张守武，王凤丽，袁春经

（1.重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆400065；2.中国科学院计算技术研究所，北京 100190； 3.移动计算与新型终端北京市重点实验室，北京 100080）

0 引 言

5G超密集网络通过高密度的基站部署获得更大的小区分裂增益[1]，实现相比于LTE更高的频谱效率和容量。但是，基站部署密度的增加带来了巨大的问题[2-5]。一方面，小区密度增加使得相邻小区间同频干扰问题变得更严重，需要更优的频率复用技术来处理干扰问题。另一方面，基站的密集部署必然使单个基站具有较小的发射功率和覆盖范围，用户切换的频率和切换失败几率会更高。对于超密集无线网络干扰问题，研究学者已经提出了大量干扰管理技术[6-7]，如虚拟层技术、小区动态分簇等，对如何有效进行节点协作、干扰消除以及干扰协调提出了有效的解决思路。然而，对于用户的切换次数和切换失败率问题，大多研究针对用户有业务传输时的场景进行研究，且主要通过调整与切换相关参数[8]降低切换的失败率和切换次数。但是，面对超密集网络复杂的网络环境，基于调参的思路对提升切换成功率虽有帮助，但并不能有效降低切换次数。文章研究终端在RRC连接的三种状态，分析用户业务活跃状态。当终端与基站保持连接但处于非激活检测期间需要进行切换时，通过有数据到达的概率大小使终端进行不同的处理，借此有效降低切换次数，获得较低的平均中断时延。

本文提出的用户活跃状态切换管理策略通过在切换管理中引入5G RRC Inactive状态转换，降低了大量不必要的切换，同时采用终端主导的移动性管理，避免了切换过程中由于信道质量下降终端无法收到切换命令导致切换失败的问题。

1 系统模型

1.1 RRC状态与移动性管理

为了减少信令和功耗，实现快速接入，5G NR下RRC除了包含RRC Idle和RRC Connected两种状态外，新引入RRC Inactive状态[9-10]。不同RRC状态间转移如图1所示。

当处于Inactive状态时，终端会基于自身主导的移动性管理进行小区重选，以驻留到无线环境较好的小区。同时，由于原服务基站依旧维护该终端的上下文，终端可以快速在新的小区建立RRC连接。

图1 RRC状态转移

1.2 不必要切换场景

当UE的MAC检测到没有上下行数据传输时，会启动非活跃定时器，时长一般设为20 s。图2为非活跃检测流程。

图2 非活跃检测

若非活跃定时器超时，UE将从Connected状态向Inactive状态迁移。若此时间段出现信道质量下降，UE将向基站发送测量报告。基站做出切换判决后，开始对UE做切换处理，处理结果出现以下两种情况：（1）成功切换到目标基站；（2）出现切换失败的情况，UE发起重建过程。

分析上述两种可能出现的情况可知，当UE处于没有数据传输的非活跃检测状态进行切换时，如果切换前后依旧没有数据传输，当MAC层再次启动非活跃定时器并超时，UE将迁移进入Inactive状态，此时发生不必要的切换。

2 用户活跃状态切换管理策略

对于大量UE进行不必要切换，如果切换成功，切换只是给接入网带来大量不必要的信令处理。一旦不必要切换流程出现切换失败问题，UE发起重建过程将带来更多的信令处理和资源分配流程，同时UE出现较大的中断时延。因此，减少不必要的切换，对解决5G超密集组网场景下用户的切换次数和切换失败率巨增的问题显得十分重要。

为了减少非活跃检测期间的不必要切换，引入Inactive状态转换。当非活跃检测期信道质量变差需要切换时，通过将终端由RRC Connected状态向Inactive状态迁移。这样一方面避免了切换给接入网带来的大量信令处理，另一方面不会出现切换过程中终端由于与服务基站的信道质量恶化出现接收切换命令失败的问题。

同时，由于状态转换是将终端从连接态转为低功耗的非连续接收态，因此相较于切换处理，当有数据到达时，状态转换流程会产生较高的接收时延。

2.1 各流程中断时延分析

2.1.1 状态转换中断时延

图3为状态转换信令流程图[11]。

图3 状态转换信令流程

当终端处于RRC Inactive状态后与服务基站断开连接再次回到RRC Connected状态，需要进行随机接入过程。当终端更换接入基站时，接入基站向上次服务基站请求UE上下文，终端收RRC Connection Resume后完成接入。考虑到基站间为理想回程链路，则中断时延TCD满足以下关系：

其中RTT为无线传输往返时延，delayRA为随机接入时延。

2.1 .2 切换成功时中断时延

图4为切换成功信令流程。

图4 切换成功信令流程

切换成功时，同样考虑基站间为理想回程链路，中断时延主要由终端收到重配置消息后向目标基站进行随机接入过程和上发重配置完成。中断时延THIL满足以下关系：

2.1.3 切换失败时中断时延

图5为切换失败的信令流程。

切换发生失败时，同样考虑基站间为理想回程链路，中断时延主要由终端进重建的随机接入流程、RRC重建流程和上发重建完成。中断时延THFIL满足以下关系：

可以看出，进行状态转换时，相较于切换成功过程需要多的重选时间和空口信令传输时间。但是，如果发生切换失败，重建流程会花费更多的空口信令传输时间。因此，可以从两方面考虑是否用状态转换代替切换。

图5 切换失败信令流程

2.2 数据到达的概率

若终端在非活跃检测阶段用户数据到达可能性较低，那么可以认为当前时刻对时延不敏感，当有切换需求时可以进行状态转换代替切换。那么，问题将变成对用户有数据到达的可能性分析。

记检测到上下行无数据，开启非活跃定时器的时刻为t=0。当t=T时，上下行依旧无数据，此时非活跃定时器超时，终端转换到Inactive状态。假设t=t0时刻，信道质量恶化，有切换需求。研究从时刻t=t0到t=T时间内有数据到达的概率。

设用户数据到达为泊松流，数据到达率为λ。将t=t0到t=T这段时间（t0，T）分为n份，记每一小段时间间隔为Δt：

Δt时间间隔内有数据到达的概率为：

则Δt时间间隔内没有数据到达的概率为：

当t=T定时器超时的概率为：

代入式（4）后，得到：

注意，当n→∞取极限：

得：

则定时器未超时，有数据到达的概率为；

2.3 基于切换失败率和数据到达率处理策略

由2.2对数据到达的概率研究可以看到，非活跃检测阶段当用户数据到达率较小，或是信道质量变差时刻t0接近超时时间T时，用户数据到达概率较低，看作对时延不敏感时刻，可以不作其他考虑将终端转移到Inactive状态。大多数情况下，数据到达概率很高，看作对时延敏感时刻，需要考虑不同策略对中断时延的影响。

若终端在非活跃检测阶段用户数据到达概率较高，通过基站统计的小区切换成功率可以体现当前小区的无线环境质量。因此，通过比较切换平均中断时延与转态转换中断时延的大小进行判决。

切换平均中断时延为：

其中THIL为切换成功时中断时延，由式（2）给定；THFIL为切换失败时中断时延，由式（3）给定；P为基站统计的切换失败率。

当有数据到达时，进行状态转换和切换的中断时延差为TH-C：

P´T、TAIL和TCD分别由式（11）、式（12）和式（1）给出。

决策流程如图6所示。

图6 处理策略流程

3 性能分析

通过基于数据到达的概率和基于基站统计切换失败率的分析，认为：当数据到达可能性低的情况下进行状态转换；当基站统计的切换失败率较高时进行状态转换。显而易见，通过这样的处理降低了切换事件的次数。下面将分析引入状态转换后对切换的中断时延的影响。

3.1 数据到达概率低

当数据到达概率低时，用户不太在意中断时延对服务质量造成的影响。因此，虽然进行状态转换产生的中断时延要比切换成功产生的中断时延大，但避免了切换失败的可能性。

3.2 数据到达概率高

当数据到达概率高时，用户会在意中断时延对服务质量造成的影响。

当不引入基于基站统计切换失败率的处理决策时，有：

其中，P´T和TAIL由式（11）和式（12）给定。

引入基于基站统计切换失败率的处理决策 时，有：

其中，P´T、TAIL和TCD分别由式（11）、式（12）和式（1）给出。

4 系统仿真

4.1 有数据到达概率

表1为有数据到达概率的仿真参数。非活跃定时器定时时间段T内有数据到达的可能性与非活跃检测阶段有切换需求的时刻t0和用户数据达到率的大小有关，仿真结果如7所示。

表1 有数据到达概仿真参数

由图7可知，当用户数据到达率一定时，随着信道质量变差时刻t0的变大，有数据到达的概率降低。这是由于当t0越接近定时时长T时，等待数据到达的时间越短，因此有数据到达的概率越低。当信道质量变差时刻t0一定时，有数据到达的概率随着用户数据到达率的变大而变大，可以解释为当用户对网络需求较大时，有数据到达的概率越高。

图7 用户有数据传输概率

4.2 平均中断时延差

根据3GPP的协议标准和系统模型场景，设置仿真参数如表2所示。

表2 平均中断时延差仿真参数

通过比较切换处理和状态转换的平均中断时延差的大小变化体现处理策略，如图8所示。

图8 平均中断时延差

由图8可知，当切换失败率P为0时，TH-C的值为负，此时无线环境质量较好，切换成功率高，切换时延小于状态转换时延；随着P的增加，TH-C越来越大，这是由于大概率的切换失败后的重建，导致了平均中断时延的变大。

4.3 平均中断时延

表3为平均中断时延仿真的相关参数。通过图9可以看到，未引入策略，当切换失败率P较小时，平均中断时延较小；而当切换失败率P逐渐增加时，切换失败率急剧上升。对比图10，引入策略后，当切换失败率P＜0.1时，平均中断时延与未引入策略相当。这是由于当切换失败率低时，策略选择切换处理，获取较小的平均中断时延；当切换失败率P＞0.1后，策略选择状态转换，从而获取到较小平均中断时延。注意，当P=0.1时，附近平均中断时延有一个缓慢下降过程，这是由于当切换失败率P处于0.1附近时，切换处理和状态转换间的平均中断时延差很小，进行决策时具有一定的偶然性。

表3 平均中断时延仿真

图9 未引入策略平均中断时延

因此，经过仿真得到的数据可以得知：当切换失败率较小时，进行切换处理能获得较小的平均中断时延；当切换失败率过大时，进行状态转换能获得较小的平均中断时延。

图10 引入策略后平均中断时延

5 结 语

本文首先说明了超密集网络存在的过高切换频率和切换失败率的问题，然后阐述了一种不必要切换场景，并在引入5G新加入的RRC Inactive状态后，提出了基于切换失败率和用户数据到达率的处理策略。针对不必要切换场景相比于完全进行切换处理，本文提出的策略能获得更低的中断时延、切换概率以及切换失败率。