高速移动环境下基于协作多点传输的车地通信小区切换方法

摘要

一种高速移动环境下基于协作多点传输的车地通信小区切换方法，它适用于LTE及其演进系统，其作法主要是：根据上报的列车实时速度信息和位置信息判断列车是否进入重叠区；同时，根据测量信息判断当前信号质量是否低于设定阈值，任一条件满足，均激活当前基站与前方目标基站间的多点协作传输(CoMP)：车载台的数据面下行数据通过CoMP技术在相邻两基站进行共享，然后再发给车载台；车载台的数据面上行数据也通过CoMP技术，由相邻两基站的通信链路汇聚到源基站；在此过程中，如果满足切换触发条件，则将控制面的数据切换到目标基站。该方法的切换成功率高，中断概率低、频谱利用率高，并且不需对基站和车载台进行硬件改动，容易实现。

说明书

技术领域

本发明属于高速移动环境下列车与地面基站之间的车地通信技术领域。

背景技术

随着高速列车控制高可靠数据业务传输以及旅客在乘车过程中高速率通 信业务需求的持续增长，如何在高速铁路的高移动环境下提供高速率、高可靠 性的通信服务具有非常重要的意义。

列车的高速运行给车地无线通信系统带来一系列技术问题：频繁的越区切 换、多普勒频率偏移和信道的快速变化等，这些问题均会导致通信质量和通信 体验的严重下降。其中，高速列车的越区切换问题是影响通信质量最重要的因 素之一。由于LTE(Long Term Evolution、长期演进)及其演进技术将成为下 一代移动通信系统标准的主流趋势，国际铁路联盟已经将LTE确定为目前铁路 移动通信网络的演进技术，LTE将成为列车运行控制和旅客宽带接入的重要支 撑技术。对高速列车车载终端的越区切换而言，要求其在更短的时间内更好地 完成切换，需要更高的切换成功率来保障车地通信系统无线链路的可靠性和有 效性。目前，LTE及其演进技术仅支持硬切换，移动台在任意时刻只能与一个 基站保持通信，其切换时间偏长，仅适用于地面公网覆盖和中低速移动接入， 难以满足高速列车的高速率与高可靠切换需求，会导致通信中断率高、切换时 延长和通信可靠性低等问题。

一般来说，无线通信网络的越区切换过程可以分为网络发现、切换判决、 链路重新建立和高层应用链接重新建立等四个过程。通常高速列车车速较快， 在网络小区重叠区逗留的时间非常短，无法保证现有切换机制的触发和执行所 需要的时间。

通过对现有专利及相关技术的检索发现，现有的高速移动环境下车地通信 的主要切换优化方法有：

(1)一种基于OFDM(正交频分复用)的移动通信系统及切换信道分配方 法(CN 101022643A)中提出了软时隙切换、简单宏分集切换和增强型宏分集 切换三种切换信道分配方法。该专利主要针对基站侧进行了改进，在所提出的 移动通信系统中需要基站控制设备(BSC)对基站(BTS)进行集中控制，不适 用于采用扁平化网络架构的LTE及其演进系统；且基站控制设备(BSC)的存 在，信令传输的环节多，其切换时延仍较长，只能适用于中低速移动环境。

(2)高速移动环境下无线视频或大数据流无缝切换实现方法(CN 1801777A)通过在可用的一个、两个或多个频点向数据接收端发送编码数据， 数据接收端接收到数据后，对数据进行散列缓存处理，剔除多路同时发送时的 重复数据，保证数据在经过缓存处理后，透明地从数据编码端传送到数据解码 端。该专利只可用地面数据接收单元对位于列车上的数据发送单元的被动单向 接收，车载数据发送单元和地面基站之间不能实现交互通信，只适合高速列车、 地铁等视频监控专网，与旅客通信网络有明显差异，没有针对高速多车载台接 入方法提出完整的技术方案。

(3)高速环境下的用户换小区接入方法及系统(CN101466132)提出通过 获取本小区和邻小区公共控制物理信道(PCCPCH)接收的信号码功率(RSCP)、 本小区上行信道到达天线角的角度(AOA)以及用户设备(UE)的运动方向来 判定小区接入。该专利针对高速场景的特点，可以有效地简化邻区配置，但是 其对越区切换的整体性能提升有限，且不适用于LTE及其演进系统。

现有的高速移动车地无线通信研究中，为了提升列车越区切换的成功率， 大多通过扩大高速移动环境沿线的小区覆盖范围，增大重叠区，使得列车在重 叠区逗留的时间增长，从而有足够的时间来完成切换过程。增加小区覆盖范围 的通常手段有增加直放站、中继、拉远式天线单元等物理设备，以及增加天线 发射功率、调整天线方向等方法。但是，由于受到天线发射功率大小限制、辐 射角度导致的天线发射功率的接收限制、距离产生时差导致的同步限制等等， 不可能大范围地扩大小区的覆盖范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种高速移动环境下基于协作多点传输的车地通信 小区切换方法，该方法适用于LTE及其演进系统，其切换成功率高，中断概率 低、频谱利用率高，并且不需对基站和车载台进行硬件改动，容易实现。

本发明实现其发明目的，所采用的技术方案是，一种高速移动环境下基于 协作多点传输的车地通信小区切换方法，它适用于LTE及其演进系统，其步骤 如下：

a、上行列车的车载台使用上行频率与基站进行通信，下行列车的车载台 使用下行频率与基站进行通信；车载台将其测量出的车载台与当前基站的无线 链路的信号质量信息和车载台与相邻基站的导频信号质量信息组成的测量信 息，上报给当前基站，同时车载台将通过列车控制系统或传感系统获得的列车 运行速度信息和位置信息也上报给基站；

b、当前基站根据上报的列车的实时速度信息和位置信息判断列车是否进 入重叠区；同时，根据测量信息判断当前信号质量是否低于设定的阈值，两个 条件均不满足时，车载台继续只与当前基站保持通信；否则，激活当前基站与 前方的目标基站间的多点协作传输：

当前基站成为源基站，车载台的上行数据同时发给源基站和目标基站，目 标基站将其收到的上行数据通过X2接口转发给源基站并由源基站进行合并；

源基站的下行数据既发给车载台也通过X2接口转发给目标基站，目标基 站将其收到的下行数据转发给车载台，车载台将源基站和目标基站发来的下行 数据进行合并；

c、在进行源基站与目标基站多点协作传输的同时；源基站根据车载台上 报的测量信息，判断目标基站的导频信号质量是否满足设定的切换条件，如满 足，则源基站将车载台控制面的信息切换到目标基站，目标基站成为新的源基 站，新的源基站与原源基站继续进行多点协作传输：

车载台的上行数据同时发给源基站和原源基站，原源基站将其收到的上行 数据通过X2接口转发给源基站并由源基站进行合并；源基站的下行数据既发 给车载台也通过X2接口转发给原源基站，原源基站将其收到的下行数据转发 给车载台，车载台将源基站和原源基站发来的下行数据进行合并；

d、在进行源基站与原源基站多点协作传输的同时；源基站根据车载台上 报的测量信息，判断原源基站的导频信号质量是否低于设定的阈值；如是，则 停止新的源基站与原源基站的多点协作传输，源基站成为当前基站，车载台只 与当前基站保持通信；

e、重复a、b、c、d步的操作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、由于LTE及其演进系统的上行和下行都采用基于OFDM的正交多址方 式，因此对于LTE及其演进系统来说，小区间的干扰是主要的干扰来源。本发 明的方法，将每个小区的频率资源分为上行频率和下行频率两部分，上行列车 使用上行频率，下行列车使用下行频率；由于同向行驶的列车有规定的追踪间 隔，同向行驶的列车使用相同的频率不会产生同频干扰；上下行使用不同的频 率，则可以有效地避免列车会车时可能产生的严重同频干扰。从而本发明在保 障车地通信可靠性的同时，与现有的GSM-R三小区复用组网方式(相邻的三个 小区使用三个不同的频率)相比，频谱利用率又得到了提高。

二、本发明的小区切换方法，当列车进入重叠区时，车载台的数据面下行 数据通过CoMP(协作多点传输)技术在相邻两个基站进行共享，然后再发送给 车载台；车载台的数据面上行数据也通过CoMP技术，通过相邻两个基站的通 信链路汇聚到源基站，在此过程中，如果满足切换触发条件，则将控制面的数 据切换到目标基站，使得列车车载台在重叠区内行驶时始终可以同时接收来自 相邻两基站的服务，从而实现了类似宏分集的软切换效果。与LTE及其演进系 统现有的“先断后连”的硬切换机制相比较，本发明可以极大地降低通信中断 概率，提高切换成功率，有效地保障了高速移动环境下车地通信的可靠性。仿 真实验表明，本发明的通信中断概率在列车经过重叠区时始终低于0.05％，切 换成功率提高到99％左右。

同时，本发明方法通过软件实现，不需对基站和车载台进行硬件改动，容 易实现。

三、对于高速铁路无线通信网络链状部署方式和确定的行车模式，本发明 根据上报的列车的实时速度信息和位置信息判断列车是否进入重叠区；同时， 根据测量信息判断当前信号质量是否低于设定的阈值，任一条件均满足时，均 激活当前基站与前方的目标基站间的多点协作传输。列车速度和位置信息的引 入，避免了高速场景的快时变信道可能引起的测量信息误差，从而保障了协作 多点传输的及时触发。进一步保证了其切换成功率高，中断概率低。

上述a步骤中车载台将通过传感系统获得列车运行速度信息和位置信息的 具体方法是：通过列车上安装的速度传感器获得列车的速度信息，并通过读取 轨道上的应答器或车载GPS定位装置获得列车的位置信息。

上述的车载台可以有两个，分别安装于列车的前端和后端，前后两个车载 台通过车厢总线与车载台的中央控制单元相连接。

两个车载台的数据收发和信令交互过程由中央控制单元集中控制，并在中 央控制单元实现数据合并。这种做法充分利用了高速列车车体较长的特点(一 般200米或400米)，当列车前端车载台进入重叠区时，即触发本发明所提出 的越区切换方法，后端车载台则继续与当前基站保持通信；当列车驶离重叠区 时，根据后端车载台的信号判断结果解除协作传输关系，而前端车载台保持与 新的源基站之间的通信。从而在整个切换过程中，相当于将重叠区扩大了2倍 车体长度(400米或800米)，为切换的成功进行提供了更充足的执行时间，进 一步提高了切换成功率，降低了中断概率。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明方法的网络部署方式及频率资源分配方式示意图。图1中 eNodeB i、eNodeB j、eNodeB k、eNodeB l为部署于一段铁路旁的LTE基站， MME/GW为移动性管理实体和服务网关。每个基站的频率资源f分为两部分： F1为上行频率，F2为下行频率。R为小区半径，a为相邻小区的重叠区距离。

图2是本发明小区切换方法与现有硬切换在通信中断概率上的性能对比图。

图3是本发明小区切换方法与现有硬切换在切换成功率上的性能对比图。

具体实施方式

实施例

如图1所示，铁路沿线的无线通信通信网络采用链状覆盖的LTE及其演进 系统，整个服务区域可以是一个大的网络或者可以按地理位置划分为多干个区 域组建多个子网。每个子网包含若干个小区，小区半径为R，小区之间有重叠 区a。位于列车上的车载台与道旁LTE基站(eNodeB i、eNodeB j、eNodeB k……)。 间的无线链路通过移动性管理实体/服务网关(MME/GW)接入铁路通信专网或 者其他通信系统。在一个子网内，所有的小区均使用相同的时频资源f，并将 其分为两部分(忽略部分预留专用资源)：F1为上行频率，用于上行列车(如， 开往北京方向与支线开往干线方向的列车)用户服务；F2为下行频率，用于下 行列车(与上行列车相对称)用户服务。

本发明的一种具体实施方式是，一种高速移动环境下基于协作多点传输的 车地通信小区切换方法，它适用于LTE及其演进系统，其步骤如下：

a、上行列车的车载台使用上行频率与基站进行通信，下行列车的车载台 使用下行频率与基站进行通信；车载台将其测量出的车载台与当前基站的无线 链路的信号质量信息和车载台与相邻基站的导频信号质量信息组成的测量信 息，上报给当前基站，同时车载台将通过列车控制系统或传感系统获得的列车 运行速度信息和位置信息也上报给基站；

b、当前基站根据上报的列车的实时速度信息和位置信息判断列车是否进 入重叠区；同时，根据测量信息判断当前信号质量是否低于设定的阈值，两个 条件均不满足时，车载台继续只与当前基站保持通信；否则，激活当前基站与 前方的目标基站间的多点协作传输：

当前基站成为源基站，车载台的上行数据同时发给源基站和目标基站，目 标基站将其收到的上行数据通过X2接口转发给源基站并由源基站进行合并；

源基站的下行数据既发给车载台也通过X2接口转发给目标基站，目标基 站将其收到的下行数据转发给车载台，车载台将源基站和目标基站发来的下行 数据进行合并；

c、在进行源基站与目标基站多点协作传输的同时；源基站根据车载台上 报的测量信息，判断目标基站的导频信号质量是否满足设定的切换条件，如满 足，则源基站将车载台控制面的信息切换到目标基站，目标基站成为新的源基 站，新的源基站与原源基站继续进行多点协作传输：

车载台的上行数据同时发给源基站和原源基站，原源基站将其收到的上行 数据通过X2接口转发给源基站并由源基站进行合并；源基站的下行数据既发 给车载台也通过X2接口转发给原源基站，原源基站将其收到的下行数据转发 给车载台，车载台将源基站和原源基站发来的下行数据进行合并；

d、在进行源基站与原源基站多点协作传输的同时；源基站根据车载台上 报的测量信息，判断原源基站的导频信号质量是否低于设定的阈值；如是，则 停止新的源基站与原源基站的多点协作传输，源基站成为当前基站，车载台只 与当前基站保持通信；

e、重复a、b、c、d步的操作。

本例a步骤中车载台将通过传感系统获得列车运行速度信息和位置信 息的具体方法是：通过列车上安装的速度传感器获得列车的速度信息，并通过 读取轨道上的应答器或车载GPS定位装置获得列车的位置信息。

本例的车载台有两个，分别安装于列车的前端和后端，前后两个车载 台通过车厢总线与车载台的中央控制单元相连接。

仿真实验：

对以上实施例的方法进行仿真实验表明，与LTE及其演进系统现有的硬切 换机制相比，本发明方法在通信中断概率和切换成功率方面具有极大提升。

图2给出了本发明小区切换方法与现有硬切换在通信中断概率的性能对 比。

图2中带“○”和带“☆”的曲线分别表示不采用本实施例方法情况下在 重叠区(1.8km-3km距离内)接入目标基站和源基站时的通信中断概率，带“X” 的曲线为采用本实施例方法后的通信中断概率。图2表明本发明实施例的方法 可以使列车经过重叠区的中断概率大幅度降低，在重叠区各处的通信中断率始 终保持在0.05％以下。

图3给出了本发明小区切换方法与现有硬切换在切换成功率的性能对比。

图3中带“*”号的曲线表示采用本实施例方法的切换成功概率累积曲线， 另一曲线表示不采用本实施例方法的切换成功概率累积曲线。图3表明本发明 实施例的方法可以使得列车通过重叠区(1.6km-3.2km)时的切换成功率由89％ 提升到99％左右。