一种基于宏基站参考信号TOA估计的LTE‑Hi小小区发现方法与流程

本发明属于移动通信技术领域，涉及一种基于宏基站参考信号TOA估计的LTE-Hi小小区发现方法。

背景技术：

近年来，无线数据流量增长迅速，且绝大部分发生在室内及热点地区。然而，目前的移动通信系统主要针对宏覆盖场景提供服务，不能很好地满足室内及热点地区用户的需求。针对热点和室内覆盖的进一步需求，3GPP在Release-12中提出了小小区增强(small cell enhancement,SCE)的解决方案，特别地，其中的小小区室内场景及热点场景，与目前业界热点研究技术LTE-Hi在设计场景、技术方案和性能目标等方面密切相关，二者均直接重点面向热点区域和室内区域进行业务覆盖的场景及目标。

除了相对于宏小区(macro cell)的覆盖范围差异外，小小区基站通常是指体积小、重量轻、发射功率低以及支持较少载波数的基站，它可以弥补宏小区覆盖(例如热点地区和室内深度部署)的不足。在室外热点地区，小小区能为宏小区提供负载分流(data offloading)，缓解宏小区的业务流量压力。并且，小小区还可以与载波聚合、LTE-U(非授权频段LTE系统)等新技术相结合，通过增加接入带宽来提高网络吞吐量。然而，小小区基站的部署除了带来上述优点外，也带来了复杂的异构网干扰控制与消除、复杂的用户接入控制管理以及小小区基站之间的多跳同步需求等问题。此外，对于LTE-Hi系统而言，小小区不仅要支持在宏小区覆盖范围内的部署，也要支持不在宏小区的覆盖范围内的单独部署，例如深室内场景。值得说明的是，LTE-Hi小小区的室内、室外部署最大的区别在于用户设备(User Equipment,UE)的移动性。室内场景中，UE通常保持静止或低速移动，而在室外场景中UE则可能有相对移动速度较快的UE。

LTE-Hi系统的小小区部署一般较为密集，单个小小区的覆盖范围小，UE需从众多小小区中发现并筛选出最适合自己进行业务连接的小小区，即UE通过小小区发现技术实现从与宏基站通信转换到与小小区基站通信的过程，从而达到将业务从宏小区分流到小小区的目的。目前，LTE系统中的小区发现机制是利用主同步信号(Primary Synchronization Signal,PSS)、辅同步信号(Secondary Synchronization Signal,SSS)以及小区特定参考信号(Cell-specific Reference Signal,CRS)的检测来实现。对于LTE-Hi系统，为了让UE检测并发现LTE-Hi小小区的存在，可以使用传统的LTE小区发现机制，即UE在LTE-Hi小小区基站的工作频段上搜索小小区基站发出的PSS/SSS/CRS信号，从而完成小小区发现。由于LTE-Hi小小区基站的工作频段在3.5GHz，所以其小小区的发现过程是在与宏基站不同的工作频段上进行的，但发现机制和处理流程完全一致。相对于传统的LTE小区发现过程，LTE-Hi小小区发现过程是一种在宏基站与小小区基站工作频段之间进行频间扫描(inter-frequency scanning,IFS)的过程，因此，IFS也就成为LTE-Hi小小区发现的核心步骤及关键问题。值得说明的是，为了便于区别UE在不同频段上的IFS操作，这里用同频检测(或同频扫描)指代UE对于宏小区基站信号的测量检测，而用异频检测(或异频扫描)指代UE对于LTE-Hi小小区基站信号的测量检测。

LTE-Hi小小区发现技术所面临的主要问题是：(1)UE在进行基于IFS的小小区发现时，其所消耗的能量(或功率)会因为所测载波数目的增加而增加。(2)随着小小区的增多，UE在进行小小区IFS搜索时，需要进行大量的、固定周期下的异频检测(这里的“异频”特指与宏基站频段不一样的LTE-Hi小小区频段)。在很多实际情况下，有的IFS操作对于UE来说是不必要的，比如当UE仅仅是快速地通过小小区覆盖区域时，UE即便发现了小小区的存在，由于其在该小小区的短暂的驻留时间，UE也不会将业务分流到小小区。这种情况下的IFS往往会浪费UE的大量能量。此外，如果UE处于LTE-Hi小小区覆盖区域之外，此时反复的IFS操作更是无益的，白白浪费UE的功耗。(3)UE在进行IFS的过程中，还可能受到小区簇内多个小小区基站所传输的发现信号和参考信号之间的严重干扰的影响。综上所述，小小区的发现机制与技术方案，主要的着眼点就在于解决上述的三个问题，其中核心的目标之一是从UE能效(energy efficiency)角度出发，尽可能地以较低的能耗代价实现UE对小小区的快速有效发现，以便利用小小区并实现业务分流。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于宏基站信号TOA估计的小小区发现方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于宏基站信号TOA估计的LTE-Hi小小区发现方法，包括以下步骤：

1)对宏小区网络覆盖范围内的地理区域预先进行规划，即根据小小区的部署分布情况将每个小小区的邻近区域划分为多个局部区域，且各个局部区域之间并不重叠；

2)由网络系统给每个局部区域分配多个UE，每个局部区域内的UE在其区域位置内获得来自附近的宏基站信号，并测量相应的TOA数据组，然后上报网络系统或进行本地存储，形成初始的TOA指纹数据库；

3)UE以周期Ts为单位循环地进行宏小区信号的TOA估计，若在TOA指纹数据库中找到与某一个局部区域相匹配的指纹则进入步骤4)，否则就等待下一个周期的到来重新进行匹配操作；

4)在每条TOA指纹中添加标志字节SCStatusFlag用于记录对应的小小区当前工作状态，由网络系统检查已匹配指纹中的标志字节，若SCStatusFlag标记为Active或Idle状态，则触发UE进行IFS小小区发现；否则返回步骤3)；

5)UE在小小区工作频段上进行IFS操作，若在此过程中正确地发现了某个小小区的存在，则重选并驻留到该小小区或者将进行中的宏基站业务切换到该小小区，就此完成小小区发现的操作。

进一步的，完成一次小小区发现后，指纹数据库根据该次成功进行小小区发现的TOA估计值，对指纹数据库中相应的TOA指纹数据进行数据平滑更新处理。

进一步的，当UE处于逐渐离开当前服务小小区且无法切换到其他小小区的场景时，UE返回步骤3)，重新开始新的小小区发现操作。

进一步的，在每条TOA指纹中添加标志字节UEStatusFlag用于判断UE移动状态，UE的当前移动速度临界值为：v_max＝2r_i/Ts，超过该临界值时不会触发UE的IFS操作，其中r_i为网络中第i个局部区域的参考信号TOA测量误差控制参数。

进一步的，步骤3)中所述相匹配的指纹是指UE上报的TOA估计值与数据库中某条指纹所包含的TOA数值均方误差δ满足预设的范围，即-β<δ<β，β＝10log[(R+r)/(R-r)]+η，其中R为小小区覆盖半径，r定义为参考信号到达时间测量的误差限度，η为误差调整参数。

进一步的，UE在开机后应该进行一次不用指纹匹配触发的强制IFS操作，然后再进入TOA指纹匹配方案下的操作。

进一步的，在UE驻留或切换到新发现的小小区之后，可以采用两种方法进行宏小区与小小区之间的重选或者切换：

1)UE以Ts为周期进行指纹数据获取和匹配搜索，如果UE找不到匹配的小小区，则需要退回宏小区获取接入链接；如果UE找到的匹配指纹与当前的小小区指纹一致，则UE保持驻留在当前小小区；如果UE找到的匹配指纹来自于新的小小区，则UE需要重选或切换到新的小小区；

2)UE在小小区工作频段上使用LTE系统的s-Measure测量机制，如果UE监测到服务小小区的信号强度开始减弱并有切换回到宏小区的趋势，则可以返回步骤3)，重启小小区发现操作，以利于UE准备重选或者切换回宏小区。

本发明的有益效果在于：与传统的LTE小区发现方案相比，本发明方案能将UE的IFS异频检测区域控制在一个很小的范围内(该范围应当且可由网络确定为正处于开启或者空闲状态的某小小区覆盖范围)，当UE处于此范围之外或者其仅是快速通过此区域时，TOA指纹无法产生匹配以激励引发UE的IFS动作，由此大量地减少和规避UE的无效IFS异频检测次数，从而较好地解决UE在进行小小区发现时的能耗效率问题。此外，相对于传统的基于RSSI/RSRP测量的宏小区/小区检测方案易受噪声和干扰影响之情况，本发明提出的基于TOA指纹设计与搜索匹配的IFS方案，可进一步提高小小区发现的有效性和可靠性。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明的信令流程图；

图2为本发明的步骤流程图；

图3为本发明的TOA指纹匹配精度控制参数图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明的信令流程图，本发明的技术实施方案基于多个宏小区基站参考信号到达位于不同地理位置的UE存在差异的特性，可以将网络区域进行区域化(或者网格化)处理，提出以宏基站信号到达时间估计为基础，构建TOA指纹数据库，对UE所处地理位置进行指纹匹配搜索和定位评估，以确定UE周围是否存在可能具备业务分流能力的小小区，从而最终实现LTE-Hi系统小小区发现的目的。

具体地，本发明方案的展开实施包括以下所列的三个初始条件和七个主要步骤：

初始条件1：宏小区网络覆盖范围内的地理区域预先进行规划，并根据小小区的部署分布情况划分为M个局部区域(每个局部区域可视为某个小小区基站附近的一个地理网格，其大小可根据系统或网络所支持的合理复杂度和小小区覆盖区域辨识精度设置)。

初始条件2：由系统指定或分配多个UE，事先在初始条件1中划定的各个局部区域内进行TOA初始化测量估计。在每个局部区域内的UE，在其区域位置内可获得来自附近N个宏基站信号，并测量相应的TOA数据组，然后上报网络系统。

初始条件3：网络系统根据初始条件2中收集UE上报的指纹数据，根据初始条件1中相应的M个局部区域划分，形成初始的TOA指纹数据库，该指纹数据库可以保存在网络端或者直接下发到各个UE进行远端存储。TOA指纹数据库的具体构成由表1所示，数据库中总共包含M个指纹，每个指纹数据由来自N个宏小区基站信号的TOA估计值、对应的N个宏小区ID以及2个标志字节(SCStatusFlag、UEStatusFlag)组成。特别地，考虑小小区的工作状态可能是动态的，即可能处于开启(Active)、空闲(Idle)或者关闭(Closed)等状态，每个指纹中的1个标志字节SCStatusFlag记录了该TOA指纹对应的小小区的当前工作状态。考虑UE在网络中的移动状态可以分为静止(Stationary)、低速(Low Speed)、中速(Middle Speed)及高速(High Speed)等，还在指纹中增加了1个标志字节UEStatusFlag，用作UE的相关移动状态判断记录。

表1宏基站信号TOA指纹数据库

图2为本发明的步骤流程图，参照图2本发明主要包含以下七个步骤。

步骤一：假设需要进行小小区发现的目标UE处于宏小区网络覆盖范围中的某个区域，则目标UE在该区域内能够收到来自附近的多个宏小区基站信号。在UE试图进行小小区发现的IFS操作之前，UE先以周期Ts为单位循环地进行宏小区信号的TOA估计。

步骤二：目标UE通过测量和处理来自周围多个宏小区基站的参考信号，能够从中找到N个信号最强的宏基站参考信号并由此获得各个相应宏小区的小区ID。在UE的接收信号中，通过与UE产生的本地信号进行滑动相关运算，并搜索相关峰值出现的位置，UE能够估计出N个宏小区信号到达UE的TOA数值。在这个N个TOA估计数值的基础上，UE将其组合成一条TOA指纹数据组，并上报网络(或者在本地存储)。

步骤三：上报到网络的TOA指纹数据，与TOA指纹数据库中的各条TOA指纹进行逐条匹配搜索，当且仅当该TOA指纹数据与TOA指纹数据库(见表1)中的某条TOA指纹相匹配(即UE上报的TOA估计值与数据库中某条指纹中所包含的TOA数值的均方误差δ在一个预设的范围内，即-β<δ<β，并且UE上报的N个宏小区ID与数据库中该条指纹所含的宏小区ID严格一一对应)时，即可认为找到了匹配的TOA指纹。β＝10log[(R+r)/(R-r)]+η，其中R为小小区覆盖半径，r定义为参考信号到达时间测量的误差限度，η为误差调整参数。关于TOA指纹匹配精度控制参数的理解可以参照图3。如果UE本地存有指纹数据库，则本步骤的指纹匹配搜索操作就在UE端完成。如果本步骤的条件不满足，即UE没有找到匹配的指纹，则UE的操作返回步骤一，并等待下一个T_s周期的到来后，再从步骤一开始新的操作。

步骤四：在步骤三中已经确定指纹匹配的条件下，由网络系统检查已匹配指纹中的两个标志字节。如果SCStatusFlag标记为“Active/Idle”状态，则可认为UE进行IFS的基本条件完全满足，系统将触发UE开始进行基于IFS的小小区信号检测。如果本步骤的条件不满足，则UE的操作返回步骤一，并等待下一个T_s周期到来后，再从步骤一开始新的操作。

步骤五：UE在小小区工作频段上进行IFS操作，如果在此过程中正确地发现了某个小小区的存在，则重选并驻留到该小小区或者将进行中的宏基站业务切换到该小小区，就此完成小小区发现的操作。指纹数据库根据本次成功进行小小区发现的TOA估计值，对指纹数据库中相应的TOA指纹数据进行数据平滑更新处理，以便提高指纹数据库中TOA数值的精确度。

步骤六：在UE驻留或切换到新发现的小小区之后，可以采用两种机制进行宏小区/小小区之间的重选或者切换：

机制一、UE可继续使用基于TOA指纹数据库的小小区发现方案，仍以Ts为周期进行指纹数据获取和匹配搜索。如果在此过程中，UE找不到匹配的小小区，则需要退回宏小区获取接入链接；如果UE找到的匹配TOA指纹与当前的小小区指纹一致，则UE保持驻留在当前小小区；如果UE找到的匹配指纹来自于新的小小区，则UE需要重选或切换到新的小小区。

机制二、UE也可以不再使用基于宏小区信号的TOA指纹匹配方案来进行维持小小区重选或者切换的操作，而是在小小区工作频段上使用LTE系统的s-Measure测量机制。如果UE监测到服务小小区的信号强度开始减弱并有切换回到宏小区的趋势，则可以返回步骤一，重启基于TOA指纹数据库机制的小小区发现方案，以利于UE准备重选或者切换回宏小区。

值得说明的是，机制1情况下的UE需要保持与宏基站和小小区的异频双连接，但响应速度快，适合UE介于静止和低中速之间的移动性场景；而机制2只需保持与宏基站或者小小区的单连接，较适合UE静止或低速移动的场景。

步骤七：当UE处于逐渐离开当前服务小小区且无法切换到其他小小区的场景时，UE需要返回步骤一，重新开始新的小小区发现操作。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。