域 C 中的 TD- SCDMA 用户来说都成功的解决了乒乓效应的问题。现通过仿真来对比方案 1 和方案 2 在TD- LTE 用户驻留比和 TD- SCDMA 无效测量比例上的差异。

如表 5 和表 6 所示,采用方案 1 时,分别设置Qsearch 为 8、9、10、11、12 和 13,以及 Qoffset 取值为- 78、- 84、- 90、- 96 和 - 102 dBm,根据其不同的组合情况得出 TD- LTE 用户占总用户数的比例以及TD- SCDMA 始终在测量的用户占 TD- SCDMA 总用户数的比例。

表 5 方案 1TD-LTE 用户驻留比

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表 6 方案 1TD-SCDMA 无效测量的比例

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如表 7 所示,采用方案 2 时,分别设置 TD- LTE最低驻留门限参数为 - 78、- 84、- 90、- 96 和 - 102dBm,同样得出 TD- LTE 用户占总用户数的比例以及 TD- SCDMA始终在测量的用户占 TD- SCDMA 总用户数的比例。

表 7 方案 2TD-LTE 用户驻留测量比例

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对比表 5 和表 7 可以看出,在 TD- LTE 最低驻留门限相同的情况下,采用方案 1 时,通过设置Qsearch 参数,其 TD- LTE 驻留比和方案 2 相同。当Qoffset 设置为 - 102 dBm 时,此时最大驻留比为0.971。

对比表 6 和表 7,在同样的门限前提下,方案 1比方案 2 更有效地降低了 TD- SCDMA 无效测量的比例。由于方案 2 中,规定终端驻留在低优先级的服务小区,需要始终周期性对高优先级的目标小区进行测量。因此凡是驻留在 TD- SCDMA网络的终端,总是在周期性测量。

另外值得注意的是,方案 1 相比于方案 2 在提升 TD- LTE 驻留比时,前者需要调整的参数更加复杂,并且依赖于不同小区环境下信号分布情况。相比较而言方案 2 调控手段更加简便灵活,代价是对TD- SCDMA 网络侧改动较大,给网络升级带来一定困难。且增加了双模终端测量的概率,进而增大了终端硬件的功耗。

2009 年 12 月,3GPP 工作组最终采纳方案 2,即增加 TD- SCMDA 包含优先级的重选判决。至此GSM、TD- SCDMA 和 TD- LTE 的重选准则中基于优先级的跨系统重选算法体系得到了统一,对于跨系统的重选都支持包含优先级概念的重选。

3 结语

本文以 TD- SCMDA 和 TD- LTE 重选准则的差异作为切入点,通过分析 TD- SCDMA 和 TD- LTE 共站址小区环境下双模终端接收信号的特点,发现问题并提出两种应对方案。最后将这两种新方案进行优劣对比。

需要注意的是,由于 TD- SCMDA 新重选准则的引入,因此需要对现有 TD- SCMDA 网络做出升级。如何保证对现有 TD- SCMDA终端的兼容性,是运营商不得不解决的一个问题。另外依据新的重选准则,针对不同的应用场景和网优目标,如何正确配置相应的门限参数,也是运营商在进行网络优化时所面临的一个难点。

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