（通信与信息系统专业论文）高速铁路宽带无线接入网络覆盖及切换研究.pdf

中文摘要 摘要：随着高速铁路的快速发展，越来越多的人将选择快速、便捷的高速列车作 为出行的交通工具。为了满足高速列车旅客在数小时的旅途中享受语音、视频、 游戏等宽带无线通信服务的需求，国内外众多高速铁路公司、通信运营商和研究 机构展开了对高速铁路宽带接入网络的研究、部署和测试。在“十一五 规划中， 科技部和铁道部也将“双高( 高速移动环境下的高速数据业务) 课题作为研究重 点。因此，研究高速铁路宽带无线接入问题具有重要意义。 本文从高速移动条件下宽带无线接入需求出发，重点研究了高速铁路宽带无 线接入网络覆盖方案，为高速铁路宽带无线接入网络的研究与实践提供了有益参 考。论文主要研究内容包括： 首先，详细比较了国内外现有高速铁路宽带无线接入网络覆盖方案，指出了 它们各自的优缺点，并对各方案的应用背景和限制条件进行了说明。然后，提出 了一种基于光载无线通信技术的高速铁路宽带无线接入网络覆盖方案，并分析其 网络覆盖有效性，同时通过建立的分析模型，进一步阐述了分析远端天线单元与 车项天线之间数量关系的方法，为网络规划提供参考。最后，提出了一种合理的 媒体接入控制方案，详细说明了可以实现无缝切换的快速切换策略流程，并在快 速切换策略执行过程中，提出了动态和固定两种时隙资源分配模式，对它们的性 能进行了仿真分析。仿真结果表明，无论对于单用户还是对于整个网络的性能， 动态时隙资源分配模式都优于固定时隙分配模式。 关键词：高速铁路；宽带无线接入；网络覆盖方案；i b f ；快速切换 分类号：t n 9 2 9 5 a bs t r a c t a b s t r a c t ：w 他m er a p i dd e v e l o p m e n to fh i 班s p e e dr a i l w a y s ( h s r ) ，m o r cp e o p l e w o u l dl i k et 0c h o o s e 饥ta i l dc o n v e i l i e n th i 曲s p e e dt r a i 船( h s t ) 硒m e i r 仃a n s p 砥i n o r d e rt 0m e e tp 嬲s e n g e r s d e m 锄df o re 巧o y i n gb r o a d b 锄dc 0 础叭皿c a t i o ns e i c es u c h 嬲v o i c e ，v i d e o 龇l dg a i i l e sd 埘j i l gs e v e r a ll l o u r s j o l l i n i ：y ，a1 0 to fh s tc o m p a 血e s ， c o m 舢l i l i c a t i o no p e r a t o r sa n dr e s e a r c hi i l s t i t u _ t i o i l sh a v eb e e i ld c v e l o p i i l g ，d 印l o ) ，i n g 趾d t e s t i i l gb r o a 曲a 1 1 d 、i r e l e s sa c c 髓sn e 伽o r k sf o rh s r 1 kt o p i co fh i 曲s p e e dd a t a s 硎c e si i ll l i g hs p e e d 加o b i l ee n v 拍m 钮th 嬲a l s ob e e ns e l e c t e d 嬲t l l em 咖r 锶e a r c h f o c u sb ym em i n i s 仃yo fs c i e n c ea n dt c d m o l o g ) r 雒dm em i i l i s 仃yo fr a i l w a y si l lm e e l e v e n mf i v e y e a rp l a i l ”t i l e r e f o r e ，i ti ss i 鲥丘c 趾tt 0 咖d ym ei s s u e so f b r o a d b 锄d 、7 沌e l e s sa c c e s sf o rh s r b a s e do nm er e q u i r e i n e n to fb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s si i l1 1 i 9 1 ls p e e dm o v e m e 咄 l i st l l e s i sf o c t l s e so nm er 懿e a r c ho fs d l 锄e so f b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s sf o rh s r ， w m c hc 觚s e r 、，e 勰au s e f i l lr e f 打锄c ef o r 血t i j r er e s e a r c ha n dp r a c t i c co fb r o a d b a n d w i r e l e s sa c c 懿sm 僦r o r kf o rh s r t h er e s e 砌lo f l i s l e s i sm a i n l yi n c l u d e s ： f i r s t l y ，a r e rad e t a i l e dc o m p a r i s o no fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a le 】【i s t i i l gs c h 锄e s o fb r o a d b 锄dw i r e l e s sa c c e s sf o rh s 心m 砸t s 锄df a u l t so ft 1 1 e s es c h e m e sa r ep o i i i t i e d o u t 觚dm ea p p l i e db a 蛔u n da n dr e s t r i c t i o 璐o f l e s c h e m e sa r ed e s 嘶b e d i n a d d i t i o n ，ab r o a d b a n dw h l e s sa c c e s sn e t 、7 i r o r kb 嬲c do nr a d i oo v e r 矗b e r 蠡) rh s ri s p r o p o s e d 锄d l ec 0 v e 瑚【g ee f 慨t i v i 够o ft b i ss c h 锄ei s 觚a 1 ) ，z e d f u 一h 锄0 r e ，t 1 1 e m e m o dt oa n a l y z et l l er e l a t i o 邶h i pb e 脚e m en 瑚曲e ro f r 锄o t e 觚t a 胁a1 1 i l i t sa n dr o o f a n t c i l n 弱i si 1 1 u s 仃a t e du s m gm e 缸l a l y s i sm o d e l ，、) l ，：i l i c hc 弛p r o v i d e 锄g g e s t i o nf 0 r 廿l e n e 时o r kp l a 加- i n g f i i l a l l y ，ar e 嬲o n a b l es c h 锄ef o rm e d i 眦a c c e s sc 0 蛐r o l i sp r o p o s c d a r l dm es e a m l 髓sf a s th l d o v 贫p m c o d l l r ei sd i s c l l s s e di i ld “1 i i lt l l ei i l l p l 即舱n t a t i o n o ff a s t 叫o v l 。rs 仃a t e g 弘d y n a m i ca n df i x o ds l o tr 销。嗽a l l o c a t i o ns c h e m e sa r e p r o p o s e dr e s p e 嘶v e l y a l l dm e i rp e 墒m 柚c e i sc o m p 骶范：i ns 岫u l a t i o n t h es m l a t i o n r e s u l t ss h o w 廿l a tm em m 删cs c h e m ei sb e 仕e rt l l 孤n l ef e ds c h 筋b o mf o ro l l s e r a n dm ew h o l en e t 、7 l r o r k k e y w o l m s ：h i g l ls p e e dr a i l w a y ；b r o a d b a n dw i r e l e 豁a c c 器s ；n 神叭i r kc ( v 馓g e s c h e m e ；r o f ；f a s th 觚d o v 盯 c l as s n o ：t n 9 2 9 5 致谢 本文的工作是在我的导师谈振辉教授的悉心指导下完成的，谈教授严谨的治 学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年半来谈老 师对我的关心和指导。 谈教授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。 特别感谢金晓军老师在学习上和生活上都给予了我很大的支持和帮助，在此 向金老师表示衷心的谢意。王海波老师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，在此向王老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，各位同学、师兄师姐等同学对我论文的顺利 完成给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也深深感谢我的家人，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研究背景和意义 铁路是人类发明的首项公共交通工具，作为轨道交通的重要组成部分之一， 在陆上交通中发挥着重要的作用。近年来随着经济和社会的快速发展，高速铁路 已经成为未来交通重要发展方向之一，它具有输送能力大、速度快、安全性高、 受气候变化影响小、正点率高、人均能源消耗低、环境影响轻、舒适方便等优点。 根据国际铁路联盟的定义，高速铁路是指通过改造原有线路( 直线化、轨距标准 化) ，使运营速度达到2 0 0h 讹以上，或者专门修建新的“高速新线，使营运速 率达到2 5 0 妇1 h 以上的铁路系统；国际铁路联盟高速部在“速度3 2 0 3 5 0 妇儿 的新线设计科技发展动态( 第一部分) 资料中指出，新建高速铁路的速度目标值 是3 2 0 3 5 0 。 我国轨道交通建设正处于一个快速跨越式发展的时期，发展高速铁路交通符 合我国可持续发展的战略要求。国务院审议通过的综合交通网中长期发展规划 【l 】中指出，规划2 0 2 0 年综合交通网总规模为3 3 8 万公里以上( 不含空中、海上 航线、城市内道路和农村公路村道里程) ，其中铁路网总规模达到1 2 万公里以上， 复线率和电气化率分别达到5 0 和6 0 ，铁路客运专线和城际轨道交通线路1 5 万公里以上，城市轨道交通线路2 5 0 0 公里。根据综合交通网中长期发展规划 的目标，铁道部对铁路网规划做出相应调整后形成了 中长期铁路网规划( 2 0 0 8 年调整) 【2 】，确定发展目标是为适应全面建设小康社会的目标要求，铁路网要扩 大规模，完善结构，提高质量，快速扩充运输能力，迅速提高装备水平，到2 0 2 0 年实现主要繁忙干线实现客货分线，基本形成布局合理、结构清晰、功能完善、 衔接顺畅的铁路网络，运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达 到或接近国际先进水平。在客运专线方面，为满足快速增长的旅客运输需求，建 立省会城市及大中城市问的快速客运通道，规划“四纵四横”等客运专线以及经 济发达和人口稠密地区城际客运系统，建设客运专线1 6 万公里以上。在铁路“十 一五”规划【3 】中明确了“十一五”期间我国铁路发展的主要目标是：建设新线 1 7 0 0 0 公里，其中客运专线7 0 0 0 公里；建设既有线复线8 0 0 0 公里；既有线电气化 改造1 5 0 0 0 公里。2 0 1 0 年全国铁路营业里程达到9 万公里以上，复线、电化率均 达到4 5 以上，快速客运网总规模达到2 0 0 0 0 公里以上。基本实现技术装备现代 化，运输安全持续稳定，经济效益不断提升。简而言之，建设快速客运网络是铁 路发展的重要任务之一，这些规划的实施也标志着我国客运专线大规模建设已逐 步展开。目前，我国已建成并在运营中的高速铁路包括武汉广州高速铁路客运专 线、郑州西安高速铁路客运专线，它们的运营速度达到3 5 0k i n l l ，是世界运营速 度最高的高速铁路。北京上海高速铁路客运专线正在建设中，在2 0 1 0 年1 1 月1 5 日实现全线铺通，预计在2 0 1 2 年之前建成通车。由此可见，我国客运铁路旅程将 大大增加，城际高速铁路旅程比例也将大大增加。在不久的将来，运行速度高达 5 0 0l a n 讹的真正高速铁路有望在我国实现。 随着高速铁路的不断发展，铁路信息化所要求的车地之间的通信数据越来越 多。一方面，列车运行、列车安全监控、维护等实时信息需要传送到地面，满足 铁路路网移动体( 机车、车辆等) 实时动态跟踪信息传输的需要；另一方面，以 旅客为主体的移动信息，需要在车地之间实时进行传送，为旅客提供多方位的综 合信息服务。而无线通信技术是信息与通信历史上最成功的技术之一，它的最终 目标是在任何时候、在任何地方、与任何人、通过任何方式都能及时沟通联系、 交流信息【4 】。无线通信不仅能给人们提供万维网( w r o 订dw i d ew 曲，w w w ) 和电 子邮件服务，而且能提供各种各样的多媒体服务，如视频电话、视频会议、在线 游戏、视频点播( d o nd e m 孤d ，v o d ) 等业务，满足人们对通信服务的日常 需求。因此，可以建立车地之间的无线接入网络为实现铁路信息化提供保障。 随着无线多媒体业务的进一步发展，人们乘坐高速列车对旅程中通信服务的 要求越来越高，尤其是商务旅客不希望在数小时的旅程中处于与外界隔绝的“信 息孤岛”状态。如果高速铁路能够使长途旅客在旅途中通过宽带无线接入系统有 机会开展工作或娱乐，那么将会有越来越多的人们选择高速铁路作为他们出行的 常用交通工具。一项调查研究发现，被询问的7 2 商务旅客表示，若是在高速列 车上能够实现宽带网络接入，他们则会放弃乘坐汽车或飞机而选择高速铁路出行； 8 0 的商务旅客表示如果可能的话他们会在高速列车上继续进行工作【5 】。因此，随 着高速铁路的快速发展，在高速移动环境下通信服务的种类应越来越多，不仅包 括话音和数据业务，还应支持各种各样的多媒体业务，使乘坐高速列车的旅客时 刻保持在线状态。通常，这些多媒体业务具有对服务质量需求高、对实时性要求 高等特点。当前，只有在低速移动的场景中通过宽带无线接入技术能够实现提供 这些多媒体业务【6 】。高数据速率是实现多媒体应用所必需的，然而，在现有的宽带 无线接入系统中用户只能选择高数据速率与高移动性两者之一，不能两者同时享 受。因此，有必要在高速铁路上提供宽带无线接入服务，这使得高速铁路成为需 要覆盖高速数据业务的新热点场景。在“十一五 规划中，科技部、铁道部将“双 高( 高速移动环境下的高速数据业务) 课题作为研究重点。 实验测试表明，当列车行驶速度为2 0 0b 山，h 时，电波覆盖率就从原来的9 9 2 以上直降到8 4 左右，话音通好率从原来的9 6 以上下降到8 1 左右，掉话率也 从原来的0 上升到2 5 以上，其他话音指标及数据业务指标均有不同程度的下降， 部分路段出现了脱网、不能正常呼叫和切换以及掉话等现象。可见，使用低频段 的现有移动蜂窝系统( 如g s m ( g l o b a ls v s t 锄向rm o b i l ec o m 姗m j c a t i o 瑚，全球 移动通信系统) 、u m t s ( u i l i v e r s a lm o b i l et e l e c o n n u i l i c a t i o n ss v s t e m ，通用移动 通信系统) 等) 不能满足提供高速移动用户高速率业务质量的“双高要求【7 】【引。 如图1 1 所示，当高速列车运行速度达到3 5 0h l l l 时，现有技术以及正在研究的 技术都无法达到满意的无线接入速率，不能支持实时多媒体应用。因此，有必要 对高速铁路公众宽带通信接入体制进行科学创新，建设高速铁路宽带无线接入系 统，以满足人们在高速移动环境中对宽带无线接入网络的需求。新的高速铁路宽 带无线接入网络覆盖解决方案已成为业界研究“双高”课题的热点。 速率m b p s l o o 1 0 l o 1 31 2 0 2 5 03 5 0 移动性 l a n m 图1 1 无线接入技术移动性与数据速率对比 f i g u 托1 1m o b i l 毋v s 。d a t a r a t 伪i n1 j l ，i r e l 懿sa o c 髑s 蛐1 0 西鹤 此外，频谱资源对于无线通信极为重要，目前低频段的使用已经过于拥挤， 频谱规划非常困难。低频段频谱资源的匮乏成为未来移动通信发展的瓶颈【9 】，高速 铁路宽带无线接入网络覆盖解决方案的研究者已经开始将目光投向了更高的频 段，考虑使用毫米波频段( 如6 0g h z ) 用于无线通信。使用毫米波频段进行无线 通信的系统具有高带宽、高数据速率、对其他系统干扰小等特点。欧洲、美国、 日本等国相继在5 9 6 6g h z 范围内划分7g h z 连续的免授权频谱资源，世界各国 的频谱分配在6 0g h z 附近存在约5g h z 的共用频率，因而6 0g h z 无线通信产品 具有良好的国际通用性。更为重要的是，6 0g 】舷频谱资源完全免费，消费者不用 负担昂贵的频谱资源允许费用，使得6 0g h z 无线通信在经济上具有很大的优势， 吸引众多公司和研发团体投入到6 0g h z 的研究中。 3 列车的高速行驶将导致越区切换频繁，这对高速铁路宽带无线接入网络提出 了更高要求。现有的无线接入网络都是基于蜂窝小区的，小区大小和重叠区范围 ( 切换区域) 都很大，有足够的时间协商切换；假设切换区大小不变，那么移动 速度越高穿越切换区的时间越短，所以高速移动使得越区切换和小区重选频繁。 当用户移动速度足够快以至于穿越切换区的时间小于系统处理切换的最小时延 时，切换流程无法完成，导致掉话。在高速移动情况下，快速切换控制成为高速 铁路宽带无线接入系统面临的主要难点之一。克服频繁的越区切换并减少切换时 延，就要求切换流程必须简单，实现快速切换。因此，研究高速铁路宽带无线接 入网络覆盖方案及相应的切换机制具有重要意义。 1 2 切换概述 在蜂窝移动通信系统中，切换是指当一个用户从一个小区覆盖范围内运动到 另一个小区覆盖范围时，为了保证业务的连续性而进行的改变通信链路的无线资 源管理操作【1 0 1 。在未来的蜂窝移动通信系统中，为了满足日益增加的用户需求， 将通过减小小区半径来提高系统容量和频谱利用率，这使得切换变得越来越频繁。 因此，切换性能的好坏显得尤为重要。 1 2 1 切换的基本原理 ( 一) 切换的典型过程及分类 传统蜂窝移动通信系统中切换的典型过程包括：无线测量一切换判决一切换 执行，如图1 2 所示。在无线测量阶段，网络和用户终端定时评估当前无线通信链 路的质量，同时有规律地测量建立新的通信链路所需的其它信道和其它小区基站 信息，包括上、下行链路的信号强度、信噪比等。在切换判决阶段，根据相应的 切换机制，将无线测量结果与采用的切换算法设定的条件比较，进行切换决策。 进入切换执行阶段，用户终端与新小区尽可能快地建立无线通信链路，并断开与 原来小区建立的无线链路。 4 无线测量 切换判决 切换执行 图1 2 切换的典型过程 f i g 哦1 2t l h e 帅i c a lp r o c e d i l r eo f h a n d o v 盯 根据切换执行阶段中新无线通信链路建立的方式，可以将切换分为两大类： 硬切换、软切换。 硬切换是指用户终端在同一时刻只与一个基站建立无线通信链路，在切换过 程中先断开与原基站之间的通信链路，再建立与新基站的通信链路，即“先断开， 后切换，在通信过程中会出现短时传输中断的现象。硬切换一般用于不同频率间 或不同系统间的切换。 软切换是指在切换过程中用户终端可以同时与多个基站建立无线通信链路， 只有在与新基站建立通信链路之后才断开与原基站的链路，即“先切换，后断开 ， 并利用新旧链路的分集合并来改善通信质量，提供系统容量。软切换一般用于同 频率不同小区间的切换。 ( 二) 切换的触发原因 触发切换的原因有很多，其中最主要的是无线通信链路的连接再也不能满足 通信需求，为了提高通信质量，保证用户终端与网络连接的连续性，就需要执行 切换。在传统蜂窝移动通信系统中，切换将在以下几种情况下被触发： ( 1 ) 信号强度变化触发的切换 当用户终端运动在小区边界时，接收到的信号强度可能会恶化到一定程度， 或者当用户终端在小区中进入信号强度缝隙中( 阴影区) 时，造成接收到的信号 强度恶化到一定程度，这些情况下将触发切换。 ( 2 ) 信号质量变化触发的切换 有时信道受到干扰，可能引起信道质量较大的衰减，而信道的纠错功能不能 5 厂i，l厂ll，弋lll厂l、l 保证信号质量达到用户终端可以接受的水平，这时即使原信道的信号强度足够强， 也会触发切换，选择质量较好的信道。例如在g s m 系统中，当用户终端上、下行 链路的误码率过高，超过设定的门限值，就会触发切换。 ( 3 ) 用户终端位置变化触发的切换 当用户终端从一个小区运动到另一个小区时，也会触发切换。用户终端与基 站之间的极限距离及各小区半径在基站数据库中存储。系统将根据用户终端的位 置，不断比较用户终端到基站的距离与极限距离，如果超过极限距离，则表示用 户终端离开当前小区进入相邻小区，将触发切换。 ( 4 ) 业务类型变化触发的切换 传统蜂窝移动通信系统提供的业务类型是多种多样的。如果用户使用的业务 由实时话音、视频业务转变为非实时的数据类型业务，业务类型发生了改变，则 可能发生资源的重新分配，触发小区内切换。 ( 5 ) 负载均衡触发的切换 系统为了接纳新用户对资源进行重新分配时引起的切换，即为负载均衡触发 的切换。当一个小区的负载达到小区容量极限并且周围小区的负载较小时，可以 将高负载小区的通信链路切换到低负载小区中，使小区负载均衡。这种情况下的 切换通常发生在小区边缘。另一种情况是在宏蜂窝、微蜂窝的双层网络中，通过 宏蜂窝与微蜂窝之间的切换来均衡网络的负载。 ( 三) 切换的控制方式 在蜂窝移动通信系统中，切换的控制方式主要有以下三种： ( 1 ) 网络控制的切换 在网络控制方式中，基站监测来自用户终端的信号强度和信号质量。当信号 强度或质量低于预先设定的门限时，网络开始安排用户终端切换到另一个基站。 网络要求用户终端周围所有的基站都监测该用户终端的信号，并报告监测结果。 网络从这些周围基站中选择一个基站作为切换的目标基站，通过原来的基站把选 择结果通知给用户终端，同时告知目标基站。在该方式控制下，用户终端的切换 是被动的，主要应用于a m p s ( a d v 觚c c dm o b i l ep h o n es e r c e ，高级移动电话服 务) 、t a c s ( t 0 t a la c c e s sc o 伽m m i c a t i o ns y s t e m ，全接入移动通信系统) 等。 ( 2 ) 用户终端控制的切换 在用户终端控制方式中，用户终端连续测量当前连接的基站及切换候选基站 的信号强度与信号质量。当满足使用的切换准则时，用户终端选择一个具有可用 资源的最佳候选基站，同时发送切换请求。该方式的切换主要应用于d e c t ( d i 西t a l 6 e u r o p e 狮c o r d l 懿st e l e p h o n e ，欧洲数字无绳电话) 、p a c s ( p e r s o i l a la c c 懿s c o m m l m i c a t i o ns v s t e m ，个人接入通信系统) 等。 ( 3 ) 用户终端辅助控制的切换 在用户终端辅助控制方式中，网络要求用户终端监测其周围基站的信号强度 和信号质量，并把测量结果报告给当前连接的基站，网络根据测量结果决定切换 操作。在切换过程中，用户终端和网络都参与切换，用户终端监测通信链路，网 络控制切换判决。该方式的切换主要应用于g s m 、c d m a 等系统。 ( 四) 切换的判决准则 不同切换机制的判决准则也是不同的，根据触发原因的不同，选择不同的测 量参数作为切换的判决参数，如接收信号强度、信噪比、业务负载、用户终端速 度等。目前在蜂窝移动通信系统中，切换的判决准则主要有以下几种： ( 1 ) 接收信号强度准则 根据接收信号强度进行切换判决是最为常用的准则。当用户终端接收到的信 号强度低于预设的门限值时，将执行切换。为了防止过早启动切换，可以采用加 窗平均与滞后门限相结合的切换判决准则【l 。当系统决策切换前，将对接收到的 若干信号强度的采样值进行加窗平均，只有当用户终端接收到的平均信号强度低 于从目标小区接收到的平均信号强度加上预设的滞后门限时，系统才执行切换。 平均窗的长度以及滞后门限的选择将直接影响到该准则的切换性能。在实际系统 中，可以针对不同类型的切换选择不同的平均窗长度及滞后门限。 ( 2 ) 信号与干扰比准则 接收信号强度准则在实际系统中易于实现，但并不适用于干扰受限的系统， 这主要是因为接收信号强度准则并未考虑系统中的信号与干扰比【1 2 1 。为了克服接 收信号准则的不足，文献 1 3 】提出将信号与干扰比和相应的比特误差率结合共同作 为切换的判决准则。然而，信号与干扰比、比特误差率也会受到无线信道衰落和 阴影效应的影响。因此，为了准确地进行切换判决，可以引入加权平均及滞后门 限的方法。 ( 3 ) 用户终端位置准则 由于无线信道具有多变性并且用户终端所在位置环境也不断变化，在蜂窝移 动通信系统中，可能会出现从距离用户终端较近的基站接收到的信号质量比从距 离用户终端较远的基站接收到的信号质量差的现象。因此在实际通信系统中，经 常将用户终端位置准则作为接收信号强度或信号与干扰比准则的辅助判决准则。 7 ( 4 ) 网络准则 网络服务质量的下降并不是触发切换的唯一原因，为了接纳更多的用户或者 为了使不同小区的负载均衡，系统将重新分配信道等资源，也就执行切换。此时， 切换是由系统引起的，根据网络整体的不同需求，进行切换判决。 1 2 2 切换的研究现状 在传统移动蜂窝通信系统中最典型的切换类型是硬切换，执行“先断开，后 切换 的过程。在硬切换的过程中，只有一个业务信道被激活，对无线信道来说 会有短暂断开，实现载波频率的转换。 随着3 g ( t 蛐- dg e l l e r a t i o n 证m o b i l ec o l m m l m j c a t i o ns y s t e m ，第三代移动通信 系统) 的出现，使用相同载波频率的小区之间的切换使用软切换。在软切换的过 程中，用户终端与原基站、目的基站都保持建立的无线通信链路，在切换完成后 才断开与原基站的通信链路，保持与目的基站的通信链路，即执行“先切换，后 断开 的过程，大大提高切换过程中的通信服务质量。同时，软切换还包含有更 软切换，用于在小区内的扇区与另一个小区或者是某个小区内的扇区之间进行的 信道切换。正是由于其只需基站控制完成，无需通过移动交换中心处理，因此称 为更软切换。在t d s c d m a ( t i m ed i 讥s i o n - s y n c l d n o u sc o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c 铭s ，时分同步码分多址) 系统中，采用基于智能天线的接力切换【1 4 】技术。接 力切换利用精确的定位技术，基站通过将对用户终端距离和方位的定位作为辅助 信息，来判断用户终端是否进行切换。接力切换可以提高切换成功率、降低切换 频率、节省信道资源、简化信令流程、减少系统负荷，并适用于不同频率小区间 的切换，在研究快速切换策略时可以借鉴。 随着移动i p 技术的发展，在无线局域网中也引入了切换，包括平滑切换和快 速切换两种不同的切换机制。使用平滑切换来减小数据分组的丢失率，使用快速 切换来实现低时延。实现平滑的快速切换也是移动通信系统中切换研究面临的难 点之一。 在b 3 g ( b e y o n dt i l i r dg e n e r a t i o ni nm o b i l ec o 删m 础c a t i o ns y s t 锄，超三代移 动通信系统) 中切换更加复杂，引入垂直切换概念。垂直切换是综合网络特性与 用户需求等因素后在不同子网之间进行的切换，该技术不仅保留了传统切换的基 本功能，而且保证用户在任何时间、任何地点都可以享受到最佳服务。执行切换 之后，用户无察觉地进入更理想的网络享受更好的服务。从网络角度来看，垂直 切换还可以使带宽得到高效使用，并实现网络负载均衡。 目前，针对切换的研究主要集中在两个方面，即切换判决准则的研究与切换 8 资源分配的研究。 切换判决准则的研究主要侧重于切换门限的选取。文献 1 5 】提出了一种应用于 无线局域网的切换门限设定思想，该思想综合考虑当前信道的信噪比、小区负载 和切换初始化时间，可以有效减少乒乓切换。文献 1 6 】提出了一种应用于c d m a 系统的切换门限判决准则，该准则根据信号强度线性增加对切换门限的选取进行 动态判决，可以提高在系统高负载时的切换性能。文献【1 7 提出了一种应用于城市 微小区的切换判决准则，该准则是根据用户终端移动方向辅助判断的，鼓励用户 终端切换到移动方向上的基站，可以提高小区成员属性，降低平均切换次数，并 减少切换时延。文献【1 8 提出了一种根据用户终端位置、绝对信号强度和射频传播 环境动态调整切换门限的判决准则，可以减小平均切换次数及切换时延，从而降 低整个网络的切换负荷。另外，文献 1 9 】提出了一种基于距离的切换判决准则，可 以一定程度避免小区干扰，增加系统吞吐量，并降低定位误差带来的影响。 切换资源分配的研究主要是为了满足不同业务对资源的不同需求以及进一步 提高切换的性能。基于资源预留的切换资源分配方法【2 0 】【2 l 】是切换资源分配研究的 热点。文献 2 2 提出了一种在过载情况下改进的切换资源分配方法，该方法通过动 态调节各小区预留的信道数实现，可以有效减小切换失败概率。文献【2 3 】在基于资 源预留的分配方法基础上，提出了动态信道借用和信道再分配机制，应用于移动 多媒体无线网络，可以显著降低切换阻塞概率。另外，具有优先级的资源分配方 法研究也是切换资源分配研究的热点。文献 2 4 提出一种借用和强占切换资源分配 方法，为实时业务的切换提供较高的资源使用优先级，通过强占目标小区中具有 较低优先级业务的信道资源，可以保证实时业务的连续性。文献 2 5 】提出一种基于 切换排队的无线资源分配方法，可以有效降低实时业务的强制中断概率。文献 2 6 】 提出一种应用于多速率实时业务环境的切换排队资源分配方法，根据用户终端在 小区中驻留的时间来确定接入优先级，但是该方法只支持两种速率的实时业务。 文献 2 7 】提出基于子信道合并的切换资源分配方法，可应用与多载波蜂窝移动通信 系统。文献【2 8 提出一种优化的双队列f i f o ( f i r s t1 1 1 _ p u tf 戤o l 邱呲，先入先出) 切换资源分配方法，优化了排队切换资源分配方法，实时业务切换时使用一个队 列，其优先级较高，优先接入，其他业务切换呼叫以及所有新呼叫都使用另一个 队列，其优先级较低，可以在切换时有效利用无线资源显著提高实时业务的切换 性能。 因此，针对目前对切换研究的两个方面，本文将提出适用于高速铁路宽带无 线接入的快速切换策略，在阐述快速切换策略切换判决准则的基础上，讨论切换 过程中资源的分配问题，从而提高快速切换策略的性能。 9 1 3论文的主要工作和结构安排 本文的主要工作是分析和比较国内外现有高速铁路宽带无线接入网络覆盖方 案，提出一种基于r o f ( r 枷oo v e r f i b e r ，光载无线通信) 的新型网络覆盖方案， 并分析其覆盖有效性，同时深入研究适用的快速切换策略。论文的主要工作和结 构安排如下： 第一章引言，首先介绍了本文的研究背景和意义。然后概述了切换的基本原 理，并对切换的发展、研究现状进行了总结，阐述了切换研究的两个主要方面， 即切换判决准则的研究与切换资源分配的研究。最后指出本文的主要工作和结构 安排。 第二章首先详细介绍了在高速铁路上实现宽带无线接入网络覆盖面临的主要 难点。然后根据列车与地面之间采用的不同接入技术，对现有各种高速铁路宽带 无线接入网络覆盖方案进行了分类分析。最后比较了现有网络覆盖方案的性能， 并说明了当前使用和实验中的网络覆盖方案都难以满足“双高”要求，为新型网 络覆盖方案的提出奠定基础。 第三章提出了一种基于r o f 的高速铁路宽带无线接入网络覆盖方案，是本文 的一个重要部分。首先对r o f 技术的基本概念、优点、应用进行了概述。然后在 总结了高速铁路宽带无线接入特点的基础上，详细描述了适合高速铁路基于r o f 的宽带无线接入网络架构，并讨论车地之间无线通信频率的选择。最后通过建立 分析模型，着重分析了该网络架构的覆盖有效性，并阐明了研究r a u 与车顶天线 之间数量关系的方法。 第四章提出了适用于基于r o f 的高速铁路宽带无线接入网络覆盖方案的快速 切换策略，是本文的另一个重要部分。首先研究了现有r o f 分布式移动通信系统 中切换策略，并讨论它们应用在基于r o f 的网络覆盖方案的可行性。然后阐述与 该网络覆盖方案相适应的媒体接入控制方案，提出适用的快速切换策略，同时讨 论快速切换时隙资源的分配模式。最后对提出的快速切换策略及两种时隙资源分 配模式的性能进行了仿真分析，包括接收功率及吞吐量性能。 第五章对全文进行了总结，阐述了本文的主要研究成果与贡献。 l o 2 现有高速铁路宽带无线接入网络覆盖方案 近年来，世界各国和地区根据自身高速铁路的发展特点，已经开展高速铁路 宽带无线接入体制和关键技术的课题研究，并提出了多种网络覆盖方案。本章将 在介绍高速铁路宽带无线接入研究面临的难点基础上，阐述国内外在高速铁路宽 带无线接入网络覆盖方面的研究现状。 2 1高速铁路宽带无线接入面临的难点 在高速铁路公众宽带无线接入系统中，高速列车与地面基础网络之间的无线 连接是在高速移动条件下提高用户通信服务质量的瓶颈【2 9 1 。公众宽带移动通信系 统在高速铁路范围的无线接入存在如下问题：频繁切换，引起小区重选频繁，导 致通话质量下降，造成高速列车上的数据业务几乎无法正常使用【3 0 】；信号衰落快、 多普勒频移变化快，使得用户终端无法占用最强信号，导致列车内的通信接通率 低，切换困难，因切换失败增加掉话；重叠覆盖区不足，小区边缘切换性能指标 差，易造成切换失败和掉话；高速列车车体损耗、多径损耗大，使得列车车体内 存在弱场区；业务信道、独立专用控制信道等信道溢出。 为了解决上述问题并满足高速列车上旅客对通信服务质量的需求，高速铁路 宽带无线接入面临的主要难点包括快速切换、多普勒频移校正以及降低网络建设 成本等。 2 1 1快速切换 影响高速铁路宽带无线接入网络覆盖的一个重要因素是高速列车中用户的移 动终端高速运动带来的快速切换和频繁小区重选。用户终端每次经过当前连接基 站b s ( b 邵es t a t i o n ) 小区边界的时候，都要重新连接到下一个b s ，这就发生了 一个切换过程。当列车行驶速度很高( 如3 5 0h 地) 时，切换速率将大幅增加。 小区大小和高速列车运行速度是成功突破上述难点需要考虑的两个重要方面。 快速切换主要是由列车的高速移动引起的。对于一定大小的重叠区，移动速 度越快穿越重叠区的时间越短。当用户终端穿越重叠区的时间小于系统处理切换 所需最小时延时，切换流程无法完成，导致掉话。假设小区半径为1 2 虹( 铁路 全球移动通信系统( g s m r ) 小区半径的典型值) ，当高速列车运行速度为3 5 0h 讹 时，每经过1 0 2 0s 将切换一次。对于c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，码 分多址) 系统，根据工程经验及理论分析，完成一次软切换的时间大约为1s ，而 完成一次跨交换机硬切换时间为5s 。由此可见，c d m a 系统是不能容忍每经过 1 呲0s 就切换一次的切换速率。根据两个基站间覆盖重叠区域距离计算式 2 1 ，f 3 6 0 0 3 l 】，f 表示列车中用户终端的切换时间，单位为s ，1 ，是高速列车运行 速度，单位为虹l l l 。当高速列车运行速度为3 5 0h 仉l 时，c d m a 系统采用软切换 方式重叠区域距离为1 9 4m ，而采用硬切换方式重叠区域距离为9 7 2m 。这需要大 量基站对高铁沿线进行密集覆盖，导致成本增加和移动交换中心的负担加大。 快速切换还将带来分组丢失和分组重排等问题【3 2 】，因此，高速铁路宽带无线 接入面临的重要难点是如何实现快速切换。为了满足快速切换要求，可以牺牲部 分系统容量以增加小区覆盖半径以减少越区切换次数。对于l t e ( l o n gt e 彻 e 、r o l 砸o n ，长期演进) 系统，可以通过增加保护间隔的方法扩大小区半径。例如， 使用一个保护间隔时的小区覆盖半径为1 0 7 虹，而使用1 0 个保护间隔就可以将 u e 的小区覆盖半径增加到1 0 7 1k m ，这样就能够大大减少越区切换次数，减少 切换频繁带来的掉话等问题。此外，针对高速铁路的特殊场景，可以改进宽带无 线接入网络切换机制以优化越区切换判决条件和流程，减少切换和小区重选时间， 以保证网络性能平稳性和可靠性，这是本文研究的重点之一。 2 1 2 多普勒频移 用户终端与基站之间相对运动引起的接收机信号频率较发射机信号频率的偏 移称为多普勒频移厶，计算公式为 厶= 二c o s 矽 ( 2 1 ) c 它与用户终端的移动速度 ，( 单位“s ) 、发射机发射频率即中心载频厂( 单 位h z ) 和到达接收机多径波的入射角口有关，其中c 为光速( 例如，电磁波在真 空中的传播速度为3 1 0 8m s ) 。从式2 1 中可以看出： ( 1 ) 当基站位置远离铁轨时，通过任何直射路径传播的多径波的入射角9 都接 近9 0 0 ，因此厶都相对较小。 ( 2 ) 当基站位置接近铁轨时，秒多数时间都比较小，随着列车的移动以从最小 值到最大值不断变化。 ( 3 ) 当高速列车驶过基站时，多普勒频移为o ，但是此时多普勒频移变化速率 最快。 ( 4 ) 当高速列车进入相邻小区的切换区域时，会产生多普勒频移跳变，由最大 负频移跳变为最大正频移，如图2 1 所示，用户终端的接收机瞬间受到了两倍多普 勒频移的影响。 一一一一 “n 桃棚叁 i l 、b s l 中心载频石履 、产、j 一 、一一一一楚- 一 一一一二二二二k 二：二一一一一 7、 、 i 切换区域 ) 、。 可一、 叁嗡中心载频z ) 一蔓一一一，一7 7 氏 ar l t f 口口口口1 口口口口l 口口口口l 口口口 ，琵功易荔z 男易势寥乃孝雾孝雳客乃刃雾孝雳药雾孝冕殇彩兹殇荔兹彩兹兹荔 图2 1 列车在切换区域中时多普勒频移 f i g u r e 2 1d o p p l 盯脚c ys h i f t w h m c 昀i n i s i n h 锄d 伽臂a 僦 以我国t d s c d m a 系统的频率2 0 2 5m h z 为例，当高速列车速度为3 5 0h i l h 时，根据式2 1 可知，用户终端接收信号多普勒频移将达到1 3 1 2 5h z 。就o f d m ( o r a l 0 9 0 n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p - l e x i n g ，正交频分复用) 系统而言，多普勒 频移使子载波不能完全同步，将极大地影响其子载波间的正交性，带来严重的子 载波间干扰、系统误码率增加和同步器性能下降等问趔3 3 】。 为了降低多普勒频移，通常在进行网络规划时将基站站址选择在远离铁轨的 地方，使得到达接收机多径波的入射角口增大，从而减少。但是，考虑到高速 铁路无线接入网络对其他网络( 如g s m r 网络) 的干扰以及高速列车的较大穿透 损耗( 见2 1 3 ) ，基站只能建设在铁轨附近。因此，高速铁路宽带无线接入网中物 理层主要技术难点之一是多普勒频移的校正。 2 1 3 车体穿透损耗 在高速铁路宽带无线接入系统中另一个主要因素是信号进入列车车厢的穿透 损耗。大多数类型的高速列车都是有大窗户的金属车身，这些大窗户由单层玻璃 或多层玻璃构成。这种由多层玻璃构成的窗户中包含一个薄金属层，其通过反射 太阳光来实现保温的功制3 4 】。整个车厢就像一个法拉利笼增大信号的穿透损耗。 研究发现，信号通过具有金属镀膜玻璃的不同类型高速列车的穿透损耗不同。 目前，我国高速铁路运行的c i m 系列高速列车均采用全封闭式车体结构，密封性 好，部分车型采用金属镀膜玻璃，信号的穿透损耗较普通列车大。随着通信频率 的增加，信号经过车体后会产生更大的衰减。通过实验测试，动车组列车比普通 列车的穿透损耗高约7 1 5d b ，如此大的穿透损耗给网络规划及功率等参数设置都 1 3 带来了较大的挑战。为了克服车体穿透损耗，要求增强轨道旁基站发射机功率、 提高基站接收机灵敏度以及增强用户终端的发射信号功率。文献【3 5 】给出了各种类 型车厢穿透损耗的测试结果