周建美，楊文慧，宋靜川

（北京交通大學(xué)寬帶無線移動(dòng)通信研究所 北京100044）

1 引言

近年來，時(shí)速超過300 km/h的高速鐵路客運(yùn)專線得到了極大發(fā)展，成為人們出行的主要交通方式。在數(shù)小時(shí)的旅途中，以旅客為主體的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)需要在車地之間進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，從而為旅客提供多方位的綜合信息服務(wù)。這些業(yè)務(wù)不僅包括傳統(tǒng)的時(shí)延小、掉話率低的話音業(yè)務(wù)和分組丟失率低的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，還包括對時(shí)延和分組丟失率有嚴(yán)格要求的實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)，因此高鐵乘客對移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)性能有著較高的要求。

在下一代移動(dòng)通信LTE（long term evolution，長期演進(jìn)）系統(tǒng)中，為了提供高速率數(shù)據(jù)，系統(tǒng)往往部署在較高頻段（2 GHz以上），因此每個(gè)小區(qū)的覆蓋半徑相對較小，切換重疊區(qū)也較小。此外，由于列車高速運(yùn)行，列車在小區(qū)重疊區(qū)域內(nèi)的駐留時(shí)間很短，對越區(qū)切換的執(zhí)行時(shí)間提出了嚴(yán)格的限制。

為了確保各種業(yè)務(wù)的通信質(zhì)量，切換執(zhí)行時(shí)間和切換中斷時(shí)間應(yīng)該最小化。參考文獻(xiàn)[1]提出了一種基于位置的GSM-R（GSM for railway，鐵路專用移動(dòng)通信系統(tǒng)）越區(qū)切換方案，在切換條件滿足之前執(zhí)行目標(biāo)小區(qū)信道的激活過程，從而有效縮短GSM-R的切換執(zhí)行時(shí)間。參考文獻(xiàn)[2]提出采用數(shù)據(jù)雙播的方式降低切換中斷時(shí)間。參考文獻(xiàn)[3]認(rèn)為，由于切換的不確定性，數(shù)據(jù)應(yīng)該一直雙播，這顯然造成了開銷的成倍增長。參考文獻(xiàn)[4]提出了一種基于速度的雙播方案，該方案在不同的移動(dòng)速度下設(shè)置不同的SINR門限，一旦某小區(qū)信號的SINR值高于該門限，則將該小區(qū)加入目標(biāo)小區(qū)并啟動(dòng)雙播過程。參考文獻(xiàn)[5]將雙播請求過程放在切換執(zhí)行過程中，但這樣不能保證目標(biāo)小區(qū)在終端接入前及時(shí)收到雙播數(shù)據(jù)?？偟膩碚f，將數(shù)據(jù)雙播機(jī)制應(yīng)用到越區(qū)切換中雖然可以有效減小切換的中斷時(shí)間，但由于數(shù)據(jù)的重復(fù)傳輸，給網(wǎng)絡(luò)帶來了額外的資源開銷。

為了減少數(shù)據(jù)雙播帶來的額外開銷，縮短雙播時(shí)間尤為重要。本文的研究目標(biāo)是如何通過縮短雙播時(shí)間降低雙播造成的網(wǎng)絡(luò)開銷。本文提出的LTE越區(qū)切換方案利用列車移動(dòng)軌跡的固定性和列車運(yùn)行的規(guī)律性，采用基于位置的雙播機(jī)制，通過設(shè)置越區(qū)切換參考點(diǎn)，在列車到達(dá)切換參考點(diǎn)前的某一時(shí)刻啟動(dòng)雙播初始化過程。與現(xiàn)有的雙播方案相比，本文提出的方案在降低切換數(shù)據(jù)時(shí)延的基礎(chǔ)上，使雙播時(shí)間最小化，從而降低了網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷和開銷。

2 系統(tǒng)模型

高速鐵路無線通信網(wǎng)通常采用覆蓋鐵路線的鏈狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)。此外，為了給列車乘客提供更可靠的寬帶無線通信業(yè)務(wù)，高速鐵路寬帶無線通信系統(tǒng)普遍采用雙層架構(gòu)[5,6]，如圖1所示。每列列車中安裝TRN（train relay node，移動(dòng)中繼節(jié)點(diǎn)），中繼天線置于列車頂部，負(fù)責(zé)列車與地面間的通信聯(lián)絡(luò)，每個(gè)車廂內(nèi)部部署無線AP（access point，接入點(diǎn)），列車內(nèi)的所有UE（user equipment，用戶終端）與AP進(jìn)行通信，TRN匯聚所有AP的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)到地面或把地面發(fā)來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的AP。采用雙層架構(gòu)不僅可以解決高鐵列車車廂穿透損耗大的問題，而且可以減少大量UE同時(shí)切換帶來的切換信令開銷；此外，還可以在不提高UE復(fù)雜度的基礎(chǔ)上，通過在TRN上應(yīng)用抗多普勒頻移技術(shù)，為用戶提供高質(zhì)量的接收信號。

TRN和eNode B（evolved Node B）之間的越區(qū)切換是高鐵寬帶無線通信研究的重點(diǎn)。本文提出的切換方案正是要解決高速移動(dòng)的TRN在鐵路沿線相鄰eNode B之間的切換問題。

3 基于位置的雙播切換方案

LTE標(biāo)準(zhǔn)中采用的是UE輔助的硬切換，源eNode B通過UE的測量報(bào)告決定是否進(jìn)行切換。為了避免乒乓切換，測量結(jié)果需滿足特定條件才能觸發(fā)切換流程，如A3事件觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的測量結(jié)果需同時(shí)滿足切換HOM（hysteresis of margin，遲滯余量）和TTT（time to trigger，觸發(fā)時(shí)間）兩個(gè)參數(shù)的要求。

與普通移動(dòng)終端相比，高速鐵路用戶終端的移動(dòng)線路、速度和方向等信息都極具規(guī)律性，可以通過一定的方式獲得。例如，參考文獻(xiàn)[1]中提出了一種通過GPS獲得列車位置和速度信息的方法。參考文獻(xiàn)[7]提出通過接收信號過零率計(jì)算列車速度的方法。知曉列車速度和位置信息，是本文方案應(yīng)用的前提之一。此外，本文方案的實(shí)施還需要兩個(gè)前提條件：一是對TRN切換執(zhí)行時(shí)刻所在的位置進(jìn)行大量的測量統(tǒng)計(jì)，獲得一個(gè)切換參考點(diǎn)，并且周期性更新；二是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況和設(shè)備處理能力，估計(jì)出雙播時(shí)間門限TBTT，切換執(zhí)行時(shí)刻是理想的雙播開始時(shí)間?？紤]到雙播初始化過程的時(shí)間開銷，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該在切換開始時(shí)刻前的TBTT時(shí)刻觸發(fā)雙播初始化過程。

設(shè)源eNode B處理測量報(bào)告的時(shí)間為T1，源eNode B發(fā)送雙播請求消息到建立從SGW（service gateway，服務(wù)網(wǎng)關(guān)）到目標(biāo)eNode B的用戶通道的時(shí)間為T2，SGW將雙播數(shù)據(jù)發(fā)送到目標(biāo)eNode B的時(shí)間為T3，則雙播時(shí)間門限TBTT表示為：

其中，δ是為了保證TRN在接入目標(biāo)eNode B后能立即收到雙播數(shù)據(jù)分組而設(shè)置的時(shí)間冗余度。

設(shè)TRN速度為V m/s，位置坐標(biāo)為(X,Y)m，切換參考點(diǎn)的位置為(Xr,Yr)m。則當(dāng)時(shí)，啟動(dòng)雙播初始化過程。圖2給出了本文所提方案的信令流程，其詳細(xì)過程描述如下。

（1）測量過程，步驟①～步驟②

源eNode B配置TRN的測量過程，包括測量參數(shù)和測量項(xiàng)等。TRN根據(jù)配置信息周期性上報(bào)測量報(bào)告，該報(bào)告包含RSRP等進(jìn)行切換判決所需的必要信息、TRN的速度和位置信息，由于列車運(yùn)行線路的固定性，因此可以確定目標(biāo)eNode B。

（2）雙播初始化，步驟③～步驟⑥

接收到測量報(bào)告后，源eNode B判斷是否滿足雙播條件。如果滿足，則向MME（mobility management entity，移動(dòng)性管理實(shí)體）發(fā)送雙播請求消息；否則，繼續(xù)接收測量報(bào)告。

當(dāng)MME接收到雙播請求消息后，命令SGW建立到目標(biāo)eNode B的數(shù)據(jù)通道，并將發(fā)往源eNode B的下行數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送給目標(biāo)eNode B。目標(biāo)eNode B將接收到的數(shù)據(jù)分組緩存，等待TRN的接入。

（3）接收雙播數(shù)據(jù)，步驟⑦～步驟?

系統(tǒng)根據(jù)測量報(bào)告啟動(dòng)正常切換流程，此過程中，源eNode B和目標(biāo)eNode B從SGW接收相同的下行數(shù)據(jù)。當(dāng)TRN脫離源eNode B后，源eNode B不用將下行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)eNode B。一旦TRN接入目標(biāo)eNode B，就可以接收緩存在目標(biāo)eNode B中的雙播數(shù)據(jù)分組。

（4）雙播結(jié)束，步驟?～步驟?

當(dāng)目標(biāo)eNode B收到TRN的切換確認(rèn)消息后，向MME發(fā)送一個(gè)結(jié)束雙播請求消息，MME收到該消息后，命令SGW釋放到源eNode B的數(shù)據(jù)通道，雙播過程結(jié)束。

在LTE中，與越區(qū)切換相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為MME和SGW，MME負(fù)責(zé)處理非接入層信令，包括移動(dòng)性管理、空中接口安全控制、認(rèn)證、SGW的選擇等，SGW負(fù)責(zé)越區(qū)切換過程中的本地移動(dòng)性支持、下行數(shù)據(jù)緩沖、分組的路由和轉(zhuǎn)發(fā)等。在上述方案中，由于引入了切換參考點(diǎn)和雙播機(jī)制，需要對MME和SGW做如下修改：

·MME需要為MRN同時(shí)維護(hù)兩組不同的連接上下文信息；

·SGW的路由表中需要為數(shù)據(jù)保留到源eNode B和目標(biāo)eNode B的兩條轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

此外，在eNode B中，也需要增加一個(gè)數(shù)據(jù)庫，用于存儲相鄰eNode B的識別碼、每次測量的結(jié)果及切換參考點(diǎn)的坐標(biāo)等信息，而UE則可以不做任何改變。

4 仿真分析

本節(jié)對所提的越區(qū)切換方案進(jìn)行仿真分析。考慮到高速鐵路環(huán)境的復(fù)雜多樣性，本文采用一種典型的郊區(qū)高速移動(dòng)場景[8]。仿真參數(shù)見表1。根據(jù)參考文獻(xiàn)[9]中對切換中斷時(shí)間的分析方法，將本文越區(qū)切換方案和傳統(tǒng)LTE切換方案進(jìn)行比較。在不同速度下，從雙播持續(xù)時(shí)間的角度將本文提出的基于位置的雙播機(jī)制和參考文獻(xiàn)[4]中的方案進(jìn)行了比較。仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文基于位置的雙播機(jī)制在降低網(wǎng)絡(luò)開銷方面的優(yōu)越性。

圖3給出了本文提出的越區(qū)切換方案和傳統(tǒng)LTE越區(qū)切換方案的中斷時(shí)間對比。與傳統(tǒng)的切換方案相比，本文提出的切換方案消除了數(shù)據(jù)前向轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，中斷時(shí)間只由TRN接入目標(biāo)eNode B的信令傳輸時(shí)間造成，降低了28%左右。

表1 仿真參數(shù)

圖4給出了速度為20～140 m/s時(shí)3種雙播方案在雙播持續(xù)時(shí)間方面的對比。這3種方案分別是：本文提出的基于位置的雙播方案、參考文獻(xiàn)[4]中SINR固定的雙播方案以及SINR基于速度的雙播方案。本仿真中，雙播持續(xù)時(shí)間是指從滿足各算法的雙播開始條件時(shí)起至SGW釋放到源eNode B的用戶通道為止的一段時(shí)間。假設(shè)雙播準(zhǔn)備時(shí)間為300 ms，從切換執(zhí)行開始到雙播結(jié)束時(shí)間為300 ms。從圖4可以看出，各方案均能在切換開始前收到雙播數(shù)據(jù)。但是，基于位置的雙播方案在各種速度下都能有效降低雙播持續(xù)時(shí)間，尤其是速度為20～100 m/s時(shí)，下降幅度更明顯。這對降低雙播引起的網(wǎng)絡(luò)開銷十分有利。

5 結(jié)束語

根據(jù)高速鐵路列車運(yùn)行的特點(diǎn)，將位置信息和雙播技術(shù)相結(jié)合，提出了一種基于位置的雙播機(jī)制，并應(yīng)用到高速鐵路移動(dòng)性管理上，提出一種新型的越區(qū)切換方案。仿真結(jié)果表明，該切換方案消除了傳統(tǒng)越區(qū)切換方案中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，降低了切換中斷時(shí)間，更重要的是，可以精確估計(jì)雙播開始時(shí)間，保證在數(shù)據(jù)分組不丟失的同時(shí)，最小化雙播過程持續(xù)時(shí)間，從而有效降低了因雙播造成的網(wǎng)絡(luò)開銷。

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