京滬高鐵沿線LTE網絡切換性能分析

董興芝,李 平,孫華龍,王忠峰

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所,北京 100081； 2.國鐵吉訊科技有限公司,北京 100097)

引言

高速鐵路在中長距離運輸中占據較強的服務優勢，其安全、便捷等特性使得越來越多的乘客選擇高鐵出行。京滬高鐵是世界上一次性建設線路里程最長、技術標準最高、商業運營速度最快的高速鐵路，是代表我國高鐵發展成就的重大標志性項目。截至2021年6月30日，京滬高鐵已安全運營10周年，其強大的運輸能力和輻射效應，擴大了“京津冀”和“長三角”區域性通達范圍。移動通信系統作為鐵路建設的基礎設施，是滿足列車安全運輸生產及旅客高質量出行服務的重要保證[1]。 隨著智能終端及移動互聯網業務的快速發展，移動用戶對出行服務需求朝多層次、多元化方向發展[2]。京滬高鐵沿線網絡環境復雜，沿線城市、橋梁和隧道等不同網絡環境導致無線信道衰落明顯，造成用戶終端頻繁小區切換和重選，導致出現掉話、斷話、網絡不穩定等網絡服務質量問題，如今已無法滿足日益增長的旅客在途娛樂、休閑辦公、短視頻直播等現代化服務需求[3-5]。如何在高速、移動的復雜場景下提供穩定、高速率的網絡通信服務成為當前高鐵運輸面臨的重要任務。以時速350 km運營列車為例，根據當前京滬高鐵沿線LTE網絡覆蓋方案，以運營商基站1.5 km的覆蓋半徑估算，完成兩個相鄰基站切換時間間隔約30s[6]。基站間發生的小區切換是影響終端用戶網絡通信的關鍵，切換過早會產生乒乓效應，過晚會造成網絡連接中斷，造成掉話現象[7-8]，因此，高速移動場景對小區切換提出了更高要求，亟需對高速鐵路場景下LTE的切換性能進行深入研究。以京滬高鐵沿線LTE網絡環境為目標，采集沿線LTE切換的性能指標，分析網絡切換規律，為京滬高鐵沿線通信服務質量優化提供參考依據。

1 高鐵沿線LTE網絡環境概述

1.1 高鐵沿線網絡切換概述

切換是用戶終端設備在高速移動過程中從起始源服務小區進入到目標服務小區，為保持用戶信號不被中斷，系統會主動為該用戶終端設備選擇合適的相鄰基站，繼續為其提供通信服務[9]。切換需保證用戶順利的通過蜂窩邊界，且保持通信的連續性、有效性，避免掉話及信道間的相互干擾[10]。隨著5G移動通信的載波頻率不斷升高，服務小區半徑縮小，更容易引起小區切換頻繁發生[11]，同時，列車車廂內網絡服務規模不斷增大，切換并發請求增加，在提供資源不足的情況下，待切換終端會因排隊等待導致網絡服務時延倍增[12]，因此，高速移動場景下對要求數據傳輸速率更高，切換時延更小。

由于列車運行速度快且基站覆蓋區域有限，為避免用戶在切換過程中出現掉話現象，在基站間相鄰小區會設置一個重疊區域(切換帶)，用戶終端在切換帶內完成小區切換，切換過程如圖1所示。

圖1 高速移動場景下列車網絡切換過程

1.2 高鐵沿線網絡切換影響因素分析

高鐵沿軌道固定行駛，其運行方向、線路、位置等信息具有規律性和可預測性，基站沿鐵路呈帶狀覆蓋，單基站僅有兩個相鄰基站，這對高鐵沿線網絡的切換測量和基站選擇提供了簡化，而高速鐵路特殊的運行場景和特點同樣給越區切換帶來嚴峻挑戰[13]。列車與沿線基站呈高速相對運動，不同多普勒擴散和信道相干時間增加了信道估計的難度，由于載波頻率偏移和載波間的偏差而造成錯誤干擾，不僅導致更高的解碼誤差，同時使一個基站選擇較低的調制和編碼率，這導致增加了丟包率，降低了通信服務質量[14-16]。當前LTE僅支持傳統的硬切換方式，不僅切換時延較長，且切換區處于切換帶，受多普勒頻偏、陰影衰落及多徑效應影響，造成小區切換成功率下降。誘發LTE網絡切換主要原因包括如下3種。

(1)信號質量差引起切換

移動過程中，為確保移動終端設備網絡連接及通信的可持續性，移動終端會將無線鏈路轉接到信號質量較好的相鄰小區，即執行切換過程[17]。此外，無線鏈路受到外界干擾，信號質量下降到不能滿足通信需求時，也會引起切換。

(2)信號強度變化觸發切換

列車高速行駛，移動終端設備與基站間的距離不斷重復“遠離-接近”變化。網絡信號強度隨移動終端與基站間的距離拉大而變弱[18]。

(3)負載均衡引起切換

當固定小區業務量或連接數達到小區容量時，會造成該小區網絡擁塞，負載均衡機制會強制將源小區的一些用戶轉移至附近合適的低負載小區通信，觸發切換過程[19]。

2 京滬高鐵網絡切換性能分析

2.1 沿線LTE性能指標數據采集

為進一步研究LTE與TCP各參數在京滬沿線相同位置、不同時間的重復性及觸發基站切換的關鍵因素，使用ltedatatofile程序將給定LTE連接的各子層信息以二進制形式記錄到文件，來獲取LTE性能相關數據[20]。TCP相關數據使用tcpdump工具以數據包為單位將各包信息保存在.pcap文件中。GPS數據直接從高鐵Wi-Fi車載設備嵌入的GPS模塊上讀取，并存儲為文本記錄。二進制LTE數據的解析使用加利福尼亞大學洛杉磯分校(UCLA)大學開發的開源軟件MobileInsight，將二進制記錄文件轉換為XML文本格式。整個XML文件包含完整的LTE信息，格式轉換后數據體積過于龐大，如3GB二進制文件經轉換會生成80GB左右的XML文件。為提高數據轉換及分析效率，研發了配套解析軟件xmlparser，xmlparser從龐大的XML文件中將某些數據包的特定域抓取出來，生成更為精簡的文本表示，解析得到的每條文本記錄對應LTE層級的一個數據包。為判定基站切換的觸發及觸發切換是否成功，研發了解析軟件—LTE Event Parser，通過組合多個相關數據包進行基站切換相關的推斷分析。TCP數據直接通過tcpdump或tshark程序對.pcap文件進行解析，計算得到TCP吞吐量和RTT等數據，LTE、TCP和GPS記錄通過時間戳進行關聯。

2019年12月6日至12月18日期間，搭載CR400BF型動車組，利用其高鐵Wi-Fi系統車載服務器的3張SIM卡(移動、聯通、電信各1張)在京滬線上采集12個單程數據，數據抓取日期及列車開行信息如表1所示。通過建立3條TCP連接，分別從3張SIM卡上持續下載數據。同步使用ltedatatofile程序抓取所選卡上的LTE信息，通過tcpdump保存TCP抓包記錄，并每秒請求GPS數據記錄到文件中。

表1 數據測量車底開行信息

2.2 網絡切換數據分析

利用xmlparser工具解析MobileInsight所采集的數據，從中提取LTE連接中斷的相關信息，包括中斷發生的時間、中斷頻率和時長等，通過tshark和編寫的libpcap程序，從pcap文件中分析實時的吞吐率和RTT等數據。結合時間戳，將上述數據和GPS記錄對齊在一起，得到整個京滬高鐵沿線的總體LTE網絡情況，具體數據分析如下。

2.2.1 連接中斷分析

高速移動環境下，頻繁的基站切換造成列車網絡連接中斷[10]。基站切換成功或失敗均會造成網絡連接中斷，在切換成功情況下，會造成30～500 ms的連接中斷，且無法收發數據，當連接下一基站時，傳輸會快速恢復，這種連接中斷影響較為輕微；在切換失敗情況下，會造成0.1～10 s連接中斷，無法收發數據，且造成數據丟失，需一段時間才可以和新的基站建立連接并恢復傳輸，這種連接中斷的影響較為嚴重。通過xmlparser工具對采集的數據進行解析，統計高鐵沿線不同小區識別CI(Cell Identity)及切換情況，基站切換失敗率F通過式(1)計算。3家運營商在京滬高鐵沿線的基站基本信息如表2所示。

(1)

式中，m為切換失敗次數；n為切換請求次數。

表2 京滬高鐵沿線基站基本信息統計

基站切換失敗發生并非是隨機分布的，不同基站具有明顯不同的失敗概率。在至少發生過一次切換失敗的基站中，切換失敗概率超過80%的占20%以上，切換失敗概率小于30%的約占40%。從基站角度統計基站切換失敗的比率，統計信息如表3所示。

表3 京滬高鐵沿線切換失敗率信息統計

通過統計基站間的連接時間頻率，側面反映高鐵沿線基站密度。根據統計數據進行基站連接時間的累積分布函數(CDF)統計，3家運營商的基站間連接時間頻率分布如圖2所示。從基站間切換時間頻率上分析，其中，電信、聯通、移動的基站分布密集性逐漸降低。

圖2 基站連接時間分布曲線

2.2.2 LTE信號強度的可重復性

LTE信號強度在地理位置上都表現出較高的可重復性，如圖3所示，橫坐標以GPS數據標記地理位置，縱坐標統計RSRP值。相同地理位置呈現出相近信號強度和相似信號強度變化趨勢，在即將發生基站切換時，同一位置不同日期的信號強度會有較大波動，但信號強度的變化趨勢都是突然下降。部分區段信號強度的值有大幅度波動，這是由于同一位置連接到了不同基站，或是偶發的基站切換失敗所致。

圖3 信號強度位置可重復性

2.2.3 中斷地理位置的可重復性

連接中斷發生的地理位置有一定可重復性，即對于一個特定的基站，不同日期發生基站切換的地理位置非常接近。圖4展示了連接中斷發生的地理位置和發生前的信號強度，相同顏色表示相同的基站。從圖4可以看出，連接中斷和信號強度的相關性比較低，但是幾乎都集中于300 m范圍內。

圖4 連接中斷的地理位置和中斷發生前信號強度

另一方面，通過統計數據分析，當發生基站切換失敗時，信號強度都會較顯著低于正常范圍：在連接情況較好的時候，80%的信號強度(以RSRP衡量)都在-90 dBm以上，而基站切換失敗發生前，信號強度會低于-100 dBm。

2.2.4 切換中斷持續時長特征分析

根據上文內容，連接中斷分為成功的基站切換引起的連接中斷和失敗的基站切換造成的連接中斷兩種。圖5展示了兩種不同連接中斷的持續時長分布。

成功的基站切換，其引起的連接中斷持續時間短，85%以上都在10～100 ms之間。5%～10%的連接中斷可能會有到100～500 ms的持續時間。這種連接中斷的持續時間幾乎沒有超過500 ms的。

失敗的基站切換，其引起的連接中斷持續時間更長，主要分布在100 ms～10 s之間。超過30%的中斷，持續時間達到了1 s以上，超過10 s的情況幾乎沒有。LTE的連接中斷，會對TCP數據傳輸造成較大影響。

圖5 連接中斷的持續時長

通過利用tshark程序對.pcap文件進行解析，計算得到TCP吞吐量和RTT等數據，根據統計數據分析，雖然成功的基站切換在LTE層只會造成平均不到100 ms的連接中斷，但會在TCP層造成100 ms～1 s不等的卡頓：70%左右情況下，停頓會超過100 ms；約20%的情況下，停頓會超過800 ms。對于失敗的基站切換，TCP層傳輸卡頓時間主要分布在1～10 s之間，超過70%的情況，TCP會有1 s以上卡頓。

3 結論

基于時速350 km的高速列車，對京滬高鐵沿線當前LTE網絡切換特性開展實車測試，掌握了高速移動場景下京滬高鐵沿線運營商網絡切換的信號強度與切換時間、位置等重復性分布特性。LTE切換數據分析結果可為后續高速鐵路沿線通信服務質量優化提升提供參考，同時，為后續5G網絡在鐵路垂直行業應用部署提供有力支撐。