高速鐵路無線通信網(wǎng)絡(luò)的高效切換研究

姜淼

【摘要】? ? 跨區(qū)域無線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)切換是保障高速鐵路信號(hào)暢通的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)列車安全、高速運(yùn)行具有重要的作用。本文針對(duì)高速鐵路通信系統(tǒng)中跨區(qū)域切換技術(shù)進(jìn)行研究，分析當(dāng)前存在多徑損耗、多普勒頻移等問題和不足，進(jìn)而探討提出高鐵環(huán)境下無線通信系統(tǒng)的切換技術(shù)優(yōu)化策略。

【關(guān)鍵詞】? ? 高速鐵路? ? 網(wǎng)絡(luò)切換? ? 無線通信

引言

隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，為我國(guó)現(xiàn)代化交通運(yùn)輸事業(yè)帶來了極大便利，帶動(dòng)了沿線城市和區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。由于我國(guó)高鐵時(shí)速超過300公里/時(shí)，隨之而來的是高速鐵路無線通信信號(hào)切換的問題，無法為用戶提供穩(wěn)定、無縫、高速的無線信號(hào)接入，因此探尋適合高鐵場(chǎng)景下的無線通信接入方案已經(jīng)成為亟需解決的問題。如何在高速運(yùn)行的時(shí)速下，提高無線通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的質(zhì)量，成為三大運(yùn)營(yíng)商普遍關(guān)注的問題。

一、高速鐵路無線通信的難點(diǎn)問題

高速鐵路無線通信環(huán)境下，無線網(wǎng)絡(luò)接入存在多徑損耗、多普勒頻移、信號(hào)頻繁切換等問題，與社會(huì)公眾移動(dòng)通信技術(shù)相比，高速鐵路無線通信技術(shù)更為復(fù)雜，多普勒頻移和信號(hào)的快速衰落，使得用戶終端無法長(zhǎng)期獲得穩(wěn)定的信號(hào)，導(dǎo)致高速列車無線通信連接速率極差，網(wǎng)絡(luò)切換困難時(shí)常發(fā)生。同時(shí)由于列車損耗和多徑損耗，頻繁的區(qū)域信號(hào)切換，造成車體內(nèi)部形成弱信號(hào)區(qū)域，接收信號(hào)極容易產(chǎn)生干擾，使得通信誤碼率增加，通信質(zhì)量下降。

1.1 多普勒頻移

因終端接收器快速移動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)頻移稱為多普勒頻移。高鐵列車行駛發(fā)生的多普勒頻移和列車的運(yùn)行速度以及基站信號(hào)方向的夾角成正比。高鐵列車在高速行駛過程中，致使無線信道環(huán)境發(fā)生變化，對(duì)無線通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率、突發(fā)幀錯(cuò)誤平均長(zhǎng)度等造成極大影響，對(duì)終端設(shè)備提取載波頻率提高了難度。

1.2 穿透損耗

高速鐵路影響無線通信接入的另一個(gè)原因是，高速行駛的列車車廂使得信號(hào)造成穿透損耗。目前，我國(guó)高速鐵路基本采用全封閉的金屬車身，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、密封性極強(qiáng)，而且列車玻璃大多數(shù)采用單層或多層的金屬鍍膜玻璃，對(duì)信號(hào)的衰減影響很大。尤其是隨著無線通信信號(hào)頻率的增加，信號(hào)遇到高速行駛的列車衰減更多，并且由于信號(hào)射入角度較少，信號(hào)的穿透損耗越大，所承受的車體損耗也越大。因此，在通信基站的建設(shè)過程中，必須要考慮基站與鐵路的距離，最好使天線的主瓣方向入射角大于10°，才能保證信號(hào)的有效傳輸。

1.3切換技術(shù)

切換是從當(dāng)前移動(dòng)用戶與基站之間保持聯(lián)絡(luò)狀態(tài)，進(jìn)入到下一個(gè)基站，仍然維持通信信號(hào)不中斷的過程。因?yàn)楦咚勹F路是一種蜂窩的網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)功率約束和可用頻譜資源分配數(shù)字信道。

當(dāng)高鐵列車進(jìn)入到下一個(gè)區(qū)域后，用戶需要保持無線通信狀態(tài)時(shí)，無線系統(tǒng)必須要在兩個(gè)區(qū)域的邊界，轉(zhuǎn)移到下一個(gè)目標(biāo)區(qū)域，讓用戶正常使用通信設(shè)備。如果高速行駛的列車移動(dòng)速度越快，進(jìn)入?yún)^(qū)域重疊的時(shí)間就會(huì)越短，對(duì)于系統(tǒng)處理用戶切換的延時(shí)要求也越高。

當(dāng)系統(tǒng)切換的速度延時(shí)大于列車穿越區(qū)域重疊的時(shí)間間隔，無線信號(hào)的切換就無法自由順暢，從而造成無線通信網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)制中斷。

通常來說，通信切換分為硬切換和軟切換兩種方式。硬切換是用戶與新基站重新建立連接關(guān)系前，使用戶與舊基站的連接中斷，保持持續(xù)連接的狀態(tài)。軟切換的特點(diǎn)是“先建立、后斷開”，是指用戶從一個(gè)蜂窩移動(dòng)到另一個(gè)蜂窩時(shí)不中斷連接，用戶能夠保持與多個(gè)基站的連接。

二、高速鐵路無線通信技術(shù)切換的有效策略

2.1基于地理位置的切換技術(shù)

高速鐵路通常布置的區(qū)域呈現(xiàn)帶狀分布，由于其行駛的路線比較固定，為切換順暢提供了可能，一些專家希望通過地理位置標(biāo)注的方式，來對(duì)切換技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)高速鐵路進(jìn)入到目標(biāo)基站的區(qū)域后，可按照高鐵行駛的速度來確定切換出發(fā)的條件。根據(jù)研究表明，通過對(duì)高鐵位置的精準(zhǔn)定位，根據(jù)列車的行駛速度，當(dāng)進(jìn)入到某一個(gè)區(qū)域時(shí)，可自適應(yīng)地觸發(fā)通信網(wǎng)絡(luò)。初始基站按照列車的行駛過程將預(yù)切換信息傳播到目標(biāo)基站，便于目標(biāo)基站進(jìn)行信道分配和激活，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)之間的快速切換。雖然基于地理位置的切換方式，能夠提高切換的準(zhǔn)確度，但由于初始基站需要掌握列車的行駛速度和列車位置，增加了額外的信令開銷。如果在GPS信號(hào)接收不良的區(qū)域，列車的GPS無法提供準(zhǔn)確的地理位置，將會(huì)嚴(yán)重影響通信切換的效果。

2.2基于車載中繼的切換技術(shù)

中繼作為目前較為常用的一種通信技術(shù)，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域理想的技術(shù)之一，在高速鐵路列車中有極大的應(yīng)用價(jià)值。在高速列車的車頂設(shè)置車載中繼站（train mobile station，TRS），利用高鐵列車中繼轉(zhuǎn)發(fā)，列車中的用戶終端可根據(jù)各車廂設(shè)置的 AP（access point，接入點(diǎn)）統(tǒng)一連接到 TRS，再根據(jù)TRS 的群移動(dòng)性功能，由 TRS 替代列車中的每一個(gè)用戶設(shè)備，將基站與用戶之間建立起無線鏈路，實(shí)現(xiàn)基站選擇和跨區(qū)域的自由切換，有效降低列車對(duì)無線通信的信號(hào)損耗。

所以TRS中繼站具有比普通接入用戶更為強(qiáng)大的計(jì)算功能，可有效對(duì)多普勒頻移進(jìn)行校正，增強(qiáng)信號(hào)接收質(zhì)量，避免車廂穿透損耗，保證列車和用戶無線通信的連續(xù)性和信息傳播的有效性。

本文采取移動(dòng)中繼站雙天線輔助切換方案，可有效改進(jìn)硬切換造成的中斷問題。雙天線是指分別安裝在列車頭和列車尾，當(dāng)列車駛?cè)氲綗o線通信網(wǎng)絡(luò)的重疊區(qū)域，觸發(fā)無線通信的切換條件，由列車頭天線開始執(zhí)行切換，列車尾則繼續(xù)與服務(wù)基站連接，列車頭切換成功后，列車尾將工作頻率同步到目標(biāo)基站，最后完成切換過程。如果在此過程中出現(xiàn)切換失敗的問題，則列車尾駛?cè)氲街丿B區(qū)域后再次進(jìn)行切換。通過采取雙保險(xiǎn)的協(xié)作方式，最終完成無線通信的切換。

2.3基于雙播機(jī)制的切換技術(shù)

高速鐵路在通信頻繁切換的過程中，極容易引發(fā)通信中斷的問題。近幾年，基于雙播（bi-casting）的切換機(jī)制在高速鐵路中被應(yīng)用，成為研究的另一領(lǐng)域。在以往LTE切換過程中，網(wǎng)絡(luò)和用戶終端之間依靠信道傳輸，極容易產(chǎn)生信號(hào)丟失。為降低信號(hào)的丟失率，信號(hào)傳輸采取數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)制，在服務(wù)基站X2接口將信號(hào)的副本轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)基站，再由目標(biāo)基站將信號(hào)傳輸給用戶終端。而采取雙播機(jī)制，服務(wù)網(wǎng)關(guān)可同時(shí)向初始基站和目標(biāo)基站傳輸信號(hào)。初始基站將處理后的信號(hào)傳輸給用戶，則目標(biāo)基站將信號(hào)進(jìn)行丟失，直到用戶終端成功切換到目標(biāo)基站即可。因此，雙播機(jī)制將縮短信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)間，降低切換中斷時(shí)間，更有利于高速鐵路的通信方式。

三、結(jié)束語(yǔ)

為保障高速鐵路列車在行駛過程中調(diào)度信息及用戶接收信息，對(duì)高速鐵路在跨區(qū)域過程中提出更高的切換要求。本文對(duì)高速鐵路環(huán)境特點(diǎn)及通信系統(tǒng)的影響進(jìn)行分析，提出高速鐵路無線通信環(huán)境下，無線網(wǎng)絡(luò)接入存在多徑損耗、多普勒頻移、信號(hào)頻繁切換等問題，結(jié)合移動(dòng)通信無線覆蓋技術(shù)和切換機(jī)制，從基于地理位置、安裝車載中繼、采取雙播機(jī)制等三個(gè)方面，對(duì)高速鐵路無線通信傳輸性能進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。同時(shí)隨著5G時(shí)代的到來，5G通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)毫秒級(jí)的響應(yīng)，增強(qiáng)設(shè)備的連接密度，未來高速鐵路無線通信技術(shù)信號(hào)一定能夠?qū)崿F(xiàn)快速切換或無縫切換，進(jìn)一步提升高速鐵路的安全性及乘坐舒適性。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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