CN102413520A

CN102413520A - 面向高速铁路的lte通信系统中的切换方法及系统

Info

Publication number: CN102413520A
Application number: CN2011102934163A
Authority: CN
Inventors: 李娟�; 田霖; 周一青; 石晶林
Original assignee: Institute of Computing Technology of CAS
Current assignee: Institute of Computing Technology of CAS
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2031-09-29
Also published as: CN102413520B

Abstract

本发明提供了面向高速铁路的LTE系统中的切换方法，源基站根据车载中继站发送的车头天线测量报告判断是否需要切换；若需切换，由车载中继站控制车头天线接入目标基站，同时车尾天线与源基站保持连接；当车尾天线满足切换条件时，由车载中继站根据车头天线在目标基站中申请的资源，控制车尾天线接入目标基站。该方法克服大量用户同时发生切换的问题，而且还通过在切换过程中采用双播机制来减少切换延迟，并保证切换时的服务质量。

Description

面向高速铁路的LTE通信系统中的切换方法及系统

技术领域

本发明属于列车无线通信技术领域，尤其涉及一种用于高速铁路的LTE通信系统中完成车内移动设备的切换的方法。

背景技术

随着高速铁路系统近年来在我国及其他亚洲国家的迅速发展，以及多媒体通信业务的增长，高速铁路中实时、大数据量、高传输速率的多媒体业务通信需求日益明显。因此对铁路无线通信系统的带宽、峰值速率等都提出更高要求。而传统的铁路专用全球无线通信系统GSM-R(GlobalSystem for Mobile Communications-Railway)仅可以提供简单文本、语音通信、列车控制信息通信，无法满足未来铁路通信的需求；而面向未来通信系统的LTE(Long Term Evolution)系统具有高达100Mbps的下行数据速率，支持语音和多媒体等多种业务，将成为未来铁路通信系统的基础，但现有的LTE系统在对高速铁路中的切换的支持等方面面临挑战。

LTE系统要求在120-350km/h下能够保持蜂窝网络的移动性。但由于铁路通信系统中的移动性(即切换过程)具有如下特性，现有LTE系统并不能对高速铁路系统中的切换过程提供良好支持：首先列车中大量处于连接状态的用户需要在几乎同时完成切换，而LTE同时仅支持200个处于激活状态的用户，列车中大量用户同时发生切换容易引起系统阻塞；其次，LTE系统在切换过程中，用户数据由源基站转发到目标基站，虽然可以保证数据无损，但产生了转发时延，而在列车通信系统中，列车控制信息和各种多媒体业务对服务质量(QoS)尤其是时延都有较高要求；此外列车的快速移动导致列车穿越小区时间缩短，切换频率提高，所允许的切换执行时间缩短。因此，研究LTE系统面向高速铁路的切换机制具有重要意义。

目前铁路通信系统主要采用GSM-R系统，为了解决高铁通信系统中的大量用户同时切换的问题，通常采用基于双层架构、双天线模型的切换机制，但并没有针对LTE系统的解决方案；专利申请(201010187154.8)设计了基于多车载台的切换方法，但无法直接用于LTE系统，需针对通信系统架构和特性进行方案、流程、信令等的设计。而且由于GSM-R系统仅支持语音和文本业务，基于GSM-R系统的铁路通信方案并没有考虑对多媒体业务的QoS保证。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供面向高速铁路的LTE系统中的切换方法，克服大量用户同时发生切换的问题、减少切换延迟，并保证切换时的服务质量。

一方面，本发明提供了一种面向高速铁路的LTE通信系统中的切换系统，所述系统包括车载中继站、源基站、目标基站、车头天线和车尾天线；其中，车头天线和车尾天线用于在车载中继站和基站之间建立连接以进行数据传输；车载中继站用于控制和管理列车内的用户设备的通信、控制车头天线和车尾天线，以及代替车厢内用户作为整体执行切换过程；源基站用于对车载中继站进行切换判决以及发起切换过程；目标基站用于对车载中继站进行接入控制。

上述切换系统中，还包括移动性管理实体和服务网关，用于共同负责在切换过程中以双播形式通过基站向车载中继站发送数据，所述双播是指将数据同时发送给源基站和目标基站。

另一方面，本发明提供了一种用于上述切换系统的切换方法，所述切换方法包括：

步骤1)源基站根据车载中继站发送的车头天线测量报告判断是否需要切换；

步骤2)若需切换，由车载中继站控制车头天线接入目标基站，同时车尾天线与源基站保持连接；

步骤3)车载中继站根据车尾天线测量报告判断车尾天线是否需要切换；

步骤4)若需切换，由车载中继站根据车头天线在目标基站中申请的资源，控制车尾天线接入目标基站。

上述切换方法中，所述步骤2)包括以下步骤：

21)若车头天线需要切换，由源基站选择目标基站并向其发送切换请求，所述切换请求中包含车载中继站所管理的列车内所有用户设备的信息；

22)目标基站收到切换请求后，进行接入控制；

23)如果允许接入，则生成切换命令并经由源基站将其转发给车载中继站；

24)车载中继站根据目标基站的切换命令设置车头天线的工作状态，断开车头天线与源基站的连接，建立车头天线与目标基站的连接。

上述切换方法中，所述步骤4)包括以下步骤：

41)车载中继站同时监测车头天线和车尾天线的通信质量，当车尾天线满足切换条件时，根据车头天线为车尾天线申请的资源配置车尾天线的工作状态，使车尾天线直接接入目标基站；

42)如果车头天线接入目标基站失败，则车载中继站发送车尾天线的测量报告，以及根据目标基站的切换命令设置车尾天线的工作状态，断开车尾天线与源基站的连接，建立车尾天线与目标基站的连接，并同时配置车头天线的工作状态使其接入目标基站。

上述切换方法中，所述步骤41)之后还包括以下步骤：

车载中继站发送切换完成消息，通知目标基站切换完成；

目标基站通知源基站切换完成，源基站释放为车载中继站及车内用户分配的资源。

上述切换方法中，所述步骤23)之前还包括以下步骤：

如果允许接入，则由目标基站向移动性管理实体和服务网关请求发起双播的步骤，所述双播是指在切换过程中将数据同时发送给源基站和目标基站。

上述切换方法中，所述由目标基站请求发起双播的步骤包括以下步骤：

目标基站允许车头天线接入后，向移动性管理实体发送双播请求；

移动性管理实体在收到双播请求后，向服务网关发送双播路径更新请求；

服务网关在收到双播路径更新请求后，为列车内的用户设备建立新的转发路径，更新用户面信息，生成数据的副本，同时将数据发送给源基站和目标基站；其中，源基站收到的数据将通过车尾天线接收，而目标基站将缓存所接收的数据，直到车头天线与目标基站建立连接为止；

当车头天线与目标基站建立连接时，目标基站根据实际接收情况将缓存数据和新接收数据发送给车头天线；车尾天线与源基站保持连接，负责数据通信。

上述切换方法中，还包括在车尾天线切换完成后，由目标基站请求结束双播的步骤。

上述切换方法中，所述由目标基站请求结束双播的步骤包括以下步骤：

目标基站向移动性管理实体发送路径转换消息；

移动性管理实体删除关于源基站、用户设备和车载中继站的信息并向服务网关发送双播路径更新消息；

服务网关将列车内用户设备对应的数据路径修改为目标基站的路径，停止生成数据的副本，将数据转发到目标基站。

上述切换方法中，步骤41)中所述车尾天线的切换条件为车尾天线接收源基站的信号质量低于车载中继站所保存的在车头天线触发切换时该车头天线接收到的源基站的信号质量。

上述切换方法中，所述车载中继站在列车处于正常的通信状态时仅监测车头天线的信号质量，当列车处于切换状态时监测车头天线和车尾天线的信号质量，车头天线的信号质量被包含在测量报告中发送给源基站，而车尾天线的信号质量由车载中继站保存并管理；所述列车的正常通信状态是指车头天线和车尾天线均属于当前服务小区，所述列车的切换状态是指车头天线和车尾天线处于不同的服务小区。

上述切换方法中，所述车载中继站采用多天线收发系统中的数据收发技术来处理车头天线和车尾天线接收到的数据。

上述切换方法中，所述车载中继站将车头天线和车尾天线接收到的数据分别解码并存储在不同的数据存储单元，然后车载中继站选择具有较好的信道状态指示消息的天线，读取从该天线接收的数据。

上述切换方法中，当列车处于切换状态，车头天线与源基站连接中断且未完成与目标基站的连接建立时，车载中继站仅处理车尾天线接收到的数据。

上述切换方法中，所述测量报告包括被测对象的标识，本服务小区的测量结果和相邻小区的测量结果；所述被测对象的标识是车载中继站的标识。

上述切换方法中，所述切换请求包括切换原因、网络信息、车载中继站信息、该车载中继站所管理的所有用户设备的信息和车载中继站的历史信息；所述车载中继站信息包括车载中继站的标识符和该车载中继站管理的列车内的用户设备的数量，所述每个用户设备的信息包括用户设备的标识符和该用户设备的上下文信息，所述车载中继站的历史信息记录车载中继站的漫游路径。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

在面向高速铁路环境的LTE通信系统中，采用车载中继站控制车头天线和车尾天线进行切换，克服了大量用户同时发生切换的问题。而且在切换过程中采用数据双播机制，避免引入转发时延，保证切换时服务质量，提高了高速铁路环境下的切换性能。此外，其建立在LTE标准协议的基础上，充分利用已有网络实体，易于实现。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1为根据本发明实施例的面向高速铁路的LTE通信系统的应用环境的示意图；

图2为根据本发明实施例的用于面向高速铁路的LTE通信系统中的切换系统的架构示意图；

图3为根据本发明实施例的用于面向高速铁路的LTE通信系统中的切换方法的流程示意图；

图4为根据本发明实施例的列车通信状态转换示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是根据本发明实施例的面向高速铁路的LTE系统的应用环境示意图。其中，在车内设置车载中继站(Train Relay Station，TRS)，形成车内终端到TRS，再由TRS到路面基站的双层架构的通信系统，由TRS代替大量用户发起切换，避免同时产生大量切换信令导致网络拥塞。在列车车头和车尾分别设置天线，负责数据的收发，而且在切换过程中，车头天线和车尾天线分别负责切入目标基站的过程和与源基站保持通信的过程，双天线单元可以互相备份，从而保证始终有至少一条通信链路处于连接状态，保证了通信的持续性；同时增加了切换机会，提高切换成功率，有效降低了切换时用户掉话的概率。

图2是根据本发明的一个实施例用于面向高速铁路的LTE系统中的切换系统的架构示意图。该系统包括车载中继站TRS、源基站(SourceeNodeB，S-eNB)、目标基站(Target eNodeB，T-eNB)、移动性管理实体(Mobility Management Entity，MME)和服务网关(Serving Gateway，S-GW)。

其中，针对在列车通信中大量用户同时需要切换的特点而采用TRS，TRS用于对列车内的用户进行通信控制和管理，通过在下文所讨论的用于面向高速铁路的LTE系统通信信令，TRS代替列车内大量用户作为一个整体执行切换过程。相对于列车内用户，TRS具有基站的数据收发功能；相对于路面沿线基站，TRS相当于普通移动节点。另外，TRS能够控制双天线执行通信和切换功能。源基站S-eNB是用户当前所在服务小区的控制节点，负责一个小区中所有移动终端的通信，包括资源分配等，其与标准LTE中的S-eNB实体相同。目标基站T-eNB是用户发生切换时新选择的目标服务小区，其与标准LTE中的T-eNB实体相同。移动性管理实体MME负责处理接入网和核心网之间的信令交互的控制节点，包括承载管理、连接管理等。网关S-GW主要负责发送用户IP数据包，负责数据承载的用户面管理。MME和S-GW需要提供对下文所讨论的双播机制的支持，对标准LTE中的MME/S-GW实体进行了功能扩充。

图3描述了用于面向高速铁路的LTE系统的切换方法的一个实施例的流程示意图。该切换方法包括以下步骤：1)TRS根据LTE系统规定的测量报告规则，将对车头天线信号的测量结果作为测量报告发送给源基站；2)源基站进行切换判决，若需要切换，则源基站选择目标基站，并发送切换请求消息，消息中包含TRS、列车内用户设备UE的相关信息以及车头天线和车尾天线所需要的资源；3)目标基站进行接入控制，若允许接入，则向MME/SGW发送双播请求消息；4)MME/SGW为列车内的用户设备UE建立新的转发路径，更新用户面信息，生成数据的副本，同时发送给源基站和目标基站；并向目标基站发送双播请求确认消息；5)目标基站收到双播请求确认后，生成包含无线资源控制RRC(Radio ResourceControl)消息的切换命令，由源基站将其转发给TRS；同时目标基站将收到的数据放入缓存；6)TRS保存车头天线触发切换时的状态信息；根据切换命令设置车头天线的工作状态，断开车头天线与源基站的链接，建立车头天线与目标基站的连接；当车头天线接入目标基站后，目标基站将缓存区的数据中TRS未成功接收的数据通过车头天线发送，并将缓存区中的其余数据丢弃，将新接收到的数据正常发送；车尾天线与源基站保持连接，负责数据通信；7)TRS同时监测车头天线和车尾天线的通信质量，当车尾天线满足切换条件时，根据车头天线为车尾天线申请的资源配置车尾天线的工作状态，使车尾天线直接接入目标小区；8)车载中继站通知目标基站切换完成；目标基站请求结束双播；目标基站通知源基站切换完成，源基站释放为TRS及车内用户分配的资源。应指出，若车头天线接入目标小区失败，则TRS根据车尾天线的配置，设置车头天线的工作状态，使其快速接入源服务基站，并重新上报测量结果、执行切换过程；若车头天线或车尾天线出现故障，则按照标准LTE切换流程执行。

可见，该切换方法通过TRS集中控制车内所有UE，统一发送切换请求等信令，减少了系统信令开销，避免了系统拥塞导致的切换时间过长、切换失败等问题。而且，该切换方法在现有LTE系统中加入了双播机制，双播机制是指在切换过程中由MME/S-GW将用户数据复制后同时发送给源基站和目标基站，从而使目标基站和源基站同时分别与车头天线和车尾天线进行数据通信，避免了切换过程中的通信中断。而现有LTE系统中采用数据转发方式，即在切换过程中由源基站将来自MME/S-GW的数据转发给目标基站。二者相对比可看出双播机制节省了数据转发的时间，在达到了数据转发目的的同时又避免了数据转发方式带来的转发时延，有利于保证实时业务的QoS，也充分利用了双天线切换的优势。

现参考图3，更具体地，对于连接状态的TRS，源基站S-eNB已经从连接建立时或上一次跟踪区TA(Tracking Area)更新时获得TRS所管理的列车内UE的上下文信息，其中包含漫游限制等。源基站根据漫游限制配置TRS的测量过程。TRS根据系统规定的测量报告规则，将车头天线的测量结果上报给源基站。因为在双天线模型的切换过程中，车头天线信号的变化始终提前于车尾天线。根据车头天线信号的测量结果来进行切换判决，在一定程度上能够提前触发切换。源基站根据测量报告及无线资源管理RRM(Radio Resource Management)信息决定TRS是否进行切换。当源基站决定TRS控制的车头天线需要切换时，源基站根据列车运行方向，在2个相邻小区中选择目标基站，向目标基站发送切换请求消息，消息中包含TRS、列车内UE的相关信息以及车头天线和车尾天线所需要的资源。目标基站T-eNB可以根据收到切换请求消息中包含的E-RAB(Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network Radio Access Bearer，演进的通用地面无线接入网无线接入承载)QoS信息执行接入控制。目标基站T-eNB为切入的TRS及所辖移动设备UE分配好资源后，向MME发出“双播请求”消息，其中将包括列车内所有激活用户的ID及其他信息。MME根据所请求的资源、UE上下文信息及RRM信息等，向S-GW发出增加双播路径类型的“双播路径更新”消息。S-GW根据收到的请求，修改每个用户的无线接入承载RAB(Radio Access Bearer)等信息，为列车内的UE建立新的转发路径，更新用户面信息，生成数据的副本，分别发送给源基站和目标基站；源基站收到的数据将通过车尾天线接收，而目标基站将丢掉所接收的数据，直到车头天线完成与目标小区的连接建立。S-GW向MME发送“双播路径更新确认”消息，标识用户面更新完成，已经进入双播模式。MME向目标基站发送“双播请求确认”，确认目标基站发出的双播请求。目标基站收到双播请求确认后，生成包含RRC消息的切换命令，发送给源基站；在车头天线接入到目标基站之前，目标基站将收到的数据放入缓存区。源基站转发来自目标基站的切换命令中包含的“RRC连接重配置”消息给TRS，与LTE中的对应步骤相同。TRS收到RRC消息后，设置车头天线的工作状态，断开车头天线与源基站的连接，控制车头天线完成与目标基站的同步和随机接入。车尾天线仍与源基站保持连接，完成数据收发。目标基站对车头天线的同步进行响应，包括上行分配和定时提前。车头天线成功接入目标基站之后，车载中继站发送“RRC连接重配置确认”消息，并建立车头天线与目标基站的连接。目标基站将缓存区的数据中TRS未成功接收的数据通过车头天线发送，并将缓存区中的其余数据丢弃，将新接收到的数据正常发送。同时源基站仍与车尾天线进行数据收发。TRS将车头天线的测量结果上报给服务基站；并根据车尾天线的测量结果判断是否触发车尾天线的切换。当车尾天线满足切换条件时，根据车头天线为车尾天线申请的资源配置车尾天线的工作状态，使车尾天线直接接入目标小区；同时向目标基站发送切换完成消息，表明车头天线和车尾天线均已接入目标小区，列车内用户的切换已经完成；目标基站向MME发送路径转换消息，并请求停止双播。MME将源基站与列车内UE、TRS相关的信息删除，并向S-GW发出双播路径删除类型的“双播路径更新”消息，请求停止双播。S-GW将列车内用户对应的数据路径修改为目标基站的路径，删除双播路径，同时停止生成用户数据的副本。用户数据通过S-GW转发到目标基站。S-GW生成“双播路径更新确认”消息，并发送给MME。MME向目标基站发送“路径转换确认”消息，通知双播过程已经结束，路径转换已经完成。目标基站向源基站发送“资源释放”消息，通知源基站切换完成。源基站一旦接收到资源释放消息，则释放源基站为TRS和列车内UE的上下文分配的无线资源和控制面资源。

在上文所讨论的具体实施例中所用到的信令是针对TRS代替大量用户发起切换的特性，以及双天线先后发生切换的过程、切换过程中的数据双播机制，在LTE原有信令基础上增改产生的。表1至表8具体描述了增加或修改的消息及其字段，但其内容、顺序不限于此。所述信令包括：测量报告，切换请求和切换请求确认，双播请求和确认，切换完成，路径转换和确认，双播路径更新请求和确认。其中测量报告和切换请求和确认消息，针对TRS代替车内大量用户执行切换过程的特点，对现有LTE系统中的信令相关字段进行了修改。双播请求和确认消息、路径转换请求和确认消息、双播路径更新请求和确认、切换完成，针对上文所讨论的车头天线和车尾天线共同完成切换过程所引入的双播机制进行了设计和修改。下面详细讨论这些信令：

在切换过程中，TRS代替列车内的UE，统一进行测量结果的上报。测量报告消息与标准的LTE测量报告消息类似，包括MeasID和measResultServCell、measResultNeighCell字段。其中MeasID表示被测量对象的ID，在标准LTE中用UE的ID表示，在上述实施例中修改为TRS的ID。表1示出了测量报告消息：

表1

字段	说明
		MeasID	被测对象的标识(在本发明中用TRS的ID表示)
measResultServCell	在本服务小区的测量结果，与LTE相同
		measResultNeighCell	相邻小区的测量结果，与LTE相同

与传统场景的切换相比，在本发明的上述实施例提供的系统中的切换最大区别之一是列车内所有激活用户通过TRS同时完成切换。因此切换请求和切换确认消息所包含的字段与LTE标准相同，但部分字段中需要包含所有用户的信息。如UE上下文信息字段中，包含UE在源基站中的X2信令上下文参考信息，UE S1EPC(Evolved Packet Core)信令上下文参考信息，目标小区的标识，E-RAB(E-UTRAN Radio Access Bearer)内容以及源小区的物理层ID等。每个UE的上下文信息与LTE中相同，区别在于LTE的切换信令中仅包含单个用户的上下文，而本发明中的切换信令包含TRS所管理的列车内所有UE的上下文。表2示出了切换请求消息：。

表2

切换请求确认信令中包含可以由源基站直接转发给TRS的RRC消息。其中包括预留的C-RNTI，目标基站的安全算法，RACH，以及其他参数，如接入参数、SIB等，必要时还可以包括用于数据包发送的RNL/TNL信息。与标准LTE消息的区别在于E-RAB列表。标准LTE中的E-RAB列表是为单个UE提供的E-RAB列表，而本发明中需要将每个UE的E-RAB列表构成一个元素，并在原来的E-RAB字段包含所有UE的该元素。每个UE的E-RAB消息元素如表3所示：

表3

字段	说明
		UE标识	列车内UE的ID
E-RAB信息	与标准LTE信令中，单个UE切换时，目标基站所
			能提供的E-RAB列表相同。

为了保证切换过程中列车内的用户始终保持连接状态，在本发明的上述实施例中在标准LTE流程中引入了双播机制，相应的增加了双播请求和双播请求确认消息。双播请求消息中需要包含TRS的信息，TRS所对应的列车内UE的信息(主要包括该UE所需要的数据速率，和目标基站可以为该UE提供的E-RAB)。MME/S-GW收到该消息后，将目标基站信息添加到每个UE的转发地址中，并将用户数据复制一份，发送给目标基站。双播请求确认消息与双播请求消息对应。表4示出了双播请求消息，表5示出了双播请求消息中的UE信息：

表4

表5

在LTE标准协议中，UE执行切换过程中，完成与目标基站的上行同步、RRC连接重配置确认等，标识UE端切换过程完成。而在本发明中，车头天线切换过程与标准LTE切换类似，而车尾天线的切换由TRS控制直接根据车头天线所申请的资源接入到目标小区，因此需要在车尾天线切换结束后由TRS向目标基站发送“切换完成”消息，如表6所示。

表6

在LTE标准协议的切换过程中，当用户接入目标小区之后，目标基站需要向核心网发起路径转换请求，MME负责会话控制，S-GW负责完成用户平面的切换。而本发明的上述实施例中，由于引入了双播机制，只有当TRS控制车尾天线完成切换并向目标基站发出切换完成消息时，目标基站才向MME/S-GW发出路径转换请求，并标志双播过程的结束。此外，该消息与标准的LTE路径转换请求消息的区别还在于切换对象由单个UE变为由TRS统一管理的多个UE。路径转换请求消息如表7所示。路径转换请求确认消息与此对应。

表7

在本发明设计的双播机制中，目标基站向MME发起双播请求、路径转换请求，分别标志双播的开始和结束。MME根据收到的消息，向S-GW发送添加路径或者删除路径类型的双播路径更新消息，添加路径或删除路径的功能通过消息类型字段标识。此外，该消息与标准的LTE路径转换请求消息的区别还在于切换对象由单个UE变为由TRS统一管理的多个UE。双播路径更新请求消息如表8所示。双播路径更新请求确认消息与此对应。

表8

在整个切换过程中，主要依赖于TRS对车头车尾天线的控制。TRS同时检测车头天线和车尾天线信号质量，根据信号质量的不同而进入不同状态，采取不同措施，结合附图4做详细说明。当车头天线和车尾天线接收信号电平均高于系统所允许的最低接收电平时，则记录TRS为“正常通信”状态，选择车头天线测量结果为上报对象；当车头天线满足切换条件，而车尾天线仍处于正常通信状态，则记录TRS为“车头天线切换”状态，仍选择车头天线测量结果为上报对象，并等待接收切换命令；当车头天线满足正常通信条件，而车尾天线满足切换条件时，则说明车头天线已经成功切换，而车尾天线仍处于源小区，记录TRS为“车头天线接入完成”状态；TRS根据车头天线申请的资源配置车尾天线，完成车尾天线的切换，进入“切换完成”状态；此时车头天线和车尾天线均处于目标小区中，重新进入“正常通信”状态。若当TRS处于车头天线切换状态，而车尾天线和车头天线同时满足切换条件，则说明车头天线切换失败，进入“车尾天线切换”状态，TRS控制车尾天线代替车头天线按照流程发起切换；当车尾天线按照切换流程完成在目标基站中的同步和上行接入等，则TRS仍进入“切换完成”状态。

根据切换流程，TRS负责将测量结果上报给源基站。一个实施例是，TRS同时监测车头天线和车尾天线的测量结果，并当TRS处于正常通信状态时，选择较差的测量结果上报给源基站；而在其他状态，则选择处于连接状态的天线的测量结果上报给源基站。另一个实施例是，考虑到车头天线始终比车尾天线提前进入切换状态，除在“车尾天线切换”状态车头天线切换失败时，TRS将车尾天线测量报告上报给源基站，其他状态TRS均将车头天线的测量结果上报给源基站。

车头天线的切换触发主要是根据测量报告由源基站来判断，如判断目标基站的接收信号强度是否以一定阈值(例如，0-5dB)超过源基站的信号接收强度；当车头天线满足切换条件时，首先发起车头天线的切换，车尾天线仍与源基站保持连接状态。

而车尾天线的切换触发有两种情况：A)车头天线切换成功，车尾天线满足切换条件，即“车头天线接入完成”状态下；B)车头天线切换失败，车尾天线满足切换条件，即“车尾天线切换”状态下。在“车头天线接入完成”状态下，在一个实施例中，当车头天线触发切换时，TRS记录该时刻车头天线接收到的源基站的信号质量；当TRS开始监测车尾天线，且车尾天线接收源基站的信号质量低于TRS记录的值时，车尾天线的切换被触发；在又一个实施例中，当车头切换完成(发送RRC连接重配置完成消息)后，则TRS立即根据车头天线在目标基站中申请的资源，配置车尾天线的工作状态，完成车尾天线的切换。在“车尾天线切换”状态下，TRS选择车尾天线测量报告上报给源基站，车尾天线代替车头天线按照LTE标准流程发起切换。

切换触发之后，TRS需要进入切换执行阶段，即通过一系列配置完成车头天线和车尾天线接入目标小区的过程。在一个实施例中，当TRS在“车头天线切换”状态，TRS接收到源基站发送的RRC连接重配置消息后，首先根据RRC连接重配置消息中包含的目标基站分配的资源调整车头天线的工作频率，完成车头天线与网络的同步，并向目标基站发送RRC连接重建立完成消息。当TRS处于“车头天线接入完成”状态时，TRS判断车尾天线已经满足切换触发条件，则TRS根据车头天线在目标基站申请的资源，修改车尾天线的工作状态与车头天线相同，包括上行接入信道、时间提前量、所分配的无线资源等，进入“切换完成”状态；当TRS处于“车尾天线切换”状态时，TRS控制车尾天线代替车头天线，进行车尾天线测量结果的上报，由源基站进行切换判决，直到收到RRC连接重配置消息，TRS根据该消息配置车尾天线，完成与目标基站的同步等，并同时配置车头天线的工作状态，进入“切换完成”状态；当TRS处于“切换完成”状态时，TRS向目标基站发送“切换完成”消息，通知目标基站车头和车尾天线均已完成切换。

此外，本发明采用双天线模式，通过TRS对双天线接收数据的处理，可以提高切换过程中和正常通信过程中的通信质量。当列车处于正常通信状态时，TRS综合处理车头天线和车尾天线接收到的数据，获得多天线增益，提高数据接收质量；当列车处于“车头天线接入完成”状态，即车头天线和车尾天线分别与目标基站和源基站通信时，TRS与正常通信状态的处理方式相同；当列车仅有单根天线处于连接状态时，即车头天线与源基站连接中断、且未完成与目标基站的连接建立时，或处于“车尾切换状态”，车头天线切换失败时，TRS仅处理车尾天线接收到的数据。对车头天线和车尾天线接收数据的处理方式有多种。一个实施例中，将车头天线和车尾天线按照多天线收发(multiple-input and multiple-output，MIMO)系统中的数据收发技术进行处理，当车头天线处于中断状态时接收不到数据，并不会影响TRS的处理过程。在又一个实施例中，将车头天线和车尾天线接收到的数据分别解码，存储在不同的数据存储单元，TRS选择具有较好的信道状态指示消息CSI的天线，读取该天线接收的数据；当车头天线中断连接时，TRS仅读取车尾天线对应的数据存储单元。数据的发送过程与接收过程对应。

综上所述，本发明以LTE通信系统为基础，设计适用于高速铁路的通信环境的切换机制和实现方案。通过上述本发明具体实施例的双层双链路架构，为高速列车中移动用户提供通信服务的必需机制，支持列车运行环境中的通信，可以使得列车内用户作为整体发生切换，同时保证在切换过程中仍然处于通信连接状态，提高切换成功率，解决了高速列车运行过程中由于切换引起的频繁掉话等问题；同时采用双播机制，尽可能避免切换引起的数据时延、丢包等状况，提高通信质量和用户体验；此外双天线模式还可以提高通信质量，解决高铁环境中、信号质量差等问题。而且，本发明建立在LTE标准协议的基础上，充分利用已有网络实体，易于实现，为未来基于LTE系统的高速铁路通信提供参考。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims

1.一种面向高速铁路的LTE通信系统中的切换系统，所述系统包括车载中继站、源基站、目标基站、车头天线和车尾天线；

所述车头天线和车尾天线用于在车载中继站和基站之间建立连接以进行数据传输；

所述车载中继站用于控制和管理列车内的用户设备的通信、控制车头天线和车尾天线，以及代替车厢内用户作为整体执行切换过程；

所述源基站用于对车载中继站进行切换判决以及发起切换过程；

所述目标基站用于对车载中继站进行接入控制。

2.根据权利要求1所述的切换系统，还包括移动性管理实体和服务网关，用于共同负责在切换过程中以双播形式通过基站向车载中继站发送数据，所述双播是指将数据同时发送给源基站和目标基站。

3.一种用于如权利要求1或2所述的切换系统的切换方法，所述切换方法包括：

4.根据权利要求3所述的切换方法，所述步骤2)包括以下步骤：

22)目标基站收到切换请求后，进行接入控制；

5.根据权利要求3所述的切换方法，所述步骤4)包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的切换方法，所述步骤41)之后还包括以下步骤：

车载中继站发送切换完成消息，通知目标基站切换完成；

7.根据权利要求4所述的切换方法，所述步骤23)之前还包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的切换方法，所述由目标基站请求发起双播的步骤包括以下步骤：

9.根据权利要求7所述的切换方法，还包括在车尾天线切换完成后，由目标基站请求结束双播的步骤。

10.根据权利要求9所述的切换方法，所述由目标基站请求结束双播的步骤包括以下步骤：

目标基站向移动性管理实体发送路径转换消息；

11.根据权利要求5所述的切换方法，步骤41)中所述车尾天线的切换条件为车尾天线接收源基站的信号质量低于车载中继站所保存的在车头天线触发切换时该车头天线接收到的源基站的信号质量。

12.根据权利要求5所述的切换方法，所述车载中继站在列车处于正常的通信状态时仅监测车头天线的信号质量，当列车处于切换状态时监测车头天线和车尾天线的信号质量，车头天线的信号质量被包含在测量报告中发送给源基站，而车尾天线的信号质量由车载中继站保存并管理；所述列车的正常通信状态是指车头天线和车尾天线均属于当前服务小区，所述列车的切换状态是指车头天线和车尾天线处于不同的服务小区。

13.根据权利要求12所述的切换方法，所述车载中继站采用多天线收发系统中的数据收发技术来处理车头天线和车尾天线接收到的数据。

14.根据权利要求12所述的切换方法，所述车载中继站将车头天线和车尾天线接收到的数据分别解码并存储在不同的数据存储单元，然后车载中继站选择具有较好的信道状态指示消息的天线，读取从该天线接收的数据。

15.根据权利要求12所述的切换方法，当列车处于切换状态，车头天线与源基站连接中断且未完成与目标基站的连接建立时，车载中继站仅处理车尾天线接收到的数据。

16.根据权利要求3所述的切换方法，其中所述测量报告包括被测对象的标识，本服务小区的测量结果和相邻小区的测量结果；所述被测对象的标识是车载中继站的标识。

17.根据权利要求4所述的切换方法，其中所述切换请求包括切换原因、网络信息、车载中继站信息、该车载中继站所管理的所有用户设备的信息和车载中继站的历史信息；所述车载中继站信息包括车载中继站的标识符和该车载中继站管理的列车内的用户设备的数量，所述每个用户设备的信息包括用户设备的标识符和该用户设备的上下文信息，所述车载中继站的历史信息记录车载中继站的漫游路径。

18.根据权利要求6所述的切换方法，所述切换完成消息包括车载中继站标识符和目标基站信息；所述目标基站信息包括目标基站标识符和目标基站与车载中继站的接口信息。

19.根据权利要求8所述的切换方法，所述双播请求消息包括车载中继站标识符、目标基站标识符，车载中继站所管理列车内的所有用户设备的信息，所述每个用户设备的信息包括用户设备的标识符、该用户设备所需要的最小数据速率、所述目标基站能给该用户设备提供的E-RAB列表。

20.根据权利要求8所述的切换方法，所述双播路径更新消息包括消息类型、车载中继站的标识符、用户设备信息、S1接口标识、网络信息，所述消息类型标志该消息为双播路径添加或删除消息，如果为双播路径添加消息，则所述用户设备信息包括目标基站为车载中继站所管理的所有用户设备提供的E-RAB信息；如果为双播路径删除消息，则包含源基站为车载中继站所辖的所有用户设备提供的E-RAB信息每个用户设备对应的E-RAB消息；每个用户设备的E-RAB信息包括该用户设备的标识符和目标基站能为该用户设备提供的E-RAB列表，所述S1接口标识用于标识在移动性管理实体和在源基站上与车载中继站通信的S1接口。

21.根据权利要求10所述的切换方法，其中所述路径转换消息包括车载中继站的标识符、用户设备信息、S1接口标识、网络信息，所述用户设备信息包括目标基站为车载中继站所管理的所有用户设备提供的E-RAB信息，每个用户设备的E-RAB信息包括该用户设备的标识符和目标基站能为该用户设备提供的E-RAB列表，所述S1接口标识用于标识在移动性管理实体和在源基站上与车载中继站通信的S1接口。