基于分簇多播的集群系统切换方法与流程

本发明属于无线通讯技术领域，具体涉及一种基于分簇多播的集群系统切换方法的设计。

背景技术：

集群通信系统是为了满足行业用户的指挥调度与特定行业应用的需求而设计开发的专用无线通信系统。在集群通信系统中，大量的用户共享少量的无线信道用于指挥与调度，是一种多功能高性能的无线通信系统。

新一代的数字集群通信系统开始依托于成熟的公网通信系统，既继承了公网优秀的传输速度与质量，又充分发挥了集群系统本身的特点，因而得到了更加长足的发展。随着公众通信网向着LTE(Long Term Evolution，长期演进)发展，在其上架构集群通信系统是完全可行且有重大意义的，主要体现在以下几点：集群通信系统在各行各业的优势已经在实际中得到验证，而LTE下的集群通信系统，不仅能够满足普通的调度职能，它还能在图像、视频等生活领域发挥重要的作用。

然而，集群通信系统由于其自身的特征，对于越区切换的速度、时延、成功率以及切换过程中业务的连续性，都有高于LTE系统的要求。传统的LTE切换采用硬切换技术，切换判决大多采用事件A3触发，从切换判决、小区选择、切换执行到切换完成都需要经过繁琐的过程，存在较长的时延，并且小区边缘用户切换掉话率较高。对于快速移动的集群用户来说，在此切换完成之前信道质量已急剧下降，要求的传输速率已无法达到，导致丢包或者掉话发生。这对于有高QoS(Quality of Service，服务质量)需求的集群业务是不允许的。国内外学术界对快速移动集群应用场景的研究较少，集群用户的切换依托于现有的LTE系统切换技术，现有的硬切换技术无法满足集群业务在切换时的连续性和高传输速率。

D2D(Device to Device，设备到设备)通信是一种在系统的控制下，允许终端之间通过复用小区资源直接进行通信的新型技术，它能够增加蜂窝通信系统频谱效率，降低终端发射功率，提供更高的数据率和系统容量。现如今，学术界和工业界研究并提出了一些D2D技术与其他前沿创新技术的结合方案，譬如，基于中继的D2D通信连接网络模式，实现了网络覆盖外的用户通过D2D链路完成与基站的通信；又如，基于中继的D2D多播(多播：一种一对多的传输模式)组播合作重传，为D2D簇(簇：临近用户组成的一个子组)内重传提供了一种新策略。D2D技术作为IMT-Advanced(International Mobile Telecommunications-Advanced，高级国际移动通信)系统的关键技术，其自身的技术特点和优势，决定了其可以与多种前沿技术相结合，以达到提升通信系统性能的目的。

通过对已有蜂窝网络中基于D2D中继的辅助切换的研究，可以知道，基于D2D中继的辅助切换可以提高用户在切换过程中的传输速率、信噪比和能量效率，但是D2D连接的建立也带来了额外的时延和信令开销；且过多的建立D2D对(D2D对：通过D2D中继的一对用户)也会造成更大的能量消耗。代表性研究主要有以下两种：

(1)基于D2D通信的辅助切换(参见文献：Orsino A,Gapeyenko M,Militano L,et al.Assisted Handover Based on Device-to-Device Communications in 3GPP LTE Systems[C]//IEEE GLOBECOM Workshops.IEEE,2015.)：该算法通过让切换用户与临近用户建立D2D连接进行辅助传输，有效地提升了切换用户的传输速率、能量效率和信噪比，并有效降低了丢包率；但是，该算法没有考虑大量用户集体移动的场景，当有大量用户集体切换时需建立许多D2D对，造成较大的能量消耗并引入额外的信令开销和时延。

(2)D2D通信的切换机制(参见文献：HoYuanChen,Ho-Yuan,Mei-Ju Shih,and Hung-Yu Wei."Handover Mechanism for Device-to-Device Communication.",IEEE Conference on Standards for Communication and Networking,2015)：该文献提出了一种基于切换决策的D2D切换机制，依据切换决策选择联合切换过程或半切换过程中的一种执行切换，该机制可以有效保障临近服务的连续性，减少D2D切换失败率和LTE切换、D2D切换和模式切换的次数；但是，该机制依旧不能很好解决大量用户集体切换的问题，也会引入较大的能量消耗和信令开销。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中基于D2D中继的辅助切换方法会造成较大的能量消耗，并引入额外的信令开销和时延的问题，提出了一种基于分簇多播的集群系统切换方法。

本发明的技术方案为：基于分簇多播的集群系统切换方法，包括以下步骤：

S1、当距离源基站最远的集群用户满足D2D切换准则时，向源基站发起分簇多播请求；

S2、源基站根据小区内的用户位置、移动方向和速度信息进行簇头选择和分簇；

S3、源基站下发分簇信息给小区内的终端，所有终端接收到分簇信息后，簇头使用D2D多播为其簇内用户转发源基站下发的业务数据；

S4、簇内终端满足小区切换准则时，发送小区测量上报，使目标小区提前预留多播资源；

S5、簇内终端进入目标小区后，进行RRC连接重配置，与目标基站建立连接，使用预留的多播资源接收下行数据；

S6、与目标基站建立连接的终端参与簇头竞选，目标基站使用切换后分簇算法完成分簇和成簇阶段，成为簇头的终端通过D2D多播为还处于源基站和目标小区间未覆盖区域中的用户转发业务数据。

进一步地，步骤S1中的D2D切换准则为：满足条件RSRP_T＞RSRP_S+HOM_D2D且持续TTT_D2D时间，则触发分簇多播请求；其中RSRP_T为目标小区参考信号接收功率，RSRP_S为当前服务小区的参考信号接收功率，HOM_D2D为D2D切换的测量门限，TTT_D2D为D2D测量持续时间。

进一步地，步骤S2中进行簇头选择和分簇的具体过程为：将网络中的区域分为基站多播直传区、D2D中继区和源小区外区域，对D2D中继区内的用户进行簇头选择和分簇。

进一步地，步骤S2具体包括以下分步骤：

S21、计算每个终端在自己D2D通信范围内的终端个数、相对速率总值和剩余电量；

S22、由层次分析法，得到综合评价指标最大的终端；

S23、将综合评价指标最大的终端作为簇头，与其广播范围内的所有终端建立成为一个簇，已经成为簇头或簇内终端的终端将不再参与接下来的分簇过程；

S24、判断分簇是否完成，若是则分簇阶段结束，进入步骤S3；否则返回步骤S21进行新一轮簇头选择和成簇过程，每次均选取区域中综合评价指标最大的终端作为簇头终端。

进一步地，步骤S21中相对速率总值的计算方法为：设第i个终端的速率为V_i，其D2D覆盖区域内的终端构成一个集合φ，第j个终端的速率为V_j，其与第i个终端的移动方向的夹角为α_j，那么第i个终端的相对速率总值为：

进一步地，步骤S22中的层次分析法具体为：将准则层的三个因素，即D2D通信范围内的终端个数、相对速率总值和剩余电量按照1-9标度法两两进行相对重要度比较和取值，取值结果记为a_ij，从而构成了一个比较矩阵A＝(a_ij)_3×3；根据特征根法计算出比较矩阵A的特征向量和最大特征根，即Aw＝λ_maxw，其中λ_max为A的最大特征根，w是相对应的特征向量，w归一化后作为权重向量；将候选簇头准则层的三个因素两两相比，乘以权重向量再求和，得到各自的综合评价指标。

进一步地，步骤S24中判断分簇是否完成的判断准则为：当D2D中继区内终端均为簇头或簇内终端时，认为分簇完成。

进一步地，步骤S3中的业务数据采用的是带外中继，不复用小区频谱。

进一步地，步骤S4中小区切换准则为：满足条件RSRP_T＞RSRP_S+HOM_cell且持续TTT_cell时间，则触发小区测量报告，源基站、目标基站以及MME进行信令交互后，目标基站提前为集群用户准备好多播资源，待其进入目标小区时无需等待而是直接获得信道资源；其中RSRP_T为目标小区参考信号接收功率，RSRP_S为当前服务小区的参考信号接收功率，HOM_cell为小区切换的测量门限，TTT_cell为小区测量持续时间，且HOM_cell＞HOM_D2D，TTT_cell＞TTT_D2D。

进一步地，步骤S6中的分簇算法具体为：每一轮分簇，选取目标小区内连接度最高，即D2D通信范围覆盖终端最多的终端推举为簇头，其D2D覆盖范围内的终端成为其簇内终端，接受簇头为其中继转发业务数据；已经成为簇头或者簇内终端的终端将不再参与接下来的分簇过程；循环执行簇头选择和成簇过程，直至D2D中继区和目标小区外的所有终端都成为簇头或者簇内终端后，分簇阶段结束。

本发明的有益效果是：本发明采用双阀值判决准则，使得集群用户移动到D2D中继区域时，触发分簇过程，通过D2D簇头多播转发基站数据来弥补信道质量差的用户的数据传输率，并可以保障移动到小区外的用户能持续接收数据。通过D2D中继作为越区切换的过渡，集群用户实现了越区切换过程中业务的连续性和高速率传输；此外，当集群用户满足小区切换准则时会触发目标小区提前为其预留多播资源，进入目标小区的集群用户，在RRC连接重配置与目标基站建立连接之后，在预留的多播信道上接收数据即可。本发明实现了集群用户跨越物理上有缝的两小区时的无缝切换，同时D2D多播中继作为越区切换的过渡，也延迟了集群用户切换接入目标小区，在一定程度上减少了乒乓效应的发生。通过修改门限HOM_D2D和持续时间TTT_D2D，还可满足不同集群用户的不同QoS需求。本发明可以有效满足集群用户在越区切换过程中的高数据率、低切换时延和高切换成功率的需求，并实现其在切换过程中业务的连续性和高速率传输。

附图说明

图1为本发明提供的基于分簇多播的集群系统切换方法流程图。

图2为本发明实施例的基于分簇多播的集群用户切换机制示意图。

图3为本发明步骤S2的分步骤流程图。

图4为本发明实施例的双阀值切换判决准则示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。

本发明应用的网络场景为：集群用户均处在同一个小区，通过多播信道接收数据；集群用户移动方向和速度随机，周围临近小区内均无同组用户，即如果用户移动到其他小区，需要其他小区为其分配多播资源。集群用户的移动方式存在独自移动和集体移动两种，移动到小区边缘的一个或多个用户可以申请和周围临近用户建立D2D簇，通过簇头为其转发下行业务数据，保障集群用户在切换过程中的SNR(Signal Noise Ratio，信噪比)和数据率。

基于上述思想，本发明提供了一种基于分簇多播的集群系统切换方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、当距离源基站最远的集群用户满足D2D切换准则时，向源基站发起分簇多播请求。

D2D切换准则为：满足条件RSRP_T＞RSRP_S+HOM_D2D且持续TTT_D2D时间，则触发分簇多播请求。其中RSRP_T为目标小区参考信号接收功率，RSRP_S为当前服务小区的参考信号接收功率，HOM_D2D为D2D切换的测量门限，TTT_D2D为D2D测量持续时间。

S2、源基站根据小区内的用户位置、移动方向和速度信息进行簇头选择和分簇。

如图2所示，根据小区范围内信道质量和参考信号接收功率，可将小区内区域分成两个区域：区域1为基站多播直传区，区域2为D2D中继区；源小区之外的区域为区域3。

对区域2中的用户进行簇头选择和分簇，如图3所示，具体过程为：

S21、计算每个终端在自己D2D通信范围内的终端个数、相对速率总值和剩余电量。

相对速率总值的计算方法为：设第i个终端的速率为V_i，其D2D覆盖区域内的终端构成一个集合φ，第j个终端的速率为V_j，其与第i个终端的移动方向的夹角为α_j，那么第i个终端的相对速率总值为：

S22、由层次分析法，得到综合评价指标最大的终端。

这里采用的层次分析法的具体实施方法为：将准则层的三个因素，即D2D通信范围内的终端个数、相对速率总值和剩余电量按照1-9标度法两两进行相对重要度比较和取值，取值结果记为a_ij，从而构成了一个比较矩阵A＝(a_ij)_3×3。根据特征根法计算出比较矩阵A的特征向量和最大特征根，即Aw＝λ_maxw，其中λ_max为A的最大特征根，w是相对应的特征向量，w归一化后作为权重向量。将候选簇头准则层的三个因素两两相比，乘以权重向量再求和，得到各自的综合评价指标。

S23、将综合评价指标最大的终端作为簇头，与其广播范围内的所有终端建立成为一个簇，已经成为簇头或簇内终端的终端将不再参与接下来的分簇过程。

S24、判断分簇是否完成(判断准则为：当D2D中继区内终端均为簇头或簇内终端时，认为分簇完成)，若是则分簇阶段结束，进入步骤S3；否则返回步骤S21进行新一轮簇头选择和成簇过程，每次均选取区域中综合评价指标最大的终端作为簇头终端。

S3、源基站下发分簇信息给小区内的终端，所有终端接收到分簇信息后，簇头使用D2D多播为其簇内用户转发源基站下发的业务数据。

这里簇头D2D多播业务数据，采用的是带外中继，不复用小区频谱，这样有效地避免了D2D通信对蜂窝通信的干扰。

S4、簇内终端满足小区切换准则时，发送小区测量上报，使目标小区提前预留多播资源。

小区切换准则为：满足条件RSRP_T＞RSRP_S+HOM_cell且持续TTT_cell时间，则触发小区测量报告，源基站、目标基站以及MME(Mobility Management Entity，移动性管理实体)进行信令交互后，目标基站提前为集群用户准备好多播资源，待其进入目标小区时无需等待而是直接获得信道资源。其中RSRP_T为目标小区参考信号接收功率，RSRP_S为当前服务小区的参考信号接收功率，HOM_cell为小区切换的测量门限，TTT_cell为小区测量持续时间。

传统的LTE切换触发机制多采用事件A3准则，其主要思想是：当在TTT时间内，满足邻小区的RSRP(Reference Signal Receiving Power，参考信号接收功率)大于当前服务小区的RSRP与HOM(handover margin，切换阀值)之和这一条件时，即可发送测量报告。然而，集群用户有更高的数据率和切换时延要求，此准则已不适用。因此，本发明提出一种适用于集群用户的双阀值判决准则，具体思想是：设置两个阀值：HOM_D2D和HOM_cell，当邻小区的RSRP大于当前服务小区的RSRP与切换阀值HOM_D2D之和，且持续TTT_D2D时间，触发分簇多播请求，进而进行分簇过程；当邻小区的RSRP大于当前服务小区的RSRP与切换阀值HOM_cell之和，且持续TTT_cell时间，触发小区测量报告，让目标小区提前为用户预留多播资源。为了满足集群用户更高的数据率和切换时延，设置阀值和持续时间需满足条件：HOM_cell＞HOM_D2D，TTT_cell＞TTT_D2D，具体值由网络侧设定，如图4所示。

S5、簇内终端进入目标小区后，进行RRC(Radio Resource Control，无线资源控制)连接重配置，与目标基站建立连接，使用预留的多播资源接收下行数据。后续进入目标小区的终端，将通信模式从D2D模式切换到小区模式，共享同组用户的多播下行信道，在此信道上接收数据。

S6、与目标基站建立连接的终端参与簇头竞选，目标基站使用切换后分簇算法完成分簇和成簇阶段，成为簇头的终端通过D2D多播为还处于源基站和目标小区间未覆盖区域中的用户转发业务数据。该步骤中的分簇算法为了能更快收敛，简化求解最优簇头的过程。

分簇算法具体为：每一轮分簇，选取目标小区内连接度最高，即D2D通信范围覆盖终端最多的终端推举为簇头，其D2D覆盖范围内的终端成为其簇内终端，接受簇头为其中继转发业务数据。已经成为簇头或者簇内终端的终端将不再参与接下来的分簇过程。循环执行簇头选择和成簇过程，直至D2D中继区和目标小区外的所有终端都成为簇头或者簇内终端后，分簇阶段结束。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。