高速移动环境下基于载波聚合的切换方法

摘要

本发明涉及一种高速移动环境下基于载波聚合的切换方法，该方法包括：1）源小区基站源eNB向A_UE或RN发送目标小区每个CC信号质量检测命令，A_UE或RN将检测到小区每个CC的信号质量发送给源eNB；2）源eNB向待切换的UE发送测量本小区信号质量的检测命令，切换标准采用RSRQ判断准则，UE计算小区信号质量的RSRQ数值，当该数值低于切换门限时，UE将RSRQ值发送给源eNB。本发明提出了一种其他设备辅助检测CC信号质量的方法，能够使得高速铁路的用户处在铁路高速移动时，快速的进行用户切换。

说明书

技术领域

本发明涉及移动终端设备的切换方法，特别是涉及高速移动环境下基于载波聚合的切换方法。 

背景技术

从京津城际铁路、武广高铁到京沪高铁，200km/h向500km/h，铁路最高时速一次次被刷新。新型列车和速度的提升带来舒适、高效乘车环境的同时，也对铁路专网通信和公网2G/3G通信提出了更为苛刻的要求。 

由于高铁主要的目标客户是商务出行或者旅游出行，用户需要在高建铁路上使用各种移动通信业务。这些业务不仅包括语音业务视频业务、还有高速数据上下行业务。LTE(Long Term Evolution)计划是3GPP组织为在未来的无线接入技术领域保持竞争力而开展的对当前无线接入技术(WCDMA、TD-SCDMA以及CDMA2000)的长期演进计划，可以达到更大的传输速率(上行50Mbit/s、下行100Mbit/s)、更小的延时(用户面小于5ms)、更大的系统容量、更低的运营成本、增强业务能力和对已有的频段和新频段的灵活应用的目的。LTE-Advanced(简称LTE-A)系统是LTE计划的平滑演进，在LTE的基础上增加了对于高速移动的支持，更大的带宽和更高的下行速率，是未来高速移动网络的趋势。 

图1为铁路沿线基站覆盖示意图，高速铁路基站覆盖呈超长线状，高速铁路列车在进行切换时可以快速穿越切换区，用户可能还没有来得及切换成功就已经穿过了切换区，导致切换失败而掉话，同时由于覆盖高铁的小区过多，切换频繁，掉话率高，影响数据业务的应用。 

以GSM-R基站建设为例，基站间的最小距离小于3公里，如果列车的运行速度为360km/h，则30秒就需要进行一次越区切换。 

针对切换问题，中国联通此前已经给各地的高铁沿线网络优化提出了具体要求：相邻小区设置足够的重叠覆盖区域，以满足终端在高速移动过程中对切换时间的要求；考虑到小区间的双向切换，重叠区域距离应为切换距离的2倍以上；可采用小区合并、独立RRU级联、光纤直放站级联等技术，减少小区数量，从而减少小区切换次数；对于跨省、跨本地网的边界小区，应设置切换关系，有条件设置软切换方式的应尽量考虑设置成软切换方式，或者根据实际情况选取合理的切换算法实施网优。 

针对切换问题，山西移动的网优中心也提到，设置“超级小区”是一个办法，即一个BBU和多个RRU串联，使一个小区的覆盖距离达到数公里，保证高速下的信号切换。 

以上两种方案都是通过扩大小区的覆盖区域来增加切换区的覆盖面积，并减少切换的次数，但是并没有解决硬切换过程中带来的问题，图2为LTE的切换过程。由LTE的切换过程可知，在整个切换过程中，存在一个分离时间(Detach Time，DT)，在这段时间中用户没有接入到任何的基站，这就是LTE切换的特点，为了使分离时间尽量短，在网络中要预先建立新的链路。但LTE切换的缺点是通信过程会出现短时的传输中断，因此切换在一定程度上会影响通话质量。如果在中断时间内受到干扰或切换参数设置不合理等因素的影响，会导致切换失败，引起掉话；而且当切换区域面积狭窄时，会出现新基站与原基站之间来回切换的“乒乓效应”，影响业务信道的传输。 

由LTE的切换过程可知，在整个切换过程中，存在一个分离时间(Detach Time，DT)，在这段时间中用户没有接入到任何的基站，这就是LTE切换的特点，为了使分离时间尽量短，在网络中要预先建立新的链路。LTE切换的缺点是通信过程会出现短时的传输中断，因此切换在一定程度上会影响通话质量。而且如果在中断时间内受到干扰或切换参数设置不合理等因素的影响，会导致切换失败，引起掉话；当切换区域面积狭窄时，会出现新基站与原基站之间来回切换的“乒乓效应”，影响业务信道的传输。 

发明内容

为避免以上现有技术的不足，本发明提供一种高速移动终端基于载波聚合的切换方法。以解决高速铁路环境下公网通信中，由于列车快速移动，列车上的用户会快速穿越切换区，引起用户通信质量下降的一系列切换问题。 

本发明的目的通过以下技术方案来实现： 

高速移动环境下基于载波聚合的切换方法，在源小区和目标小区的重叠区域设置有辅助移动终端A_UE或中继节点Relay，该方法包括如下步骤： 

1)源小区基站源eNB向A_UE或RN发送目标小区每个CC信号质量检测命令，A_UE或RN将检测到小区每个CC的信号质量发送给源eNB； 

2)源eNB向待切换的UE发送测量本小区信号质量的检测命令，切换标准采用RSRQ判断准则，UE计算小区信号质量的RSRQ数值，当该数值低于切换门限时，UE将RSRQ值发送给源eNB； 

3)源eNB接收到低于切换门限的RSRQ，对步骤1获得的每个CC的信号质量做出判断，选出信号质量最好的CC作为主RACC，选择信号质量较好的CC作为次RACC； 

4)源eNB向目标eNB发送UE切换请求，要求UE在主RACC上接入目标小区，目标eNB判断主RACC是否有资源可以用于UE接入，如果主RACC可以作为UE接入目标小区的载波，目标eNB向源eNB发送切换请求ACK消息；若主RACC不可以作为UE接入目标小区的载波，则目标eNB向源eNB发送切换请求NACK消息，源eNB向目标eNB再次发送切换请求要求UE在次RACC上接入目标小区； 

5)源eNB向UE发送RACC切换命令，UE收到RACC切换命令后，开始在RACC上和目标eNB建立RRC连接，UE在RACC的接入信道RACH上执行随机接入过程，当和目标eNB的随机接入过程成功完成后，UE向源eNB和目标eNB发送RRC建立完成消息，源eNB或者目标eNB和服务网关之间发送数据双向传输请求，服务网关将UE的用户数据分别发送给源eNB和目标eNB，UE 接收来自源eNB和目标eNB的数据； 

6)当UE接收到源eNB发送的信号值低于一个提前定义好的完全切换门限值时，UE将与源eNB完全断开通信消息，源eNB向目标eNB发送完全切换消息，目标eNB发送完全切换ACK消息给源eNB，并向服务Gateway发送路径转换指令，源eNB在收到完全切换ACK消息后，向UE发送完全切换指示，UE和目标eNB建立完全连接，全部切换过程结束。 

本发明的优点在于： 

1)应用载波聚合技术，结合高速铁路沿线基站分布特点，解决了传统LTE切换中的DT问题，保证了用户的通信质量。

2)提出了一种其他设备辅助检测CC信号质量的方法，能够使得高速铁路的用户处在铁路高速移动时，快速的进行用户切换。 

3)采用了选择信号质量最好和较好两个CC分别作为主RACC和次RACC的方法，保证在主RACC没有资源的情况下选用次RACC进行切换，提高了随机接入的成功率。 

5)在尚未到达与源eNB完全断开的门限之前，同时在多个载波上接收分别来自于源eNB和目标eNB的信号，再进行合并，可以增强信号的接收质量，改善小区边缘UE的通信性能。 

附图说明

图1：铁路沿线基站覆盖示意图； 

图2：MME/Serving Gateway内部切换过程； 

图3.载波聚合原理图； 

图4：本发明载波聚合切换方法流程图； 

图5：本发明面向IMT-Advanced系统的切换场景图示。 

具体实施方式

目前，LTE-A定义中支持的上下行峰值速率分别为500Mbit/s和1Gbit/s，LTE-A的潜在部署频谱包括：450-470MHz，698-862MHz，790-862MHz， 2.3-2.4GHz，3.4-4.2GHz，4.2-4.99GHz等，新频段呈现出离散化和高低分化的趋势。系统带宽为20-100MHz。考虑到现有的频谱分配方式和规划，很难找到够宽的连续频谱来承载LTE-A的100MH z带宽需求。因此，3GPP提出了使用载波聚合技术来解决LTE-A对频带资源的需求。频带聚合技术合理复用了多个频带，使LTE-A的用户能够同时接收带宽超过20MHz的数据。在高速移动场景下，系统至少需要聚合两个载波，源eNB和目标eNB使用不同的成员载波(Component Carrier，CC)为用户传输数据，综合考虑小区用户的业务需求，不同的eNB可以应用大小不等的带宽为用户传输数据。以三个载波为例，如图3所示，3个成员载波(Component Carrier，CC)聚合形成了一个60M的系统带宽：以图3为例，将CC从左向右依次标记为CC1，CC2和CC3，在高速移动场景下，可以假设源eNB应用CC1为用户传输数据，目标eNB应用CC2和CC3为用户传输数据。 

采用MAC层载波聚合，每个载波独立地进行各种物理过程，保留原有系统设计。每个子载波均需分配一个彼此独立的传输块，根据实际链路状况使用不同调制编码方案，每个子载波都有独立的HARQ进程和相应的ACK/NACK反馈，与R8后向兼容性好，每个RLC实体可使用R8定义的PDU，可复用LTE结构和设计，对L2改动小，虽然每个载波的处理复杂度较低，但整体复杂度将增大到N倍(N为载波数量)。 

为了满足未来数据业务的特点，高速铁路沿线的基站为LTE-A系统的基站，高速铁路列车上的用户终端支持载波聚合技术。每个LTE-A基站覆盖下的低速或静止用户终端可以不支持载波聚合技术。如图3所示，聚合在一起的这几个成员载波可以是相邻的，也可以是不相邻的。如果系统带宽由不连续的成员载波聚合而成或者保护带宽2的大小不是子载波(sub-carrier)的整数倍，这时基站发射机需要3个20MHz的IFFT模块而用户终端也需要3个20MHz的FFT模块，这样可以保证用户终端应用不同的FFT模块同时接受不同基站的信号，如果保护带宽2的大小是子载波带宽的整数倍，那么基站需 要一个IFFT模块而用户终端需要一个FFT模块以便应用该模块的不同部分来同时接受不同基站的信号。 

在切换之前，源eNB并不知道UE(用户终端)应用哪个CC用于接入目标eNB会得到更好的通信质量，因此在切换前，源eNodeB需要选择一个CC作为用户接入目标基站的载波(Radio Access Component Carrier，RACC)。 

如图4为本发明载波聚合切换方法的切换流程图过程，下面结合具体例子来说明载波聚合切换流程。图5为本发明面向IMT-Advanced系统的切换场景图示，在高速移动场景下，源eNB应用CC1为用户传输数据，目标eNB应用CC2和CC3为用户传输数据。具体的切换流程如下： 

步骤一：源eNB利用处在源小区和目标小区重叠区域的A_UE或RN发送测量目标小区信号质量的测量控制命令，A_UE或RN检测CC2和CC3的参考信号(Reference Signal，RS)质量并将其定期上报给源eNB，为源eNB选择哪个CC作为RACC做准备。 

其中，基于UE的检测CC信号质量的检测方法中，源eNB可以通过以下两种方式得知哪些UE处在小区的边缘。 

1.如果该A_UE配备了GPS功能，可以得到自己的位置信息，将向源eNB上报自己的位置信息。 

2.UE接收服务小区的RS信号，在一定的频带上测量其功率，与设定好的RSRP的门限值作比较。若小于门限值，则判断为小区边缘用户，并将测得的RSRP值上报到基站端；反之，则判断为小区内部用户，不进行上报。 

另一方面，作为A_UE的用户一定拥有载波聚合能力，传统LTE的UE不具备检测整个系统带宽信号质量的能力。 

步骤二：源eNB向待切换的UE即高速移动的UE发送测量控制命令，UE测量本小区信号质量，UE计算RSRQ数值，当其低于一个提前定义的门限值(切换门限)时，将RSRQ值上报给源eNB。 

步骤三：源eNB接收到低于切换门限的RSRQ，开始执行源小区中的高速 移动用户向目标小区的切换过程，通过步骤一获得的每个CC的信号质量，选出信号质量最好的CC作为主RACC，选择信号质量较好的CC作为次RACC。假设CC2为主RACC，CC3为次RACC。 

步骤四：源eNB向目标eNB发送切换请求要求在CC2上接入目标小区，目标eNB判断CC2是否有资源可以用于UE接入，如果CC2可以作为UE接入目标小区的载波，目标eNB向源eNB发送切换请求ACK消息；若CC2不可以作为UE接入目标小区的载波，则目标eNB向源eNB发送切换请求NACK消息；源eNB向目标eNB再次发送切换请求要求在CC3上接入目标小区，目标eNB向源eNB发送切换请求ACK消息。 

步骤五：源eNB向UE发送RACC(该RACC由步骤四选出)切换命令，UE收到RACC切换命令后，开始在RACC上和目标eNB建立RRC连接，UE在RACC的接入信道(Radio Access Channel，RACH)上执行随机接入过程，当和目标eNB的随机接入过程成功完成后，UE向源eNB和目标eNB发送RRC建立完成消息，源eNB或者目标eNB向服务网关发送双向传输请求，服务网关将用户数据分别发送给源eNB和目标eNB，UE接收来自两个基站的数据，增加了多载波上的分集增益。 

步骤六：当源eNB的信道质量低于一个提前定义好的门限(完全切换门限)，源eNB向目标eNB发送完全切换消息，目标eNB发送完全切换ACK消息给源eNB，并向服务Gateway发送路径转换指令，源eNB在收到完全切换ACK消息后，向UE发送完全切换指示，UE和目标eNB建立完全连接，全部切换过程结束。 

上述基于载波聚合的切换门限有两个，到达步骤二里的切换门限时，说明源eNB的信号质量下降，UE需要建立和目标eNB的连接，此时UE不断开与源eNB的连接，并在RACC上接入到目标eNB；到达步骤六的切换门限时，UE断开与源eNB的连接，接收来自目标eNB的数据。