RRU交織冗余在LTE-R組網中的應用研究

　　王?芳1，2 龐萌萌1，2

　　(1.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京?100070;

　　2.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京?100070)

　　摘要：深入研究LTE-R系統RRU交織冗余組網，包括頻率配置與網絡結構，以及工作方式。對LTE-R無線接入網冗余組網研究具有參考意義。

　　關鍵詞：LTE-R;RRU;交織;冗余

　　Abstract: This paper studies RRU interleaved redundant networking of LTE-R system, including frequency configuration, network structure and operation mode, and it provides reference for redundant networking of LTE-R radio access network.

　　Keywords:?LTE-R; RRU; interleaving; redundancy

　　DOI:?10.3969/j.issn.1673-4440.2017.06.013

　　基金項目：中國鐵路總公司科技研究開發計劃重點課題項目(2016X009-F)

• 文章類別
• 通信系統
• 文章屬性
• 專業知識
• 作者
• 王芳、龐萌萌

• 1 1?概述
• 2 2?RRU交織冗余組網

• 2.1?RRU交織冗余組網頻率配置
• 2.2?RRU交織冗余組網結構

• 2.3?異頻組網工作方式
• 3 3?結論

• 4 參考文獻

　　目前，GSM-R系統承載CTCS-3列控信息傳送時，無線子系統主要采用單基站交織冗余覆蓋方式，以提高GSM-R系統的可靠性，從而保證CTCS-3列控信息的實時、可靠傳輸。當GSM-R系統演進到LTE-R系統，網絡趨於扁平化，不再設置基站控制器(BSC)，基站直接與演進的分組核心網(EPC)以IP方式互聯，而且基站采用分布式形式，CTCS-3列控區段是否仍可采用單基站交織冗余覆蓋方式值得思考。

　　LTE-R系統廣泛采用分布式基站，分布式基站由基帶單元(BBU)和射頻拉遠單元(RRU)組成，RRU可以分布式安裝，這一特點給工程建設帶來了很大的靈活性，同時，在獨立RRU站點可節省傳輸、直流電源及房屋等配套設備設施費用，因此，分布式基站是性價比很高的一種產品形式，本文主要對RRU交織冗余組網進行深入的研究分析。

　　RRU交織冗余組網采用了網絡級冗余技術，相鄰RRU的場強相互覆蓋深度交疊，奇數RRU和偶數RRU分別能獨立進行全覆蓋並保證切換所需重疊覆蓋區。

　　交織組網理論上可以采用同頻組網，也可采用異頻組網，假設鐵路允許使用的頻率資源為n?MHz，則同頻組網的信道帶寬為n?MHz，異頻組網的信道帶寬為n1?MHz和n2?MHz，n1+n2=n。同頻組網和異頻組網時的網絡結構不同。

　　2.2.1?同頻組網網絡結構

　　RRU交織采用同頻組網時，為避免同頻幹擾，需采取相應措施，如分布式基站共小區和多點協作(CoMP)技術。RRU同頻交織冗余組網對RRU進行冗余，單個RRU故障時，由相鄰RRU提供服務，不影響CTCS-3列控信息傳送等應用業務的正常使用。所有RRU采用相同的頻率，信道帶寬為n?MHz。RRU同頻交織冗余組網結構如圖1、2所示。

　　RRU同頻交織冗余組網時，在鐵路沿線任意位置都能夠接收到來自多個不同RRU的無線信號，如果這些信號隸屬不同的邏輯小區，則UE很容易受到幹擾，但如果采用共小區技術，則來自多個不同RRU的無線信號隸屬同一邏輯小區，相當於來自同一基站的多個發射機，不會對UE造成幹擾，圖1、圖2中實線表示一個邏輯小區，虛線表示另一個邏輯小區。

　　CoMP是指地理位置上分離的多個傳輸點，協同參與為一個終端的數據傳輸或者聯合接收一個終端發送的數據，參與協作的多個傳輸點通常指不同小區的基站，CoMP技術的基本思想是在不同的eNodeB之間分享物理層調度信息，從而避免小區間幹擾。在圖1、圖2中，實線和虛線同時覆蓋的區域(RRU3和RR4同時覆蓋的斜線區域)屬於不同的邏輯小區，通過CoMP技術，實線小區將自己的物理調度信息傳遞給虛線小區，虛線小區在分配無線資源的時候，避免使用實線小區使用的資源，從而避免交織覆蓋區域內的碰撞。

　　RRU同頻交織冗余組網存在以下不足。

　　1)當多個信號來自不同邏輯小區，依靠CoMP協同處理，理論上可以保障用戶速率不下降，但實際應用中，會受到區域內用戶設備(UE)數量、CoMP協同算法、X2接口時延等因素的影響，公網中只在體育館等個別場景使用，目前還無法給出在鐵路沿線大範圍使用時的準確數據。

　　2)采用共小區技術，同一邏輯小區的多個RRU共用n?MHz頻率資源，系統容量有限。

　　3)圖1中的RRU同頻交織冗余與單BBU組網方式僅對RRU進行了冗余，每個邏輯小區只設置了一套BBU，當BBU故障或檢修時，此邏輯小區的多個RRU都將停止工作，影響網絡的可用性和可靠性。

　　4)如果同時考慮BBU冗余，如圖2中的RRU同頻交織冗余與雙BBU組網方式，考慮為每個邏輯小區設置備用BBU，主備用BBU異址設置，每套RRU物理連接2套BBU，當主用BBU故障或檢修時，備用BBU啟用。此種組網方式雖然進一步提高了網絡的可靠性，但是，將增加網絡連接和配置的復雜性，網絡需制定備用BBU的啟用策略。

　　通過以上分析，RRU同頻交織冗余組網，可用資源少，網絡容量有限，不同邏輯小區重疊覆蓋區域能夠達到的用戶吞吐率需要進一步驗證，而在BBU冗余的情況下，網絡連接和配置復雜。

　　2.2.2?異頻組網網絡結構

　　RRU異頻交織冗余組網時，對BBU和RRU均進行冗余，相鄰RRU接引不同的BBU，單個BBU或單個RRU故障時，由相鄰RRU提供服務，不影響CTCS-3列控信息傳送等重要業務的正常使用。RRU異頻交織冗余組網結構如圖3所示。

　　RRU異頻交織冗余組網，每個BBU連接的RRU按照異小區設置，每個奇數RRU的信道帶寬為n1?MHz，每個偶數RRU的信道帶寬為n2?MHz，n1+n2=n。因奇數RRU和偶數RRU采用不同的頻率組網，在奇數小區和偶數小區的覆蓋重疊區不需要小區間幹擾協調，網絡配置相對簡單，小區邊緣速率能夠得到保證。而且，當考慮BBU冗余設置時，RRU異頻組網比同頻組網節省一半的BBU數量，從而節省建設投資及維護工作量。

　　2.2.3?網絡結構比選

　　通過上述對同頻組網網絡結構、異頻組網網絡結構的研究和優缺點分析，在網絡連接、網絡配置、系統容量、邊緣速率以及建設投資等方面，RRU異頻交織冗余組網都優於同頻組網。因此，在CTCS-3列控區段LTE-R組網應用中建議采用RRU異頻交織冗余組網結構。

　　根據奇數RRU與偶數RRU是否屬於同一網絡，RRU交織冗余組網又可以分為交織單網組網和交織雙網組網。

　　2.3.1?交織單網工作方式

　　交織單網工作方式簡單，不對無線網絡進行分層，業務集中在一個RRU。

　　2.3.2?交織雙網工作方式

　　交織雙網可采用兩種工作方式：負荷分擔和主備方式。

　　1)雙網負荷分擔方式

　　雙網絡采用負荷分擔的工作方式，分擔不同的業務。對不同業務的終端進行分類，每類終端有不同的網絡附著策略，如隨機接入網絡或優先選擇A網或B網等。

　　CTCS-3列控業務的可靠性要求較高，由於列控車載電臺具備A、B模塊，可考慮列控車載電臺的A、B模塊分別駐留在A、B網絡，當A網基站故障時，A模塊業務中斷，列車靠B模塊提供CTCS-3列控業務，在下一個基站覆蓋區域，A模塊重新加入。反之，B網基站故障亦然。

　　機車綜合無線通信設備(CIR)、手持臺等其他終端可優先駐留在A網或B網。如果當前駐留基站或切換目標基站故障，終端將重新進行網絡選擇，切換到另一個網絡。

　　2)雙網主備方式

　　雙網絡采用主備工作方式，即雙網絡中的A網作為主用層，B網作為備用層。正常情況下，網絡業務由主用層提供，在主用層故障或檢修時，由備用層來提供服務。

　　3)工作方式比選

　　主備方式下網絡實際提供的通信帶寬較小，頻率利用率較低;而負荷分擔方式下網絡提供的實際業務帶寬更大，頻率利用率更高，能更好的滿足鐵路的寬帶化、信息化要求。

　　雙網主備方式在主用A網基站故障時，業務需從A網遷到B網，業務會暫時中斷。雙網負荷分擔方式下的重要列控業務由A、B雙網同時承載(列控系統條件允許的情況下)，單點故障下業務無中斷，可靠性更高。因此，交織雙網組網宜采用負荷分擔工作方式。

　　但是，目前CTCS-3列控系統正常情況下只支持一個模塊工作(在非RBC交權區)，RBC也只支持與單模塊通信，就目前CTCS-3列控系統情況，雙網采用負荷分擔的工作方式下，列控業務也只能采用一層網絡承載，如果所在網絡故障時，會切換到另一層網絡上，也會存在業務暫時中斷的情況，與雙網主備方式相同。

　　2.3.3?交織單網與交織雙網比選

　　在可用頻率帶寬為n?MHz的情況下，交織組網的奇數站和偶數站的信道帶寬分別為n1?MHz和n2?MHz，n1+n2=n。

　　交織單網情況下，業務集中在一個RRU，帶寬為n1?MHz或n2?MHz。

　　交織雙網負荷分擔的方式下，業務可以分擔到相鄰的兩個RRU，實際可用帶寬為n?MHz，因此，交織雙網的容量較大。但是，在終端開機時，要根據終端的類型強制其附著在A網或者B網，在列車運行過程中，正常情況下，還要綜合考慮優先級和電平等切換因素，控制終端隔站切換，避免切換到相鄰RRU上，切換判斷執行復雜，網絡規劃和優化的難度很大，需要制定復雜的網絡附著策略和切換策略。

　　交織單網和交織雙網的具體對比分析如表1所示。

　　通過對交織單網工作方式和交織雙網工作方式的頻率帶寬、鐵路業務應用情況及工程可行性的角度分析和考慮，異頻交織組網宜采用異頻交織單網組網。

　　綜上所述，當GSM-R系統演進到LTE-R系統時，RRU交織冗余組網建議采用異頻組網網絡結構，在異頻組網網絡結構中推薦RRU異頻交織單網組網方式。雖然此方式的頻率利用率不是很高，但可靠性較高，適合於CTCS-3列控區段LTE-R系統的建設。

　　為了發揮出LTE-R寬帶移動通信的優勢，采用RRU異頻交織單網組網需要申請足夠多的頻率資源，使奇數RRU和偶數RRU能分配較高的信道帶寬，以保證納入足夠多的用戶，同時保證單用戶的高吞吐率。

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