CN102300274A - 一种基于地理位置信息的td-lte通信系统的快速切换方法 - Google Patents

Abstract

一种基于地理位置信息的TD-LTE通信系统的快速切换方法针对高速铁路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，提出了一种基于地理位置信息的TD-LTE快速切换的方法。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，并预先设定好每个小区切换带切换位置，即经纬度位置信息，在列车进入两小区重叠区域并到达预定切换位置时，源基站eNodeB根据用户终端UE的测量报告进行切换。该方法能够根据用户终端UE的移动速度，动态地调整切换方法，以解决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

一种基于地理位置信息的TD-LTE通信系统的快速切换方法

技术领域：

本发明针对高速铁路时分双工长期演进技术(Time-Division Duplex LongTerm Evolution，TDD-LTE或TD-LTE)通信系统的小区切换频繁，切换时间短，切换成功率高的要求，提出一种基于地理位置信息的TD-LTE快速切换方法。该方法可应用于TD-LTE、频分双工长期演进技术(Frequency-Division DuplexLong Term Evolution，FDD-LTE或FD-LTE)通信系统在高铁环境下的快速切换的方法。

背景技术：

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。

但另一方面，高速铁路列车车地宽带通信链路有其自身特点：

由于铁路线条状分布，所以基站的分布有别于一般蜂窝通信的平面覆盖特点。从而导致基站分布的可预知性，列车运行线路的可以预知，列车位置可以预知，列车穿越小区的时间可以预知等许多对系统设计有帮助的可预知信息，这些信息可以用来提高系统的性能，降低系统设计和运行的复杂性。并且可以有助于降低一些算法的复杂性，获得比一般蜂窝通信在同等条件下更高的频谱效率和传输质量，提高小区切换的平滑性。

影响高速铁路覆盖的另一个因素是快速切换。假设切换区大小不变，那么移动速度越高穿越切换区的时间越短。当用户终端UE移动速度足够快，以至于穿越切换区的时间小于系统处理切换的最小时延，则切换流程无法完成，导致掉话。

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。

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。

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，提出一种基于地理位置信息的切换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，并预先设定好每个切换带切换位置，即经纬度位置信息，在列车进入两小区重叠区域并到达预定切换位置时，源基站eNodeB根据用户终端UE的测量报告进行切换。

1.实施基于地理位置信息的TD-LTE快速切换算法的前提条件

1)列车安装全球定位系统(Global Positioning System，GPS)：本算法需要用户终端UE能将列车位置和速度信息上报给源基站eNodeB。

2)对列车进行切换时的地点进行测量统计，得到一个估计的切换参考点。该点是多次测量列车触发切换时所在位置的统计平均值；对于切换地点的统计需要时常进行，切换参考点也要定期更新。

2.基于地理位置信息的TD-LTE快速切换算法的基本概念

1)切换参考点：基于大量测量统计结果得出的坐标点，该点是多次测量列车触发切换时所在位置的统计平均值。

2)速度门限：如果列车运行速度高于此速度门限则启动本算法，否则按照正常切换程序进行。

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)修改测量报告内容：在用户终端UE上报的测量报告中除了包含源基站eNodeB和目标基站eNodeB有关接收性能的测量结果：参考信号接收功率(Reference Signal Receiving Power，RSRP)和接收的信号强度指示(Received Signal Strength Indication，RSSI)以外，还将包含用户终端UE的位置和速度信息。位置信息包含小区识别号，即演进通用陆地无线接入网络小区全球识别码(E-UTRAN Cell Global Identifier，ECGI)和经纬度位置坐标(x，y)。

3)修改基站eNodeB内的小区列表

该小区列表共有4个属性，分别是：

a)小区标识号ECGI，按小区的位置顺利排列。

b)切换参考点位置坐标，某小区和前后2个邻小区有2个切换参考点。

c)所属基站eNodeB，指明某小区的归属基站eNodeB。

d)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)源基站eNodeB提取测量报告中的位置和速度信息，即ECGI、坐标(x，y)和速度S，S与速度门限进行比较。若S≥速度门限，决定启动快速切换算法；若S＜速度门限，则使用常规的切换算法。

5)如果使用快速切换算法，当用户终端UE移动到达坐标(x，y)时，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。

6)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基于地理位置信息的TD-LTE快速切换算法的流程图

图4基于S 1接口切换算法的信令流程图

图5基于X2接口无S-GW重定位切换算法的信令流程图

图6基于X2接口有S-GW重定位切换算法的信令流程图

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。

图3是基于地理位置信息的TD-LTE快速切换算法的流程图，根据此流程图，当UE接收到测量量，包括：用户终端UE的速度，经纬度信息，源小区的RSRP和RSSI，如果进入切换带还包括目标小区的RSRP和RSSI等。用户终端UE周期性上报测量量，服务小区eNodeB根据用户终端UE的速度触发切换程序，当用户终端UE速度大于设定的速度门限值Speed_threshold：

S＞Speed_threshold    (1)

源小区eNodeB将触发快速切换程序。当用户终端UE上传的经纬度位置坐标与服务小区eNodeB中预设的切换点的经纬度位置坐标的距离值满足切换准则要求，即两个位置的距离差值小于一个距离的门限值Distance_threshold，

ΔL＜Distance_threshold    (2)

源小区eNodeB启动快速切换信令，将用户终端UE切换到目标小区。如果源小区eNodeB得到的用户终端UE上报的速度小于速度门限值Speed_threshold，采用常规的切换判定准则进行切换，流程图略去此处算法说明。

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。如图4所示为S1接口切换算法的信今流程图，其中第2步到第16步为切换准备过程，第17步到第19步为切换执行过程，第20步到第26步为切换完成过程。在切换准备过程中，用户终端UE周期性上报自身的位置信息(经纬度坐标)和速度信息，以及源小区或目标小区(当UE进入切换带时)RSRP和RSSI等信息的测量报告给源基站eNodeB，根据速度信息，源基站eNodeB判定采用快速切换算法还是常规切换算法。当用户终端UE速度大于速度门限值Speed_threshold，源基站eNodeB启动快速切换，当测量报告中经纬度坐标与切换点坐标的距离差小于距离的门限值Distance_threshold，源基站eNodeB发起切换请求给源MME，然后源MME发送重定位请求给目标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收到切换请求信今后，建立无线承载并发送切换请求响应给目标MME；然后目标MME发送创建间接数据前传隧道请求给目标S-GW，目标S-GW收到请求后发送创建间接数据前传隧道响应给目标MME；目标MME收到响应后发送前传定位响应给源MME，源MME收到响应后向源S-GW发送创建间接数据前传隧道请求，源S-GW收到请求后回复创建间接数据前传隧道响应给源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用户终端UE，到此完成切换准备过程。之后源基站eNodeB开始发送基站eNodeB的状态转移信息给源MME，源MME收到信息后发送前传接入上下文通知给目标MME，目标MME发送前传接入上下文确认并发基站eNodeB状态转移信息给目标基站eNodeB；然后源基站eNodeB开始直接转发数据给目标基站eNodeB或通过源S-GW转给目标S-GW，目标S-GW发送给目标基站eNodeB的间接数据转发，到此切换执行过程完成。第三部分是切换完成，主要是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。

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。X2接口切换分为有和无S-GW重定位的切换，如图5为基于X2接口无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也不改变情况下使用，使用X2接口切换一个用户终端UE从源基站eNodeB到目标基站eNodeB。其中第2步到第7步为切换准备，切换判决和S1接口切换一样，不同的是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；第8步到第9步为切换执行过程，到达源基站eNodeB但未来得及送达用户终端UE的数据直接通过X2接口转发到目标基站eNodeB；第10步到第18步为切换完成阶段，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，包括目标小区的跟踪区ID号(Tracking Area Identity，TAI)+ECGI，并且演进分组系统(Evolved Packet System，EPS)承载列表应该被切换。MME决定S-GW能够继续服务此用户终端UE。然后MME发送一个修改承载请求给S-GW，S-GW发送修改承载请求给公共数据网(Public Data Network，PDN)，PDN收到后发给S-GW给予确认响应，S-GW收到响应后发给MME修改承载响应信息，下行数据路径切换到目标基站eNodeB，后面步骤目标eNodeB发送释放资源信息给源eNodeB，并且进行跟踪区更新TAU过程。

图6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步到第7步为切换准备，切换判决和S1接口切换一样，不同的是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；第8步到第9步为切换执行过程，到达源基站eNodeB但未来得及送达用户终端UE的数据直接通过X2接口转发到目标基站eNodeB；第10步到第17步为切换完成阶段，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，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，删除会话请求，并且进行跟踪区更新TAU过程。

综上所述，采用基于地理信息地理位置信息的TD-LTE通信系统快速切换的方法可以缩短切换时延，保证用户终端UE在合理的位置进行切换，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，并且可以根据用户终端UE速度动态的调整切换算法，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 (5)

1.一种基于地理位置信息的TD-LTE通信系统的快速切换方法，用于支持高速铁路TD-LTE通信系统中对快速切换的要求，提出了一种基于地理位置信息的切换判决算法，以实现相邻小区间快速切换的功能。

2.根据权利1所述方法，其思想为：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，并预先设定好每个切换带的位置，即经纬度位置信息，在列车进入两小区重叠区域并到达预定切换位置时，源基站eNodeB根据用户终端UE的测量报告进行切换。

3.根据权利2所述的该方法的前提条件：

1)列车安装GPS系统

2)对列车进行切换时的地点进行测量统计，得到一个估计的切换参考点

4.根据权利3所述的前提条件，该方法具体实施步骤包括：

a)应用目标小区指定法，屏蔽处于列车运行后方的小区。

b)用户终端UE修改测量报告内容

c)修改基站eNodeB内的小区列表

d)源基站eNodeB提取测量报告中的位置和速度信息

e)根据速度判断执行快速切换算法

f)对于小区切换重叠区大小应该与选择的切换接口类型相关

5.根据权利4所述的TD-LTE快速切换实施步骤，根据切换的接口不同本专利分为两大类信令的流程图：1)基于S1接口的TD-LTE快速切换信令流程图；2)基于X2接口的TD-LTE快速切换信令流程图；并且对于X2接口切换，根据是否在切换过程中有S-GW的重定位，本专利包括两类基于X2接口的信令流程图：1)基于X2接口无S-GW重定位切换信令流程图；2)基于X2接口有S-GW重定位切换信令流程图。

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