LTE-M系统切换点上行干扰优化方法

王翔 张义 孙发帅

摘要：针对LTE-M系统多UE切换场景下，切换点上行干扰影响小区边缘UE数据传输时延的问题，对上行干扰的产生原理进行了介绍，提出了一种多UE联动切换的上行干扰优化方法。新型上行干扰优化方法可以使多个信号质量变化相似的UE同时进行切换，从而达到降低上行干扰的目的。仿真结果表明，提出的新型上行干扰优化方法可有效降低切换点上行干扰对数据传输的影响。

关键词：LTE-M;多UE;上行干扰;联动切换

中图分类号：TN929.52文献标志码：A文章编号：1008-1739（2021）05-65-4

0引言

LTE-M系统中一列车同时装备多个UE时，切换点不同，UE切换不同步，会造成短暂的上行干扰，使小区边缘UE的数据传输时延性能受到影响，对列车的安全运行造成潜在的风险。

LTE-M系统是满足城市轨道交通综合业务承载需求的专网无线通信系统，基于TD-LTE技术，在保证基于通信的列车控制系统（CBTC）车地信息传输基础上，可同时传输视频监控（IMS）、乘客信息系统（PIS）、列车运行状态监测及集群调度业务等信息。由于列车控制信息CBTC业务需要通过车-地无线通信系统进行传输，因此其可靠性、稳定性、实时性对行车安全和乘客的人身安全至关重要[1]。

1干扰问题分析

时延性能是评估LTE网络质量的重要指标，尤其LTE-M系统下CBTC业务对时延有着极高的要求，要求单向时延不超过150 ms，环回时延不超过300 ms[2]。当网络受到上行干扰时，小区边缘用户的信噪比会瞬时下降，在低信噪比情况下数据的重传次数会有所增加，进而时延性能将受到影响，干扰严重时甚至会影响用户的接入性能[3]。

在LTE-M系统中，当一列车上同时装备多个UE时，切换点不同，UE的切换不同步，会造成短暂的上行干扰，使小区边缘UE的时延性能受到影响。如图1所示，以一列车同时配备2个UE为例，当列车从小区1切换到小区2的整个过程可以分为3个阶段。阶段1是2个UE都没有触发切换;阶段2是其中一个UE切换到了小区2，但是另外一个UE还没有切换，继续在小区1上;阶段3是2个UE都切换到了小区2上。其中阶段1和阶段3由于2个UE都处在同一个小区中，因此都不存在上行干扰;而处于阶段2时，2个UE分别位于2个小区中，且都处在小区的边缘位置，当2个小区分别为这2个UE分配了相同的频谱资源时就会产生很强的上行干扰现象，严重影响UE的时延性能，进而影响车-地无线通信系统的可靠性和实时性。

虽然在同一辆列车的不同UE设备通过相同的天线来接收信号，但由于不同UE的天线接收能力有所差异，导致不同UE达到切换门限的时机有所差异，这种差异一般会在几百毫秒到几秒不等[4]。如果这段时间持续存在很强的上行干扰，很可能会影响到数据传输的可靠性和实时性，无疑会增加列车运行的风险。

2多UE联动切换方案

综合上述分析结果，LTE-M系统在多UE场景下切换点的上行干扰现象主要存在于切换的阶段2中，因此，如何减少或者消除阶段2的存在时间成为解决该问题的关键所在。为此，提出了一种多UE联动切换的方案来解决切换点的上行干扰问题。

2.1方案原理

多UE联动切换方案的关键在于使多个UE能够在同一时刻完成切换动作，进而极大减少甚至消除处于中间过程的阶段2，以达到降低上行干扰的目的，如图2所示。由于2个UE是通过同一天线接收信号，虽然不同UE天线接收能力不同，但也不会相差太大，即其中一个UE达到切换门限时，另外一个离切换门限也已经不远，二者的RSRP通常相差在1 dBm以内，此时如果能够使后者与前者一同完成切换动作，并不会对后者造成明显的影响。这样，2个UE就可以几乎都保持在同一个小区内，从而达到避免造成上行干扰的目的。

2.2方案设计

UE的切换行为是由基站来控制的，当UE达到切换门限上报的测量报告中携带A3事件时，基站会为该UE进行切换准备，并通过向UE发送切换命令来通知UE完成切换动作。要使多个UE同时进行切换，可以在第一个达到切换门限的UE上报A3事件时，即在联动切换的多个UE中无论哪个UE先达到切换门限，基站都向其他需要联动切换的UE一同发送切换命令，从而达到多个UE同时切换的目的。

需要达到多UE同时切换还需要解决一个问题，就是基站要确定哪些UE是需要一同完成切换的，这就需要多UE绑定来完成。在LTE系统中，每个UE的IMSI号是唯一且不变的标识，而LTE-M系统中每辆列车上UE的IMSI號一般情况下也不会进行变动。因此，基站可以据此将多个需要一同切换的UE进行绑定，并将其绑定关系存入配置文件中，基站在启动时可从配置文件中获取信息。

此外，IMSI号包含在NAS信令中并且在UE和核心网之间交互，而基站只透传NAS信令，并不解析其中的内容，因此，通常情况下基站是无法正常获取到IMSI信息的。为了解决这一问题，需要从S1信令解析入手。INITIAL CONTEXT SETUP REQUEST和HANDOVER REQUEST两条S1信令是UE在基站入网所必须的2条信令，其中都包含可选字段[5]。核心网通过这2条信令中的可选字段将IMSI信息告知基站，这样基站就能确定哪些UE是绑定在一起需要联动切换的。

多UE联动切换方案与传统切换方案相比，可以极大减少切换第2阶段的存在时间，这样在切换的过程中上行干扰会大大降低，能够获得更高的SNR，进而减少不必要的重传，从而降低切换过程中对时延性能造成的影响。由于多个UE共用同一个天线进行收发，信道质量情况不会有太大差别，因此对于其他联动切换的UE来说，未达到切换门限而提前切换，并不会产生太大影响。

3仿真分析

采用IX软件作为仿真工具进行仿真，由于IX软件无法收集信噪比等直接反映信道质量的相关数据，而上行干扰会直接影响业务的时延性能，通过对时延性能的分析可以有效反映上行干扰的情况。仿真方案通过IX软件采集切换过程中的时延数据，对比传统方案和联动切换方案的时延数据结果，来证明联动切换方案可以有效降低多UE在切换点的上行干扰。

（1）仿真环境

仿真使用自研的LTE-M专网系统，系统通过了LTE-M行业认证测试。使用可编程衰减器模拟切换信号条件，使终端在2个基站之间进行切换。测试业务选用轨道场景中最为重要的CBTC业务（对时延性能要求高）。终端是通过LTE-M行业认证测试的专网终端，仿真参数如表1所示[6]。

（2）仿真结果及分析

按照表1参数对传统切换方案及多UE联动切换方案分别进行仿真，得到的结果如图3和图4所示。仿真以CBTC业务的环回时延作为参考指标，由于CBTC业务对时延性能要求较高，当环回时延超过300 ms时就可能对列车的运行产生影响，时延越高，产生影响的可能性就会越大。

仿真结果中，2种方案仿真时间都为60 min，仿真期间UE切换次数为180。为了便于观看，只截取前10 min共30次切换的仿真结果，如图5和图6所示。

从仿真结果可以看到，非切换点的环回时延稳定在40 ms左右;在切换点，由于UE需要从源小区脱离并且在目的小区接入，整个过程大概会有60 ms左右的数据中断，因此正常情况下在切换点环回时延大概在100 ms左右。

针对仿真结果，分别统计出环回时延在≥150 ms，≥250 ms，≥300 ms的次数。其中，前10 min仿真结果和全部仿真结果的统计情况分别如表2和表3所示。

从统计结果可以看出，在60 min的仿真结果中，传统切换方案环回时延≥150 ms的次数为37（20.5%），≥250 ms的次数为8（4.4%）;相比之下，多UE联动切换方案的统计结果，环回时延≥150 ms的次数为18（10%），≥250 ms的次数为0（0%）。结果表明，多UE联动切换方案相对于传统切换方案，环回时延≥150 ms的出现概率降低了100%，并且出现≥250 ms高时延的概率降到了0%。因此，可以证明多UE联动切换方案能够有效降低多UE在切换点所产生的上行干扰，并且大大降低了切换点的环回时延，提高了列车运行的稳定性。

4结束语

针对LTE-M系统在轨道系统场景多个UE切换时会产生上行干扰的问题，提出了一种多UE联动切换方案。该方案通过基站對多个需要同时切换的UE进行绑定，能够在同一时刻完成小区切换动作，有效降低了切换过程产生的上行干扰，提高了LTE-M系统的可靠性和稳定性。

参考文献

[1]戴克平.LTE-M车-地无线通信系统抗干扰研究[J].铁道通信信号，2017，53（2）：47-50.

[2]蔡京军，丰磊，马兰，等.北京大兴国际机场线基于LTE-M系统的业务综合承载方案[J].城市轨道交通研究，2019，22（12）： 176-181.

[3]李行政，张冬晨，姚文闻，等.一种TD-LTE系统上行干扰三维分析方法[J].电信工程技术与标准化，2016，29（6）：88-92.

[4]赵训威，林辉，张明，等.3GPP长期演进（LTE）系统架构与技术规范[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[5] 3GPP TS 36.413.Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network （E-UTRAN） ;S1 Application Protocol （S1AP）[S]. Sophia Antipolis Cedex，2011.

[6]马康，金杰，苏寒松，等.LTE系统ARQ重传资源重分配[J].计算机工程与应用， 2014，50（12）：106-110.