王翔 張義 孫發(fā)帥

摘要：針對LTE-M系統(tǒng)多UE切換場景下，切換點上行干擾影響小區(qū)邊緣UE數據傳輸時延的問題，對上行干擾的產生原理進行了介紹，提出了一種多UE聯(lián)動切換的上行干擾優(yōu)化方法。新型上行干擾優(yōu)化方法可以使多個信號質量變化相似的UE同時進行切換，從而達到降低上行干擾的目的。仿真結果表明，提出的新型上行干擾優(yōu)化方法可有效降低切換點上行干擾對數據傳輸的影響。

關鍵詞：LTE-M;多UE;上行干擾;聯(lián)動切換

中圖分類號：TN929.52文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2021）05-65-4

0引言

LTE-M系統(tǒng)中一列車同時裝備多個UE時，切換點不同，UE切換不同步，會造成短暫的上行干擾，使小區(qū)邊緣UE的數據傳輸時延性能受到影響，對列車的安全運行造成潛在的風險。

LTE-M系統(tǒng)是滿足城市軌道交通綜合業(yè)務承載需求的專網無線通信系統(tǒng)，基于TD-LTE技術，在保證基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）車地信息傳輸基礎上，可同時傳輸視頻監(jiān)控（IMS）、乘客信息系統(tǒng)（PIS）、列車運行狀態(tài)監(jiān)測及集群調度業(yè)務等信息。由于列車控制信息CBTC業(yè)務需要通過車-地無線通信系統(tǒng)進行傳輸，因此其可靠性、穩(wěn)定性、實時性對行車安全和乘客的人身安全至關重要[1]。

1干擾問題分析

時延性能是評估LTE網絡質量的重要指標，尤其LTE-M系統(tǒng)下CBTC業(yè)務對時延有著極高的要求，要求單向時延不超過150 ms，環(huán)回時延不超過300 ms[2]。當網絡受到上行干擾時，小區(qū)邊緣用戶的信噪比會瞬時下降，在低信噪比情況下數據的重傳次數會有所增加，進而時延性能將受到影響，干擾嚴重時甚至會影響用戶的接入性能[3]。

在LTE-M系統(tǒng)中，當一列車上同時裝備多個UE時，切換點不同，UE的切換不同步，會造成短暫的上行干擾，使小區(qū)邊緣UE的時延性能受到影響。如圖1所示，以一列車同時配備2個UE為例，當列車從小區(qū)1切換到小區(qū)2的整個過程可以分為3個階段。階段1是2個UE都沒有觸發(fā)切換;階段2是其中一個UE切換到了小區(qū)2，但是另外一個UE還沒有切換，繼續(xù)在小區(qū)1上;階段3是2個UE都切換到了小區(qū)2上。其中階段1和階段3由于2個UE都處在同一個小區(qū)中，因此都不存在上行干擾;而處于階段2時，2個UE分別位于2個小區(qū)中，且都處在小區(qū)的邊緣位置，當2個小區(qū)分別為這2個UE分配了相同的頻譜資源時就會產生很強的上行干擾現象，嚴重影響UE的時延性能，進而影響車-地無線通信系統(tǒng)的可靠性和實時性。

雖然在同一輛列車的不同UE設備通過相同的天線來接收信號，但由于不同UE的天線接收能力有所差異，導致不同UE達到切換門限的時機有所差異，這種差異一般會在幾百毫秒到幾秒不等[4]。如果這段時間持續(xù)存在很強的上行干擾，很可能會影響到數據傳輸的可靠性和實時性，無疑會增加列車運行的風險。

2多UE聯(lián)動切換方案

綜合上述分析結果，LTE-M系統(tǒng)在多UE場景下切換點的上行干擾現象主要存在于切換的階段2中，因此，如何減少或者消除階段2的存在時間成為解決該問題的關鍵所在。為此，提出了一種多UE聯(lián)動切換的方案來解決切換點的上行干擾問題。

2.1方案原理

多UE聯(lián)動切換方案的關鍵在于使多個UE能夠在同一時刻完成切換動作，進而極大減少甚至消除處于中間過程的階段2，以達到降低上行干擾的目的，如圖2所示。由于2個UE是通過同一天線接收信號，雖然不同UE天線接收能力不同，但也不會相差太大，即其中一個UE達到切換門限時，另外一個離切換門限也已經不遠，二者的RSRP通常相差在1 dBm以內，此時如果能夠使后者與前者一同完成切換動作，并不會對后者造成明顯的影響。這樣，2個UE就可以幾乎都保持在同一個小區(qū)內，從而達到避免造成上行干擾的目的。

2.2方案設計

UE的切換行為是由基站來控制的，當UE達到切換門限上報的測量報告中攜帶A3事件時，基站會為該UE進行切換準備，并通過向UE發(fā)送切換命令來通知UE完成切換動作。要使多個UE同時進行切換，可以在第一個達到切換門限的UE上報A3事件時，即在聯(lián)動切換的多個UE中無論哪個UE先達到切換門限，基站都向其他需要聯(lián)動切換的UE一同發(fā)送切換命令，從而達到多個UE同時切換的目的。

需要達到多UE同時切換還需要解決一個問題，就是基站要確定哪些UE是需要一同完成切換的，這就需要多UE綁定來完成。在LTE系統(tǒng)中，每個UE的IMSI號是唯一且不變的標識，而LTE-M系統(tǒng)中每輛列車上UE的IMSI號一般情況下也不會進行變動。因此，基站可以據此將多個需要一同切換的UE進行綁定，并將其綁定關系存入配置文件中，基站在啟動時可從配置文件中獲取信息。

此外，IMSI號包含在NAS信令中并且在UE和核心網之間交互，而基站只透傳NAS信令，并不解析其中的內容，因此，通常情況下基站是無法正常獲取到IMSI信息的。為了解決這一問題，需要從S1信令解析入手。INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST和HANDOVER REQUEST兩條S1信令是UE在基站入網所必須的2條信令，其中都包含可選字段[5]。核心網通過這2條信令中的可選字段將IMSI信息告知基站，這樣基站就能確定哪些UE是綁定在一起需要聯(lián)動切換的。

多UE聯(lián)動切換方案與傳統(tǒng)切換方案相比，可以極大減少切換第2階段的存在時間，這樣在切換的過程中上行干擾會大大降低，能夠獲得更高的SNR，進而減少不必要的重傳，從而降低切換過程中對時延性能造成的影響。由于多個UE共用同一個天線進行收發(fā)，信道質量情況不會有太大差別，因此對于其他聯(lián)動切換的UE來說，未達到切換門限而提前切換，并不會產生太大影響。

3仿真分析

采用IX軟件作為仿真工具進行仿真，由于IX軟件無法收集信噪比等直接反映信道質量的相關數據，而上行干擾會直接影響業(yè)務的時延性能，通過對時延性能的分析可以有效反映上行干擾的情況。仿真方案通過IX軟件采集切換過程中的時延數據，對比傳統(tǒng)方案和聯(lián)動切換方案的時延數據結果，來證明聯(lián)動切換方案可以有效降低多UE在切換點的上行干擾。

（1）仿真環(huán)境

仿真使用自研的LTE-M專網系統(tǒng)，系統(tǒng)通過了LTE-M行業(yè)認證測試。使用可編程衰減器模擬切換信號條件，使終端在2個基站之間進行切換。測試業(yè)務選用軌道場景中最為重要的CBTC業(yè)務（對時延性能要求高）。終端是通過LTE-M行業(yè)認證測試的專網終端，仿真參數如表1所示[6]。

（2）仿真結果及分析

按照表1參數對傳統(tǒng)切換方案及多UE聯(lián)動切換方案分別進行仿真，得到的結果如圖3和圖4所示。仿真以CBTC業(yè)務的環(huán)回時延作為參考指標，由于CBTC業(yè)務對時延性能要求較高，當環(huán)回時延超過300 ms時就可能對列車的運行產生影響，時延越高，產生影響的可能性就會越大。

仿真結果中，2種方案仿真時間都為60 min，仿真期間UE切換次數為180。為了便于觀看，只截取前10 min共30次切換的仿真結果，如圖5和圖6所示。

從仿真結果可以看到，非切換點的環(huán)回時延穩(wěn)定在40 ms左右;在切換點，由于UE需要從源小區(qū)脫離并且在目的小區(qū)接入，整個過程大概會有60 ms左右的數據中斷，因此正常情況下在切換點環(huán)回時延大概在100 ms左右。

針對仿真結果，分別統(tǒng)計出環(huán)回時延在≥150 ms，≥250 ms，≥300 ms的次數。其中，前10 min仿真結果和全部仿真結果的統(tǒng)計情況分別如表2和表3所示。

從統(tǒng)計結果可以看出，在60 min的仿真結果中，傳統(tǒng)切換方案環(huán)回時延≥150 ms的次數為37（20.5%），≥250 ms的次數為8（4.4%）;相比之下，多UE聯(lián)動切換方案的統(tǒng)計結果，環(huán)回時延≥150 ms的次數為18（10%），≥250 ms的次數為0（0%）。結果表明，多UE聯(lián)動切換方案相對于傳統(tǒng)切換方案，環(huán)回時延≥150 ms的出現概率降低了100%，并且出現≥250 ms高時延的概率降到了0%。因此，可以證明多UE聯(lián)動切換方案能夠有效降低多UE在切換點所產生的上行干擾，并且大大降低了切換點的環(huán)回時延，提高了列車運行的穩(wěn)定性。

4結束語

針對LTE-M系統(tǒng)在軌道系統(tǒng)場景多個UE切換時會產生上行干擾的問題，提出了一種多UE聯(lián)動切換方案。該方案通過基站對多個需要同時切換的UE進行綁定，能夠在同一時刻完成小區(qū)切換動作，有效降低了切換過程產生的上行干擾，提高了LTE-M系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

參考文獻

[1]戴克平.LTE-M車-地無線通信系統(tǒng)抗干擾研究[J].鐵道通信信號，2017，53（2）：47-50.

[2]蔡京軍，豐磊，馬蘭，等.北京大興國際機場線基于LTE-M系統(tǒng)的業(yè)務綜合承載方案[J].城市軌道交通研究，2019，22（12）： 176-181.

[3]李行政，張冬晨，姚文聞，等.一種TD-LTE系統(tǒng)上行干擾三維分析方法[J].電信工程技術與標準化，2016，29（6）：88-92.

[4]趙訓威，林輝，張明，等.3GPP長期演進（LTE）系統(tǒng)架構與技術規(guī)范[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[5] 3GPP TS 36.413.Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN） ;S1 Application Protocol （S1AP）[S]. Sophia Antipolis Cedex，2011.

[6]馬康，金杰，蘇寒松，等.LTE系統(tǒng)ARQ重傳資源重分配[J].計算機工程與應用， 2014，50（12）：106-110.