車地?zé)o線綜合承載網(wǎng)雙異頻切換優(yōu)化策略

樓建軍

(北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

基于TD-LTE 的LTE-M 系統(tǒng)主要采用同頻組網(wǎng)，但在系統(tǒng)可用頻率資源受限條件時(shí)，如高架、地下區(qū)域系統(tǒng)可用頻率資源的不同，LTE-M 通常需執(zhí)行異頻切換操作。如果LTE-M 采用A、B 雙網(wǎng)同站址配置，則雙網(wǎng)在執(zhí)行異頻切換操作過程中可能存在終端間干擾問題。

1 小區(qū)切換

LTE-M 系統(tǒng)支持3GPP 規(guī)范定義的同頻切換和異頻切換機(jī)制，兩種方式的切換過程基本相同。其切換過程可分為切換測量、切換判決、切換執(zhí)行3 個(gè)步驟。切換測量由終端（UE）和基站（eNodeB）完成；切換判決在eNodeB 中進(jìn)行；切換執(zhí)行是在UE、eNodeB 和核心網(wǎng)移動性管理實(shí)體（MME）共同協(xié)作下完成。

LTE 無線網(wǎng)絡(luò)UE 終端在不同小區(qū)中心頻率fc之間的切換即為異頻切換。反之則稱為同頻切換。如圖1 所示，場景A/B/C 為同頻小區(qū)切換，場景D/E/F 則為異頻小區(qū)切換。

測量過程如下。

網(wǎng)絡(luò)下發(fā)的測量參數(shù)包括UE 需要執(zhí)行的測量項(xiàng)及測量門限等。UE 根據(jù)測量命令執(zhí)行，滿足測量門限后觸發(fā)切換過程，以保證順利完成小區(qū)間的移動切換，因此測量的準(zhǔn)確性和及時(shí)性是切換成功的保證。根據(jù)當(dāng)前小區(qū)和目標(biāo)小區(qū)頻率配置的異同，UE 測量分為同頻鄰區(qū)測量和異頻鄰區(qū)測量。

同頻鄰區(qū)測量：當(dāng)前小區(qū)和目標(biāo)小區(qū)工作在同一個(gè)載頻，終端執(zhí)行的鄰區(qū)測量為頻內(nèi)測量。終端在調(diào)度空隙可以執(zhí)行頻內(nèi)鄰區(qū)測量，不需要改變當(dāng)前工作頻率fc。

異頻鄰區(qū)測量：當(dāng)前小區(qū)和目標(biāo)小區(qū)工作在不同的載頻，終端執(zhí)行的鄰區(qū)測量為頻間測量。終端在調(diào)度空隙執(zhí)行頻間鄰區(qū)測量，并且需要改變當(dāng)前工作頻率fc。

在同頻測量的情況下，UE 測量和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的收發(fā)是沒有沖突的，但為了使UE 能夠在連接態(tài)下進(jìn)行異頻切換，服務(wù)小區(qū)需要安排一些測量GAP間隙給UE 做異頻測量，用于同步異頻小區(qū)和測量異頻鄰區(qū)的PCI 和RSRP 信息。

GAP 測量有重復(fù)周期為40 ms 的gp0 和重復(fù)周期為80 ms 的gp1 兩種配置模式，目前一般采用gp0 模式。在gp0 配置模式下，GAP 長度為6 ms，重復(fù)周期為40 ms；如果GAP 測量期間UE 沒有占用全部的RB 資源塊，則系統(tǒng)側(cè)能夠錯開所需的6 ms 測量調(diào)度，對用戶上行吞吐量性能影響很小。如果UE 測量當(dāng)時(shí)占用了全部下行RB，用戶在異頻測量的情況下，測試綜合吞吐量損失最大約為6 ms/40 ms×100%=15%。但異頻組網(wǎng)降低了同頻干擾，在切換區(qū)內(nèi)，相對于同頻切換，信號質(zhì)量SINR 值得到20%以上的提升，能夠抵消掉GAP 的損失，吞吐量和時(shí)延也就能更好，使異頻切換效果與同頻切換效果基本持平。

2 異頻切換優(yōu)化實(shí)例

2.1 頻率配置方案

北京地鐵大興國際機(jī)場線車地?zé)o線通信系統(tǒng)采用LTE-M 設(shè)備和解決方案，系統(tǒng)使用1.8 G 專網(wǎng)頻段，A、B 雙網(wǎng)冗余綜合承載包括列車控制在內(nèi)的車地?zé)o線通信業(yè)務(wù)，通信服務(wù)區(qū)域采用全漏纜雙纜覆蓋。A 網(wǎng)使用15 MHz（地下）或10 M（地面）帶寬綜合承載CBTC、PIS 和CCTV 等業(yè)務(wù)，B 網(wǎng)使用5 MHz 單獨(dú)承載CBTC 列車運(yùn)行控制業(yè)務(wù)。

LTE-M 系統(tǒng)由核心網(wǎng)、基站和終端構(gòu)成，基站設(shè)備包括BBU 和RRU，BBU 部署在車站機(jī)房，RRU 通過光纖拉遠(yuǎn)就近部署覆蓋區(qū)域。

根據(jù)大興國際機(jī)場線LTE-M 系統(tǒng)可用頻率資源，本工程主要有以下2 個(gè)頻率配置方案，如表1所示。

表1 大興國際機(jī)場線頻率配置方案表Tab.1 Table for conf iguration scheme of the frequency of Beijing Daxing International Airport Express

方案2 采用將B 網(wǎng)頻率固定在LTE-M 系統(tǒng)專網(wǎng)頻率（1 785 ～1 805 MHz）的低端，始終占用1 785 ～1 790 MHz，避免了在隧道口的異頻切換過程。從整個(gè)系統(tǒng)來看，全線只有一個(gè)網(wǎng)（A 網(wǎng)）在隧道口執(zhí)行異頻切換操作。方案1 采用將A 網(wǎng)頻率配置在LTE-M 系統(tǒng)專網(wǎng)頻率低端，B 網(wǎng)配置在頻率資源的高端，這樣的配置在隧道口A、B 兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)需要同時(shí)執(zhí)行異頻切換操作。

由于方案1 在抗干擾方面性能高于方案2，因此，大興機(jī)場線A、B 網(wǎng)頻率配置選擇采用方案1，在高架及地下區(qū)域A、B網(wǎng)頻率配置如下：

地 下 區(qū) 間A 網(wǎng) 使 用1 785 ～1 800 MHz 頻段，共計(jì)15 MHz 帶寬同頻 組 網(wǎng)。B 使 用1 800 ～1 805 MHz頻段，共計(jì)5 MHz 帶寬同頻組網(wǎng)；

高架及地面區(qū)間A 網(wǎng)使用1 785 ～1 795 MHz 頻段共計(jì)10 MHz 帶寬同頻組網(wǎng)。B 網(wǎng)使用1 795 ～1 800 MHz頻段，共計(jì)5 MHz 帶寬同頻組網(wǎng)；

由于A、B 網(wǎng)采用相同的上下行時(shí)隙配比（LTE-M 通常采用2:2 配置），同時(shí)發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，因此A、B 之間無需考慮頻率隔離就可實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)共存，互不影響地正常工作，如圖2 所示。

圖2 A、B網(wǎng)系統(tǒng)帶寬配置圖Fig.2 Diagram for the configuration of system bandwidth of network A and B

從圖2 可知，無論在高架或地下區(qū)域內(nèi)，A、B執(zhí)行的小區(qū)間切換均為同頻切換。但高架和隧道之間的隧道口，由于中心頻率fc發(fā)生了改變，雙網(wǎng)均采用異頻切換。

2.2 雙異頻切換存在的問題

如上所述，理論上異頻切換時(shí)LTE-M 網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)應(yīng)不低于同頻切換場景，但在實(shí)際調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)異頻切換點(diǎn)系統(tǒng)可提供的吞吐量遠(yuǎn)低于預(yù)期值，原因如下。

盡管A、B 網(wǎng)在同一切換帶上完成了各自的異頻切換，但由于A、B 網(wǎng)執(zhí)行切換的時(shí)間點(diǎn)不一致（如A 網(wǎng)遲后B 網(wǎng)2 s 發(fā)生切換），那么在2 s時(shí)間內(nèi)位于同一位置的A、B 網(wǎng)移動終端設(shè)備（如TAU）將會發(fā)生嚴(yán)重的系統(tǒng)間干擾。列車沿上行線駛出隧道時(shí)，雙異頻切換導(dǎo)致A、B 網(wǎng)終端相互干擾的情景如圖3 所示。

圖3 A、B網(wǎng)相互干擾示意圖Fig.3 Schematic diagram for mutual interference of network A and B

由于B 網(wǎng)終端先于A 網(wǎng)終端執(zhí)行了異頻切換，B 網(wǎng)終端搶先使用的F3（1 795 ～1 800 MHz）頻帶與A 網(wǎng)（1 785 ～1 800 MHz）有5 MHz 重疊帶寬，導(dǎo)致位于同一位置的A、B 網(wǎng)終端間互相干擾，系統(tǒng)上行SINR 值、吞吐率下降，系統(tǒng)時(shí)延增大。此類系統(tǒng)間干擾將持續(xù)到A 網(wǎng)終端完成異頻切換過程，最終工作在F1+F2（1 785 ～1 795 MHz）頻帶為止。

列車沿下行線駛?cè)胨淼罆r(shí)雙異頻切換導(dǎo)致A、B 網(wǎng)終端相互干擾的場景與上述場景基本一致，在此不再描述。

此類干擾發(fā)生在兩個(gè)異頻小區(qū)邊界的切換區(qū)，對終端上行數(shù)據(jù)傳輸影響較大，而與測試到的RSSINR 無直接關(guān)系，因而具有較大的隱蔽性。

2.3 優(yōu)化方案

A、B 網(wǎng)終端上行鏈路干擾的原因是由于B 網(wǎng)終端先于A 網(wǎng)終端發(fā)起異頻切換，因此，解決方案的目標(biāo)應(yīng)定位于：出隧道時(shí)，需保證讓A 網(wǎng)終端先于B 網(wǎng)終端發(fā)起了異頻切換；進(jìn)隧道時(shí)，讓B 網(wǎng)終端先于A 網(wǎng)終端發(fā)起異頻切換。

列車沿上行線駛出隧道地下至地面的切換過程中，選擇A 網(wǎng)終端先切換，B 網(wǎng)終端后切換，如圖4 所示。

由于A 網(wǎng)終端先行切換，空置了F3（1 795 ～1 800 MHz）頻帶，再讓B 網(wǎng)終端執(zhí)行切換，移入F3（1 795 ～1 800 MHz）頻帶就可以避免A、B網(wǎng)終端之間的相互干擾問題。

圖4 A、B網(wǎng)雙異頻切換順序控制示意圖Fig.4 Schematic diagram for sequence control of dual different-frequency switching of network A and B

2.4 雙異頻切換實(shí)施方案

實(shí)現(xiàn)讓A 網(wǎng)終端先行切換有兩種方案。

方案一：通過控制基站下行功率讓A 網(wǎng)終端在兩小區(qū)中點(diǎn)前執(zhí)行切換，B 網(wǎng)終端在兩小區(qū)中點(diǎn)后執(zhí)行切換。如圖5 所示。

A 網(wǎng)選擇在小區(qū)中點(diǎn)位置前30 m 完成切換，B網(wǎng)選擇在小區(qū)中點(diǎn)位置前30 m完成切換，按漏纜傳輸損耗4.3 dB/100 m 考慮，則：

圖5 隧道口雙異頻切換示意圖Fig.5 Schematic diagram for dual different-frequency switching at tunnel entrance

1）A 網(wǎng)N 站 點(diǎn)RRU 的RSRP 功率應(yīng)比N+1 站點(diǎn)RRU 的RSRP 功率大1.3 dB，建議取值2 dB；

2）B 網(wǎng)N 站 點(diǎn)RRU 的RSRP 功率應(yīng)比N+1 站點(diǎn)RRU 的RSRP 功率小1.3 dB，建議取值2 dB；

通過以上功率參數(shù)優(yōu)化配置，讓A 網(wǎng)切換點(diǎn)前移，實(shí)現(xiàn)A 網(wǎng)終端先行切換。

方案二：通過網(wǎng)絡(luò)配置，讓A 網(wǎng)終端比B 網(wǎng)終端提前一個(gè)小區(qū)執(zhí)行切換，如圖6 所示。

方案一的切換可靠性受天饋及系統(tǒng)環(huán)境因素制約，方案二的可靠性及可操作性均優(yōu)于方案一。因此，大興機(jī)場線采用方案二實(shí)現(xiàn)雙異頻切換。

3 測試結(jié)果

經(jīng)過上述優(yōu)化后，160 km/h 速度下的雙異頻切換成功率得到了保障，全線切換時(shí)延和丟包率均超過LTE-M 規(guī)范要求。

工程實(shí)施后，針對LTE 車地?zé)o線系統(tǒng)進(jìn)行了動車測試，考察LTE 系統(tǒng)移動性管理、異頻切換等是否滿足驗(yàn)收要求；測量結(jié)果表明各項(xiàng)指標(biāo)均滿足城市軌道交通標(biāo)準(zhǔn)LTE-M 的規(guī)范要求，滿足北京大興國際機(jī)場線的設(shè)計(jì)要求，并且在后續(xù)正式運(yùn)營期間性能穩(wěn)定可靠。以下為主要測試數(shù)據(jù)結(jié)論。

圖6 隧道口異頻小區(qū)配置示意圖Fig.6 Schematic diagram for the configuration of different-frequency cell at tunnel entrance

1）列車控制業(yè)務(wù)要求單路單向傳輸時(shí)延最大值24 ms，最小值2 ms，不超過150 ms 的概率為100%；業(yè)務(wù)丟包率為0%。

2）列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測業(yè)務(wù)要求傳輸時(shí)延最大值24 ms，最小值6 ms，不超過300 ms 的概率為100%；業(yè)務(wù)丟包率≤0.021%。

3）列車緊急文本下發(fā)業(yè)務(wù)要求傳輸時(shí)延最大值17 ms，最小值2 ms，不超過300 ms 的概率為100%；業(yè)務(wù)丟包率≤0%。

4） IMS 視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)要求傳輸時(shí)延最大值176 ms，最小值13 ms，不超過500 ms 概率≥98%；業(yè)務(wù)丟包率≤0.023%。

5） PIS 視頻業(yè)務(wù)要求傳輸時(shí)延最大值371 ms，最小值3 ms，不超過500 ms 的概率≥98%。業(yè)務(wù)丟包率≤0.001%。

4 結(jié)束語

針對北京大興國際機(jī)場線160 km時(shí)速的運(yùn)營需求，提出了LTE 車地?zé)o線系統(tǒng)雙異頻切換需要注意的問題，并給出了執(zhí)行異頻切換優(yōu)化措施，通過將A、B 網(wǎng)的異頻調(diào)整設(shè)置在不同小區(qū)或不同點(diǎn)切換，避免因雙異頻切換引發(fā)的網(wǎng)間同頻干擾問題。