京沪高铁沿线LTE网络切换性能分析

董兴芝,李 平,孙华龙,王忠峰

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所,北京 100081； 2.国铁吉讯科技有限公司,北京 100097)

引言

高速铁路在中长距离运输中占据较强的服务优势，其安全、便捷等特性使得越来越多的乘客选择高铁出行。京沪高铁是世界上一次性建设线路里程最长、技术标准最高、商业运营速度最快的高速铁路，是代表我国高铁发展成就的重大标志性项目。截至2021年6月30日，京沪高铁已安全运营10周年，其强大的运输能力和辐射效应，扩大了“京津冀”和“长三角”区域性通达范围。移动通信系统作为铁路建设的基础设施，是满足列车安全运输生产及旅客高质量出行服务的重要保证[1]。 随着智能终端及移动互联网业务的快速发展，移动用户对出行服务需求朝多层次、多元化方向发展[2]。京沪高铁沿线网络环境复杂，沿线城市、桥梁和隧道等不同网络环境导致无线信道衰落明显，造成用户终端频繁小区切换和重选，导致出现掉话、断话、网络不稳定等网络服务质量问题，如今已无法满足日益增长的旅客在途娱乐、休闲办公、短视频直播等现代化服务需求[3-5]。如何在高速、移动的复杂场景下提供稳定、高速率的网络通信服务成为当前高铁运输面临的重要任务。以时速350 km运营列车为例，根据当前京沪高铁沿线LTE网络覆盖方案，以运营商基站1.5 km的覆盖半径估算，完成两个相邻基站切换时间间隔约30s[6]。基站间发生的小区切换是影响终端用户网络通信的关键，切换过早会产生乒乓效应，过晚会造成网络连接中断，造成掉话现象[7-8]，因此，高速移动场景对小区切换提出了更高要求，亟需对高速铁路场景下LTE的切换性能进行深入研究。以京沪高铁沿线LTE网络环境为目标，采集沿线LTE切换的性能指标，分析网络切换规律，为京沪高铁沿线通信服务质量优化提供参考依据。

1 高铁沿线LTE网络环境概述

1.1 高铁沿线网络切换概述

切换是用户终端设备在高速移动过程中从起始源服务小区进入到目标服务小区，为保持用户信号不被中断，系统会主动为该用户终端设备选择合适的相邻基站，继续为其提供通信服务[9]。切换需保证用户顺利的通过蜂窝边界，且保持通信的连续性、有效性，避免掉话及信道间的相互干扰[10]。随着5G移动通信的载波频率不断升高，服务小区半径缩小，更容易引起小区切换频繁发生[11]，同时，列车车厢内网络服务规模不断增大，切换并发请求增加，在提供资源不足的情况下，待切换终端会因排队等待导致网络服务时延倍增[12]，因此，高速移动场景下对要求数据传输速率更高，切换时延更小。

由于列车运行速度快且基站覆盖区域有限，为避免用户在切换过程中出现掉话现象，在基站间相邻小区会设置一个重叠区域(切换带)，用户终端在切换带内完成小区切换，切换过程如图1所示。

图1 高速移动场景下列车网络切换过程

1.2 高铁沿线网络切换影响因素分析

高铁沿轨道固定行驶，其运行方向、线路、位置等信息具有规律性和可预测性，基站沿铁路呈带状覆盖，单基站仅有两个相邻基站，这对高铁沿线网络的切换测量和基站选择提供了简化，而高速铁路特殊的运行场景和特点同样给越区切换带来严峻挑战[13]。列车与沿线基站呈高速相对运动，不同多普勒扩散和信道相干时间增加了信道估计的难度，由于载波频率偏移和载波间的偏差而造成错误干扰，不仅导致更高的解码误差，同时使一个基站选择较低的调制和编码率，这导致增加了丢包率，降低了通信服务质量[14-16]。当前LTE仅支持传统的硬切换方式，不仅切换时延较长，且切换区处于切换带，受多普勒频偏、阴影衰落及多径效应影响，造成小区切换成功率下降。诱发LTE网络切换主要原因包括如下3种。

(1)信号质量差引起切换

移动过程中，为确保移动终端设备网络连接及通信的可持续性，移动终端会将无线链路转接到信号质量较好的相邻小区，即执行切换过程[17]。此外，无线链路受到外界干扰，信号质量下降到不能满足通信需求时，也会引起切换。

(2)信号强度变化触发切换

列车高速行驶，移动终端设备与基站间的距离不断重复“远离-接近”变化。网络信号强度随移动终端与基站间的距离拉大而变弱[18]。

(3)负载均衡引起切换

当固定小区业务量或连接数达到小区容量时，会造成该小区网络拥塞，负载均衡机制会强制将源小区的一些用户转移至附近合适的低负载小区通信，触发切换过程[19]。

2 京沪高铁网络切换性能分析

2.1 沿线LTE性能指标数据采集

为进一步研究LTE与TCP各参数在京沪沿线相同位置、不同时间的重复性及触发基站切换的关键因素，使用ltedatatofile程序将给定LTE连接的各子层信息以二进制形式记录到文件，来获取LTE性能相关数据[20]。TCP相关数据使用tcpdump工具以数据包为单位将各包信息保存在.pcap文件中。GPS数据直接从高铁Wi-Fi车载设备嵌入的GPS模块上读取，并存储为文本记录。二进制LTE数据的解析使用加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)大学开发的开源软件MobileInsight，将二进制记录文件转换为XML文本格式。整个XML文件包含完整的LTE信息，格式转换后数据体积过于庞大，如3GB二进制文件经转换会生成80GB左右的XML文件。为提高数据转换及分析效率，研发了配套解析软件xmlparser，xmlparser从庞大的XML文件中将某些数据包的特定域抓取出来，生成更为精简的文本表示，解析得到的每条文本记录对应LTE层级的一个数据包。为判定基站切换的触发及触发切换是否成功，研发了解析软件—LTE Event Parser，通过组合多个相关数据包进行基站切换相关的推断分析。TCP数据直接通过tcpdump或tshark程序对.pcap文件进行解析，计算得到TCP吞吐量和RTT等数据，LTE、TCP和GPS记录通过时间戳进行关联。

2019年12月6日至12月18日期间，搭载CR400BF型动车组，利用其高铁Wi-Fi系统车载服务器的3张SIM卡(移动、联通、电信各1张)在京沪线上采集12个单程数据，数据抓取日期及列车开行信息如表1所示。通过建立3条TCP连接，分别从3张SIM卡上持续下载数据。同步使用ltedatatofile程序抓取所选卡上的LTE信息，通过tcpdump保存TCP抓包记录，并每秒请求GPS数据记录到文件中。

表1 数据测量车底开行信息

2.2 网络切换数据分析

利用xmlparser工具解析MobileInsight所采集的数据，从中提取LTE连接中断的相关信息，包括中断发生的时间、中断频率和时长等，通过tshark和编写的libpcap程序，从pcap文件中分析实时的吞吐率和RTT等数据。结合时间戳，将上述数据和GPS记录对齐在一起，得到整个京沪高铁沿线的总体LTE网络情况，具体数据分析如下。

2.2.1 连接中断分析

高速移动环境下，频繁的基站切换造成列车网络连接中断[10]。基站切换成功或失败均会造成网络连接中断，在切换成功情况下，会造成30～500 ms的连接中断，且无法收发数据，当连接下一基站时，传输会快速恢复，这种连接中断影响较为轻微；在切换失败情况下，会造成0.1～10 s连接中断，无法收发数据，且造成数据丢失，需一段时间才可以和新的基站建立连接并恢复传输，这种连接中断的影响较为严重。通过xmlparser工具对采集的数据进行解析，统计高铁沿线不同小区识别CI(Cell Identity)及切换情况，基站切换失败率F通过式(1)计算。3家运营商在京沪高铁沿线的基站基本信息如表2所示。

(1)

式中，m为切换失败次数；n为切换请求次数。

表2 京沪高铁沿线基站基本信息统计

基站切换失败发生并非是随机分布的，不同基站具有明显不同的失败概率。在至少发生过一次切换失败的基站中，切换失败概率超过80%的占20%以上，切换失败概率小于30%的约占40%。从基站角度统计基站切换失败的比率，统计信息如表3所示。

表3 京沪高铁沿线切换失败率信息统计

通过统计基站间的连接时间频率，侧面反映高铁沿线基站密度。根据统计数据进行基站连接时间的累积分布函数(CDF)统计，3家运营商的基站间连接时间频率分布如图2所示。从基站间切换时间频率上分析，其中，电信、联通、移动的基站分布密集性逐渐降低。

图2 基站连接时间分布曲线

2.2.2 LTE信号强度的可重复性

LTE信号强度在地理位置上都表现出较高的可重复性，如图3所示，横坐标以GPS数据标记地理位置，纵坐标统计RSRP值。相同地理位置呈现出相近信号强度和相似信号强度变化趋势，在即将发生基站切换时，同一位置不同日期的信号强度会有较大波动，但信号强度的变化趋势都是突然下降。部分区段信号强度的值有大幅度波动，这是由于同一位置连接到了不同基站，或是偶发的基站切换失败所致。

图3 信号强度位置可重复性

2.2.3 中断地理位置的可重复性

连接中断发生的地理位置有一定可重复性，即对于一个特定的基站，不同日期发生基站切换的地理位置非常接近。图4展示了连接中断发生的地理位置和发生前的信号强度，相同颜色表示相同的基站。从图4可以看出，连接中断和信号强度的相关性比较低，但是几乎都集中于300 m范围内。

图4 连接中断的地理位置和中断发生前信号强度

另一方面，通过统计数据分析，当发生基站切换失败时，信号强度都会较显著低于正常范围：在连接情况较好的时候，80%的信号强度(以RSRP衡量)都在-90 dBm以上，而基站切换失败发生前，信号强度会低于-100 dBm。

2.2.4 切换中断持续时长特征分析

根据上文内容，连接中断分为成功的基站切换引起的连接中断和失败的基站切换造成的连接中断两种。图5展示了两种不同连接中断的持续时长分布。

成功的基站切换，其引起的连接中断持续时间短，85%以上都在10～100 ms之间。5%～10%的连接中断可能会有到100～500 ms的持续时间。这种连接中断的持续时间几乎没有超过500 ms的。

失败的基站切换，其引起的连接中断持续时间更长，主要分布在100 ms～10 s之间。超过30%的中断，持续时间达到了1 s以上，超过10 s的情况几乎没有。LTE的连接中断，会对TCP数据传输造成较大影响。

图5 连接中断的持续时长

通过利用tshark程序对.pcap文件进行解析，计算得到TCP吞吐量和RTT等数据，根据统计数据分析，虽然成功的基站切换在LTE层只会造成平均不到100 ms的连接中断，但会在TCP层造成100 ms～1 s不等的卡顿：70%左右情况下，停顿会超过100 ms；约20%的情况下，停顿会超过800 ms。对于失败的基站切换，TCP层传输卡顿时间主要分布在1～10 s之间，超过70%的情况，TCP会有1 s以上卡顿。

3 结论

基于时速350 km的高速列车，对京沪高铁沿线当前LTE网络切换特性开展实车测试，掌握了高速移动场景下京沪高铁沿线运营商网络切换的信号强度与切换时间、位置等重复性分布特性。LTE切换数据分析结果可为后续高速铁路沿线通信服务质量优化提升提供参考，同时，为后续5G网络在铁路垂直行业应用部署提供有力支撑。