基于位置的雙播機制在高速鐵路越區切換中的應用*

周建美，楊文慧，宋靜川

（北京交通大學寬帶無線移動通信研究所 北京100044）

1 引言

近年來，時速超過300 km/h的高速鐵路客運專線得到了極大發展，成為人們出行的主要交通方式。在數小時的旅途中，以旅客為主體的移動通信業務需要在車地之間進行實時傳送，從而為旅客提供多方位的綜合信息服務。這些業務不僅包括傳統的時延小、掉話率低的話音業務和分組丟失率低的數據業務，還包括對時延和分組丟失率有嚴格要求的實時多媒體業務，因此高鐵乘客對移動通信網絡的服務性能有著較高的要求。

在下一代移動通信LTE（long term evolution，長期演進）系統中，為了提供高速率數據，系統往往部署在較高頻段（2 GHz以上），因此每個小區的覆蓋半徑相對較小，切換重疊區也較小。此外，由于列車高速運行，列車在小區重疊區域內的駐留時間很短，對越區切換的執行時間提出了嚴格的限制。

為了確保各種業務的通信質量，切換執行時間和切換中斷時間應該最小化。參考文獻[1]提出了一種基于位置的GSM-R（GSM for railway，鐵路專用移動通信系統）越區切換方案，在切換條件滿足之前執行目標小區信道的激活過程，從而有效縮短GSM-R的切換執行時間。參考文獻[2]提出采用數據雙播的方式降低切換中斷時間。參考文獻[3]認為，由于切換的不確定性，數據應該一直雙播，這顯然造成了開銷的成倍增長。參考文獻[4]提出了一種基于速度的雙播方案，該方案在不同的移動速度下設置不同的SINR門限，一旦某小區信號的SINR值高于該門限，則將該小區加入目標小區并啟動雙播過程。參考文獻[5]將雙播請求過程放在切換執行過程中，但這樣不能保證目標小區在終端接入前及時收到雙播數據。總的來說，將數據雙播機制應用到越區切換中雖然可以有效減小切換的中斷時間，但由于數據的重復傳輸，給網絡帶來了額外的資源開銷。

為了減少數據雙播帶來的額外開銷，縮短雙播時間尤為重要。本文的研究目標是如何通過縮短雙播時間降低雙播造成的網絡開銷。本文提出的LTE越區切換方案利用列車移動軌跡的固定性和列車運行的規律性，采用基于位置的雙播機制，通過設置越區切換參考點，在列車到達切換參考點前的某一時刻啟動雙播初始化過程。與現有的雙播方案相比，本文提出的方案在降低切換數據時延的基礎上，使雙播時間最小化，從而降低了網絡的負荷和開銷。

2 系統模型

高速鐵路無線通信網通常采用覆蓋鐵路線的鏈狀網結構。此外，為了給列車乘客提供更可靠的寬帶無線通信業務，高速鐵路寬帶無線通信系統普遍采用雙層架構[5,6]，如圖1所示。每列列車中安裝TRN（train relay node，移動中繼節點），中繼天線置于列車頂部，負責列車與地面間的通信聯絡，每個車廂內部部署無線AP（access point，接入點），列車內的所有UE（user equipment，用戶終端）與AP進行通信，TRN匯聚所有AP的數據并轉發到地面或把地面發來的數據轉發給相應的AP。采用雙層架構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同時切換帶來的切換信令開銷；此外，還可以在不提高UE復雜度的基礎上，通過在TRN上應用抗多普勒頻移技術，為用戶提供高質量的接收信號。

TRN和eNode B（evolved Node B）之間的越區切換是高鐵寬帶無線通信研究的重點。本文提出的切換方案正是要解決高速移動的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標準中采用的是UE輔助的硬切換，源eNode B通過UE的測量報告決定是否進行切換。為了避免乒乓切換，測量結果需滿足特定條件才能觸發切換流程，如A3事件觸發標準的測量結果需同時滿足切換HOM（hysteresis of margin，遲滯余量）和TTT（time to trigger，觸發時間）兩個參數的要求。

與普通移動終端相比，高速鐵路用戶終端的移動線路、速度和方向等信息都極具規律性，可以通過一定的方式獲得。例如，參考文獻[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[7]提出通過接收信號過零率計算列車速度的方法。知曉列車速度和位置信息，是本文方案應用的前提之一。此外，本文方案的實施還需要兩個前提條件：一是對TRN切換執行時刻所在的位置進行大量的測量統計，獲得一個切換參考點，并且周期性更新；二是根據網絡負載情況和設備處理能力，估計出雙播時間門限TBTT，切換執行時刻是理想的雙播開始時間。考慮到雙播初始化過程的時間開銷，網絡應該在切換開始時刻前的TBTT時刻觸發雙播初始化過程。

設源eNode B處理測量報告的時間為T1，源eNode B發送雙播請求消息到建立從SGW（service gateway，服務網關）到目標eNode B的用戶通道的時間為T2，SGW將雙播數據發送到目標eNode B的時間為T3，則雙播時間門限TBTT表示為：

其中，δ是為了保證TRN在接入目標eNode B后能立即收到雙播數據分組而設置的時間冗余度。

設TRN速度為V m/s，位置坐標為(X,Y)m，切換參考點的位置為(Xr,Yr)m。則當時，啟動雙播初始化過程。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，包括測量參數和測量項等。TRN根據配置信息周期性上報測量報告，該報告包含RSRP等進行切換判決所需的必要信息、TRN的速度和位置信息，由于列車運行線路的固定性，因此可以確定目標eNode B。

（2）雙播初始化，步驟③～步驟⑥

接收到測量報告后，源eNode B判斷是否滿足雙播條件。如果滿足，則向MME（mobility management entity，移動性管理實體）發送雙播請求消息；否則，繼續接收測量報告。

當MME接收到雙播請求消息后，命令SGW建立到目標eNode B的數據通道，并將發往源eNode B的下行數據同時發送給目標eNode B。目標eNode B將接收到的數據分組緩存，等待TRN的接入。

（3）接收雙播數據，步驟⑦～步驟?

系統根據測量報告啟動正常切換流程，此過程中，源eNode B和目標eNode B從SGW接收相同的下行數據。當TRN脫離源eNode B后，源eNode B不用將下行數據轉發給目標eNode B。一旦TRN接入目標eNode B，就可以接收緩存在目標eNode B中的雙播數據分組。

（4）雙播結束，步驟?～步驟?

當目標eNode B收到TRN的切換確認消息后，向MME發送一個結束雙播請求消息，MME收到該消息后，命令SGW釋放到源eNode B的數據通道，雙播過程結束。

在LTE中，與越區切換相關的網絡設備為MME和SGW，MME負責處理非接入層信令，包括移動性管理、空中接口安全控制、認證、SGW的選擇等，SGW負責越區切換過程中的本地移動性支持、下行數據緩沖、分組的路由和轉發等。在上述方案中，由于引入了切換參考點和雙播機制，需要對MME和SGW做如下修改：

·MME需要為MRN同時維護兩組不同的連接上下文信息；

·SGW的路由表中需要為數據保留到源eNode B和目標eNode B的兩條轉發路徑。

此外，在eNode B中，也需要增加一個數據庫，用于存儲相鄰eNode B的識別碼、每次測量的結果及切換參考點的坐標等信息，而UE則可以不做任何改變。

4 仿真分析

本節對所提的越區切換方案進行仿真分析。考慮到高速鐵路環境的復雜多樣性，本文采用一種典型的郊區高速移動場景[8]。仿真參數見表1。根據參考文獻[9]中對切換中斷時間的分析方法，將本文越區切換方案和傳統LTE切換方案進行比較。在不同速度下，從雙播持續時間的角度將本文提出的基于位置的雙播機制和參考文獻[4]中的方案進行了比較。仿真結果驗證了本文基于位置的雙播機制在降低網絡開銷方面的優越性。

圖3給出了本文提出的越區切換方案和傳統LTE越區切換方案的中斷時間對比。與傳統的切換方案相比，本文提出的切換方案消除了數據前向轉發時延，中斷時間只由TRN接入目標eNode B的信令傳輸時間造成，降低了28%左右。

表1 仿真參數

圖4給出了速度為20～140 m/s時3種雙播方案在雙播持續時間方面的對比。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[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，雙播持續時間是指從滿足各算法的雙播開始條件時起至SGW釋放到源eNode B的用戶通道為止的一段時間。假設雙播準備時間為300 ms，從切換執行開始到雙播結束時間為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據。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時間，尤其是速度為20～100 m/s時，下降幅度更明顯。這對降低雙播引起的網絡開銷十分有利。

5 結束語

根據高速鐵路列車運行的特點，將位置信息和雙播技術相結合，提出了一種基于位置的雙播機制，并應用到高速鐵路移動性管理上，提出一種新型的越區切換方案。仿真結果表明，該切換方案消除了傳統越區切換方案中的數據轉發時延，降低了切換中斷時間，更重要的是，可以精確估計雙播開始時間，保證在數據分組不丟失的同時，最小化雙播過程持續時間，從而有效降低了因雙播造成的網絡開銷。

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9 Deepti Singhal,Mythili Kunapareddy.LTE-advanced:handover interruption time analysis for IMT-A evaluation.Proceedings of International Conference on Signal Processing,Communication,Computing and Networking Technologies,2011

10 3GPP TS36.300.E-UTRA and E-UTRAN:Overall Description;Stage 2(Release 10)V10.5.0,2011

11 Stefania Sesia,Issam Toufik,Matthew Baker.LTE-the UMTS Long Term Evolution:from Theory to Practice.John Wiley &Sons,2009