RRU交织冗余在LTE-R组网中的应用研究
王 芳1，2 庞萌萌1，2
(1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070;
2.北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)
摘要：深入研究LTE-R系统RRU交织冗余组网，包括频率配置与网络结构，以及工作方式。对LTE-R无线接入网冗余组网研究具有参考意义。
关键词：LTE-R;RRU;交织;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
基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划重点课题项目(2016X009-F)
- 文章类别
- 通信系统
- 文章属性
- 专业知识
- 作者
- 王芳、庞萌萌
目前，GSM-R系统承载CTCS-3列控信息传送时，无线子系统主要采用单基站交织冗余覆盖方式，以提高GSM-R系统的可靠性，从而保证CTCS-3列控信息的实时、可靠传输。当GSM-R系统演进到LTE-R系统，网络趋于扁平化，不再设置基站控制器(BSC)，基站直接与演进的分组核心网(EPC)以IP方式互联，而且基站采用分布式形式，CTCS-3列控区段是否仍可采用单基站交织冗余覆盖方式值得思考。
LTE-R系统广泛采用分布式基站，分布式基站由基带单元(BBU)和射频拉远单元(RRU)组成，RRU可以分布式安装，这一特点给工程建设带来了很大的灵活性，同时，在独立RRU站点可节省传输、直流电源及房屋等配套设备设施费用，因此，分布式基站是性价比很高的一种产品形式，本文主要对RRU交织冗余组网进行深入的研究分析。
RRU交织冗余组网采用了网络级冗余技术，相邻RRU的场强相互覆盖深度交叠，奇数RRU和偶数RRU分别能独立进行全覆盖并保证切换所需重叠覆盖区。
交织组网理论上可以采用同频组网，也可采用异频组网，假设铁路允许使用的频率资源为n MHz，则同频组网的信道带宽为n MHz，异频组网的信道带宽为n1 MHz和n2 MHz，n1+n2=n。同频组网和异频组网时的网络结构不同。
2.2.1 同频组网网络结构
RRU交织采用同频组网时，为避免同频干扰，需采取相应措施，如分布式基站共小区和多点协作(CoMP)技术。RRU同频交织冗余组网对RRU进行冗余，单个RRU故障时，由相邻RRU提供服务，不影响CTCS-3列控信息传送等应用业务的正常使用。所有RRU采用相同的频率，信道带宽为n MHz。RRU同频交织冗余组网结构如图1、2所示。
RRU同频交织冗余组网时，在铁路沿线任意位置都能够接收到来自多个不同RRU的无线信号，如果这些信号隶属不同的逻辑小区，则UE很容易受到干扰，但如果采用共小区技术，则来自多个不同RRU的无线信号隶属同一逻辑小区，相当于来自同一基站的多个发射机，不会对UE造成干扰，图1、图2中实线表示一个逻辑小区，虚线表示另一个逻辑小区。
CoMP是指地理位置上分离的多个传输点，协同参与为一个终端的数据传输或者联合接收一个终端发送的数据，参与协作的多个传输点通常指不同小区的基站，CoMP技术的基本思想是在不同的eNodeB之间分享物理层调度信息，从而避免小区间干扰。在图1、图2中，实线和虚线同时覆盖的区域(RRU3和RR4同时覆盖的斜线区域)属于不同的逻辑小区，通过CoMP技术，实线小区将自己的物理调度信息传递给虚线小区，虚线小区在分配无线资源的时候，避免使用实线小区使用的资源，从而避免交织覆盖区域内的碰撞。
RRU同频交织冗余组网存在以下不足。
1)当多个信号来自不同逻辑小区，依靠CoMP协同处理，理论上可以保障用户速率不下降，但实际应用中，会受到区域内用户设备(UE)数量、CoMP协同算法、X2接口时延等因素的影响，公网中只在体育馆等个别场景使用，目前还无法给出在铁路沿线大范围使用时的准确数据。
2)采用共小区技术，同一逻辑小区的多个RRU共用n MHz频率资源，系统容量有限。
3)图1中的RRU同频交织冗余与单BBU组网方式仅对RRU进行了冗余，每个逻辑小区只设置了一套BBU，当BBU故障或检修时，此逻辑小区的多个RRU都将停止工作，影响网络的可用性和可靠性。
4)如果同时考虑BBU冗余，如图2中的RRU同频交织冗余与双BBU组网方式，考虑为每个逻辑小区设置备用BBU，主备用BBU异址设置，每套RRU物理连接2套BBU，当主用BBU故障或检修时，备用BBU启用。此种组网方式虽然进一步提高了网络的可靠性，但是，将增加网络连接和配置的复杂性，网络需制定备用BBU的启用策略。
通过以上分析，RRU同频交织冗余组网，可用资源少，网络容量有限，不同逻辑小区重叠覆盖区域能够达到的用户吞吐率需要进一步验证，而在BBU冗余的情况下，网络连接和配置复杂。
2.2.2 异频组网网络结构
RRU异频交织冗余组网时，对BBU和RRU均进行冗余，相邻RRU接引不同的BBU，单个BBU或单个RRU故障时，由相邻RRU提供服务，不影响CTCS-3列控信息传送等重要业务的正常使用。RRU异频交织冗余组网结构如图3所示。
RRU异频交织冗余组网，每个BBU连接的RRU按照异小区设置，每个奇数RRU的信道带宽为n1 MHz，每个偶数RRU的信道带宽为n2 MHz，n1+n2=n。因奇数RRU和偶数RRU采用不同的频率组网，在奇数小区和偶数小区的覆盖重叠区不需要小区间干扰协调，网络配置相对简单，小区边缘速率能够得到保证。而且，当考虑BBU冗余设置时，RRU异频组网比同频组网节省一半的BBU数量，从而节省建设投资及维护工作量。
2.2.3 网络结构比选
通过上述对同频组网网络结构、异频组网网络结构的研究和优缺点分析，在网络连接、网络配置、系统容量、边缘速率以及建设投资等方面，RRU异频交织冗余组网都优于同频组网。因此，在CTCS-3列控区段LTE-R组网应用中建议采用RRU异频交织冗余组网结构。
根据奇数RRU与偶数RRU是否属于同一网络，RRU交织冗余组网又可以分为交织单网组网和交织双网组网。
2.3.1 交织单网工作方式
交织单网工作方式简单，不对无线网络进行分层，业务集中在一个RRU。
2.3.2 交织双网工作方式
交织双网可采用两种工作方式：负荷分担和主备方式。
1)双网负荷分担方式
双网络采用负荷分担的工作方式，分担不同的业务。对不同业务的终端进行分类，每类终端有不同的网络附着策略，如随机接入网络或优先选择A网或B网等。
CTCS-3列控业务的可靠性要求较高，由于列控车载电台具备A、B模块，可考虑列控车载电台的A、B模块分别驻留在A、B网络，当A网基站故障时，A模块业务中断，列车靠B模块提供CTCS-3列控业务，在下一个基站覆盖区域，A模块重新加入。反之，B网基站故障亦然。
机车综合无线通信设备(CIR)、手持台等其他终端可优先驻留在A网或B网。如果当前驻留基站或切换目标基站故障，终端将重新进行网络选择，切换到另一个网络。
2)双网主备方式
双网络采用主备工作方式，即双网络中的A网作为主用层，B网作为备用层。正常情况下，网络业务由主用层提供，在主用层故障或检修时，由备用层来提供服务。
3)工作方式比选
主备方式下网络实际提供的通信带宽较小，频率利用率较低;而负荷分担方式下网络提供的实际业务带宽更大，频率利用率更高，能更好的满足铁路的宽带化、信息化要求。
双网主备方式在主用A网基站故障时，业务需从A网迁到B网，业务会暂时中断。双网负荷分担方式下的重要列控业务由A、B双网同时承载(列控系统条件允许的情况下)，单点故障下业务无中断，可靠性更高。因此，交织双网组网宜采用负荷分担工作方式。
但是，目前CTCS-3列控系统正常情况下只支持一个模块工作(在非RBC交权区)，RBC也只支持与单模块通信，就目前CTCS-3列控系统情况，双网采用负荷分担的工作方式下，列控业务也只能采用一层网络承载，如果所在网络故障时，会切换到另一层网络上，也会存在业务暂时中断的情况，与双网主备方式相同。
2.3.3 交织单网与交织双网比选
在可用频率带宽为n MHz的情况下，交织组网的奇数站和偶数站的信道带宽分别为n1 MHz和n2 MHz，n1+n2=n。
交织单网情况下，业务集中在一个RRU，带宽为n1 MHz或n2 MHz。
交织双网负荷分担的方式下，业务可以分担到相邻的两个RRU，实际可用带宽为n MHz，因此，交织双网的容量较大。但是，在终端开机时，要根据终端的类型强制其附着在A网或者B网，在列车运行过程中，正常情况下，还要综合考虑优先级和电平等切换因素，控制终端隔站切换，避免切换到相邻RRU上，切换判断执行复杂，网络规划和优化的难度很大，需要制定复杂的网络附着策略和切换策略。
交织单网和交织双网的具体对比分析如表1所示。
通过对交织单网工作方式和交织双网工作方式的频率带宽、铁路业务应用情况及工程可行性的角度分析和考虑，异频交织组网宜采用异频交织单网组网。
综上所述，当GSM-R系统演进到LTE-R系统时，RRU交织冗余组网建议采用异频组网网络结构，在异频组网网络结构中推荐RRU异频交织单网组网方式。虽然此方式的频率利用率不是很高，但可靠性较高，适合于CTCS-3列控区段LTE-R系统的建设。
为了发挥出LTE-R宽带移动通信的优势，采用RRU异频交织单网组网需要申请足够多的频率资源，使奇数RRU和偶数RRU能分配较高的信道带宽，以保证纳入足够多的用户，同时保证单用户的高吞吐率。
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