凌啟東，張 雷，王鴻磊,，王 博

(1.徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信息與電氣工程技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221440；2.中國礦業(yè)大學(xué) 信息與控制學(xué)院，江蘇 徐州 221008；3.中國移動通信集團江蘇有限公司 徐州分公司，江蘇 徐州 221600)

0 引 言

隨著LTE網(wǎng)絡(luò)向高鐵的深度覆蓋，寬帶移動通信系統(tǒng)對LTE切換算法提出了更高的要求，窄帶GSM-R系統(tǒng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足通信需求[1]，但是高速運行環(huán)境使得LTE系統(tǒng)頻繁切換且過渡時間短，導(dǎo)致切換成功率低，嚴(yán)重影響了用戶體驗，LTE-R切換算法的研究成為當(dāng)前研究熱點[2]。文獻(xiàn)[2,3]提出了基于速度特性對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分級優(yōu)化，在一定程度上提高了切換成功率，但是動態(tài)的計算增加了算法的復(fù)雜度，在切換時間極短的情況下無法保證穩(wěn)定的切換成功率。文獻(xiàn)[4,5]提出了基于位置信息對切換算法優(yōu)化，這類方案雖然能夠提高越區(qū)切換的成功率，但是需要增加專用的位置檢測設(shè)備，改變了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，工程實踐性較差。文獻(xiàn)[6]提出了提前切換算法，提前進(jìn)行信令交換和預(yù)承載，縮短了切換時延，但是預(yù)承載點的定位過程復(fù)雜，涉及參數(shù)多，算法實現(xiàn)難度較大。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于精簡信令流程的快速切換機制，精簡了源基站向UE發(fā)送確認(rèn)信息信令，降低了切換時延，但是可靠性沒有保障，且新基站的隨機接入沖突率大大提升，影響了切換成功率。

針對高鐵LTE通信網(wǎng)絡(luò)特點，提出了一種基于移動方向和資源快速分配的LTE切換算法，優(yōu)化了傳統(tǒng)的切換過程，調(diào)整了切換判決參數(shù)，減小了切換時延，有效提高了切換成功率，解決了越區(qū)覆蓋問題，可有效保證通信質(zhì)量，且實現(xiàn)簡單，具有較強的理論意義和實用價值。

1 高鐵LTE網(wǎng)絡(luò)切換的特殊性

高鐵作為一種高速運行的軌道交通，大部分運行在野外空曠處，時速往往都超過300 km/h，在如此高速移動環(huán)境下，給LTE網(wǎng)絡(luò)的正常切換帶來了巨大的挑戰(zhàn)，相對于普通的室外宏站環(huán)境，當(dāng)前高鐵LTE切換具有如下特點：

(1)UE穿過切換過渡區(qū)域時間短，不能滿足正常的切換響應(yīng)時間，給切換的穩(wěn)定性帶來了更高的要求，而且高速的特性以及地理環(huán)境的復(fù)雜性性還會造成頻繁切換的發(fā)生，很容易出現(xiàn)切換失敗、脫網(wǎng)等問題，甚至可能影響整個網(wǎng)絡(luò)的性能；

(2)高鐵用戶空間和時間集中度高，在切換時間內(nèi)易產(chǎn)生大量的信令、資源需求，在一定的程度上加重系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)；

(3)高鐵的無線信號分布是一種鏈狀結(jié)構(gòu)，相連小區(qū)的位置固定，用戶移動方向具有確定性，由于高鐵一定是沿著線路朝一個方向運行，UE切換目標(biāo)小區(qū)具有可預(yù)知的確定性。

另外，高鐵壞境還具有多普勒頻譜效應(yīng)強、無線信號穿透損耗大等問題[8]，都加大了LTE網(wǎng)絡(luò)部署的難度，給穩(wěn)定高效的系統(tǒng)切換帶來了挑戰(zhàn)，為了保證用戶通信質(zhì)量，急需優(yōu)化當(dāng)前的LTE切換機制，為此設(shè)計一種快速切換算法，基于信號強度運算有效定位用戶的移動方向，通過二級鄰區(qū)查詢機制確定目的鄰區(qū)，實現(xiàn)高鐵小區(qū)間的快速有效切換，保證LTE通信質(zhì)量，提升用戶感知。

2 基于方向定位和資源預(yù)分配的切換算法

2.1 切換算法

目前LTE系統(tǒng)基于覆蓋的頻內(nèi)/頻間切換主要是采用事件A3的切換判決控制算法，進(jìn)入A3事件的條件如式(1)所示，當(dāng)相鄰小區(qū)比當(dāng)前服務(wù)小區(qū)質(zhì)量高于一個門限,且持續(xù)一定時間，A3事件發(fā)生，UE上報測量結(jié)果，eNODE觸發(fā)切換過程[9]。在高鐵環(huán)境下，UE通過切換區(qū)域時間短，信號變化快，速度為350 km/h的列車通過300 m切換區(qū)域的時間約為3 s，原有參數(shù)值及切換過程已經(jīng)不能滿足高速環(huán)境下的切換需求。高鐵環(huán)境下切換算法的重點是在很短的時間內(nèi)觸發(fā)有效切換，否則如果切換過程花費時間過長，會導(dǎo)致UE因服務(wù)信號衰減過快而發(fā)生掉話，降低了用戶感知

Mn+Ofn+Ocn-Hys>Ms+Ofs+Ocs+Off

(1)

基于高鐵LTE網(wǎng)絡(luò)的特點，在現(xiàn)有的基于A3事件切換的基礎(chǔ)上提出了基于方向定位和資源預(yù)分配的快速切換算法,高鐵在出發(fā)時UE通過方向定位技術(shù)判別運行方向，根據(jù)運行方向查找服務(wù)小區(qū)的雙向鄰區(qū)快表預(yù)知切換的目標(biāo)小區(qū)，通過資源預(yù)分配和改進(jìn)的A3事件判別機制快速完成切換，減少了切換信令的延時，同時避免了資源的過度浪費，有效提高了高鐵環(huán)境下用戶的切換成功率。

小區(qū)信號變化及快速算法切換過程如圖1所示，考慮到高速環(huán)境下多普勒頻移效應(yīng)，采用基于循環(huán)前綴的最大似然頻偏估計進(jìn)行信號補償[10]，快速切換算法的具體控制流程如下。

圖1 快速切換算法

步驟1 UE在初始接入到LTE-R系統(tǒng)中時，基于方向定位技術(shù)確定運行方向，由于高鐵在運行中方向保持唯一性，根據(jù)運行方向查詢雙向鄰區(qū)快表，可以快速確定切換目標(biāo)鄰區(qū)。當(dāng)UE移動速度小于120 km/h時，采用基于A3事件的切換判決算法,跳轉(zhuǎn)到步驟5。當(dāng)UE移動速度不小于120 km/h時，進(jìn)行步驟2。

步驟2 當(dāng)UE移動到A處，服務(wù)小區(qū)信號滿足式(2)，服務(wù)小區(qū)信號強度小于門限值參數(shù)時，打開頻間測量，向eNB上報測量報告，eNB收到測量數(shù)據(jù)后，啟動預(yù)切換判決機制，根據(jù)運行方向查尋雙向鄰區(qū)快表，確定目標(biāo)鄰區(qū)，并向目標(biāo)鄰區(qū)發(fā)出預(yù)切換請求

Ms<=threshold

(2)

如果鄰區(qū)信息表中目標(biāo)鄰區(qū)為空，則直接進(jìn)行步驟5。

步驟3 目標(biāo)鄰區(qū)收到預(yù)切換請求信令后為UE分配前導(dǎo)碼、X2AP ID及eRAB資源信息，并通過預(yù)切換回復(fù)信令發(fā)給服務(wù)小區(qū)，服務(wù)小區(qū)收到信息后，暫存在ENODE的內(nèi)存中。

步驟4 當(dāng)UE移動到B處，即服務(wù)小區(qū)信號強度不大于目標(biāo)鄰區(qū)信號強度時，在同頻情況下，式(1)的參數(shù)Ofn、Ocn、Hys、Ofs、Ocs、Off均取值為0，且切換遲滯值TTT也為0，A3事件發(fā)生，UE發(fā)送測量報告，eNodeB進(jìn)行切換判決，向UE發(fā)送切換命令，將非競爭性隨機接入前導(dǎo)碼等信息發(fā)送給UE，UE釋放占用當(dāng)前小區(qū)資源，向目標(biāo)鄰區(qū)發(fā)出基于非競爭的RRC連接請求。

步驟5 當(dāng)UE移動到B處，執(zhí)行基于改進(jìn)了判決參數(shù)的A3事件的切換過程，A3事件判決參數(shù)取值與步驟4相同，查詢普通鄰區(qū)列表，最終UE向目標(biāo)鄰區(qū)發(fā)起非競爭性隨機接入請求。

步驟6 隨機接入成功后，目標(biāo)鄰區(qū)向源小區(qū)發(fā)送確認(rèn)信息，如雙向鄰區(qū)快表中的目的鄰區(qū)信息為空則進(jìn)行寫入。如果隨機接入請求失敗，UE基于競爭性隨機接入當(dāng)前信號最優(yōu)小區(qū)，并重復(fù)步驟1，重新定位UE運行方向。源小區(qū)在規(guī)定時間內(nèi)未收到確認(rèn)信息則將鄰區(qū)信息表中該運行方向的目標(biāo)小區(qū)進(jìn)行失敗次數(shù)記錄，如果有連續(xù)兩次失敗，則將該方向的目標(biāo)鄰區(qū)清空，準(zhǔn)備進(jìn)行表的更新。

2.2 運行方向定位技術(shù)

高鐵的LTE系統(tǒng)模型如圖2所示，每個基站都有一個雙向鄰區(qū)快表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)BSn1BSn2BSn3，其中BSn2是當(dāng)前服務(wù)小區(qū)，BSn1和BSn3是當(dāng)前服務(wù)小區(qū)的前后兩個鄰區(qū)，由于高鐵線路的確定性，每個小區(qū)的相鄰小區(qū)都是固定的，因此只要確定了高鐵的運行方向，發(fā)生切換的目標(biāo)小區(qū)就是確定的。目前的UE定位技術(shù)較成熟的有接受信號強度RSS(receive signal strength)、信號到達(dá)角度AOA(angle of arrival)、信號到達(dá)時間TDOA(time difference of arrival)、信號到達(dá)頻率差FDOA(frequency difference of arrival)以及混和定位算法[11]，其中RSS算法利用無線信號隨著傳輸距離的變化衰減不同，通過信號強度進(jìn)行比較，運算復(fù)雜度低，涉及的參數(shù)少，不需要系統(tǒng)額外增加測量參數(shù)，適合應(yīng)用于高速運行的環(huán)境?；诟哞F信號的特點，設(shè)計了基于多線性RSS的鄰區(qū)判別方法，來確定高鐵用戶運行方向。

圖2 高鐵LTE系統(tǒng)方向定位模型

(3)

(4)

2.3 鄰區(qū)信息列表

鄰區(qū)信息列表采用二級查詢結(jié)構(gòu)，主要包括雙向鄰區(qū)快表和普通鄰區(qū)列表，當(dāng)UE運行速度大于120 km/h時，首先基于UE移動方向查找雙向鄰區(qū)快表，如果切換失敗，則通過查詢普通鄰區(qū)列表進(jìn)行切換。當(dāng)失敗兩次后，清空該方向下雙向鄰區(qū)快表的鄰區(qū)信息，并由切換成功后的鄰區(qū)信息進(jìn)行更新賦值。兩級鄰區(qū)信息第一次由管理員根據(jù)建站信息進(jìn)行配置，后期雙向鄰區(qū)快表通過自學(xué)習(xí)進(jìn)行信息的更新維護。

3 快速切換算法有效性分析

3.1 算法實現(xiàn)有效性分析

目前LTE系統(tǒng)已經(jīng)基本部署完畢，此時算法的實施重點是要考慮設(shè)備的兼容性，盡量減少對現(xiàn)有系統(tǒng)的影響。LTE-R快速切換算法的實施無需增加硬件設(shè)備，算法的可實現(xiàn)性強。在現(xiàn)有的切換信令流程的基礎(chǔ)上[12]，設(shè)置了基于X2口切換的LTE-R切換算法信令流程，如圖3所示，主要包括切換初始化、A2測量與預(yù)切換、A3測量與切換決策、切換執(zhí)行和切換完成4步，與原有切換信令完全兼容，易于版本升級實施。

(1)切換初始化

切換初始主要完成完成控制命令的下發(fā)、速度的監(jiān)測及UE運行方向的定位。通過信令3 Initiation Report對速度進(jìn)行周期性的監(jiān)測，利用歸一化接收功率標(biāo)準(zhǔn)差判別移動速度的高低[13]；當(dāng)速度大于120 km/h時，觸發(fā)運行方向的判定及新切換算法的實施，當(dāng)速度小于120 km/h時，仍然采用原有的切換流程。

(2)A2測量與預(yù)切換

相對于典型的LTE切換命令，增加了4、5信令及源基站小區(qū)的預(yù)切換判決處理，當(dāng)服務(wù)小區(qū)信號質(zhì)量小于設(shè)定的門限值時，打開A2測量，并上報同頻和異頻的測量報告，源基站小區(qū)啟動預(yù)先切換判決模式，通過4 Prepare Handover Request信令向目標(biāo)小區(qū)申請資源，目標(biāo)小區(qū)通過5 Prepare Handover Request Acknowledge將預(yù)分配的資源發(fā)給源基站。

(3)A3測量與切換決策

當(dāng)目標(biāo)鄰區(qū)的服務(wù)質(zhì)量大于等于源小區(qū)服務(wù)質(zhì)量時，UE上報A3測量報告，A2和A3的測量報告都由Measure Report信令上報，通過ID號進(jìn)行標(biāo)識，源基站小區(qū)通過8 RRC Connection Reconfiguration消息下發(fā)切換命令和隨機接入前導(dǎo)碼，掛起PDCP，同時向目標(biāo)小區(qū)發(fā)送9 Handover Report告之即將發(fā)生切換。8、9信令同時進(jìn)行，節(jié)省了大量的切換準(zhǔn)備時間。

圖3 基于X2口的快速切換信令流程

(4)切換執(zhí)行與完成

UE收到切換命令后，指示RLC重建，同時通過11 Non-competition Random Access向目標(biāo)小區(qū)發(fā)起非競爭性隨機接入請求。隨機接入完成后，向UE發(fā)送下行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸恢復(fù)，并向源小區(qū)發(fā)送12 UE Context Release信令，通知源小區(qū)釋放資源，對雙向鄰區(qū)快表進(jìn)行維護。

3.2 切換時間有效性分析

利用信令流程進(jìn)行理論分析時延的方法是評估算法有效性的方式之一[6]?？焖偾袚Q算法在切換時間上做了較大的優(yōu)化，主要包括有效縮短了切換時延和提前了切換發(fā)生時間。切換時延是指控制面的切換時間，開始于UE上報A3測量報告，結(jié)束于目標(biāo)小區(qū)收到MSG3結(jié)束，假設(shè)信令傳輸一次成功，不考慮HARQ和RLC帶來的影響[14],切換時延主要由信令傳輸時間和處理判決時間組成，根據(jù)圖3的切換信令流程，切換步驟及時間見表1，在LTE-R快速切換算法中，切換請求及應(yīng)答是在預(yù)切換過程中完成，當(dāng)源小區(qū)收到A3測量報告后直接下發(fā)切換后命令，減少了切換請求及應(yīng)答的時間，相對于LTE-A典型切換算法，節(jié)省約26.2%的切換時延。

切換發(fā)生時間是UE發(fā)起切換的時刻，如圖2所示，LTE-R快速切換發(fā)生在B時刻，遠(yuǎn)遠(yuǎn)提前于LTE-A切換算法的C時刻。在同頻情況下涉及的參數(shù)(Hys+Off)和TTI，對應(yīng)的現(xiàn)網(wǎng)典型值分別為3 dB和320 ms?；诟哞F線路的信號特點，采用Cost231-Hata模型分析路徑損耗[15]，如式5所示，其中fc為工作頻率，hte為基站天線高度，d為基站天線到UE天線的水平距離，hre為UE天線高度，α(hre)為UE天線的環(huán)境因子，Ccell為小區(qū)校準(zhǔn)因子，CM地域校正因子

表1 切換過程及時間/ms

L=46.3+33.9lgfc-13.82lghte+(44.9-6.55lghte)
lgd-α(hre)+Ccell+CM

(5)

若不考慮陰影衰落，則UE接收的鄰區(qū)RSRP與服務(wù)小區(qū)RSRP的差值ΔPR如式(6)所示，PSN和RSS分別鄰區(qū)和服務(wù)小區(qū)的天線發(fā)射功率

ΔPR=PRN-PRS=(PSN-Ld)-(PSS-Ld′)

(6)

在正常情況下，相鄰小區(qū)和服務(wù)小區(qū)基本參數(shù)相同，將式(5)代入式(6)，運算得到式(7)，假設(shè)基站天線高度相同為40 m，小區(qū)覆蓋半徑1.2 km，高鐵速度300 km/h，則當(dāng)鄰區(qū)RSRP高于服務(wù)小區(qū)3 dB，UE與鄰區(qū)區(qū)基站水平距離d為540 m，偏離中心分界點B點60 m，需耗時720 ms。因此，LTE-R快速切換算法的切換時刻比傳統(tǒng)LTE切換算法提前1040 ms，大大降低了因高鐵速度太快切換不及時導(dǎo)致發(fā)生無線鏈路失敗的風(fēng)險

(7)

4 算法仿真與分析

4.1 測試條件

為了評估LTE-R快速切換算法，選用意大利的開源架構(gòu)的LTE-SIM仿真平臺[15]，該平臺包含了主要的LTE協(xié)議棧和網(wǎng)元實體，通過事件調(diào)度器來模擬LTE的運行過程，在此基礎(chǔ)上添加了移動方向管理模塊、切換算法控制模塊、高鐵環(huán)境無線信道模塊等。針對高鐵場景，采用鏈狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)共MME，ENODE站點500個，中途設(shè)置?？空军c4個，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)E-RAB連接數(shù)200，其它仿真參數(shù)見表2。

表2 仿真參數(shù)配置

4.2 仿真結(jié)果分析

以基于A3事件的LTE-A典型切換算法和提前切換算法[6]為比較基線，選取切換時延、切換成功率、無線掉線率[16]作為評價指標(biāo),以一個來回為測試周期，不同速度情況下對100次獨立采集數(shù)據(jù)取平均值，驗證LTE-R快速切換算法的性能。

圖4為不同速度條件下3種算法的切換時延，由于快速切換算法采用了優(yōu)化了切換過程，大大縮短了控制面切換時間，在速度小于120 km/h時，3種算法的切換時延與理論分析結(jié)果基本一致。當(dāng)速度逐漸增大時，典型A3切換算法性能下降較快，快速切換算法由于采用了新的測量機制和切換執(zhí)行過程，切換時延基本保持穩(wěn)定。

圖4 切換時延對比

圖5為3種切換算法的切換成功率對比圖，在高鐵速度小于120 km/h時，3種算法的切換成功率均高于99.5%，滿足KPI指標(biāo)要求。隨著速度的增加，基于A3事件的切換算法的切換成功率明顯下降，當(dāng)速度大于360 km/h時，提前切換算法的切換成功率小于95%，而且有加速下降的趨勢。而LTE-R快速切換算法由于提前了切換的時間，采用了新的位置優(yōu)化了切換過程，提高了切換目標(biāo)小區(qū)的可預(yù)知能力，切換成功率較高，且比較穩(wěn)定，保持在98%以上，基本可以滿足現(xiàn)網(wǎng)的需求。

圖5 切換成功率對比

圖6為3種切換算法的無線掉線率對比圖，在高鐵速度小于120 km/h時，3種算法的無線掉線率相差不大，保持在0.3%以內(nèi)，系統(tǒng)可靠性良好，隨著速度的增加，LTE-R快速切換算法的無線掉線率穩(wěn)定在0.5%左右，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性較高，提前切換算法無線掉線率稍差，而A3切換算法在160 km/h以上指標(biāo)惡化，RRC異常釋放比率上升，業(yè)務(wù)通訊保持能力差。

圖6 無線掉線率對比

5 結(jié)束語

切換算法是保證移動業(yè)務(wù)連續(xù)性的關(guān)鍵因素之一，對LTE系統(tǒng)在高鐵上的大規(guī)模應(yīng)用有著十分重要的影響。針對高鐵LTE信號變化快的特殊性，提出了LTE-R快速切換算法，基于高鐵用戶方向的確定性，增加了雙向鄰區(qū)快表，優(yōu)化了切換參數(shù)，提前進(jìn)行相關(guān)切換資源的預(yù)分配，設(shè)計了該算法實現(xiàn)的信令流程，對控制信令的切換時延進(jìn)行了有效性分析。對該算法進(jìn)行了仿真測試分析，實驗結(jié)果表明該算法在高速情況下具有良好的切換性能，對鐵路LTE-R標(biāo)準(zhǔn)的最終制定有著重要的意義。