（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司， 北京 100080）

TD-LTE同頻異頻切換性能研究

馬寧， 李春明， 萬仁輝， 武琳棟

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司， 北京 100080）

中國(guó)移動(dòng)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)宏站覆蓋有D頻段和F頻段兩個(gè)頻段，對(duì)應(yīng)有同頻切換和異頻切換兩種方式，兩種切換過程基本相同。同頻切換前SINR會(huì)比較差，切換后SINR提升比較明顯，異頻切換時(shí)由于有頻率隔離，SINR值一直比較趨于穩(wěn)定，切換后SINR值也會(huì)有所提升，但是會(huì)有異頻測(cè)量GAP時(shí)間占用。兩種切換方式都會(huì)提升速率，但從大量測(cè)試數(shù)據(jù)分析來看，異頻切換速率提升幅度高于同頻切換。

TD-LTE； D頻段； F頻段； 同頻切換； 異頻切換； RSRP； SINR； 速率

TD-LTE目前主要是同頻組網(wǎng)，有部分區(qū)域?yàn)镈和F頻段共站雙層組網(wǎng)或插花組網(wǎng)建設(shè)方式。隨著覆蓋和容量的需求增加，市區(qū)D和F共站雙層網(wǎng)將會(huì)成為主要組網(wǎng)方式，隨之將會(huì)產(chǎn)生較多的異頻切換，因此，需要研究同頻組網(wǎng)和異頻組網(wǎng)在切換方面的性能差異，通過大量測(cè)試數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證，對(duì)比兩者對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，為后續(xù)組網(wǎng)策略的確定和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供參考。

本文主要研究同頻切換和異頻切換對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能和速率的影響。

1 切換過程

TD-LTE系統(tǒng)中的切換過程劃分為以下3個(gè)步驟：

(1）切換測(cè)量（包括測(cè)量濾波、算法觸發(fā)測(cè)量報(bào)告）；(2）切換判決；(3）切換執(zhí)行。

其中切換測(cè)量由UE和eNode B完成；切換判決在eNode B中進(jìn)行；切換執(zhí)行是在UE、eNode B和 MME共同協(xié)作下完成。

1.1 切換測(cè)量

在TD-LTE系統(tǒng)中，UE是按照E-UTRAN提供的“測(cè)量控制”信息來進(jìn)行測(cè)量和報(bào)告測(cè)量消息的。E-UTRAN向UE下達(dá)“測(cè)量控制”信息，它又是E-UTRAN下發(fā)給UE的測(cè)量要求，會(huì)在此信息中包含對(duì)同頻和異頻的測(cè)量要求；UE收到“測(cè)量控制”信息后，會(huì)按照測(cè)量要求進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果以測(cè)量報(bào)告的形式上報(bào)給E-UTRAN。

測(cè)量報(bào)告消息包括了測(cè)量標(biāo)識(shí)，服務(wù)小區(qū)和待切換的小區(qū)相關(guān)信息。E-UTRAN 規(guī)定了A1、A2、A3、A4、A5、B1、B2 等 7 種測(cè)量報(bào)告種類：

A1事件用于異頻、異系統(tǒng)測(cè)量的停止；A2事件用于異頻、異系統(tǒng)測(cè)量的啟動(dòng)；A3事件用于啟動(dòng)同頻切換；A4事件用于指示鄰區(qū)小區(qū)質(zhì)量高于指定的絕對(duì)門限；A5事件用于指示服務(wù)小區(qū)質(zhì)量低于指定的絕對(duì)門限，同時(shí)相鄰小區(qū)的小區(qū)質(zhì)量高于指定的絕對(duì)門限；

B1事件用于指示異系統(tǒng)鄰區(qū)小區(qū)質(zhì)量高于指定的絕對(duì)門限；

B2事件用于指示服務(wù)小區(qū)質(zhì)量低于指定的絕對(duì)門限，同時(shí)異系統(tǒng)相鄰小區(qū)的小區(qū)質(zhì)量高于指定的絕對(duì)門限。

以上事件所涉及的參數(shù)基本上在網(wǎng)絡(luò)端發(fā)給UE端的測(cè)量控制消息里面，即RRC連接重配置消息里。

1.2 切換判決

eNode B接收到測(cè)量報(bào)告事件后，根據(jù)切換算法和事件報(bào)告類型決定是否需要進(jìn)行小區(qū)切換，如需切換還需判決切換是屬于同頻切換、異頻切換還是異系統(tǒng)切換。

1．2．1 同頻切換

同頻切換判決事件準(zhǔn)則采用A3事件(如圖1所示)，即相鄰小區(qū)質(zhì)量好于服務(wù)小區(qū)且差值超過指定門限即切換遲滯（HOM），且此狀態(tài)持續(xù)一段時(shí)間（TTT）后，UE向網(wǎng)絡(luò)側(cè)上報(bào)A3事件報(bào)告。網(wǎng)絡(luò)側(cè)收到該報(bào)告后就立刻進(jìn)行切換判決，判決成功后就開始向鄰小區(qū)切換。由于同一時(shí)刻可能有多個(gè)鄰小區(qū)同時(shí)滿足A3事件報(bào)告，因此，A3報(bào)告中可以同時(shí)包含多個(gè)信號(hào)質(zhì)量滿足條件的鄰小區(qū)。

A3-1（觸發(fā)條件)： Mn+Ofn+Ocn-Hys＞Ms+ Ofs+Ocs+Off

A3-2（取消條件)： Mn+Ofn+Ocn-Hys＜Ms+ Ofs+Ocs+Off

1．2．2 異頻切換

異頻切換需要額外對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置。配置A1/A2事件來停止或開始對(duì)異頻鄰區(qū)的測(cè)量。

RRC重配中配置異頻的頻點(diǎn)測(cè)量相關(guān)信息，包括Measurement GAP相關(guān)信息。所謂GAP就是說UE在GAP這段時(shí)間里不在服務(wù)小區(qū)收發(fā)數(shù)據(jù)，而是將接收機(jī)的頻點(diǎn)轉(zhuǎn)換到異頻/異系統(tǒng)鄰區(qū)的頻點(diǎn)上，去測(cè)量異頻/異系統(tǒng)鄰區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度信息。對(duì)于TD-LTE異頻切換，就是測(cè)量異頻鄰區(qū)的PCI和RSRP信息。這種GAP的設(shè)置是系統(tǒng)側(cè)完全控制的，UE被動(dòng)接收。當(dāng)然系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)也得考慮停止在GAP期間對(duì)UE進(jìn)行下行調(diào)度和上行Grant的分配。在GAP測(cè)量時(shí)間(6 ms)到達(dá)后，又轉(zhuǎn)回去原來服務(wù)小區(qū)的頻點(diǎn)進(jìn)行正常收發(fā)數(shù)據(jù)。重復(fù)周期可設(shè)置為40 ms或80 ms。

Measurement GAP目前有兩種配置，一般配置為gp0，gp0的GAP長(zhǎng)度為6 ms，重復(fù)周期為40 ms。

從對(duì)UE性能的影響方面來看，從A2事件觸發(fā)異頻測(cè)量后才會(huì)開始，而這個(gè)和A2事件的配置相關(guān)。在進(jìn)行異頻測(cè)量時(shí)，若配置為gp0，則40 ms中有6 ms是不能用的。如果當(dāng)時(shí)UE不是占用了全部的RB，系統(tǒng)側(cè)應(yīng)該能夠錯(cuò)開那6 ms調(diào)度，對(duì)用戶吞吐量性能影響很小。如果UE當(dāng)時(shí)占用了全部下行RB，用戶在有異頻測(cè)量的情況下，上下行綜合的吞吐量損失不到15%(6 ms/40 ms)，考慮到6 ms中上行時(shí)隙占用的情況，可能下行吞吐量損失不到8%。A2和A4事件圖解如圖2。

圖1 A3事件圖解

圖2 A2和A4事件圖解

A2事件：服務(wù)小區(qū)質(zhì)量低于某個(gè)閥值

A2-1（觸發(fā)條件）： Ms-Hys＞Thresh

A2-2（取消條件）： Ms+Hys＜Thresh

A4事件：異頻鄰區(qū)質(zhì)量高于某個(gè)閥值

A4-1（觸發(fā)條件）： Mn+Ofn+Ocn-Hys＞Thresh

A4-2（取消條件）： Mn+Ofn+Ocn+Hys＜Thresh

2 切換性能數(shù)據(jù)分析

A3觸發(fā)的同頻切換，屬于功率裕量切換，切換前相鄰小區(qū)的RSRP已經(jīng)差于服務(wù)小區(qū)RSRP，所以切換前的SINR必將出現(xiàn)惡化，隨之下載速率下降。切換完成后，服務(wù)小區(qū)的RSRP增強(qiáng)，SINR也有明顯的改善，同頻切換有效保證了業(yè)務(wù)持續(xù)性。

相對(duì)于同頻切換，異頻切換由于頻率隔離的作用，在A4切換前SINR保持在一個(gè)平穩(wěn)的狀態(tài)，切換后由于服務(wù)小區(qū)的RSRP電平的升高，SINR的改善更加明顯，下載速率在切換前后保持在平穩(wěn)的狀態(tài)。同頻切換和異頻切換前后性能對(duì)比如圖3所示。

從大量的切換統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果來看，異頻切換明顯優(yōu)于同頻切換性能。

為了比對(duì)同異頻切換的差異，選取多個(gè)異頻組網(wǎng)城市的商用終端測(cè)試數(shù)據(jù)，測(cè)試時(shí)網(wǎng)絡(luò)近似空載（是否加載對(duì)基于RSRP的切換影響可以忽略），組網(wǎng)方式為D/ F共址雙層組網(wǎng)和D、F局部插花組網(wǎng)，如圖4所示。

圖3 同頻切換和異頻切換前后性能對(duì)比

分析結(jié)果分為同頻和異頻切換兩個(gè)部分，統(tǒng)計(jì)了切換前后5 s、3 s和1 s的RSRP、SINR、DL PDCP THR（PDCP層速率）、DL PHY THR（物理層速率）四個(gè)指標(biāo)，具體結(jié)果如表1所示。

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，同頻切換前5 s比切換前1 s物理層吞吐量下降18%，而異頻切換只下降1%。同頻切換前5 s比切換前1 s SINR下降35%，而異頻切換只下降11%。切換前后1 s異頻切換的RSRP改善好于同頻切換，主要是同異頻切換的偏置和遲滯值有所差異，切換難度不同。

從以上性能統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，在承載較小的情況下，異頻切換在下載速率和SINR兩個(gè)指標(biāo)上，明顯優(yōu)于同頻切換。隨著業(yè)務(wù)承載的增加，這種差異將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。

2.1 同異頻切換物理層下載速率對(duì)比

切換對(duì)業(yè)務(wù)速率也會(huì)產(chǎn)生一定影響，通過數(shù)據(jù)對(duì)同頻切換和異頻切換對(duì)速率影響進(jìn)行觀察，如表2所示。

表1 同頻切換和異頻切換性能統(tǒng)計(jì)

圖4 組網(wǎng)方式圖

同頻切換前1 s物理層吞吐量較同頻切換前5 s物理層吞吐量下降18%左右，變化幅度劇烈，異頻頻切換前1 s物理層吞吐量較異頻切換前5 s物理層吞吐量下降1%左右，變化幅度很小。

同頻切換后5 s的物理層吞吐量較切換前5 s的物理層吞吐量提升29%，異頻切換后5 s的物理層吞吐量較切換前5 s的物理層吞吐量提升43%。

也就是說同頻切換前，速率下降快，切換后，速率提升慢，而異頻切換相反。說明異頻切換有更好的用戶感知。

2.2 同異頻切換RSRP對(duì)比

從圖5可以看出，同頻切換前后RSRP有一定躍升，但是變化不明顯，趨勢(shì)線很相近。而異頻切換前后1 s RSRP差異較大，趨勢(shì)線相距較遠(yuǎn)。主要是同異頻切換的偏置、遲滯值以及門限有所差異，切換難度不同，異頻切換需要進(jìn)行兩次測(cè)量，即A2和A4測(cè)量，A4切換門限相對(duì)于A3切換門限更低一些，所以切換前RSRP更低，切換后RSRP改善更加明顯的原因。

2.3 同異頻切換SINR對(duì)比

同頻切換前5 s比切換前1 s SINR下降35%，而異頻切換只下降11%。從圖6可以看出，同頻切換時(shí)由于同頻干擾的存在，進(jìn)入切換區(qū)域時(shí)SINR必然會(huì)惡化，切換完成后會(huì)有SINR值的躍升。異頻切換前后1 s SINR值變化不如同頻切換變化劇烈，是由于不同頻段的隔離，切換前后SINR值一直處于一個(gè)較好的范圍。

3 結(jié)論

從測(cè)試結(jié)果來看，同頻切換前速率下降幅度較大，切換完成后速率提升幅度較小，而異頻切換前速率變化幅度很小，切換完成后速率提升幅度較大。

一般來說，同頻切換無需啟動(dòng)異頻測(cè)量，所以無需GAP時(shí)間占用，但是由于同頻的干擾，會(huì)在切換區(qū)域惡化SINR，速率下降明顯，切換完成后仍處于小區(qū)邊緣，同頻干擾仍存在，速率提升幅度較小。異頻切換前由于需要異頻測(cè)量的GAP時(shí)間，會(huì)浪費(fèi)時(shí)間資源，但是GAP時(shí)間較短，對(duì)速率影響不大（理論值小于8%），而且切換前后的SINR由于頻率的隔離一直處于較好的范圍，且切換完成后SINR會(huì)有提升，所以切換完成后速率提升幅度較大。

表2 同頻切換和異頻切換對(duì)速率影響對(duì)比

圖6 同頻切換異頻切換前后1 s的SINR散點(diǎn)圖

所以，異頻切換不僅在切換前對(duì)速率影響很小，而且切換完成后速率提升幅度較大，總體性能優(yōu)于同頻切換。

因此，D/F分區(qū)域組網(wǎng)和D/F局部插花的組網(wǎng)方式，異頻切換性能優(yōu)于同頻切換性能，并且，D/F共址雙層組網(wǎng)是今后組網(wǎng)方式的趨勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

網(wǎng)絡(luò)建設(shè)只是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)性能是保持中國(guó)移動(dòng)領(lǐng)先地位的關(guān)鍵，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量是通信企業(yè)的生命線。我們要不不斷研究網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的新策略、新方法，不斷探索提升網(wǎng)絡(luò)性能的新技術(shù)、新手段，繼續(xù)保持中國(guó)移動(dòng)的領(lǐng)先地位，擴(kuò)大競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

[1] 王映民， 孫韶輝等． TD-LTE-Advanced移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]．北京：人民郵電出版社， 2012．

[2] Eri Dahlman，Stefan Parkvall，Johan Skold． 4G移動(dòng)通信技術(shù)權(quán)威指南[M]． 堵久輝，繆慶育譯． 北京：人民郵電出版社，2012．

The study of handover performance with intra- frequency and inter-frequency

MA Ning, LI Chun-ming, WAN Ren-hui, WU Lin-dong
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

Macro station of CMCC TD-LTE network is deployed in band D and band F. There are two kinds of handover: intra-frequency handover and inter-frequency handover, which are similar in handover progress. In intra-freqnency handover, SINR is relatively poor before handover while SINR improves greatly after handover. In inter-freqnency handover, because of frequency isolation, SINR is relatively stable and improves a little after handover, but the GAP of inter-freqnency measurement will take up some time. Both kinds of handover can improve the speed , but juding from a large number of test data, inter-freqnency handover show more speed improvement than intra-freqnency handover.

TD-LTE; band D; band F; intra-freqnency handover; inter-freqnency handover; RSRP; SINR; speed

TN929.5

A

1008-5599（2014）07-0067－05

2014-04-01