（通信与信息系统专业论文）支持高移动性的增强型切换机制设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 高速铁路的发展对地面高速移动环境下车地无线通信系统提出了更高的要求。受 到理论和技术限制，现有的车地无线通信技术均无法解决未来3 5 0 k m h 以上高速列车 中旅客的宽带移动通信需求。高速移动场景下的车地无线通信网络面临着频繁的越区 切换、多普勒频移、信道快速变化等一系列的技术问题。本文主要解决其中的频繁越 区切换问题。在高速铁路场景下，越区切换的成功率对行车安全有着至关重要的影响。 对高速列车的越区切换而言，要求更短的切换时间和更高的切换成功率，以保证系统 的可靠性和有效性，但现有的系统中较难实现。要解决高速铁路中越区切换的问题， 关键是设计支持高移动性的切换机制，以减小切换的复杂度，从而提高切换成功率。 本文分别采用分布式无线通信系统和中继站技术为高速移动环境下车地无线通信 提出了相应的解决方案。主要的研究内容和贡献如下： 第一，未来的无线通信网络结构趋向于i n t 锄e t 一样的网状结构，而不再是传统的 分层树型结构，m e s h 、r e l a y 等现有分布式无线通信技术逐渐成为了未来无线通信技术 的重要支撑。这类系统的特点在于利用大量的分布式天线单元在整个系统内提供高质 量的、无缝的无线电信号覆盖。一方面通过合理地选择天线单元为不同的用户提供覆 盖，并获得空间分集，提高系统容量以及用户的通信质量；另一方面通过采用灵活的 切换方式，为移动用户提供可靠的高质量的通信链路。本文所设计的方案利用分布式 无线通信系统为高速铁路提供无缝的无线电信号覆盖，利用多车载台通信系统设计了 多车载台协作小区切换方法，以解决高速移动中越区切换的问题，减小切换的复杂度， 提高切换的成功率。分析和仿真结果表明，该方案能够合适的提前切换，保证列车有 足够的时间完成切换，从而提高切换成功率，并使系统容量提升5 0 。 第二，目前我国所采用的高速铁路车地无线通信系统为g s m r ，并非分布式无线 通信系统。因此本文基于分布式无线通信技术提出了一种共享中继辅助的切换机制以 改善现有g s m r 系统的切换质量。该机制中共享中继可以改善相邻基站重叠区内来自 目标基站信号的质量，减少由于信号波动导致的切换误判。分析和仿真结果表明，该 机制将列车的切换的触发地点提前约5 0 0 m ，从而保证列车在重叠区内有足够的距离完 成切换，并且由于信号质量的改善，减少了乒乓效应，将切换失败概率降低到了1 0 西， 从而提高了切换成功率。 关键词：高速移动；分布式无线通信系统；多车载台；g s m r ；切换机制设计 a b s t r a c t i nc e l l u l a rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，s o m ep r o b l e m s a r ec a u s e db yu s e l 苫7 h i 矗。s p e e dm o v e m e n t , s u c h a so v e r - f r e q u e n th a n d o v e r , d o p p l e rf r e q u e n c ys h i f t ，a n dc h a n n e l f 弧v 撕a t i o n f o rt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o no fh i g h s p e e dr a i l w a y , h a n d o v e rs u c c e s s r a t e 砸t i c a l l yi m p a c t s o nt h et r a f f i cs a f e t y i no r d e rt oe n s u r et h es y s t e mr o b u s t n e s s 锄d e 彘髓i v e n e s s ，i tr e q u i r e ss h o r t e rh a n d o v e rt i m ea n dh i g h e rh a n d o v e rs u c c e s sr a t e w h i c h c 锄0 tb e 砌吖e db yt h em o s tc u r r e n tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s t h e r e f o r ei th a s i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et od e s i g nn e w h a n d o v e rs c h e m et om e e td e m a n do ft h eh i g h s p e e d r a i l w a yc o m m u n i c a t i o n d i s t r i b u t 。dw i r c l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dr e l a yt e c h n o l o g yh a v eb e e nm a i n l y 鳓l d i 。di n 也i st h e s i sf o rh i g h s p e e dr a i l w a yc o m m u n i c a t i o n t h ea u t h o r sm a i nr e s e a r c h w o r ka n dc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , d i s t r i b u t e da n t e n n at e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s , h a sa r o u s e d a so n eo ft h ei m p o r t a n tn e x t - g e n e r a t i o nw i r e l e s s e x t e n s i v ea t t e n t i o n t h et e c h n o l o g yh a sb e e n a 卯l i c di nh i g h s p e e dm o v e m e n te n v i r o n m e n t s u c hs y s t e mi s c h a r a c t e r i z e db yu s i n gal 孵 m m l b e ro fd i 蛐曲m c d 雒t 锄au n i t sa l o n gt h er a i l w a yt op r o v i d eh i g h 。q u a l i t y , s e a m l e s s c o v a a g eo fr a d i os i g n a l s o nt h eo n eh a n d , d i f f e r e n tt r a i n sc h o o s e d i f f e r e n ta n t e n n au n i t st o 酣a c c e s s t h es p a t i a ld i v e r s i t yi m p r o v e ss y s t e mc a p a c i t ya n dq u a l i t y o fs e r v i c e ( q o s ) o n m eo l h c rh a n d m o b i l et r a i n st a k ef l e x i b l eh a n d o v e rm a n n e rt oe i l s u r er e l i a b l eh i g h q u a l i t y c 0 n l l n l l l l i c a t i o n sl i n kw h e nt h e ym o v ea c r o s st w oa d j a c e n tc e l l s t h i st h e s i sp r o p o s e s an o v e l h a n d o v e rs c h e m cb a s 。do no n - v e h i c l ed u a l a n t e n n a f o rh i g h s p e e dr a i l w a yd i s t r i b u t e d a n 白翻m as y s t e m ( d a s ) o n - b o a r da n t e n n a sw h i c hc o l l a b o r a t ee a c ho t h e r , a r em o u n t e d o nt h e t o po fh i g h s p e e dt r a i n ( t h eo n ei s a tt h ef r o n t e n da n dt h eo t h e ri sa tt h er e a r - e n d ) t h e p r o p o s e ds e h e m eu t i l i z e sd i s t r i b u t e dt r a n s c e i v e r sa n d c e n t r a l i z e dp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h e m 蛐舐c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e n o v e ls c h e m ec a np r c - t r i g g e r h a n d o v 盯a p p r o p r i a t e l y , g u a r a n t e e t h eh i g h e l h a n d o v e rs u c c e s sr a t e ，a n di n c r e a s et h es y s t e i n t h r o u g h p u tb ya r o u n d5 0 i na d d i t i o n , t h es c h e m ei sf e a s i b l ea n de a s y t ob ei m p l e m e n t e d 刃删匆a tp r e s e n t , t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mf o rh i g h - s p e e dr a i l i sg s m - r ( g s mf o rr a i l w a y ) s y s t e mi nc h i n & t h i s t h e s i sp r o p o s e sa ne n h a n c e dh a n d o v e rs c h e i n e w i t hs h a r e d r s ( s h a r e d r e l a ys t a t i o n ) i ng s m rn e t w o r kt oi m p r o v es y s t e mh a n d o v e r p 豇f o m 撇i i l 恤s c h e m e , s h a r e d - r si m p r o v e st h et a r g e tb s s i g n a lq u a l i t yi no v e r l a p p i n g r e 西。玛a n dt h eh a n d o v e rc a n b et r i g g e r e di na d v a n c es ot h a tt h e r ei sm u c hl o n g e rd i s t 匝c e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l ii 页 f o rc o m p l e t i n gh a n d o v e rp r o c e s sw h e nt h et r a i ni st r a v e r s i n gt h r o u g ht h eo v e r l a p p i n gr e g i o n t h ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es c h e m ec a nt r i g g e rh a n d o v c ra p p r o p r i a t e l y i na d v a n c ea b o u t5 0 0 m ，d i m i n a t ep i n g - p o n ge f f e c t , r e d u c eh a n d o v e rf a i l u r ep r o b a b i l i t yt o 10 6 ，a n dt h e r e b yg u a r a n t e et h eh i g h e rs u c c e s s f u lh a n d o v e rp r o b a b i l i t y k e yw o r d s ：h i g hm o b i l i t y ；, d i s t r i b u t e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ；d u a l a n t e n n a ； g s m 一h a n d o v e rs c h e m e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 课题研究意义 第1 章绪论 近年来，我国铁路经历了重载运输、电气化改造、既有线提速、客运专线建设等 一系列的技术进步，客货列车运行速度都得到了大幅度的提升，车速的提高对铁路车 地无线通信系统提出了更高的要求。2 0 1 0 年中国铁路总里程已超9 万公里，伴随着大 规模客运专线的建成和既有线路提速，列车运行速度逐步提高，目前广深线已达 2 0 0 k m h ，石太、合武等新建客运专线运营速度达到2 5 0 k m h 以上，京津城际铁路、武 广客运专线运营速度达到3 0 0 k m h 以上。2 0 1 0 年1 2 月3 日1 1 时2 8 分，国产列车和谐 号c r h 3 8 0 a 在京沪高铁枣庄至蚌埠间的先导段联调联试和综合试验中跑出了4 8 6 1 k m h 的速度，再破世界铁路运营试验最高纪录。随着我国国民经济的飞速发展，近年 来高速铁路及轨道交通发展方面的成就举世瞩目。从“十一五”( 2 0 0 6 年) 起，我国把 铁路和城市轨道交通的发展放在了更加突出的地位，以满足国民经济和社会发展需要。 我国轨道交通按照高速度和高流量密度的趋势不断向前发展。 列车速度的不断提升给现有的车地无线通信技术带来了一系列的挑战和问题，例 如频繁的越区切换、较大的多普勒频移、信道的快速变化等。其中多普勒频移和信道 的快速变化可以通过局部的物理层技术减弱其影响，但解决频繁的越区切换问题，则 需要对现有切换机制进行优化设计，使其支持高移动性。在高速移动环境下，无线车 地通信系统的越区切换成功率对列车行车安全有着至关重要的影响。高速移动环境下 列车的越区切换，要求更短的切换执行时间和更高的切换成功率，以保证车地通信系 统的可靠性和有效性，但现有的系统很难满足这种要求。 随着公网通信技术的日益成熟( 3 g b 3 g 一4 g ) ，从最新的全球用户的统计数据 来看，从传统互联网向移动互联网的转变非常迅速，以移动互联网为基础的生态圈已 经开始逐步形成，用户对随时随地接入互联网的需求越来越强烈。因此，为了满足对 包括数据、v o m ( v o i c e0 v e ri n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 语音、多媒体、闭路电视监控、i n t e m e t 网 连接、电子客票、旅客信息服务等旅客综合信息服务的要求，必须研究与之对应的高 速铁路宽带无线接入技术。由于铁路车地无线通信技术和公网蜂窝无线通信技术的差 异化需求，决定了铁路行业专网将独立于公网长期存在。 高速铁路车地无线通信系统是一套独立于公网移动通信系统的技术体制，已经引 起了越来越多研究机构和设备厂商的关注。高速铁路车地无线通信系统有其独立的演 进路线，未来将以“宽带多媒体 技术为其发展方向。 本文主要解决高速移动场景下频繁越区切换问题，目的是为了提高高速移动场景 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 下越区切换成功率。基于未来分布式无线通信系统和所设计的多车载台通信系统，结 合铁路场景下运行方向可预测、速度已知、可靠定位等技术，进行高速移动场景下基 于位置信息的增强型切换机制设计，以达到减小列车在高速穿越多个小区时切换中断 的概率，提升系统运行的可靠性。并根据分布式无线通信系统的技术特点对现有的 g s m r 系统提出优化方案。 1 2 国内外行业应用及研究现状 2 0 0 0 年底铁道部正式确定将g s m r ( g s mf o rr a i l w a y ) 作为我国铁路专用通信 的发展方向l l 】。g s m r 是在现有g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 蜂窝 系统上增加了调度通信功能和适合高速移动场景下使用要素所组成的，符合欧洲铁路 综合无线通信增强网络e i r e n e ( e u r o p e a ni n t e g r a t e dr a i l w a yr a d i oe n h a n c e dn e t w o r k ) 规范，能满足国际铁路联盟提出的铁路专用调度通信的要求1 2 。由于g s m r 可实现高 速列车和地面之间的通信；能将现有的铁路通信应用融合到单一网络平台中，以减少 集成和运营费用；而且由于g s m r 是由已标准化的g s m 设备优化改进而成，现有g s m 平台上已经提供了大量的业务，因而引入铁路专用的功能时只需最低限度地改动，使 其具有铁路专用特色和高速适应性，故能保证价格低廉、性能可靠地实现和运营。 g s m r 在欧洲取得了巨大的成功，目前超过3 0 个铁路公司已承诺在其国际路网中使 用该技术。 现有的公网技术已经可以基本满足人们在日常生活场景中随时随地接入互联网享 受数据业务的需求，同样人们也渴望能够在高速列车这个重要场景中享受到无处不在 的移动互联网服务。但是现有g s m r 系统是一种基于第二代全球移动通信系统g s m 的窄带技术，仅能够为用户提供9 6 k b s 的数据通信链路，不具备提供宽带信息接入的 能力，同时g s m r 网络本身作为铁路调度信息无线传输的载体，若在g s m r 网络上 向旅客提供多媒体宽带数据信息接入服务，会影响到铁路调度信息的安全传输，对高 速列车行车安全造成严重影响。( 例如，由于旅客接入与铁路调度信息采用同一承载网 传输，黑客可以通过旅客接入系统侵入。) 目前在日本、德国、法国等高铁技术相对较成熟的国家，均已建成独立配套的高 速列车多媒体宽带接入系统，为旅客提供丰富的互联网数据接入服务。 日本电信电话株式会社( n 丌，n i p p o nt e l e g r a p ha n dt e l e p h o n ec o r p o r a t i o n ) 利用 部署于铁路沿线的泄漏电缆( l c x ，l e a k yc o a x i a lc a b l e ) 为旅客提供速度约为2 m b p s 的晰f i 接入服务i p 丌，泄漏电缆负责接收和发送无线信号。由于列车的车载天线和泄 漏电缆距离非常近，即使在占新干线里程1 3 隧道里，也能够提供高质量且稳定的无 线传输。w i f i 设备安装在列车内并组成车载局域网，信息经过同轴电缆传输到车载天 线上，并通过泄露电缆接入网络服务提供商提供的网关，进入互联网( 如图1 1 所示) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 该方案很好的解决了隧道内无线信号连续覆盖的问题，但是泄露电缆由于受到高速列 车高压供电及高压电所产生磁场的严重影响，其数据传输带宽不具有提升空间，整车 可用带宽仅为2 m b p s ，远远无法满足未来大数据量多媒体宽带旅客信息接入的需求。 图l 一1 日本新干线泄露电缆技术示意图 图1 - 2 德国i c e 车载直放站示意图 德国铁路运营商联邦铁路公司( d e u t s c h eb a l ma g ) 通过和四家移动网络运营商 t - m o b i l e 、v o d a f o n e 、e p l u sg r o u p 和0 2 公司合作，选择安德鲁公司为德国i c e ( i n t e r c i t ye x p r e s s ) 高速列车安装车载直放站( 如图1 - 2 所示) ，以升级车载通信系统，解决 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 高速铁路通信所遇到的由于各种复杂的地形和不断变化的不同网络所造成的信号电平 的频繁变化，从而为政府和铁路交通提供高质量、高可靠性的移动通信信号。该直放 站支持g s m 9 0 0 、g s m 1 8 0 0 和g s m r 频段的五个独立g s m 网络，包括了四家运营 商和铁路通信网络系统，能够为乘客提供可靠的无线通信保障【8 。0 1 。但是该方案仅仅解 决t y 0 车金属腔体车厢对无线信号衰减过大的问题，并没有解决列车高速移动快速穿 越基站覆盖的小区所引起的频繁的越区切换问题。频繁的越区切换会导致大量的数据 丢包和较高的连接中断概率。该方案不支持高移动性，无法在列车时速超过5 0 0 k m h 时为旅客提供宽带无线接入。 阿 ；：j 御 图1 3 法国t g v 卫星通信示意图 法国高速列车t g v ( 1 et r a i nag r a n d ev i t t e s s e ) 采用了一种基于双向卫星系统的无 线接入技术( 如图1 3 所示) ，通过卫星和覆盖了隧道及车站的地面w i f i 中继器为旅 客提供车载i n t e m e t 接入服务【 15 1 。这是一种双向卫星系统，当卫星不能覆盖到列车时， w i - f i 网络将接管列车的无线接入，使上传和下载数据不至中断。除了互联网接入，还 为乘客提供一个专用网关来提供诸如视频、游戏、新闻、城市向导、地理定位、天气 预报等实时业务或其他多媒体业务。该方案提供了天地一体的无缝的无线信号覆盖， 同时很好的解决了高速列车频繁越区切换的问题，但该技术通信延时过大 ( 5 0 0 - 6 0 0 m s ) ，不适合实时应用，同时其可提供的带宽也非常有限，卫星通信要求必 须是视距通信( l o s ，l i n eo fs i g h t ) ，且业务运营成本和技术门槛较高，因此卫星技 术也无法满足未来多媒体高速数据通信的需求。 2 0 0 8 年6 月，在台湾高速铁路公司( t h s r c ，t a i w a nh i g hs p e e dr a i lc o r p o r a t i o n ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 的支持下，台湾工业技术研究院( i t r i ，i n d u s t r i a lt e c h n o l o g yr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 与日 本电信电话株式会社( n t t ) 、日本电报电话公司宽带小组( n t t b p ) 、z y x e l 通信公 司和康宁公司( c o m i n g ) 共同组成的国际企业联盟。该企业联盟希望运用移动w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) 技术来作为高速列车宽带网络解决 方案【盼l s l ，将在台湾高速铁路线上建立一个移动w i m a x 示范系统并进行相关测试。 这将是全球第一个建立在高速铁路线上的移动w i m a x 测试系统。该系统通过采用 r o f ( r a d i oo v e rf i b e r ) 分布式天线技术为高速铁路提供连续无缝的无线覆盖，但由于 需要配合使用光纤，建设成本较高。由于该系统目前尚处于测试阶段，并未有针对其 优化的切换机制出现，因此目前其对高速的支持有限，实测数据表明该套系统并不能 完美支持时速3 5 0 k m h 的列车车地无线通信。 以上已经商用的系统在某些方面都存在着不足，均无法很好的满足未来高速铁路 通信的需求。世界范围内还有很多的研究机构致力于进一步解决高速移动场景下的车 地无线通信系统所面临的巨大的挑战。 德国的b i t 项引冽( b r o a d b a n dw t r e l e s si n t e m e ta c c e s si np u b l i ct r a n s p o r t a t i o n ) 致 力于为高速移动场景下的车地无线通信提供一整套的解决方案，主要涉及高速移动场 景下移动性管理、支持高移动性的网络结构、a a a ( a u t h e n t i c a t i o n 、a u t h o r i z a t i o n 、 a c c o u n t i n g ) 、无线通信安全、新型传输协议和车地连通性等问题。该项目选用基于 w i m a x 的f l a s h - o f d m ( f a s tl o w - l a t e n c ya c c e s sw i t hs e a m l e s sh a n d o f f - o r t h o g o n a l f 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 ) 技术作为高速移动环境下车地无线传输技术，系统网 络架构采用扁平的m e s h 结构，基于全i p ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 网络研究高速移动场景下 的移动性管理技术，该机构的研究亮点是新型数据传输协议，即利用串流控制传输协 议( s c t p ，s t r e a mc o n t r o lt r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 ) 协议的m u l t i h o m i n g 性质实现高速 移动环境下的具有鲁棒性的数据传输。 欧盟第六框架协议下的f i f t h ( f a s ti n t e m e tf o rf a s tt r a i nh o s t s ) 项目和 c a p a n i n a ( c o m m u n i c a t i o n sf r o ma e r i a lp l a t f o r mn e t w o r k sd e l i v e r i n g b r o a d b a n df o r a l l ) 项目【2 0 】分别致力于利用不同的无线通信技术实现高速车地通信。f i f t h 项目联合 利用卫星和u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 网络为高速移动环境 下的列车提供无线通信接入；c 魁，删a 项目通过在高海拔建立基站( 目的是建立超 大的覆盖小区) 向地面高速移动的列车提供无线宽带接入，具体实现方式为通过热气 球或飞艇将w t l v l a x 基站建设在2 2 k m 高的平流层。 通过对世界各国已有的旅客信息接入系统的研究可以发现，现有高速列车多媒体 宽带无线接入系统均与列车控制网络相互独立，是单独建立的互不干扰的网络。即高 速铁路车地无线通信市场从大的方面可分为两个方面，一是以铁路系统本身为客户的 包含运行控制、行车指挥、运输管理和计算机联锁等系统在内的列车信号控制系统； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 二是以铁路旅客为中心的移动语音和数据通信系统。对于前者由于其普遍具有垄断特 性，客户主体单一，技术相对成熟，非本文研究重点。而后者才是未来铁路通信应用 中最需要关注的方面，以京沪高铁为例，其设计的1 6 亿人的年客运量，预计其中商务 旅客将超过1 亿人次。商务旅客用户对于旅行期间的移动通信尤其是无线上网具有很 强的需求，并且具有很强支付力，但是随着列车运行速度的不断提升，现有系统无法 在高速移动场景下为旅客提供低延时高速数据速率的传输服务。该问题已经引起了 3 g p p ( 3 r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ) 、i e e e ( i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c s e n g i n e e r s ) 等标准化组织和n o k i a 、华为等设备制造商的广泛关注。高速铁路车地无线 通信系统要求在网络架构、硬件设备、软件算法等方面都必须要适应列车的高速运行。 随着我国列车车速不断提升，旅客的随时随地的数据通信需求强烈，借鉴国外已 有经验，我国急需配套建设独立专用的高速列车多媒体宽带无线接入系统，为旅客提 供高带宽、低延迟、安全及具有q o s 保障的互联网接入服务，同时该系统应该支持高 移动性，网络结构简单，建设周期短，成本低，部署维护方便及具有附加增值业务扩 展能力等特性。 ， 本课题致力于构建符合我国国情的高速列车多媒体宽带无线接入系统，主要进行 高速适应性优化，以求设计出一种支持高移动性的增强型切换机制。 1 3 本文主要研究内容与结构安排 本研究课题来源于铁道部科技司重点项目“g s m r 网络传输质量关键技术研究 和北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室开放课题“增强高速铁路无线覆 盖及抗干扰能力的无线中继传输关键技术研究”。 本课题将主要研究以下两个方面：l 、未来高速列车多媒体宽带无线接入场景设计 及支持高移动性的增强型切换机制设计；2 、现有g s m r 网络的高速适应性优化设计。 论文主要内容的结构安排如下： 第一章是绪论部分，主要分析了高速移动场景下车地无线通信面临的挑战，以及 在世界范围内高速移动场景下车地无线通信系统的应用现状及相关研究机构成果。 第二章分析了高速移动场景下列车宽带多媒体接入网络的研究现状。首先分析了 两种业界目前主流的高速移动场景下宽带通信网络系统结构。接着归纳出高速移动场 景下无线接入系统架构的一般性特点。最后总结了高速移动场景下的切换技术研究现 状。为支持高移动性的切换机制设计打下了基础。 第三章提出了基于分布式通信技术所设计的支持高移动性的增强型切换机制。详 细分析了本文所提出的分布式通信接入架构，包括道旁分布式天线系统和多车载台通 信系统。本文中道旁分布式天线系统的特点在于利用大量的分布式天线单元在整个系 统内提供高质量的、无缝的无线电信号覆盖。一方面通过合理地选择天线单元为不同 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 的用户提供覆盖，并获得空间分集，提高系统容量以及用户的通信质量；另一方面借 助多车载台通信系统实现灵活的切换方式，为移动用户提供可靠的高质量的通信链路。 最后详细分析了切换机制的实现流程，并通过数学建模，对其性能进行了数值分析评 估，考察了切换触发概率、切换失败概率、系统容量等性能指标。 第四章是对现有g s m r 网络的高速适应性优化设计，提出了一种g s m r 网络中 基于共享中继的增强型切换机制。本章利用分布式无线通信技术中的中继站对现有 g s m r 网络进行了优化，详细分析了所设计切换机制的实现流程，并通过数学建模， 对其性能进行了数值分析评估，考察了切换概率、切换失败概率、系统容量等性能指 标。 最后为论文的结论，总结了论文所做的工作，以及研究过程中所遇到的问题，获 得的经验和体会，并说明了下一步的研究方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 第2 章高速移动场景下宽带通信网络系统结构 众所周知，公网通信技术无法照搬至高速移动场景下进行应用，现有的公网移动 通信技术在高速移动场景下面临着许多的挑战，例如： 1 ) 现有的公网移动通信网络并未对高铁线路进行优化覆盖，从而导致在高速铁路 沿线会有因覆盖空缺形成的弱信号区或盲区； 2 1 高速列车全密闭车厢腔体所造成的信号穿透损耗相较于普通列车更大，信号衰 落变大，列车内容易成为弱信号区甚至盲区： 3 ) 由于列车车速快，越区切换频繁、位置区更新频繁、小区重选频繁等容易导致 异常出现，进而造成基站严重越区弱覆盖甚至脱网； 4 ) 由于道路沿线基站控制器( b s c ，b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ) 、位置区码( l a c ， l o c a t i o n a r e ac o d e ) 未优化造成切换执行时间长，越区切换困难； 5 ) 由于道路周边基站密度过高或重叠区太小造成高速移动环境下切换距离不够， 无法正常完成切换； 6 ) 隧道部分未进行补充覆盖形成覆盖盲区： 刀道路周边切换关系复杂造成乒乓切换，造成通话质量恶化； 8 ) 道路周边频率规划不合理造成频率干扰，造成通话质量恶化。 解决上述挑战的前提在于实现高铁沿线信号电平的无缝覆盖，核心在于优化切换 区及切换关系，并进一步的对切换参数进行优化，从而保障高速移动环境下的移动通 信质量。 综上所述，首先必须针对上述高速移动场景下的特点，研究如何构建支持高移动 性的宽带无线移动通信网络架构。本章首先对目前业界和学术界已有的两种主要网络 架构进行了分析和总结，并对适用于高速移动场景的t w o - l i n k 类型网络结构特点进行 了归纳和总结。 2 1 现有高速移动场景下宽带通信网络系统结构 2 1 1基于o f d m a 技术的移动w im a x 网络结构 未来的车地通信系统可以选择工作在毫米波段以支持高数据传输速率。晰m 是 针对微波与毫米波频段提出的一种新的无线空口标准。w i 网络具有扁平架构的特 点，这使得w i 删网络简单高效。此外，w m a x 网络的m 构架，具有较好的开放 性，使得在上面易于开发设计增值业务。w i 蚴系统平台可提供的主要应用有： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 1 ) 无线宽带i n t e m e t 接入( f 1 1 p ，e m a i l ) 2 ) 口视频电话( v i d e o t e l e p h o n yo v e ri p ) ，i p 语音电话( v o t p ) 3 ) 实时流业务( 电视，v o d ，实时广播，远程监控) 4 ) 视频会议 5 ) 交互式多用户游戏 6 ) 作为w i f i 热点或2 g 2 5 g 3 g h s p a 等网络的无线回程( w l e s sb a c k h a u l i n g ) 7 ) 替代x d s l 提供最后一公里接入 综上所述，w i m a x 在互联网多媒体业务市场有着比较光明的前景。同样在高速铁 路沿线可以选择部属w i m a x 系统为旅客提供高速互联网多媒体接入服务。 2 0 0 8 年，a g u a d o 等人提出了一种新的基于o f d m a ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 技术的移动w i m a x 网络结构【2 1 1 1 2 2 1 ，该结构能很好的保证高速移动环 境下列车无线接入。理论支持车速为5 0 0k m h ，此外还提供不同业务的q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 支持。此网络结构分为3 个部分：列车网络、道旁的接入网络和无线骨干网。 3 部分网络各司其职分别完成不同的工作，把三个网络联合起来就能够为高速列车提供 宽带多媒体无线接入，可以提供视频、v o i p 等服务。n 其网络结构如图2 1 所示。 图2 - 1 基于o f d m a 技术的移动w t m a x 网络结构 1 ) 列车网络：此网络中最主要结构，车载设备应该设计至少三个接口：一个8 0 2 1 6 e w i m a x 接口；一个以太网接口用于汇聚各车厢内部网络( 车厢内部使用w i f i 覆盖或 者在旅客座位下提供以太网接e 1 ) ；欧洲列车控制系统( e t c s ，e u r o p et r a i nc o n t r o l s y s t e m ) 应答器读取设备接口，以便于从轨道下埋设的r f ( r a d i of r e q u e n c y ) 芯片中 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 获得应答器中相关信息( 主要包括当前列车位置、速度等可用于辅助通信系统完成切 换的信息) 。8 0 2 1 6 ew i m a x 接口的实现形式多种多样，可以引入多车载台方案，以实 现m d 订o ( m u l t i i n p u tm u l t i - 0 岫) u t ) 、协作切换机制等。 2 ) 道旁的无线接入网络：基站呈线状分布于铁路沿线。该基站设备具有8 0 2 1 6 d w i m a x 和8 0 2 1 6 ew i m a x 两个接口。其中8 0 2 1 6 ew i m a x 负责对铁路进行无线信号 的无缝覆盖，以保证列车的接入；8 0 2 1 6 dw i m a x 接口作为道旁基站数据与核心网通 讯的回程网络。道旁基站的建设需要进行合理的无线网络规划。 3 ) 无线骨干网：汇聚站点，有三个8 0 2 1 6 dw i m a x 接口：其中两个用于骨干网 内进行点对点( p t p ，p o 缸t 0p o 缸) 通信。一个用于骨干网与铁路旁基站，该类站点 可以建设于铁路沿线两旁的制高点，其间距可达1 0 k m 以上。 该方案建设成本低，无需铺设大规模的线缆，适用于在山地等特殊场景部署。系 统中各级设备之间的数据交互均由无线链路完成。 2 1 2r o f 分布式天线技术 文献 2 6 】采用分布式无线通信技术为铁路场景提供无线覆盖。对于现有分布式无 线通信技术而言，中等距离的信号传输一般采用同轴电缆和中继器来实现，但是当传 输距离超过几百米时则只能采用r o f ( r a d i oo v e rf i b e r ) 技术。该技术在铁路沿线布 置大量天线单元，天线单元之间通过光纤连接并与中央控制站连接。中央控制站对天 线单元采用集中控制方式，中央控制站具有信号调制解调、同步、复用、扩频技术、 差错控制等功能，中央控制站将处理后的信号发送至天线单元。该方案变相增大了基 站( 中央控制站) 的覆盖范围，降低了基站建设成本。在该方案中，对于下行链路( 接 入网至列车) ，中央控制站对数据进行调制并通过光纤利用波分复用技术发送至远端天 线单元，远端天线单元将收到的光信号转化为无线信号发送至列车。对于上行链路( 列 车至接入网) 列车发出的无线信号被距离其最近的道旁天线单元接收，然后再通过光 纤发送至中央控制站进行处理。 如图2 2 所示，传统的部署方法在铁路沿线布置了7 个基站，因此当列车穿越这 些基站的覆盖区时需要6 次切换。在高速场景下，频繁的切换，会严重的降低系统性 能。当采用r o f 分布式天线方案后，原来的一个基站信号，被分别传输至七个天线单 元，因此图中分布式无线通信系统覆盖方式中单个基站的覆盖范围是传统覆盖方式的 七倍。而且由于图中天线单元发射的射频信号来自同一个基站，因此在穿越属于同一 基站的天线单元覆盖区域时并不需要切换。由于在8 0 2 1 6 c 系统中，t t g ( t r a n s m i t r e c e i v et r 挪i t i o ng a p ) 帧长1 0 5 u s ，由此决定了作为传输链路的单模光纤的长度最长 为9 k m 。由于1 0 5 邶中没有包括光电转换等延时。因此在实际系统中，传输链路长度 小于9 k m 。由此可得，采用r o f 分布式无线通信系统方案时，单个基站的理论覆盖范 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 围最高可达1 8 k i n ，远远超出了传统无线基站的覆盖范围。由于在铁路沿线每隔 1 5 - 2 0 k i n 会有一个值班车站，因此采用分布式无线通信系统时，可将基站设立在已经 建好的值班车站站房内，进一步降低了基站选址和维护的成本。根据分布式无线通信 技术的特点，在隧道内采用该技术具有高可靠性的优势。 t r a d i t i o n a la r e ac o v e r a g ea p p r o a c h b sb sb sb s b se i sb s r a d i o - 。o v e r l - 。f i b e rd i s t r i b u t e da n t e n n as y s t e ma p p r o a c h 1 ； i1 ? ii - | i | | li ll | | | | i| ii l | l | il | | | | | il ilii | i i | ii | if i li i | | | ll| | i li il ll i - - - q 斥与同h 硼甜h v e 8 硒 9 刚划鬯幽吣 。 图2 - 2 传统部署方式与分布式无线通信系统部署方式比较 f i b e r l i n k 图2 - 3 单一天线单元结构示意图 图2 3 是单一天线单元的结构示意图。以w i m a x 技术为例，w i m a x 基站与光电 转换器连接，上行链路和下行链路分别使用