GSM-R/LTE-R雙模終端的一種雙網(wǎng)互助方法分析

王亮， 張路昊

（鼎橋通信技術(shù)有限公司，上海 201206）

0 引言

GSM-R 是鐵路通信行業(yè)綜合專用的數(shù)字移動通信系統(tǒng)，作為鐵路無線通信的承載體，承載調(diào)度、信號、集群通信和監(jiān)控數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)。但GSM-R受限于2G技術(shù)窄帶通信的局限性，其承載數(shù)據(jù)能力弱等缺點也逐漸暴露［1］。綜合分析，LTE-R 更適合作為GSM-R 未來演進(jìn)的路徑，GSM-R 系統(tǒng)向基于LTE 技術(shù)的LTE-R 過渡已成為一種必然趨勢。GSM-R 向LTE-R 的平滑過渡也成為各方關(guān)注的焦點問題。目前主流方案普遍采用分階段進(jìn)行，前期是既有GSM-R 網(wǎng)絡(luò)和未來建設(shè)LTE 系統(tǒng)并行［2］，伴隨LTE 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)維經(jīng)驗逐漸成熟，越來越多的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)到LTE-R網(wǎng)絡(luò)承載［3］。

文獻(xiàn)［1-10］中主要側(cè)重于GSM-R 向LTE-R 演進(jìn)過程中的技術(shù)路線和關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)體制選擇技術(shù)建議，以及公網(wǎng)場景中通用的3GPP 技術(shù)協(xié)議規(guī)定的終端行為和空口信令流程，以及鐵路下一代移動通信系統(tǒng)中時延、質(zhì)量和安全等方面的技術(shù)建議，未涉及GSM-R 與LTE-R 共存場景中的雙模互助技術(shù)，以及鐵路專用場景中雙制式共存路段的終端關(guān)鍵性業(yè)務(wù)的駐留優(yōu)先問題。因此，基于3GPP 協(xié)議，參考公網(wǎng)2G/3G/4G 互操作，并結(jié)合GSM-R 向LTE-R 演進(jìn)實際業(yè)務(wù)需求，提出一套完整的雙模終端互助解決方案，包括信令流程和參數(shù)配置建議。

1 雙網(wǎng)互助策略概述

與GSM-R 系統(tǒng)相比，LTE-R 系統(tǒng)容量能力相對較大，業(yè)務(wù)承載容量能力強(qiáng)，具備兼容GSM-R 系統(tǒng)承載業(yè)務(wù)的能力。雙模終端可以視為除具備GSM-R 基礎(chǔ)業(yè)務(wù)能力外，還具備在LTE-R 網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行寬帶業(yè)務(wù)的增強(qiáng)型終端。所以對于雙模終端在無線接入網(wǎng)的互操作總體策略為：雙模終端在有LTE-R 覆蓋區(qū)域優(yōu)選駐留在LTE-R 網(wǎng)絡(luò)，執(zhí)行寬帶及窄帶業(yè)務(wù)；在LTE-R 無覆蓋或覆蓋較弱的區(qū)段，雙模終端空閑態(tài)下重選到GSM-R網(wǎng)絡(luò)（見圖1）；對于連接態(tài)終端，為避免寬帶業(yè)務(wù)對GSM-R 網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的沖擊，需觸發(fā)釋放業(yè)務(wù)，重定向到GSM-R 網(wǎng)絡(luò)；對于已經(jīng)駐留GSM-R 網(wǎng)絡(luò)且執(zhí)行業(yè)務(wù)的終端，為了不影響業(yè)務(wù)的連續(xù)性，需要等到終端業(yè)務(wù)結(jié)束的空閑態(tài)，再執(zhí)行高優(yōu)先級頻點測量和重選。要實現(xiàn)此目標(biāo)，需要通過配置頻點優(yōu)先級，異系統(tǒng)鄰區(qū)配置與測量等手段實現(xiàn)［4］。此外還要區(qū)分終端在用業(yè)務(wù)的當(dāng)前狀態(tài)，空閑態(tài)和業(yè)務(wù)態(tài)終端的處理策略有所不同。

圖1 空閑態(tài)終端雙模重選網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)

對于GSM-R 終端，在執(zhí)行群組業(yè)務(wù)（廣播業(yè)務(wù)）監(jiān)聽時，屬于在公共信道上接收的非連接態(tài)的業(yè)務(wù)狀態(tài)，因此這種狀態(tài)的終端在GSM-R 系統(tǒng)中進(jìn)行跨越小區(qū)采用的是小區(qū)重選，不同于在GSM公網(wǎng)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，典型語音電話的業(yè)務(wù)狀態(tài)（處于連接狀態(tài)，跨小區(qū)走小區(qū)切換）。因此需要對這種業(yè)務(wù)狀態(tài)的GSM-R 終端進(jìn)行識別并做特殊處理，有別于公網(wǎng)的2G與4G的異系統(tǒng)重選，而對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，跨系統(tǒng)屬于連接態(tài)雙網(wǎng)互助，將在第3部分闡述。

2 空閑態(tài)終端的互操作方案

空閑態(tài)終端的跨制式（Inter-RAT）行為，是通過Inter-RAT 的頻點測量和小區(qū)重選實現(xiàn)的?？缰剖降腎nter-RAT 和小區(qū)重選行為規(guī)則，取決于基站側(cè)不同制式頻點優(yōu)先級的配置［5］。根據(jù)LTE-R和GSM-R兩個制式網(wǎng)絡(luò)的特征，雙模終端優(yōu)先駐留承載能力更強(qiáng)的LTE-R網(wǎng)絡(luò)，因此在基站側(cè)配置E-UTRAN即LTE-R的頻點優(yōu)先級要高于GSM-R 系統(tǒng)的GERAN 頻點集合的優(yōu)先級?；ゲ僮鲌?zhí)行分析均基于此配置原則進(jìn)行。

2.1 互操作重選配置

（1）在LTE-R 基站配置GSM-R 制式的外部小區(qū)和鄰區(qū)。配置的GSM-R 外部小區(qū)和鄰區(qū)，包含這些小區(qū)的PLMN、EGRAN 小區(qū)ID、LAC 等信息。這些信息將用于雙模終端駐留GSM-R 時進(jìn)行Inter-RAT 測量LTE-R 頻點信號強(qiáng)度和異系統(tǒng)目標(biāo)小區(qū)的準(zhǔn)確識別。以上基本配置，將在雙模終端成功駐留LTE-R小區(qū)后，通過LTE-R 的系統(tǒng)消息SIB7 下發(fā)給終端，終端根據(jù)配置的指示進(jìn)行GSM-R頻點的測量。

（2）在GSM-R 基站側(cè)增加LTE-R 的外部小區(qū)和鄰區(qū)配置包括PLMN、小區(qū)CI、PCI、TAC、頻點號等。這些信息將用于雙模終端駐留LTE-R 時進(jìn)行Inter-RAT測量GSM-R 頻點信號強(qiáng)度和異系統(tǒng)目標(biāo)小區(qū)的準(zhǔn)確識別。

（3）頻點信息與頻點優(yōu)先級。重選互操作的前提，就是在滿足一定條件下對Inter-RAT 的頻點進(jìn)行信號強(qiáng)度測量。因此需要在GSM-R 基站側(cè)配置LTE-R 的頻點和對應(yīng)優(yōu)先級，在LTE-R 基站側(cè)配置GSM-R 的頻點和對應(yīng)優(yōu)先級。3GPP 中規(guī)定的頻點優(yōu)先級為1～7，數(shù)字越大優(yōu)先級越高。在此，按照GSM-R 頻點優(yōu)先級為6，LTE-R 頻點優(yōu)先級為7，即LTE-R 的頻點優(yōu)先級高于GSM-R頻點優(yōu)先級。

（4）關(guān)鍵重選門限參數(shù)。重選門限參數(shù)主要用于定量判定是否符合重選條件，判定主要依據(jù)LTE-R 的信號強(qiáng)度RSRP、GSM-R 的信號強(qiáng)度Rxlev 及觸發(fā)時間等關(guān)鍵要素（見表1）。

（5）重選參數(shù)的計算。在（4）中僅列舉了關(guān)鍵配置參數(shù)，且參數(shù)一般以相對值形式在網(wǎng)上配置，絕對門限的計算方法如下：

實際啟動“低優(yōu)先級異系統(tǒng)測量啟動門限”的絕對值為：SInterRAT-LowPriority-search=-64×2+10×2+4=-104 dBm，LTE-R 的“服務(wù)頻點低優(yōu)先級重選門限”SInterRAT-LowPriori-ty-reselect=-64×2+4×2+4=-116 dBm；LTE-R 小區(qū)最低接入電平-64 dBm，異系統(tǒng)測量啟動門限10，異系統(tǒng)重選門限4。

表1 重選算法關(guān)鍵參數(shù)

2.2 從LTE-R到GSM-R重選判定

因LTE-R 的頻點優(yōu)先級高于GSM-R 的頻點優(yōu)先級，因此啟動測量和重選執(zhí)行分別遵循對低優(yōu)先級頻點測量和重選執(zhí)行策略。

啟動測量：對低優(yōu)先級的異系統(tǒng)頻點，當(dāng)前LTE-R 小區(qū)的覆蓋水平滿足RSRPserv＜“異系統(tǒng)測量啟動門限”時，則啟動對配置的異系統(tǒng)GSM-R 頻點的Rxlevnonserv測量。

重選評估：LTE系統(tǒng)的Inter-RAT小區(qū)重選的評估，包括：（1）對當(dāng)前小區(qū)LTE-R 小區(qū)的RSRPserv測量，考慮一定偏置等綜合計算得出Sserv；（2）異系統(tǒng)GSM-R鄰小區(qū)頻點信號質(zhì)量Rxlev的測量，考慮一定偏置等綜合計算得出Sinter-RAT。當(dāng)測量結(jié)果（1）中Sserv＜“服務(wù)頻點低優(yōu)先級重選門限”，測量結(jié)果（2）中GSM-R 頻點的Sinter-RAT＞“異系統(tǒng)低優(yōu)先級頻點重選門限”，且持續(xù)滿足（1）和（2）的時間達(dá)到重選持續(xù)時長Treselection。滿足以上條件后，雙模終端滿足LTE-R 到GSM-R 重選的條件，執(zhí)行重選。重選測量流程見圖2。

通過重選駐留GSM-R 小區(qū)后，終端通過位置區(qū)更新和附著過程向GSM-R 核心網(wǎng)登記狀態(tài)，以便通過GSM-R 系統(tǒng)接收尋呼及根據(jù)需要發(fā)起GSM-R 相關(guān)業(yè)務(wù)。

2.3 從GSM-R到LTE-R重選過程

圖2 從LTE-R到GSM-R重選測量流程

雙模終端駐留GSM-R 小區(qū)，需要獲取配置異系統(tǒng)的LTE-R 鄰小區(qū)和頻點信息。這些信息為通過GSM-R系統(tǒng)消息SI2 Quarter 中下發(fā)的信息，包含GSM-R 的異系統(tǒng)重選信息：包括GSM-R 服務(wù)小區(qū)優(yōu)先級、重選門限、基于優(yōu)先級的重選遲滯、接收信號最小值等信息。同時能獲取LTE-R 鄰區(qū)信息，包括LTE-R 鄰區(qū)頻點（EARFCN），頻點優(yōu)先級（E-UTRANpriority）。從GSM-R到LTE-R 的重選屬于向高優(yōu)先級重選，需要遵循高優(yōu)先級頻點測量和重選策略。

啟動測量：UE 駐留GSM-R 小區(qū)，如果當(dāng)前GSM-R 小區(qū)配置了LTE-R 鄰小區(qū)，則會在系統(tǒng)消息SI2 Quarter 中，讀取到2 者頻點優(yōu)先級數(shù)據(jù)。由于GSM-R 頻點優(yōu)先級配置低于LTE-R，則按照對高優(yōu)先級頻點的測量策略，駐留GSM-R 的空閑態(tài)終端始終對高優(yōu)先級頻點進(jìn)行測量。

由于GSM 公網(wǎng)沒有涉及用戶業(yè)務(wù)的組播和廣播業(yè)務(wù)，而GSM-R存在典型的集群語音業(yè)務(wù)（VGCS）和廣播業(yè)務(wù)（VBS），處于GSM-R 群組監(jiān)聽和廣播監(jiān)聽狀態(tài)的用戶，因為沒有DCH/DTCH 信道，終端在GSM-R 系統(tǒng)內(nèi)跨小區(qū)是進(jìn)行類似公網(wǎng)空閑態(tài)終端的小區(qū)重選，如果不加特殊處理，也等同進(jìn)行異系統(tǒng)測量和異系統(tǒng)重選，則可能會出現(xiàn)因跨系統(tǒng)重選而影響業(yè)務(wù)的情況。因此對于GSM-R/LTE-R 終端，只要處于集群語音監(jiān)聽或廣播監(jiān)聽狀態(tài)，則不啟動高優(yōu)先級異系統(tǒng)測量及跨系統(tǒng)的重選評估，以保證業(yè)務(wù)。而對于集群主講或其他類型語音業(yè)務(wù)及GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，則按照連接態(tài)方式處理。

重選評估：GSM-R 終端對配置的LTE-R 鄰區(qū)頻點進(jìn)行Inter-RAT 測量，當(dāng)滿足測量的LTE-R 頻點RSRP大于高優(yōu)先級E-UTRAN門限值，且保持一段時間（通過參數(shù)Treselection確定），則雙模終端執(zhí)行從GSM-R 小區(qū)向LTE-R小區(qū)的重選。重選測量流程見圖3。

圖3 從GSM-R到LTE-R重選測量流程

在終端重選駐留LTE-R 小區(qū)后，終端通過追蹤區(qū)更新和附著過程向LTE-R 核心網(wǎng)登記狀態(tài)，此后便可以正常通過LTE-R 系統(tǒng)接收尋呼及根據(jù)需要發(fā)起LTE-R相關(guān)業(yè)務(wù)［6］。

3 連接態(tài)終端從LTE-R到GSM-R雙模操作

3.1 連接態(tài)從LTE-R到GSM-R方案

處在LTE-R 制式下的正在做業(yè)務(wù)的連接態(tài)終端，即存在RRC連接的終端［7］，如MCPTT組呼主講［8］、點呼以及視頻、數(shù)傳等業(yè)務(wù)均包含在此［9］。此場景雙模的互操作則通過異系統(tǒng)切換或重定向的方式進(jìn)行。考慮到LTE-R 進(jìn)行的業(yè)務(wù)類型存在大帶寬需求業(yè)務(wù)，如果采用切換方式，可能對GSM-R 系統(tǒng)造成負(fù)荷沖擊及影響。因此，連接態(tài)終端從LTE-R 到GSM-R 依賴重定向方式實現(xiàn)。在eNB 側(cè)通過下發(fā)A2 的測量控制消息，消息中包含對異系統(tǒng)測量的相關(guān)參數(shù)。當(dāng)滿足A2 事件條件時，終端上報A2事件［10］，LTE-R系統(tǒng)側(cè)觸發(fā)終端進(jìn)行RRC 連接釋放并在釋放消息中攜帶目標(biāo)GSM-R 小區(qū)信息，便于終端快速駐留GSM-R小區(qū)。具體過程為：

（1）雙模終端測量當(dāng)前E-UTRAN 小區(qū)的RSRP低于A2 門限，則上報A2 事件。eNB 則會對終端下發(fā)RRC connection release 消息，攜帶信息通知UE 重定向到一個GSM-R鄰區(qū)。選擇的這個GSM-R系統(tǒng)鄰區(qū)，是來自eNB 側(cè)已經(jīng)配置的異系統(tǒng)小區(qū)表。因為該過程不需要對GSM-R 小區(qū)的測量，故對終端的測量能力實現(xiàn)簡單，該過程為盲重定向。

（2）相對于（1）的更精確復(fù)雜方式是，雙模終端測量當(dāng)前E-UTRAN 小區(qū)的RSRP 低于A2門限，則上報A2 事件。收到A2 事件上報的eNB 下發(fā)B2 的測量控制消息，UE會根據(jù)B2里面的內(nèi)容指示測量，測量到相應(yīng)IRAT 小區(qū)上報后，eNB 摘取里面的IRAT 小區(qū)通過RRC connection release 消息，通知UE 進(jìn)行重定向。此種方式要求雙模終端具備對GERAN頻點的B2測量能力支持，換來的優(yōu)勢是重定向到的是一個經(jīng)過測量信號質(zhì)量有保障的GSM-R小區(qū)。

上述過程共性是：連接態(tài)的LTE-R 終端，在LTE-R網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量變差到低于門限時，觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)側(cè)控制的重定向流程，釋放LTE-R 無線鏈路后快速駐留某GSM-R 小區(qū)，然后位置區(qū)更新和附著過程向GSM-R 核心網(wǎng)登記狀態(tài)。根據(jù)業(yè)務(wù)特點，如果是GSM-R 可承載的業(yè)務(wù)（如語音或小數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)），則通過GSM-R網(wǎng)絡(luò)重新接入恢復(fù)業(yè)務(wù)；如果之前是寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，則重定向過程自動切斷，避免對GSM-R系統(tǒng)接入網(wǎng)的負(fù)荷沖擊。

3.2 連接態(tài)從GSM-R到LTE-R方案

鑒于GSM-R 網(wǎng)絡(luò)覆蓋較完整，并綜合考慮在GSM-R 網(wǎng)絡(luò)上承載窄帶相關(guān)業(yè)務(wù)連續(xù)性，對于業(yè)務(wù)狀態(tài)的GSM-R 的雙模終端，在業(yè)務(wù)存續(xù)期間，不主動測量LTE-R頻點，進(jìn)而避免業(yè)務(wù)狀態(tài)GSM-R到LTE-R的雙模操作與業(yè)務(wù)影響。連接態(tài)終端的業(yè)務(wù)包括VGCS/VBS 等移動主講，語音點呼，GPRS 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等。當(dāng)業(yè)務(wù)釋放后回到GSM-R 的空閑態(tài)，在有LTE-R 網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域，通過雙模終端在GSM-R 網(wǎng)絡(luò)空閑態(tài)的小區(qū)重選回LTE-R網(wǎng)絡(luò)。

4 結(jié)束語

GSM-R 向LTE-R 網(wǎng)絡(luò)的逐步過渡演進(jìn)是鐵路無線通信系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，而平穩(wěn)過渡是向LTE-R 演進(jìn)發(fā)展的關(guān)鍵。在LTE-R 逐步建設(shè)和GSM-R 業(yè)務(wù)向LTE-R 網(wǎng)絡(luò)遷移過渡的較長時間段背景下，提出一套按照配置參數(shù)有控制地實現(xiàn)雙模終端在2張網(wǎng)接入網(wǎng)側(cè)的測量和重選、重定向的雙網(wǎng)互助無線接入網(wǎng)策略，實現(xiàn)GSM-R向LTE-R的平穩(wěn)過渡。