（通信与信息系统专业论文）高速铁路无线通信系统切换优化方案研究.pdf

摘要 近年来，在世界范围特别是我国大规模的建设高速铁路，高速铁路场景下的车地无 线通信得到了越来越多的关注。高速铁路车地通信面临着诸多问题：列车的高速移动 会导致切换频繁、切换触发滞后等问题，导致切换性能下降；列车的高速移动还会引 起严重的多普勒效应和信道的快衰落特性；此外，信号穿透高速列车金属车厢导致的 信号衰耗以及高速铁路沿线复杂的行车环境等在实际的系统中也会带来严重的影响。 因此，分析解决高速铁路车地无线宽带通信所面临的关键问题具有重要意义。 本文首先介绍和分析了现有的几种高速铁路车地无线通信接入方案，然后详细讨 论了高速车地宽带无线通信面临的如下几个问题：多普勒效应、频繁的越区切换、高 速列车车体损耗、高速铁路环境、多种制式并存，并分析了各个问题的解决方法及其 优缺点，其中高速铁路场景下如何实现快速、准确、可靠的切换方案还有待进一步深 入研究。 为了提高高速铁路场景下切换方法对于可靠性和低时延的要求，本文结合高速铁 路环境的特点，提出了一种基于o f d m ( o r t h o g o 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 ， 正交频分多址复用) 系统选择分集传输技术的切换优化方案。首先分析了传统硬切换策 略，传统硬切换的切换时间较长以及切换过程中的数据中断是高速铁路场景下切换失 败的重要原因。随后提出了一种切换优化方案，在优化后的方案中，列车穿越重叠区 时，同时保持与源基站和目标基站的控制链路，目标基站在切换触发前已完成与列车 的同步和数据缓存等准备工作；当触发切换后，仅需要更换列车的数据服务基站就可 以完成切换。这样一方面，能够使得切换和数据链路的中断时间大大减少，实现了快 速切换；另一方面能够降低移动台与网络侧的链路中断概率，提升切换过程的稳定性。 仿真结果表明，优化后的切换方案能够有效地提高切换成功概率，提高整个系统的可 靠性。 现有的高速铁路切换方案中存在的另一个问题是切换触发滞后和不准确。传统蜂 窝网切换中为了避免乒乓效应，采用了迟滞余量的切换触发策略。较高的迟滞余量会 导致高速铁路场景下切换触发滞后，重叠区内未完成切换导致切换失败，而采用较低 的迟滞余量又会导致乒乓效应的发生。本文提出了一种适用于g s m r 网络的切换机 制，利用列车速度和位置信息辅助切换判决，以解决高速场景切换滞后导致的切换失 败问题，同时也可以避免了乒乓效应的发生。仿真结果表明，优化后的切换触发机制 能够有效提高切换在重叠区内的触发概率，避免了切换误触发和触发滞后的发生，从 而提高了切换的成功率。 关键词：高速移动；车地通信；切换 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h el a r g e s c a l ec o n s t r u c t i o ni nh i g hs p e e dr a i l w a ya r o u n dt h ew o d d ， e s p e c i a l l yi no u rc o u n t r y , t h eh i 曲s p e e dt r a i n g r o u n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ng a i n sm u c h a t t e n t i o n t h eh i g hm o b i l i t yo ft h et r a i nr e s u l t si nas e r i e so fc h a l l e n g e st ot h eh i g hs p e e d t r a i n g r o u n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h eh a n d o v e rp r o b l e mc a ni n f l u e n c et h eh a n d o v e r p e r f o r m a n c es e r i o u s l y t h et r a i n sh i g hs p e e dc a u s e sd o p p l e re f f e c ta n df a s tf a d i n g ，w h i c h m a k e sc h a n n e le s t i m a t i o nm o r ed i f f i c u l t a d d i t i o n a l l y , b o d yl o s sc a u s e db yc l o s e d c o m p a r t m e n ta n dt h eo p e r a t i n ge n v i r o n m e n to fh i g hs p e e dr a i l w a ya l s oa f f e c tt h eh i g hs p e e d t r a i n g r o u n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h e r e f o r e ，h o wt os o l v ea l lt h e s ep r o b l e m si so fg r e a t i m p o r t a n c e s e v e r a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na c c e s ss c h e m e sf o rh i 曲一s p e e dr a i l w a ya r ei n t r o d u c e d a n da n a l y z e d a f t e rt h a t , s o m ep r o b l e m st h eh i g hs p e e dt r a i n - g r o u n d w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nf a c e da r cd i s c u s s e di nd e t a i l ，s u c ha sd o p p l e re f f e c t , f i ：c q u e n th a n d o v e r , b o d yl o s s ，t h eo p e r a t i n ge n v i r o n m e n to fh i g hs p e e dr a i l w a y , c o e x i s t e n t so fd i f f e r e n ts y s t e m s a n dc t c i na d d i t i o n ，s o m es c h e m e sa n dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r ea n a l y z e d i n a 1 1o ft h e s es c h e m e s ，h o wt oi m p l e m e n tf a s t ，a c c u r a t ea n dr e l i a b l eh a n d o v e rs c h g ；n q e sn e e dt o b ef u r t h e rs t u d i e d i no r d e rt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n dd e l a yp e r f o r m a n c eo fh a n d o v e rs c h e m e sf o rh i 【g l l s p e e dr a i l w a yc o m m u n i c a t i o n s ，a no p t i m i z e dh a n d o v e rs c h e m eb a s e do ns e l e c t i v ed i v e r s i t y r e c e p t i o nt e c h n o l o g yi sp r o p o s e d f i r s t l y , t r a d i t i o n a lh a r dh a n d o v e rs c h e m e sa r e i n t r o d u c e d t h e s es c h e m e sw o u l dl e a dl o n gh a n d o v e rd e l a ya n do u t a g e ，w h i c ha l et h em a i nr e a s o n so f h a n d o v e rf a i l u r e t h e n ，a no p t i m i z e ds c h e m ei sp r o p o s e d i nt h eo p t i m i z e ds c h e m e ，t h et r a i n k e e p sc o n n e c t i o nt ot h es o u r c eb a s es t a t i o na n dt h et a r g e tb a s es t a t i o nw h e nt h et r a i ni s d r i v i n gt h r o u g h t h eo v e r l a p p i n ga r e a t h et a r g e tb a s es t a t i o ns y n c h r o n i z e sw i t ht h et r a i na n d c a c h e st h ed a t ab e f o r et h eh a n d o v e ri st r i g g e r e d o n c et h eh a n d o v e ri st r i g g e r e d , t h es e r v i n g b a s es t a t i o no n l yn e e d st ou p d a t et h et r a i n si n f o r m a 矗o n t h e n ，t h ew h o l eh a n d o v e r p r o c e d u r ei sc o m p l e t e d t h i ss c h e m eh a sm a n ya d v a n t a g e s o no n eh a n d ，h a n d o v e rd e l a y a n do u t a g et i m ec a nb el o w e r e de f f i c i e n t l y , s ot h a t ，f a s th a n d o v e rc a nb ei m p l e m e n t e d f u r t h e r m o r e , t h eo u t a g ep r o b a b i l i t yo nm o b i l es t a t i o ns i d ea n dn e t w o r ks i d ec a n b er e d u c e d g r e a t l ya n dt h er e l i a b i l i t yo fh a n d o v e rc a nb ei m p r o v e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e p r o p o s e ds c h e m ec a ni m p r o v eh a n d o v e rs u c c e s sp r o b a b i l i t ya n dt h er e l i a b i l i t yo fh i g hs p e e d r a i l w a yc o m m u n i c a t i o n s a n o t h e rp r o b l e me x i s t i n gi np r e s e n th a n d o v e rs c h e m e sd e s i g n e df o rh i g hs p e e dr a i l w a y c o m m u n i c a t i o n si st h a th a n d o v e rt r i g g e r i n gt i m ei sl a g g e da n di n e x a c t l y i nt r a d i t i o n a l c e l l u l a rn e t w o r k s ，h y s t e r e s i sm a r g i ni su s e dt oa v o i dp i n g - p o n ge f f e c t h o w e v e r , i ft h e h y s t e r e s i sm a r g i ni st o oh ig h ，h a n d o v e rt r i g g e r i n gw o u l db el a g g e da n dh a n d o v e rp r o c e s s c a n tb ec o m p l e t e di nt h eo v e r l a p p e dr e g i o n i ft h eh y s t e r e s i sm a r g i ni st o ol o w , p i n g p o n g e f f e c tw o u l dh a p p e n i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，ah a n d o v e rs c h e m es u i t a b l ef o rg s m r s y s t e mi sp r o p o s e d h a n d o v e rd e c i s i o ni sa s s i s t e db yv e l o c i t ya n dp o s i t i o no ft h et r a i n s o t h a th a n d o v e rf a i l u r ep r o b l e mc a nb ei m p r o v e da n dp i n g p o n ge f f e c tc a nb ea v o i d e d s i g n i f i c a n t l y s i m u l a t i o n r e s u l ts h o w st h a tt h e p r o p o s e ds c h e m e i n c r e a s e sh a n d o v e r t r i g g e r i n gp r o b a b i l i t yi no v e r l a p p e dr e g i o na n dt h eh a n d o v c rs u c c e s sp 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 ：t r a i n - g r o u n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ：h a n d o v e r 1 1 课题研究背景与意义 第一章绪论弟一早三百t 匕 上世纪9 0 年代中期至今，在世界范围内掀起了大规模的建设高速铁路的热 潮。修建高速铁路具有良好的经济效益和社会效益，特别是能够节约土地、提高 能源利用率、减少环境污染、交通安全等方面的社会效益，高速铁路的发展得到 了世界各国的大力支持。高速铁路相对于其他运输工具来说，具有载客量高、速 度快、安全性好、舒适方便、能源消耗低等优势，因此高速列车成为了人们日常 出行重要的交通工具。 随着环境问题的日益严重，高速铁路对于环境影响小的优点得到了我国政府 和相关部门的密切关注。2 0 0 4 年国务院批准了中国铁路中长期发展规划，并 在2 0 0 7 年进行了修订。截至2 0 1 0 年，全国铁路营业里程约为9 1 万公里，2 0 1 1 年， 全国高铁将初步成网，运营里程将突破1 3 万公里。随着大规模客运专线的建设，预计 2 0 1 4 年，我国2 5 0 k m h 以上高铁里程达到2 8 万公里。其中，京津、武广、郑西、沪 宁、沪杭等一批时速3 0 0 公里级别的高速铁路先后建成通车。在未来5 - 1 5 年，我国高 速铁路仍将有很大的发展空间，我国高速客运专线的不断修建会大大缓解目前铁路运 力紧张的局面，会有越来越多的人选择高速铁路出行【l j 。 近期科技部印发了高速列车科技发展“十二五 专项规划，在中国铁路中 长期发展规划的基础上提出了继续“提高列车速度”目标，以及实现“高速列车谱 系化、智能化”的目标，未来列车运营速度可能会超过3 5 0 k m h 。 高速铁路和客运专线的大规模建设对铁路车地通信系统提出了严峻的挑战和更高 的要求。一方面高速铁路的调度通信系统受到了安全性的严重考验。高速度的列车运 行和高密度发车频率下，铁路专用通信系统面临着诸多挑战，如：远程高清视频监控 铁路运行安全；高安全性的列车调度机制；具备高度冗余与纠错能力的通信系统的实 现；如何快速反应通信系统的自身故障等。另一方面，随着无线蜂窝网络3 g ( 3 r d g e n e r a t i o n ，第三代移动通信) 技术的迅速普及和互联网技术的飞速发展，人们 在日常生活中已经能够享受到无处不在的互联网服务，而在国内的高速列车上，乘客 仅能通过无线蜂窝通信网络( 2 g ( 2 n d g e n e r a t i o n ，第二代移动通信和3 g 系统) 进行 简单且不连续的话音通信、短信和低速率的数据通信，这显然远远不能满足广大铁路 乘客的通信需求1 2 叫。 目前我国采用g s m r ( 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 - r a i l w a y ，铁路专 用数字移动通信系统) 系统提供高速铁路列控信息的无线传输，g s m r 是基于第二代 i i 西南- 交通大学硕士研究生学位论文 一i q 第三亟, 移动通信技术g s m ( g l o b a ls y s t e mo fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，全球移动通讯系统) 的 平台，为铁路行业的特定需求开发的一种数字无线通信系统，其特点是将高速铁路列 车控制与语音信息的传输整合到一个无线通信平台。由于g s m - r 采用g s m 技术为基 础，无法满足高清视频监控列车安全、保障通信可靠性的需求。 为了满足高速车地通信的高数据速率、高移动性、高可靠性、高安全性的业务需 求，欧洲、日本、北美等国家先后针对旅客服务进行了宽带无线通信系统的研究试验。 2 0 1 0 年我国提出发展基于l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n , 长期演进) 的铁路宽带移动通信系 统，将o f d m 、m i m o ( m u l t i p l e i n p u ta n dm u l t i p l e o u t p u t ，多输入多输出) 等关键技 术应用于高速车地通信环境，改善高速铁路环境下的关键问题，为铁路专用通信系统 和列车内旅客提供高质量的通信环境例。 高速铁路环境下，车地无线通信系统将面临着一系列的关键问题，如越区切换、 多普勒频偏、信道快衰落、干扰等。在高速铁路场景下，越区切换的可靠性不仅影响 列车旅客无线通信的服务质量，还会影响列车的运行安全。高速铁路场景下越区切换， 必须满足切换触发的准确性和较短的切换时延，以保证切换的成功率和系统的可靠性， 这与传统蜂窝网络的需求存在一定差异，需要采用适合高铁场景的切换方案来进行优 化。 1 2 研究现状 国内在高速铁路车地无线宽带通信的研究资料相对还比较少，文献 2 - 4 分析了 g s m r 、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 ，全球互通微波存取) 、 w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y , 无线相容认证) 、l t e 、t d - s c d m a ( t i m ed i v i s i o n - s y n c h r o n o u s c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，时分同步码分多址) 、移动口v 6 等系统在高速铁路场景 下的应用前景和关键技术。文献【5 、6 】总结了一些已商用的高速列车无线接入系统，指 出未来为了实现宽带接入，需要结合o f d m 和m i m o 等技术来提高频谱效率，并介绍 了将o f d m 和m i m o 等技术应用于高速铁路场景的难点。文献 7 】阐述了铁路行业通 信业务和旅客通信业务的需求和高速宽带无线接入系统的特点，并指出越区切换是高 速铁路车地无线宽带通信的关键问题之一。文献 8 】介绍了高速移动环境下o f d m 系统 的几种关键技术。文献【9 介绍了一种o f d m 系统中利用软时隙和宏分集改善切换性能 的铁路通信系统及越区切换方法，并给出了几种切换信道分配方案，该方法牺牲了较 多的频谱效率。国内高速铁路场景下3 g 无线蜂窝网络设计中存在的关键问题和解决方 案也能够提供一些工程化的帮助 1 0 q h 。 国外对于高速铁路无线宽带接入的研究试验已经较为广泛。文献 1 2 】提出了一种利 用分布式天线技术实现高速铁路w i m a x 宽带接入。安德鲁公司与四家移动网络运营 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 公司合作，为德国i c e ( i n t e rc i t ye x p r e s s ) 高速 列车提供车载直放站覆盖方案，解决了高速铁路通信铁路环境的影响所导致的信号快 衰落变化，该方案能够有效减少信号穿透列车车厢的损耗，但难以解决群切换等高速 适应性问题【1 3 】。诺西为法国高速列车提供了一种卫星系统接入方案，该方案利用卫星 为旅客用户提供数据通信服务，当卫星覆盖不到时，由地面w i - f i 系统提供服务。该 方案的技术门槛较高，而且由于采用卫星通信，其延迟可能较高l l 5 1 。 国内目前也有一些公司和地区对高速铁路宽带接入方案进行了研究。华为公司在 2 0 1 0 年提出了基于l t e 技术的h r c ( h 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 ，高速铁路 通信) 解决方案，该方案在铁路沿线建立基于l t e 的车地无线回传系统，在列车车厢 顶端部署车载设备天线，在车厢内部署小基站，满足多制式中断的接入，基站随车移 动，形同静止，从而解决了列车车厢的穿透损耗和群切换导致的信令风暴问题，该方 案可能会导致语音延时较大，而且小区重选和切换问题还需要进一步研刭1 7 j 。中兴公 司2 0 1 0 年提出的高速铁路宽带通信解决方案中，为了解决高铁环境直射径占优、多天 线空间分集特性较小的问题，提出在基站和车载台上均采用双极化天线，利用极化分 集提高系统的可靠性。 目前我国主要采用铁路专用通信系统g s m - r 为高速铁路列控系统提供列控信息 的无线可靠传输，g s m - r 系统在工程应用遇到的问题及研究文献提供了一些有价值的 参考【1 8 3 0 】。文献 1 8 】在g s m - r 网络下通过优化切换判决阈值来降低切换失败率，该方 案能够一定程度上提高高速列车的切换触发概率，但是又不能完全避免切换误触发和 乒乓效应的发生。文献 1 9 】提出了一种提高跨m s c 间越区切换时延的切换方案，通过 多次测量得到一个估计的切换参考点，根据切换参考点判决切换。高速铁路无线信号 波动较大，仅依靠切换位置判决切换难以保证基站信号的可靠性。文献 2 0 】提出一种利 用定向坐标法判断列车的运行方向，然后基站根据列车的运行方向优化切换列表，以 避免乒乓效应并鼓励切换提前准备和完成的方案，该方案的主要问题是降低后的切换 门限可能导致低速列车切换误触发的发生，而且一旦切换误触发，也不能切换回源基 站，导致掉话。 总的来说，目前国内外对于高速铁路场景下无线宽带接入技术的研究文献和实施 方案相对较少，特别是在高速车地环境下的切换优化方案。o f d m m i m o 等关键技术 已经被证明在蜂窝网中可以带来很大的性能的提升但是其应用于高速车地通信中前景 如何，且对于高速车地通信环境如何提升系统的容量和可靠性等问题都需要我们深入 研究。 1 3 论文主要内容及结构安排 本文主要对高速铁路车地无线宽带通信系统进行了广泛的研究和深入的探讨。介 绍并分析了现有的高速铁路车地无线通信接入方案，并分析了该系统所面临的关键问 题，针对越区切换的关键问题进行了进一步的研究。 本文的主要内容安排如下： 第二章主要介绍了现有的几种高速铁路车地无线宽带接入方案，并探讨了各种接 入方案的优缺点，其次分析了高速铁路环境下车地无线通信系统的关键问题和解决方 案，并指出在高速铁路环境下传统的切换方案需要进一步优化。最后介绍了目前我国 的铁路通信系统g s m r 。 第四章提出了一种高速铁路场景下基于o f d m 系统的切换优化方案。首先介绍分 析了传统硬切换方案，高速铁路场景下传统硬切换存在切换过程中通信中断的问题， 并指出控制信息的传输失败是切换失败的重要原因，最后提出了一种基于o f d m 系统 选择分集传输技术的切换优化方案并进行了数学建模和仿真分析。 第四章首先介绍了传统蜂窝网中的乒乓效应，然后分析了高速铁路场景下传统切 换方案中避免乒乓效应中的机制导致的切换触发不准确问题，该问题会导致高速列车 切换滞后等问题。通过分析g s m r 系统中的改进切换算法，提出了一种适用于铁路无 线通信环境的列车的移动和位置辅助切换触发方案，并进行了仿真和建模分析。最后 介绍了一种基于单频网组网方式的切换和覆盖方案。 最后是本文的结论和提出的问题。 第二章高速铁路车地无线宽带通信关键技术 为了研究高速铁路车地无线宽带通信系统，必须首先了解现有的和已商用的高速 铁路接入方案，选择合适的技术基础，利用各种关键技术，解决高速铁路无线通信面 临的问题，改善系统性能。本章首先介绍国内外的铁路无线通信系统，指出各种铁路 宽带接入方案的优缺点。然后介绍了高速铁路的场景特点并分析了车地无线通信系统 的关键问题和解决方案。 2 1 高速铁路车地无线宽带通信接入方案研究 目前国内外开通高速铁路的国家很多，各个国家采用的无线通信接入方式也各不 相同。其中主要有：现有无线蜂窝系统接入方案、卫星接入方案、泄漏电缆接入方案、 光载通信接入( r a d i oo v e rf i b e r ，r o f ) 方案、高速列车车载台接入方案等，下面将对 上述几种无线通信接入方案进行详细分析。 2 1 1 无线蜂窝系统接入方案 目前我国运营的高速列车中的旅客主要采用这种方式进行通信。车内旅客通过道 旁的无线蜂窝系统接入各运营商的网络，该方式具有以下优点：通信系统的软硬件升 级和配置少，简单易行，无需添加设备。缺点是： ( 1 ) 高速列车的车厢均采用金属车身，信号穿透列车车体的损耗最高超过2 5 d b ； ( 2 ) 现有的无线蜂窝系统主要针对中低速移动的移动台，高速铁路下严重的多普 勒频偏会引起通信质量的显著恶化； ( 3 ) 各个运营商采用各种制式的蜂窝网络，为了保证旅客的接入服务要求，需要 在铁路沿线建设覆盖多种制式的基站，建设成本很高。 目前，我国温州福州高速铁路上使用的u m t s ( u n i v e r s a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ，通用移动通信系统) 网络覆盖方案，高铁旅客直接通过道 旁基站接入网络，目前该网络已实现了全线覆盖，处于网络测试和优化阶段。初步测 试结果显示，移动台上下行平均速率分别可以达到1 m b i t s 和3 m b i t s t l l j 。 2 1 2 卫星接入方案 采用卫星通信的接入方式不受地理环境的影响，卫星波束覆盖范围较大且可以提 高足够的带宽。卫星通信接入的缺点主要是：在隧道、城区周边、山区等负载环境里 存在覆盖差问题；实时性较差；费用也比较高。法国高铁在2 0 1 0 年底采用卫星和w i - f i 中继器为车内旅客提供宽带数据接入服务，实际能够提供约2 m b i t s 和5 1 2 k b i t s 的下 载和上传速率，如图2 1 所示。当用户不能通过卫星接入网络时，则会自动转接到地 面w i f i 网络，使数据不至中断。该方案的优点主要是：能够提供无缝的信号覆盖， 解决了越区切换问题。该系统的技术门槛和运营成本较高，并且也需要在车项加装卫 星天线 1 4 - 1 5 。 图2 1 诺西在法国高铁上的车载天线和加了保护设施的车载天线 2 1 3 泄漏电缆接入方案 泄漏电缆的信号覆盖均匀，信号质量较高且稳定，适用于隧道等特殊场景。该方 案的主要缺点是漏缆价格昂贵，铺设设备比较复杂，泄漏电缆本质上是宽频带系统， 受到高速列车高压供电及其磁场的影响，其数据传输带宽有限。目前我国的g s m r 系 统在隧道覆盖中采用泄漏电缆接入方案；日本新干线高速铁路也采用泄漏电缆覆盖全 程，其传输速率约为2 m b i t s ，如图2 2 所示【l 6 | 。 彩- 少缓s s , - 图2 - 2 日本新干线接入方案 2 1 4r o f 接入方案 r o f 接入方案通常使用一个中心基站( b a s e b a n du n i t ，b b u ) 和若干个远端天线 单元( r e m o t e a n t e n n au n i t ，r a u ) ，如图2 3 所示。其中，b b u 完成传统基站( b a s e s t a t i o n ，b s ) 中的基带信号处理的功能，若干个r a u 完成射频信号放大发送和接收的 功能，b b u 与r a u 之间通过光纤连接，可以发挥光纤低损耗、高带宽的特点，同时 可以减少切换次数。该方案主要缺点是光纤的价格昂贵，建设成本相对很高；此外高 速列车上行信号功率变化范围较大，可能会增加r o f 系统的噪声系数。 图2 - 3 高速铁路r o f 接入方案 2 1 5 高速列车车载台接入方案 高速列车车载台接入方案主要是通过在高速列车上加装各种车载台改善车地无线 通信的性能，车内的用户数据通过车内覆盖的网络汇聚到车载台，车载台与道旁的基 站传送上下行数据。车载台包括：车载直放站、车载中继站以及车载小基站等。车载 直放站可以放大接收和发送基站和车厢内用户的数据，能够避免信号穿透列车车体的 损耗，增加单基站的覆盖范围。安德鲁公司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 公司合作，在德国i c e ( i n t e rc i t ye x p r e s s ，i c e ) 高速列车上 安装车载直放站，以解决高速铁路复杂环境下的信号快速衰落变化例，该方案首次利 用车载台改善无线车地通信质量，车载直放站还可以对多普勒频偏进行补偿，以减少 高速的影响。 华为公司提出了一种基于l t e 技术的h r c ( h 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 ， 高速铁路通信) 解决方案，如图2 _ 4 所示，该方案主要建立基于l t e 的车地无线回传 系统。在列车车厢顶端部署车载设备天线，在车厢内部署小基站，满足多制式中断的 接入，基站随车移动，形同静止，从而解决了列车车厢的穿透损耗和群切换导致的信 令风暴问题，该方案目前还没有经过实际的测试，其性能还需要进一步评估。 习i 圜 ： 一：w 二1 ： 一r 。一一+ z： = 鞋 图2 - 4 华为h r c 解决方案 总的来说，现有的各种方案均难以满足高速车地通信的高数据速率、高移动性、 高可靠性、高安全性的业务需求，而目前已商用的移动蜂窝系统也不能完全满足高速 列车旅客和铁路行业应用的共同需求。 随着4 g ( f o u r t hg e n e r a t i o n ，第四代移动通信) 技术的火热发展，无线通信系统 对移动性的支持也在不断提升。4 g 的两个标准8 1 2 1 6 m 和l t e a ( l t e a d v a n c e d ， l t e 的后续演进) 均宣称未来宽带移动通信能够支持高达5 0 0 k m h 的移动速度。因此 将4 g 及准4 g 关键技术应用于高速铁路特殊环境中，以能够满足铁路行业和列车旅客 的业务需求，解决高速列车车地通信的关键问题。o f d m 作为4 g 的关键技术之一， 本文第三章将讨论一种基于o f d m 系统的高速铁路切换优化方案。 2 2 无线车地通信系统关键问题研究 2 2 1 多普勒效应 移动台与基站之间的相对运动会引起接收机信号频率发生偏移，导致接收信号与 发射信号频率不同，这种现象便是多普勒效应。 多普勒频偏厶为： ， ，气雕) z 一。j jb s ，( f ) 彳翟一y 图2 5 多普勒效应 六= 厂兰c o s 乡( 于) c ( 2 1 ) 其中，厂为载波频率，y 为移动台与基站之间的相对速度，c 为光速，o ( 1 ) 为入 射波与移动台相对运动方向的夹角。当移动台远离基站运动时，多普勒频移乃为一正 值，当移动台往基站靠近时则多普勒频移力为一负值。 表2 - 1 不同列车速度和载波频率的多普勒频偏 | ， 石 ( h z ) 2 0 02 5 03 0 03 5 04 0 04 5 0 彳f - , q 9 0 0 m h z1 6 72 0 82 5 02 9 2 3 3 3 3 7 5 1 8 g h z3 3 34 1 75 0 05 8 36 6 77 5 0 2 6 g h z4 8 l6 0 17 2 28 4 29 6 21 0 8 3 9 0 0 m h z ( 考 1 1 8 1 4 7 1 7 72 0 6 2 3 52 6 5 虑入射因子) 1 8 g h z ( 考虑 2 3 52 9 53 5 44 1 24 7 25 3 0 入射因子) 2 6 g h z ( 考虑 3 3 7 4 2 1 5 0 55 8 95 7 37 5 8 入射因子) 在高速铁路场景下，基站位置远离铁轨，可以减少入射波的入射角o ( t ) ，从而减 少多普勒频偏力，但是从基站覆盖的角度考虑，基站又不能距离铁轨太远。高速铁路 中道旁基站与铁轨的距离通常小于1 0 0 m ，g s m r 系统中通常为3 0 m 。以3 5 0 k m h 速 度和2 6 g h z 为例，多普勒效应最高超过1 k h z ( 如表2 1 ) ，考虑入射因子为o 7 0 7 ， 频偏誉为7 5 8 h z 。 对于单载波系统来说，多普勒频偏仅仅会降低接收信号的信噪比，而不会引起互 相之间的干扰。4 g 通信系统中采用的o f d m 系统是多载波系统，对于频偏非常敏感， 受到多普勒效应的影响远大于单载波系统( 如g s m r ) 。严重的多普勒频偏会破坏 o f d m 系统中相邻子载波之间的正交性，从而使子载波间产生干扰，严重影响o f d m 的性能，因此高速铁路场景下，o f d m 系统如何克服多普勒效应的影响也是需要解决 的关键问题之一【8 】。本文主要研究在高速铁路场景下的切换优化问题，因此假设多普勒 效应可以通过各种机制克服和消除。 2 2 2 列车车体穿透损耗问题研究 为了安全的考虑，目前现有的高速列车基本上都采用全封闭的金属车厢，信号在 穿透封闭的列车时会受到极大的损耗。图2 - 6 给出了不同列车车型的穿透损耗。 练台哀d 。盘俏 曩 溺l ； 。 凰嘲潮盘 ， 潮疆豳曩 j 一 t 型k 型庞巴j 直 c r h 2 图2 - 6 信号穿透高速列车车体穿透损耗 目前，己商用的2 g 和3 g 蜂窝网络通常通过加大基站发射功率，提高信号衰落余 量来缓解该问题，但是难以解决用户上行通信的传输质量。对于该问题，业内普遍认 为利用列车加装车载台可以解决，车厢内加装各种制式的通过车载台对信号的放大发 送和接收，可以避免用户终端接收和发送信号的穿透损耗 1 3 】【1 7 】。 2 2 3 高速铁路环境 国际电信联盟为( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ，i t u ) 满足未来1 0 2 0 年全球移动通信需求启动了i m t - a d v a n c e d ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n s a d v a n c e d ，高级国际移动通信) ，i m t - a d v a n c e d 支持低速和高 速下的应用，表2 - 2 所示为选择部署的方案和对应的信道场景模型。高速铁路场景下， 列车移动速度快，并且铁路沿线环境复杂，这就导致无线电波的传播环境复杂多样。 高速铁路环境下直射径占优，因此无线信道模型通常主要考虑阴影衰落、多径效应、 多普勒频移等因素的影响。本文采用的衰落模型是i m t - a d v a n e e d 高速移动环境下的 评估信道衰落模型( 3 ，路径损耗如表2 3 所示。 表2 2 选择评估部署方案和信道模型 测试环境基本城市覆盖微蜂窝室内高速环境 部署方案城市宏小区城市微小区室内热点覆盖乡村宏小区 信道模型 城市宏小区城市微小区室内热点覆盖乡村宏小区 ( l o s ，n l o s ) ( l o s ，n l o s ) ( l o s ，n l o s ，( l o s ，n l o s ) o u t d o o r - t o i n d o o r ) 表2 - 3 乡村宏小区( 直射，非直射) 信道衰落模型 = 2 0 l o g ，。( 4 0 d f , 3 ) + m i n ( o 0 3 h 1 7 2 , 1 0 ) 盯= 4 + l o g 。0 ) 一m i n ( o 0 4 4 h 1 - 7 ：, 1 4 7 7 ) l o s + o 0 0 2 + l 0 9 1 0 0 pl o m d d s p 咒2 = p l l p 卯) + 4 0 l 0 9 1 0 p ) 盯= 6 d b e d 1 0 0 0 0 m h m = 3 5m ， p l = 1 6 1 0 4 - 7 1 l 0 9 1 0 缈) + 7 5 l o g l o 积) 伊= 8 h u s 。1 5 m n l o s 一2 4 3 7 3 7 ( h h s s ) 2l o g l 。o 雕) + ( 4 3 4 2 w = 2 0 n 1 h = 5m 3 1 l o g ，。o ) x l o g 。p ) 一3 ) + 2 0 l o g 。( 疋) 一( 3 2 ( 1 0 9 。0 1 7 5 k 炉一4 9 7 j 2 2 4 多种制式共存 目前，我国商用的移动通信标准很多，如g s m 、c d m a 等，此外还有用于列车调 度与安全控制的g s m r 网络。为了保证列车调度信息安全传输和列车旅客的通信需 求，必须考虑其他网络对于铁路调度无线通信系统的干扰。为了节约通信覆盖成本， 一方面可以考虑多种通信系统基站共址建设，这就需要考虑基站间的杂散、互调、阻 塞等干扰问题；另一方面，可以采用车载台方案，即在车厢内部署各种制式的小基站， 车地间只覆盖一种网络，如图2 7 所示，这种方案能降低干扰，也能降低建设成本， 但是会增大实时业务的时延。 溺鞠 g s m 代d - s w 洲w i f 列车车嗣： 一“ 图2 7 车载台方案以避免多种制式基站间干扰 2 2 5 越区切换研究 高速铁路车地无线通信的一个关键问题是越区切换，高速铁路场景下越区切换面 临的挑战主要有： ( 1 )频繁的越区切换。假设小区半径为3 5 k i n ，列车以3 6 0 k m h 的速度运行， 则平均列车每分钟切换超过两次。传统硬切换策略中，移动台同时只能与一个基站保 持通信，在切换过程中会出现短时间的数据信息中断，这必然会增加系统的中断风险， 如图2 8 所示。目前通常采用分布式天线的方案减少越区切换的次数，列车穿越多个 小区仅需要进行一次切换。 图2 - 8 越区切换问题 ( 2 )切换触发滞后。由于列车速度的提高，列车在每个小区和重叠区内时间变 短，而传统切换策略中的切换迟滞余量机制，使得切换触发在重叠区的一半范围内， 容易造成切换来不及完成而当前小区的电平已经衰减到很低，从而导致链路中断。 ( 3 )群切换的问题。当列车穿越小区时，很可能列车上所有用户同时触发切换， 大量信令同时传输容易造成信令风暴，甚至导致系统崩溃。利用车载台汇聚车内用户 的数据能够避免群切换的发生，但是由于增加了一跳链路，可能会提高通信的时延。 寓w。留