基于切换邀请的多小区协作快速越区切换方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及协作无线移动通信与智能交通技术领域，尤其涉及公交车辆行驶中车 载移动终端与道路周边各个无线网络接入点的信息传输技术。
【背景技术】
[0002] 多小区协作又称为多基站协作、协作多点（CoMP)、网络M頂0等。多小区协作技术 基本原理是通过小区基站间的相互协作，利用基站调度或联合处理的方式来消除小区边缘 用户干扰，提高边缘用户的数据速率。多小区协作过程中小区基站间必须进行信息交换，因 而会产生一定的协作开销，若设计时处置不当，协作开销可能会削弱甚至抵消协作增益。同 时，协作过程中进行信息交换和共享要求基站间必须具备一定带宽的回环通路。新型的移 动通信系统中已经具备这样的通路，如LTE系统中，小区基站（eNB)与网络的移动管理实体 /网关（MME/S-GW)间通过Sl接口连接，eNB间通过X2接口连接并构成Mesh网络，可提供 一定的回环带宽，为多小区协作创造了有利的条件，因此多小区协作技术在未来的移动通 信和无线网络中必将得到广泛的应用。
[0003] 蜂窝网络中越区切换一般发生在小区边缘地区，一般分为硬切换和软切换，而软 切换技术其实就是一种多小区协作的越区切换技术。基于CDM系统的软切换技术通过多 小区协作可使移动终端在切换过程中与多个基站建立链接，避免切换过程中产生通信中断 现象，提升小区边缘用户的服务质量。软切换技术的缺点是越区切换过程需要花费较多时 间、占用较多的通信资源，不能满足高速移动环境中越区切换的需要，如高速铁路、高速公 路甚至城市BRT等场合。
[0004] 随着城市公交系统PTS(Public Transport System)的快速发展，公交车联网除辅 助安全驾驶、提高交通效率之外，还需要提供车载信息服务，如Internet接入服务或车载 娱乐等。目前公交车辆是通过车载信息单元（OBU)与公交线路旁若干个路边单元（RSU)进 行无线信息交换。车辆在行驶中必然会使OBU与RSU的无线信号链接从一个RSU跨越到另 一个RSU，产生RSU切换问题，即OBU越区导致RSU切换。
[0005] 目前车载单元（OBU)是通过WI-FI (IEEE 802. 11)技术使广大乘客能够以较低代 价享受Internet服务。现有的WI-FI技术对公交车载单元（OBU)越区切换工作支持较差， 通常会产生较大延迟（几十毫秒~几秒）。特别地，对于诸如VoIP等延迟敏感性业务的支 持更差。近年来，随着快速公交（BRT)系统的建设和投入运行，公交车行驶速度有了很大的 提高。车速加快使得公交车通过两个相邻的路边单元（RSU)的信号重叠覆盖区的时间较 短，导致车载单元（OBU)通常的越区切换过程不能按时完成，极大影响了用户的服务质量， 因此迫切需要提高现有越区切换的速度。另外，公交车上常拥有多个乘客，这些乘客作为一 组用户，整体移动，且每个乘客会有不同类型的信息服务请求，在跨越各个RSU时，必然会 同时产生大量的切换请求，从而对切换的快速性提出了更高的要求。
[0006] 随着我国城市建设水准的不断提高，城区高大建筑物越来越多，造成无线电波的 传播环境变得越来越恶劣，以至于车载信息单元（OBU)在越区切换过程中极易产生信号中 断，极大地损害了在线用户的服务质量与车辆运行的安全性。
[0007] 目前移动通信中越区切换方式主要有三种，即网络控制、网络发起用户设备（UE) 辅助、UE独立控制。后一种切换方式，虽然具有切换速度快的特点，但不便于统一管理，遇 到多个用户同时切换时，失败概率较高。前两种切换方式在蜂窝移动网络中应用较广，两者 都是由原基站（相当于RSU)向UE发出启动切换命令，再由UE尝试与新基站建立链接。这 种切换方式被称为后向越区切换。车辆高速行驶中，信号的不稳定易造成切换联络信令的 丢失等。虽然近来很多学者提出了很多改进措施，但仍然难满足高速移动环境越区切换的 要求。归根到底，传统的基于接收信号强度指示（RSSI)判决机制属于被动切换方式，面对 车辆高速行驶环境，改进空间越来越小。为此必须对现有的越区切换机制进行革新，变被动 为主动。
[0008] 如果改变切换过程的信令联络方式，采用由新小区基站主动向有切换意向的UE 预先发出邀请，UE -旦接到了邀请，并做出响应，UE就与新小区建立链接。一方面能简化后 向越区切换的信号测量和判决过程，克服基于RSSI切换判决机制的不可靠性。另一方面也 能简化切换的联络过程，可降低切换时延和信令联络中断的概率。有别于传统的切换方式， 称这种切换方式为前向越区切换。
[0009] 要实现基于切换邀请的前向切换，首先要解决的问题是新小区如何向UE发送切 换邀请，包括发送时间、发送方式以及发送的内容等。其次要解决UE接收到邀请后的处 理及应答问题。为了提高发送切换邀请的有效性，需要选择合适的发送时机和确定合理 的发送区域。前者可采用专利"基于发送切换邀请的准周期越区切换触发机制（专利号： 201510128155. 8) "中的方法。对于后者，倘若要使每一个需要切换的高速移动UE都能接 收到邀请，应扩大切换邀请的发送范围，但范围太大会占用过多的通信资源。本发明依据移 动UE的移动方向、各基站的位置及其相邻基站的位置信息，将当前服务小区及其周边的第 一层小区聚合成小区簇，由小区簇内各基站向移动UE发送切换邀请，从而提高移动终端能 接收到切换邀请的概率。
[0010] 在发生越区切换的小区边缘重叠区域，移动终端可能接收来自主小区和次小区的 切换邀请。如果不对发送信号的次序加以控制，可能出现某个次小区的切换邀请比主小区 的切换邀请先到达移动终端，结果可能会导致移动终端刚从主小区切换到某次小区又要从 某次小区切回到原主小区，产生"乒乓切换"的现象，从而导致一个不稳定的链接。为此需 要对小区簇内多个小区发送切换邀请的次序进行适当调度，使多个小区协作向移动终端有 序发送邀请。为此在本发明中构建一个滑动窗口来调度小区簇内的小区发送切换邀请的次 序。发送窗口的大小是可变的，若发送窗口的大小为W，发送系统的时间利用率为1/W，显 然，发送窗口不宜太大，太大了会影响发送效率。为了防止切换联络信号的丢失，需要将主 小区一直保持在滑动窗口中。同时为了防止发生"乒乓切换"现象，需要安排主小区首先发 送切换邀请，其次按照次小区到达移动终端信号强度由大到小的次序进行滑动，来安排次 小区发送切换邀请的次序。
[0011] 如果由于信道条件的变化等因素的影响，UE未能按预定时间接收到小区簇的基站 发出的切换邀请，只要切换邀请发送定时器未超时，则小区簇的基站继续向UE发送切换邀 请。如果在切换邀请发送定时器设定的时间内，UE在目前驻留的小区还未接收到小区簇的 基站发出的切换邀请，说明UE这时有可能不在发送窗口所设定的小区覆盖范围内，则需要 修改发送窗口。同理，如果小区簇的各基站未能在UE响应发送定时器设定的时间内接收到 UE发出的响应，也需要调整发送窗口，重新发送切换邀请。有关小区簇获知UE是否接收到 切换邀请信息以及UE获知小区簇是否接收到切换邀请响应的信息，都是通过UE的服务基 站提供的信道来完成的。小区簇内各小区间的信息共享则是通过基站间的信号接口进行， 如LTE系统中的X2接口。
[0012] 移动终端接收到某小区发出的切换邀请后，立即向其发出响应，响应中包括该移 动终端的身份信息以及当前服务小区的识别码（ID)。为了缩短切换执行时间和节约系统资 源，小区簇内各小区基站需要共享越区切换过程进行的状态信息和移动终端的身份信息。 一旦小区簇内某小区接收到移动终端对切换邀请的响应后，应通过基站间的信号接口立即 通知其它小区，其它小区接收到通知后立即停止在本小区内继续发送切换邀请。
[0013] 尽管物理层上的数据传输通道经过精心设计，但不可避免由于数据传输错误、超 时等原因，切换邀请、应答信息的传送及信令控制可能失败，因此如何从失败中快速恢复信 号链接而不使通信中断显得格外重要，这直接影响越区切换的可靠性和切换时延。本发明 中通过小区簇内各小区共享移动终端（UE)的身份信息，且原服务小区基站中UE的身份信 息一直要保留到切换成功后才清除，这样在切换执行期间UE可随时与原服务基站联络。如 果UE的新链路建立失败，可很快恢复与原服务基站的链接，避免通信中断现象的发生。
[0014] 为此本发明依据UE较规则的移动线路及其邻近基站部署的位置信息，针对UE移 动速度相对较高的通信环境，利用多个小区基站协作发送切换邀请和共享切换过程的状态 信息，提出基于切换邀请的多小区协作快速越区切换方法。
【发明内容】
[0015] 本发明目的是为车载UE移动线路较规则而移动速度较高的通信环境，如高速铁 路、高速公路和城市BRT等场合，提供一种基于切换邀请的多小区协作快速越区切换的方 法，该方法通过多小区协作发送切换邀请和切换状态信息共享机制使越区切换的执行更快 速、高效和可靠，有效避免了"乒乓