高速铁路专网小区重选与切换策略优化探讨

李嵘峥 于昕 田晓培

【摘要】本文主要探讨了高速铁路专网小区重选与切换策略，同时针对高铁用户的脱网回切问题，提出了一种创新的单向中继调度策略。该优化策略部署简单，可以显著提高高铁用户的专网在网率，降低掉话率，具有很好的推广价值。

【关键词】高速铁路 重选 切换 掉话 单向中继调度

近年来，随着光纤拉远设备和分布式基站的大规模应用，使得铁路沿线链型覆盖成为可能，从而催生了高速铁路专网的概念，即通过拉远设备或分布式基站形成链型连续覆盖区对高铁用户提供专属服务。专网与公网只在车站区域进行用户互切，而在高速铁路沿途则与公网保持相互独立。独立的专网设置减少了高铁用户的切换次数，拉长的小区间重叠覆盖距离保证了切换成功率，比单纯利用原有站点覆盖具有更高的可靠性。

随着高铁专网的陆续建设和投入运营，一些问题也逐步浮现出来，由于快衰落及其他因素的影响，部分高铁用户会重选进入公网小区，受限于专网的高度独立性，这些用户将始终无法返回专网，除非进入公网盲区或再次驶入车站。该问题引起越来越多研究者的关注，不断有新的设想提出。本文也将对专网小区重选与切换策略优化方法进行一些探讨，并在第三部分提出一种“单向中继调度策略”，主要用以解决专网用户脱网回切的问题。

1高速铁路专网覆盖背景

根据中国中长期铁路网规划方案，至2012年年底，中国将建成42条高速铁路客运专线，基本建成以“四纵四横”为骨架的全国快速客运网，总里程1.3万公里。高速铁路的迅速发展产生了巨大的社会效益，对沿线地区经济发展起到了推进和均衡作用，不同城市间的同城效应愈发显现，同时也给铁路的移动通信网络覆盖提出了更高要求。更高的车体损耗、更大的多普勒频移和更频繁的小区重选及切换请求等，都是进行铁路覆盖规划时必须面对的挑战，其中小区重选与切换策略始终是困扰网络规划者的首要难题。

2传统专网小区重选与切换策略

目前较常见的专网小区重选与切换策略主要有两种，一种是高度独立的专网策略，另一种是带有保护层的专网策略，下边我们将依次进行必要的分析和论述。

2.1高度独立的专网策略

最初的专网设想就是专网层小区与公网层小区之间互相不设临区关系，只在车站区域通过站台层小区进行中转切换，如图1所示：

图1高度独立的专网策略

这种专网策略可以实现专网和公网的有效隔离，而且部署简单，是目前采用较多的一种建设方式。但它的缺点也同样明显，高铁用户在途中一旦脱离专网将无法返回，除非进入公网盲区或者再次驶入车站，将始终驻留在公网层小区，而原有公网站点显然无法满足高速移动用户的正常通信需求。

2.2带有保护带的专网策略

为了解决专网用户脱网后无法切回的问题，专网保护带的概念被引入进来，使用户在专网和公网间可以进行有条件地重选与切换。

2.2.1连续保护带策略

如图2所示，连续保护带策略是在专网和公网间插入一系列连续的保护层小区，它和专网层小区有着相同的连续覆盖，可共享站点资源。

图2连续保护带策略

其中各层间存在以下逻辑关系：

（1）专网层小区与公网层小区无切换关系；

（2）保护层小区分别与专网层小区和公网层小区可自由切换；

（3）专网层小区内的用户在静止或低速运动状态时，可切换进保护层小区；

（4）保护层小区内的用户在高速运动状态时优先切换进专网层小区；

（5）专网层小区内的用户在高速运动状态时，只在专网层小区之间切换。

通过以上配置可以实现高铁用户绝大部分时间驻留在专网层，当临时停车或者降速时进入保护层，即使偶尔进入公网层也可及时切回。在此策略下，专网层和公网层各自承担高铁用户和普通用户的绝大部分话务，而保护层则分担部分低速状态高铁用户和靠近铁路的普通用户话务，用户在沿途三层小区之间动态切换。

连续保护层策略虽然有着众多的优势，但由于在公网之上要建两张新的连续链型网络，对站址和天面要求更高，投资比独立专网策略增加一倍，且也提高了频率和扰码规划的难度。

2.2.2不连续保护带策略

不连续保护带策略可以发挥保护层在专网和公网间的作用，同时又降低保护层的投资。如图3所示，脱网的高铁用户可以在若干个不连续的保护区通过重选或切换回到专网，但由于保护层小区与重叠覆盖的专网层小区互配邻区关系，而各保护层小区之间又不连续，这样会使邻近铁路的公网用户很容易通过保护层进入专网层抢占专网资源，这与专网首要保证高铁用户通信需求的出发点相悖。

图3不连续保护带策略

3专网用户单向中继调度策略

由以上分析可知，如何处理好专网和公网的协调关系是我们制定重选与切换策略的根本出发点。在此，我们提出一种专网用户“单向中继调度策略”，通过特殊的中继层完成用户在专网和公网间的重选与切换。

3.1各层小区的覆盖特征

本策略把所有小区划分为四个层，它们的覆盖特征如下：

（1）公网层小区即现网原有站点小区，单小区在铁路沿线的覆盖跨度在市区约为200～400m左右，在郊区和农村约为500～1000m左右；

（2）站台层小区为大型车站的分布系统或覆盖小型车站的宏站小区，是连接专网和公网的纽带；

（3）专网层小区通过拉远设备或分布式基站建设，形成链型连续覆盖小区覆盖整个铁路沿线，通过设备级联，单小区覆盖跨度可达8～10Km，为保证用户在高速状态下切换，小区间的重叠距离为900～1100m左右；

（4）中继层小区和专网层采用相同的建设方式，可与专网层共站点，单个小区的覆盖跨度较小，为4～6Km左右，且不连续覆盖整个高铁线路，只在部分专网切换区位置部署。两个中继层小区交叠建设，重叠区域与两个专网小区的重叠区域相当。

各层小区对应的大致覆盖跨度关系如图4所示：

图4各层小区覆盖跨度关系示意图

3.2各层小区间的逻辑关系

用户在各层之间的重选与切换关系是受各小区的邻区设置及切换准则控制的，接下来我们对图5中的调度区域内各小区之间的关系进行描述。

图5各层小区间逻辑关系示意图

如图5所示，假设在一个调度区里共有3层12个小区，分别为专网层的A和B，中继层的a和b，以及公网层的1～8，它们存在着以下逻辑关系：

（1）专网层小区A和B之间保持互相重选与切换关系；

（2）中继层小区a和b之间独立，无相互重选与切换关系；

（3）公网层小区1～8之间，相邻的小区互相配置重选与切换关系；

（4）专网层和公网层小区之间互相独立，无直接切换关系；

（5）专网层与中继层之间，小区A和B中的慢速用户可分别进入小区a和b，而小区a和b中的用户则可分别进入小区B和A；

（6）中继层和公网层之间，小区a和b中的慢速用户可分别进入小区1～3和小区6～8，而只有小区1和8中的用户可分别进入小区a和b，小区4、5则与中继层保持完全独立。

区分快速和慢速用户有多种方法，其中最常见一种是P/N准则，即拉长目标小区信号监测时间窗口，在指定时间内如果能够连续采集到相邻目标小区信号则为慢速用户，如果在该时间段内已经驶离目标小区覆盖范围则为快速用户；另一种是切换惩罚时间法则，即在一次切换完成后开始惩罚计时，在规定的时间内不允许进行第二次切换，那么对相邻目标小区而言，如果惩罚计时结束后用户仍在其切换带之内，则视该用户则为慢速用户。

由以上关系可知，公网层中只有小区1中的用户可切入小区a；中继层小区a中的慢速用户可切入小区1～3，中继层小区a中的向右快速移动用户只能切入小区B；专网层小区A中的慢速用户可以切入小区a，如果该用户继续慢速远离铁路，将会进而切入公网小区1～3；在其他几个对应小区之间同样也存在这样的关系。

3.3用户在调度区的切换流程

为分析不同类型用户在在调度区里的切换行为，我们根据列车运行方向把总调度区分为正反方向两个分调度区来分析。如图6所示，以正方向为例：

图6不同方向上的中继调度分析图

（1）如果在正方向行驶的列车上有驻留在公网的用户，在经过公网小区1时将切换至更优覆盖的中继小区a，列车用户由于高速驶过公网小区1～3覆盖区域而不进行切换操作，该用户则最终在进入与专网小区B的重叠覆盖区域时回到专网；

（2）如果在公网小区1里有非高铁用户低速运动，那么他可能切入公网小区2留在公网；也可能切换进中继小区a后在慢速经过公网小区1～3覆盖范围时再切回公网；

（3）小区1之外的公网用户则不能进入中继小区a，从而也不能进入专网；

（4）误入专网小区A的公网用户也可以经过中继小区a回到公网小区1～3。

中继层小区a在整个过程中起到了中继调度的作用，可以把滞留公网且正向行驶的列车用户从小区1转移到小区B中；同理，在列车反方向行驶的过程中，中继层小区b也起到了这样的作用。专网层小区和中继层小区的特殊切换关系决定了这是一个单向作用的过程。

随着研究和实验工作的进一步开展，单向中继调度策略也会有一些优化和调整，比如为保证脱网高铁用户切入中继层的成功概率，可以调整允许切入中继层的公网层小区数；为保证中继层中慢速用户回到公网，可以依据周围站点覆盖情况来调整P/N准则参数和切换时间惩罚值等。

4结语

在高速铁路这样的特殊覆盖场景中，单靠增强覆盖提高接收场强并不能保证网络服务质量，小区间切换配置也同样显著地影响用户感知。单向中继调度策略主要是帮助滞留公网的高铁用户顺利回到专网，同时又有效控制公网用户进入，部署相对简单，可选择两车站间的一个或几个专网切换带来布设，对整体投资影响不大，具有很好的推广价值。

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