超密集网络中基于协同基站分簇的无缝切换方法
【专利摘要】本发明涉及一种超密集网络中基于协同基站分簇的无缝切换方法。首先对超密集部署的小基站进行协同分簇；进行重叠分簇，以获得重叠簇节点；当用户在簇内移动时，采用服务基站组动态自更新方法，完成用户簇内切换需求；当用户进行跨簇移动时，采用切换预警机制，提前进行切换预处理，以减少切换准备时间，然后执行切换过程，最终完成无缝切换。本发明以协同基站分簇和切换预警为切入点，根据移动用户的移动情况：簇内移动、簇间移动，采用不同的切换策略，进行高效的小区切换，减小切换延迟、降低切换失败率，提升用户无缝切换体验。
【专利说明】
超密集网络中基于协同基站分簇的无缝切换方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种超密集网络中基于协同基站分簇的无缝切换方法。
【背景技术】
[0002] 未来10年通信数据速率有望实现1000倍的增长。为应对这种持续的快速数据增 长，满足人们的用户体验需求，推动4G网络由广覆盖迈向深层覆盖，各大移动运营商开始有 规划地大规模部署小基站。超密集小区部署已被公认为5G移动通信的一个重要组成部分， 超密集小区部署的基本思想是缩短发送端和接收端的物理距离，从而提升终端用户的性 能。
[0003] 然而值得注意的是，在超密集部署的蜂窝移动通信系统中，由多个蜂窝小区覆盖 原大区制中单宏基站的覆盖区域，每个蜂窝小区的覆盖半径大大减小，但是用户的移动性 使得单个小区无法为移动用户提供所需的连续服务。同时，由于用户在不同小区间进行高 速移动，会产生频繁切换，而切换过程中产生的掉话率、延迟等会影响用户的服务通信质 量，尤其对于多媒体应用。因此，采用高效的切换机制，减小移动用户在基站之间的切换掉 话率和延迟，是提高未来无线通信服务体验的关键。
[0004] 中国专利CN201410797186.8的专利提出了一种超密集无线网络中减少切换失败 的方法，通过给定时间窗口长度内计算切换失败次数和成功次数，能够实现自适应调整切 换参数，在UE穿过Pico Cell密集部署的区域时有效减小切换失败率，并且能实现减小切换 失败率和减小乒乓率的平衡。中国专利CN201010268238.4的专利提出了一种基于协作分集 技术的无缝切换方法，利用协作分集机制，延长了移动终端与源基站的通信时间，减少了切 换过程中的服务中断时间，能有效提高系统性能。中国专利CN201510334856.7的专利提出 了一种超密集网络中基于预测门限滞后余量可调的切换方法，在该发明中，根据设备的速 度调节相应的切换门限滞后余量，完成设备在小区间的切换流程。
[0005] 期刊Global Communications Conference(GLOBECOM)，2013IEEE刊发的Local Mobility Anchoring for Seamless Handover in Coordinated Small Cells一文中指出 了用户在移动过程中要经历频繁切换，这不仅造成核心网络的信令负载，还要影响用户的 切换性能，提出了采用簇滑动的方法向用户提供切换服务，同时研究了静态蜂窝簇中锚点 位置下移技术，以减小切换时延，提高用户业务体验。
[0006] 通过分析上述现有技术可知，为解决提高切换效率，减少切换时延，国内外学者主 要从两个方面进行改进:一是设法减少探测过程的时间开销;二是预先决策切换时机，保证 切换成功率。但目前的移动切换改进方法，对移动预测算法具有很高的依赖性，且算法过于 复杂，会导致切换时机决策不准确，难以实现无缝切换，更主要是，目前切换方法极少对未 来超密部署环境下的移动通信用户的无缝切换体验需求进行综合考虑。
【发明内容】
[0007] 本发明要解决的技术问题是提供一种超密集网络中基于协同基站分簇的无缝切 换方法，以协同基站分簇和切换预警为切入点，根据移动用户的移动情况:簇内移动、簇间 移动，采用不同的切换策略，进行高效的小区切换，减小切换延迟、降低切换失败率，提升用 户无缝切换体验。
[0008] 为了解决现有技术存在的问题，本发明采用的技术方案是：
[0009] -种超密集网络中基于协同基站分簇的无缝切换方法，包括：
[0010] 步骤a，首先对超密集部署的小基站进行协同分簇；
[0011]步骤b，进行重叠分簇，以获得重叠簇节点；
[0012] 步骤c，当用户在簇内移动时，采用服务基站组动态自更新方法，完成用户簇内切 换需求；当用户进行跨簇移动时，采用切换预警机制，提前进行切换预处理，以减少切换准 备时间，然后执行切换过程，最终完成无缝切换。
[0013] 与现有技术相比，本发明的超密集网络中基于协同基站分簇的无缝切换方法，其 有益效果表现在：
[0014] 由于切换策略的好坏将直接影响整个系统的性能，因此，如何建立一个高效的、灵 活的、易于分析的无缝切换机制，是超密集组网要解决的关键问题之一。本发明以协同基站 重叠分簇和切换预警处理为切入点，在协同基站簇建模的基础上，根据移动用户的移动情 况，采用不同的切换策略:在簇内移动时，采用动态机制服务组选择方法，以更好的利用资 源为移动用户服务;在簇间移动时，在基于切换预警机制的基础上，采用高效的跨簇切换策 略，最终完成无缝切换过程。
【附图说明】
[0015] 下面结合附图对本发明作进一步详述：
[0016] 图1是超密集网络中基于协同基站分簇的无缝切换方法的技术路线图。
[0017] 图2是用户Ui移动方向的示意图。
[0018]图3是协同基站分簇结果示意图。
[0019]图4是重叠分簇实现过程示意图。
[0020] 图5是簇内移动时SS动态自更新过程示意图。
【具体实施方式】
[0021] 下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解 为对本发明的限制。
[0022] 本发明提出一个基于协同基站分簇的无缝切换方法，其核心思想及技术路线如图 1所示，在实现无缝切换的过程中，为减少切换次数，首先对超密集部署的小基站进行协同 分簇，并进行重叠分簇，以获得重叠簇节点。当用户在簇内移动时，采用服务基站组动态自 更新方法，完成用户切换需求；当用户进行跨簇移动时，采用切换预警机制，提前进行切换 预处理，以减少切换准备时间，然后执行切换过程，最终完成无缝切换。具体技术路线如下： [0023] (1)协同基站分簇
[0024] 1)协同基站分簇过程
[0025]在实际通信中，基站i和基站j对应服务的两个用户m和若基站i来自用户的 干扰分量越大，基站i越想和j协同合作。假设DoC(i，j)表示基站i到基站j的协同度，贝lj可以 用基站间相互协同合作给双方带来的信号干噪比增益来衡量，即：
[0026]
[0027]其中SINRi:(x)Pl:u>表示基站i与j合作时的接受信噪比。
[0028] 为基站i与排合作时的接受信噪比。
[0029] DoC(i，j)越大，基站i与j合作的期望值越大。同理，可用DoC(j，i)来表示基站j与i 合作的期望值。
[0030] 基于协同度基站分簇的主要思想是:将高密度家庭基站网络中合作期望较大的基 站划分到同一簇内。设Ω为网络中随机部署的N个小基站组成的集合，队为基站i的一跳邻 区列表中基站组成的集合，IΦ? I为基站i的一跳邻区列表的度，Pi表不基站i接受的?目号功率 强度总和。
[0031] 协同基站分簇过程如下：
[0032] a)为每个基站i建立一跳邻区列表|队|，并计算出该站的邻区列表的度|屯|。
[0033] b)从Ω中选出满足条件i* = argmax |机|的基站i*作为基站簇C1的簇头节点，同时 作为该簇的控制中心，如果存在多个满足条件的基站，贝从中选择满足条件P =arg max 户/*的基站，作为簇头节点。
[0034] c)若队不为空，则从队中选出满足式（1)的基站j作为C1的簇成员。否则，直接进入 步骤d)。
[0035]
[0036] d)从集合中Ω去簇C1中的基站，即Ω ' = Ω-Cl，更新计算集合Ω '中的|队，|和P广.。
[0037] e)重复步骤a)_d)，直至Ω为空。
[0038] 2)重叠分簇
[0039] 移动用户m从基站簇C1向目标基站簇C2移动时，重叠簇节点(321将是最先感应到用 户m存在的基站，这也意味着移动用户m即将要从C1切换到C2。因此，采用有效的重叠分簇 方法，进行重叠分簇，获得重叠簇节点，是进行切换预警的前提。
[0040] 对于孤立分簇的情况，本发明利用分簇的边界节点向它所属分簇以外的一跳邻居 节点发送查询请求，若相邻分簇的边界节点接收到查询请求，则存在两个或两个以上的边 界节点互为邻居节点，根据邻居节点将两个相邻的基站分簇进行边界融合，同时将互为邻 居的边界节点作为重叠簇节点。
[0041 ] (2)无缝切换过程
[0042] 1)簇内切换策略
[0043] 用户在簇内移动时，根据用户接收到的信号功率及服务基站的负荷等信息，选择 满足条件的基站作为用户的初始服务基站组，随着用户的移动，动态的选择满足用户当前 服务需求的基站，加入到动态服务基站组中，并删除不满足服务需求的基站，以更好的利用 资源为用户服务，使用户感觉一直处在一个虚拟大基站的中心，而用户不需要进行控制面 切换。服务基站组(ss)动态选择过程具体如下：
[0044] a)计算用户m接收到基站簇C1中的各个基站的信号功率，并按照大小进行排序；
[0045] b)簇头节点C11选择信号功率值较大的且未超过负载阈值的K个基站作为用户m的 初始服务基站组;
[0046] c)随着用户m的移动，将SS+里的基站Cli与其相邻基站相比较，若信号功率强 度小于⑷，则把心加入到8\中，并删除cl1;
[0047] 2)簇间切换策略 [0048]①触发切换预警的条件
[0049] 基站簇C1中的用户Ui移动时，当C2和C1中的重叠簇节点C21感应到 Ui，即Ui处在C21 的信号覆盖范围内（用m e C21表示），如果能够判定m是向(321所在的目标基础簇C2覆盖范 围移动，启动切换预警，为簇间切换做准备。因此，重叠簇节点C2 1感应到m，且判定m向C2移 动，是触发切换预警的条件。
[0050] 下面给出判定m向C2移动的条件：
[0051] 如图2所示，当移动用户m运动方向处于A区域时，认为该用户向目标基站簇C2移 动，用h 1 C2 = .t来表示。
[0052] 由上可知，触发切换预警的条件可表示为：
[0053]
[0054]②簇间切换步骤
[0055] a)用户m在跨簇移动过程中，检测用户m的移动情况，若满足式（2)，启动切换预 警，启动预切换，执行步骤b)_c)，否则认为用户m在簇内移动，继续执行簇内切换策略；
[0056] b)用户m向源基站簇C1发送消息，消息中含目标基站簇C2的标识，告知其可能移 动到C2;
[0057] c)C1收到消息后，由C1中的簇头节点C11向C2的簇头节点C21发送预切换请求 (PRQ);C2中的簇头节点C2%到PRQ后，为用户m预留切换资源；
[0058] d)满足切换执行条件时，由C1中的簇头节点C11向C2的簇头节点C21发送切换请求 (RQ);
[0059] e)簇头节点C2%到RQ后，根据预留切换资源情况，向C1L发送回复确认请求Ack;
[0060] f)簇头节点Cl1收到Ack后，进行切换执行。
[0061] 下面将本发明中基于协同基站簇的无缝切换方法应用到超密集部署的通信网络 中，请一并参照图1的切换路线图，来介绍无缝切换的实现过程。
[0062] 1)实施例条件
[0063]在仿真密集部署场景中，20个小基站随机部署在50 X 50m，M个用户均匀分布，屯为 基站i的一跳邻区列表中基站组成的集合，|队|为基站i的一跳邻区列表的度，Pi表不基站i 接受的信号功率强度总和。
[0064] 2)协同基站分簇
[0065]采用技术方案中的协同基站分簇方法，生成的分簇结果见图3所示，由图3可以看 出，簇C1与簇C2、C3均有重叠部分，可将重叠部分的节点作为重叠簇节点；而簇C2与簇C3无 重叠部分，因此需要进行重叠分簇，以获得重叠簇节点。
[0066] 3)重叠分簇
[0067]步骤1:簇C2与C3之间无重叠簇节点，采用边界搜索算法，分别寻找各自的距离最 远且在相邻分簇中拥有邻居节点的边界节点。
[0068] 步骤2:设算法得出C21，C22为簇C2边界节点，分别向簇C3发送查询请求，若C3 1，C32 相应进行响应，则(C21，C31)与(C22，C32)互为邻居边界节点。
[0069] 步骤3:利用邻居边界节点对簇C2与C3进行边界融合，并将{C21，C22，C31，C3 2}作为 重叠簇节点。
[0070] 上述重叠分簇过程，如图4所示：
[0071] 4)无缝切换实现过程
[0072] 步骤1:簇内服务基站组动态自更新方法
[0073] 当移动用户m在簇C1中移动时，选择满足m需求的3个基站，作为m的初始服务基 站组，随着m的移动，采用服务基站组动态自更新方法，对服务m的基站组进行实时更新，更 新过程如图5所示。
[0074]步骤2:簇间切换实现
[0075] 基站簇C1中的用户m向基站簇C2移动时，当C2和C1中的重叠簇节点(:21感应到m， 意味着m将要进行跨簇移动，执行如下簇间切换策略：
[0076] a)用户m在跨簇移动过程中，检测用户m的移动情况，若满足式（2)，启动切换预 警，执行步骤b)-d)，否则认为用户m在簇内移动，执行簇内基站服务组自更新策略；
[0077] b)用户m向源基站簇C1发送消息，消息中含目标基站簇C2的标识，告知其可能移 动到C2。
[0078] c)Cl收到信息后，由C1中的簇头节点C11向C2的簇头节点C21发送预切换请求 (PRQ);
[0079] d)C2中的簇头节点C21收到PRQ后，首先查看公共簇节点C21和C22的节点容纳情况， 如未超出最大负载阈值，将其作为预切换的目标节点；
[0080] e)满足切换执行条件时，由C1中的簇头节点C11向C2的簇头节点C21发送切换请求 (RQ);
[0081] e)簇头节点C2%到RQ后，根据预留切换资源情况，向C1L发送回复确认请求Ack;
[0082] f)簇头节点C1L收到Ack后，告知上一级控制中心，将m移交给行控制，进行切 换执行，完成切换后，C11注销自身控制列表中m的相关信息。
[0083] 本发明对协同基站簇进行重叠分簇，通过获得的重叠簇节点结合移动方向判决， 实现移动切换预警，并给出触发切换预警的条件:重叠簇节点感应到移动用户且该用户向 目标簇移动。以协同基站分簇和切换预警为切入点，根据移动用户的移动情况针，采取不同 的切换策略：簇内移动时，采用基站服务组动态自更新方法实现用户切换需求;簇间移动 时，在切换预警的基础上，采用预切换处理的方法，实现簇间无缝切换。
【主权项】
1. 一种超密集网络中基于协同基站分簇的无缝切换方法，包括： 步骤a，首先对超密集部署的小基站进行协同分簇； 步骤b，进行重叠分簇，以获得重叠簇节点； 步骤c，当用户在簇内移动时，采用服务基站组动态自更新方法，完成用户簇内切换需 求；当用户进行跨簇移动时，采用切换预警机制，提前进行切换预处理，以减少切换准备时 间，然后执行切换过程，最终完成无缝切换。2. 如权利要求1所述的超密集网络中基于协同基站分簇的无缝切换方法，其特征在于： 协同分簇的具体过程如下： 在实际通信中，基站i和基站j对应服务的两个用户m和若基站i来自用户Uj的干扰 分量越大，基站i越想和j协同合作;假设DoC(iJ)表示基站i到基站j的协同度，则可以用基 站间相互协同合作给双方带来的信号干噪比增益来衡量，即：DoC(i，j)越大，基站i与j合作的期望值越大；同理，可用DoC( j，i)来表示基站j与i合作 的期望值； 将高密度家庭基站网络中合作期望较大的基站划分到同一簇内；设Ω为网络中随机部 署的N个小基站组成的集合，队为基站i的一跳邻区列表中基站组成的集合，|ih I为基站i的 一跳邻区列表的度，？:表示基站i接受的信号功率强度总和； 协同基站分簇过程如下： a) 为每个基站i建立一跳邻区列表1屯I，并计算出该站的邻区列表的度I屯I ; b) 从Ω中选出满足条件i^arg max|ih|的基站P作为基站簇Cl的簇头节点，同时作为 该簇的控制中心，如果存在多个满足条件的基站，贝1J从中选择满足条件P =arg max pi*的 基站，作为簇头节点； 幻若队不为空，则从队中选出满足式（1)的基站j作为Cl的簇成员；否则，直接进入步骤 d)；d) 从集合中Ω去簇Cl中的基站，即Ω ' = Ω-Cl，更新计算集合Ω '中的|机，I和P广； e) 重复步骤a)_d)，直至Ω为空。3. 如权利要求2所述的超密集网络中基于协同基站分簇的无缝切换方法，其特征在于： 重叠分簇的具体过程如下： 移动用户m从基站簇Cl向目标基站簇C2移动时，重叠簇节点Ui将是最先感应到用户m 存在的基站，这也意味着移动用户m即将要从Cl切换到C2,采用重叠分簇方法，进行重叠分 簇，获得重叠簇节点； 对于孤立分簇的情况，利用分簇的边界节点向它所属分簇以外的一跳邻居节点发送查 询请求，若相邻分簇的边界节点接收到查询请求，则存在两个或两个以上的边界节点互为 邻居节点，根据邻居节点将两个相邻的基站分簇进行边界融合，同时将互为邻居的边界节 点作为重叠簇节点。4. 如权利要求3所述的超密集网络中基于协同基站分簇的无缝切换方法，其特征在于： 簇内切换策略的具体过程如下： 用户在簇内移动时，根据用户接收到的信号功率及服务基站的负荷等信息，选择满足 条件的基站作为用户的初始服务基站组，随着用户的移动，动态的选择满足用户当前服务 需求的基站，加入到动态服务基站组中，并删除不满足服务需求的基站，以更好的利用资源 为用户服务，使用户感觉一直处在一个虚拟大基站的中心，而用户不需要进行控制面切换； 服务基站组(SS)动态选择过程具体如下： a) 计算用户m接收到基站簇Cl中的各个基站的信号功率，并按照大小进行排序； b) 簇头节点Cl1选择信号功率值较大的且未超过负载阈值的K个基站作为用户m的初始 服务基站组SSu . C)随着用户Ui的移动，将SS11.里的基站Cli与其相邻基站Clj相比较，若信号功率强度小 于⑷，则把Cp加入到，并删除cl\5. 如权利要求3所述的超密集网络中基于协同基站分簇的无缝切换方法，其特征在于： 簇间切换策略的具体过程如下： ① 触发切换预警的条件 基站簇Cl中的用户Ui移动时，当C2和Cl中的重叠簇节点Ui感应到m，即Ui处在U i的信 号覆盖范围内（用m e C21表示），如果能够判定Ui是向Ui所在的目标基础簇C2覆盖范围移 动，启动切换预警，为簇间切换做准备；因此，重叠簇节点C2 1感应到m，且判定Ui向C2移动， 是触发切换预警的条件； 触发切换预警的条件可表示为：② 簇间切换步骤 a) 用户U1在跨簇移动过程中，检测用户U1的移动情况，若满足式(2)，启动切换预警，启 动预切换，执行步骤b) -C )，否则认为用户Ui在簇内移动，继续执行簇内切换策略； b) 用户m向源基站簇Cl发送消息，消息中含目标基站簇C2的标识，告知其可能移动到 C2； c) Cl收到消息后，由Cl中的簇头节点Cl1向C2的簇头节点C21发送预切换请求(PRQ) ;C2 中的簇头节点C2%到PRQ后，为用户m预留切换资源； d) 满足切换执行条件时，由Cl中的簇头节点Cl1向C2的簇头节点C21发送切换请求(RQ); e) 簇头节点C24]夂到RQ后，根据预留切换资源情况，向CIl发送回复确认请求Ack; f) 簇头节点Cl1收到Ack后，进行切换执行。
【文档编号】H04W36/18GK105933940SQ201610368264
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月24日
【发明人】王传安, 刘斌, 葛华, 王亚军, 贾丙静
【申请人】安徽科技学院