高鐵環境下LTE-R快速切換算法

凌啟東，張 雷，王鴻磊,，王 博

(1.徐州工業職業技術學院 信息與電氣工程技術學院，江蘇 徐州 221440；2.中國礦業大學 信息與控制學院，江蘇 徐州 221008；3.中國移動通信集團江蘇有限公司 徐州分公司，江蘇 徐州 221600)

0 引 言

隨著LTE網絡向高鐵的深度覆蓋，寬帶移動通信系統對LTE切換算法提出了更高的要求，窄帶GSM-R系統已經遠遠不能滿足通信需求[1]，但是高速運行環境使得LTE系統頻繁切換且過渡時間短，導致切換成功率低，嚴重影響了用戶體驗，LTE-R切換算法的研究成為當前研究熱點[2]。文獻[2,3]提出了基于速度特性對相關參數進行分級優化，在一定程度上提高了切換成功率，但是動態的計算增加了算法的復雜度，在切換時間極短的情況下無法保證穩定的切換成功率。文獻[4,5]提出了基于位置信息對切換算法優化，這類方案雖然能夠提高越區切換的成功率，但是需要增加專用的位置檢測設備，改變了系統結構，工程實踐性較差。文獻[6]提出了提前切換算法，提前進行信令交換和預承載，縮短了切換時延，但是預承載點的定位過程復雜，涉及參數多，算法實現難度較大。文獻[7]提出了一種基于精簡信令流程的快速切換機制，精簡了源基站向UE發送確認信息信令，降低了切換時延，但是可靠性沒有保障，且新基站的隨機接入沖突率大大提升，影響了切換成功率。

針對高鐵LTE通信網絡特點，提出了一種基于移動方向和資源快速分配的LTE切換算法，優化了傳統的切換過程，調整了切換判決參數，減小了切換時延，有效提高了切換成功率，解決了越區覆蓋問題，可有效保證通信質量，且實現簡單，具有較強的理論意義和實用價值。

1 高鐵LTE網絡切換的特殊性

高鐵作為一種高速運行的軌道交通，大部分運行在野外空曠處，時速往往都超過300 km/h，在如此高速移動環境下，給LTE網絡的正常切換帶來了巨大的挑戰，相對于普通的室外宏站環境，當前高鐵LTE切換具有如下特點：

(1)UE穿過切換過渡區域時間短，不能滿足正常的切換響應時間，給切換的穩定性帶來了更高的要求，而且高速的特性以及地理環境的復雜性性還會造成頻繁切換的發生，很容易出現切換失敗、脫網等問題，甚至可能影響整個網絡的性能；

(2)高鐵用戶空間和時間集中度高，在切換時間內易產生大量的信令、資源需求，在一定的程度上加重系統的負擔；

(3)高鐵的無線信號分布是一種鏈狀結構，相連小區的位置固定，用戶移動方向具有確定性，由于高鐵一定是沿著線路朝一個方向運行，UE切換目標小區具有可預知的確定性。

另外，高鐵壞境還具有多普勒頻譜效應強、無線信號穿透損耗大等問題[8]，都加大了LTE網絡部署的難度，給穩定高效的系統切換帶來了挑戰，為了保證用戶通信質量，急需優化當前的LTE切換機制，為此設計一種快速切換算法，基于信號強度運算有效定位用戶的移動方向，通過二級鄰區查詢機制確定目的鄰區，實現高鐵小區間的快速有效切換，保證LTE通信質量，提升用戶感知。

2 基于方向定位和資源預分配的切換算法

2.1 切換算法

目前LTE系統基于覆蓋的頻內/頻間切換主要是采用事件A3的切換判決控制算法，進入A3事件的條件如式(1)所示，當相鄰小區比當前服務小區質量高于一個門限,且持續一定時間，A3事件發生，UE上報測量結果，eNODE觸發切換過程[9]。在高鐵環境下，UE通過切換區域時間短，信號變化快，速度為350 km/h的列車通過300 m切換區域的時間約為3 s，原有參數值及切換過程已經不能滿足高速環境下的切換需求。高鐵環境下切換算法的重點是在很短的時間內觸發有效切換，否則如果切換過程花費時間過長，會導致UE因服務信號衰減過快而發生掉話，降低了用戶感知

Mn+Ofn+Ocn-Hys>Ms+Ofs+Ocs+Off

(1)

基于高鐵LTE網絡的特點，在現有的基于A3事件切換的基礎上提出了基于方向定位和資源預分配的快速切換算法,高鐵在出發時UE通過方向定位技術判別運行方向，根據運行方向查找服務小區的雙向鄰區快表預知切換的目標小區，通過資源預分配和改進的A3事件判別機制快速完成切換，減少了切換信令的延時，同時避免了資源的過度浪費，有效提高了高鐵環境下用戶的切換成功率。

小區信號變化及快速算法切換過程如圖1所示，考慮到高速環境下多普勒頻移效應，采用基于循環前綴的最大似然頻偏估計進行信號補償[10]，快速切換算法的具體控制流程如下。

圖1 快速切換算法

步驟1 UE在初始接入到LTE-R系統中時，基于方向定位技術確定運行方向，由于高鐵在運行中方向保持唯一性，根據運行方向查詢雙向鄰區快表，可以快速確定切換目標鄰區。當UE移動速度小于120 km/h時，采用基于A3事件的切換判決算法,跳轉到步驟5。當UE移動速度不小于120 km/h時，進行步驟2。

步驟2 當UE移動到A處，服務小區信號滿足式(2)，服務小區信號強度小于門限值參數時，打開頻間測量，向eNB上報測量報告，eNB收到測量數據后，啟動預切換判決機制，根據運行方向查尋雙向鄰區快表，確定目標鄰區，并向目標鄰區發出預切換請求

Ms<=threshold

(2)

如果鄰區信息表中目標鄰區為空，則直接進行步驟5。

步驟3 目標鄰區收到預切換請求信令后為UE分配前導碼、X2AP ID及eRAB資源信息，并通過預切換回復信令發給服務小區，服務小區收到信息后，暫存在ENODE的內存中。

步驟4 當UE移動到B處，即服務小區信號強度不大于目標鄰區信號強度時，在同頻情況下，式(1)的參數Ofn、Ocn、Hys、Ofs、Ocs、Off均取值為0，且切換遲滯值TTT也為0，A3事件發生，UE發送測量報告，eNodeB進行切換判決，向UE發送切換命令，將非競爭性隨機接入前導碼等信息發送給UE，UE釋放占用當前小區資源，向目標鄰區發出基于非競爭的RRC連接請求。

步驟5 當UE移動到B處，執行基于改進了判決參數的A3事件的切換過程，A3事件判決參數取值與步驟4相同，查詢普通鄰區列表，最終UE向目標鄰區發起非競爭性隨機接入請求。

步驟6 隨機接入成功后，目標鄰區向源小區發送確認信息，如雙向鄰區快表中的目的鄰區信息為空則進行寫入。如果隨機接入請求失敗，UE基于競爭性隨機接入當前信號最優小區，并重復步驟1，重新定位UE運行方向。源小區在規定時間內未收到確認信息則將鄰區信息表中該運行方向的目標小區進行失敗次數記錄，如果有連續兩次失敗，則將該方向的目標鄰區清空，準備進行表的更新。

2.2 運行方向定位技術

高鐵的LTE系統模型如圖2所示，每個基站都有一個雙向鄰區快表的數據結構BSn1BSn2BSn3，其中BSn2是當前服務小區，BSn1和BSn3是當前服務小區的前后兩個鄰區，由于高鐵線路的確定性，每個小區的相鄰小區都是固定的，因此只要確定了高鐵的運行方向，發生切換的目標小區就是確定的。目前的UE定位技術較成熟的有接受信號強度RSS(receive signal strength)、信號到達角度AOA(angle of arrival)、信號到達時間TDOA(time difference of arrival)、信號到達頻率差FDOA(frequency difference of arrival)以及混和定位算法[11]，其中RSS算法利用無線信號隨著傳輸距離的變化衰減不同，通過信號強度進行比較，運算復雜度低，涉及的參數少，不需要系統額外增加測量參數，適合應用于高速運行的環境。基于高鐵信號的特點，設計了基于多線性RSS的鄰區判別方法，來確定高鐵用戶運行方向。

圖2 高鐵LTE系統方向定位模型

(3)

(4)

2.3 鄰區信息列表

鄰區信息列表采用二級查詢結構，主要包括雙向鄰區快表和普通鄰區列表，當UE運行速度大于120 km/h時，首先基于UE移動方向查找雙向鄰區快表，如果切換失敗，則通過查詢普通鄰區列表進行切換。當失敗兩次后，清空該方向下雙向鄰區快表的鄰區信息，并由切換成功后的鄰區信息進行更新賦值。兩級鄰區信息第一次由管理員根據建站信息進行配置，后期雙向鄰區快表通過自學習進行信息的更新維護。

3 快速切換算法有效性分析

3.1 算法實現有效性分析

目前LTE系統已經基本部署完畢，此時算法的實施重點是要考慮設備的兼容性，盡量減少對現有系統的影響。LTE-R快速切換算法的實施無需增加硬件設備，算法的可實現性強。在現有的切換信令流程的基礎上[12]，設置了基于X2口切換的LTE-R切換算法信令流程，如圖3所示，主要包括切換初始化、A2測量與預切換、A3測量與切換決策、切換執行和切換完成4步，與原有切換信令完全兼容，易于版本升級實施。

(1)切換初始化

切換初始主要完成完成控制命令的下發、速度的監測及UE運行方向的定位。通過信令3 Initiation Report對速度進行周期性的監測，利用歸一化接收功率標準差判別移動速度的高低[13]；當速度大于120 km/h時，觸發運行方向的判定及新切換算法的實施，當速度小于120 km/h時，仍然采用原有的切換流程。

(2)A2測量與預切換

相對于典型的LTE切換命令，增加了4、5信令及源基站小區的預切換判決處理，當服務小區信號質量小于設定的門限值時，打開A2測量，并上報同頻和異頻的測量報告，源基站小區啟動預先切換判決模式，通過4 Prepare Handover Request信令向目標小區申請資源，目標小區通過5 Prepare Handover Request Acknowledge將預分配的資源發給源基站。

(3)A3測量與切換決策

當目標鄰區的服務質量大于等于源小區服務質量時，UE上報A3測量報告，A2和A3的測量報告都由Measure Report信令上報，通過ID號進行標識，源基站小區通過8 RRC Connection Reconfiguration消息下發切換命令和隨機接入前導碼，掛起PDCP，同時向目標小區發送9 Handover Report告之即將發生切換。8、9信令同時進行，節省了大量的切換準備時間。

圖3 基于X2口的快速切換信令流程

(4)切換執行與完成

UE收到切換命令后，指示RLC重建，同時通過11 Non-competition Random Access向目標小區發起非競爭性隨機接入請求。隨機接入完成后，向UE發送下行數據，數據傳輸恢復，并向源小區發送12 UE Context Release信令，通知源小區釋放資源，對雙向鄰區快表進行維護。

3.2 切換時間有效性分析

利用信令流程進行理論分析時延的方法是評估算法有效性的方式之一[6]?？焖偾袚Q算法在切換時間上做了較大的優化，主要包括有效縮短了切換時延和提前了切換發生時間。切換時延是指控制面的切換時間，開始于UE上報A3測量報告，結束于目標小區收到MSG3結束，假設信令傳輸一次成功，不考慮HARQ和RLC帶來的影響[14],切換時延主要由信令傳輸時間和處理判決時間組成，根據圖3的切換信令流程，切換步驟及時間見表1，在LTE-R快速切換算法中，切換請求及應答是在預切換過程中完成，當源小區收到A3測量報告后直接下發切換后命令，減少了切換請求及應答的時間，相對于LTE-A典型切換算法，節省約26.2%的切換時延。

切換發生時間是UE發起切換的時刻，如圖2所示，LTE-R快速切換發生在B時刻，遠遠提前于LTE-A切換算法的C時刻。在同頻情況下涉及的參數(Hys+Off)和TTI，對應的現網典型值分別為3 dB和320 ms。基于高鐵線路的信號特點，采用Cost231-Hata模型分析路徑損耗[15]，如式5所示，其中fc為工作頻率，hte為基站天線高度，d為基站天線到UE天線的水平距離，hre為UE天線高度，α(hre)為UE天線的環境因子，Ccell為小區校準因子，CM地域校正因子

表1 切換過程及時間/ms

L=46.3+33.9lgfc-13.82lghte+(44.9-6.55lghte)
lgd-α(hre)+Ccell+CM

(5)

若不考慮陰影衰落，則UE接收的鄰區RSRP與服務小區RSRP的差值ΔPR如式(6)所示，PSN和RSS分別鄰區和服務小區的天線發射功率

ΔPR=PRN-PRS=(PSN-Ld)-(PSS-Ld′)

(6)

在正常情況下，相鄰小區和服務小區基本參數相同，將式(5)代入式(6)，運算得到式(7)，假設基站天線高度相同為40 m，小區覆蓋半徑1.2 km，高鐵速度300 km/h，則當鄰區RSRP高于服務小區3 dB，UE與鄰區區基站水平距離d為540 m，偏離中心分界點B點60 m，需耗時720 ms。因此，LTE-R快速切換算法的切換時刻比傳統LTE切換算法提前1040 ms，大大降低了因高鐵速度太快切換不及時導致發生無線鏈路失敗的風險

(7)

4 算法仿真與分析

4.1 測試條件

為了評估LTE-R快速切換算法，選用意大利的開源架構的LTE-SIM仿真平臺[15]，該平臺包含了主要的LTE協議棧和網元實體，通過事件調度器來模擬LTE的運行過程，在此基礎上添加了移動方向管理模塊、切換算法控制模塊、高鐵環境無線信道模塊等。針對高鐵場景，采用鏈狀網絡結構，系統共MME，ENODE站點500個，中途設置?？空军c4個，數據業務E-RAB連接數200，其它仿真參數見表2。

表2 仿真參數配置

4.2 仿真結果分析

以基于A3事件的LTE-A典型切換算法和提前切換算法[6]為比較基線，選取切換時延、切換成功率、無線掉線率[16]作為評價指標,以一個來回為測試周期，不同速度情況下對100次獨立采集數據取平均值，驗證LTE-R快速切換算法的性能。

圖4為不同速度條件下3種算法的切換時延，由于快速切換算法采用了優化了切換過程，大大縮短了控制面切換時間，在速度小于120 km/h時，3種算法的切換時延與理論分析結果基本一致。當速度逐漸增大時，典型A3切換算法性能下降較快，快速切換算法由于采用了新的測量機制和切換執行過程，切換時延基本保持穩定。

圖4 切換時延對比

圖5為3種切換算法的切換成功率對比圖，在高鐵速度小于120 km/h時，3種算法的切換成功率均高于99.5%，滿足KPI指標要求。隨著速度的增加，基于A3事件的切換算法的切換成功率明顯下降，當速度大于360 km/h時，提前切換算法的切換成功率小于95%，而且有加速下降的趨勢。而LTE-R快速切換算法由于提前了切換的時間，采用了新的位置優化了切換過程，提高了切換目標小區的可預知能力，切換成功率較高，且比較穩定，保持在98%以上，基本可以滿足現網的需求。

圖5 切換成功率對比

圖6為3種切換算法的無線掉線率對比圖，在高鐵速度小于120 km/h時，3種算法的無線掉線率相差不大，保持在0.3%以內，系統可靠性良好，隨著速度的增加，LTE-R快速切換算法的無線掉線率穩定在0.5%左右，系統的穩定性和可靠性較高，提前切換算法無線掉線率稍差，而A3切換算法在160 km/h以上指標惡化，RRC異常釋放比率上升，業務通訊保持能力差。

圖6 無線掉線率對比

5 結束語

切換算法是保證移動業務連續性的關鍵因素之一，對LTE系統在高鐵上的大規模應用有著十分重要的影響。針對高鐵LTE信號變化快的特殊性，提出了LTE-R快速切換算法，基于高鐵用戶方向的確定性，增加了雙向鄰區快表，優化了切換參數，提前進行相關切換資源的預分配，設計了該算法實現的信令流程，對控制信令的切換時延進行了有效性分析。對該算法進行了仿真測試分析，實驗結果表明該算法在高速情況下具有良好的切換性能，對鐵路LTE-R標準的最終制定有著重要的意義。