GSM-R/LTE-R双模终端的一种双网互助方法分析

王亮， 张路昊

（鼎桥通信技术有限公司，上海 201206）

0 引言

GSM-R 是铁路通信行业综合专用的数字移动通信系统，作为铁路无线通信的承载体，承载调度、信号、集群通信和监控数据等业务。但GSM-R受限于2G技术窄带通信的局限性，其承载数据能力弱等缺点也逐渐暴露［1］。综合分析，LTE-R 更适合作为GSM-R 未来演进的路径，GSM-R 系统向基于LTE 技术的LTE-R 过渡已成为一种必然趋势。GSM-R 向LTE-R 的平滑过渡也成为各方关注的焦点问题。目前主流方案普遍采用分阶段进行，前期是既有GSM-R 网络和未来建设LTE 系统并行［2］，伴随LTE 网络建设和运维经验逐渐成熟，越来越多的业务转到LTE-R网络承载［3］。

文献［1-10］中主要侧重于GSM-R 向LTE-R 演进过程中的技术路线和关键标准体制选择技术建议，以及公网场景中通用的3GPP 技术协议规定的终端行为和空口信令流程，以及铁路下一代移动通信系统中时延、质量和安全等方面的技术建议，未涉及GSM-R 与LTE-R 共存场景中的双模互助技术，以及铁路专用场景中双制式共存路段的终端关键性业务的驻留优先问题。因此，基于3GPP 协议，参考公网2G/3G/4G 互操作，并结合GSM-R 向LTE-R 演进实际业务需求，提出一套完整的双模终端互助解决方案，包括信令流程和参数配置建议。

1 双网互助策略概述

与GSM-R 系统相比，LTE-R 系统容量能力相对较大，业务承载容量能力强，具备兼容GSM-R 系统承载业务的能力。双模终端可以视为除具备GSM-R 基础业务能力外，还具备在LTE-R 网络上进行宽带业务的增强型终端。所以对于双模终端在无线接入网的互操作总体策略为：双模终端在有LTE-R 覆盖区域优选驻留在LTE-R 网络，执行宽带及窄带业务；在LTE-R 无覆盖或覆盖较弱的区段，双模终端空闲态下重选到GSM-R网络（见图1）；对于连接态终端，为避免宽带业务对GSM-R 网络负荷的冲击，需触发释放业务，重定向到GSM-R 网络；对于已经驻留GSM-R 网络且执行业务的终端，为了不影响业务的连续性，需要等到终端业务结束的空闲态，再执行高优先级频点测量和重选。要实现此目标，需要通过配置频点优先级，异系统邻区配置与测量等手段实现［4］。此外还要区分终端在用业务的当前状态，空闲态和业务态终端的处理策略有所不同。

图1 空闲态终端双模重选网络状态

对于GSM-R 终端，在执行群组业务（广播业务）监听时，属于在公共信道上接收的非连接态的业务状态，因此这种状态的终端在GSM-R 系统中进行跨越小区采用的是小区重选，不同于在GSM公网运营商网络，典型语音电话的业务状态（处于连接状态，跨小区走小区切换）。因此需要对这种业务状态的GSM-R 终端进行识别并做特殊处理，有别于公网的2G与4G的异系统重选，而对于数据业务，跨系统属于连接态双网互助，将在第3部分阐述。

2 空闲态终端的互操作方案

空闲态终端的跨制式（Inter-RAT）行为，是通过Inter-RAT 的频点测量和小区重选实现的。跨制式的Inter-RAT 和小区重选行为规则，取决于基站侧不同制式频点优先级的配置［5］。根据LTE-R和GSM-R两个制式网络的特征，双模终端优先驻留承载能力更强的LTE-R网络，因此在基站侧配置E-UTRAN即LTE-R的频点优先级要高于GSM-R 系统的GERAN 频点集合的优先级。互操作执行分析均基于此配置原则进行。

2.1 互操作重选配置

（1）在LTE-R 基站配置GSM-R 制式的外部小区和邻区。配置的GSM-R 外部小区和邻区，包含这些小区的PLMN、EGRAN 小区ID、LAC 等信息。这些信息将用于双模终端驻留GSM-R 时进行Inter-RAT 测量LTE-R 频点信号强度和异系统目标小区的准确识别。以上基本配置，将在双模终端成功驻留LTE-R小区后，通过LTE-R 的系统消息SIB7 下发给终端，终端根据配置的指示进行GSM-R频点的测量。

（2）在GSM-R 基站侧增加LTE-R 的外部小区和邻区配置包括PLMN、小区CI、PCI、TAC、频点号等。这些信息将用于双模终端驻留LTE-R 时进行Inter-RAT测量GSM-R 频点信号强度和异系统目标小区的准确识别。

（3）频点信息与频点优先级。重选互操作的前提，就是在满足一定条件下对Inter-RAT 的频点进行信号强度测量。因此需要在GSM-R 基站侧配置LTE-R 的频点和对应优先级，在LTE-R 基站侧配置GSM-R 的频点和对应优先级。3GPP 中规定的频点优先级为1～7，数字越大优先级越高。在此，按照GSM-R 频点优先级为6，LTE-R 频点优先级为7，即LTE-R 的频点优先级高于GSM-R频点优先级。

（4）关键重选门限参数。重选门限参数主要用于定量判定是否符合重选条件，判定主要依据LTE-R 的信号强度RSRP、GSM-R 的信号强度Rxlev 及触发时间等关键要素（见表1）。

（5）重选参数的计算。在（4）中仅列举了关键配置参数，且参数一般以相对值形式在网上配置，绝对门限的计算方法如下：

实际启动“低优先级异系统测量启动门限”的绝对值为：SInterRAT-LowPriority-search=-64×2+10×2+4=-104 dBm，LTE-R 的“服务频点低优先级重选门限”SInterRAT-LowPriori-ty-reselect=-64×2+4×2+4=-116 dBm；LTE-R 小区最低接入电平-64 dBm，异系统测量启动门限10，异系统重选门限4。

表1 重选算法关键参数

2.2 从LTE-R到GSM-R重选判定

因LTE-R 的频点优先级高于GSM-R 的频点优先级，因此启动测量和重选执行分别遵循对低优先级频点测量和重选执行策略。

启动测量：对低优先级的异系统频点，当前LTE-R 小区的覆盖水平满足RSRPserv＜“异系统测量启动门限”时，则启动对配置的异系统GSM-R 频点的Rxlevnonserv测量。

重选评估：LTE系统的Inter-RAT小区重选的评估，包括：（1）对当前小区LTE-R 小区的RSRPserv测量，考虑一定偏置等综合计算得出Sserv；（2）异系统GSM-R邻小区频点信号质量Rxlev的测量，考虑一定偏置等综合计算得出Sinter-RAT。当测量结果（1）中Sserv＜“服务频点低优先级重选门限”，测量结果（2）中GSM-R 频点的Sinter-RAT＞“异系统低优先级频点重选门限”，且持续满足（1）和（2）的时间达到重选持续时长Treselection。满足以上条件后，双模终端满足LTE-R 到GSM-R 重选的条件，执行重选。重选测量流程见图2。

通过重选驻留GSM-R 小区后，终端通过位置区更新和附着过程向GSM-R 核心网登记状态，以便通过GSM-R 系统接收寻呼及根据需要发起GSM-R 相关业务。

2.3 从GSM-R到LTE-R重选过程

图2 从LTE-R到GSM-R重选测量流程

双模终端驻留GSM-R 小区，需要获取配置异系统的LTE-R 邻小区和频点信息。这些信息为通过GSM-R系统消息SI2 Quarter 中下发的信息，包含GSM-R 的异系统重选信息：包括GSM-R 服务小区优先级、重选门限、基于优先级的重选迟滞、接收信号最小值等信息。同时能获取LTE-R 邻区信息，包括LTE-R 邻区频点（EARFCN），频点优先级（E-UTRANpriority）。从GSM-R到LTE-R 的重选属于向高优先级重选，需要遵循高优先级频点测量和重选策略。

启动测量：UE 驻留GSM-R 小区，如果当前GSM-R 小区配置了LTE-R 邻小区，则会在系统消息SI2 Quarter 中，读取到2 者频点优先级数据。由于GSM-R 频点优先级配置低于LTE-R，则按照对高优先级频点的测量策略，驻留GSM-R 的空闲态终端始终对高优先级频点进行测量。

由于GSM 公网没有涉及用户业务的组播和广播业务，而GSM-R存在典型的集群语音业务（VGCS）和广播业务（VBS），处于GSM-R 群组监听和广播监听状态的用户，因为没有DCH/DTCH 信道，终端在GSM-R 系统内跨小区是进行类似公网空闲态终端的小区重选，如果不加特殊处理，也等同进行异系统测量和异系统重选，则可能会出现因跨系统重选而影响业务的情况。因此对于GSM-R/LTE-R 终端，只要处于集群语音监听或广播监听状态，则不启动高优先级异系统测量及跨系统的重选评估，以保证业务。而对于集群主讲或其他类型语音业务及GPRS数据业务，则按照连接态方式处理。

重选评估：GSM-R 终端对配置的LTE-R 邻区频点进行Inter-RAT 测量，当满足测量的LTE-R 频点RSRP大于高优先级E-UTRAN门限值，且保持一段时间（通过参数Treselection确定），则双模终端执行从GSM-R 小区向LTE-R小区的重选。重选测量流程见图3。

图3 从GSM-R到LTE-R重选测量流程

在终端重选驻留LTE-R 小区后，终端通过追踪区更新和附着过程向LTE-R 核心网登记状态，此后便可以正常通过LTE-R 系统接收寻呼及根据需要发起LTE-R相关业务［6］。

3 连接态终端从LTE-R到GSM-R双模操作

3.1 连接态从LTE-R到GSM-R方案

处在LTE-R 制式下的正在做业务的连接态终端，即存在RRC连接的终端［7］，如MCPTT组呼主讲［8］、点呼以及视频、数传等业务均包含在此［9］。此场景双模的互操作则通过异系统切换或重定向的方式进行。考虑到LTE-R 进行的业务类型存在大带宽需求业务，如果采用切换方式，可能对GSM-R 系统造成负荷冲击及影响。因此，连接态终端从LTE-R 到GSM-R 依赖重定向方式实现。在eNB 侧通过下发A2 的测量控制消息，消息中包含对异系统测量的相关参数。当满足A2 事件条件时，终端上报A2事件［10］，LTE-R系统侧触发终端进行RRC 连接释放并在释放消息中携带目标GSM-R 小区信息，便于终端快速驻留GSM-R小区。具体过程为：

（1）双模终端测量当前E-UTRAN 小区的RSRP低于A2 门限，则上报A2 事件。eNB 则会对终端下发RRC connection release 消息，携带信息通知UE 重定向到一个GSM-R邻区。选择的这个GSM-R系统邻区，是来自eNB 侧已经配置的异系统小区表。因为该过程不需要对GSM-R 小区的测量，故对终端的测量能力实现简单，该过程为盲重定向。

（2）相对于（1）的更精确复杂方式是，双模终端测量当前E-UTRAN 小区的RSRP 低于A2门限，则上报A2 事件。收到A2 事件上报的eNB 下发B2 的测量控制消息，UE会根据B2里面的内容指示测量，测量到相应IRAT 小区上报后，eNB 摘取里面的IRAT 小区通过RRC connection release 消息，通知UE 进行重定向。此种方式要求双模终端具备对GERAN频点的B2测量能力支持，换来的优势是重定向到的是一个经过测量信号质量有保障的GSM-R小区。

上述过程共性是：连接态的LTE-R 终端，在LTE-R网络信号质量变差到低于门限时，触发网络侧控制的重定向流程，释放LTE-R 无线链路后快速驻留某GSM-R 小区，然后位置区更新和附着过程向GSM-R 核心网登记状态。根据业务特点，如果是GSM-R 可承载的业务（如语音或小数据业务），则通过GSM-R网络重新接入恢复业务；如果之前是宽带数据业务，则重定向过程自动切断，避免对GSM-R系统接入网的负荷冲击。

3.2 连接态从GSM-R到LTE-R方案

鉴于GSM-R 网络覆盖较完整，并综合考虑在GSM-R 网络上承载窄带相关业务连续性，对于业务状态的GSM-R 的双模终端，在业务存续期间，不主动测量LTE-R频点，进而避免业务状态GSM-R到LTE-R的双模操作与业务影响。连接态终端的业务包括VGCS/VBS 等移动主讲，语音点呼，GPRS 数据业务等。当业务释放后回到GSM-R 的空闲态，在有LTE-R 网络覆盖的区域，通过双模终端在GSM-R 网络空闲态的小区重选回LTE-R网络。

4 结束语

GSM-R 向LTE-R 网络的逐步过渡演进是铁路无线通信系统发展的必然趋势，而平稳过渡是向LTE-R 演进发展的关键。在LTE-R 逐步建设和GSM-R 业务向LTE-R 网络迁移过渡的较长时间段背景下，提出一套按照配置参数有控制地实现双模终端在2张网接入网侧的测量和重选、重定向的双网互助无线接入网策略，实现GSM-R向LTE-R的平稳过渡。