高速铁路场景移动通信系统切换研究综述_李泰
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的运动轨迹固定的。地面网络可以进行针对性的规 划，增强切换区域的信号质量，从而确保切换可以被 及时触发。采用分布式天线系统［11 － 13］，根据列车所 处的天线位置进行天线功率配置。同时采用分布式 天线系统可以扩大基站覆盖区域，降低移动台在不 同基站间的切换频率。
图 3 分布式天线网络架构
3 优化切换流程
3． 1 优化切换测量 在高铁场景下，由于信号质量较差，周期性的测
量上报不能被及时触发。为了避免这种情况，可以 考虑在利用列车的位置信息作为触发测量上报的条 件［14 － 17］。根据高速铁路场景下列车轨迹固定、方向 可预知等特点，当列车行驶至基站覆盖重叠区特定 位置，作为第一次上报的触发条件。如果地面网络 的采用沿铁路线常规部署，则触发位置一般选取在 重叠覆盖区域的 中 心 位 置［14］。 如 果 在 基 站 覆 盖 重 叠区中心部署基站以增强信号，则触发位置的选择 依据：
10·log10 （ Ｒ（T，x） ） － 10·log10 （ Ｒ（S，x） ） = Γ （5） 其中，Ｒ（T，x） 为目标基站在点 x 处信号质量，Ｒ（S，x） 为 服务基站在点 x 处信号质量，Γ 为迟滞值。
以列车当前位置作为测量上报的触发条件，可 能会 导 致 选 择 的 目 标 小 区 并 不 是 最 优 的。文 献 ［16］将列车位置信息作为测量结果辅助条件，通过 列车位置信息预测最优小区。如果该最优小区与根 据信号测量结果选出的最优小区一致，则周期性测 量上报最优小区信号质量，否则以信号测量结果选 出的最优小区为准。
Mobile Communications Handover Schemes in High － Speed Ｒailway Scenario
LI Tai，LI Ye
（School of Optical － Electrical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）
第 48 卷 第 5 期 2015 年 5 月
通信技术 Communications Technology
doi：10． 3969 / j． issn． 1002 － 0802． 2015． 05． 012
Vol． 48 No． 5 May． 2015
高速铁路场景移动通信系统切换研究综述*
李 泰，李 烨
的移动通信系统主要应用于低速场景，当其应用在 高速铁路场景下时面临着诸多挑战［1，4 － 7］，例如高速 引起多普勒频移以及频繁越区切换，车体导致穿透 损耗、群切换带来信令风暴。其中，越区切换以及群 切换问题值得格外关注，如不能很好地解决高速铁 路场景下的切换问题，将致使移动通信系统性能严 重下降。
的覆盖 范 围 对 TTT 的 影 响，TTT 可 如 下 计 算 上 报
周期：
Ts
=
Ｒ － x0 v·N
（7）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
其中，Ts为上报周期，Ｒ 为基站覆盖半径，x0 为初始 位置，v 为列车速度，N 为切换决策次数（ 统计量） 。
文献［22］将基站覆盖区分为重叠区和非重叠区，中
继基站根据信号质量可判断当前是处于重叠区还是
本文首先介绍了切换的基本概念以及切换流 程，然后着重阐述了高速铁路场景下，为提高移动通 系统切换性 能，如 提 高 切 换 成 功 率、降 低 切 换 中 断
* 收稿日期：2015 － 01 － 10；修回日期：2015 － 03 － 28 Ｒeceived date：2015 － 01 － 10；Ｒevised date：2015 － 03 － 28
Mn + Ofn + Ocn + Hys ＜ Mp + Ofp + Ocp + Off （2）
其中，Mn 为邻区信号测量结果，Ofn 为邻区频率的
特定频率偏置，Ocn 为邻区的特定小区偏置，Hys 为
事件 A3 迟滞参数，Mp 服务小区信号测量结果，Ofp
为服务小区频率的特定频率偏置，Ocp 为服务小区
一条新的空闲话音信道上，以继续保持通话的过程。
切换流程分为三个阶段：切换测量、切换判决和
切换执行。切换准备阶段主要是移动台物理层启动
对基站信号质量的测量，以及向移动台无线资源控
制层上报测量结果。例如启动和停止同频测量的条 件可分别定义为［8］：
Mn + Ofn + Ocn － Hys ＞ Mp + Ofp + Ocp + Off （1）
α = Tm
（6）
Tu
其中，Tm 表示移动台测量周期；Tu 表示移动台上报
测量结果周期。
TTT 的取值根据移动台移动速度进行动态调
整，可以实现抑制乒乓效应与适时触发之间的平衡。
为实现 TTT 取值的动态调整可以设定速度阀值，根
据列车速度与速度阀值之间的关系，更改 TTT 的取 值［21］。仅仅根据速度阀值调整 TTT，并未考虑基站
能力较弱，反之，对信号变化的跟踪能力较强，但对
信号平滑作用较小。事件 A3 迟滞参数 Hys 如果设
置较大，则致使测量结果不能及时上报，反之则会频
繁上报。切换触发时延 TTT 设置较大，则容易导致
切换不能被适时触发，反之容易导致测量上报过于 频繁以及误切换发生［18 － 20］。
根据列车速度设置不同的移动台测量结果上报 周期，层 3 滤波系数 α 定义为［21］：
目标基站与服务基站进行控制面的信令交互， 从而完成切换流程。于此同时在用户面服务基站与 移动台之间交互数据的会被转发给目标基站，数据 转寄可以降低因切换而导致的丢包率。基站之间的 数据转发有两种路径，基站之间直接进行数据转寄 或者通过服务网关进行数据转发。
2 优化网络规划
在高速铁路场景下，多普勒频移、穿透损耗以及 群切换带来的信令风暴，会导致切换流程不能被正 常触发。而传统网络架构对此无能为力，为此需要 在传统网络架构上进行相应改进。网络架构上的改 进包括车载网络和地面网络两部分。 2． 1 车载网络改进
天线立即正常执行切换，中继基站选择尾部天线进 行数据收发。如果首部天线切换成功，则首部天线 进行数据收发，而尾部天线进入基站覆盖区域后直 接与源基站断开连接并同步到目标基站。如果首部 天线切换失败，则尾部天线进入切换区域且满足切 换触发条件后执行切换。
图 2 架设双天线中继基站网络架构
2． 2 地面网络改进 相比传统移动通信网络中的移动台，高速列车
Abstract：The fast and fully － enclosed high － speed train brings a big challenge to the performance of handover in mobile communication systems，thus resulting in a direct influence on user experience． Firstly， the concept of handover in mobile communication system is discussed，and the confronted problems by handover in high － speed railway scenario are also presented． Then，the latest developments on how to solve the problem both at home and abroad are reviewed，including the optimization of network architecture and the optimization of measurement，parameter setting，executive stratagy，data transfer in handover process． And finally this paper proposes that group handover scheme is a future research direction deserving of public attention． Key words：high － speed railway； mobile communications； handover
服务基站在收到移动台上报的测量信息后，需 根据自身资源情况做出切换判决。在切换判决阶段 为了抑制乒乓效应，定义了触发时延 （ Time － to － Trigger，TTT） ，即在触发时延内邻区信号质量始终大 于当前服务小区一个门限值，移动台才可以发送切 换流程才可被触发。切换流程被触发后，服务基站 将向目标基站发送切换请求。
在高速列车上增加一个中继基站和一部收发天 线，列车上的移动台通过中继基站和收发天线接入 传统网络［9］，即 在 传 统 网 络 基 础 之 上 增 加 了 一 跳。 中继基站可以对多普勒频移进行矫正，同时避免了 穿透损耗。此外中继基站代替高速列车上的所有在 线移动台执行切换流程，从而避免了群切换带来的 信令风暴问题。
图 1 加装中继基站的架构图
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www． txjszz． com
通信技术
2015 年
高 速 列 车 车 身 长 度 达 200 多 米，如 列 车 以 350 km / h速度完全通过一点耗时2 s。文献［10］据 此提出为中继基站在列车首部和尾部分别加装一部 天线，列车 可 以 执 行 切 换 流 程 的 时 间 相 应 增 加 了 2 s。当列车行驶在单基站覆盖区域时，中继基站会 选择信号质量较好的天线用于数据收发。当高速列 车驶入基站重叠覆盖区后，一旦满足切换条件，首部
3． 2 优化切换参数
切换准备阶段的参数如层 3 滤波系数 α、事件 A3 迟滞参数 Hys、切换触发时延 TTT，如果取值不合
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第 48 卷
李泰，李烨：高速铁路场景移动通信系统切换研究综述
第5期
理则容易致使切换失败。层 3 滤波系数 α 如果设置
较大，则对信号平滑作用较强，但对信号变化的跟踪
的特定小区偏置，Off 时间 A3 偏置参数。移动台无
线资源控制层进行层 3 滤波后向服务基站上报测量
结果。层 3 滤波采用一阶滞后滤波法：
Fn = （1 － α） Fn － 1 + αMn
（3）
α = 1 /2k/4
（4）
其中，Fn 为层 3 滤波结果，α 为层 3 滤波系数，Fn － 1 为前一次层 3 滤波结果，Mn 最新测量结果，k 为基 站下发的测量滤波因子。
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第 48 卷
李泰，李烨：高速铁路场景移动通信系统切换研究综述
第5期
率、降低切换延时、降低切换丢包率，而针对切换流 程中各个环节的优化。
1 越区切换
越区切换是移动通信系统中一项非常重要的技
术。当移动台在通话过程中从一个基站覆盖区移动
到另一个基站覆盖区，或者由于外界干扰而造成通
话质量下降时，必须改变原有的话音信道而转接到
（ 上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093）
摘 要：高铁的高速、全封闭特性给移动通信系统的越区切换性能带来了极大挑战，直接影响用户体 验。阐述了移动通信系统中越区切换的概念，并指出高速铁路场景下越区切换面临的问题。回顾了 国内外为解决这些问题所进行的相关研究及最新进展，包括网络架构优化和切换流程中测量、参数 设置、执行策略、数据传输环节的优化，并指出群切换机制是未来值得关注的研究方向。 关键词：高速铁路；移动通信；切换 中图分类号： 文献标志码：A 文章编号：1002 － 0802（2015）05 － 0566 － 07
0引言
截止 2014 年，我 国 高 速 铁 路 通 车 总 里 程 达 14620 公里，运行速度高达 350Km / h，是世界上高速 铁路运行里程最长、运行速度最高的国家。未来高 铁必将成为人们旅行的主要交通工具。
人们在享受高铁快捷性的同时，也希望在旅途 中可以拥有像家庭宽带一样快速、稳定的网络服务。 但传统的铁路移动通信系统 GSM － Ｒ 只能提供低 速的网络服务，为此，国际铁路联盟（ UIC） 已将 LTE － Ｒ 列为下一代铁路宽带移动通信系统［1 － 3］。传统
图 3 分布式天线网络架构
3 优化切换流程
3． 1 优化切换测量 在高铁场景下，由于信号质量较差，周期性的测
量上报不能被及时触发。为了避免这种情况，可以 考虑在利用列车的位置信息作为触发测量上报的条 件［14 － 17］。根据高速铁路场景下列车轨迹固定、方向 可预知等特点，当列车行驶至基站覆盖重叠区特定 位置，作为第一次上报的触发条件。如果地面网络 的采用沿铁路线常规部署，则触发位置一般选取在 重叠覆盖区域的 中 心 位 置［14］。 如 果 在 基 站 覆 盖 重 叠区中心部署基站以增强信号，则触发位置的选择 依据：
10·log10 （ Ｒ（T，x） ） － 10·log10 （ Ｒ（S，x） ） = Γ （5） 其中，Ｒ（T，x） 为目标基站在点 x 处信号质量，Ｒ（S，x） 为 服务基站在点 x 处信号质量，Γ 为迟滞值。
以列车当前位置作为测量上报的触发条件，可 能会 导 致 选 择 的 目 标 小 区 并 不 是 最 优 的。文 献 ［16］将列车位置信息作为测量结果辅助条件，通过 列车位置信息预测最优小区。如果该最优小区与根 据信号测量结果选出的最优小区一致，则周期性测 量上报最优小区信号质量，否则以信号测量结果选 出的最优小区为准。
Mobile Communications Handover Schemes in High － Speed Ｒailway Scenario
LI Tai，LI Ye
（School of Optical － Electrical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）
第 48 卷 第 5 期 2015 年 5 月
通信技术 Communications Technology
doi：10． 3969 / j． issn． 1002 － 0802． 2015． 05． 012
Vol． 48 No． 5 May． 2015
高速铁路场景移动通信系统切换研究综述*
李 泰，李 烨
的移动通信系统主要应用于低速场景，当其应用在 高速铁路场景下时面临着诸多挑战［1，4 － 7］，例如高速 引起多普勒频移以及频繁越区切换，车体导致穿透 损耗、群切换带来信令风暴。其中，越区切换以及群 切换问题值得格外关注，如不能很好地解决高速铁 路场景下的切换问题，将致使移动通信系统性能严 重下降。
的覆盖 范 围 对 TTT 的 影 响，TTT 可 如 下 计 算 上 报
周期：
Ts
=
Ｒ － x0 v·N
（7）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
其中，Ts为上报周期，Ｒ 为基站覆盖半径，x0 为初始 位置，v 为列车速度，N 为切换决策次数（ 统计量） 。
文献［22］将基站覆盖区分为重叠区和非重叠区，中
继基站根据信号质量可判断当前是处于重叠区还是
本文首先介绍了切换的基本概念以及切换流 程，然后着重阐述了高速铁路场景下，为提高移动通 系统切换性 能，如 提 高 切 换 成 功 率、降 低 切 换 中 断
* 收稿日期：2015 － 01 － 10；修回日期：2015 － 03 － 28 Ｒeceived date：2015 － 01 － 10；Ｒevised date：2015 － 03 － 28
Mn + Ofn + Ocn + Hys ＜ Mp + Ofp + Ocp + Off （2）
其中，Mn 为邻区信号测量结果，Ofn 为邻区频率的
特定频率偏置，Ocn 为邻区的特定小区偏置，Hys 为
事件 A3 迟滞参数，Mp 服务小区信号测量结果，Ofp
为服务小区频率的特定频率偏置，Ocp 为服务小区
一条新的空闲话音信道上，以继续保持通话的过程。
切换流程分为三个阶段：切换测量、切换判决和
切换执行。切换准备阶段主要是移动台物理层启动
对基站信号质量的测量，以及向移动台无线资源控
制层上报测量结果。例如启动和停止同频测量的条 件可分别定义为［8］：
Mn + Ofn + Ocn － Hys ＞ Mp + Ofp + Ocp + Off （1）
α = Tm
（6）
Tu
其中，Tm 表示移动台测量周期；Tu 表示移动台上报
测量结果周期。
TTT 的取值根据移动台移动速度进行动态调
整，可以实现抑制乒乓效应与适时触发之间的平衡。
为实现 TTT 取值的动态调整可以设定速度阀值，根
据列车速度与速度阀值之间的关系，更改 TTT 的取 值［21］。仅仅根据速度阀值调整 TTT，并未考虑基站
能力较弱，反之，对信号变化的跟踪能力较强，但对
信号平滑作用较小。事件 A3 迟滞参数 Hys 如果设
置较大，则致使测量结果不能及时上报，反之则会频
繁上报。切换触发时延 TTT 设置较大，则容易导致
切换不能被适时触发，反之容易导致测量上报过于 频繁以及误切换发生［18 － 20］。
根据列车速度设置不同的移动台测量结果上报 周期，层 3 滤波系数 α 定义为［21］：
目标基站与服务基站进行控制面的信令交互， 从而完成切换流程。于此同时在用户面服务基站与 移动台之间交互数据的会被转发给目标基站，数据 转寄可以降低因切换而导致的丢包率。基站之间的 数据转发有两种路径，基站之间直接进行数据转寄 或者通过服务网关进行数据转发。
2 优化网络规划
在高速铁路场景下，多普勒频移、穿透损耗以及 群切换带来的信令风暴，会导致切换流程不能被正 常触发。而传统网络架构对此无能为力，为此需要 在传统网络架构上进行相应改进。网络架构上的改 进包括车载网络和地面网络两部分。 2． 1 车载网络改进
天线立即正常执行切换，中继基站选择尾部天线进 行数据收发。如果首部天线切换成功，则首部天线 进行数据收发，而尾部天线进入基站覆盖区域后直 接与源基站断开连接并同步到目标基站。如果首部 天线切换失败，则尾部天线进入切换区域且满足切 换触发条件后执行切换。
图 2 架设双天线中继基站网络架构
2． 2 地面网络改进 相比传统移动通信网络中的移动台，高速列车
Abstract：The fast and fully － enclosed high － speed train brings a big challenge to the performance of handover in mobile communication systems，thus resulting in a direct influence on user experience． Firstly， the concept of handover in mobile communication system is discussed，and the confronted problems by handover in high － speed railway scenario are also presented． Then，the latest developments on how to solve the problem both at home and abroad are reviewed，including the optimization of network architecture and the optimization of measurement，parameter setting，executive stratagy，data transfer in handover process． And finally this paper proposes that group handover scheme is a future research direction deserving of public attention． Key words：high － speed railway； mobile communications； handover
服务基站在收到移动台上报的测量信息后，需 根据自身资源情况做出切换判决。在切换判决阶段 为了抑制乒乓效应，定义了触发时延 （ Time － to － Trigger，TTT） ，即在触发时延内邻区信号质量始终大 于当前服务小区一个门限值，移动台才可以发送切 换流程才可被触发。切换流程被触发后，服务基站 将向目标基站发送切换请求。
在高速列车上增加一个中继基站和一部收发天 线，列车上的移动台通过中继基站和收发天线接入 传统网络［9］，即 在 传 统 网 络 基 础 之 上 增 加 了 一 跳。 中继基站可以对多普勒频移进行矫正，同时避免了 穿透损耗。此外中继基站代替高速列车上的所有在 线移动台执行切换流程，从而避免了群切换带来的 信令风暴问题。
图 1 加装中继基站的架构图
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www． txjszz． com
通信技术
2015 年
高 速 列 车 车 身 长 度 达 200 多 米，如 列 车 以 350 km / h速度完全通过一点耗时2 s。文献［10］据 此提出为中继基站在列车首部和尾部分别加装一部 天线，列车 可 以 执 行 切 换 流 程 的 时 间 相 应 增 加 了 2 s。当列车行驶在单基站覆盖区域时，中继基站会 选择信号质量较好的天线用于数据收发。当高速列 车驶入基站重叠覆盖区后，一旦满足切换条件，首部
3． 2 优化切换参数
切换准备阶段的参数如层 3 滤波系数 α、事件 A3 迟滞参数 Hys、切换触发时延 TTT，如果取值不合
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李泰，李烨：高速铁路场景移动通信系统切换研究综述
第5期
理则容易致使切换失败。层 3 滤波系数 α 如果设置
较大，则对信号平滑作用较强，但对信号变化的跟踪
的特定小区偏置，Off 时间 A3 偏置参数。移动台无
线资源控制层进行层 3 滤波后向服务基站上报测量
结果。层 3 滤波采用一阶滞后滤波法：
Fn = （1 － α） Fn － 1 + αMn
（3）
α = 1 /2k/4
（4）
其中，Fn 为层 3 滤波结果，α 为层 3 滤波系数，Fn － 1 为前一次层 3 滤波结果，Mn 最新测量结果，k 为基 站下发的测量滤波因子。
·566·
第 48 卷
李泰，李烨：高速铁路场景移动通信系统切换研究综述
第5期
率、降低切换延时、降低切换丢包率，而针对切换流 程中各个环节的优化。
1 越区切换
越区切换是移动通信系统中一项非常重要的技
术。当移动台在通话过程中从一个基站覆盖区移动
到另一个基站覆盖区，或者由于外界干扰而造成通
话质量下降时，必须改变原有的话音信道而转接到
（ 上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093）
摘 要：高铁的高速、全封闭特性给移动通信系统的越区切换性能带来了极大挑战，直接影响用户体 验。阐述了移动通信系统中越区切换的概念，并指出高速铁路场景下越区切换面临的问题。回顾了 国内外为解决这些问题所进行的相关研究及最新进展，包括网络架构优化和切换流程中测量、参数 设置、执行策略、数据传输环节的优化，并指出群切换机制是未来值得关注的研究方向。 关键词：高速铁路；移动通信；切换 中图分类号： 文献标志码：A 文章编号：1002 － 0802（2015）05 － 0566 － 07
0引言
截止 2014 年，我 国 高 速 铁 路 通 车 总 里 程 达 14620 公里，运行速度高达 350Km / h，是世界上高速 铁路运行里程最长、运行速度最高的国家。未来高 铁必将成为人们旅行的主要交通工具。
人们在享受高铁快捷性的同时，也希望在旅途 中可以拥有像家庭宽带一样快速、稳定的网络服务。 但传统的铁路移动通信系统 GSM － Ｒ 只能提供低 速的网络服务，为此，国际铁路联盟（ UIC） 已将 LTE － Ｒ 列为下一代铁路宽带移动通信系统［1 － 3］。传统