周建美，杨文慧，宋静川

（北京交通大学宽带无线移动通信研究所 北京100044）

1 引言

近年来，时速超过300 km/h的高速铁路客运专线得到了极大发展，成为人们出行的主要交通方式。在数小时的旅途中，以旅客为主体的移动通信业务需要在车地之间进行实时传送，从而为旅客提供多方位的综合信息服务。这些业务不仅包括传统的时延小、掉话率低的话音业务和分组丢失率低的数据业务，还包括对时延和分组丢失率有严格要求的实时多媒体业务，因此高铁乘客对移动通信网络的服务性能有着较高的要求。

在下一代移动通信LTE（long term evolution，长期演进）系统中，为了提供高速率数据，系统往往部署在较高频段（2 GHz以上），因此每个小区的覆盖半径相对较小，切换重叠区也较小。此外，由于列车高速运行，列车在小区重叠区域内的驻留时间很短，对越区切换的执行时间提出了严格的限制。

为了确保各种业务的通信质量，切换执行时间和切换中断时间应该最小化。参考文献[1]提出了一种基于位置的GSM-R（GSM for railway，铁路专用移动通信系统）越区切换方案，在切换条件满足之前执行目标小区信道的激活过程，从而有效缩短GSM-R的切换执行时间。参考文献[2]提出采用数据双播的方式降低切换中断时间。参考文献[3]认为，由于切换的不确定性，数据应该一直双播，这显然造成了开销的成倍增长。参考文献[4]提出了一种基于速度的双播方案，该方案在不同的移动速度下设置不同的SINR门限，一旦某小区信号的SINR值高于该门限，则将该小区加入目标小区并启动双播过程。参考文献[5]将双播请求过程放在切换执行过程中，但这样不能保证目标小区在终端接入前及时收到双播数据。总的来说，将数据双播机制应用到越区切换中虽然可以有效减小切换的中断时间，但由于数据的重复传输，给网络带来了额外的资源开销。

为了减少数据双播带来的额外开销，缩短双播时间尤为重要。本文的研究目标是如何通过缩短双播时间降低双播造成的网络开销。本文提出的LTE越区切换方案利用列车移动轨迹的固定性和列车运行的规律性，采用基于位置的双播机制，通过设置越区切换参考点，在列车到达切换参考点前的某一时刻启动双播初始化过程。与现有的双播方案相比，本文提出的方案在降低切换数据时延的基础上，使双播时间最小化，从而降低了网络的负荷和开销。

2 系统模型

高速铁路无线通信网通常采用覆盖铁路线的链状网结构。此外，为了给列车乘客提供更可靠的宽带无线通信业务，高速铁路宽带无线通信系统普遍采用双层架构[5,6]，如图1所示。每列列车中安装TRN（train relay node，移动中继节点），中继天线置于列车顶部，负责列车与地面间的通信联络，每个车厢内部部署无线AP（access point，接入点），列车内的所有UE（user equipment，用户终端）与AP进行通信，TRN汇聚所有AP的数据并转发到地面或把地面发来的数据转发给相应的AP。采用双层架构不仅可以解决高铁列车车厢穿透损耗大的问题，而且可以减少大量UE同时切换带来的切换信令开销；此外，还可以在不提高UE复杂度的基础上，通过在TRN上应用抗多普勒频移技术，为用户提供高质量的接收信号。

TRN和eNode B（evolved Node B）之间的越区切换是高铁宽带无线通信研究的重点。本文提出的切换方案正是要解决高速移动的TRN在铁路沿线相邻eNode B之间的切换问题。

3 基于位置的双播切换方案

LTE标准中采用的是UE辅助的硬切换，源eNode B通过UE的测量报告决定是否进行切换。为了避免乒乓切换，测量结果需满足特定条件才能触发切换流程，如A3事件触发标准的测量结果需同时满足切换HOM（hysteresis of margin，迟滞余量）和TTT（time to trigger，触发时间）两个参数的要求。

与普通移动终端相比，高速铁路用户终端的移动线路、速度和方向等信息都极具规律性，可以通过一定的方式获得。例如，参考文献[1]中提出了一种通过GPS获得列车位置和速度信息的方法。参考文献[7]提出通过接收信号过零率计算列车速度的方法。知晓列车速度和位置信息，是本文方案应用的前提之一。此外，本文方案的实施还需要两个前提条件：一是对TRN切换执行时刻所在的位置进行大量的测量统计，获得一个切换参考点，并且周期性更新；二是根据网络负载情况和设备处理能力，估计出双播时间门限TBTT，切换执行时刻是理想的双播开始时间。考虑到双播初始化过程的时间开销，网络应该在切换开始时刻前的TBTT时刻触发双播初始化过程。

设源eNode B处理测量报告的时间为T1，源eNode B发送双播请求消息到建立从SGW（service gateway，服务网关）到目标eNode B的用户通道的时间为T2，SGW将双播数据发送到目标eNode B的时间为T3，则双播时间门限TBTT表示为：

其中，δ是为了保证TRN在接入目标eNode B后能立即收到双播数据分组而设置的时间冗余度。

设TRN速度为V m/s，位置坐标为(X,Y)m，切换参考点的位置为(Xr,Yr)m。则当时，启动双播初始化过程。图2给出了本文所提方案的信令流程，其详细过程描述如下。

（1）测量过程，步骤①～步骤②

源eNode B配置TRN的测量过程，包括测量参数和测量项等。TRN根据配置信息周期性上报测量报告，该报告包含RSRP等进行切换判决所需的必要信息、TRN的速度和位置信息，由于列车运行线路的固定性，因此可以确定目标eNode B。

（2）双播初始化，步骤③～步骤⑥

接收到测量报告后，源eNode B判断是否满足双播条件。如果满足，则向MME（mobility management entity，移动性管理实体）发送双播请求消息；否则，继续接收测量报告。

当MME接收到双播请求消息后，命令SGW建立到目标eNode B的数据通道，并将发往源eNode B的下行数据同时发送给目标eNode B。目标eNode B将接收到的数据分组缓存，等待TRN的接入。

（3）接收双播数据，步骤⑦～步骤⑫

系统根据测量报告启动正常切换流程，此过程中，源eNode B和目标eNode B从SGW接收相同的下行数据。当TRN脱离源eNode B后，源eNode B不用将下行数据转发给目标eNode B。一旦TRN接入目标eNode B，就可以接收缓存在目标eNode B中的双播数据分组。

（4）双播结束，步骤⑬～步骤⑮

当目标eNode B收到TRN的切换确认消息后，向MME发送一个结束双播请求消息，MME收到该消息后，命令SGW释放到源eNode B的数据通道，双播过程结束。

在LTE中，与越区切换相关的网络设备为MME和SGW，MME负责处理非接入层信令，包括移动性管理、空中接口安全控制、认证、SGW的选择等，SGW负责越区切换过程中的本地移动性支持、下行数据缓冲、分组的路由和转发等。在上述方案中，由于引入了切换参考点和双播机制，需要对MME和SGW做如下修改：

·MME需要为MRN同时维护两组不同的连接上下文信息；

·SGW的路由表中需要为数据保留到源eNode B和目标eNode B的两条转发路径。

此外，在eNode B中，也需要增加一个数据库，用于存储相邻eNode B的识别码、每次测量的结果及切换参考点的坐标等信息，而UE则可以不做任何改变。

4 仿真分析

本节对所提的越区切换方案进行仿真分析。考虑到高速铁路环境的复杂多样性，本文采用一种典型的郊区高速移动场景[8]。仿真参数见表1。根据参考文献[9]中对切换中断时间的分析方法，将本文越区切换方案和传统LTE切换方案进行比较。在不同速度下，从双播持续时间的角度将本文提出的基于位置的双播机制和参考文献[4]中的方案进行了比较。仿真结果验证了本文基于位置的双播机制在降低网络开销方面的优越性。

图3给出了本文提出的越区切换方案和传统LTE越区切换方案的中断时间对比。与传统的切换方案相比，本文提出的切换方案消除了数据前向转发时延，中断时间只由TRN接入目标eNode B的信令传输时间造成，降低了28%左右。

表1 仿真参数

图4给出了速度为20～140 m/s时3种双播方案在双播持续时间方面的对比。这3种方案分别是：本文提出的基于位置的双播方案、参考文献[4]中SINR固定的双播方案以及SINR基于速度的双播方案。本仿真中，双播持续时间是指从满足各算法的双播开始条件时起至SGW释放到源eNode B的用户通道为止的一段时间。假设双播准备时间为300 ms，从切换执行开始到双播结束时间为300 ms。从图4可以看出，各方案均能在切换开始前收到双播数据。但是，基于位置的双播方案在各种速度下都能有效降低双播持续时间，尤其是速度为20～100 m/s时，下降幅度更明显。这对降低双播引起的网络开销十分有利。

5 结束语

根据高速铁路列车运行的特点，将位置信息和双播技术相结合，提出了一种基于位置的双播机制，并应用到高速铁路移动性管理上，提出一种新型的越区切换方案。仿真结果表明，该切换方案消除了传统越区切换方案中的数据转发时延，降低了切换中断时间，更重要的是，可以精确估计双播开始时间，保证在数据分组不丢失的同时，最小化双播过程持续时间，从而有效降低了因双播造成的网络开销。

1 Wu H,Gu Y,Zhong Z.Research on the fast algorithm for GSM-R switching for high-speed railway.Journal of Railway Engineering Society,2009(1):92～98

2 Izumikawa H,Lillie R.SIP-based bicasting for seamless handover between heterogeneous networks.Draft-Izumikawa-Sipping-Sipbicast-0l,2008

3 Qualcomm Europe.Cell Switching in LTE_Active State(R2-061196).3GPP-RAN WG2 Meeting #53,May 2006

4 Dongwook Kim,Mrinalini Sawhney,Namgi Kim.A velocitybased bicasting handover scheme for 4G mobile systems.Proceedings of Wireless Communications and Mobile Computing Conference,2008:147～152

5 Lin Tain.A novel handover scheme for seamless wireless connectivity in high-speed rail.Proceedings of Wireless and Mobile Computing,Networking and Communications(WiMob),IEEE 7th International Conference,2011:230～236

6 Zhou Yiqing,Pan Zhengang,Hu Jinlong,et al.Broadband wireless communications on high speed trains.Proceedings of Wireless and Optical Communications Conference,20th Annual,2011:1～6

7 Azemi G,Senadji B,Boashash B.Mobile unit velocity estimation in micro-cellular systems using the ZCR of the instantaneous frequency of the received signal.Proceedings of Seventh International Symposium on Signal Processing and Its Applicaations,Paris,France,2003:289～292

8 Amir Farajidana,Wanshi Chen.3GPP LTE downlink system performance.Global Telecommunications Conference,2009:1～6

9 Deepti Singhal,Mythili Kunapareddy.LTE-advanced:handover interruption time analysis for IMT-A evaluation.Proceedings of International Conference on Signal Processing,Communication,Computing and Networking Technologies,2011

10 3GPP TS36.300.E-UTRA and E-UTRAN:Overall Description;Stage 2(Release 10)V10.5.0,2011

11 Stefania Sesia,Issam Toufik,Matthew Baker.LTE-the UMTS Long Term Evolution:from Theory to Practice.John Wiley &Sons,2009