高速鐵路寬帶無線通信系統越區切換技術

劉云毅，趙軍輝,，王傳云

（1. 北京交通大學電子信息工程學院，北京 100044；2. 華東交通大學信息工程學院，江西 南昌 330013）

高速鐵路寬帶無線通信系統越區切換技術

劉云毅1，趙軍輝1,2，王傳云2

（1. 北京交通大學電子信息工程學院，北京 100044；2. 華東交通大學信息工程學院，江西 南昌 330013）

我國現有的鐵路移動通信系統已不能滿足鐵路信息化建設的要求，需要開展下一代高速鐵路通信系統關鍵技術研究。越區切換是高速鐵路寬帶無線通信系統的關鍵技術，對保障列車的行車安全和通信可靠性具有重要意義。針對目前高速鐵路通信系統中越區切換技術的研究現狀和成果進行總結，分析存在的問題，并進一步探討未來越區切換技術的發展方向。

高速鐵路；越區切換；無線通信

1 引言

近年來，中國高速鐵路（以下簡稱高鐵）迅猛發展，高鐵以其經濟輻射效應極大地帶動了沿線城市和地區的經濟發展，形成了我國獨具特色的“高鐵經濟”。伴隨著“一帶一路”“高鐵走出去”和“中國制造2025”等國家戰略的提出，高鐵建設已經成為我國中長期發展的戰略需要。截止到2016年底，我國高鐵營業里程超過2.2萬千米，穩居世界第一，占世界高鐵總里程的 60%以上。2017年6月26日，“復興號”中國標準動車組在京滬高鐵雙向首發，標志著我國高鐵正式進入自主知識產權時代，達到世界領先水平。根據我國《中長期鐵路網規劃》（2016—2030年），預計到2030年，我國高速鐵路網基本實現內外互聯互通、區際多路暢通、省會高鐵連通、地市快速通達、縣域基本覆蓋。圖1為2013—2016年高速列車與普通列車全國日均客運發送量對比。高速列車的客運發送量及其所占比重逐年增大，在2016年占比達到 52.1%。隨著鄭徐高鐵、寶蘭高鐵、西成高鐵等新一批高鐵線路開通運營，這一比重在2017年會繼續擴大。

高速鐵路的快速發展對移動通信系統也提出了極高的要求，高速鐵路寬帶無線通信系統需要保障高速列車在運行過程中調度信息的可靠傳輸以及為旅客提供更為優質的寬帶通信業務。隨著智能設備的普及以及互聯網的高速發展，旅客在長途旅行中對各種無線服務有了更高的需求。由于列車高速運行引起的多普勒頻移和信道快速時變、嚴重的車廂穿透損耗、大量設備同時切換引起的“信令風暴”以及用戶終端處理能力有限等問題，使得現有的高速鐵路旅客無線接入系統遠遠不能滿足旅客對服務質量（quality of service，QoS）的需求[1]。此外，有限的系統容量也無法滿足視頻監控、多媒體應用等各種寬帶服務的需求。因此，在設計高速鐵路寬帶無線通信系統時，如何提高QoS和系統容量是一個非常迫切的問題。

國際鐵路聯盟（International Union of Railways，UIC）確定將鐵路寬帶移動通信系統（long term evolution for railway，LTE-R）作為下一代鐵路通信系統[2]。LTE-R可在20 Mbit/s帶寬的條件下為高速列車提供100 Mbit/s的數據傳輸速率，其端到端呼叫建立時延小于350 ms，話權搶占時延小于200 ms，是當前鐵路通信系統的研究熱點[3]。考慮智能軌道基礎設施、智能移動管理、智能軌道交通服務等未來高速鐵路發展需求，一些學者提出5G-R（fifth generation for railway）的概念，利用大規模 MIMO（multiple input multiple output）、毫米波（mmWave）、波束成形、頻譜融合等技術為未來的高鐵通信系統提供超高傳輸容量、超高可靠性、超低時延等高質量服務[4]。

2 越區切換

圖1 2013—2016年全國鐵路日均客運發送量

越區切換是高速鐵路無線通信系統中的關鍵技術，在鐵路通信中占有極其重要的地位。在列車高速通過小區重疊區時，性能良好的越區切換方案能夠保障列車控制信息和旅客通信業務的可靠性、實時性和連續性[5]。越區切換是指當移動終端從一個服務基站的覆蓋范圍移動到相鄰基站覆蓋范圍時，改變原有的通信鏈路，切換到其他基站上從而保持通信連續的過程。如果切換失敗，將會導致通信中斷現象，嚴重影響用戶體驗，對列車安全造成不利影響。高速列車特殊的運行環境以及較強的移動性，對切換方案的性能提出了更高的要求，然而現有切換方案在高鐵場景中面臨嚴峻挑戰。

（1）切換失敗率高

由于多普勒頻移、信道快速時變、復雜地形環境以及車廂穿透損耗（CRH3列車的車廂穿透損耗高達24 dB[6]）等不利因素的影響，使得列車中用戶設備的接收信號質量較差，降低切換成功概率，甚至引發“乒乓切換”效應，嚴重影響高鐵乘客的用戶體驗。

（2）切換頻繁

2017年9月21日，“復興號”動車組在京滬高鐵正式開始以350 km/h的速度運營。隨著列車速度的提高，切換將愈發頻繁。假設小區半徑為3 km，重疊區長度為1.2 km，那么平均每48 s列車就需要切換，在重疊區駐留的時間僅為12 s，所以要優化切換方案及流程，設計符合高速鐵路環境的快速切換方案。

（3）群切換

當列車進入新小區時，列車中的移動終端將同時執行切換。“復興號”動車組滿載時約有1 110名乘客，假設10%的乘客移動終端處于活動狀態，應同時處理110個用戶設備的切換請求，在基站控制面中產生大量的信令交互，從而引起“信令風暴”，帶來巨大的系統開銷。

（4）QoS保證

高速列車上各種移動業務的QoS由于頻繁切換而降低。例如，視頻電話的分組時延應小于50 ms，而切換時間通常需要100 ms。如果通信在切換期間中斷，則無法滿足視頻電話的QoS要求。

3 切換方案優化設計

3.1 基于參數優化的切換方案設計

越區切換一般分為3個階段：切換測量、切換判決以及切換執行。切換測量由基站和移動臺相互協作完成，基站向移動臺發送測量控制信令，移動臺周期性上報測量結果，基站根據接收到的測量報告，當滿足特定的條件時，切換就會被觸發。針對切換過程中涉及的各種參數進行優化，提升切換性能，是一大研究方向。

（1）基于地理位置信息的切換方案優化設計

高鐵通信基站一般沿鐵路呈帶狀分布，而高速列車沿鐵軌固定行駛的特點，為切換優化提供了便利，一些學者考慮借助地理位置信息來優化切換方案。在參考文獻[7]中，當列車進入目標基站的覆蓋區域時，根據列車的速度自適應地決定切換觸發條件。如果列車高速移動，用戶設備可以提前觸發切換。在參考文獻[8]中使用全球定位系統（global positioning system，GPS）設備提供的方向和速度信息加快對候選基站的選擇，并自適應地縮短觸發時延定時器。參考文獻[9]提出了一種LTE-Advanced網絡的快速切換方案，當列車接近預定義的切換位置時，網絡可以直接發起切換。參考文獻[10]將基站的覆蓋區劃分為若干區域，當列車快速通過一個區域時，網絡可以提前為用戶設備進行切換。參考文獻[11]在此基礎上做出改進，根據列車行駛線路生成相鄰小區列表，根據列車速度和小區間距預先對切換地理位置進行設定，在列車跨越預先設定的切換點時，源基站根據列車測量報告發送預切換信息到目標基站，實現資源預留。參考文獻[12]根據列車所處位置、行駛速度以及方向確定目標小區，并根據實驗數據統計出切換參考點坐標，得出此位置的時間門限值，當列車到達參考點的時間低于門限時，對目標小區進行信道分配和激活，實現快速切換。

雖然基于地理位置信息的切換方案可以精確地控制切換時間，但是會導致額外的信令開銷。首先，列車必須在其測量報告中上報位置、速度等信息。其次，一些方案要求運營商預先規劃切換地點，增加網絡規劃的開銷及成本。而如何讓列車知道規劃的切換位置是一個需要解決的問題，一般有兩種方案：一種是讓運營商在列車離開車站之前將切換位置等信息發送給列車；另一種是在列車運行過程中，基站通過測量控制信息向列車發送切換位置信息。這兩種方案都會導致額外的信令開銷。此外，基于地理位置信息的切換方案在 GPS信號接收不良情況下會影響切換性能。例如，當列車離開隧道時，列車上的GPS設備可能需要時間來搜索衛星信號，在搜索時間內，GPS設備不能正常工作，無法及時切換。

（2）基于判決算法的切換方案優化設計

其中，tP為基站的信號發射功率，PL為路徑損耗，ε為陰影衰落，a、b分別表示源基站和目標基站?；赗SRP判決算法的切換觸發概率為：

其中，pτ為RSRP遲滯容限[13]。但是，RSRP需要確保移動終端使用最高的功率連接到小區，僅考慮 RSRP而不考慮干擾、信噪比等，會導致信道資源的不合理利用。

近年來，一些學者通過綜合考慮多種因素，提出聯合判決算法，保證良好的切換性能?；赗SRP和參考信號接收質量（reference signal received quality，RSRQ）的聯合判決算法中，RSRQ類似于鏈路信噪比，RSRQ判決算法能夠在信號接收強度不夠高的情況下，選擇信號接收質量最好的基站執行切換。但是RSRQ受系統負載和測量策略影響較為嚴重，不能提供服務質量下降時的頑健檢測，僅考慮RSRQ并不能獲得最好的切換性能。因此，RSRQ通常只作為輔助判決標準?；赗SRP和RSRQ聯合判決算法的切換觸發概率為：

其中，SIR為接收到某基站的RSRQ，qτ為RSRQ遲滯容限[14]。通過設置統一的信噪比門限值，當低于該門限值時認為發生切換中斷。圖 2為兩種判決算法的切換成功概率對比，可以看出，基于RSRP和RSRQ的聯合判決算法擁有更好的性能。

圖2 切換成功概率性能對比

除此之外，也有學者綜合考慮速度、距離、時間等其他因素，設計性能良好的聯合判決方案，彌補單一判決算法的缺陷[15-17]。

（3）基于雙播機制的切換方案優化設計

高速鐵路場景的切換面臨的另一問題就是頻繁切換、硬切換可能引發的通信中斷。近幾年，基于雙播（bi-casting）機制的切換優化方案也是越區切換領域的研究熱點[18,19]。在傳統LTE切換中，網絡與移動臺之間存在著數據傳輸。為了減少分組丟失率，傳統切換流程采用數據轉發的機制。即在切換流程啟動時，服務基站通過X2接口將收到的數據副本轉發給目標基站，由目標基站將數據發送給移動臺或服務網關。數據在基站之間的轉發存在時延，且服務基站和目標基站不能同時向移動臺發送數據，其通信中斷時間包括切換處理時延和數據轉發時延。

在雙播機制中，服務網關在切換開始后分別向源基站和目標基站發送數據副本。源基站處理收到的數據并發送給用戶設備，而目標基站則丟棄收到的數據分組，直到用戶設備成功切換到目標基站。由于目標基站在切換開始后立即從服務網關接收數據，所以通信中斷時間約等于切換處理時延。因此，雙播機制的通信中斷時間比數據轉發機制短，更適合一些實時通信服務。此外，用于數據傳輸的基站和服務網關之間的 S1接口具有比X2接口更高的吞吐量?；陔p播機制的切換信令流程如圖3所示，源基站在接收到切換請求確認信息后，便向移動管理實體進行雙播請求，隨后建立服務網關到目標基站的雙播數據通道，在切換完成之后，釋放原有的服務網關到源基站的數據通道結束雙播。如何減小雙播帶來的額外數據開銷，在雙播機制的基礎上進一步提高切換性能是研究人員需要考慮的重點。

3.2 基于網絡優化的切換方案設計

圖3 基于雙播機制的切換方案信令流程

隨著實時視頻監控、旅客移動互聯網等各種業務需求出現，未來高鐵通信系統需要具備超高容量及超低時延等特點。目前，5G技術的測試與標準制定在如火如荼地展開，未來的通信網絡必定是一個多網融合、適應多種場景的超密集異構網絡[20]。同樣，對于高鐵通信系統，通過融合多種技術、優化網絡架構提升切換性能，提高用戶體驗將成為主流[6]。

（1）基于波束成形的切換方案優化設計

目前，高速鐵路場景中多天線和智能天線技術的研究和應用獲得了一定進展[21,22]。利用分布式天線是解決高鐵通信系統中切換頻繁問題的一種有效手段。在鐵路沿線部署分布式天線單元，不同的天線單元使用相同的工作頻率等參數設置，并通過光纖與基帶單元連接。同一基帶單元控制下的天線單元組成一個覆蓋范圍較大的邏輯小區。當高速列車在這個邏輯小區中運行時都不會發生切換，從而減少切換次數，降低通信中斷的風險[23]。

波束成形技術通過智能調整陣列天線各個陣元的幅度及相位，形成定向波束，將目標信號集中在基站與用戶之間的方向，實現能量的匯聚，同時降低因能量擴散而對周圍用戶造成的干擾，可以將其應用到高速鐵路場景來集中信號能量，提高傳輸可靠性[24]。在參考文獻[13]中，波束成形技術還被用于解決高速鐵路場景中因切換觸發滯后而導致的切換失敗問題。在高速列車駛入相鄰基站的重疊區后，基站天線由全向覆蓋模式調整為波束成形模式，改善接收信號功率。在不同的區域中，動態調整基站的波束成形增益，促進高速列車在短暫的切換窗口中能及時觸發切換，提高切換成功概率。圖4為高速鐵路場景中基于波束成形的切換方案和LTE切換方案的切換成功概率對比[13]。其中，橫軸表示列車所在位置，源基站和目標基站分別位于0 km和4.8 km處，基站覆蓋范圍為3 km。在2.4 km處由于應用波束成形技術，波束成形切換方案的成功概率有明顯的提高，在3 km處的成功概率可達到97.99%，相比LTE切換方案，其成功概率提高7.8%。

圖4 切換成功概率對比

（2）基于車載中繼的切換方案優化設計

中繼目前作為一種較為成熟的技術，是目前無線移動通信領域的研究熱點，其在高鐵通信系統中也有較大的應用價值。

[18]在通過高速列車頂部安裝車載中繼站（train mobile station，TRS），用戶終端通過各個車廂部署的AP（access point，接入點）連接到TRS。利用TRS的群移動性，由TRS代替列車中的用戶設備進行基站選擇和越區切換，有效避免巨大的信令開銷引起的“信令風暴”[25]。TRS擁有比普通用戶終端更為強大的計算能力，能夠對多普勒頻移進行矯正，改善信號接收質量，節省用戶終端的能量。同時，TRS可以通過光纖與列車外部的收發天線進行連接，從而可以有效避免車廂穿透損耗。

由于軟切換需要無線網絡控制器（radio network controller，RNC）的支持，為了設計扁平化的網絡結構以及降低端到端時延，LTE系統采用“先斷后連”的硬切換方式，在高鐵高速運行中，容易產生較大的中斷概率[26]。為了改進硬切換帶來的不利影響，參考文獻[27]提出一種基于移動中繼的雙天線輔助切換方案，如圖5所示。雙天線分別安裝在車首和車尾，當列車進入重疊區并滿足切換觸發條件后，先是由車首天線執行切換，車尾天線繼續保持與服務基站連接，切換成功后，車尾天線將工作頻率同步到目標基站完成切換。若切換失敗，車尾天線在進入重疊區后可再次執行切換。通過兩部天線的協作通信，達到軟切換的效果，大大地降低切換失敗率。在此基礎上，參考文獻[18]通過引入雙播機制進一步使信令開銷減小50%左右。

（3）基于控制面/用戶面分離的切換方案優化設計

未來5G-R通信系統在提高網絡傳輸容量時，應考慮將控制面與傳統用戶面信息解耦設計，合理利用GSM-R系統中的現有帶寬，均衡不同頻段的差異，對系統頻段彈性設計。為此，必須研究基于控制面/用戶面（C/U面）分離的高鐵無線網絡架構，通過控制面與用戶面的分離架構，將擁有較寬連續頻譜的高頻頻段與 GSM-R低頻頻段融合，為高鐵通信系統提供高容量、高可靠性的通信服務[19]。由于控制面信息以及列車控制、列車調度等用戶面信息對傳輸可靠性要求較高，可以由宏基站通過擁有良好傳輸特性的低頻段來承載；對傳輸容量需求較高的旅客業務，可以由虛擬基站通過高頻段承載。虛擬基站專門為移動用戶提供數據業務服務，而網絡接入、系統信息廣播等控制信息由宏基站提供，也就是將控制面與用戶面放置在擁有不同特性的頻段上傳輸，均衡不同頻段的差異。由于在宏基站和虛擬基站中使用的頻帶不同，宏基站和虛擬基站之間不會存在同信道干擾[28]。基于C/U面分離的高鐵通信網絡架構如圖6所示。

基于 C/U面分離的高鐵無線網絡架構已于2016年 6月寫入無線世界研究論壇（Wireless World Research Forum，WWRF）和未來移動通信論壇聯合發布的 5G高速移動白皮書《2016 Whitepaper V2.0H-5G Enabler: High Mobility Support》。然而，在基于C/U面分離的高鐵通信系統中，其切換問題更加嚴重，原因如下[29]。

（1）宏基站間切換頻率更高

假設一個宏基站包含3個虛擬基站，高速列車穿過一個宏小區就要執行1次宏基站間切換和3次虛擬基站間的切換。高速列車執行的切換越多，中斷的可能性越大。

（2）切換失敗概率較高

圖5 基于移動中繼雙天線切換方案系統模型

圖6 基于C/U面分離的高鐵通信網絡架構

列車首先執行“宏基站—宏基站”切換，使用戶設備連接到目標宏基站，然后在目標宏基站的控制下執行“虛擬基站—虛擬基站”切換，建立用戶設備與目標虛擬基站之間的連接。當且僅當兩種切換都順利完成時，宏基站間切換才算成功。

（3）切換重疊區較短

“虛擬基站—虛擬基站”切換作為宏基站間切換的第二步，必須在“宏基站—宏基站”切換完成之后才能執行。因此，切換必須在虛擬基站間重疊區域內全部完成。

（4）切換觸發滯后

當且僅當目標宏基站和目標虛擬基站的信號質量分別超過服務宏基站和服務虛擬基站一定閾值時，宏基站間的切換才會被觸發。因此，這會造成一定的切換觸發滯后。

4 結束語

為了保障高速列車在移動過程中調度信息的實時傳輸以及為旅客提供優質的寬帶通信業務，高速鐵路寬帶通信系統對越區切換性能提出了極高的要求。本文從參數優化和網絡優化兩個方面總結了國內外的研究成果，并進一步探討了未來越區切換技術的發展方向。基于控制面/用戶面分離的高鐵通信網絡架構是目前的研究熱點，結合波束成形、車載中繼、雙播等技術對切換方案進行優化，設計適應高鐵場景的快速切換或無縫切換方案，對未來高鐵寬帶通信系統的發展具有重要意義。

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Handover technology in high-speed railway broadband wireless communication system

LIU Yunyi1, ZHAO Junhui1,2, WANG Chuanyun2
1. School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China 2. School of Information Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China

The existing railway mobile communication system can’t meet the requirements of railway information construction. Therefore, the key technology research of next generation of high-speed railway (HSR) communication system needs to be carried out. Handover is a key technology of HSR broadband wireless communication system,which has great significance to ensure the train safety and communication reliability. The research results of the handover in HSR communication system were summarized and the existing problems were investigated. Furthermore,the development directions of handover in the future were explored.

high-speed railway, handover, wireless communication

s: The National Natural Science Foundation of China (No.61661021, No.61471031), The Open Research Fund of National Mobile Communications Research Laboratory, Southeast University (No.2017D14), National Science and Technology Major Project of the Ministry of Science and Technology of China (No.2016ZX03001014-006)

power，RSRP）是常用的判決算法，RSRP是指移動終端接收來自基站的信號功率，能夠反映接收信號的強度，得到了廣泛的應用。接收到某基站的RSRP可以表示為：

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017278

2017?08?01；

2017?09?26

國家自然科學基金資助項目（No.61661021，No.61471031）；東南大學移動通信國家重點實驗室開放研究基金資助項目（No.2017D14）；國家科技重大專項基金資助項目（No.2016ZX03001014-006）

劉云毅（1993?），男，北京交通大學電子信息工程學院碩士生，主要研究方向為LTE-R越區切換。

趙軍輝（1973?），男，博士，北京交通大學電子信息工程學院教授、博士生導師，華東交通大學信息工程學院院長，主要研究方向為5G通信技術、車聯網、軌道交通無線通信等。

王傳云（1977?），男，華東交通大學信息工程學院副教授，主要研究方向為無線通信、無線傳感網。