CN106792556A - 一种轨道交通场景下服务小区切换处理方法 - Google Patents

一种轨道交通场景下服务小区切换处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种轨道交通场景下服务小区切换处理方法，包括源eNode B对UE进行测量配置，UE根据测量配置进行测量上报；源eNode B根据UE上报的列车地理位置信息进行预切换判决，触发UE进入预切换状态，UE进行持续调度状态并加快测量上报频率；源eNode B根据预设的宽松切换算法进行切换判决，发送切换请求消息；目标eNode B收到请求后进行切换准备，不需要进行接纳控制；源eNode B将切换命令透传给UE，UE收到切换命令以后，执行与目标eNode B的同步。本发明的技术方案主要能够提供更快速、更稳定、更可靠的轨道交通服务小区切换处理方案，具有重要的市场价值。

Description

一种轨道交通场景下服务小区切换处理方法
技术领域
本发明涉及轨道交通无线通信技术领域，更具体地，本发明涉及一种基于LTE的轨道交通场景下服务小区切换处理方法。
背景技术
市轨道交通系统作为解决大城市交通问题的重要手段和有效措施，具有运量大、速度快、安全、准时、舒适等优点，并能带动城市土地资源综合开发利用，对城市长远发展具有重要意义。同时，随着信息通信技术向宽带化的飞速发展，轨道交通信息化建设的需求也不断提升。轨道交通车地无线通信系统作为轨道交通信息化的关键系统主要用于在列车与地面之间建立双向、稳定、可靠、高速的无线数据传输通道，为轨道交通其他业务提供基础承载网。系统主要由基站和车载子系统两部分组成。
参见图1，列车上有两个车载UE，车站设有无线基站。地铁列车本身的车载设备，可通过车载UE进行数据接收和发送。
目前轨道交通车地无线通信系统已经越来越多的采用了LTE作为空口传输技术，LTE是一项新兴的无线通信技术，能提供高速的宽带连接，单基站覆盖范围最大可达48km。LTE采用的是蜂窝移动通信系统，通信网络由若干个基站组成，当UE从一个基站覆盖范围移动到另一个基站的覆盖范围时，需要发生小区切换行为。
在现有蜂窝移动通信系统的切换场景中，通常由用户触发切换流程，用户在与当前连接的基站进行通信的同时，周期性的测量当前连接基站以及相邻小区基站的导频信号强度，当用户测量发现当前连接基站的导频信号强度下降到一定门限值以下，同时相邻小区中某一小区基站的导频信号强度上升到一定门限值以上并持续一定时间后，即触发切换流程。切换过程中需要经过用户、源基站和目标基站间复杂的信息交互和信令传输，信令交互过程见图2。
步骤1：源eNode B对UE进行测量配置，UE的测量结果将用于辅助源eNode B进行切换判决，参见图2中“1.测量控制”。
步骤2：UE根据测量配置，进行测量上报，参见图2中“2.测量上报”。
步骤3：源eNode B参考UE的测量上报结果，根据自身的切换算法，进行切换判决，参见图2中“3.切换判决”。
步骤4：源eNode B向目标eNode B发送切换请求消息，参见图2中“4.切换请求”。该消息包含切换准备的相关信息，主要有UE的X2和S1信令上下文参考、目标小区标识、密钥KeNode B*、RRC上下文、AS配置、E-UTRAN无线接入承载（E-RAB，E-UTRAN Radio AccessBearer）上下文等。同时也包含源小区物理层标识和消息鉴权验证码，用于可能的切换失败后的恢复过程。UE的X2和S1信令上下文参考可以帮助目标eNode B找到源eNode B的位置。E-RAB上下文包括必要的无线网络层（RLN，Radio Network Layer）和传输层（TNL，Transport Network Layrer寻址信息以及E-RAB的服务质量（QoS，Quality of Service）信息等。切换准备信息有一部分是包含于接口消息本身的（例如目标小区标识），另一部分存在于接口消息的RRC容器（RRC container）中（例如RRC上下文）。
步骤5：目标eNode B根据收到的E-RAB QoS信息进行接纳控制，以提高切换的成功率，参见图2中“5.切换控制”。接纳控制要考虑预留相应的资源、C-RNTI以及分配专用随机接入Preamble码等。目标小区所使用的AS配置可以是完全独立于源小区的完全配置，也可以是在源小区基础之上的增量配置（增量配置是指对相同的部分不进行配置，只通过信令重配不同的部分，UE对于没有收到的配置，将继续使用原配置）。
步骤6：目标eNode B进行L1/L2的切换准备，同时向源eNode B发送切换请求ACK消息，参见图2中“6.切换请求ACK”。该消息中包含一个RRC container，具体内容是触发UE进行切换的切换命令。源eNode B切换命令采用透传的方式（不做任何修改），发送给UE。切换命令中包含新的C-RNTI、目标eNode B的案例算法标识，有可能还携带随机接入专用Preamble码、接入参数、系统信息等。如果有必要，切换请求ACK消息中还有可能携带RNL/TNL信息，用于数据前转。当源eNode B收到切换请求ACK消息或者是向UE转发了切换命令之后，就可以开始数据前转了。
步骤7：切换命令（参见图2中“7.包含移动性控制信息的RRC连接重配置消息”）是由目标eNode B生成的，通过源eNode B将其透传给UE。源eNode B对这条消息进行必要的加密和完整性保护。当UE收到该消息之后，就会利用该消息中的相关参数发起切换过程。UE不需要等待低层向源eNode B发送的混合自动重传请求（HARQ，Hybrid Automatic RepeatreQuest）/自动重传请求（ARQ，Automatic Repeat reQuest）响应，就可以发起切换过程。
步骤8：源eNode B发送序列号（SN，Sequence Number）状态传输消息到目标eNodeB，传送E-RAB（仅那些需要保留PDCP状态的E-RAB需要执行SN状态的转发，对应于RLC AM模式）的上行PDCP SN接收状态和下行PDCP SN发送状态，参见图2中“8.SN状态前传”。上行PDCP SN接收状态至少包含了按序接收的最后一个上行SDU的PDCP SN，也可能包含以比特映射的形式表示的那些造成接收乱序的丢失的上行SDU的SN（如果有这样的SDU的话，这些SDU可能需要UE在目标小区进行重传）。下午PDCP SN发送状态指示了在目标eNode B应该分配的下一个SDU序号。如果没有E-RAB需要传送PDCP的状态报告，源eNode B可以省略这条消息。
步骤9：UE收到切换命令以后，执行与目标小区的同步，参见图2中“9.同步”；如果在切换命令中配置了随机接入专用Preamble码，则使用非竞争随机接入流程接入目标小区，如果没有配置专用Preamble码，则使用竞争随机接入流程接入目标小区。UE计算在目标eNode B所需使用的密钥并配置网络选择好的在目标eNode B使用的安全算法，用于切换成功之后与目标eNode B进行通信。
步骤10：网络回复上行资源分配指示和定时提前，参见图2中“10. 上行资源分配+UE定时”。
步骤11：当UE成功接入目标小区后，UE发送RRC连接重配置完成消息，向目标eNodeB确认切换过程完成，参见图2中“11. RRC连接重配置完成”。如果资源允许，该消息也可能伴随着一个上行缓存状态报告（BSR，Buffer Status Report）的改善。目标eNode B通过接收RRC连接重配置完成消息，确认切换成功。至此，目标eNode B可以开始向UE发送数据。
步骤12：目标eNode B向MME发送一个路径转换请求消息来告知UE更换了小区。此时空口的切换已经成功完成。
步骤13：MME向S-GW发送用户平面更新请求消息。
步骤14：S-GW将下行数据路径切换到目标eNode B侧。S-GW在旧路径上发送一个或多个“end marker包”到源eNode B，然后就可以释放源eNode B的用户平面资源。
步骤15：S-GW向MME发送用户平面更新响应消息。
步骤16：MME向目标eNode B发送路径转换请求ACK消息。步骤12～16就完成了路径转换过程，该过程的目的是将用户平面的数据路径从源eNode B转到目标eNode B。在S-GW转换了下行路径以后，前转路径和新路径的下行包在目标eNode B可能会交替到达。目标eNode B应该首先传递所有的前转数据包给UE，然后再传递从新路径接收的包。在目标eNode B使用这一方法可以强制性保证正确的传输顺序。为了辅助在目标eNode B的重排功能，S-GW在E-RAB转换路径以后，立即在旧路径发送一个或者多个“end marker 包”。“endmarker 包”内不含用户数据，由GTP头指示。在完成发送含有标志符的包以后，S-GW不应该在旧路径发送任何数据包。在收到“end marker 包”以后，如果前转对这个承载是激活的，源eNode B应该将此包发送给目标eNode B。在察觉了“end marker 包”以后，目标eNode B应该丢弃“end marker 包”并发起任何必要的流程来维持用户的按序递交，这些数据是通过X2口前转的或者路径转换以后从S-GW通过S1口接收的。
步骤17：目标eNode B向源eNode B发送UE上下文释放消息，通知源eNode B切换的成功并触发源eNode B的资源释放。目标eNode B在收到从MME发回的路径转换ACK消息以后发送这条消息。
步骤18：收到UE上下文释放消息之后，源eNode B可以释放无线承载和与UE上下文相关的控制平面资源。任何正在进行的数据前转将继续进行。
LTE系统中由于取消了无线网络控制(RNC)节点，所以没有采用软切换技术，所有切换过程均为硬切换，即用户先与源基站断开连接，然后与目标基站建立连接。
在轨道交通场景中，列车通常是高速运行，通过切换区域的时间较短，对切换时延要求较高。当列车飞速通过本小区边缘驶向目标小区时，各信号变化非常快。如按照通用的切换流程，UE测量的本小区和目标小区的信号强度都有一定滞后，无法反映出列车实际位置的信号情况，往往会造成切换时机延误，切换不及时，UE信号质量迅速降低，严重影响到UE的性能，对车地通信产生严重干扰和安全隐患。针对这一问题，设计出一种改进的切换方法来保证轨道交通场景的切换性能是非常必要的。
相关术语：
LTE 长期演进
HO 切换
UE 用户设备
Y:eNB 增强型基站
MME 移动性管理实体
SGW 服务网关
C-RNTI 小区无线网络临时标识
Preamble 随机接入前导码。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，LTE轨道交通通信场景下，高速运行的列车进行服务小区切换时切换时延过大，切换不及时而造成的性能下降。
本发明所采用的技术方案提供一种轨道交通场景下服务小区切换处理方法，包括以下步骤，
步骤1，源eNode B对UE进行测量配置，UE根据测量配置进行测量上报；上报的信息包括本小区和相邻小区信号强度、列车地理位置信息；
步骤2，源eNode B根据UE上报的信息来进行预切换判决，实现方式为，预先在地理上设置一临界点，当根据列车地理位置信息检测到列车驶离本小区并到达此点，判决能够触发UE预切换状态，否则判决不触发预切换；
步骤3，源eNode B触发UE进入预切换状态，UE进行持续调度状态并加快测量上报频率；
步骤4，源eNode B参考UE的测量上报结果，根据预设的宽松切换算法，进行切换判决；
步骤5，源eNode B向目标eNode B发送切换请求消息，该消息包含切换准备的相关信息以及将UE的持续调度信息告知目标eNode B；
步骤6，目标eNode B收到请求后进行L1/L2的切换准备，不需要进行接纳控制；同时向源eNode B发送切换请求ACK消息；
步骤7，源eNode B将切换命令透传给已经进入持续调度状态的UE；
步骤8，源eNode B将缓存内正在传输的分组数据传给目标eNB；
步骤9，UE收到切换命令以后，执行与目标eNode B的同步，采用配置的随机接入专用Preamble码接入目标小区；网络回复上行资源分配指示和定时提前；
步骤10，当UE成功接入目标eNode B后，UE发送RRC连接重配置完成消息，向目标eNodeB确认切换过程完成；目标eNode B开始向UE发送数据；
步骤11，当切换完成后，目标eNode B解除UE的持续调度状态。
而且，所述持续调度状态，是指此时UE不需要eNode B进行资源分配，UE和eNode B按预先约定在固定的时频域并使用固定的调整编码来进行数据传输。
而且，预设的宽松切换算法，包括当检查到目标小区信号上升到预设门限值即启动切换。
而且，步骤7，源eNode B将切换命令透传给UE时，切换命令为携带了移动性控制信息的RRC连接重配置消息，当UE收到该消息之后，就会利用该消息中的相关参数发起切换过程。
通过对场景进行分析，列车车载终端的运行轨迹固定，移动性有着很固定的规律，因此结合此场景的特点，本发明提出了一种新的适用于轨道交通场景下的切换方案。本发明的技术方案主要有以下改进：
1.分阶段进行切换判决，从而能够提早的进行切换准备
2.采用地理信息以及时间信息来判定UE进入预切换阶段
3.触发UE在切换前以及切换中进行持续调度以节省调度信令流程从而降低了切换时延
因此，本发明能够提供更快速、更稳定、更可靠的轨道交通服务小区切换处理方案，具有重要的市场价值。
附图说明
图1是现有技术的轨道交通车地通信系统示意图；
图2是现有技术的通用切换流程图；
图3是本发明实施例的流程图；
图4是本发明实施例的原理图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明技术方案做出详细说明。
参见图4，本发明打破常规，根据列车车载终端的运行轨迹固定，移动性有着很固定的规律的特点来改进切换流程，巧妙利用列车运行时刻、地理位置信息和信号强度趋势来预先进行判决，使UE进入预切换状态，UE进行持续调度状态并加快测量上报频率，保证UE能够及时的触发正式切换，并能够在随后的正式切换过程中简化部分切换流程，在UE正式切换完成，解除持续调度状态。最终达到提高切换时机准确性的判断，降低切换时延，降低切换不及时造成的性能下降风险。
参见图3，具体实施方式按照以下流程进行：
步骤1：源eNode B对UE进行测量配置，UE的测量结果将用于辅助源eNode B进行一系列判决。UE根据测量配置，进行测量上报，参见图3中“1.测量控制与上报”。上报的信息包括本小区和相邻小区信号强度，列车地理位置信息。
步骤2：源eNode B根据UE上报的信息来进行预切换判决，参见图3中“2. 预切换判决”：
预先在地理上设置一临界点，当根据列车地理位置信息检测到列车驶离本小区并到达此点，判决可以触发UE预切换状态；否则判决不触发预切换。
具体实施时，可以设置一个地理位置坐标点，实时检测列车到基站的距离，越来越远即为驶离，当列车抵达此点可以触发。
步骤3：源eNode B触发UE进入预切换状态，参见图3中“3. 触发UE进入预切换状态”；UE进行持续调度状态并加快测量上报频率。UE的持续调度状态指的是此时UE不需要eNode B来进行资源分配，UE和eNode B根据预设的约定在固定的时频域并使用固定的调整编码来进行数据传输。
正常调度是在提供传输数据的时频资源上通过种种复杂计算来为UE选择最合适的位置并选择最合适的调制编码方式。本发明对此方式进行了简化，在预切换状态，不经过计算而直接固定位置和调制编码方式，节省计算时间。
具体实施时，本领域技术人员可自行预设时频域和调整编码，以及加快后测量上报频率。
步骤4：源eNode B参考UE的测量上报结果，根据更宽松的切换算法，进行切换判决；参见图3中“4.切换判决”。
正常情况下需当前连接基站的导频信号强度下降到一定门限值以下，同时相邻小区中某一小区基站的导频信号强度上升到一定门限值以上并持续一定时间后，即触发切换流程。宽松的方案即是可以降低持续时间的要求，当检查到目标小区信号足够强（目标小区信号上升到预设门限值）即可启动切换。
具体实施时，本领域技术人员可自行预设门限值。
步骤5：源eNode B向目标eNode B发送切换请求消息，该消息包含切换准备的相关信息以及将UE的持续调度信息告知目标eNode B，参见图3中“5.切换请求”。
相关信息主要有UE的X2和S1信令上下文参考、目标小区标识、密钥KeNode B*、RRC上下文、AS配置、E-UTRAN无线接入承载（E-RAB，E-UTRAN Radio Access Bearer）上下文等。
步骤6：目标eNode B收到请求后进行L1/L2的切换准备（切换到目标小区），由于接纳的确定性（在轨道交通场景中，目标小区不存在资源不足无法接入列车UE的情况），这时可以不需要像通常流程一样进行接纳控制。同时向源eNode B发送切换请求ACK消息，参见图3中“6.切换请求ACK”。
该消息具体内容是触发UE进行切换的切换命令。源eNode B采用透传的方式（不做任何修改），发送给UE。切换命令中包含新的C-RNTI、随机接入专用Preamble码、接入参数、系统信息等。当源eNode B收到切换请求ACK消息或者是向UE转发了切换命令之后，就可以开始数据前转了。
步骤7：源eNode B将切换命令（携带了移动性控制信息的RRC连接重配置消息）透传给UE，参见图3中“7. 切换命令”。因为UE已经进入持续调度状态，此时不需要资源分配而可以直接下发命令给UE，这样节省了切换时间，当UE收到该消息之后，就会利用该消息中的相关参数发起切换过程。
至此完成切换准备。
步骤8：源eNode B将缓存内正在传输的分组数据（即用户数据）传给目标eNB，参见图3中“8.SN状态前传”。 通过数据前传，数据传给了目标eNB，目标eNB就存储源eNB的分组数据。
步骤9：UE收到切换命令以后，执行与目标eNode B的同步(即离开源小区并与新小区同步)，采用配置的随机接入专用Preamble码接入目标小区，参见图3中“9.同步”。网络回复上行资源分配指示和定时提前
步骤10：当UE成功接入目标eNode B后，UE发送RRC连接重配置完成消息，向目标eNodeB确认切换过程完成，参见图3中“10. RRC连接重配置完成”。至此，完成执行切换，目标eNode B可以开始向UE发送数据。
步骤11：空口切换完成，更新网络侧信息，具体实现可参见现有技术。当切换完成后，目标eNode B解除UE的持续调度状态。切换完成。
具体实施时，以上流程可采用软件方式实现自动运行。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种轨道交通场景下服务小区切换处理方法，其特征在于，包括以下步骤，
步骤1，源eNode B对UE进行测量配置，UE根据测量配置进行测量上报；上报的信息包括本小区和相邻小区信号强度、列车地理位置信息；
步骤2，源eNode B根据UE上报的信息来进行预切换判决，实现方式为，预先在地理上设置一临界点，当根据列车地理位置信息检测到列车驶离本小区并到达此点，判决能够触发UE预切换状态，否则判决不触发预切换；
步骤3，源eNode B触发UE进入预切换状态，UE进行持续调度状态并加快测量上报频率；
步骤4，源eNode B参考UE的测量上报结果，根据预设的宽松切换算法，进行切换判决；
步骤5，源eNode B向目标eNode B发送切换请求消息，该消息包含切换准备的相关信息以及将UE的持续调度信息告知目标eNode B；
步骤6，目标eNode B收到请求后进行L1/L2的切换准备，不需要进行接纳控制；同时向源eNode B发送切换请求ACK消息；
步骤7，源eNode B将切换命令透传给已经进入持续调度状态的UE；
步骤8，源eNode B将缓存内正在传输的分组数据传给目标eNB；
步骤9，UE收到切换命令以后，执行与目标eNode B的同步，采用配置的随机接入专用Preamble码接入目标小区；网络回复上行资源分配指示和定时提前；
步骤10，当UE成功接入目标eNode B后，UE发送RRC连接重配置完成消息，向目标eNodeB确认切换过程完成；目标eNode B开始向UE发送数据；
步骤11，当切换完成后，目标eNode B解除UE的持续调度状态。
2.根据权利要求1所述轨道交通场景下服务小区切换处理方法，其特征在于：所述持续调度状态，是指此时UE不需要eNode B进行资源分配，UE和eNode B按预先约定在固定的时频域并使用固定的调整编码来进行数据传输。
3.根据权利要求1所述轨道交通场景下服务小区切换处理方法，其特征在于：预设的宽松切换算法，包括当检查到目标小区信号上升到预设门限值即启动切换。
4.根据权利要求1或2或3所述轨道交通场景下服务小区切换处理方法，其特征在于：步骤7，源eNode B将切换命令透传给UE时，切换命令为携带了移动性控制信息的RRC连接重配置消息，当UE收到该消息之后，就会利用该消息中的相关参数发起切换过程。
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