CN101888679A - 一种高速移动环境下车地通信多车载台协作小区切换方法 - Google Patents

Abstract

一种高速移动环境下车地通信多车载台协作小区切换方法，第一种方案的作法主要是通过列车前端和后端各安装一个车载台，二者互为通信备份，前端车载台切换时，同时为后端车载台申请通信资源，后端车载台切换时，直接切换进入前端车载台为其申请的通信资源；或者后端车载台直接利用前端车载台已经获得的可用信息进行切换。第二种方案的作法是前端车载台仅进行切换，后端车载台仅进行数据通信；前端车载台切换操作时，为后端车载台申请通信资源，并记录切换位置，后端车载台到达切换位置时，直接切换进入前端车载台为其申请的通信资源。该方法在进行小区切换时，切换时间短并且在切换过程中通信不中断，能够满足高速移动环境下车地通信的要求。

Description

一种高速移动环境下车地通信多车载台协作小区切换方法

技术领域

本发明属于高速移动环境下列车与地面基站之间的车地通信技术领域。

背景技术

随着高速铁路的建设和发展，铁路通信技术也在不断更新，高速移动环境下车地通信系统引起了人们越来越多的关注。高速客运专线的不断修建，铁路运力紧张的局面被大大缓解，由于高速铁路的安全便捷等特性越来越多的人选择高速铁路出行，因此高速列车上的旅客的通信需求以及列控(列车运行控制)信息的高效传输需求激增，对现有的通信系统提出了严峻的挑战。

高速环境会给通信网络带来频繁的越区切换、多普勒频移、信道快速变化等一系列的技术问题。在高速铁路场景下，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，但在现有的GSM-R(铁路专用全球移动通信系统)，其切换方法的切换时间偏长，仅适用于中低速列车，难以满足高速列车的快速越区切换的通信需求，会产生通信掉话、切换时延长、通信可靠性低的问题。随着通信技术的发展，人们对于通信的需求不仅仅满足于以前的语音通信与短消息服务，而对于更大数据量的视频业务，网页浏览等服务的需求日益增加，因此高速车地通信需要提供更大的接入带宽，更好的服务质量。

通过对现有专利及相关技术的检索发现，现有的移动环境下车地通信小区切换方法：1、一种基于OFDM(正交频分复用)的移动通信系统及切换信道分配方法(CN 101022643A)中提出了软时隙切换、简单宏分集切换和增强型宏分集切换三种信道分配方法，该专利所提方法主要是针对基站一侧进行改进，仅适用于OFDM系统而不适用于GSM、CDMA等系统，不具有普遍适用性，并且涉及众多的基站的建设与改造，成本高昂，切换延时长，也只能适用于中低速移动环境。2、高速移动环境下无线视频或大数据流无缝软切换实现方法(CN1801777A)通过在一个、两个或多个频点向数据接收端发送编码数据，数据接收端接收到数据后，对数据进行散列缓存处理，剔除多路发送时的重复数据，保证数据在经过缓存处理后，透明地从数据编码段无线传到数据解码端，该专利只可用于车载台(也称车载移动台或车载移动站)被动接收，而车载台不能发送信号，不能满足交互通信的要求。对于高速多车载台接入方法，目前尚无任何完整的技术方案。

在传统的车地高速无线通信的研究中，为了提升列车穿越小区重叠区时的切换性能，大多采用扩大小区半径，增大重叠区的方法，使得列车能够有充足的时间完成切换过程，但是由于小区半径的增大，导致小区边缘的覆盖率降低，小区边缘用户接收信号质量由于阴影衰落、多径效应等影响会产生很大的波动，这样会导致错误触发切换过程或者导致频繁的乒乓切换，这样势必会导致系统性能的下降。一些研究中通过在重叠区中布置中继站或直放站等方式提升小区重叠区中的信号质量，这些改进措施有利于切换触发的判决过程，但是在切换过程中由于原有的切换机制大多是采用的硬切换方式(先断开与原服务基站之间的连接，再与目标基站之间建立新的连接)，它对基站和移动终端的复杂性要求不高，但它在断开与原服务基站后，再同目标基站进行协商进行切换，这样使得切换时造成通信中断，通信质量下降。而在高速车地通信中，一方面对于列控信息需要有极高的可靠性，通信中断会对行车安全造成极大的安全隐患；另一方面，随着人们对通信需求的日益增长，通信中断也无法满足人们对移动通信高带宽，高可靠性，低延时的需求。

发明内容

本发明的目的就是提供一种高速移动环境下车地通信多车载台协作小区切换方法，该方法在进行小区切换时，切换时间短并且在切换过程中通信不中断，能够满足高速移动环境下车地通信的要求。

本发明实现其发明目的所采用的第一种技术方案是，一种高速移动环境下车地通信多车载台协作小区切换方法，其步骤是：

A、列车前端和后端各安装一个车载台，分别为前端车载台和后端车载台；

B、车载台通过车厢宽带局域网与车载控制站相连，车载台的数据收发及信令交互过程由车载控制站集中控制；

C、控制站检测到车载台接收信号符合切换条件，触发车载台进行切换；如前端车载台切换成功时，后端车载台尚未触发切换，车载控制站通过前端车载台向基站为后端车载台预申请通信资源，当后端车载台被触发切换时，直接转变工作状态进入预申请的通信资源完成切换；如果前端车载台未完成切换时，后端车载台已触发切换过程，则后端车载台直接利用前端车载台已经获得的可用信息进行切换；

D、车载台完成切换后，则与新基站进行数据的收发。

与现有技术相比本发明的第一种方案的有益效果是：

由于在列车上安装有前端和后端两个车载台，前端车载台在进行切换的同时为后端车载台预申请通信资源，提供给后端车载台直接使用，使得后端车载台无需重新进行扫描、测距等与目标基站的协商过程，后端车载台的切换耗时明显降低。或者后端车载台直接利用前端车载台切换时已经获得的可用信息进行切换，也大大降低了后端车载台的切换耗时。并且在多数情况下前端车载台切换时后端车载台仍然进行正常通信，对列车而言通信没有中断，实现了具有宏分集特性的软切换，避免了切换掉话，保证了通信的可靠性。由于列车整体切换耗时大大缩短，切换延时小，能够保证在切换时间内高速运行的列车仍处在重叠区的有效范围内，提高了通信的可靠性和实时性，保证了列控信息的准确传输，增大了列车运行过程中安全性；同时极大提升了车内用户的通信质量。满足了高速车地移动通信的需求，尤其适用于350Km/h以上的高速列车车地通信系统。

本发明仅需在列车上额外安装一个车载台，对硬件要求低，软件算法无任何复杂高级运算，算法复杂度低，易于实施和推广。

在小区切换时针对不同的通信系统，采用相应地切换操作，因此可使用于各种通信系统，如GSM、GSM-R系统、WiMAX系统、LTE系统和LTE-Advanced系统，是一种通用的解决方案。

上述前端车载台和后端车载台与基站间收发的数据相同。这样在通信时两个车载台互为备份，进一步提高了通信的可靠性。

上述的车厢宽带局域网采用同轴电缆、双绞线、光纤或Wi-Fi方式构建而成。

上述的C步操作中，前端车载台触发切换开始时，车载控制站还通过全球定位系统(GPS)或通过读取列车控制系统中的应答器信息来记录切换触发的位置；当后端车载台到此位置时还未触发切换，则车载控制器控制其触发切换；且当前端车载台顺利完成切换操作后，原基站延时释放资源的延时值大于列车长度与运行速度的比值。这样，可进一步保证后端车载台的实时可靠切换，提高通信的可靠性和切换成功率。这样可保证后端车载台进行切换前，后端车载台与原基站通信的正常进行。

上述的前端车载台或后端车载台出现故障无法正常工作时，则车载控制站控制还在正常工作的车载台按单一车载台的小区切换及通信方法进行工作。这样当一个车载台出现故障时，本发明地方法则可退化为现有的单一车载台的小区切换方法，即单一车载台同时进行常规的切换及通信工作。可以保证通信系统在一个车载台出现故障时仍能应急工作。

本发明实现其发明目的所采用的第二种技术方案是，一种高速移动环境下车地通信多车载台协作小区切换方法，其步骤是：

A、列车前端和后端各安装一个车载台，分别为前端车载台和后端车载台；

B、双车载台通过车厢宽带局域网与车载控制站相连，车载控制站控制前端车载台负责切换的信令交互，后端车载台负责数据收发及相关信令交互；

C、控制站检测到前端车载台的接收信号强度符合切换条件，触发前端车载台进行切换，与基站间执行切换的信令交互，向基站为后端车载台申请通信资源；同时车载控制站还通过全球定位系统(GPS)或通过读取列车控制系统中的应答器信息来记录切换触发的位置；当后端车载台运行至该位置时，直接使用前端车载台为其申请的通信资源实现小区间的切换，与新基站进行数据的收发。

与现有技术相比本发明的第二种方案的有益效果是：

由于在列车上安装有负责切换的前端车载台和负责通信的后端车载台，前端车载台进行切换操作，为后端车载台申请通信资源，提供给后端车载台直接使用，使得后端车载台不再进行扫描、测距等与目标基站的协商过程，后端车载台只需完成状态转变即可接入目标基站，后端车载台的切换耗时几乎为零。负责通信的后端车载台通信中断时间几乎为零，通信的可靠性高，避免了切换掉话。由于前端车载台进入重叠区时即开始进行切换，而后端车载台仍处在重叠区外，当后端车载台进入重叠区时前端车载台可以不在重叠区内，相当于扩大了可供切换操作的区域，能够保证在切换时间内高速运行列车的后端车载台仍处在重叠区的有效范围内，提高了通信的可靠性和实时性，保证了列控信息的准确传输，增大了列车运行过程中的安全性；同时极大提升了车内用户的通信质量。满足了高速车地移动通信的需求，尤其适用于350Km/h以上的高速列车车地通信系统。

本发明仅需在列车上额外安装一个车载台，对硬件要求低，软件算法无任何复杂高级运算，算法复杂度低，易于实施和推广。

在小区切换时针对不同的通信系统，采用相应地切换操作，因此可使用于各种通信系统，如GSM、GSM-R系统，WiMAX系统、LTE系统和LTE-Advanced系统，是一种通用的解决方案。

上述的车厢宽带局域网采用同轴电缆、双绞线、光纤或Wi-Fi方式构建而成。

上述的前端车载台或后端车载台出现故障无法正常工作时，则车载控制站控制还在正常工作的车载台按单一车载台的小区切换及通信方法进行工作。这样当一个车载台出现故障时，本发明地方法则可退化为现有的单一车载台的小区切换方法，即单一车载台同时进行常规的切换及通信工作。可以保证通信系统在一个车载台出现故障时仍能应急工作。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

附图说明

图1为在GSM-R系统中，本发明方法和现有单车载台小区切换方法在距原基站不同距离处，发生切换的概率(PDF)的仿真分布结果。

其中由“*”号串起的曲线为单车载台的概率分布图，另一条曲线为本发明实施例一或实施例二方法的概率分布图。

图2为在GSM-R系统中，本发明方法和现有单车载台小区切换方法在距原基站不同距离内的切换成功率的分布仿真结果。

其中由“*”号串起的曲线为单车载台的切换成功率分布图，另一条曲线为本发明实施例一或实施例二方法的切换成功率分布图。

具体实施方式

实施例一

一种高速移动环境下车地通信多车载台协作小区切换方法，其步骤是：

A、列车前端和后端各安装一个车载台，分别为前端车载台和后端车载台；

B、车载台通过车厢宽带局域网与车载控制站相连，车载台的数据收发及信令交互过程由车载控制站集中控制；

C、控制站检测到车载台接收信号符合切换条件，触发车载台进行切换；如前端车载台切换成功时，后端车载台尚未触发切换，车载控制站通过前端车载台向基站为后端车载台预申请通信资源，当后端车载台被触发切换时，直接转变工作状态进入预申请的通信资源完成切换；如果前端车载台未完成切换时，后端车载台已触发切换过程，则后端车载台直接利用前端车载台已经获得的可用信息进行切换；

D、车载台完成切换后，则与新基站进行数据的收发。

本例的前端车载台和后端车载台与基站间收发的数据相同。

本例中的车厢宽带局域网可以采用同轴电缆、双绞线、光纤、或Wi-Fi方式等构建而成。

本例中的C步操作中，前端车载台触发切换开始时，车载控制站还通过全球定位系统(GPS)或通过读取列车控制系统中的应答器信息来记录切换触发的位置；当后端车载台到此位置时还未触发切换，则车载控制器控制其触发切换；且当前端车载台顺利完成切换操作后，原基站延时释放资源的延时值大于列车长度与运行速度的比值。

本例中，当前端车载台或后端车载台出现故障无法正常工作时，则车载控制站控制还在正常工作的另一车载台按单一车载台的小区切换及通信方法进行工作。

实施例二

一种高速移动环境下车地通信多车载台协作小区切换方法，其特征是，

A、列车前端和后端各安装一个车载台，分别为前端车载台和后端车载台；

B、双车载台通过车厢宽带局域网与车载控制站相连，车载控制站控制前端车载台负责切换的信令交互，后端车载台负责数据收发及相关信令交互；

C、控制站检测到前端车载台的接收信号强度符合切换条件，触发前端车载台进行切换，与基站间执行切换的信令交互，向基站为后端车载台申请通信资源；同时车载控制站还通过全球定位系统(GPS)或通过读取列车控制系统中的应答器信息来记录切换触发的位置；当后端车载台运行至该位置时，直接使用前端车载台为其申请的通信资源实现小区间的切换，与新基站进行数据的收发。

本例的车厢宽带局域网可采用同轴电缆、双绞线、光纤或Wi-Fi方式构建而成。

本例中当前端车载台或后端车载台出现故障无法正常工作时，则车载控制站控制还在正常工作的车载台按单一天线的小区切换及通信方法进行工作。

本发明在实施时除可以采用以上实施例的两个车载台以外，还可以在列车上安装4个、6个车载台，从车头至车尾分别编为第一二三四五六。当为四个车载台时，则将其分为两组，第一第三车载台为一组，第二第四车载台为一组。每组车载台中前面的车载台作为本发明的方法中的前端车载台，后面的车载台作为本发明的方法中的后端车载台，进行相应的操作即可。当为六个车载台时，则将其分为三组，第一第四车载台为一组，第二第五车载台为一组，第三第六车载台为一组。每组车载台中前面的车载台作为本发明的方法中的前端车载台，后面的车载台作为本发明的方法中的后端车载台，进行相应的操作即可。

仿真实验：

以下的仿真实验证明，较之现有的车地通信单车载台小区切换方法，本发明方法的通信中断时间大大降低、切换延时短、切换成功率高、通信的可靠性强。

一、中断时间仿真实验结果

在GSM-R系统中的中断时间仿真实验结果表明，将列车作为一个整体看待，单车载台小区切换方法在越区切换时中断时间约为330ms，实施例一的方法在越区切换时始终有一个天线在进行数据通信，不会发生通信中断，其中断时间为0；实施例二的方法，列车越区的切换时间约为55ms。可见，本发明能够明显降低切换时的中断时间，从而避免了切换掉话，提高了通信的可靠性。

二、切换时延仿真实验结果

在GSM-R系统中的切换时延仿真实验结果表明，传统的单天线小区切换方法延时约为2330ms；实施例一的方法，其列车后端车载台切换延时小于280ms，实施例二的方法，列车后端车载台切换延时约为330ms。可见，本发明能够明显降低后端车载台的切换延时，从而避免了切换掉话，保证了列车通信的实时性。

三、切换成功率仿真实验结果

图1为在GSM-R系统中，本发明方法和现有单车载台小区切换方法在距原基站不同距离处，发生切换的概率(PDF)的仿真分布结果。其中由“*”号串起的曲线为单天线的概率分布图，另一条曲线为本发明实施例一或实施例二方法的概率分布图；从图1可以看出，单车载台小区切换方法的切换地点相对延后。本发明方法的切换发生位置(时间)明显提前，平均切换地点提前了100米，为提前切换，保证切换争取了更多时间。

图2为在GSM-R系统中，本发明方法和现有单车载台小区切换方法和本发明方法的在距原基站不同距离内的发生切换概率的累计概率(切换成功率)的分布仿真结果。其中由“*”号串起的曲线为单车载台的切换成功率分布图，另一条曲线为本发明实施例一或实施例二方法的切换成功率分布图。可见，与单车载台技术相比，本发明实施例一或实施例二的方法在距原基站0.6公里内，切换成功率从8.44％提升到了11.81％；在距原基站0.8公里内，切换成功率从63.28％提升到了81.16％；在距原基站1公里内，切换成功率从98.54％提升到了99.8％；从而本发明更好地避免了切换掉话，保证了列车通信的可靠性。

Claims (8)

1.一种高速移动环境下车地通信多车载台协作小区切换方法，其步骤是：

A、列车前端和后端各安装一个车载台，分别为前端车载台和后端车载台；

B、车载台通过车厢宽带局域网与车载控制站相连，车载台的数据收发及信令交互过程由车载控制站集中控制；

C、控制站检测到车载台接收信号符合切换条件，触发车载台进行切换；如前端车载台切换成功时，后端车载台尚未触发切换，车载控制站通过前端车载台向基站为后端车载台预申请通信资源，当后端车载台被触发切换时，直接转变工作状态进入预申请的通信资源完成切换；如果前端车载台未完成切换时，后端车载台已触发切换过程，则后端车载台直接利用前端车载台已经获得的可用信息进行切换；

D、车载台完成切换后，则与新基站进行数据的收发。

2.根据权利要求1所述的一种高速移动环境下车地通信多车载台协作小区切换方法，其特征是：所述的前端车载台和后端车载台与基站间收发的数据相同。

3.根据权利要求1所述的一种高速移动环境下车地通信多车载台协作小区切换方法，其特征是：所述的车厢宽带局域网采用同轴电缆、双绞线、光纤或Wi-Fi方式构建而成。

4.根据权利要求1所述的一种高速移动环境下车地通信多车载台协作小区切换方法，其特征是：所述的C步操作中，前端车载台触发切换开始时，车载控制站还通过全球定位系统(GPS)或通过读取列车控制系统中的应答器信息来记录切换触发的位置；当后端车载台到此位置时还未触发切换，则车载控制器控制其触发切换；且当前端车载台顺利完成切换操作后，原基站延时释放资源的延时值大于列车长度与运行速度的比值。

5.根据权利要求1所述的一种高速移动环境下车地通信多车载台协作小区切换方法，其特征是：当前端车载台或后端车载台出现故障无法正常工作时，则车载控制站控制还在正常工作的车载台按单一车载台的小区切换及通信方法进行工作。

6.一种高速移动环境下车地通信多车载台协作小区切换方法，其特征是：

A、列车前端和后端各安装一个车载台，分别为前端车载台和后端车载台；

B、双车载台通过车厢宽带局域网与车载控制站相连，车载控制站控制前端车载台负责切换的信令交互，后端车载台负责数据收发及相关信令交互；

C、控制站检测到前端车载台的接收信号强度符合切换条件，触发前端车载台进行切换，与基站间执行切换的信令交互，向基站为后端车载台申请通信资源；同时车载控制站还通过全球定位系统(GPS)或通过读取列车控制系统中的应答器信息来记录切换触发的位置；当后端车载台运行至该位置时，直接使用前端车载台为其申请的通信资源实现小区间的切换，与新基站进行数据的收发。

7.根据权利要求6所述的一种高速移动环境下车地通信多车载台协作小区切换方法，其特征是：所述的车厢宽带局域网采用同轴电缆、双绞线、光纤或Wi-Fi方式构建而成。

8.根据权利要求6所述的一种高速移动环境下车地通信多车载台协作小区切换方法，其特征是：当前端车载台或后端车载台出现故障无法正常工作时，则车载控制站控制还在正常工作的车载台按单一车载台的小区切换及通信方法进行工作。

Images