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标题: TD-SCDMA到TD-LTE跨系统小区重选仿真研究 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-11 19:53
标题: TD-SCDMA到TD-LTE跨系统小区重选仿真研究
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。

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。

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

（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

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

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

表 6 方案 1TD-SCDMA 无效测量的比例

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

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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