LTE-A中继系统及其基于辅助载波的协作切换方法

摘要

本发明提供一种LTE-A中继系统及其基于辅助载波的协作切换方法，基站与用户之间通过基站-用户的直连低频链路和基站-中继站-用户之间的高频链路同时为用户提供服务，切换方法包括：当高频链路需要进行切换时，源侧基站先对与用户直连的低频直连链路进行检测，以保证在高频链路进行切换时可以持续为用户提供服务，该方法在保证用户对大带宽需求的同时，降低了切换中断概率，提高了用户服务质量。

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种LTE-Advanced中继系统基于 辅助载波的协作切换方法。

背景技术

在长期演进系统的进一步演进（Long Term Evolution-Advanced, LTE-Advanced，简称LTE-A）过程中，一方面，LTE-Advanced系统提出了 很高的系统容量要求，另一方面，可供获得如此容量的大带宽频谱只能在 高频段获取，而高频段的路损和穿透损耗可能都比较大，很难获得好的覆 盖。中继（Relay）技术作为LTE-Advanced系统中的关键技术，具有扩大 小区覆盖范围，提高系统吞吐量的优势。Relay技术可以通过插入中继站 （Relay Station，RS），有效地填补覆盖不足造成的覆盖空洞和阴影死角； 同时，对于插入的RS，可以获得小区分裂增益，从而达到提高系统容量的 目的。

切换是一个重要的无线资源管理功能，是蜂窝系统中独有的功能和关 键特征。切换可以认为是蜂窝通信中最复杂和最重要的过程之一。切换属 于移动性管理的一部分。在移动通信系统中，对于正在通信中的移动台， 当它从一个基站的覆盖区域移动到另一个基站的覆盖区域时，为了保证通 信的连续性，网络控制会启动切换过程，以保证用户业务的连续传输。所 谓切换就是指在移动台通信期间，由于位置发生改变，而动态的把和网络 之间的通信链路从当前服务基站转移到目标基站。在切换过程中要保证通 信链路的转移不能影响通话的正常进行，实现平滑切换。一个好的切换策 略必须要保证用户服务的连续性和连接状态下用户的移动性。

随着无线通信技术的发展，先后出现了硬切换、软切换和接力切换等 传统主流切换技术。硬切换机制具有实现不同频段之间以及不同系统间的 切换，从而可以更好的实现地域覆盖和无缝切换，并且实现与现有3GPP 与非3GPP的兼容的优点而被使用在LTE-Advanced系统中。

随着宽带无线通信技术的不断发展，高速率、大带宽势必会成为宽带 无线通信系统发展的趋势。基于这种趋势，载波聚合（Carrier Aggregation， CA）技术被提出，它可以将多个小带宽聚合在一起，从而达到扩展带宽的 目的。

在LTE-Advanced系统中，中继技术和载波聚合技术被引入后，基本解 决了系统的覆盖和大带宽的问题。然而，对于小区边缘用户而言，当用户 的接收导频强度不断下降，以致需要触发切换时，其切换中断时延相对增 大，切换容易失败。因此，如何保证切换时的服务质量以及减小切换中断 时延成为了研究切换策略的重要课题。在LTE-Advanced中继系统中的切换 场景下，中继技术和载波聚合等技术的引入，给系统的切换机制提出了更 高的要求和挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种LTE-A中继系统及其基于辅助载波的协作 切换方法，解决了现有技术中对于小区边缘用户在发生切换时，切换容易 失败的问题，能够提高切换用户的服务质量。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种LTE-A中继系统，包括宏基站及所述宏基站覆盖范围内的至少一 个中继站，所述中继系统的通信链路包括所述宏基站与用户之间的直接链 路、所述宏基站与所述中继站之间的回程链路和所述中继站与所述用户之 间的接入链路；所述宏基站直接向所述用户提供低频载波信道，同时所述 宏基站向所述中继站提供高频载波信道，并控制所述中继站向所述用户提 供高频载波信道，所述用户同时接收所述宏基站和所述中继站发来的信息， 并且所述用户具有载波聚合功能；所述宏基站通过直接链路向所述用户提 供数据服务，并在所述用户从所述中继站向相邻小区的中继站的切换过程 中提供不间断的数据服务。

所述宏基站接收用户发来的切换请求信息后将用户切换到相邻小区的 中继站；宏基站对低频载波信道进行激活与反激活控制；所述中继站向用 户提供高频载波信道，并与用户进行数据交互。

所述宏基站与中继站之间的控制通道的建立以及宏基站与中继站之间 的数据交互通过回程链路完成；所述中继站与用户之间的控制通道的建立 和数据交互通过接入链路完成。

上述LTE-A中继系统的基于辅助载波的协作切换方法，包括以下步骤：

S1）用户对与当前服务的中继站以及宏基站之间的高频载波信道和低 频载波信道进行测量，并将测量报告发送给当前服务的宏基站；

S2）当前服务的宏基站接收到测量报告后，结合无线资源管理信息判 定是否需要发起切换，若需要发起切换，则当前服务的宏基站再判断低频 载波信道是否满足持续为用户提供数据服务的条件，如果不满足，则当前 服务的宏基站在所有剩余候选低频载波信道中重新选择低频载波信道，并 将重新选择的低频载波信道代替原来的低频载波信道；如果满足，则转至 步骤S3）；

S3）判断各相邻宏基站及其（各相邻宏基站）覆盖范围内各个中继站 中是否有可接入的目标站点，如果没有，则高频载波信道切换失败；否则， 选择最佳接入目标中继站，并向最佳接入目标中继站对应的宏基站发送切 换指示，最佳接入目标中继站对应的宏基站为所述用户分配相应的低频载 波信道，同时控制最佳接入目标中继站为所述用户分配相应的高频载波信 道，并将此分配的低频载波信道和高频载波信道信息通过切换请求确认消 息发送给当前服务的宏基站；

S4）经过步骤S3）后，所述用户同步到最佳接入目标中继站为其分配 的高频载波信道上，此时当前服务的宏基站与所述用户之间的低频载波信 道持续为所述用户提供数据服务；

S5）所述用户与最佳接入目标中继站分配的高频载波信道同步完成后， 当前服务的宏基站与最佳接入目标中继站对应的宏基站分别执行低频载波 信道反激活与激活机制，同时，最佳接入目标中继站对应的宏基站告知网 关所述用户的新位置，以便网关切换用户数据的下行路径，并将收到的所 有数据包发往最佳接入目标中继站对应的宏基站；

S6）经过步骤S5）后，释放所述当前服务的宏基站、所述当前服务的 中继站与所述用户之间的资源，切换完成。

步骤S1）中，所述测量报告包括载波接收机信号场强指示、参考信号 接收功率以及用户结合载波接收机信号场强指示和参考信号接收功率计算 得出的参考信号接收质量值。

步骤S2）中，所述结合无线资源管理信息判定是否需要发起切换的判 定条件为：判断所述用户上报的高频载波信道的参考信号接收质量是否满 足用户业务服务质量的最低要求，如果不满足，则需要发起切换。

步骤S2）中，所述低频载波信道满足持续为用户提供数据服务的条件 为：所述用户上报的低频载波信道的参考信号接收质量满足用户业务的服 务质量的最低要求。

步骤S3）中，所述判断各相邻宏基站及其覆盖范围内各个中继站中是 否有可接入的目标站点的方法为：判断所述相邻宏基站及其覆盖范围内的 各个中继站中是否具有满足用户服务质量所需资源的站点，所需资源包括 宏基站与用户之间的直接链路资源、宏基站与中继站之间的回程链路资源 和中继站与用户之间的接入链路资源；如果相邻宏基站及其覆盖范围内的 各个中继站点不能满足用户服务质量所需资源的要求，则没有可接入的目 标站点。

步骤S3）中，最佳接入目标中继站点是导频信号强度最大的可接入的 中继站点。

步骤S5）中，所述当前服务的宏基站与最佳接入目标中继站对应的宏 基站分别执行低频载波信道反激活与激活机制是指当前服务的宏基站停止 用低频载波信道向所述用户发送数据信息，最佳接入目标中继站对应的宏 基站启用为所述用户分配的低频载波信道，并持续为所述用户发送数据信 息。

本发明的有益效果体现在：

本发明所述LTE-A中继系统基于辅助载波的协作切换方法，充分利用 了中继技术能够保证系统覆盖范围，提高系统吞吐量的优势，并结合载波 聚合技术，满足了系统对带宽的需求，再利用辅助频率，使得边缘用户在 进行切换时，降低了切换中断概率，提高了系统吞吐量，提升了用户的服 务质量。

附图说明

图1为现有的不同频带内非连续载波聚合示意图；

图2为本发明实施例中LTE-A中继系统控制面和数据面链路图；

图3为本发明实施例中终端在小区间切换的控制平面信令流程图；

图4为系统切换中断概率的仿真对比图；

图5为系统吞吐量的仿真对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

一种LTE-A中继系统，包括宏基站及其覆盖范围内的至少一个中继站， 其通信链路包括宏基站与用户之间的直接链路、宏基站与中继站之间的回 程链路和中继站与用户之间的接入链路，所述宏基站用于直接向用户提供 低频载波信道，以及向所述中继站提供高频载波信道，同时控制所述中继 站向所述用户提供高频载波信道；接收所述用户发来的切换请求信息，将 所述用户切换到相邻的中继站；对低频载波信道进行激活与反激活控制。

所述中继站用于向所述用户提供高频载波信道，并与所述用户进行数 据交互。

所述用户具有同时接收所述宏基站和所述中继站发来信息的能力，并 且所述用户具有载波聚合功能。

所述宏基站与用户之间的直接链路用于所述宏基站向所述用户提供数 据服务，并在用户从所述中继站向相邻中继站切换过程中，提供不间断的 数据服务。

所述宏基站与中继站之间的回程链路用于所述宏基站与所述中继站之 间的控制通道的建立以及所述宏基站与所述中继站之间的数据交互。

所述中继站与用户之间的接入链路用于所述中继站与所述用户之间的 控制通道的建立和数据交互。

一种用户在小区间切换的方法，包括：

S1，所述用户对与之相连的中继站（记为源中继站）和宏基站（记为 源宏基站）之间的高频载波信道和低频载波信道进行测量，并将测量报告 发送给所述宏基站。

S2，所述宏基站接收到高频和低频载波信道的测量报告后，结合无线 资源管理（RRM）信息来判决是否发起切换：首先所述宏基站（eNB）会 判断高频载波信道，如果高频载波信道满足通信的需求，则不发起切换， 否则，判断低频载波信号是否满足持续为用户（UE）提供数据服务的条件， 如果不满足，则转至步骤S3；如果满足则转至步骤S4。

S3，在高频载波持续为所述用户提供数据服务的时候，所述宏基站将 为不能满足持续为所述用户提供数据服务条件的低频载波信道在所有剩余 候选低频载波信道中重新选择低频载波信道，并将此信道代替原来的低频 载波信道。

S4，判断各相邻宏基站点及其覆盖范围内各个中继站点中是否有可接 入的目标站点，如果没有，则高频载波信道切换失败；否则，选择最佳接 入目标中继站，并向目标中继站对应的宏基站（目标宏基站）发送切换指 示。目标宏基站为所述用户分配相应的低频载波信道，同时控制目标中继 站为所述用户分配相应的高频载波信道，并将此低频载波信道和高频载波 信道信息通过切换请求确认消息发送给源宏基站。

S5，所述用户同步到目标中继站为其分配的高频载波信道上，此时源 宏基站与所述用户之间的低频载波信道持续为所述用户提供数据服务。

S6，所述用户与目标中继站为其分配的高频载波信道同步完成后，所 述源宏基站与目标宏基站分别执行低频载波信道反激活与激活机制，同时， 目标宏基站会告诉网关MME所述用户的新位置，以便网关切换用户数据的 下行路径，并能将收到的所有数据包发往目标宏基站。

宏基站对低频载波信道进行激活或反激活控制的方法，包括：

当用户在低频下行信道上测量的接收信号参考功率（RSRP）高于10% 的门限，并保持一定的触发时间（TTT），则所述用户向宏基站报告A1事 件，低频下行信道可置为激活状态，如果此时在缓冲区有数据需要传输， 则低频下行信道被激活。

当用户在低频下行信道上测量的接收信号参考功率（RSRP）低于5% 的门限，并保持一定的出发时间（TTT），则用户向宏基站报告A2事件， 此时低频下行信道可置为反激活状态。

S7，执行切换的其余过程，释放源宏基站、源中继站与所述用户之间 的资源，切换完成。

优选地，步骤S1中，所述测量报告具体指高频载波信道和低频载波信 道的测量报告，主要包括载波接收机信号场强指示（Carrier RSSI）和参考 信号接收功率（RSRP），以及由所述用户结合以上两个指标经过计算得出 的参考信号接收质量（RSRQ）值。

优选地，步骤S2中，如果所述用户上报的高频载波信道的参考信号接 收质量（RSRQ）满足用户业务服务质量（QoS）的最低要求，则高频载波 信道满足通信的需求，否则，高频载波信道不满足通信的需求。

优选地，步骤S2中，所述低频载波信道满足持续发送数据信号（持续 为用户提供数据服务）的条件具体为：所述用户上报的低频载波信道的参 考信号接收质量（RSRQ）满足用户业务的服务质量（QoS）的最低要求。

优选地，步骤S3中，所述所有剩余候选低频载波信道包括全部低频载 波信道中所有空闲低频载波信道。

优选地，步骤S4中，所述判断各相邻宏基站点及其覆盖范围内各个中 继节点中是否有可接入的目标站点的判断方法为：

所述相邻宏基站及其覆盖范围内的各个中继站点能够提供足够的链路 资源以满足所述用户服务质量的需求，这些链路资源包括宏基站与用户之 间的直接链路资源、宏基站与中继站之间的回程链路资源和中继站与用户 之间的接入链路资源。

所述相邻宏基站及其覆盖范围内的各个中继站点中能够根据所在小区 的调度算法及各个信道的使用情况选择合适的信道为所述用户服务。

如果相邻宏基站及其覆盖范围内的各个中继站点中不能满足用户服务 质量的要求或者不能为所述用户分配合适的信道，则拒绝切换请求。

优选地，步骤S4中，最佳接入目标中继站点是导频信号强度最大的可 接入的中继站点。

优选地，步骤S5中，所述用户同步到目标中继站为其分配的高频载波 信道上时，持续为所述用户提供数据服务的低频载波信道仍然是源宏基站 与所述用户之间的低频载波信道。

优选地，步骤S6中，源宏基站与目标宏基站分别执行低频载波信道反 激活与激活机制是指源宏基站停止用低频载波信道向所述用户持续发送数 据信息，目标宏基站启用为所述用户分配的低频载波信道持续为所述用户 发送数据信息。

参阅图2，演进型Node B（Evolved Node B,eNB）之间是通过X2接口 相互连接的，eNB与移动性管理实体（Mobility Management Entity,MME）/ 业务网关（Serving GateWay,S-GW）之间是通过S1接口连接。eNB不仅要 建立控制平面，也要建立用户平面，其中S1接口的用户平面终止在S-GW， S1接口的控制平面终止在MME。同时，eNB可以通过两条链路与用户进 行通信，分别是：eNB-用户和eNB-RN-用户，其中，eNB-用户的这条链路 称为直连链路，其载波信道为低频载波信道，eNB-RN这条链路为回程链路， 载波信道为高频载波信道，RN-用户这条信道为接入链路，载波信道为高频 载波信道。RN代表中继节点。

需要说明的是，S1接口用于各种控制信令的传输以及在切换的时候， 支持eNB间的切换。X2接口用于支持移动性及用户平面的隧道特征。

同时，用户在接收到来自eNB和RN的信号后，将通过载波聚合把eNB 传递给用户的低频载波和RN传递给用户的高频载波聚合在一起。因而，接 受载波信号的用户必须具有载波聚合能力。

由于eNB需要给用户分配低频载波，同时又要给RN分配高频载波， 因此，所使用的eNB除了具有传统的eNB的功能外，还必须有同时管理和 分配异频双载波的能力，因而，本发明所使用的eNB相较于传统的eNB具 有一定的区别。

通常情况下，eNB覆盖范围内的RN被放置在eNB覆盖范围的2/3处， 同时，RN需要给用户分配高频载波，因而所用的RN具有一定的资源管理 功能。

总之，本发明提供了一种LTE-Advanced中继系统，该系统包括了eNB 及其覆盖范围内的至少一个RN，而在实际应用中，RN的部署数目可以为 2、4、10等，这通常取决于实际环境中的人口密度等多重因素。eNB不仅 要与MME/S-GW建立和维护数据面和控制面，同时也要维护自身的网络拓 扑结构，即需要与自身覆盖范围内的RN进行数据交互，也要与相邻的eNB 之间进行数据交互。

参阅图3，切换过程包括切换测量、切换判决和切换执行。具体切换过 程如下所述：

在切换过程发起前，源eNB和用户之间通过源eNB-用户的低频直连链 路和源eNB-源RN-用户的高频链路同时为用户提供服务。其中，源eNB- 源RN之间的链路为回程链路，源RN-用户之间的链路为接入链路。

源eNB根据从MME/S-GW获得的漫游限制信息来配置用户的测量过 程，并根据预定的规则发送测量报告。其中，测量过程包括对低频载波的 测量和高频载波的测量。

源eNB根据测量报告和无线资源管理(RRM)信息来决定用户是否进行 切换。

首先，源eNB收到用户发来的测量报告后，会先判断高频载波，如果 高频载波满足用户通信的需求，则不发起切换，否则继续判定低频载波是 否能够满足用户通信的需求，如果不满足，则在剩余的低频载波信道中重 新选择低频载波信道，并将其代替原低频载波信道；否则，发起切换。

当源eNB决定用户需要切换时，向目标eNB发送切换请求信息，其中 包括在目标侧为切换准备资源所必须的信息，如用户在源eNB中的X2信 令上下文参考消息，用户在S1信令上下文参考消息、演进的分组系统 （Evolved Packet System，EPS）承载上下文以及目标小区的标识等。

目标eNB可以根据收到的EPS承载的QoS信息执行接纳控制，如果目 标eNB可以向用户分配所需的资源，则目标eNB配置所请求的资源并为用 户分配新的小区无线网络临时标识（C-RNTI），供用户接入新的小区。

在执行接纳过程时，目标eNB不仅要为用户分配低频载波信道，为目 标RN分配高频载波信道，同时目标eNB还要控制目标RN为用户分配必 须的高频链路资源。

目标eNB向源eNB发送切换请求响应消息，其中包括需要发送给用户 的切换命令，目标eNB新分配的C-RNTI以及其他可能的参数。

源eNB收到来自目标eNB的切换请求响应消息后，会生成一个切换指 令消息，并将此消息通过源RN发送给用户，用户收到切换指令消息后将进 行切换。

用户从源eNB离开并同步到目标eNB控制下的目标RN。同时，源RN 会向源eNB发送序号状态（SN Status）消息，告知源RN的已发送序列状 态。源eNB根据此消息，判断源RN未发出的分组，并将未发出的分组在 源eNB和UE之间的低频直接链路上继续发送，直到分组发送结束或者用 户与目标eNB控制下的目标RN建立连接之后，源eNB将触发低频载波反 激活机制。

源eNB向目标eNB发送序号状态消息，以传送上行链路的分组数据汇 聚层（Packet Date Convergence Protocol,PDCP）序号接收者和下行链路PDCP SN传送者系统演进结构（System Architecture Evolution,SAE）承载的状态， 目标eNB会根据PDCP SN对接收到的序号进行重排列和重复检测。

目标eNB接收来自源eNB的已缓冲的以及正在传送的分组，并将缓存 这些分组。在此过程中，源eNB会利用低频载波信道持续为用户传送数据 信息。

当用户已经成功接入到目标eNB控制下的目标RN后，用户通过目标 RN向目标eNB发送切换确认消息指示用户从源RN到目标RN的切换过程 已经完成，此时用户与目标RN之间通过高频接入链路进行了连接。同时， 目标eNB对消息中携带的C-RNTI进行校验。并且从这一步开始，目标eNB 可以通过高频载波信道与用户进行通信。

同时，用户通过源eNB与用户之间的低频载波信道接收源eNB传来的 分组数据后，会通过用户-目标RN-目标eNB这条链路传送源eNB发来的 分组数据状态消息，以便目标eNB删除其缓存分组数据中不必传送的分组 数据。

若用户与目标RN建立好连接后，源eNB与用户之间的低频载波信道 仍有数据信息在传送，则用户通过与源eNB连接的低频直连载波信道向源 eNB发送结束标签（end marker）数据包，通知源eNB对低频载波信道触 发反激活机制。

目标eNB会向MME发送路径切换请求消息，以便网关切换用户数据 的下行路径能将收到的所有数据包发往目标eNB，同时系统将在目标eNB 侧触发低频载波信道激活机制，为目标eNB到用户之间的直接链路建立低 频载波信道。

MME收到路径切换请求消息后，会向S-GW发送用户平面更新请求消 息，通知S-GW用户平面的连接已经从源eNB切换到了目标eNB。

用户平面切换下行路径到目标侧。S-GW释放所有对应源eNB的用户 平面资源。之后，S-GW向MME返回用户平面更新响应消息。

MME向目标eNB发送确认路径切换应答消息，以确认路径切换消息。

目标eNB发送用户上下文释放消息以通知源eNB切换过程已经成功， 并释放原先占有的资源。

源eNB收到用户上下文释放消息后，释放与该用户相关的无线控制平 面资源，切换完成。

不同频带内非连续载波聚合参阅图1，不同频带内非连续载波聚合是将 处于不同频带内的两个及多个子载波聚合成LTE-A载波，并将聚合的 LTE-A载波作为系统的传输带宽，以满足LTE-A系统对高速率，大带宽的 需求。在本发明中，组成载波1和组成载波2分别为低频带内的子载波和 高频带内的子载波，组成载波1和组成载波2的带宽视LTE-A系统所需带 宽而定。

仿真模拟结果

本发明通过设定以下表格中的系统仿真参数进行模拟仿真，主要在小 区切换中断概率及系统吞吐量方面与传统的LTE-A中继系统进行仿真对 比，对比结果如图4和图5所示。

系统仿真参数

参见图4，从图4中可以看出，本发明提出的切换方法与传统LTE-A 中继系统的切换方法相比进一步降低了切换中断概率。这主要是因为传统 的LTE-A中继系统采用的是“先断后接”的硬切换策略，即用户在切换时， 先断掉与源中继站的连接，再与目标中继站同步；同时，由于通信链路具 有时变性，这就势必会导致在切换过程中发生切换中断的可能；从图中也 可以看出，用户与目标中继的距离不同，切换中断概率也不一样，并且用 户与目标中继站的距离越大，切换中断概率越大。本发明提出的切换方法 与传统LTE-A中继系统相比，切换中断概率进一步减小了，这主要是因为： 在传统的LTE-A中继系统中加入了一条用户到基站的直接链路，并且这条 直接链路使用了低频载波信道，同时在切换的过程中采用了低频载波辅助 高频载波切换的切换方法，即高频载波在切换的过程中低频载波持续为用 户提供数据服务。低频载波由于频率较低，其路劲损耗相对较小，覆盖范 围相对较大，这就为高频载波发起切换时低频载波持续为用户服务提供了 保证。因此，在仿真结果中，本发明提出的方法在切换中断概率方面会比 传统的LTE-A中继系统的方法低。

参见图5，从图5中可以看出在系统吞吐量方面，本发明提出的方法与 传统的LTE-A中继系统的方法相比得到了很大的提升，这主要是因为：本 专利提出的方法采用了两条到用户的传输链路，并且采用了载波聚合技术。 传输链路的增加，使得用户能够从系统中获得更多的信息；载波聚合技术 的使用，使得系统的传输带宽增加，可以传输更多的信息，提升了系统的 传输容量。此外，由于在仿真过程中用户的数量分别为10、15、20、25、 30，并且假设了小区有足够的资源量，因此，系统的吞吐量会随着用户数 的增加而增多。从以上分析可以看出，本发明与传统的LTE-A中继系统相 比，系统的吞吐量大大的提升了。

总之，本发明所述系统中基站与用户之间通过基站-用户的直连低频链 路和基站-中继站-用户之间的高频链路同时为用户提供服务，当高频链路需 要进行切换时，源侧基站先对与用户直连的低频直连链路进行检测，以保 证在高频链路进行切换时可以持续为用户提供服务，该方法在保证用户对 大带宽需求的同时，降低了切换中断概率，提升了系统吞吐量，提高了用 户服务质量。