LTE-M系統(tǒng)切換點(diǎn)上行干擾優(yōu)化方法

王翔 張義 孫發(fā)帥

摘要：針對(duì)LTE-M系統(tǒng)多UE切換場景下，切換點(diǎn)上行干擾影響小區(qū)邊緣UE數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延的問題，對(duì)上行干擾的產(chǎn)生原理進(jìn)行了介紹，提出了一種多UE聯(lián)動(dòng)切換的上行干擾優(yōu)化方法。新型上行干擾優(yōu)化方法可以使多個(gè)信號(hào)質(zhì)量變化相似的UE同時(shí)進(jìn)行切換，從而達(dá)到降低上行干擾的目的。仿真結(jié)果表明，提出的新型上行干擾優(yōu)化方法可有效降低切換點(diǎn)上行干擾對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊憽?/p>

關(guān)鍵詞：LTE-M;多UE;上行干擾;聯(lián)動(dòng)切換

中圖分類號(hào)：TN929.52文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2021）05-65-4

0引言

LTE-M系統(tǒng)中一列車同時(shí)裝備多個(gè)UE時(shí)，切換點(diǎn)不同，UE切換不同步，會(huì)造成短暫的上行干擾，使小區(qū)邊緣UE的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延性能受到影響，對(duì)列車的安全運(yùn)行造成潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

LTE-M系統(tǒng)是滿足城市軌道交通綜合業(yè)務(wù)承載需求的專網(wǎng)無線通信系統(tǒng)，基于TD-LTE技術(shù)，在保證基于通信的列車控制系統(tǒng)（CBTC）車地信息傳輸基礎(chǔ)上，可同時(shí)傳輸視頻監(jiān)控（IMS）、乘客信息系統(tǒng)（PIS）、列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及集群調(diào)度業(yè)務(wù)等信息。由于列車控制信息CBTC業(yè)務(wù)需要通過車-地?zé)o線通信系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，因此其可靠性、穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性對(duì)行車安全和乘客的人身安全至關(guān)重要[1]。

1干擾問題分析

時(shí)延性能是評(píng)估LTE網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的重要指標(biāo)，尤其LTE-M系統(tǒng)下CBTC業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延有著極高的要求，要求單向時(shí)延不超過150 ms，環(huán)回時(shí)延不超過300 ms[2]。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)受到上行干擾時(shí)，小區(qū)邊緣用戶的信噪比會(huì)瞬時(shí)下降，在低信噪比情況下數(shù)據(jù)的重傳次數(shù)會(huì)有所增加，進(jìn)而時(shí)延性能將受到影響，干擾嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)绊懹脩舻慕尤胄阅躘3]。

在LTE-M系統(tǒng)中，當(dāng)一列車上同時(shí)裝備多個(gè)UE時(shí)，切換點(diǎn)不同，UE的切換不同步，會(huì)造成短暫的上行干擾，使小區(qū)邊緣UE的時(shí)延性能受到影響。如圖1所示，以一列車同時(shí)配備2個(gè)UE為例，當(dāng)列車從小區(qū)1切換到小區(qū)2的整個(gè)過程可以分為3個(gè)階段。階段1是2個(gè)UE都沒有觸發(fā)切換;階段2是其中一個(gè)UE切換到了小區(qū)2，但是另外一個(gè)UE還沒有切換，繼續(xù)在小區(qū)1上;階段3是2個(gè)UE都切換到了小區(qū)2上。其中階段1和階段3由于2個(gè)UE都處在同一個(gè)小區(qū)中，因此都不存在上行干擾;而處于階段2時(shí)，2個(gè)UE分別位于2個(gè)小區(qū)中，且都處在小區(qū)的邊緣位置，當(dāng)2個(gè)小區(qū)分別為這2個(gè)UE分配了相同的頻譜資源時(shí)就會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的上行干擾現(xiàn)象，嚴(yán)重影響UE的時(shí)延性能，進(jìn)而影響車-地?zé)o線通信系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。

雖然在同一輛列車的不同UE設(shè)備通過相同的天線來接收信號(hào)，但由于不同UE的天線接收能力有所差異，導(dǎo)致不同UE達(dá)到切換門限的時(shí)機(jī)有所差異，這種差異一般會(huì)在幾百毫秒到幾秒不等[4]。如果這段時(shí)間持續(xù)存在很強(qiáng)的上行干擾，很可能會(huì)影響到數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性，無疑會(huì)增加列車運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。

2多UE聯(lián)動(dòng)切換方案

綜合上述分析結(jié)果，LTE-M系統(tǒng)在多UE場景下切換點(diǎn)的上行干擾現(xiàn)象主要存在于切換的階段2中，因此，如何減少或者消除階段2的存在時(shí)間成為解決該問題的關(guān)鍵所在。為此，提出了一種多UE聯(lián)動(dòng)切換的方案來解決切換點(diǎn)的上行干擾問題。

2.1方案原理

多UE聯(lián)動(dòng)切換方案的關(guān)鍵在于使多個(gè)UE能夠在同一時(shí)刻完成切換動(dòng)作，進(jìn)而極大減少甚至消除處于中間過程的階段2，以達(dá)到降低上行干擾的目的，如圖2所示。由于2個(gè)UE是通過同一天線接收信號(hào)，雖然不同UE天線接收能力不同，但也不會(huì)相差太大，即其中一個(gè)UE達(dá)到切換門限時(shí)，另外一個(gè)離切換門限也已經(jīng)不遠(yuǎn)，二者的RSRP通常相差在1 dBm以內(nèi)，此時(shí)如果能夠使后者與前者一同完成切換動(dòng)作，并不會(huì)對(duì)后者造成明顯的影響。這樣，2個(gè)UE就可以幾乎都保持在同一個(gè)小區(qū)內(nèi)，從而達(dá)到避免造成上行干擾的目的。

2.2方案設(shè)計(jì)

UE的切換行為是由基站來控制的，當(dāng)UE達(dá)到切換門限上報(bào)的測量報(bào)告中攜帶A3事件時(shí)，基站會(huì)為該UE進(jìn)行切換準(zhǔn)備，并通過向UE發(fā)送切換命令來通知UE完成切換動(dòng)作。要使多個(gè)UE同時(shí)進(jìn)行切換，可以在第一個(gè)達(dá)到切換門限的UE上報(bào)A3事件時(shí)，即在聯(lián)動(dòng)切換的多個(gè)UE中無論哪個(gè)UE先達(dá)到切換門限，基站都向其他需要聯(lián)動(dòng)切換的UE一同發(fā)送切換命令，從而達(dá)到多個(gè)UE同時(shí)切換的目的。

需要達(dá)到多UE同時(shí)切換還需要解決一個(gè)問題，就是基站要確定哪些UE是需要一同完成切換的，這就需要多UE綁定來完成。在LTE系統(tǒng)中，每個(gè)UE的IMSI號(hào)是唯一且不變的標(biāo)識(shí)，而LTE-M系統(tǒng)中每輛列車上UE的IMSI號(hào)一般情況下也不會(huì)進(jìn)行變動(dòng)。因此，基站可以據(jù)此將多個(gè)需要一同切換的UE進(jìn)行綁定，并將其綁定關(guān)系存入配置文件中，基站在啟動(dòng)時(shí)可從配置文件中獲取信息。

此外，IMSI號(hào)包含在NAS信令中并且在UE和核心網(wǎng)之間交互，而基站只透傳NAS信令，并不解析其中的內(nèi)容，因此，通常情況下基站是無法正常獲取到IMSI信息的。為了解決這一問題，需要從S1信令解析入手。INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST和HANDOVER REQUEST兩條S1信令是UE在基站入網(wǎng)所必須的2條信令，其中都包含可選字段[5]。核心網(wǎng)通過這2條信令中的可選字段將IMSI信息告知基站，這樣基站就能確定哪些UE是綁定在一起需要聯(lián)動(dòng)切換的。

多UE聯(lián)動(dòng)切換方案與傳統(tǒng)切換方案相比，可以極大減少切換第2階段的存在時(shí)間，這樣在切換的過程中上行干擾會(huì)大大降低，能夠獲得更高的SNR，進(jìn)而減少不必要的重傳，從而降低切換過程中對(duì)時(shí)延性能造成的影響。由于多個(gè)UE共用同一個(gè)天線進(jìn)行收發(fā)，信道質(zhì)量情況不會(huì)有太大差別，因此對(duì)于其他聯(lián)動(dòng)切換的UE來說，未達(dá)到切換門限而提前切換，并不會(huì)產(chǎn)生太大影響。

3仿真分析

采用IX軟件作為仿真工具進(jìn)行仿真，由于IX軟件無法收集信噪比等直接反映信道質(zhì)量的相關(guān)數(shù)據(jù)，而上行干擾會(huì)直接影響業(yè)務(wù)的時(shí)延性能，通過對(duì)時(shí)延性能的分析可以有效反映上行干擾的情況。仿真方案通過IX軟件采集切換過程中的時(shí)延數(shù)據(jù)，對(duì)比傳統(tǒng)方案和聯(lián)動(dòng)切換方案的時(shí)延數(shù)據(jù)結(jié)果，來證明聯(lián)動(dòng)切換方案可以有效降低多UE在切換點(diǎn)的上行干擾。

（1）仿真環(huán)境

仿真使用自研的LTE-M專網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)通過了LTE-M行業(yè)認(rèn)證測試。使用可編程衰減器模擬切換信號(hào)條件，使終端在2個(gè)基站之間進(jìn)行切換。測試業(yè)務(wù)選用軌道場景中最為重要的CBTC業(yè)務(wù)（對(duì)時(shí)延性能要求高）。終端是通過LTE-M行業(yè)認(rèn)證測試的專網(wǎng)終端，仿真參數(shù)如表1所示[6]。

（2）仿真結(jié)果及分析

按照表1參數(shù)對(duì)傳統(tǒng)切換方案及多UE聯(lián)動(dòng)切換方案分別進(jìn)行仿真，得到的結(jié)果如圖3和圖4所示。仿真以CBTC業(yè)務(wù)的環(huán)回時(shí)延作為參考指標(biāo)，由于CBTC業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延性能要求較高，當(dāng)環(huán)回時(shí)延超過300 ms時(shí)就可能對(duì)列車的運(yùn)行產(chǎn)生影響，時(shí)延越高，產(chǎn)生影響的可能性就會(huì)越大。

仿真結(jié)果中，2種方案仿真時(shí)間都為60 min，仿真期間UE切換次數(shù)為180。為了便于觀看，只截取前10 min共30次切換的仿真結(jié)果，如圖5和圖6所示。

從仿真結(jié)果可以看到，非切換點(diǎn)的環(huán)回時(shí)延穩(wěn)定在40 ms左右;在切換點(diǎn)，由于UE需要從源小區(qū)脫離并且在目的小區(qū)接入，整個(gè)過程大概會(huì)有60 ms左右的數(shù)據(jù)中斷，因此正常情況下在切換點(diǎn)環(huán)回時(shí)延大概在100 ms左右。

針對(duì)仿真結(jié)果，分別統(tǒng)計(jì)出環(huán)回時(shí)延在≥150 ms，≥250 ms，≥300 ms的次數(shù)。其中，前10 min仿真結(jié)果和全部仿真結(jié)果的統(tǒng)計(jì)情況分別如表2和表3所示。

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，在60 min的仿真結(jié)果中，傳統(tǒng)切換方案環(huán)回時(shí)延≥150 ms的次數(shù)為37（20.5%），≥250 ms的次數(shù)為8（4.4%）;相比之下，多UE聯(lián)動(dòng)切換方案的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，環(huán)回時(shí)延≥150 ms的次數(shù)為18（10%），≥250 ms的次數(shù)為0（0%）。結(jié)果表明，多UE聯(lián)動(dòng)切換方案相對(duì)于傳統(tǒng)切換方案，環(huán)回時(shí)延≥150 ms的出現(xiàn)概率降低了100%，并且出現(xiàn)≥250 ms高時(shí)延的概率降到了0%。因此，可以證明多UE聯(lián)動(dòng)切換方案能夠有效降低多UE在切換點(diǎn)所產(chǎn)生的上行干擾，并且大大降低了切換點(diǎn)的環(huán)回時(shí)延，提高了列車運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4結(jié)束語

針對(duì)LTE-M系統(tǒng)在軌道系統(tǒng)場景多個(gè)UE切換時(shí)會(huì)產(chǎn)生上行干擾的問題，提出了一種多UE聯(lián)動(dòng)切換方案。該方案通過基站對(duì)多個(gè)需要同時(shí)切換的UE進(jìn)行綁定，能夠在同一時(shí)刻完成小區(qū)切換動(dòng)作，有效降低了切換過程產(chǎn)生的上行干擾，提高了LTE-M系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

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