高铁环境下LTE-R快速切换算法

高铁环境下LTE-R快速切换算法
凌启东;张雷;王鸿磊;王博
【摘要】为提高高铁LTE网络的切换成功率,改善用户感知,分析高铁信号的特点,提出一种基于用户终端(user equipment,UE)移动方向的铁路下一代移动通信系统(long term evolution for railway,LTE-R)快速切换算法.优化切换判决参数,给出UE移动方向的定位方法,通过双向邻区快表快速确定目的小区,预切换提前完成资源的分配.设计LTE-R快速切换算法的实现信令,理论分析表明,该算法可有效缩短切换时延.仿真结果表明,在高速环境下,具有高切换成功率和低无线掉线率,稳定性好.【期刊名称】《计算机工程与设计》
【年(卷),期】2018(039)011
【总页数】7页(P3333-3339)
【关键词】高速铁路;铁路长期演进;切换算法;移动方向;A3事件
【作者】凌启东;张雷;王鸿磊;王博
【作者单位】徐州工业职业技术学院信息与电气工程技术学院,江苏徐州221440;中国矿业大学信息与控制学院,江苏徐州221008;徐州工业职业技术学院信息与电气工程技术学院,江苏徐州221440;中国矿业大学信息与控制学院,江苏徐州221008;中国移动通信集团江苏有限公司徐州分公司,江苏徐州221600
【正文语种】中文
【中图分类】TN929.5
0 引言
随着LTE网络向高铁的深度覆盖，宽带移动通信系统对LTE切换算法提出了更高的要求，窄带GSM-R系统已经远远不能满足通信需求[1]，但是高速运行环境使得LTE系统频繁切换且过渡时间短，导致切换成功率低，严重影响了用户体验，LTE-R切换算法的研究成为当前研究热点[2]。

文献[2,3]提出了基于速度特性对相关参数进行分级优化，在一定程度上提高了切换成功率，但是动态的计算增加了算法的复杂度，在切换时间极短的情况下无法保证稳定的切换成功率。

文献[4,5]提出了基于位置信息对切换算法优化，这类方案虽然能够提高越区切换的成功率，但是需要增加专用的位置检测设备，改变了系统结构，工程实践性较差。

文献[6]提出了提前切换算法，提前进行信令交换和预承载，缩短了切换时延，但是预承载点的定位过程复杂，涉及参数多，算法实现难度较大。

文献[7]提出了一种基于精简信令流程的快速切换机制，精简了源基站向UE发送确认信息信令，降低了切换时延，但是可靠性没有保障，且新基站的随机接入冲突率大大提升，影响了切换成功率。

针对高铁LTE通信网络特点，提出了一种基于移动方向和资源快速分配的LTE切换算法，优化了传统的切换过程，调整了切换判决参数，减小了切换时延，有效提高了切换成功率，解决了越区覆盖问题，可有效保证通信质量，且实现简单，具有较强的理论意义和实用价值。

1 高铁LTE网络切换的特殊性
高铁作为一种高速运行的轨道交通，大部分运行在野外空旷处，时速往往都超过300 km/h，在如此高速移动环境下，给LTE网络的正常切换带来了巨大的挑战，相对于普通的室外宏站环境，当前高铁LTE切换具有如下特点：
(1)UE穿过切换过渡区域时间短，不能满足正常的切换响应时间，给切换的稳定性
带来了更高的要求，而且高速的特性以及地理环境的复杂性性还会造成频繁切换的发生，很容易出现切换失败、脱网等问题，甚至可能影响整个网络的性能；
(2)高铁用户空间和时间集中度高，在切换时间内易产生大量的信令、资源需求，
在一定的程度上加重系统的负担；
(3)高铁的无线信号分布是一种链状结构，相连小区的位置固定，用户移动方向具
有确定性，由于高铁一定是沿着线路朝一个方向运行，UE切换目标小区具有可预知的确定性。

另外，高铁坏境还具有多普勒频谱效应强、无线信号穿透损耗大等问题[8]，都加
大了LTE网络部署的难度，给稳定高效的系统切换带来了挑战，为了保证用户通
信质量，急需优化当前的LTE切换机制，为此设计一种快速切换算法，基于信号
强度运算有效定位用户的移动方向，通过二级邻区查询机制确定目的邻区，实现高铁小区间的快速有效切换，保证LTE通信质量，提升用户感知。

2 基于方向定位和资源预分配的切换算法
2.1 切换算法
目前LTE系统基于覆盖的频内/频间切换主要是采用事件A3的切换判决控制算法，进入A3事件的条件如式(1)所示，当相邻小区比当前服务小区质量高于一个门限,
且持续一定时间，A3事件发生，UE上报测量结果，eNODE触发切换过程[9]。

在高铁环境下，UE通过切换区域时间短，信号变化快，速度为350 km/h的列车通过300 m切换区域的时间约为3 s，原有参数值及切换过程已经不能满足高速
环境下的切换需求。

高铁环境下切换算法的重点是在很短的时间内触发有效切换，否则如果切换过程花费时间过长，会导致UE因服务信号衰减过快而发生掉话，降低了用户感知
Mn+Ofn+Ocn-Hys>Ms+Ofs+Ocs+Off
(1)
基于高铁LTE网络的特点，在现有的基于A3事件切换的基础上提出了基于方向定位和资源预分配的快速切换算法,高铁在出发时UE通过方向定位技术判别运行方向，根据运行方向查找服务小区的双向邻区快表预知切换的目标小区，通过资源预分配和改进的A3事件判别机制快速完成切换，减少了切换信令的延时，同时避免了资源的过度浪费，有效提高了高铁环境下用户的切换成功率。

小区信号变化及快速算法切换过程如图1所示，考虑到高速环境下多普勒频移效应，采用基于循环前缀的最大似然频偏估计进行信号补偿[10]，快速切换算法的具体控制流程如下。

图1 快速切换算法
步骤1 UE在初始接入到LTE-R系统中时，基于方向定位技术确定运行方向，由于高铁在运行中方向保持唯一性，根据运行方向查询双向邻区快表，可以快速确定切换目标邻区。

当UE移动速度小于120 km/h时，采用基于A3事件的切换判决算法,跳转到步骤5。

当UE移动速度不小于120 km/h时，进行步骤2。

步骤2 当UE移动到A处，服务小区信号满足式(2)，服务小区信号强度小于门限值参数时，打开频间测量，向eNB上报测量报告，eNB收到测量数据后，启动预切换判决机制，根据运行方向查寻双向邻区快表，确定目标邻区，并向目标邻区发出预切换请求
Ms<=threshold
(2)
如果邻区信息表中目标邻区为空，则直接进行步骤5。

步骤3 目标邻区收到预切换请求信令后为UE分配前导码、X2AP ID及eRAB资源信息，并通过预切换回复信令发给服务小区，服务小区收到信息后，暂存在ENODE的内存中。

步骤4 当UE移动到B处，即服务小区信号强度不大于目标邻区信号强度时，在
同频情况下，式(1)的参数Ofn、Ocn、Hys、Ofs、Ocs、Off均取值为0，且切换迟滞值TTT也为0，A3事件发生，UE发送测量报告，eNodeB进行切换判决，向UE发送切换命令，将非竞争性随机接入前导码等信息发送给UE，UE释放占用当前小区资源，向目标邻区发出基于非竞争的RRC连接请求。

步骤5 当UE移动到B处，执行基于改进了判决参数的A3事件的切换过程，A3事件判决参数取值与步骤4相同，查询普通邻区列表，最终UE向目标邻区发起非竞争性随机接入请求。

步骤6 随机接入成功后，目标邻区向源小区发送确认信息，如双向邻区快表中的目的邻区信息为空则进行写入。

如果随机接入请求失败，UE基于竞争性随机接入当前信号最优小区，并重复步骤1，重新定位UE运行方向。

源小区在规定时间内未收到确认信息则将邻区信息表中该运行方向的目标小区进行失败次数记录，如果有连续两次失败，则将该方向的目标邻区清空，准备进行表的更新。

2.2 运行方向定位技术
高铁的LTE系统模型如图2所示，每个基站都有一个双向邻区快表的数据结构BSn1 BSn2 BSn3，其中BSn2是当前服务小区，BSn1和BSn3是当前服务小区的前后两个邻区，由于高铁线路的确定性，每个小区的相邻小区都是固定的，因此只要确定了高铁的运行方向，发生切换的目标小区就是确定的。

目前的UE定位技术较成熟的有接受信号强度RSS(receive signal strength)、信号到达角度
AOA(angle of arrival)、信号到达时间TDOA(time difference of arrival)、信号到达频率差FDOA(frequency difference of arrival)以及混和定位算法[11]，其中RSS算法利用无线信号随着传输距离的变化衰减不同，通过信号强度进行比较，运算复杂度低，涉及的参数少，不需要系统额外增加测量参数，适合应用于高速运行的环境。

基于高铁信号的特点，设计了基于多线性RSS的邻区判别方法，来确定高铁用户运行方向。

图2 高铁LTE系统方向定位模型
高铁从站点出发，当UE速度超过120 km/h时启动方向定位算法。

移动台从邻区双向链表里读取邻区，在t1时刻分别测量BSn1和BSn3小区的信号强度，得到RSRPn1和RSRPn3，Δt时间后，在t2时刻，再次测量BSn1和BSn3小区的信号强度，得到和做式(3)、式(4)的运算，判别移动台运行的方向。

当式(3)的运算结果为1时，移动台的方向由BSn1到BSn3，当式(4)的运算结果为1时，移动台的方向由BSn3到BSn1，如果式(3)和式(4)两个运算结果均为0，说明信号受到环境因素的影响导致测试结果有误，需要重新测量及运算
(3)
(4)
2.3 邻区信息列表
邻区信息列表采用二级查询结构，主要包括双向邻区快表和普通邻区列表，当UE 运行速度大于120 km/h时，首先基于UE移动方向查找双向邻区快表，如果切换失败，则通过查询普通邻区列表进行切换。

当失败两次后，清空该方向下双向邻区快表的邻区信息，并由切换成功后的邻区信息进行更新赋值。

两级邻区信息第一次由管理员根据建站信息进行配置，后期双向邻区快表通过自学习进行信息的更新维护。

3 快速切换算法有效性分析
3.1 算法实现有效性分析
目前LTE系统已经基本部署完毕，此时算法的实施重点是要考虑设备的兼容性，尽量减少对现有系统的影响。

LTE-R快速切换算法的实施无需增加硬件设备，算法的可实现性强。

在现有的切换信令流程的基础上[12]，设置了基于X2口切换的
LTE-R切换算法信令流程，如图3所示，主要包括切换初始化、A2测量与预切换、A3测量与切换决策、切换执行和切换完成4步，与原有切换信令完全兼容，易于版本升级实施。

(1)切换初始化
切换初始主要完成完成控制命令的下发、速度的监测及UE运行方向的定位。

通过信令3 Initiation Report对速度进行周期性的监测，利用归一化接收功率标准差
判别移动速度的高低[13]；当速度大于120 km/h时，触发运行方向的判定及新切换算法的实施，当速度小于120 km/h时，仍然采用原有的切换流程。

(2)A2测量与预切换
相对于典型的LTE切换命令，增加了4、5信令及源基站小区的预切换判决处理，当服务小区信号质量小于设定的门限值时，打开A2测量，并上报同频和异频的测量报告，源基站小区启动预先切换判决模式，通过4 Prepare Handover Request 信令向目标小区申请资源，目标小区通过5 Prepare Handover Request Acknowledge将预分配的资源发给源基站。

(3)A3测量与切换决策
当目标邻区的服务质量大于等于源小区服务质量时，UE上报A3测量报告，A2和A3的测量报告都由Measure Report信令上报，通过ID号进行标识，源基站小
区通过8 RRC Connection Reconfiguration消息下发切换命令和随机接入前导码，挂起PDCP，同时向目标小区发送9 Handover Report告之即将发生切换。

8、9信令同时进行，节省了大量的切换准备时间。

图3 基于X2口的快速切换信令流程
(4)切换执行与完成
UE收到切换命令后，指示RLC重建，同时通过11 Non-competition Random Access向目标小区发起非竞争性随机接入请求。

随机接入完成后，向UE发送下
行数据，数据传输恢复，并向源小区发送12 UE Context Release信令，通知源
小区释放资源，对双向邻区快表进行维护。

3.2 切换时间有效性分析
利用信令流程进行理论分析时延的方法是评估算法有效性的方式之一[6]。

快速切
换算法在切换时间上做了较大的优化，主要包括有效缩短了切换时延和提前了切换发生时间。

切换时延是指控制面的切换时间，开始于UE上报A3测量报告，结束于目标小区收到MSG3结束，假设信令传输一次成功，不考虑HARQ和RLC带
来的影响[14],切换时延主要由信令传输时间和处理判决时间组成，根据图3的切
换信令流程，切换步骤及时间见表1，在LTE-R快速切换算法中，切换请求及应
答是在预切换过程中完成，当源小区收到A3测量报告后直接下发切换后命令，减少了切换请求及应答的时间，相对于LTE-A典型切换算法，节省约26.2%的切换
时延。

切换发生时间是UE发起切换的时刻，如图2所示，LTE-R快速切换发生在B时刻，远远提前于LTE-A切换算法的C时刻。

在同频情况下涉及的参数(Hys+Off)和TTI，对应的现网典型值分别为3 dB和320 ms。

基于高铁线路的信号特点，采用
Cost231-Hata模型分析路径损耗[15]，如式5所示，其中fc为工作频率，hte为基站天线高度，d为基站天线到UE天线的水平距离，hre为UE天线高度，α(hre)为UE天线的环境因子，Ccell为小区校准因子，CM地域校正因子
表1 切换过程及时间/ms切换过程LTE-A典型切换LTE-R快速切换A3测量报告
+处理1616切换请求+处理100切换请求应答+处理70切换命令传输+处理1616数据转移55非竞争性随机接入+处理1111总计6548
L=46.3+33.9lgfc-13.82lghte+(44.9-6.55lghte)lgd-α(hre)+C cell+CM
(5)
若不考虑阴影衰落，则UE接收的邻区RSRP与服务小区RSRP的差值ΔPR如式
(6)所示，PSN和RSS分别邻区和服务小区的天线发射功率
ΔPR=PRN-PRS=(PSN-Ld)-(PSS-Ld′)
(6)
在正常情况下，相邻小区和服务小区基本参数相同，将式(5)代入式(6)，运算得到
式(7)，假设基站天线高度相同为40 m，小区覆盖半径1.2 km，高铁速度300
km/h，则当邻区RSRP高于服务小区3 dB，UE与邻区区基站水平距离d为540 m，偏离中心分界点B点60 m，需耗时720 ms。

因此，LTE-R快速切换算法的
切换时刻比传统LTE切换算法提前1040 ms，大大降低了因高铁速度太快切换不
及时导致发生无线链路失败的风险
(7)
4 算法仿真与分析
4.1 测试条件
为了评估LTE-R快速切换算法，选用意大利的开源架构的LTE-SIM仿真平台[15]，该平台包含了主要的LTE协议栈和网元实体，通过事件调度器来模拟LTE的运行
过程，在此基础上添加了移动方向管理模块、切换算法控制模块、高铁环境无线信道模块等。

针对高铁场景，采用链状网络结构，系统共MME，ENODE站点500个，中途设置停靠站点4个，数据业务E-RAB连接数200，其它仿真参数见表2。

表2 仿真参数配置参数典型值工作频率2585 MHz带宽20 MHz基站天线高度
40 mENODEB发射功率46 dBmUE发射功率24 dBm小区半径600 mUE天线
高度1.5 m路径损耗模型Cost231-Hata模型阴影衰落标准差6 dBUE接收灵敏
度-110 dBm-100 dBm基站与铁轨距离200 m
4.2 仿真结果分析
以基于A3事件的LTE-A典型切换算法和提前切换算法[6]为比较基线，选取切换
时延、切换成功率、无线掉线率[16]作为评价指标,以一个来回为测试周期，不同
速度情况下对100次独立采集数据取平均值，验证LTE-R快速切换算法的性能。

图4为不同速度条件下3种算法的切换时延，由于快速切换算法采用了优化了切
换过程，大大缩短了控制面切换时间，在速度小于120 km/h时，3种算法的切换时延与理论分析结果基本一致。

当速度逐渐增大时，典型A3切换算法性能下降较快，快速切换算法由于采用了新的测量机制和切换执行过程，切换时延基本保持稳定。

图4 切换时延对比
图5为3种切换算法的切换成功率对比图，在高铁速度小于120 km/h时，3种
算法的切换成功率均高于99.5%，满足KPI指标要求。

随着速度的增加，基于A3事件的切换算法的切换成功率明显下降，当速度大于360 km/h时，提前切换算
法的切换成功率小于95%，而且有加速下降的趋势。

而LTE-R快速切换算法由于提前了切换的时间，采用了新的位置优化了切换过程，提高了切换目标小区的可预知能力，切换成功率较高，且比较稳定，保持在98%以上，基本可以满足现网的
需求。

图5 切换成功率对比
图6为3种切换算法的无线掉线率对比图，在高铁速度小于120 km/h时，3种
算法的无线掉线率相差不大，保持在0.3%以内，系统可靠性良好，随着速度的增加，LTE-R快速切换算法的无线掉线率稳定在0.5%左右，系统的稳定性和可靠性
较高，提前切换算法无线掉线率稍差，而A3切换算法在160 km/h以上指标恶化，RRC异常释放比率上升，业务通讯保持能力差。

图6 无线掉线率对比
5 结束语
切换算法是保证移动业务连续性的关键因素之一，对LTE系统在高铁上的大规模
应用有着十分重要的影响。

针对高铁LTE信号变化快的特殊性，提出了LTE-R快
速切换算法，基于高铁用户方向的确定性，增加了双向邻区快表，优化了切换参数，提前进行相关切换资源的预分配，设计了该算法实现的信令流程，对控制信令的切换时延进行了有效性分析。

对该算法进行了仿真测试分析，实验结果表明该算法在高速情况下具有良好的切换性能，对铁路LTE-R标准的最终制定有着重要的意义。

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