高速鐵路專網(wǎng)小區(qū)重選與切換策略優(yōu)化探討

李嶸崢 于昕 田曉培

【摘要】本文主要探討了高速鐵路專網(wǎng)小區(qū)重選與切換策略，同時針對高鐵用戶的脫網(wǎng)回切問題，提出了一種創(chuàng)新的單向中繼調(diào)度策略。該優(yōu)化策略部署簡單，可以顯著提高高鐵用戶的專網(wǎng)在網(wǎng)率，降低掉話率，具有很好的推廣價值。

【關(guān)鍵詞】高速鐵路 重選 切換 掉話 單向中繼調(diào)度

近年來，隨著光纖拉遠設(shè)備和分布式基站的大規(guī)模應(yīng)用，使得鐵路沿線鏈型覆蓋成為可能，從而催生了高速鐵路專網(wǎng)的概念，即通過拉遠設(shè)備或分布式基站形成鏈型連續(xù)覆蓋區(qū)對高鐵用戶提供專屬服務(wù)。專網(wǎng)與公網(wǎng)只在車站區(qū)域進行用戶互切，而在高速鐵路沿途則與公網(wǎng)保持相互獨立。獨立的專網(wǎng)設(shè)置減少了高鐵用戶的切換次數(shù)，拉長的小區(qū)間重疊覆蓋距離保證了切換成功率，比單純利用原有站點覆蓋具有更高的可靠性。

隨著高鐵專網(wǎng)的陸續(xù)建設(shè)和投入運營，一些問題也逐步浮現(xiàn)出來，由于快衰落及其他因素的影響，部分高鐵用戶會重選進入公網(wǎng)小區(qū)，受限于專網(wǎng)的高度獨立性，這些用戶將始終無法返回專網(wǎng)，除非進入公網(wǎng)盲區(qū)或再次駛?cè)胲囌?。該問題引起越來越多研究者的關(guān)注，不斷有新的設(shè)想提出。本文也將對專網(wǎng)小區(qū)重選與切換策略優(yōu)化方法進行一些探討，并在第三部分提出一種“單向中繼調(diào)度策略”，主要用以解決專網(wǎng)用戶脫網(wǎng)回切的問題。

1高速鐵路專網(wǎng)覆蓋背景

根據(jù)中國中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃方案，至2012年年底，中國將建成42條高速鐵路客運專線，基本建成以“四縱四橫”為骨架的全國快速客運網(wǎng)，總里程1.3萬公里。高速鐵路的迅速發(fā)展產(chǎn)生了巨大的社會效益，對沿線地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展起到了推進和均衡作用，不同城市間的同城效應(yīng)愈發(fā)顯現(xiàn)，同時也給鐵路的移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋提出了更高要求。更高的車體損耗、更大的多普勒頻移和更頻繁的小區(qū)重選及切換請求等，都是進行鐵路覆蓋規(guī)劃時必須面對的挑戰(zhàn)，其中小區(qū)重選與切換策略始終是困擾網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃者的首要難題。

2傳統(tǒng)專網(wǎng)小區(qū)重選與切換策略

目前較常見的專網(wǎng)小區(qū)重選與切換策略主要有兩種，一種是高度獨立的專網(wǎng)策略，另一種是帶有保護層的專網(wǎng)策略，下邊我們將依次進行必要的分析和論述。

2.1高度獨立的專網(wǎng)策略

最初的專網(wǎng)設(shè)想就是專網(wǎng)層小區(qū)與公網(wǎng)層小區(qū)之間互相不設(shè)臨區(qū)關(guān)系，只在車站區(qū)域通過站臺層小區(qū)進行中轉(zhuǎn)切換，如圖1所示：

圖1高度獨立的專網(wǎng)策略

這種專網(wǎng)策略可以實現(xiàn)專網(wǎng)和公網(wǎng)的有效隔離，而且部署簡單，是目前采用較多的一種建設(shè)方式。但它的缺點也同樣明顯，高鐵用戶在途中一旦脫離專網(wǎng)將無法返回，除非進入公網(wǎng)盲區(qū)或者再次駛?cè)胲囌荆瑢⑹冀K駐留在公網(wǎng)層小區(qū)，而原有公網(wǎng)站點顯然無法滿足高速移動用戶的正常通信需求。

2.2帶有保護帶的專網(wǎng)策略

為了解決專網(wǎng)用戶脫網(wǎng)后無法切回的問題，專網(wǎng)保護帶的概念被引入進來，使用戶在專網(wǎng)和公網(wǎng)間可以進行有條件地重選與切換。

2.2.1連續(xù)保護帶策略

如圖2所示，連續(xù)保護帶策略是在專網(wǎng)和公網(wǎng)間插入一系列連續(xù)的保護層小區(qū)，它和專網(wǎng)層小區(qū)有著相同的連續(xù)覆蓋，可共享站點資源。

圖2連續(xù)保護帶策略

其中各層間存在以下邏輯關(guān)系：

（1）專網(wǎng)層小區(qū)與公網(wǎng)層小區(qū)無切換關(guān)系；

（2）保護層小區(qū)分別與專網(wǎng)層小區(qū)和公網(wǎng)層小區(qū)可自由切換；

（3）專網(wǎng)層小區(qū)內(nèi)的用戶在靜止或低速運動狀態(tài)時，可切換進保護層小區(qū)；

（4）保護層小區(qū)內(nèi)的用戶在高速運動狀態(tài)時優(yōu)先切換進專網(wǎng)層小區(qū)；

（5）專網(wǎng)層小區(qū)內(nèi)的用戶在高速運動狀態(tài)時，只在專網(wǎng)層小區(qū)之間切換。

通過以上配置可以實現(xiàn)高鐵用戶絕大部分時間駐留在專網(wǎng)層，當臨時停車或者降速時進入保護層，即使偶爾進入公網(wǎng)層也可及時切回。在此策略下，專網(wǎng)層和公網(wǎng)層各自承擔高鐵用戶和普通用戶的絕大部分話務(wù)，而保護層則分擔部分低速狀態(tài)高鐵用戶和靠近鐵路的普通用戶話務(wù)，用戶在沿途三層小區(qū)之間動態(tài)切換。

連續(xù)保護層策略雖然有著眾多的優(yōu)勢，但由于在公網(wǎng)之上要建兩張新的連續(xù)鏈型網(wǎng)絡(luò)，對站址和天面要求更高，投資比獨立專網(wǎng)策略增加一倍，且也提高了頻率和擾碼規(guī)劃的難度。

2.2.2不連續(xù)保護帶策略

不連續(xù)保護帶策略可以發(fā)揮保護層在專網(wǎng)和公網(wǎng)間的作用，同時又降低保護層的投資。如圖3所示，脫網(wǎng)的高鐵用戶可以在若干個不連續(xù)的保護區(qū)通過重選或切換回到專網(wǎng)，但由于保護層小區(qū)與重疊覆蓋的專網(wǎng)層小區(qū)互配鄰區(qū)關(guān)系，而各保護層小區(qū)之間又不連續(xù)，這樣會使鄰近鐵路的公網(wǎng)用戶很容易通過保護層進入專網(wǎng)層搶占專網(wǎng)資源，這與專網(wǎng)首要保證高鐵用戶通信需求的出發(fā)點相悖。

圖3不連續(xù)保護帶策略

3專網(wǎng)用戶單向中繼調(diào)度策略

由以上分析可知，如何處理好專網(wǎng)和公網(wǎng)的協(xié)調(diào)關(guān)系是我們制定重選與切換策略的根本出發(fā)點。在此，我們提出一種專網(wǎng)用戶“單向中繼調(diào)度策略”，通過特殊的中繼層完成用戶在專網(wǎng)和公網(wǎng)間的重選與切換。

3.1各層小區(qū)的覆蓋特征

本策略把所有小區(qū)劃分為四個層，它們的覆蓋特征如下：

（1）公網(wǎng)層小區(qū)即現(xiàn)網(wǎng)原有站點小區(qū)，單小區(qū)在鐵路沿線的覆蓋跨度在市區(qū)約為200～400m左右，在郊區(qū)和農(nóng)村約為500～1000m左右；

（2）站臺層小區(qū)為大型車站的分布系統(tǒng)或覆蓋小型車站的宏站小區(qū)，是連接專網(wǎng)和公網(wǎng)的紐帶；

（3）專網(wǎng)層小區(qū)通過拉遠設(shè)備或分布式基站建設(shè)，形成鏈型連續(xù)覆蓋小區(qū)覆蓋整個鐵路沿線，通過設(shè)備級聯(lián)，單小區(qū)覆蓋跨度可達8～10Km，為保證用戶在高速狀態(tài)下切換，小區(qū)間的重疊距離為900～1100m左右；

（4）中繼層小區(qū)和專網(wǎng)層采用相同的建設(shè)方式，可與專網(wǎng)層共站點，單個小區(qū)的覆蓋跨度較小，為4～6Km左右，且不連續(xù)覆蓋整個高鐵線路，只在部分專網(wǎng)切換區(qū)位置部署。兩個中繼層小區(qū)交疊建設(shè)，重疊區(qū)域與兩個專網(wǎng)小區(qū)的重疊區(qū)域相當。

各層小區(qū)對應(yīng)的大致覆蓋跨度關(guān)系如圖4所示：

圖4各層小區(qū)覆蓋跨度關(guān)系示意圖

3.2各層小區(qū)間的邏輯關(guān)系

用戶在各層之間的重選與切換關(guān)系是受各小區(qū)的鄰區(qū)設(shè)置及切換準則控制的，接下來我們對圖5中的調(diào)度區(qū)域內(nèi)各小區(qū)之間的關(guān)系進行描述。

圖5各層小區(qū)間邏輯關(guān)系示意圖

如圖5所示，假設(shè)在一個調(diào)度區(qū)里共有3層12個小區(qū)，分別為專網(wǎng)層的A和B，中繼層的a和b，以及公網(wǎng)層的1～8，它們存在著以下邏輯關(guān)系：

（1）專網(wǎng)層小區(qū)A和B之間保持互相重選與切換關(guān)系；

（2）中繼層小區(qū)a和b之間獨立，無相互重選與切換關(guān)系；

（3）公網(wǎng)層小區(qū)1～8之間，相鄰的小區(qū)互相配置重選與切換關(guān)系；

（4）專網(wǎng)層和公網(wǎng)層小區(qū)之間互相獨立，無直接切換關(guān)系；

（5）專網(wǎng)層與中繼層之間，小區(qū)A和B中的慢速用戶可分別進入小區(qū)a和b，而小區(qū)a和b中的用戶則可分別進入小區(qū)B和A；

（6）中繼層和公網(wǎng)層之間，小區(qū)a和b中的慢速用戶可分別進入小區(qū)1～3和小區(qū)6～8，而只有小區(qū)1和8中的用戶可分別進入小區(qū)a和b，小區(qū)4、5則與中繼層保持完全獨立。

區(qū)分快速和慢速用戶有多種方法，其中最常見一種是P/N準則，即拉長目標小區(qū)信號監(jiān)測時間窗口，在指定時間內(nèi)如果能夠連續(xù)采集到相鄰目標小區(qū)信號則為慢速用戶，如果在該時間段內(nèi)已經(jīng)駛離目標小區(qū)覆蓋范圍則為快速用戶；另一種是切換懲罰時間法則，即在一次切換完成后開始懲罰計時，在規(guī)定的時間內(nèi)不允許進行第二次切換，那么對相鄰目標小區(qū)而言，如果懲罰計時結(jié)束后用戶仍在其切換帶之內(nèi)，則視該用戶則為慢速用戶。

由以上關(guān)系可知，公網(wǎng)層中只有小區(qū)1中的用戶可切入小區(qū)a；中繼層小區(qū)a中的慢速用戶可切入小區(qū)1～3，中繼層小區(qū)a中的向右快速移動用戶只能切入小區(qū)B；專網(wǎng)層小區(qū)A中的慢速用戶可以切入小區(qū)a，如果該用戶繼續(xù)慢速遠離鐵路，將會進而切入公網(wǎng)小區(qū)1～3；在其他幾個對應(yīng)小區(qū)之間同樣也存在這樣的關(guān)系。

3.3用戶在調(diào)度區(qū)的切換流程

為分析不同類型用戶在在調(diào)度區(qū)里的切換行為，我們根據(jù)列車運行方向把總調(diào)度區(qū)分為正反方向兩個分調(diào)度區(qū)來分析。如圖6所示，以正方向為例：

圖6不同方向上的中繼調(diào)度分析圖

（1）如果在正方向行駛的列車上有駐留在公網(wǎng)的用戶，在經(jīng)過公網(wǎng)小區(qū)1時將切換至更優(yōu)覆蓋的中繼小區(qū)a，列車用戶由于高速駛過公網(wǎng)小區(qū)1～3覆蓋區(qū)域而不進行切換操作，該用戶則最終在進入與專網(wǎng)小區(qū)B的重疊覆蓋區(qū)域時回到專網(wǎng)；

（2）如果在公網(wǎng)小區(qū)1里有非高鐵用戶低速運動，那么他可能切入公網(wǎng)小區(qū)2留在公網(wǎng)；也可能切換進中繼小區(qū)a后在慢速經(jīng)過公網(wǎng)小區(qū)1～3覆蓋范圍時再切回公網(wǎng)；

（3）小區(qū)1之外的公網(wǎng)用戶則不能進入中繼小區(qū)a，從而也不能進入專網(wǎng)；

（4）誤入專網(wǎng)小區(qū)A的公網(wǎng)用戶也可以經(jīng)過中繼小區(qū)a回到公網(wǎng)小區(qū)1～3。

中繼層小區(qū)a在整個過程中起到了中繼調(diào)度的作用，可以把滯留公網(wǎng)且正向行駛的列車用戶從小區(qū)1轉(zhuǎn)移到小區(qū)B中；同理，在列車反方向行駛的過程中，中繼層小區(qū)b也起到了這樣的作用。專網(wǎng)層小區(qū)和中繼層小區(qū)的特殊切換關(guān)系決定了這是一個單向作用的過程。

隨著研究和實驗工作的進一步開展，單向中繼調(diào)度策略也會有一些優(yōu)化和調(diào)整，比如為保證脫網(wǎng)高鐵用戶切入中繼層的成功概率，可以調(diào)整允許切入中繼層的公網(wǎng)層小區(qū)數(shù)；為保證中繼層中慢速用戶回到公網(wǎng)，可以依據(jù)周圍站點覆蓋情況來調(diào)整P/N準則參數(shù)和切換時間懲罰值等。

4結(jié)語

在高速鐵路這樣的特殊覆蓋場景中，單靠增強覆蓋提高接收場強并不能保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，小區(qū)間切換配置也同樣顯著地影響用戶感知。單向中繼調(diào)度策略主要是幫助滯留公網(wǎng)的高鐵用戶順利回到專網(wǎng)，同時又有效控制公網(wǎng)用戶進入，部署相對簡單，可選擇兩車站間的一個或幾個專網(wǎng)切換帶來布設(shè)，對整體投資影響不大，具有很好的推廣價值。

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