5G蜂窝异构网络控制平面优化研究

随着社会的发展与科技的不断进步,特别是移动通信系统的广泛应用,人们对于移动通信的需求也日益提高,尤其在通信的网络覆盖能力、服务质量以及大容量的数据传输需求等方面。为了实现更好的网络服务质量,移动通信技术不断地进行创新与改进,在第五代移动通信系统(5th Generation,5G)中引入新技术并进行相应优化研究,以应对各种各样移动网络业务的极大挑战和要求。控制平面/用户平面分离(Control Plane/User Plane Separation,C/U)技术作为5G系统的关键技术之一,通过控制平面与用户平面的分离,从而实现异构蜂窝网络中同频干扰的消除和用户移动性的提升。然而,对于基于C/U分离的5G蜂窝异构网络系统,宏基站故障即控制平面功能的缺失,是影响其系统性能的重要方面。其解决方法是通过重新选择宏基站或引入新基站进而重新建立控制平面连接,在合理的系统负载与发射功率前提下,以保证用户的控制平面正常传输并优化核心网的信令负载。此外,在宏基站中引入大规模多输入多输出(Multiple Input Multiple Output,MIMO)技术,通过增加数十上百的天线,可大大提高系统服务质量。本论文基于5G蜂窝异构网络、C/U分离技术以及大规模MIMO技术,针对蜂窝异构网络的中心宏基站故障的问题,分析用户的移动切换特性和网络负载均衡情况,提出有效的核心网信令负载优化的相邻宏基站选择方案。通过移动切换、业务分析、发射功率控制以及负载均衡指数约束来降低核心网切换信令负载、均衡网络负载量,从而提高系统总体性能。首先,在基于C/U分离的5G蜂窝异构网络系统中,针对中心宏基站故障问题,提出了核心网信令负载优化的相邻宏基站选择方案。在中心宏基站故障的情况下,其覆盖区域内所有用户的控制平面传输被迫中断,以小基站为单位重新选择相邻宏基站建立控制平面连接。针对选择过程进行优化,根据用户的移动切换特性对故障宏基站下小基站的移动交叉率和小基站间的平均切换率进行统计分析,并将相邻宏基站在发射功率与覆盖补偿的约束下进行覆盖范围扩增,形成小基站对于相邻宏基站的选择分析。基于以上分析,在相邻宏基站间负载均衡指数与二元决策变量性质的约束条件下,给出最小化核心网信令负载的小基站部署及单位时间系统宏基站总处理切换次数的统计方案。仿真结果表明,相较于传统方案,本方案可以有效降低核心网信令负载,提升网络负载均衡性,进而提高系统性能。其次,在相邻宏基站选择优化的基础上,引入宏基站的大规模MIMO技术,改进性的提出了以信号干扰噪声比(signal to interference plus noise ratio,SINR)性能为目标的相邻宏基站选择方案。基于系统中导频传输进行分析,通过SINR衡量系统导频污染情况。将故障宏基站的相邻宏基站进行覆盖半径扩展,考虑到系统中导频污染与SINR性能之间的关系,分析了提出方案一与提出方案二中不同扩展的覆盖半径与同导频用户的位置区域对系统SINR的影响情况,进而得出以SINR性能为目标的相邻宏基站选择方案。仿真结果表明,提出方案二能够有效地提升系统SINR性能,并且增加系统中宏基站总处理切换率占比情况,进而减少了核心网上切换所致的信令负载量,更好的提高了系统性能。