（通信与信息系统专业论文）高速铁路gsmr网络越区切换对ctcs3系统的影响及模型研究.pdf

中文摘要 摘要：作为铁路专用的数字通信系统，g s m r 无线通信系统为c t c s 3 级列车控 制系统的信息提供了传输平台，因此g s m r 网络的可靠性直接关系到列车运行的 安全。但是g s m r 系统的越区切换过程会造成短暂的通信中断，并且随着列车速 度的增加，信号载波的多普勒频移增大，电平交叉率上升，越区切换发生频繁， 这些变化将对承载列车运行控制信息传输的g s m r 系统产生不利影响。因此高速 环境下越区切换的性能关系到整个g s m r 网络的服务质量。针对于此，本文主要 研究高速环境下越区切换对c t c s 3 级列车控制系统产生的影响，提出了越区切换 模型，并给出了改进方案，为今后的网络建设提供参考依据。 本文主要从理论计算以及建模仿真等方面对越区切换进行了深入的研究和探 讨。从理论上分析了越区切换成功对列车控制消息传输产生的时延以及越区切换 失败掉话对列车运营晚点的影响。最后以马尔可夫模型为基础提出了越区切换模 型，并作出了方案改进。 本文的创新点主要体现在以下几点： 一、通过理论分析与计算得出越区切换成功产生的传输干扰时间及其对列控 系统中行车许可消息m a 传输时延的影响，并以此为基础分析了影响m a 传输时 延的因素。 二、越区切换失败掉话会引起列车控制系统发生车一地通信超时，通过对通信 超时后列车减速及通信重建后列车加速过程的分析，采用特定场景与典型参数得 出了由此引起的列车运营晚点的时间。 三、提出了越区切换模型，通过m a t l a b 仿真得出了列车在2 5 蛐、 3 5 0 h n h 、5 0 0 虹l l l 等不同速度下越区切换成功率，并进一步研究了越区切换成功 率与列车运行速度的关系。 四、进一步提出提高越区切换成功率的改进方案，即在c t c s 3 级列车控制系 统中采用双端电台工作模式取代现有的单端电台工作模式，并对改进前、后方案 的越区切换成功率进行了对比分析，证实了改进方案的优越性。 关键词：g s m r ；c t c s 3 ；越区切换；传输干扰时间；m a ；时延；模型 分类号：t n 9 2 9 5 a bs t r a c t a b s t r a c t ：a sas p e c i a ld i g i t a ln 1 0 b i l ec o m 彻m i c a t i o ns y s t e md e s i 弘e df o rr a i l w a y g s m - rp r 0 v i d e sah i 曲s a f e t yd a t a 仃锄s m j s s i o nf o rc l l i n a1 r a i nc o n 缸d ls y s t e m l e 、，e l3 g s m - ri sr e s p o n s i b l ef o r 协眦s m i n i n gt 、釉- w a y 仃a i l lc o n _ h - 0 lm e s s a g e sf o r a u t o m a t i c 仃a l i i lc o r l 仃o ls y s t e m s om er e l i a b i l i t ) ro fg s m - ri sd i r e c t l yr e l a t e dt om e s 疵y o fm o n g 缸证i l s a sak e yt e c i m o l o g yo fg s m - r s y s t e m ，ah a r dh a n d o f rp r o c e s s m a yc a l l s eas h o r tl i i 】i ki n l 期t u p t i o na c c o r d i n 百y w m c ：hm i 2 mb em o r e 行e q u 饥t 弱岫 r 眦坞f 弧t e r t h ei n 删i n gh a n d 0 v e rr a t em a yc a u s ear c l a t i v ek 曲b i t 锄rr a t ea n d 蚋b a b i l i 够o fc a l l 硒l u r 姻s ot l l eh a i l d o v e r 筋l u r er a t ci sn e 、r e m l e l e s sc n l c i a li i l d 砹c m l i i l et l l eq l a l i t y - o f s e n ，i c eo fg s m rn e 咐o r ke s p 鲥a l l y0 n1 1 i 曲一s p e e dr a i l w a y s 嘲d n ga l la b o v ei n t 0c 0 璐i d 训。玛t l l i sn l e s i ss t u d i e sm ei l l l p 砌o f h 锄d o 附f a 咖ro n c t c s 一3s y s t e i i l ，a n dp r o p o s e sar e l i a b i l i t ya i l a l y s i sm o d e lo fh a n d o v e fp r o c c s s ，弱w e l l 弱t l l ea d v a i l c e ds 昀t e g yt 0e n h a l l c es y s t e mr e l i a b i l i 班h o p e m l l yp r o v i d ear e 颤饥c ef o r 也e 如t i 玎es y s t e mc o i l s 仇l 砸0 n t l l i sm 锱i sd e 印l y 觚a l y z 髓m eh a i l d o w = rp r o c e s sf o l l o w i i l g 俩ow a y s ，n 锄e l yt l l e 也c 0 硎c a lc a l c u l a t i o n 趾dd l em o d e l i n gs i m u l a t i o n 1 1 1 i sm e s i ss t u d i e s 1 ei n l p a c t so f h 觚d o v e rp r 0 c e s s 鹤t 0c t c s 一3 ，m a i l l l yas u c c 懿s f h lh 锄d o v e rt o l ed e l a yc a u s e db y 位l i nc o n t r o lm e s s a g pg e i 】删i o 玛觚daf 撕l e dh a l l d o v e rt 0 蛐d e l a y s f 讧l a l l y t l l i s 也鹤i sp r o p o s 髓ar e l i a b i l 毋m o d e lf o rh 柚d 0 v 盯b a s e do nm a r k o vm o d e l ，a n da s y s t e m a 石ci n l p r 0 瓶e n tf o rt h i sm o d e l b 嬲e d t 1 1 e 锄a l y s i sa b o v 岛廿1 ei 姗o v a t i o 璐o fn l i s l 髓i sa r el i s t e d 缎f o l l o w s ： f i r s t ，i ti sp o s s i b l et 0d e d u c t 吐l ei n l p a c to f 劬ed e l a yc a u s e db y 们n s i i l i ti n t b r f h c ei n a 跚c c 髓s f i l l h a n d o v 盯t 0m d v 廿n e n ta u m i m t yi n 昀i i lc o m r o ls y s t 锄，锄dm 锄觚a l y z e 把f a c t o 璐n l a tm a y 甜f i e c tm cd e l a ) 硝t i 【i l e s e c o i l d ，af a i l e dh m l d o v e rm a yc 趴塔eo n b o a r d - 仃a c k s i i i cl i l l ke x p i r 懿i n 纰c o n t r o l s y s t e i n b y 唧a 血l gt r a i l ld o c e l c r a t i o nm 贸l i i 】i | ( e x p i 根l 锄d 缸血a c i c e l 删蛆e r l i i l k 挣e s 讪l i s h e d ，i ti sp o s s i b l et 0c a l 砌a t er e l a t e dd e l a y 戗1 1 1 eo f 仃她b ys p e c i f i c s c e n 撕o sa n d t y p i c a lp a 瑚皿l e t e 稻 1 1 1 砷，也i s 螂i sp r o p o s 骼ah a n d o v e rr c l i a b i l 时锄a l y s i sm o d e lt l l r o u g h 虹l a b s i r n u l a t i o 硒u n d e f2 5 0 k m h ，3 5 0 k m 仳5 0 0 l c r n l ls p c e d s ，w l l i c h 缸恤盯谢矽m er e l a l i o n b e 帆e 吼h 锄d o v 日r e l i a b i l i t ya n d 们i ns p e e d s l a s t ，m i s 也i b s i s 鲫珊d s e sar e l a t e ds o l u t i o nt 0i l n p r o v el 姗d 0 v 盯r e l i a b i l i 劬m a ti s ，t 0 a d o p td u a l - t e 玎：i l i ：n a l r a d i os t a t i o ni i l s t e a do f 咖酉et a m i n a lr a d i os t a t i o 玑锄dt l l 饥 e v a l u a t e sm i si m p r o v e ds o l u t i o n k e y w o r d s ：g s m r ；c t c s - 3 ；h 锄d o v e r ；眦s i i l i s s i o ni n t e r f 醯e 1 1 c et i m e ；m a ； 仃a n s f 旨d e l a y ；m o d e l c l a s s n o ：t n 9 2 9 5 v 致谢 本论文的工作是在我的导师钟章队教授的悉心指导下完成的，钟章队教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 钟章队老师对我的关心和指导。 钟章队教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，并对我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见， 在此向钟章队老师表示衷心的谢意。 实验室的金晓军、朱刚、李旭、张小津、吴吴等老师对于我的科研工作和论 文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，蒋文怡老师、丁建文老师、孙斌师兄、林思 雨师兄、石杰、丁殉等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此向他们 表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 引言 1 1 论文研究背景及研究现状 1 1 1国内外g s m r 及列车控制系统发展现状 ( 1 ) g s m r 在国内外的发展 g s m r ( g s m 矗) rr a i l w a v ) 是专门为铁路通信设计的综合专用数字移动通信 系统。g s m r 在g s m 蜂窝移动通信系统中增加了调度通信功能和适合高速环境 下的使用要素，能够满足国际铁路联盟提出的铁路专用调度通信的需求，担负着 传输列车数据信号的任务。g s m r 能够实现跨越国界的高速列车和一般列车之间 的通信，可以将现有的铁路通信应用融合到单一的网络平台中以减少集成和运行 费用，而且g s m r 保留了g s m 的基本结构，可以由已经标准化的设备改进而成， 保证系统价格低廉的实现以及性能可靠的运行【l j 。 g s m r 在欧洲的发展大致分为3 个阶段：标准制定阶段、g s m r 系统试验阶 段和g s m r 工程实施阶段。1 9 9 3 年，国际铁路联盟u i c 与欧洲电信标准组织e t s i 协商，提出了以g s mp h 嬲e2 + 为标准的g s m r 技术作为欧洲各国铁路下一代无 线通信的发展方向，这一提议在1 9 9 5 年经u i c 评估并最终确认。之后，u i c 开展 了一系列的标准制定以及测试工作。1 9 9 7 年，2 4 个国家的3 2 个铁路组织共同签 署了备忘录，决定采用g s m r 作为铁路专用通信技术。同年，u i c 还成立了 m o r a n e ( 欧洲铁路移动无线系统) ，负责验证g s m r 系统的可靠性、兼容性等 指标，并将重点放在测量高速环境下的g s m r 特性上。1 9 9 9 年第一个g s m - r 网 络在连接瑞典到丹麦的o r e s u n d 大桥建成并投入运营，之后，各个国家相继开始建 设自己的g s m r 系统，到2 0 0 2 年发展为7 个。截止到2 0 0 8 年底，欧洲已建成投 入使用g s m r 网络的国家有奥地利、比利时、立陶宛、保加利亚、捷克、芬兰、 法国、德国、希腊、意大利、荷兰、挪威、斯洛伐克、西班牙、瑞士、瑞典和英 国等1 7 个国家；阿尔及利亚、印度、土耳其和沙特阿拉伯等四国已进入g s m r 前期发展阶段；澳大利亚正在研究采用g s m r 的可行性。 我国已进入g s m r 网络的大规模建设阶段。根据我国的中长期铁路网规划， 到2 0 2 0 年，全国铁路营业里程将达到1 2 万公里以上，重点发展“四纵四横”的 客运专线以及经济发达和人口稠密地区的城际客运系统。我国的g s m r 建设和发 展服从规划的安排，分为三个阶段。第一阶段为青藏线、大秦线和胶济线三条特 1 色线路的建设与试验，主要是核心网和无线接入网的构建。该阶段的主要任务是 把g s m r 技术引入到中国铁路并与中国铁路的具体应用相结合，配套国内的自主 研究开发成果，实现中国铁路特有的应用，以此证明g s m r 网络完全能够满足中 国铁路的调度、运输和生产对移动通信网络的需求。因此，这一阶段的建设将为 g s m r 在中国铁路的全面推广及应用积累丰富的经验并打下坚实的基础。第二阶 段为客运专线建设，着重构建中国铁路g s m r 核心网络的中心节点，搭建网络骨 架结构，并以客运专线为主干线，建设相关的无线接入网络，为客运专线中以列 车控制为代表的各种铁路应用提供完整的网络服务。第三阶段为全国铁路g s m r 网络的形成与完善。随着新线的建设和既有线的改造，并以第二阶段建设的中心 节点为骨干，逐渐构建相关的无线接入网络，最终形成能够覆盖全国铁路的g s m r 网络【2 1 。截止目前，已有京津城际、武广、郑西、沪宁等客运专线相继开通，并有 在建的京沪、京石武等客运专线即将开通，中国的g s m r 技术已逐步走向成熟。 铁路运营与国计民生息息相关，铁路通信系统的可靠性、有效性、可维护性、 安全性，即ra m s 指标( r e l i a b i l i t ya v a i l a b i l 毋m a 谳舳a 1 1 c es a f e t y ，r a m s ) 一直 是铁路信息化建设的重点和关键问题，直接关系到人民的生命财产安全，g s m - r 无线通信网络担负着传输列车控制数据信号的任务，其安全可靠的传输直接关系 到列车行车安全，因此，深入研究g s m r 系统应用基础理论对指导g s m r 平台 建设意义重大，是关乎高速铁路运输安全和效率的重要因素。 与g s m r 无线通信安全性、可靠性紧密相关的理论与技术问题主要包括以下 几个方面。 a 无线电波传播理论。通过电波传播理论得到路径损耗模型，由此经过无线 链路预算进一步确定小区覆盖半径、重叠区及覆盖概率，得出全网的载波功率c ， 这也是g s m r 无线组网的基础。 b 干扰分析理论。移动通信系统的干扰是影响无线网络质量和传输可靠性的 重要因素之一，为了保证移动通信网能够有效运转，使所有用户的通信互不干扰， 必须进行干扰的评估与协调，这是无线通信组网设计中重要的任务之一，也是网 络初建、改建、扩容、优化各个阶段需要关注的关键问题之一。鉴于我国复杂的 铁路环境及频带使用情况，g s m r 系统的干扰源远比公网复杂，对系统中的干扰 进行分析时，需要建立干扰分析模型并在此基础上确定干扰的分布，得出全网的 干扰功率i ，结合电波传播理论得到全网的c 帆分布，以便更好地保证g s m r 组 网的质量。 c 频率规划理论。g s m r 系统是频率资源严重受限的系统，同时，g s m r 系统干扰的复杂性及双层网的组网方式使得g s m r 系统的频率规划十分复杂，如 何在这种情况下进行合理、高效的频率规划也成为g s m r 系统组网的关键，本书 2 将对频率规划的理论、方法进深入探讨。 d 冗余覆盖理论。为了确保g s m r 网络高的可靠性和安全性，g s m r 采用 了双层网覆盖方式，这种组网方式下g s m r 的可靠性、干扰情况、覆盖情况等问 题都值得深入研究。 e 越区切换可靠性理论。越区切换技术是g s m r 无线资源管理中的关键技 术，铁路高速环境下越区切换的可靠性和有效性是体现在g s m r 专用模式性能的 重要方面，它对保障铁路移动通信的可靠性和有效性起着举足轻重的作用。本书 以越区切换阻塞率作为重点指标，对越区切换可靠性的相关理论进行了分析。 f q o s 指标建立与评估理论。网络服务质量是g s m r 全网建设的检验标准之 一。网络建成后，找出g s m r 系统中各项指标的建立依据，以及如何对各项指标 进行评估，这对于进一步提高网络服务质量意义重大。 上述与g s m r 系统组网相关的研究方面是以无线电波传播理论、数理统计、 随机过程、灰色聚类理论、排队论、马尔科夫过程、p e t r i 网理论、模糊数学、粗 糙集理论为基本理论支撑的。 ( 2 ) 列车运行控制系统在国内外的发展 提高列车运行速度是铁路技术发展的重要目标，而列车运行控制系统是保证 列车安全、高速运行的主要技术支持手段。列车运行控制系统由车载设备和地面 设备两部分组成，通过车地信息交换及车载设备与动车组制动设备的结合，完成 列车超速防护功能，保证列车安全正点运行。目前国外已投入使用的高速列车( 时 速超过2 5 0 虹) 运行控制系统主要有法国u 厂r 系统、日本新干线a = r c 系统、德国 l z b 系统和欧洲e t c s 系统等，这些系统最根本的差别在于对高速列车超速后的 控制方式以及车地间信息传输方式有所不同口j 。 随着欧洲铁路的发展，欧盟各国都面临着如何解决跨国运行时a 皿兼容的问 题。因此，为实现高速列车在欧洲境内穿越国境时互通运营，2 0 世纪9 0 年代中期， 欧洲各信号公司结合欧洲各国铁路现状，耗时几年，联合制订了e t c s ( 欧洲列车 控制系统) 技术规范。e r l m s e t c s ( 欧洲铁路运输管理系统欧洲列车控制系统) 技术规范兼顾了既有设备以及今后列车运行控制系统的发展趋势，并最终确定了5 个应用等级，分别为：e t c s 0 级、e t c s o + ( s 1 m ) 、e t c s l 级、e t c s 一2 级、e t c s 一3 级。其中等级2 和等级3 都采用g s m r 网络作为其车地数据传输平台。e t c s 在 欧洲历经规范制定、产品研发和运行试验阶段，目前已经进入了大规模商用阶段【4 j 。 我国的列车控制系统在近1 0 年有着突飞猛进的发展。2 0 0 2 年，铁道部本着设 备兼容、互联互通和技术发展的原则，确定了发展高速、先进和适应可持续发展 的中国铁路列车运行控制系统( c l l i i l e n a i l lc o n 缸d ls y s t 锄以下简称c t c s ) 的 战略目标。2 0 0 3 年，铁道部宣布了c t c s 的基本架构和分级。2 0 0 4 年，铁道部颁 布了c t c s 技术规范总则，确定了c t c s 的总体技术框架，发布了c t c s 0 级 到c t c s 4 级共5 个等级的系统框架。c t c s 0 级：机车信号+ 监控装置( 目前全路 机车既有装备现状) ：c t c s 1 ：主体机车信号+ 安全型监控装置+ 点式应答器； c t c s 2 ：超速防护设备；c t c s 一3 ：基于g s m r 传输的超速防护系统设备；c t c s 4 ： 采用应答器或卫星定位系统( g p s ) 无线传输列车移动命令的列车控制系统。2 0 0 7 年，c t c s 2 级列车控制系统在全路第六次大面积提速中成功实施应用。2 0 0 7 年底， 铁道部成立c 3 技术攻关组，依托武广和郑西等高速铁路建设项目，系统开展 c t c s 3 级列车控制系统的创新研发工作。2 0 0 9 年底、2 0 1 0 年初武广和郑西高速 铁路相继开通运营，标志着基于g s m r 网络的c t c s 3 级列车控制系统在我国的 成功应用。随着客运专线的建设和高速铁路研究，c t c s 3 级列车控制系统已经成 为3 0 0h m l l 及以上高速动车组的主用列车控制系统，满足设计速度3 5 0h 1 h 、运 营速度3 0 0h ：l l l 和验收速度3 5 0h 讹的要求【3 j 1 5 j 。 1 1 2课题国内外研究现状 越区切换是无线资源管理的重要内容，对越区切换的处理与提升整个系统的 有效性和可靠性有很大的关联。在g s m r 的发展过程中，越区切换一直是科研人 员的研究重点。 到目前为止，传统的越区切换理论研究已相对比较成熟，提出了许多越区切 换的改善算法，主要涉及缩短越区切换时间、降低越区切换阻塞率以及提高越区 切换成功率等方面。在缩短越区切换时间方面，主要有目标小区指定法【6 】和提前切 换算法其中提前切换算法通过减少对无线链路测量的时间和数据来实现；目标 小区指定法则根据列车运行方向简化邻区列表。在降低越区切换阻塞率方面，文 献【8 】提出了一种改善方法，即采用切换呼叫排队而源发呼叫不排队的方式降低切换 阻塞率。该方案的不足之处在于对切换呼叫采用了排队的方式，而源发呼叫不采 用排队，这时有可能造成资源拥塞时重要的源发呼叫不能随时建立起来。针对高 速环境的特点，文献 9 】提出了应用模糊逻辑和动态抽样距离提高越区切换的可靠 性，文献 1 0 】从缩短切换执行时间的角度提出了一种快速切换算法。文献【1 1 】提出 了基于o f d m 技术的铁路移动通信系统模型，并以时分信道情况为例，给出了几 种可能的切换信道分配方案，将g s m r 等系统中影响通信可靠性的越区硬切换中 断问题转化为“数据提取及完整性检查。 在越区切换对c t c s 3 级列控数据传输的影响方面，已有研究均侧重于越区切 换和列控数据传输各自本身特性方面，没有将两者之间的关系进行明确分析，另 外也缺乏高速试验的结果及分析。其中文献【1 2 】计算了越区切换所需的时间以及越 4 区切换失败情况最大时延，没有涉及到列控数据的传输时延；文献【1 3 】和文献【1 4 】 对列控数据的传输时延进行了系统的分析，并进行了不同速率、不同长度数据传 输时延的对比分析，但是并没有考虑越区切换影响下的列控数据传输时延；文献 1 5 】 给出了c b t c 系统中越区切换中断时间与列车运行速度的关系，但是只验证了速 度在9 0 l 【i i 汕以下模型的正确性；文献 1 6 】利用随机p e t r i 网对列控数据通信在越区 切换时的传输可靠性进行了建模和分析，得出了越区切换在不同速度下的成功率， 但是结论是通过将固定时间分布用一个3 阶e d 雒g 分布近似得到的；文献 1 7 】利用 随机p e t r i 网对越区切换进行建模，得出了越区切换发生的概率，但是不具有普遍 性。以上文献均没有完整系统的分析g s m r 网络越区切换对c t c s 3 系统数据传 输的影响。 1 2 论文研究的意义及目的 近年来，我国高速铁路和客运专线进入了大规模建设时期。c t c s 3 级列车控 制系统在武广、郑西客运专线得到了成功的运用，并成为之后我国高速铁路的主 用列车控制系统，通信信号一体化达到了一个更高的结合点，基于g s m r 无线通 信系统的c t c s 3 级列车控制系统保证了列车在3 5 0 h m l 的高速下安全、平稳的运 行。c t c s 3 级列车控制系统利用g s m r 网络进行车地双向数据的传输，g s m - r 网络需提供安全可靠的无线环境保证行车安全。g s m r 网络覆盖大部分区域采用 线状覆盖方式，列车高速运行会导致其运行过程中越区切换频繁发生。同时， g s m r 网络的越区切换采用的是硬切换技术，越区切换会造成短暂的通信中断， 对列控数据传输业务造成影响。由于列控数据传输直接影响行车安全，为保证其 传输的可靠性，g s m r 系统对切换时间和切换成功率有严格的要求，越区切换成 为影响c t c s 3 系统性能的重要因素。因此，研究越区切换对c t c s 3 数据传输时 延、传输干扰率的影响，以及越区切换模型的建立有着十分重大的意义。 本文研究的目的在于通过分析越区切换对列车控制系统产生的影响，得出越 区切换成功的情况下对列控消息的传输时延以及越区切换失败掉话的情况下列车 运营晚点的时间，并通过马尔可夫模型建立越区切换模型，最后提出提高越区切 换成功率的方案，为今后的网络建设提供参考依据。 1 3 论文内容及结构安排 本文在研究高速铁路g s m r 网络越区切换的前提下，分析了越区切换对列控 数据传输的影响，得出了越区切换影响下的列控数据的传输时延，进一步分析了 5 越区切换掉话对列车运营的影响，最后提出了越区切换成功率以及提高越区切换 成功率的改进方案。论文的内容安排大体如下： 第一章：介绍了课题的研究背景，指出了论文的选题意义及研究目的。 第二章：阐述了g s m r 网络越区切换的意义及过程，讨论了高速环境对越区 切换的影响，并从越区切换成功和失败两方面分析越区切换的中断时间。 第三章：研究了越区切换成功的情况对c t c s 3 系统列控数据产生的时延，具 体得出了越区切换对行车许可m a 消息的传输时延；最后研究了越区切换失败掉 话的情况对列车控制系统造成的影响，并得出了在特定场景和典型参数下由此引 起的列车晚点时间。 第四章：以马尔可夫理论为基础，提出了越区切换模型，并通过m a n 。a b 仿 真得出了列车分别在2 5 蛐、3 5 0 h 洫、5 0 蛐等不同速度下越区切换的成功 率；最后提出了提高越区切换成功率的改进方案，在c t c s 3 级列车控制系统中采 用双端电台工作模式取代现有的单端电台工作模式，并对改进方案的越区切换成 功率进行了分析。 第五章：总结全文，指明下一步的研究方向。 6 2g s m r 网络的越区切换 越区切换技术是g s m r 无线资源管理中的关键技术，铁路高速环境下越区切 换的可靠性和有效性是体现在g s m r 专用模式性能的重要方面，它对保障铁路移 动通信的可靠性和有效性起着举足轻重的作用。 本章介绍了越区切换的原理，探讨了高速环境的特性以及对越区切换产生的 影响，并从越区切换成功和失败两方面分析了越区切换的中断时间。 2 1越区切换原理 2 1 1越区切换的意义 在移动用户通话过程中，为了使呼叫建立在最好的小区中以及为了使呼叫不 掉话，就引入了切换的概念。切换就是为了维持移动台从一个小区移动到另一个 小区时通话能继续进行，以满足网络管理的需要【1 8 】。越区切换是g s m r 网络无线 资源管理的重要内容，越区切换的性能是关系整个通信系统可靠性和安全性的关 键之所在。 在g s m r 系统中，小区成线状覆盖，且半径相对较小，列车在铁路上高速运 行，所以在运行过程中会频繁发生越区切换。在呼叫期间，移动台负责测量无线 子系统的下行链路性能和周围小区的信号强度，基站负责监视每个被服务的移动 台的上行接收电平和质量，当异常情况被检测时，基站立即向m s c ( m o b i l 争s e 耐c c s 埘t c h i i l gc e n t e f ，移动业务交换中心) 或b s c ( b a s es t a t i o nc o n 劬l l e r ，基站控制 器) 发出告警信号，m s c 或b s c 会寻找一个新小区或新信道，找到之后会立即触 发切换；否则通信会在原来的信道上继续进行，同时，尝试切换的过程周期性地 重复进行。如果完成切换，原来的信道就被释放，通话在新的信道上继续进行。 以上是整个切换过型1 心j 。 2 1 2越区切换的过程 越区切换的过程由m s ( m 0 b i l e 跳a t i o n ，移动台) 、b t s ( b a t r a n s c e i v e rs t a t i o n ， 基站) 、b s c 和m s c 共同配合完成。切换过程可分为4 个阶段：测量、触发、选 择和执行。 ( 1 ) 测量过程 7 在通话过程中，系统对切换和功率控制的判决取决于移动台定期向网络发送 的对下行链路测量的报告，以及基站对上行链路测量的报告，这两份报告将同时 送到b s c 中进行判决。 在专用模式下，移动台需要测量当前小区的下行链路接收信号电平 ( r x l e v d l ) 和质量( r x q l a l d l ) ，并根据小区广播系统消息( s y si n f o5 和s y s i n f o6 ) 中的邻区描述来测量邻区b c c h ( b r o a d c a s tc o r l 仃o lc h 锄e l ，广播控制 信道) 上的接收电平( r x l e v c e l l ( n ) ) 。上行方向上，移动台每隔s a c c h ( s l o w 缸s o c i a t c dc o n 臼o lc h 锄e l ，慢速随路控制信道) 复帧间隔时间( 约4 8 0 m s ) 向网 络发送一次测量报告消息，汇报当前小区的接收电平、信号质量、时间提前量( t a 值) 、功率控制和是否使用d t x ( 不连续发送) 的情况，以及邻小区有关接收性能 的测量结果。系统将根据这些情况来进行切换判断。 基站侧的测量过程与m s 侧类似。基站对当前信道上行链路接收信号电平 ( r x i ，e v i7 l ) 和质量( r x q u a l u l ) 不断地进行测量，测量周期与s a c c h 块周期 相同。下行方向上，基站发送的测量报告中包含以下四个内容：当前小区上行链 路的接收电平、接收质量、t a 值以及未指配时隙的干扰电平等【1 8 】【嘲。 ( 2 ) 触发过程 越区切换的触发过程包含两个阶段：b t s 的预处理和门限值比较。 a b t s 的预处理 基站将自己对上行链路测量的报告以及收集到的移动台关于下行链路的测量 报告一起进行处理。将所获得的来自m s 和基站的信号电平( i 渤v ) 、信号质量 ( 1 q u a l ) 、时间提前量( t a 值) 的测量样本值根据相关的参数设定值( 参加 算术平均的样本值和参加加权平均的样本值) 来进行算术平均和加权平均。基站 对测量报告的处理具体包括一下几方面【2 0 】： 曲对接收电平r x k 的处理 接收电平r x l e 、，分为6 4 级( 采用6 位二进制编码) ，分别对应1 1 0 d b m 4 8 d b m 范围内的电平值。对于当前小区信号电平r x k 帕( x ( ) c 释d l 或u l ) 的 测量结果的处理，至少需要存有与最近的3 2 个样本( 由b s s 或m s 在4 8 0 m s 内估 计) 有关的值。每4 8 0 i i l s 内，基站用这些样本值结合h 嘲t ( 产生算术平均值的个 数) 和h 嘲a v e ( 产生加权平均值的个数) 参数计算出接收信号电平的平均值。对 邻区b c c h 载频上接收信号电平( r x l e vn c e l u n ) ) 的测量结果的处理也采用 同样的方法。 b ) 对信号质量r x q i l a l 的处理 信号质量r x q l l a l 用误码率b e r 进行度量，分为8 个级别( 采用3 位二进制 编码) ，分别对应o 1 2 8 范围内的误码率。对当前小区信号质量的测量结果处 8 理过程与接收电平的处理过程相同。 c ) 对时间提前量t a 值的处理 t a 值由6 位二进制码表示，其数值取值范围为o 6 3 ，单位是1 个传输码元， 即3 6 9 u s 。由此可计算得到时间提前量的最大值为2 3 3 璐，相当于电波传送3 5 k m 的往返时间。因此，g s m r 系统小区覆盖的最大半径为3 5 l 。对当前小区时间 提前量测量结果的处理过程与接收电平的处理过程相同。 d ) 对功率估计值p b g t ( n ) 的处理 基站需要每4 8 0 m s 估计一次p b g t ( n ) 的值，其计算处理的表达式见式( 2 1 ) ， 该表达式同时也是b s c 采用的切换准则。式中，r x l e vn c e l u n ) 和r x l 删d l 的值通过对信号电平的处理过程获得。 p b g t ( n ) = r x l e v - c e l l ( n ) 一m i i l ( m s t x p 、) 心压a 】【c d l ( n ) ，p ( n ) ) 一 【r x l 删d l ( p m a x ) 一i n i i l ( m s t x p w m a 】【，p ) 】 ( 2 1 ) 式中： r x i 七v d l ( p m a x ) = r x l e v d l + p 、r ：cd ； p 、rcd ：r f 最大下行链路功率与基站功率控制下的实际下行链路功率之 差； 融l e v d l ：移动台在当前小区上的平均接收电平； 阳( l e vn c e l l ( n ) ：相邻小区n 上的接收电平； m s t ) 【p 、j i ，i m 强：移动台在当前小区上的最大发送功率； m s n w m a x c e l l ( n ) ：移动台在相邻小区n 上的最大发送功率； p ：移动台在当前小区上的最大l 强发射功率； p ( n ) ：移动台在相邻小区n 上的最大i 心发射功率。 b 门限值比较 在每个s a c c h 复帧内，基站将每个预处理后的测量结果与其相应的门限值作 比较，判决是否触发切换过程。触发切换过程的原因主要包括一下几种情况【2 0 】： a ) 电平值的比较 如果在n 1 个r x 撕u l ( r x l e v d l ) 平均值中，至少有p 1 个平均值低于 l i h l e v u l h ( 1 r 盖l e v d l h ) ，则要求一个原因为r x i 删| u l ( i & l e v d l ) 的切换， 即上行( 下行) 紧急性电平切换。 其中： 】r x i 蒯7 l h ：上行链路电平切换门限； l r x l e 帆) l h ：下行链路电平切换门限。 p l 和n 1 的建议取值分别为l o 和1 2 。 b ) 质量比较 9 如果在卜陀个r x q u 越u l ( r x q l a l d l ) 平均值中，至少有p 2 个平均值高于 l r x q 砌u l h ( 1 融q l l a l d l h ) ，则要求一个原因为r x q u a l u l ( 风q 砌d l ) 的切换， 即上行( 下行) 紧急性电平切换。 其中： l r x q i l a l u l h ：上行链路质量切换门限； l r x q u a l d l h ：下行链路质量切换门限。 p 2 和n 2 的建议取值分别为5 和7 。 c ) 距离比较 如果在n 3 个距离平均值m sb sd i s t 中至少有p 3 个平均值大于 m s r 锄g e m a 】【，则会触发紧急性距离切换。 其中： m s r 锄g e m 强：移动台和基站之间允许最大距离的门限值； p 3 和n 3 的建议取值分别为8 和1 0 。 d ) 功率估计比较 如果p b g t ( n ) o ，并且p b g t ( n ) h o m a 晒n ( n ) ，则会触发功率估计切换。这 种切换方式可以使移动台始终锁定在路径损耗最小的小区上，发生这种切换时， 当前小区的信号电平和质量可能并没有低于门限值以下。其中h o m a 晒n ( n ) 为当前 小区向相邻小区n 切换的切换容限【嘲。 c 选择过程 由于g s m r 网络的线状覆盖特性，当前小区的邻小区只有前后相邻的4 个小 区，所以g s m r 的选择过程较公网的选择过程简单了许多。移动台和基站无需对 若干邻小区测量，也无需对众多合格小区进行冗长的排队和选择。基站只需决定 出预存储邻小区列表中的4 个小区是否均适合作为切换小区( 满足式( 2 2 ) 和式 ( 2 3 ) ) ，将合格的小区放入切换邻小区表中，并根据p b g t 值的大小排列先后顺 序作为候选邻区表。b s c 确定切换目标小区的算法建立在以下两个公式的基础上： r ) 【l e v n c e l i n ) r x i ，e v m i n c e n ( n ) + i a x ( o ，p a ) ( 2 2 ) p b g t ( n ) h o m a 画n x x ( n ) ( 2 3 ) 如果小区中的切换请求原因个数不只一个，则按照切换的优先级选择优先级 别最高的作为切换原因。b s c 或m s c 按紧急性质量切换、紧急性电平切换、紧急 性距离切换、业务切换和功率估计切换五种切换原因的优先顺序选择用于切换的 小区。 当涉及到b s c 间切换或者m s c 间切换时，需要由原小区被管辖的m s c 来决 定切换的发生。m s c 根据测量比较后给出目标小区，指明切换原因，并将这些信 息放在h a n d o rc o m a n d 消息中发送给原小区所属的b s c 。 l o b s c 或者m s c 根据4 个相邻小区的测量结果按照从大到小的顺序排队后选 择，排在第一位的将被选为目标小区。当目标小区的信道拥塞时，可选择候选列 表中的第二位小区作为切换目标小区。如果未找到适合切换的小区，且在b s c 或 m s c 中支持呼叫排队，则切换请求在目标小区中等待排队，排队处理的切换请求 要比一般的呼叫请求优先级耐2 l 】。 d 执行过程 在整个越区切换实现的过程中，切换的触发过程和选择过程是实现越区切换 的量变过程，在移动台和网络间的消息传输表象中没有变化。而切换的真正质变 是从执行过程开始的。切换执行过程的主要任务是分配、激活一个新信道，然后 将业务切换到这个信道上【2 2 堋。 切换的执行过程包含以下两个阶段： a ) 旧b s c 触发一系列事件以建立未来通信的路径，并给移动台发送切换命令； b ) 移动台接入新信道，触发网络中路径的切换，触发旧路径的释放。 从切换所涉及到的设备考虑，切换的执行过程一般可以分为b s c 内切换、b s c 间切换和m s c 间切换。 对于b s c 内的切换，b s c 将切换的相关信息加载到切换命令( h a n d o v e r c o m m a n d ) 中，并将这条消息通过原b t s 发送给移动台，同时启动定时器t 3 1 0 3 ， 切换执行过程正式开始。移动台收到切换命令后开始接入新信道，当移动台接入 到新小区的无线资源中后，新小区必须检测切换参考号是否与指定的相同，只有 在参考号吻合的情况下，新小区才会发送h a n d o 弧d e t e c t 消息给b s c ，移 动台被锁定到新小区上，移动台成功接入新小区后向b s c 发送切换完成 ( 乩6 心d o 、仡rc o m p l e t e ) 消息，t 3 1 0 3 停止计时，b s c 向原b t s 下发信道 释放消息，旧信道被释放，切换完成。 对于b s c 间的切换，首先由原m s c 发送b s s m a p 地蝌d o v e rc o m 心m 消息给原b s c ，原b s c 再向移动台发送h 心d o v e rc o m m a n d 消息，同时启 动定时器t 3 1 0 3 ，移动台接入到新信道后，向新b s c 发送切换完成( m 心d o v e r c o m p u t e ) 消息，之后新b s c 立即向m s c 发送切换完成消息，此时对t 3 1 0 3 复位，m s c 向原b s c 发送清除命令( c l e a rc o m 埘d ) 消息，旧信道被释放， 切换完成【1 9 1 。 2 2高速环境下越区切换分析 2 2 1高速铁路环境下无线通信的特点 ( 1 ) 多普勒效应 在无线环境中，由相对运动引起的接收信号频率的偏移称为多普勒频移，与 移动台的运动速度成正比【2 7 1 。如图2 1 所示。多普勒频移以的计算公式为： 五= 厂c c o s 秒 ( 2 4 ) 其中： f 为基站的发射载波频率； v 为移动终端的运行速度； e 移动终端的移动方向和信号发射方向的角度； c 为电磁波传播的速度。 r 名姜 图2 1 多普勒效应不意图