Das starke Wachstum bei der mobilen Datenkommunikation erfordert neue effizientere Mobilfunktechnologien (engl., Radio Access Technology (RAT)) wie Long Term Evolution (LTE), welche zusätzlich als sog. Overlay-Netze zu bestehenden Mobilfunksystemen eingesetzt werden. Ein Inter-RAT Handover ist ein Wechsel des mobilen Endgeräts (engl., User Equipment (UE)) von einer Mobilfunktechnologie zu einer anderen. Ein Inter-RAT Handover wird in der Regel dadurch ausgelöst, dass der Signalpegel des momentan versorgenden RATs schwach wird, während ein ausreichend hoher Signalpegel von einem anderen RAT zur Verfügung steht. Er kann aber auch aufgrund von Traffic Steering, einer vom Betreiber gezielten Verteilung des Verkehrsaufkommens über die verschiedenen RATs ausgelöst werden. Ein störungsfreier Betrieb der Wechsel zwischen den RATs erfordert eine optimale Einstellung der Handover-Parameter, die in der Regel pro Zelle, pro Zellpaar oder sogar im besten Fall sogar für einen definierten Ortsbereich konfiguriert werden.

Die Netzplanung muss ohne Kenntnis der detaillierten Funkausbreitungsbedingungen, sowie der Bewegungsrichtungen und Geschwindigkeiten der mobilen Endgeräte auskommen und kann somit nur eine grobe Voreinstellung der Parameter bereitstellen, die dann später während des Netzbetriebes mit Hilfe von Drive-Tests und Expertenwissen optimiert werden müssen. Diese manuelle Optimierung erfordert umfangreiche menschliche Eingriffe, die erhöhte Betriebskosten (engl., Operational Expenses (OPEX)) für den Mobilfunkbetreiber bedeutet. Außerdem führt aufgrund der begrenzten Mittel für eine detailliertere Ursachenanalyse die manuelle Optimierung zu einer suboptimalen Handover-Qualität. Deshalb wurden von Mobilfunkbetreibern Mechanismen angefordert, die eine automatische Optimierung der Handover-Parameter ermöglichen. Dieser Mechanismus für den Inter-RAT Fall ist in der 3rd Generation Partnership Project (3GPP) als Inter-RAT Mobility Robustness Optimization (MRO) bekannt und gehört zu den Anwendungsfällen, welche in Rahmen von Self-Organizing Networks (SON) definiert sind.

Die technische Komplexität und die Anforderungen an MRO machen eine effiziente und gründliche Optimierung mittels manueller Methoden nahezu unmöglich. Da ein Mobilfunknetz aus einer großen Anzahl von Zellen besteht, ist die gleichzeitige Optimierung der zellspezifischen Handover-Parameter eine große Herausforderung. Darüber hinaus machen die Abhängigkeiten und Wechselwirkungen der Handover-Schwellen zwischen den verschiedenen Nachbarzellen die Anforderungen an MRO noch schwieriger und komplizierter. Bekannte Optimierungsmethoden, etwa lokale Suchverfahren wie Simulated Annealing, könnten prinzipiell offline während der Planungsphase verwendet werden, aber nicht im online-Modus unter Echtzeitbedingungen, wo dynamisch auf die Veränderungen in der Umgebung sowie hinsichtlich des Verkehrsaufkommens reagiert werden muss. Aus dieser Perspektive werden neue Optimierungsverfahren benötigt, die den Herausforderungen und Einschränkungen von MRO genügen. Diesbezüglich werden in dieser Arbeit mehrere neue inter-RAT MRO Verfahren vorgeschlagen und analysiert, die diesen Anforderungen genügen.

Zur detaillierten Analyse der Mobilitätsprobleme, die beim technologieübergreifenden Zellwechsel auftreten können, werden neue Key Performance Indikatoren vorgeschlagen. Ein Inter-RAT Handover wird von einem Ereignis ausgelöst, welches vom Erreichen der Schwellwerte zweier Messgrößen abhängt, nämlich wenn die Signalstärke der bedienenden Zelle unter den ersten Schwellwert fällt und gleichzeitig die Signalstärke einer benachbarten Zielzelle einer anderen RAT über der entsprechenden zweiten Schwelle liegt. Ein Verbindungsausfall (engl., Radio Link Failure (RLF)) durch einen zu spät veranlassten Handover (ein sog. Too Late Handover (TLH)) bedarf wegen der Abhängigkeit von zwei Schwellen einer genaueren Analyse, da nicht unmittelbar klar ist, welche der beiden Schwellen nicht erreicht wurde. Wegen der dualen Schwellenmessung gibt es im Gegensatz zum intra-RAT Fall zwei unterschiedliche Typen des TLHs.

Der Standard sieht derzeit vor, dass die Schwellen zum Auslösen eines Inter-RAT Handovers zellspezifisch konfiguriert und optimiert werden. Das heißt, die UEs werden mit ein und denselben Messschwellen konfiguriert, unabhängig von der benachbarten Zelle. In dieser Arbeit wird zunächst die Leistungsfähigkeit einer zellspezifischen Optimierung analysiert und ein neuer zellgruppenspezifischer Optimierungsansatz vorgeschlagen, wo unterschiedliche Schwellenwerte in Bezug auf eine Gruppe von benachbarten Zielzellen konfiguriert werden können. Für beide Ansätze, den zellspezifischen und zellgruppenspezifischen, wird ein Algorithmus entwickelt, der eine automatische Optimierung der inter-RAT Handover Schwellen ermöglicht. Zug um Zug werden weitere Parameter, die die Auslösung des Handovers beeinflussen, analysiert und in den Algorithmus eingebunden. So auch das Zeitintervall zwischen der Erfüllung der beiden Ereignisbedingungen und der Meldung des Ereignisses an die Basisstation, genannt Time-to-trigger (TTT). Der Algorithmus wurde dahingehend erweitert, dass eine gemeinsame Optimierung der Handover-Schwellenwerte mit dem TTT möglich ist. Basierend auf den während der Arbeit erworbenen Erkenntnissen, dass auch zellgruppenspezifische Handover-Parameter nicht alle Mobilitätsprobleme lösen können, da selbst entlang einer Zellgrenze die Funkbedingungen nicht als stationär angenommen werden können, wird noch ein ortsbezogener Ansatz vorgeschlagen und untersucht. Im Gegensatz zu den zellbasierten Optimierungsansätzen werden die Handoverschwellen nun ortsspezifisch konfiguriert und optimiert, wobei in einer verfeinerten Variante diese auch noch hinsichtlich der benachbarten Zielzelle unterschieden werden können.

Die Leistungsfähigkeit der verschieden Inter-RAT MRO Ansätze wird mittels simulativer Untersuchungen bewertet. Eine wichtige Erkenntnis war unter anderem, dass sich die inter-RAT Mobilitätsprobleme auf einige bestimmte Zellen beschränken. Dementsprechend sind es immer die gleichen UEs, die von Handoverproblemen betroffen sind, was zu einer hohen Unzufriedenheit dieser Benutzer führt. Diese örtliche Beschränkheit ist ein klares Indiz für die Notwendigkeit von mindestens zellspezifischen Handover-Schwellen. Bessere Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn die Handover- Parameter auch noch bezüglich der Zielzelle oder einer Zielzellgruppe unterschiedlich konfiguriert werden. Bei der gemeinsamen Optimierung der Schwellenwerte zusammen mit dem TTT hat sich gezeigt, dass eine zellspezifische Optimierung der Handover-Schwellen der zellgruppenspezifischen überlegen ist. Alle Handoverprobleme, die nicht durch zellbasierte Optimierungsansätze gelöst werden, können durch den ortsspezifischen Ansatz behoben werden.

Die hier vorgestellten Untersuchungen und Konzepte haben direkt den Arbeitsbereich SON des Standardisierungsgremiums 3GPP beeinflusst. Einige Beiträge im Zusammenhang mit den zellspezifischen und zellgruppenspezifischen Optimierungsansätze wurden eingereicht und sind im Rahmen von LTE Release (Rel.) 11 verabschiedet worden.