CN102724719A - 一种高速铁路移动通信系统中的切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速铁路移动通信系统中的切换方法，包括如下步骤：测量当前服务小区和相邻小区的接收信号强度RSRP和信道质量RSRQ值；计算相邻小区RSRP值与当前服务小区的RSRP的差值ΔRSRP，找出差值中的最大值；根据当前服务小区的RSRQ值以及ΔRSRP最大值，确定对应的切换迟滞门限值，进行切换触发判决，若满足切换触发条件，则为终端确定目标基站，并将终端的上下文信息随切换请求一起发送到目标基站，执行切换操作。本发明方法可以在较差的无线信号传输环境下提前切换以获得较好的服务质量，又可以在较好的无线信号传输环境下抑制不必要的切换，减少切换次数，提高了对信道质量的适应能力，在切换次数和通信服务质量之间寻找到更好的折衷。

Description

一种高速铁路移动通信系统中的切换方法

技术领域

本发明涉及高速铁路无线通信领域，特别涉及未来的LTE-R通信系统中的切换技术。

背景技术

目前，我国的铁路专用无线通信系统是基于GSM技术的GSM-R通信系统，还没有采用3G技术是因为3G目前还不是一个成熟的商用通信系统，且其技术规范中还没有考虑铁路方面的应用，因此达不到铁路要求的安全标准。而且在语音业务上3G技术与2G技术并没有本质区别，因此目前，国际铁路联盟（UIC）表示，未来GSM-R将直接过渡到“准4G”的LTE-R（Long Term Evolution for Railway）。与GSM-R相比，LTE-R具有支持更高的列车运行速度，更高的安全性、更高的数据传输速率和更丰富的多媒体服务。

LTE-R是基于长期演进技术（LTE）的一种高速铁路移动通信系统，LTE-R的接入网络结构是E-UTRAN，eNodeB（evolved-NodeB）是接入网中唯一的网络设备，除了有与信号收发有关的功能外，同时还有无线资源控制，无线移动管理和无线接口L2协议。LTE-R的核心网络是演进型分组核心（EPC），EPC是一个全IP的移动核心网。由于LTE-R的很多关键技术都是参考LTE/SAE，所以在下文中我们将LTE-R与LTE看作一致。

高速铁路移动通信系统中无线信号的切换尤其重要，切换的目的是让用户在蜂窝网络中能够享受无缝语音和多媒体接入服务。3GPP已对LTE的切换方案有了详细的说明，切换中的整个测量和处理过程如图1所示，其过程包括三部分：物理层测量、滤波和切换触发标准。首先UE每隔一段时间测量服务小区和相邻小区的RSRP和RSRQ值；然后对测量值进行滤波，UE每次进行的测量都是瞬时值，很容易受到外界环境（比如小尺度衰落）的影响，因此UE的测量值要进行L1和L3滤波；最后进行判断和切换，LTE协议中定义了切换测量报告触发机制，如果测量结果满足某切换测量报告触发判决式时，则触发该事件。比如，RSRP_{terget_cell}-RSRP_{source_cell}＞h为某事件的触发判决式，当测量参数满足该式达到一个触发时间TTT时，则触发该事件。其中h是切换滞后容限，RSRP_{source_cell}是源基站的接收信号电平，RSRP_{terget_cell}是目标基站的接收信号电平。h和TTT的引入是为了减少不必要的切换，此处不必要的切换主要是指乒乓切换。

在LTE中，eNodeB之间不存在宏分集，因此，LTE不支持软切换，LTE中的切换方式为硬切换，即移动台先中止与当前服务基站的通信后再与目标基站进行通信。为了实现切换的最优化，现在不同的硬切换算法的研究已经开展。绝大多数的研究考虑到是测量间隔、测量平均,迟滞和切换门限水平中的个别或者结合的方式，然而这种固定系统参数的切换算法不能很好地适应外界环境的变化，有可能在信道环境发生改变时引起频繁切换或切换失败等通信故障。例如，当无线信道传输环境较差时，即环境中的噪声和干扰较大，可能因为切换判决条件设置过高导致终端无法及时切换，引起通信失败事故；而当无线信道传输环境较好时，则又可能因为切换判决条件设置过低引起不必要的切换，导致切换次数增加。另外，虽然移动性预测和跨曾最优化的切换方法可以很好地提高切换性能，但由于性价比的原因并没有被LTE系统所接纳。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高速铁路移动通信系统中的切换方法，以适应铁路环境下无线信道质量复杂多变的特性，解决固定参数的切换算法不能适应外界无线信号传输环境（主要是环境中的噪声和干扰）变化而导致的频繁切换或通信失败事故的问题，通过低代价易于实现的自适应切换方法在切换次数和通信服务质量之间寻找到更好的折衷。

一种高速铁路移动通信系统中的切换方法，所述高速铁路移动通信系统包括终端，基站，所述切换方法包括步骤：

步骤1、测量当前服务小区和相邻小区的接收信号强度RSRP和信道质量RSRQ值；

步骤2、计算相邻小区RSRP值与当前服务小区的RSRP的差值△RSRP，找出差值中的最大值；

步骤3、根据当前服务小区的RSRQ值以及△RSRP最大值，确定对应的切换迟滞门限值，进行切换触发判决，若满足切换触发条件，则进入下一步骤，否则转入步骤1；

步骤4、为终端确定目标基站，并将终端的上下文信息随切换请求一起发送到目标基站，执行切换操作。

本发明的一种方式，所述确定对应的切换迟滞门限值，进行切换触发判决在终端中进行，则所述步骤3与步骤4之间还包括步骤：

若满足切换触发条件，终端向基站上报测量报告，所述测量报告包括与所述△RSRP最大值对应的相邻小区基站编号CID。

本方式中，终端不需要频繁的将计算得到的当前服务小区与邻小区的RSRP最大差值以及当前服务小区的RSRQ值上报给基站，降低了对信令的负担。

本发明的另一种方式，所述确定对应的切换迟滞门限值，进行切换触发判决在基站中进行，则所述步骤2与步骤3之间包括步骤：

终端将当前服务小区的RSRQ值以及计算所得的△RSRP值中的最大值上报给基站。

本方式中h值与RSRQ值的关系是预置在基站中的，可以根据每个基站所处小区的不同环境和实际情况对每个基站进行不同的配置，这样h值与RSRQ值的关系就不再是一成不变的，可以根据每个基站所处环境的不用和基站本身的硬件设施更加灵活地配置h值与RSRQ值的关系，提高了对不同环境的适应能力。

进一步地，所述切换触发条件为：相邻小区RSRP值与当前服务小区的RSRP的差值△RSRP中的最大值大于切换迟滞门限值。

进一步地，在触发时间内，相邻小区RSRP值与当前服务小区的RSRP的差值△RSRP中的最大值均大于切换迟滞门限值。这样做可以防止因为环境的突变和扰动引起的不必要切换，有效抑制乒乓切换效应。

所述切换迟滞门限值按照下述公式计算：

$h\left(i\right)=\max \{a{\left[\min (\frac{\mathrm{RSRQ}\left(i\right)-\mathrm{\β}}{c}+\mathrm{1,1})\right]}^n,b\},$

其中h(i)为i时刻切换迟滞门限值，RSRQ(i)指i时刻来自当前服务小区的RSRQ值，a和b为h值的上限和下限，β为h达到上限a时RSRQ的值，当RSRQ小于β值时h开始减小，c和n为调整h值随RSRQ减小而减小的速度和轨迹参数。

所述切换迟滞门限值还可以按照下述公式计算：

$h\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}b,& \mathrm{RSRQ}\left(i\right)<\mathrm{\&alpha;}\\ b+(a-b){\left(\frac{\mathrm{RSRQ}\left(i\right)}{\mathrm{\&beta;}-\mathrm{\&alpha;}}\right)}^n,& \mathrm{\&alpha;}<\mathrm{RSRQ}\left(i\right)<\mathrm{\&beta;}\\ a,& \mathrm{RSRQ}\left(i\right)>\mathrm{\&beta;}\end{array}\right.,$

其中h(i)为i时刻切换迟滞门限值，RSRQ(i)指i时刻来自服务基站的RSRQ值，a和b为h值的上限和下限，α为h达到下限b时RSRQ的值，β为h达到上限a时RSRQ的值。

所述切换迟滞门限值还可以通过查表法获得，事先制作RSRQ落入不同区间时对应的h值的表格存储在系统中。

本发明所述自适应切换方案既可以在较差的无线信号传输环境下提前切换以获得较好的服务质量，又可以在较好的无线信号传输环境下抑制不必要的切换，减少切换次数，提高了对信道质量的适应能力，在切换次数和通信服务质量之间寻找到更好的折衷。

附图说明

图1是高速铁路移动通信系统中的切换方法流程图；

图2是本发明中切换迟滞h值与当前服务小区RSRQ值的函数关系曲线示意图；

图3是根据本发明实施例一的高速铁路移动通信系统中的切换方法流程图；

图4是根据本发明实施例二的高速铁路移动通信系统中的切换方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本发明的限定。

本发明一种LTE-R铁路通信系统中的切换方法的基本流程如图1所示，包括如下步骤：

步骤101、测量当前服务小区和相邻小区的RSRP和RSRQ值，其中RSRP为接收信号的强度，RSRQ为信道的信干噪比，即信道质量。

步骤102、计算相邻小区RSRP值与当前服务小区的RSRP的差值△RSRP，找出差值中的最大值。

步骤103、根据当前服务小区的RSRQ值以及△RSRP最大值，确定对应的切换迟滞门限值，进行切换触发判决，若满足切换触发条件，则进入下面步骤，否则转入步骤101。

步骤104、根据RRM算法为终端确定目标基站，并将终端的上下文（UE Context）信息随切换请求一起发送到目标基站。

需要说明的是，在步骤104后，接下来的步骤和LTE系统中标准的切换流程一致，这里不再赘述。不管最终是切换还是不切换，都转入步骤101为下一次切换做准备。

优选地，根据△RSRP和RSRQ的上报频率与触发时间TTT的关系，当终端多次上报的△RSRP和RSRQ均满足△RSRP>h的时候，才满足切换触发判决条件，基站与终端实行切换操作。

例如，如果终端上报最大差值△RSRP和当前服务基站的RSRQ的时间间隔为50，触发时间TTT的大小为200。则只有当终端连续4次上报给基站的最大差值△RSRP和当前服务基站的RSRQ值均满足关系式△RSRP>h时，切换触发判决条件才被满足，基站与终端才开始根据RRM算法实行切换操作。这样做可以防止因为环境的突变和扰动引起的不必要切换，有效抑制乒乓切换效应。

本发明步骤103中根据当前服务小区的RSRQ值以及△RSRP最大值，确定对应的切换迟滞门限值，进行切换触发判决，具体判决公式如下：

RSRP_{terget_cell}-RSRP_{source_cell}＞h

其中h即为切换迟滞门限值，切换迟滞值h与RSRQ值的变化关系如图2所示，当环境中干扰较小，信道质量比较好时，此时RSRQ值较大，h值保持在一个合理的定值上，设该值为a；随着环境中干扰和噪声增大，信道质量下降，RSRQ值逐渐减小；当RSRQ值的大小在某一界限之上时都可以认为信道质量较好，不必改变h值的大小，这一界限可以设为β，当环境中干扰和噪声进一步加大，RSRQ值减小到β值以下时，h随着RSRQ的减小而减小。由于h值过小又会导致乒乓切换的出现，所以当h值减小到某一下限值时，应保持不变，设该下限值为b。

本发明提供了三种用RSRQ值计算h值的方法：

方法一：

$h\left(i\right)=\max \{a{\left[\min (\frac{\mathrm{RSRQ}\left(i\right)-\mathrm{\&beta;}}{c}+\mathrm{1,1})\right]}^n,b\}$

其中h(i)为i时刻切换迟滞门限值，RSRQ(i)指i时刻来自当前服务小区的RSRQ值，a和b为h值的上限和下限，β为h达到上限a时RSRQ的值，当RSRQ小于β值时h开始减小，c和n为调整h值随RSRQ减小而减小的速度和轨迹参数。

方法二：

$h\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}b,& \mathrm{RSRQ}\left(i\right)<\mathrm{\&alpha;}\\ b+(a-b){\left(\frac{\mathrm{RSRQ}\left(i\right)}{\mathrm{\&beta;}-\mathrm{\&alpha;}}\right)}^n,& \mathrm{\&alpha;}<\mathrm{RSRQ}\left(i\right)<\mathrm{\&beta;}\\ a,& \mathrm{RSRQ}\left(i\right)>\mathrm{\&beta;}\end{array}\right.$

其中h(i)为i时刻切换迟滞门限值，RSRQ(i)指i时刻来自服务基站的RSRQ值，a和b为h值的上限和下限，α为h达到下限b时RSRQ的值，β为h达到上限a时RSRQ的值。

方法三：查表法。

事先制作RSRQ落入不同区间时对应的h值的表格，在使用时直接进行查表工作。

需要说明的是，本发明中h值的计算和切换触发判决操作可以在终端执行，也可以在基站端执行。将在终端执行的情况称作瘦基站，将在基站端执行的情况称作瘦终端。

以下通过具体实施例分别描述对h值的计算和切换触发判决两项操作在终端执行和在基站端执行的两种不同方案。

实施例一，如图3所示，是瘦终端自适应切换算法的流程图（h值的计算和切换触发判决在基站端进行），包括以下步骤：

步骤301，终端根据从当前服务小区接收到的所需要测量的相邻小区列表的个数n和各相邻小区基站的CID对每个小区进行测量，并进行滤波，测得各个相邻小区的RSRP值，并保存这些值，将各邻小区的RSRP值分别记为RSRP1，RSRP2，…，RSRPn；终端测量当前服务小区的RSRP和RSRQ值，并保存该值，可以将当前服务小区的RSRP和RSRQ值记为RSRP0和RSRQ0。

步骤302：分别计算RSRP1-RSRP0,RSRP2-RSRP0,…,RSRPn-RSRP0,并分别记为△RSRP1，△RSRP2，…△RSRPn，并找出最大的差值。

步骤303，终端将当前服务小区的RSRQ值以及计算所得的RSRP差值中的最大值上报给基站，基站根据所上报的RSRQ值确定对应的切换触发判决所需的切换迟滞门限h值，并进行切换触发判决，若满足切换触发条件，则进行下一步骤，否则转入步骤301。

例如，在步骤302计算得到的△RSRP1，△RSRP2，…△RSRPn中，选出一个最大值max｛△RSRP1，△RSRP2，…△RSRPn｝，将最大值记为△RSRP，则将该值以及对应的相邻小区的CID上报给基站，再将当前服务小区的RSRQ值上报给基站。

基站根据当前服务小区的RSRQ值可以基本确定用户所处环境的信道质量，RSRQ值越高则表明噪声干扰越小，信道质量越好，可以使用较大的h；反之，则表明环境中的噪声干扰较大，信道质量较差，应该使用较小的h以鼓励用户进行切换。h值具体的获得方法可以按照上文中提到的参考计算公式计算得到或者通过基站中预置的h与RSRQ的关系表查表得到。无论采用何种方法，h值与RSRQ值的大小都要满足图2所示的h与RSRQ的关系曲线。

当终端上报的最大差值△RSRP>h，根据△RSRP和RSRQ的上报频率与触发时间TTT的关系，当终端多次上报的△RSRP和RSRQ均满足△RSRP>h的时候，才满足切换触发判决条件，进入下一步骤。如果不满足△RSRP>h则基站和终端不操作，继续转到步骤301，周而复始。

步骤304、基站根据RRM算法为终端确定目标基站，并将终端的上下文（UE Context）信息随切换请求一起发送到目标基站，接下来的步骤和LTE系统中标准的切换流程一致，基站与终端实行切换操作。

例如，如果终端上报最大差值△RSRP和当前服务基站的RSRQ的时间间隔为50，触发时间TTT的大小为200。则只有当终端连续4次上报给基站的最大差值△RSRP和当前服务基站的RSRQ值均满足关系式△RSRP>h时，切换触发判决条件才被满足，基站与终端才开始根据RRM算法实行切换操作。这样做可以防止因为环境的突变和扰动引起的不必要切换，有效抑制乒乓切换效应。

由于终端在接入服务小区后，会不断地测量当前服务小区和相邻小区的RSRP和RSRQ值，在本实施例中终端直接利用这些测量消息来进行相关计算，并将计算上报给基站，从而完成切换的触发判决环节，实现了LTE-R系统的自适应切换算法。所以说，在本实施例中所需的所有测量参数都是现有的，终端只需要终端进行正常测量就可以获得，不需要额外的开销；另外，h值的计算方法也比较简单，只需要很小的额外成本即可实现，可以以很低的代价实现切换性能的提升。

显然，利用上述方法，UE会不断地测量当前服务小区基站和邻小区基站的RSRP和RSRQ值，并不断地执行步骤301和步骤302，将最新的计算所得参数上报给当前服务小区基站。基站根据终端上报的最新的RSRQ值可以判断终端在当前服务小区中所使用的信道的信噪比和干扰情况，即所谓的信道质量，并计算出与当前环境信道质量相适应的切换迟滞h值，根据基站上报的最大差值△RSRP和h值来判断是否该进行切换。这样既可以在较差的无线信道传输环境下提前切换以获得较好的服务质量，又可以在较好的无线信道传输环境下抑制不必要的切换，减少切换次数，在切换次数和通信服务质量之间寻找到更好的折衷。

实施例二，如图4所示，是瘦基站自适应切换算法的流程图（h值的计算和切换触发判决在终端进行），包括以下步骤：

步骤401，终端根据从当前服务小区接收到的所需要测量的相邻小区列表的个数n和各相邻小区基站的CID对每个小区进行测量，并进行滤波，得到各个相邻小区的RSRP值（记为RSRP1，RSRP2，…，RSRPn）以及当前服务小区的RSRP和RSRQ值（记为RSRP0和RSRQ0）。

步骤402，终端分别计算RSRP1-RSRP0，RSRP2-RSRP0，…，RSRPn-RSRP0，分别记为△RSRP1，△RSRP2，…△RSRPn，并找出其中的最大值，将最大值记为△RSRP，终端将与该最大值对应的相邻小区CID保存下来以备后来的RRM算法和切换操作调用。

步骤403，终端利用当前服务小区的RSRQ值以及内部预置的h值计算方法确定切换判决所需的切换迟滞h值，此处h值可以用公式计算得到，也可以通过查表法获得，h值与RSRQ的关系应该满足图2所示的h值与RSRQ值的关系曲线。

优选地，考虑到终端模块的复杂程度和体积限制，终端计算h值的方法宜选用公式法，这样可以精简终端计算模块，降低终端计算成本，以达到控制终端的体积与成本的目的。终端根据RSRP的最大差值和上个步骤得到的h值进行切换触发判决。

步骤404、若满足切换触发条件，终端上报测量报告，测量报告包括与△RSRP最大值对应的相邻小区基站编号CID，基站根据终端上传的测量报告和RRM算法为终端确定目标基站，并将终端的上下文（UE Context）信息随切换请求一起发送到目标基站，接下来的步骤和LTE系统中标准的切换流程一致，进行切换。

例如，终端连续m（m为触发时间TTT除以终端计算△RSRP和h的时间间隔）次计算得到的最大差值△RSRP和切换迟滞值h均满足△RSRP>h，终端上报测量报告，基站根据终端上传的测量报告和RRM算法为终端确定目标基站，并将终端的上下文（UE Context）信息随切换请求一起发送到目标基站，接下来的步骤和LTE系统中标准的切换流程一致。如果最大差值△RSRP和切换迟滞h值不满足切换触发判决条件，则终端重新回到步骤401开始执行。

与实施例一的方案相比，该方案中h值计算和切换触发判决操作都是在终端（UE端）进行的，终端不需要频繁的将计算得到的当前服务小区与邻小区的RSRP最大差值以及当前服务小区的RSRQ值上报给基站，降低了对信令的负担，但该方案对终端的计算能力和复杂性提出了更高的要求。另一方面，实施例一所述的方案中，h值与RSRQ值的关系是预置在基站中的，可以根据每个基站所处小区的不同环境和实际情况对每个基站进行不同的配置，这样h值与RSRQ值的关系就不再是一成不变的，可以根据每个基站所处环境的不用和基站本身的硬件设施更加灵活地配置h值与RSRQ值的关系，提高了对不同环境的适应能力。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种高速铁路移动通信系统中的切换方法，所述高速铁路移动通信系统包括终端，基站，其特征在于，所述切换方法包括步骤：

步骤1、测量当前服务小区和相邻小区的接收信号强度RSRP和信道质量RSRQ值；

步骤2、计算相邻小区RSRP值与当前服务小区的RSRP的差值△RSRP，找出差值中的最大值；

步骤3、根据当前服务小区的RSRQ值以及△RSRP最大值，确定对应的切换迟滞门限值，进行切换触发判决，若满足切换触发条件，则进入下一步骤，否则转入步骤1；

步骤4、为终端确定目标基站，并将终端的上下文信息随切换请求一起发送到目标基站，执行切换操作。

2.如权利要求1所述的高速铁路移动通信系统中的切换方法，其特征在于，所述确定对应的切换迟滞门限值，进行切换触发判决在终端中进行，则所述步骤3与步骤4之间还包括步骤：

若满足切换触发条件，终端向基站上报测量报告，所述测量报告包括与所述△RSRP最大值对应的相邻小区基站编号CID。

3.如权利要求1所述的高速铁路移动通信系统中的切换方法，其特征在于，所述确定对应的切换迟滞门限值，进行切换触发判决在基站中进行，则所述步骤2与步骤3之间包括步骤：

终端将当前服务小区的RSRQ值以及计算所得的△RSRP值中的最大值上报给基站。

4.如权利要求1所述的高速铁路移动通信系统中的切换方法，其特征在于，所述切换触发条件为：相邻小区RSRP值与当前服务小区的RSRP的差值△RSRP中的最大值大于切换迟滞门限值。

5.如权利要求4所述的高速铁路移动通信系统中的切换方法，其特征在于，所述切换触发条件还包括：在触发时间内，相邻小区RSRP值与当前服务小区的RSRP的差值△RSRP中的最大值均大于切换迟滞门限值。

6.如权利要求1-5任一权利要求所述的高速铁路移动通信系统中的切换方法，其特征在于，所述切换迟滞门限值按照下述公式计算：

$h\left(i\right)=\max \{a{\left[\min (\frac{\mathrm{RSRQ}\left(i\right)-\mathrm{\&beta;}}{c}+\mathrm{1,1})\right]}^n,b\},$

其中h(i)为i时刻切换迟滞门限值，RSRQ(i)指i时刻来自当前服务小区的RSRQ值，a和b为h值的上限和下限，β为h达到上限a时RSRQ的值，当RSRQ小于β值时h开始减小，c和n为调整h值随RSRQ减小而减小的速度和轨迹参数。

7.如权利要求1-5任一权利要求所述的高速铁路移动通信系统中的切换方法，其特征在于，所述切换迟滞门限值按照下述公式计算：

$h\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}b,& \mathrm{RSRQ}\left(i\right)<\mathrm{\&alpha;}\\ b+(a-b){\left(\frac{\mathrm{RSRQ}\left(i\right)-\mathrm{\&alpha;}}{\mathrm{\&beta;}-\mathrm{\&alpha;}}\right)}^n,& \mathrm{\&alpha;}<\mathrm{RSRQ}\left(i\right)<\mathrm{\&beta;}\\ a,& \mathrm{RSRQ}\left(i\right)>\mathrm{\&beta;}\end{array}\right.,$

其中h(i)为i时刻切换迟滞门限值，RSRQ(i)指i时刻来自服务基站的RSRQ值，a和b为h值的上限和下限，α为h达到下限b时RSRQ的值，β为h达到上限a时RSRQ的值。

8.如权利要求1-5任一权利要求所述的高速铁路移动通信系统中的切换方法，其特征在于，所述切换迟滞门限值通过查表法获得，事先制作RSRQ落入不同区间时对应的h值的表格存储在系统中。

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