CN103167569A - 一种基于接力切换的td-lte通信系统的快速切换方法 - Google Patents

Abstract

针对高速铁路TD-LTE通信系统的小区切换频繁的现象，以及切换时间短、切换成功率高的要求，提出了一种基于接力切换的TD-LTE快速切换的方法。方法的核心思想是为列车的车头车载中继和车尾车载中继各增加一个备份车载中继，主、备份车载中继都与列车中的用户连接，没有进入切换带时，用户通过主车载中继通信，当源基站eNodeB根据用户终端UE的测量报告判决出需要切换时，主车载中继进行切换，同时启动备份车载中继来传输数据流，列车运行出切换带以后恢复原先数据链路。此方法减少了切换时延，尤其是降低了LTE系统硬切换所造成的因无线链路失败所导致的掉话现象。该方法解决了在高速移动环境下的快速切换问题，降低通信掉话次数，提高切换成功率，增强高速宽带移动业务的服务质量，推动高速铁路列车内多媒体宽带移动互联服务的开展，满足旅客日益增长的移动通信服务的需求。

Description

一种基于接力切换的TD-LTE通信系统的快速切换方法

技术领域：

本发明属于无线移动通信领域，在高速铁路环境的特定场景下，研究时分双工长期演进技术（Time-Division Duplex Long Term Evolution，TDD-LTE或TD-LTE）通信系统的列车内移动设备的切换方法，以解决终端高速移动时小区切换频繁所造成的切换失败率高的问题。

背景技术：

高速铁路已成为我国交通运输体系的一个重要组成部分，高铁建设与运营的快速发展以及列车中多媒体业务需求的急剧增长对通信技术的发展提出了更高的要求，由于高速列车运行速度快且无线信号穿透列车车体的损耗大，不仅无线信号衰减严重，同时多普勒效应明显且越区切换频繁，导致车载用户在使用过程中出现频繁的掉话、无法接通和语音断续等现象。因此如何在终端高速移动的情况下提供良好的通信网络服务质量成为广泛关注的焦点。

传统的铁路专用全球无线通信系统GSM-R（Global System for MobileCommunications-Railway）有一定的局限性。在业务方面，只提供文本、语音以及列车控制信息，无法满足web浏览、视频传输等大数据量、高传输速率的多媒体业务；在切换控制方面，采用双层架构、双天线模型的切换机制来解决车体内大量用户的切换问题，但是不能克服列车高速移动时由于切换时间短、切换频繁所造成的大量掉话现象。LTE系统理论上可以提供高达100Mbps的下行数据速率，并能支持语音和多媒体等多种业务，是未来通信发展的方向，也必然是铁路通信系统的基础，然而，高铁中应用LTE系统也面临巨大的挑战，最大的挑战来自于终端高速移动情况下越区切换性能的提高。

提高越区切换性能可以从以下3个方面考虑：

(1)网络规划方面，通过采用合理的无线覆盖方案，减少列车整个运行过程越区切换总次数，保证切换带的长度并合理设置切换区域。

(2)网络优化方面，通过调整参数设置和改善无线覆盖环境，减少乒乓切换现象发生，降低切换掉话率，保障切换顺利完成。

(3)在越区切换算法的选择上，选择高效、快速越区切换算法。

通常，LTE系统中的切换过程划分为以下三个步骤：

1.切换测量(包括测量滤波、算法触发测量报告)；

2.切换判决(切换算法)；

3.切换执行；

切换测量由用户终端（User Equipment,UE）和LTE基站，称为演进型节点B（Evolved Node B，eNodeB）完成，切换判决在基站eNodeB中进行，切换执行在用户终端UE、基站eNodeB和移动管理实体（Mobility Management entity,MME）共同协作下完成。对于高速铁路TD-LTE组网部署，目前采用的是同频组网方案，即相邻小区采用的中心频点是相同的。LTE系统同频切换判决事件准则采用A3事件，即当测量的邻小区质量高于服务小区质量，且差值超过一定门限，此状态持续一段触发时间(Trigger to Time,TTT)后，用户终端UE向网络侧上报A3事件报告，网络侧收到该报告后，进行切换判决，判决成功后对邻小区执行切换命令，由于同一时刻可能有多个邻小区同时满足A3事件报告，因此，A3报告中可同时包含多个小区质量符合切换条件的邻区。目前对于宏蜂窝组网采用此判决准则可以完全满足系统的需求。

当列车时速达到350公里/小时，10公里的基站间距，基站间切换的时间间隔降低至100秒，导致了小区的频繁穿越。由于移动速度提高势必抬升接收机接收门限。为保证可靠传输和一定的传输效率，一般情况下都需要通过缩小基站间距、提高覆盖场强来予以解决。但这不是唯一的方法，如能有效抑制高速下接收门限的抬升程度，尽量保持住6～10公里的现有基站间距，通过布设射频拉远单元（Radio Remote Unit,RRU）将最大程度有效利用现有资源，减少大量工程投入，并利于维护。但对基站的资源管理，切换时间和质量提出更高的要求。

由于高速铁路信道环境和组网方式的特殊性，上述的A3切换判决准则已经无法适应高速铁路环境，由于列车高速行驶，切换时间较短；另外，复杂的地形和高速铁路周边电气设备等因素对信道环境也会造成较大的影响，采用A3切换判决准则会造成切换的频繁失败，切换成功率降低，通信质量下降，客户体验较差，因此必须考虑采用适应高速铁路环境的判决准则。

发明内容：

本发明的内容在于支持高速铁路TD-LTE通信系统的快速切换的要求，提出一种接力切换的判决算法解决相邻小区间切换的方法。

如下是对本发明中算法的说明：

根据列车运行位置、速度和方向，在网络规划完成后，预先生成一份邻小区列表，预先设定好每个切换带切换位置，源基站eNodeB根据用户终端UE的测量报告进行切换。

1.实施基于接力切换的TD-LTE快速切换算法的前提条件

1)列车车头车尾各安装一个车载中继。车载中继负责列车内部所有移动用户的通话。

2)车载中继为成对出现，车内用户同时向两个中继发送上行链路信号，同一时刻只有一个中继转发下行链路数据。

2.接力切换TD-LTE快速切换算法的基本概念

1)车载中继：中继是一个LTE的网关，其功能与LTE中UE功能一样，列车内的移动用户接入中继进行通信，中继向eNodeB转发上行链路数据，向移动用户转发下行链路数据。UE用户同时接入车内两个中继，但同一时刻只有一个中继向下转发数据。

2)适用范围：此处描述的基于X2接口和S1接口的切换流程。

3)移动用户均接入LTE网关进行通信。移动用户广播的数据能同时被中继0和中继1接收。

3.具体实施过程如下：

1)应用目标小区指定法，屏蔽处于列车运行后方的小区，源基站eNodeB通过系统消息向用户终端UE广播的小区信息表中只含有唯一的邻小区信息，即列车运行前方的目标基站eNodeB。

2)增加UE下行数据转发功能开关，UE接收eNodeB发送的控制信令，然后决定UE是否转发下行链路数据。

3)修改基站eNodeB内的小区列表

该小区列表共有3个属性，分别是：

a)小区标识号ECGI，按小区的位置顺利排列。

b)所属基站eNodeB，指明某小区的归属基站eNodeB。

c)所属移动管理实体MME/服务网关S-GW（Serving Gataway），指明某小区基站eNodeB的归属MME/S-GW。

4)如果使用接力切换算法，用户终端UE发送测量报告给源基站eNodeB，源基站eNodeB根据测量报告进行触发切换，优先进行X2接口切换，如果没有X2接口，采用S1接口切换。

5)对于小区切换重叠区大小应该与选择的切换接口正相关，即采用X2接口切换要比采用S1接口切换时，重叠区长度要更小些。

附图说明：

图1高铁场景小区覆盖示意图

图2eNodeB小区/邻区列表

图3基于接力切换的TD-LTE快速切换算法的流程图

图4基于X2接口有S-GW重定位切换算法的信令流程图

图5基于S1接口有S-GW重定位切换算法的信令流程图

图6数据流图

具体实施方式：

采用理论分析、仿真建模与实际测试相结合的发明方式。下面结合附图和实施例，对本发明具体的实施方案做进一步详细说明：

图1是本发明中高铁场景小区覆盖示意图，根据高速铁路的线状分布，高速铁路沿线的移动通信网络采用链状专用小区覆盖，为了减少切换的次数，采用BBU（Baseband Unit）+RRU的基带单元+分布式射频拉远单元的部署方式。如图2是eNodeB小区/邻区列表。

列车的车头和中部均有一个中继，车头中继为主，中部为辅。在正常通信时，由车头中继负责向移动用户转发链路数据。当车头中继发生切换时，中部备份中继负责数据转发，移动用户的数据通过备份中继1转发到源eNodeB，当车头主中继0完成切换之后，链路数据由主中继负责向下转发，此时，移动用户与目标eNodeB之间的上下行链路连接均已建立。

图3是基于接力切换的TD-LTE快速切换算法的流程图，测量报告由主中继0生成，当满足传统A3切换条件时，触发接力切换。切换过程如下会描述到。当切换完成时，移动用户通过主中继0与目标eNodeB之间构成完整的上下行链路通信，备份中继1注册到目标eNodeB中，然后停止下行数据的转发。

LTE中用户终端UE在激活态下有两类切换流程，即S1接口切换流程和X2接口切换流程。根据接口的不同，详细描述一下此切换的信令流程。

对于LTE内移动性，X2切换发生在基站eNodeB之间。然而，当基站eNodeB之间没有X2接口或源基站eNodeB已通过S1接口向一特定的基站eNodeB发起切换，将触发S1切换。

通过X2接口的切换可以默认触发，除非没有建立X2接口或者服务小区eNodeB配置为使用S1切换。如图4为基于X2接口有S-GW重定位切换算法的信令流程图。这个流程当MME本身不改变和MME决定S-GW应该被重定位情况下使用，使用X2接口切换一个UE从源基站eNodeB到目标基站eNodeB。其中，第2步，当主中继0满足A3切换判决条件时，第3步，源eNodeB判决触发接力切换。切换请求直接由源基站eNodeB通过X2接口直接发送给目标基站eNodeB；源eNodeB收到切换请求响应，然后激活备份中继1，备份中继1与源eNodeB之间的通信开始进行。第8步为主中继0切换执行过程的开始，主中继0在目标eNodeB中申请建立连接，建立无线承载，目标基站eNodeB发送一个路径切换请求信息给MME来通知用户终端UE已经改变小区，包括目标小区的ECGI，并且更新EPS承载列表。MME决定S-GW被重定位并且选择一个新的S-GW服务此用户终端UE。然后MME发送一个创建会话请求给目标S-GW，目标S-GW发送修改承载请求给PDN，PDN收到后发给目标S-GW给予确认响应，目标S-GW收到响应后发给MME创建会话响应信息，下行数据路径切换到目标基站eNodeB，MME收到信息后发送路径转换请求响应给目标基站eNodeB，之后上行数据通过目标基站eNodeB和目标S-GW发送到PDN。当主中继0与源基站eNodeB之间的通信建立起来之后，激活中继0，通过中继0转发下行链路数据给移动用户。备份中继1完成之后注册到目标eNodeB，通过X2接口，目标eNodeB控制备份中继1停止转发下行数据。此时移动用户通过主中继0，经X2接口与目标基站eNodeB之间进行通信和数据转发。之后目标基站eNodeB发释放资源信息给源基站eNodeB，MME和源S-GW之间释放资源，并且进行跟踪区更新TAU过程。

对于LTE内移动性，X2切换发生在基站eNodeB之间。然而，当基站eNodeB之间没有X2接口或源基站eNodeB已通过S1接口向一特定的基站eNodeB发起切换，将触发S1切换。如图5所示为S1接口切换算法的信令流程图。在切换测量上报过程中，主中继0周期性上报源小区或目标小区（当UE进入切换带时）RSRP和RSSI等信息的测量报告给源基站eNodeB，根据传统A3算法判决是否发生切换。当条件满足时，激活备份中继1，移动用户通过中继1和源基站eNodeB进行通信。源基站eNodeB发起切换请求给源MME，然后源MME发送接力切换请求给目标MME，目标MME发送创建会话请求给目标S-GW，目标S-GW收到请求后发送创建会话响应给目标MME；然后目标MME发送切换请求信令给目标基站eNodeB，目标基站eNodeB收到切换请求信令后，建立无线承载并发送切换请求响应给目标MME；目标MME收到响应后发送前传定位响应给源MME，源MME收到响应后发起切换命令给源基站eNodeB，然后源基站eNodeB收到切换命令后发送切换命令给主中继0。之后激活中继0，移动用户下行链路数据经由主中继0转发，将备份中继1注册到目标eNodeB，目标eNodeB经由X2接口管理备份中继1，将其关闭。至此，接力切换结束。之后进行跟踪区的更新过程（Tracking area updated，TAU）和源eNodeB，源MME和源S-GW的资源释放过程。

综上所述，采用基于接力切换的TD-LTE通信系统快速切换的方法可以缩短切换时延，减少在切换过程中的数据包丢失，满足高速条件下快速切换的要求。本专利可以有效的提高切换成功率，保证无线通信服务的质量。

以上所述仅为本发明的实施例，并不意味着本发明限于这些描述的实施方式。对本领域的技术人员来说，可以对本发明的具体实现方式进行改进或者对部分内容进行同等替换、修改等，而不脱离本发明技术方案的精神，其均应包含在本发明的权利要求范围之内。同时要说明的是本发明的技术方案并不专门针对TD-LTE的无线通信系统。对FD-LTE的无线通信系统同等适用。

Claims (7)

1.一种基于高速铁路的TD-LTE通信系统中的切换优化算法，所述系统包括主中继0、备份中继1、源基站eNodeB、目标基站eNodeB、移动管理实体；算法核心思想是通过在主中继发生切换过程中利用备份中继来承担原先主中继的功能，以此实现在切换期间降低掉话率的目的； 

所述主中继是用于基站与移动用户之间建立连接以进行数据的传输，是符合LTE3GPP标准的移动终端； 

所述备份中继是主中继在发生切换过程中承担基站eNodeB与用户之间建立连接，以进行数据的传输； 

所述源基站eNodeB用于对主中继进行切换判决以及发起切换过程； 

所述目标基站eNodeB用于对主中继进行接入控制； 

所述移动管理实体负责空闲模式的主、备中继的定位，传呼过程。它涉及到bearer激活/关闭过程，并且当一个中继初始化并且连接时为该中继选择服务网关。通过和HSS交互认证一个用户，为中继分配一个临时ID。 

2.根据权利1所述方法，其具体思想为：列车在正常运行过程中按原有的切换通信机制完成，当源基站接收到主中继上传的测量报告，请求发起切换时，则启动备份中继，列车里的移动用户由原先通过主中继上传或下载数据的通道转向由备份中继来完成同样的功能。 

3.根据权利2所述的方法需要几个前提条件： 

1)主备份中继能同时接收到列车内移动用户信息和接收基站的信息; 

2)主中继和备份中继在同一时刻只有一个终端起中继作用； 

3)一旦发生主中继向备份中继的过渡，则由源基站下行到达到备份中继的数据包需添加一个特殊的标记L1； 

4)一旦完成切换，则由目标小区下传到主中继的数据包需要添加一个特殊的标记L2； 

5)主备份中继的间距保证200米以上； 

6)备份中继在主中继发生切换前准备好所有资源和信息，随时等待被唤醒启动数据下行转发功能； 

7)列车里的移动用户能同时注册于两个不同的中继； 

8)基站能同时与两个中继进行通信。 

4.根据权利3的前提条件，该方法具体实施的步骤具体如下： 

a)主中继上传测量报告内容； 

b)源基站eNodeB接收到测量报告后根据报告判定发起信令切换； 

c)关闭主中继的中继功能，启动备份中继的中继功能； 

d)主中继发生源到目标基站间的切换； 

e)主中继切换完成； 

f)启动主中继的中继功能，关闭备份中继的中继功能； 

g)备份中继注册到目标eNodeB。 

5.根据权利4的步骤3，包括以下步骤： 

1)源基站下传给备份中继一个控制命令启动备份中继的中继功能； 

2)备份中继收到命令后回发一个应答响应，同时启动中继功能； 

3)源基站收到应答后在发送的数据包后面添加一个特殊的符号，位以此来确定是否由备份中继转发； 

4)备份中继接收到该首个数据包后回复一个应答信号； 

5)源基站接收到该信号后，给主中继发起关闭中继命令； 

6)主中继接收到此命令后关闭中继功能。 

6.根据权利4中的步骤4，就是TD-LTE系统正常情况下中继的源目基站间的切换流程。 

7.根据权利4中的步骤6，包括以下步骤： 

1)目标基站下传给主中继一个控制命令启动主中继的中继功能； 

2)主中继收到命令后回发一个应答响应，同时启动中继功能； 

3)目标基站收到应答命令后在发送的数据包后面添加一个特殊的符号，以此来确定是否通过主中继转发； 

4)主中继接收到该首个数据包后回复一个应答信号； 

5)主基站接收到该信号后，给备份中继发起关闭中继命令； 

6)备份中继接收到此命令后关闭中继功能。 

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