移動性增強技術在鐵路5G專網中應用場景研究

陳庭德，王海龍，陳 煜

（南京泰通科技股份有限公司，南京 210039）

1 概述

高鐵為人們的出行帶來了便捷。目前，國內高速鐵路專網移動通信系統更新換代勢在必行，5G專網在鐵路領域的應用已得到學術界和行業專家的極大關注。GSM-R 已經無法滿足高鐵通信技術發展的需求， 5G-R 更有可能成為鐵路通信系統的新標準。中國國家鐵路集團有限公司（簡稱國鐵集團）發布了《國鐵集團關于加快推進5G 技術鐵路應用發展的實施意見》和《鐵路5G 技術應用科技攻關三年行動計劃》，提出了鐵路5G 專用移動通信（5GR）系統的發展規劃和行動部署，開展了5G-R 關鍵技術、技術裝備和標準體系等相關研究，從而推進5G-R 系統的標準化工作。加快推進 5G 技術應用，是推動新時代鐵路高質量發展、實現交通強國鐵路先行的重要步驟。移動性增強作為超高可靠低時延特性的關鍵技術之一，在鐵路5G 專網中有著廣泛的應用場景和較高的研究價值。

2 移動性增強在3GPP 5G技術標準中的演進

國際電信聯盟（International Telecommuni cation Union，ITU）定義了5G 的3 大特性，即增強型移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超高可靠低時延通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communications，URLLC）和大規模機器類型通信(Massive Machine Type Communication，mMTC)。第三代合作伙伴項目（3rd Generation Partnership Project，3GPP）是國際5G 標準化組織之一。R15 版本是3GPP 發布的第一個5G 標準，該版本凍結于2018 年9 月。R15 版本實現了對組網模式、信道編碼和增強型移動寬帶等功能的支持。2020 年7 月凍結的R16 版本對R15 版本進行了擴展，并對R15 版本部分特性進行了增強，主要表現在自組織網絡、大規模機器類型通信、超高可靠低時延通信和移動性增強等方面。R17 版本于2022 年6 月凍結，該標準進一步拓展了5G 的應用場景，主要表現在覆蓋增強、進一步增強的超高可靠低時延通信、輕量級5G 和非地面網絡（Non-Terrestrial Network，NTN）等方面。移動性增強技術在R16 版本中第一次被提出，在后續版本中進行了進一步迭代和優化。

3 鐵路5G專網基站覆蓋模型

5G 公網一般采用蜂窩網格覆蓋模型，一個基站為了覆蓋一個網格，需將輻射角配置為120°。鐵路5G 專網部署在鐵路沿線，一般采用線性覆蓋模型，如圖1 所示。基站天線架設方式有：單天線覆蓋、雙信源雙天線覆蓋和單信源雙天線覆蓋。為了保障小區信號質量，提升覆蓋距離，降低能耗，鐵路5G 專網的基站天線輻射角一般配置為90°。鐵路5G 專網基站天線一般采用雙信源雙天線覆蓋方式，如圖1 所示，基站1 會形成兩個覆蓋區域：覆蓋區域1-L 和覆蓋區域1-R。為了減少列車在行駛過程中的切換次數，鐵路5G 專網使用小區合并技術，將覆蓋區域1-L 和覆蓋區域1-R 合并成一個小區。兩個相鄰基站的覆蓋區域會有重疊區域，同時將兩個相鄰基站的小區配置成Xn 鄰區關系，這樣，在列車行駛在該區域時，可以進行Xn 鄰區切換。

圖1 鐵路5G專網基站覆蓋模型Fig.1 Base station coverage model of 5G-R network

4 移動性增強技術

為提升時延敏感類業務的用戶體驗，減少切換的中斷時延，提高切換流程的可靠性與魯棒性，3GPP 在R16 版本中引入了多個移動性增強技術，包括條件切換（Conditional Handover，CHO）、雙激活協議棧（Dual Active Protocol Stack，DAPS）和快速切換失敗恢復（Fast Handover Failure Recovery，FHFR）等。

4.1 條件切換

條件切換是指用戶設備（User Equipment，UE）在切換時同時滿足一個或多個切換執行條件。用戶設備根據條件切換配置開始評估這些執行條件，一旦用戶設備選定一個條件開始執行切換，則結束執行條件的評估。條件切換配置包括候選目標基站的候選小區的條件切換配置和源基站的執行條件。一個執行條件可以由一個或兩個觸發條件組成，觸發條件包括A3 事件、A5 事件、參考信號類型和信號質量等。如果一個候選目標基站滿足切換執行條件時，用戶設備直接決定切換，而無需等待源基站下發切換命令。當條件切換執行時，用戶設備開始在目標基站小區進行同步，建立無線資源控制（Radio Resource Control，RRC）連接。同時用戶設備從源基站小區分離，不再監控源基站小區。在與目標基站小區RRC 連接建立完成后，用戶設備釋放條件切換配置。

4.2 雙激活協議棧

雙激活協議棧功能是指在切換過程中，用戶設備在收到切換的RRC 消息之后，會繼續保持與源基站小區的連接，直到在目標基站小區完成隨機接入才會釋放與源基站小區的連接。在雙激活協議棧切換過程中，用戶設備在釋放與源基站小區連接之前，一直從源基站小區接收下行用戶數據。同樣的，在完成與目標基站小區隨機接入過程之前，一直向源基站小區發送上行用戶數據。

雙激活協議棧功能需要用戶設備側協議棧支持。在收到切換命令之后，用戶設備側協議棧為目標基站小區創建一個媒介接入控制（Medium Access Control，MAC）實體。對于配置了雙激活協議棧功能的每一個數據無線承載（Data Radio Bearer，DRB），為目標基站小區創建一個無線鏈路控制（Radio Link Control，RLC）實體，并且與專業業務信道（Dedicated Traffic Channel，DTCH）邏輯信道進行綁定。對于配置了雙激活協議棧功能的每一個DRB，重配分組數據匯聚協議（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）實體，包括源基站小區和目標基站小區各自的安全配置和魯棒性頭部壓縮（Robust Header Compression，ROHC）功能，并且分別與配置的源基站小區和目標基站小區的RLC 實體進行綁定。

4.3 快速切換失敗恢復

不支持快速切換失敗恢復功能的無線鏈路失敗重建過程如下：

1）用戶設備檢測到與源基站服務小區的物理層失去同步，啟動T310 定時器；

2）當T310 定時器超時，即認為無線鏈路失敗，此時用戶設備發起RRC 重建過程。

支持快速切換失敗恢復功能的無線鏈路失敗重建過程如下。

1）用戶設備檢測到與源基站服務小區的物理層失去同步，啟動T310 定時器；

2）在T310 定時器運行期間，用戶設備檢測到切換事件的觸發時間（Time To Trigger，TTT）滿足時長，則啟動T312 定時器；

3）用戶設備開始上報測量報告，準備發起切換流程；

4）但直到T312 定時器超時，因為某些原因，用戶設備未收到源基站下發的切換命令，此時，T310 定時器還未超時，為了盡快恢復業務，用戶設備即可以認為無線鏈路失敗，從而發起RRC 重建過程。

為了減少業務的中斷時間，T312 定時器的配置時長要比T310 定時器的配置時長小得多。

5 移動性增強技術在鐵路5G專網中的應用

執行條件切換時，為提高切換成功率，需要有多個擁有鄰區關系的候選目標基站小區。因此，條件切換適用于5G 公網中蜂窩網格覆蓋模型的切換場景。而鐵路5G 專網采用的是線性覆蓋模型，在重疊區域，一個小區一般只有一個鄰區，故不推薦在鐵路5G 專網切換場景中使用條件切換。

雙激活協議棧功能主要是要在用戶設備執行切換時，為源基站小區和目標基站小區分別創建各自的協議棧實體，這樣可以讓用戶設備同時保持與源基站小區和目標基站小區的連接，從而將業務中斷時延降低到0 ms。該功能同時適用于5G 公網中蜂窩網格覆蓋模型和鐵路5G 專網中線性覆蓋模型。當列車行駛在重疊區域進行切換時，業務不需要中斷，從而有效保障了列車的運行安全。

快速切換失敗恢復功能是在用戶設備與源基站小區物理層失去同步，啟動時長較長的T310 定時器，在該定時器還未超時時，滿足切換條件，用戶設備同時開啟時長較短的T312 定時器。一旦T312定時器超時，用戶設備隨即在源基站小區進行RRC連接重建，減少業務中斷時延。T310 定時器時長一般配置為1 000 ms，TTT 一般配置為40 ms，T312 定時器時長一般配置為200 ms，重新接入時長大約為60 ms。為保障切換成功率，列車在重疊區域以最高速行駛時需有3 次切換機會。國內高鐵的運行速度最快可以達到350 km/h，鐵路5G 專網的基站覆蓋半徑大約是2 ～3 km。以高鐵時速350 km、基站覆蓋半徑3 km 為例，重疊區域長度如公式（1）所示。

由公式（1）可知，重疊區域長度約為90 m，推薦配置為150 m。切換間距、重疊區域行駛時長、高鐵切換時間間隔如公式（2）～（4）所示。

由以上可知，切換間距約為5 850 m，高鐵大約每分鐘需要進行一次Xn 鄰區切換，并且需要在1.5 s 之內完成切換。

在鐵路5G 專網的組網模型中，由公式（3）可知，高速列車在重疊區域的行駛時間大約為1.5 s，列車上的用戶設備在T312 定時器超時后，有足夠的時間在源基站小區進行重新接入。在5G 公網中，用戶設備大多都是中低速移動，用戶設備在源基站小區重建RRC 連接的時間將會更充裕。所以，該功能同時適用于5G 公網覆蓋模型和鐵路5G 專網覆蓋模型，從而減少業務中斷時間，提升系統可靠性。

6 結束語

本文對移動性增強技術中條件切換、雙激活協議棧和快速切換失敗恢復等3 種功能的工作原理進行了介紹，分析了這3 種功能的應用場景。結合鐵路5G 專網的組網模型特點，給出了這3 種移動性增強技術在鐵路5G 專網中的應用建議。雙激活協議棧功能和快速切換失敗恢復功能可明顯減少用戶設備在切換過程中業務中斷時延，例如列控信息端到端傳輸時延，大大提升業務體驗，有效保障列車的運行安全。鐵路5G 通信系統標準正在制定當中，希望本文的建議能為鐵路5G 專網的發展帶來一些有益的思考。