陳庭德，王海龍，陳 煜

（南京泰通科技股份有限公司，南京 210039）

1 概述

高鐵為人們的出行帶來(lái)了便捷。目前，國(guó)內(nèi)高速鐵路專網(wǎng)移動(dòng)通信系統(tǒng)更新?lián)Q代勢(shì)在必行，5G專網(wǎng)在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用已得到學(xué)術(shù)界和行業(yè)專家的極大關(guān)注。GSM-R 已經(jīng)無(wú)法滿足高鐵通信技術(shù)發(fā)展的需求， 5G-R 更有可能成為鐵路通信系統(tǒng)的新標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱國(guó)鐵集團(tuán)）發(fā)布了《國(guó)鐵集團(tuán)關(guān)于加快推進(jìn)5G 技術(shù)鐵路應(yīng)用發(fā)展的實(shí)施意見(jiàn)》和《鐵路5G 技術(shù)應(yīng)用科技攻關(guān)三年行動(dòng)計(jì)劃》，提出了鐵路5G 專用移動(dòng)通信（5GR）系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)劃和行動(dòng)部署，開(kāi)展了5G-R 關(guān)鍵技術(shù)、技術(shù)裝備和標(biāo)準(zhǔn)體系等相關(guān)研究，從而推進(jìn)5G-R 系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。加快推進(jìn) 5G 技術(shù)應(yīng)用，是推動(dòng)新時(shí)代鐵路高質(zhì)量發(fā)展、實(shí)現(xiàn)交通強(qiáng)國(guó)鐵路先行的重要步驟。移動(dòng)性增強(qiáng)作為超高可靠低時(shí)延特性的關(guān)鍵技術(shù)之一，在鐵路5G 專網(wǎng)中有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景和較高的研究?jī)r(jià)值。

2 移動(dòng)性增強(qiáng)在3GPP 5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的演進(jìn)

國(guó)際電信聯(lián)盟（International Telecommuni cation Union，ITU）定義了5G 的3 大特性，即增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、超高可靠低時(shí)延通信（Ultra-Reliable and Low Latency Communications，URLLC）和大規(guī)模機(jī)器類型通信(Massive Machine Type Communication，mMTC)。第三代合作伙伴項(xiàng)目（3rd Generation Partnership Project，3GPP）是國(guó)際5G 標(biāo)準(zhǔn)化組織之一。R15 版本是3GPP 發(fā)布的第一個(gè)5G 標(biāo)準(zhǔn)，該版本凍結(jié)于2018 年9 月。R15 版本實(shí)現(xiàn)了對(duì)組網(wǎng)模式、信道編碼和增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶等功能的支持。2020 年7 月凍結(jié)的R16 版本對(duì)R15 版本進(jìn)行了擴(kuò)展，并對(duì)R15 版本部分特性進(jìn)行了增強(qiáng)，主要表現(xiàn)在自組織網(wǎng)絡(luò)、大規(guī)模機(jī)器類型通信、超高可靠低時(shí)延通信和移動(dòng)性增強(qiáng)等方面。R17 版本于2022 年6 月凍結(jié)，該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步拓展了5G 的應(yīng)用場(chǎng)景，主要表現(xiàn)在覆蓋增強(qiáng)、進(jìn)一步增強(qiáng)的超高可靠低時(shí)延通信、輕量級(jí)5G 和非地面網(wǎng)絡(luò)（Non-Terrestrial Network，NTN）等方面。移動(dòng)性增強(qiáng)技術(shù)在R16 版本中第一次被提出，在后續(xù)版本中進(jìn)行了進(jìn)一步迭代和優(yōu)化。

3 鐵路5G專網(wǎng)基站覆蓋模型

5G 公網(wǎng)一般采用蜂窩網(wǎng)格覆蓋模型，一個(gè)基站為了覆蓋一個(gè)網(wǎng)格，需將輻射角配置為120°。鐵路5G 專網(wǎng)部署在鐵路沿線，一般采用線性覆蓋模型，如圖1 所示?；咎炀€架設(shè)方式有：?jiǎn)翁炀€覆蓋、雙信源雙天線覆蓋和單信源雙天線覆蓋。為了保障小區(qū)信號(hào)質(zhì)量，提升覆蓋距離，降低能耗，鐵路5G 專網(wǎng)的基站天線輻射角一般配置為90°。鐵路5G 專網(wǎng)基站天線一般采用雙信源雙天線覆蓋方式，如圖1 所示，基站1 會(huì)形成兩個(gè)覆蓋區(qū)域：覆蓋區(qū)域1-L 和覆蓋區(qū)域1-R。為了減少列車在行駛過(guò)程中的切換次數(shù)，鐵路5G 專網(wǎng)使用小區(qū)合并技術(shù)，將覆蓋區(qū)域1-L 和覆蓋區(qū)域1-R 合并成一個(gè)小區(qū)。兩個(gè)相鄰基站的覆蓋區(qū)域會(huì)有重疊區(qū)域，同時(shí)將兩個(gè)相鄰基站的小區(qū)配置成Xn 鄰區(qū)關(guān)系，這樣，在列車行駛在該區(qū)域時(shí)，可以進(jìn)行Xn 鄰區(qū)切換。

圖1 鐵路5G專網(wǎng)基站覆蓋模型Fig.1 Base station coverage model of 5G-R network

4 移動(dòng)性增強(qiáng)技術(shù)

為提升時(shí)延敏感類業(yè)務(wù)的用戶體驗(yàn)，減少切換的中斷時(shí)延，提高切換流程的可靠性與魯棒性，3GPP 在R16 版本中引入了多個(gè)移動(dòng)性增強(qiáng)技術(shù)，包括條件切換（Conditional Handover，CHO）、雙激活協(xié)議棧（Dual Active Protocol Stack，DAPS）和快速切換失敗恢復(fù)（Fast Handover Failure Recovery，F(xiàn)HFR）等。

4.1 條件切換

條件切換是指用戶設(shè)備（User Equipment，UE）在切換時(shí)同時(shí)滿足一個(gè)或多個(gè)切換執(zhí)行條件。用戶設(shè)備根據(jù)條件切換配置開(kāi)始評(píng)估這些執(zhí)行條件，一旦用戶設(shè)備選定一個(gè)條件開(kāi)始執(zhí)行切換，則結(jié)束執(zhí)行條件的評(píng)估。條件切換配置包括候選目標(biāo)基站的候選小區(qū)的條件切換配置和源基站的執(zhí)行條件。一個(gè)執(zhí)行條件可以由一個(gè)或兩個(gè)觸發(fā)條件組成，觸發(fā)條件包括A3 事件、A5 事件、參考信號(hào)類型和信號(hào)質(zhì)量等。如果一個(gè)候選目標(biāo)基站滿足切換執(zhí)行條件時(shí)，用戶設(shè)備直接決定切換，而無(wú)需等待源基站下發(fā)切換命令。當(dāng)條件切換執(zhí)行時(shí)，用戶設(shè)備開(kāi)始在目標(biāo)基站小區(qū)進(jìn)行同步，建立無(wú)線資源控制（Radio Resource Control，RRC）連接。同時(shí)用戶設(shè)備從源基站小區(qū)分離，不再監(jiān)控源基站小區(qū)。在與目標(biāo)基站小區(qū)RRC 連接建立完成后，用戶設(shè)備釋放條件切換配置。

4.2 雙激活協(xié)議棧

雙激活協(xié)議棧功能是指在切換過(guò)程中，用戶設(shè)備在收到切換的RRC 消息之后，會(huì)繼續(xù)保持與源基站小區(qū)的連接，直到在目標(biāo)基站小區(qū)完成隨機(jī)接入才會(huì)釋放與源基站小區(qū)的連接。在雙激活協(xié)議棧切換過(guò)程中，用戶設(shè)備在釋放與源基站小區(qū)連接之前，一直從源基站小區(qū)接收下行用戶數(shù)據(jù)。同樣的，在完成與目標(biāo)基站小區(qū)隨機(jī)接入過(guò)程之前，一直向源基站小區(qū)發(fā)送上行用戶數(shù)據(jù)。

雙激活協(xié)議棧功能需要用戶設(shè)備側(cè)協(xié)議棧支持。在收到切換命令之后，用戶設(shè)備側(cè)協(xié)議棧為目標(biāo)基站小區(qū)創(chuàng)建一個(gè)媒介接入控制（Medium Access Control，MAC）實(shí)體。對(duì)于配置了雙激活協(xié)議棧功能的每一個(gè)數(shù)據(jù)無(wú)線承載（Data Radio Bearer，DRB），為目標(biāo)基站小區(qū)創(chuàng)建一個(gè)無(wú)線鏈路控制（Radio Link Control，RLC）實(shí)體，并且與專業(yè)業(yè)務(wù)信道（Dedicated Traffic Channel，DTCH）邏輯信道進(jìn)行綁定。對(duì)于配置了雙激活協(xié)議棧功能的每一個(gè)DRB，重配分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議（Packet Data Convergence Protocol，PDCP）實(shí)體，包括源基站小區(qū)和目標(biāo)基站小區(qū)各自的安全配置和魯棒性頭部壓縮（Robust Header Compression，ROHC）功能，并且分別與配置的源基站小區(qū)和目標(biāo)基站小區(qū)的RLC 實(shí)體進(jìn)行綁定。

4.3 快速切換失敗恢復(fù)

不支持快速切換失敗恢復(fù)功能的無(wú)線鏈路失敗重建過(guò)程如下：

1）用戶設(shè)備檢測(cè)到與源基站服務(wù)小區(qū)的物理層失去同步，啟動(dòng)T310 定時(shí)器；

2）當(dāng)T310 定時(shí)器超時(shí)，即認(rèn)為無(wú)線鏈路失敗，此時(shí)用戶設(shè)備發(fā)起RRC 重建過(guò)程。

支持快速切換失敗恢復(fù)功能的無(wú)線鏈路失敗重建過(guò)程如下。

1）用戶設(shè)備檢測(cè)到與源基站服務(wù)小區(qū)的物理層失去同步，啟動(dòng)T310 定時(shí)器；

2）在T310 定時(shí)器運(yùn)行期間，用戶設(shè)備檢測(cè)到切換事件的觸發(fā)時(shí)間（Time To Trigger，TTT）滿足時(shí)長(zhǎng)，則啟動(dòng)T312 定時(shí)器；

3）用戶設(shè)備開(kāi)始上報(bào)測(cè)量報(bào)告，準(zhǔn)備發(fā)起切換流程；

4）但直到T312 定時(shí)器超時(shí)，因?yàn)槟承┰?，用戶設(shè)備未收到源基站下發(fā)的切換命令，此時(shí)，T310 定時(shí)器還未超時(shí)，為了盡快恢復(fù)業(yè)務(wù)，用戶設(shè)備即可以認(rèn)為無(wú)線鏈路失敗，從而發(fā)起RRC 重建過(guò)程。

為了減少業(yè)務(wù)的中斷時(shí)間，T312 定時(shí)器的配置時(shí)長(zhǎng)要比T310 定時(shí)器的配置時(shí)長(zhǎng)小得多。

5 移動(dòng)性增強(qiáng)技術(shù)在鐵路5G專網(wǎng)中的應(yīng)用

執(zhí)行條件切換時(shí)，為提高切換成功率，需要有多個(gè)擁有鄰區(qū)關(guān)系的候選目標(biāo)基站小區(qū)。因此，條件切換適用于5G 公網(wǎng)中蜂窩網(wǎng)格覆蓋模型的切換場(chǎng)景。而鐵路5G 專網(wǎng)采用的是線性覆蓋模型，在重疊區(qū)域，一個(gè)小區(qū)一般只有一個(gè)鄰區(qū)，故不推薦在鐵路5G 專網(wǎng)切換場(chǎng)景中使用條件切換。

雙激活協(xié)議棧功能主要是要在用戶設(shè)備執(zhí)行切換時(shí)，為源基站小區(qū)和目標(biāo)基站小區(qū)分別創(chuàng)建各自的協(xié)議棧實(shí)體，這樣可以讓用戶設(shè)備同時(shí)保持與源基站小區(qū)和目標(biāo)基站小區(qū)的連接，從而將業(yè)務(wù)中斷時(shí)延降低到0 ms。該功能同時(shí)適用于5G 公網(wǎng)中蜂窩網(wǎng)格覆蓋模型和鐵路5G 專網(wǎng)中線性覆蓋模型。當(dāng)列車行駛在重疊區(qū)域進(jìn)行切換時(shí)，業(yè)務(wù)不需要中斷，從而有效保障了列車的運(yùn)行安全。

快速切換失敗恢復(fù)功能是在用戶設(shè)備與源基站小區(qū)物理層失去同步，啟動(dòng)時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)的T310 定時(shí)器，在該定時(shí)器還未超時(shí)時(shí)，滿足切換條件，用戶設(shè)備同時(shí)開(kāi)啟時(shí)長(zhǎng)較短的T312 定時(shí)器。一旦T312定時(shí)器超時(shí)，用戶設(shè)備隨即在源基站小區(qū)進(jìn)行RRC連接重建，減少業(yè)務(wù)中斷時(shí)延。T310 定時(shí)器時(shí)長(zhǎng)一般配置為1 000 ms，TTT 一般配置為40 ms，T312 定時(shí)器時(shí)長(zhǎng)一般配置為200 ms，重新接入時(shí)長(zhǎng)大約為60 ms。為保障切換成功率，列車在重疊區(qū)域以最高速行駛時(shí)需有3 次切換機(jī)會(huì)。國(guó)內(nèi)高鐵的運(yùn)行速度最快可以達(dá)到350 km/h，鐵路5G 專網(wǎng)的基站覆蓋半徑大約是2 ～3 km。以高鐵時(shí)速350 km、基站覆蓋半徑3 km 為例，重疊區(qū)域長(zhǎng)度如公式（1）所示。

由公式（1）可知，重疊區(qū)域長(zhǎng)度約為90 m，推薦配置為150 m。切換間距、重疊區(qū)域行駛時(shí)長(zhǎng)、高鐵切換時(shí)間間隔如公式（2）～（4）所示。

由以上可知，切換間距約為5 850 m，高鐵大約每分鐘需要進(jìn)行一次Xn 鄰區(qū)切換，并且需要在1.5 s 之內(nèi)完成切換。

在鐵路5G 專網(wǎng)的組網(wǎng)模型中，由公式（3）可知，高速列車在重疊區(qū)域的行駛時(shí)間大約為1.5 s，列車上的用戶設(shè)備在T312 定時(shí)器超時(shí)后，有足夠的時(shí)間在源基站小區(qū)進(jìn)行重新接入。在5G 公網(wǎng)中，用戶設(shè)備大多都是中低速移動(dòng)，用戶設(shè)備在源基站小區(qū)重建RRC 連接的時(shí)間將會(huì)更充裕。所以，該功能同時(shí)適用于5G 公網(wǎng)覆蓋模型和鐵路5G 專網(wǎng)覆蓋模型，從而減少業(yè)務(wù)中斷時(shí)間，提升系統(tǒng)可靠性。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)移動(dòng)性增強(qiáng)技術(shù)中條件切換、雙激活協(xié)議棧和快速切換失敗恢復(fù)等3 種功能的工作原理進(jìn)行了介紹，分析了這3 種功能的應(yīng)用場(chǎng)景。結(jié)合鐵路5G 專網(wǎng)的組網(wǎng)模型特點(diǎn)，給出了這3 種移動(dòng)性增強(qiáng)技術(shù)在鐵路5G 專網(wǎng)中的應(yīng)用建議。雙激活協(xié)議棧功能和快速切換失敗恢復(fù)功能可明顯減少用戶設(shè)備在切換過(guò)程中業(yè)務(wù)中斷時(shí)延，例如列控信息端到端傳輸時(shí)延，大大提升業(yè)務(wù)體驗(yàn)，有效保障列車的運(yùn)行安全。鐵路5G 通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)正在制定當(dāng)中，希望本文的建議能為鐵路5G 專網(wǎng)的發(fā)展帶來(lái)一些有益的思考。