車地無線綜合承載網雙異頻切換優化策略

樓建軍

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

基于TD-LTE 的LTE-M 系統主要采用同頻組網，但在系統可用頻率資源受限條件時，如高架、地下區域系統可用頻率資源的不同，LTE-M 通常需執行異頻切換操作。如果LTE-M 采用A、B 雙網同站址配置，則雙網在執行異頻切換操作過程中可能存在終端間干擾問題。

1 小區切換

LTE-M 系統支持3GPP 規范定義的同頻切換和異頻切換機制，兩種方式的切換過程基本相同。其切換過程可分為切換測量、切換判決、切換執行3 個步驟。切換測量由終端（UE）和基站（eNodeB）完成；切換判決在eNodeB 中進行；切換執行是在UE、eNodeB 和核心網移動性管理實體（MME）共同協作下完成。

LTE 無線網絡UE 終端在不同小區中心頻率fc之間的切換即為異頻切換。反之則稱為同頻切換。如圖1 所示，場景A/B/C 為同頻小區切換，場景D/E/F 則為異頻小區切換。

測量過程如下。

網絡下發的測量參數包括UE 需要執行的測量項及測量門限等。UE 根據測量命令執行，滿足測量門限后觸發切換過程，以保證順利完成小區間的移動切換，因此測量的準確性和及時性是切換成功的保證。根據當前小區和目標小區頻率配置的異同，UE 測量分為同頻鄰區測量和異頻鄰區測量。

同頻鄰區測量：當前小區和目標小區工作在同一個載頻，終端執行的鄰區測量為頻內測量。終端在調度空隙可以執行頻內鄰區測量，不需要改變當前工作頻率fc。

異頻鄰區測量：當前小區和目標小區工作在不同的載頻，終端執行的鄰區測量為頻間測量。終端在調度空隙執行頻間鄰區測量，并且需要改變當前工作頻率fc。

在同頻測量的情況下，UE 測量和業務數據的收發是沒有沖突的，但為了使UE 能夠在連接態下進行異頻切換，服務小區需要安排一些測量GAP間隙給UE 做異頻測量，用于同步異頻小區和測量異頻鄰區的PCI 和RSRP 信息。

GAP 測量有重復周期為40 ms 的gp0 和重復周期為80 ms 的gp1 兩種配置模式，目前一般采用gp0 模式。在gp0 配置模式下，GAP 長度為6 ms，重復周期為40 ms；如果GAP 測量期間UE 沒有占用全部的RB 資源塊，則系統側能夠錯開所需的6 ms 測量調度，對用戶上行吞吐量性能影響很小。如果UE 測量當時占用了全部下行RB，用戶在異頻測量的情況下，測試綜合吞吐量損失最大約為6 ms/40 ms×100%=15%。但異頻組網降低了同頻干擾，在切換區內，相對于同頻切換，信號質量SINR 值得到20%以上的提升，能夠抵消掉GAP 的損失，吞吐量和時延也就能更好，使異頻切換效果與同頻切換效果基本持平。

2 異頻切換優化實例

2.1 頻率配置方案

北京地鐵大興國際機場線車地無線通信系統采用LTE-M 設備和解決方案，系統使用1.8 G 專網頻段，A、B 雙網冗余綜合承載包括列車控制在內的車地無線通信業務，通信服務區域采用全漏纜雙纜覆蓋。A 網使用15 MHz（地下）或10 M（地面）帶寬綜合承載CBTC、PIS 和CCTV 等業務，B 網使用5 MHz 單獨承載CBTC 列車運行控制業務。

LTE-M 系統由核心網、基站和終端構成，基站設備包括BBU 和RRU，BBU 部署在車站機房，RRU 通過光纖拉遠就近部署覆蓋區域。

根據大興國際機場線LTE-M 系統可用頻率資源，本工程主要有以下2 個頻率配置方案，如表1所示。

表1 大興國際機場線頻率配置方案表Tab.1 Table for conf iguration scheme of the frequency of Beijing Daxing International Airport Express

方案2 采用將B 網頻率固定在LTE-M 系統專網頻率（1 785 ～1 805 MHz）的低端，始終占用1 785 ～1 790 MHz，避免了在隧道口的異頻切換過程。從整個系統來看，全線只有一個網（A 網）在隧道口執行異頻切換操作。方案1 采用將A 網頻率配置在LTE-M 系統專網頻率低端，B 網配置在頻率資源的高端，這樣的配置在隧道口A、B 兩個網絡需要同時執行異頻切換操作。

由于方案1 在抗干擾方面性能高于方案2，因此，大興機場線A、B 網頻率配置選擇采用方案1，在高架及地下區域A、B網頻率配置如下：

地 下 區 間A 網 使 用1 785 ～1 800 MHz 頻段，共計15 MHz 帶寬同頻 組 網。B 使 用1 800 ～1 805 MHz頻段，共計5 MHz 帶寬同頻組網；

高架及地面區間A 網使用1 785 ～1 795 MHz 頻段共計10 MHz 帶寬同頻組網。B 網使用1 795 ～1 800 MHz頻段，共計5 MHz 帶寬同頻組網；

由于A、B 網采用相同的上下行時隙配比（LTE-M 通常采用2:2 配置），同時發送或接收數據，因此A、B 之間無需考慮頻率隔離就可實現雙網共存，互不影響地正常工作，如圖2 所示。

圖2 A、B網系統帶寬配置圖Fig.2 Diagram for the configuration of system bandwidth of network A and B

從圖2 可知，無論在高架或地下區域內，A、B執行的小區間切換均為同頻切換。但高架和隧道之間的隧道口，由于中心頻率fc發生了改變，雙網均采用異頻切換。

2.2 雙異頻切換存在的問題

如上所述，理論上異頻切換時LTE-M 網絡的性能指標應不低于同頻切換場景，但在實際調試過程中發現異頻切換點系統可提供的吞吐量遠低于預期值，原因如下。

盡管A、B 網在同一切換帶上完成了各自的異頻切換，但由于A、B 網執行切換的時間點不一致（如A 網遲后B 網2 s 發生切換），那么在2 s時間內位于同一位置的A、B 網移動終端設備（如TAU）將會發生嚴重的系統間干擾。列車沿上行線駛出隧道時，雙異頻切換導致A、B 網終端相互干擾的情景如圖3 所示。

圖3 A、B網相互干擾示意圖Fig.3 Schematic diagram for mutual interference of network A and B

由于B 網終端先于A 網終端執行了異頻切換，B 網終端搶先使用的F3（1 795 ～1 800 MHz）頻帶與A 網（1 785 ～1 800 MHz）有5 MHz 重疊帶寬，導致位于同一位置的A、B 網終端間互相干擾，系統上行SINR 值、吞吐率下降，系統時延增大。此類系統間干擾將持續到A 網終端完成異頻切換過程，最終工作在F1+F2（1 785 ～1 795 MHz）頻帶為止。

列車沿下行線駛入隧道時雙異頻切換導致A、B 網終端相互干擾的場景與上述場景基本一致，在此不再描述。

此類干擾發生在兩個異頻小區邊界的切換區，對終端上行數據傳輸影響較大，而與測試到的RSSINR 無直接關系，因而具有較大的隱蔽性。

2.3 優化方案

A、B 網終端上行鏈路干擾的原因是由于B 網終端先于A 網終端發起異頻切換，因此，解決方案的目標應定位于：出隧道時，需保證讓A 網終端先于B 網終端發起了異頻切換；進隧道時，讓B 網終端先于A 網終端發起異頻切換。

列車沿上行線駛出隧道地下至地面的切換過程中，選擇A 網終端先切換，B 網終端后切換，如圖4 所示。

由于A 網終端先行切換，空置了F3（1 795 ～1 800 MHz）頻帶，再讓B 網終端執行切換，移入F3（1 795 ～1 800 MHz）頻帶就可以避免A、B網終端之間的相互干擾問題。

圖4 A、B網雙異頻切換順序控制示意圖Fig.4 Schematic diagram for sequence control of dual different-frequency switching of network A and B

2.4 雙異頻切換實施方案

實現讓A 網終端先行切換有兩種方案。

方案一：通過控制基站下行功率讓A 網終端在兩小區中點前執行切換，B 網終端在兩小區中點后執行切換。如圖5 所示。

A 網選擇在小區中點位置前30 m 完成切換，B網選擇在小區中點位置前30 m完成切換，按漏纜傳輸損耗4.3 dB/100 m 考慮，則：

圖5 隧道口雙異頻切換示意圖Fig.5 Schematic diagram for dual different-frequency switching at tunnel entrance

1）A 網N 站 點RRU 的RSRP 功率應比N+1 站點RRU 的RSRP 功率大1.3 dB，建議取值2 dB；

2）B 網N 站 點RRU 的RSRP 功率應比N+1 站點RRU 的RSRP 功率小1.3 dB，建議取值2 dB；

通過以上功率參數優化配置，讓A 網切換點前移，實現A 網終端先行切換。

方案二：通過網絡配置，讓A 網終端比B 網終端提前一個小區執行切換，如圖6 所示。

方案一的切換可靠性受天饋及系統環境因素制約，方案二的可靠性及可操作性均優于方案一。因此，大興機場線采用方案二實現雙異頻切換。

3 測試結果

經過上述優化后，160 km/h 速度下的雙異頻切換成功率得到了保障，全線切換時延和丟包率均超過LTE-M 規范要求。

工程實施后，針對LTE 車地無線系統進行了動車測試，考察LTE 系統移動性管理、異頻切換等是否滿足驗收要求；測量結果表明各項指標均滿足城市軌道交通標準LTE-M 的規范要求，滿足北京大興國際機場線的設計要求，并且在后續正式運營期間性能穩定可靠。以下為主要測試數據結論。

圖6 隧道口異頻小區配置示意圖Fig.6 Schematic diagram for the configuration of different-frequency cell at tunnel entrance

1）列車控制業務要求單路單向傳輸時延最大值24 ms，最小值2 ms，不超過150 ms 的概率為100%；業務丟包率為0%。

2）列車運行狀態監測業務要求傳輸時延最大值24 ms，最小值6 ms，不超過300 ms 的概率為100%；業務丟包率≤0.021%。

3）列車緊急文本下發業務要求傳輸時延最大值17 ms，最小值2 ms，不超過300 ms 的概率為100%；業務丟包率≤0%。

4） IMS 視頻監控業務要求傳輸時延最大值176 ms，最小值13 ms，不超過500 ms 概率≥98%；業務丟包率≤0.023%。

5） PIS 視頻業務要求傳輸時延最大值371 ms，最小值3 ms，不超過500 ms 的概率≥98%。業務丟包率≤0.001%。

4 結束語

針對北京大興國際機場線160 km時速的運營需求，提出了LTE 車地無線系統雙異頻切換需要注意的問題，并給出了執行異頻切換優化措施，通過將A、B 網的異頻調整設置在不同小區或不同點切換，避免因雙異頻切換引發的網間同頻干擾問題。