CN102711199B - 一种gsm-r网络中双天线越区切换系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GSM-R网络中双天线越区切换系统及其方法，该系统包括首天线，其上设置有用户识别码；尾天线，其上设置有用户识别码；控制器，其用于控制所示首天线、尾天线的接收信号、发送信号以及进行功能的切换。本发明的GSM-R网络中双天线越区切换系统及其方法通过信道调整、首尾天线协同配合，实现GSM-R网络无缝越区切换，并大大提升高速环境下的通信质量，且相对于单天线切换过程，发送测量报告的时间缩短，发送频率高。

Description

一种GSM-R网络中双天线越区切换系统及其方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体地，涉及一种GSM-R网络中双天线越区切换系统及其方法。

背景技术

由于高速铁路关系到人民的生命和财产安全，随着高速铁路的快速发展以及高速铁路移动通信系统的推广应用，针对高速铁路系统的安全性的研究是高速铁路研究领域内的一个重点课题。而作为整个高速铁路信息化系统中的无线通信系统GSM-R，由于其无线传输的不确定性，GSM-R系统的安全性能引起了众多研究者的兴趣。

GSM-R系统中的越区切换是指从当前正在进行的通话或者数据传输信道转移到新的信道上的过程。在高速铁路系统中，越区切换是GSM-R移动性管理中的关键技术，它是保障高速列车车地不间断通信的基础。越区切换算法的研究是GSM-R优化中的一个重要内容。根据统计资料表明，由越区切换引起的掉话占整个系统掉话的40％左右。因此对越区切换性能的改进具有重要的意义。

目前，国内外已经有学者致力于GSM-R越区切换技术的研究，并对切换算法及过程提出了很多优化方案。在这些研究工作中都利用了GSM-R网络中的一些特性来进行越区切换算法的优化设计。李晔在其博士论文“GSM-R系统时间分布模型及切换决策算法研究”中利用GSM-R网络中列车运行方向的唯一性，提出了一种带随机方向锁定的切换决策算法。此算法鼓励切换决策朝向列车运行的方向，并采用遗传算法对一种基于公网的自适应切换决策算法的参数进行优化，使其适用于GSM-R系统，其中被优化的参数对列车速度敏感。吴昊等在“一种应用于高速铁路的GSM-R快速切换算法研究”一文中提出了一种基于切换点统计学习的适用于 高速铁路环境的新型快速切换算法，提高了高速环境下MSC间越区切换的成功概率。但是，该算法的前提条件十分苛刻，如列车须安装GPS系统，需要对列车进行切换的地点进行大量的测量统计并要求进行定期更新。另外，现有技术中还有不少工作基于目标小区指定法以及专家系统或者模糊系统等方法来改善GSM-R系统中越区切换的性能。

然而，现有的针对GMS-R网络中越区切换的研究工作都考虑了GSM-R网络的特殊性，如运行方向的唯一性、运行轨迹的固定性、运行高速性以及网络覆盖的特殊性等，实现的都是硬切换，也就是都存在越区切换中断问题。而随着高速铁路速度的不断提升，对通信系统的要求更加苛刻，而在越区切换造成的通信中断时间内，列车运行的距离不断变长，因此越区切换过程中存在的通信中断问题是高速铁路中一个重要的安全隐患。现有技术仅仅通过对GSM-R运行环境如运行方向的唯一性、运行轨迹的固定性、运行高速性以及网络覆盖的特殊性等的充分利用来进行越区切换性能的改善，并没有利用作为移动通信节点的列车本身的特点，如列车长度较普通通信节点大得多。如何充分利用这个特点来实现接收信号的空间分集特性，并引入双天线来实现软切换，以减少越区切换中断时间来提高GSM-R系统的安全性，将是一个重要的课题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种GSM-R网络中双天线越区切换系统及其方法，其通过信道调整和首尾天线协同配合，有效的实现了GSM-R网络无缝越区切换。

为实现上述目的，本发明提供了一种GSM-R网络中双天线越区切换系统，其包括

首天线，其上设置有用户识别码；

尾天线，其上设置有用户识别码；

控制器，其用于控制所示首天线、尾天线的接收信号、发送信号以及进行功能的切换，

其中，所述GSM-R网络采用全业务信道和混合信道两种信道；

所述全业务信道仅负责传输数据，其上不包括SACCH信道；所述混合信道同时具有传输数据和切换的功能，所述混合信道中SACCH信道数量大于1。

如上述的GSM-R网络中双天线越区切换方法，其中，所述首天线的用户识别码和尾天线的用户识别码相互关联。

如上述的GSM-R网络中双天线越区切换方法，其中，所述全业务信道和混合信道均采用26帧的复帧结构。

如上述的GSM-R网络中双天线越区切换方法，其中，所述GSM-R网络控制中心的访问位置寄存器VLR用于通过所述首天线的用户识别码和尾天线的用户识别码辨识出所述首天线和尾天线。

同时，本发明还提供一种如上述的GSM-R网络中双天线越区切换系统的切换方法，其包括以下步骤：

所述首天线接入混合信道，负责传输测量报告，而其业务信道暂时空闲；所述尾天线接入全业务信道，负责传输数据信息；

当列车行驶进入两个小区交界区域时，所述首天线发送的测量报告将在基站侧触发切换过程，所述首天线进行信道切换；在激活信道的过程中，基站将在新小区准备2个全业务信道和1个混合信道；所述首天线释放与原小区连接的混合信道，接入新小区的全业务信道；同时，所述尾天线仍处于原小区内，并保持通信；

当所述首天线完成切换后，基站收到所述首天线的切换和释放完成信令，开始所述尾天线的信道切换；所述尾天线直接接入新小区的混合信道，释放原小区的全业务信道；这段时间内由所述首天线负责传输数据业务；

接入新小区后，所述尾天线所在的混合信道向基站发送测量报告，基站判断接收电平和功率适于进行通信后，再一次触发所述尾天线切换信道，使其切换到全业务信道；

所述尾天线接入全业务信道后，基站将所述首天线调整到混合信道上，使得所述尾天线恢复传输数据信息的功能，所述首天线重新负责发送测量报告，列车至此完成一个周期的双天线切换。

如上述的GSM-R网络中双天线越区切换系统的切换方法，其中，在所述尾天线的切换过程中，所述尾天线不需进行测量过程和触发过程，且其转向的信道被提前激活。

相对于现有技术，本发明的GSM-R网络中双天线越区切换方法具有以下有益的技术效果：

(1)本发明的GSM-R网络双天线越区切换算法中，对首天线的切换，由于测量报告发送更频繁，预处理时间缩减，故其切换判决准确性提高，有效减少了乒乓切换次数，同时切换过程较单天线切换而言时延减少约2秒，且接入新小区后可立即用于通信；对尾天线的切换，由于无需进行测量过程和触发过程，且信道被提前激活，所以其切换非常迅速，只需1秒左右即可完成。根据列车长度和行驶速度可以估计，首尾天线到达切换位置的时间差约2秒，结合上述结论可以看出，利用本发明的切换算法可以保证在首尾天线切换过程中，保证有一个天线可以用于通信，这样就实现了无缝切换；在首尾天线接入新小区后，由于尾天线仍处于小区边界处，通信质量较差，故在接入混合信道后可以发送测量报告，由基站判断其接收电平和功率是否适于进行通信。一旦判决条件成立，触发新一轮切换。这一过程保证了首尾天线连接信道的复位，且仍旧保证有一个天线用于切换。

(2)由于整个越区切换过程包含两种测量报告，一个是首天线发送的，另一个是尾天线发送的，基站可以根据首尾天线的用户识别码辨识两种测量报告的判决条件，从而执行不同的切换。对于首天线发送的测量报告，基站将判决是否触发从原小区到新小区的切换；对于尾天线则判决是否由混合信道切换到全业务信道。

(3)双天线越区切换过程中，信令更为繁琐，基站需进行更多的判断，同时新小区需为双天线准备3个空闲信道以保证切换的顺利进行，这些因素都会在一定程度上增加切换时延。但是，从无缝切换的角度来讲，双天线切换算法可大大提升高速环境下的通信质量。

(4)相比传统的单天线切换算法，双大线切换算法调整逻辑信道后，发送测量报告的时间缩短，发送频率高；单天线切换过程属于硬切换，而双天线实现了GSM-R网络的无缝切换。

附图说明

图1是本发明的GSM-R网络中双天线越区切换系统的结构示意图；

图2是现有技术中GSM-R网络单天线越区切换系统中业务信道复帧结构示意图；

图3是本发明的GSM-R网络中双天线越区切换系统中全业务信道复帧结构示意图；

图4是本发明的GSM-R网络中双天线越区切换系统中混合业务信道复帧结构示意图；

图5是本发明的双天线切换过程-1的示意图；

图6是本发明的双天线切换过程-2的示意图；

图7是本发明的双天线切换过程-3的示意图；

图8是本发明的双天线切换过程-4的示意图；

图9是本发明的双天线切换过程-5的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

如图1所示，本发明的GSM-R网络中双天线越区切换系统由位于车首的首天线101、位于车尾的尾天线102和两根天线的控制器103组成，其中，首天线101和尾天线102分别设置有不同的用户识别码以进行区分，控制器103用来控制两根天线接收信号、发送信号以及进行功能的切换。具体地，控制器103根据接收到的信号强度判断所处的位置，在不同的位置处，首尾天线采用不同的复帧信道模型，协同实现越区切换过程。

在传统的单天线切换过程中，业务信道不仅用于传输数据信息，还有特定的SACCH信道负责发送测量报告，在切换执行过程中，快速随路控制信道FACCH(Fast Associated Control Channel)会被安插在业务信道上传输必要的信令。如图2所示，其中T表示业务信道，A表示慢速随路控制信道SACCH(Slow Associated  Control Channel)，I表示IDLE状态。当GSM-R使用约120ms的26帧的复帧结构时，在26帧的复帧中，除了第13帧为SACCH信道，负责发送测量报告，其余帧均负责传输数据。由于完整处理一份测量报告需要4个SACCH帧，因此需要480ms才能生成一份完整的测量报告。另外，在单天线越区切换过程中，业务信道既负责通信也负责切换，从而导致判决处理时间较长以及切换过程中业务通信短暂中断。

在本发明的GSM-R网络中双天线越区切换系统中，将原有的业务信道进行结构调整，把传输数据信息和切换两种功能在信道层面上加以区分，得到两种不同类型的业务信道，即全业务信道和混合信道。

如图3所示，全业务信道仅负责传输数据，第13帧的SACCH信道被调整为业务信道。

如图4所示，混合信道同时具有传输数据和切换的功能，其中，SACCH信道数量有所增加，发送测量报告的频率也有所提高。根据传统切换算法，这样的调整可以有效减少触发切换中的预处理时间。

在双天线越区切换方法中，由于天线数量和信道种类的增加，切换流程也更加复杂。双天线须在两种信道间灵活切换，保证通信得以顺利进行。参见图5到图9，GSM-R网络中双天线越区切换的具体实现流程如下：

为保证切换过程的进行，首尾天线的用户识别码(IMSI)应具有关联，即在接入GSM-R网络时，网络控制中心的访问位置寄存器VLR在鉴权过程中可辨识出首尾天线，这样在切换过程中，基站收发器(BTS)、基站控制中心(BSC)、移动交换中心(MSC)可以按照双天线切换的规范和协议与移动台(MS)进行信令交互，保证切换的执行。

假定首天线的用户识别码为101，尾天线为102，列车行驶在小区覆盖范围内时，如图5所示，首天线101接入混合信道111，负责传输测量报告，而其业务信道暂时空闲；而尾天线2接入全业务信道112，负责传输数据信息。

当列车行驶进入两个小区交界区域时，如图6所示，，首天线101发送的测量报告将在基站侧触发切换过程，这样首天线101将率先进行切换，其过程与传统单天线切换基本相同，但是在激活信道的过程中，基站将在新小区准备2个全业务信 道112和1个混合信道111。首天线101将释放与原小区连接的混合信道111，接入新小区的全业务信道112。与此同时，尾天线102仍处于原小区内，故保持通信。

当首天线101切换完成后，基站收到首天线101的切换和释放完成信令，继而开始尾天线102的切换，如图7所示。尾天线102直接接入新小区的混合信道111，释放原小区的全业务信道112。由于首天线101在新小区接入全业务信道112，这段时间内由首天线101负责传输数据业务。

在切换过程中，由于尾天线102不需进行测量过程和触发过程，且其转向的信道被提前激活，故完成切换十分迅速。如图8所示，考虑到接入新小区后，尾天线接收到的电平和功率不足以进行通信，所以尾天线102所在的混合信道111向基站发送测量报告，基站判断接收电平和功率适于进行通信后，再一次触发尾天线102的切换，使其切换到全业务信道112。

由于激活信道时新小区准备好一个多余的全业务信道112，所以尾天线102在这一次切换时直接接入全业务信道112，空出了原来占据的混合信道111。尾天线102接入完成后，基站将首天线101调整到混合信道111上，这样尾天线102恢复了传输数据信息的功能，首天线101也重新负责发送测量报告，列车至此完成一个周期的双天线切换，如图9所示。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种GSM-R网络中双天线越区切换系统，其特征在于，包括

首天线，其上设置有用户识别码；

尾天线，其上设置有用户识别码；

控制器，其用于控制所示首天线、尾天线的接收信号、发送信号以及进行功能的切换，

其中，所述GSM-R网络采用全业务信道和混合信道两种信道；

所述全业务信道仅负责传输数据，其上不包括SACCH信道；所述混合信道同时具有传输数据和切换的功能，所述混合信道中SACCH信道数量大于1；

对于所述首天线发送的测量报告，基站判决是否触发切换；对于所述尾天线发送的测量报告，基站判决是否由所述混合信道切换到所述全业务信道；

如果触发切换，在激活信道的过程中，所述基站将在新小区准备2个全业务信道和1个混合信道，所述首天线释放与原小区连接的混合信道，接入新小区的所述全业务信道；

当所述首天线切换完成后，所述尾天线直接接入新小区的混合信道，释放所述原小区的全业务信道；

所述尾天线向所述基站发送测量报告，基站判断接收电平和功率适于进行通信后，再一次触发所述尾天线的切换，使其切换到所述全业务信道；

所述基站将所述首天线调整到所述混合信道上。

2.如权利要求1所述的GSM-R网络中双天线越区切换系统，其特征在于，所述首天线的用户识别码和尾天线的用户识别码相互关联。

3.如权利要求1所述的GSM-R网络中双天线越区切换系统，其特征在于，所述全业务信道和混合信道均采用26帧的复帧结构。

4.如权利要求1所述的GSM-R网络中双天线越区切换系统，其特征在于，所述GSM-R网络控制中心的访问位置寄存器VLR用于通过所述首天线的用户识别码和尾天线的用户识别码辨识出所述首天线和尾天线。

5.一种如权利要求1-4之一所述的GSM-R网络中双天线越区切换系统的切换方法，其特征在于，包括以下步骤：

所述首天线接入混合信道，负责传输测量报告，而其业务信道暂时空闲；所述尾天线接入全业务信道，负责传输数据信息；

当列车行驶进入两个小区交界区域时，所述首天线发送的测量报告将在基站侧触发切换过程，所述首天线进行信道切换；在激活信道的过程中，基站将在新小区准备2个全业务信道和1个混合信道；所述首天线释放与原小区连接的混合信道，接入新小区的全业务信道；同时，所述尾天线仍处于原小区内，并保持通信；

当所述首天线完成切换后，基站收到所述首天线的切换和释放完成信令，开始所述尾天线的信道切换；所述尾天线直接接入新小区的混合信道，释放原小区的全业务信道；这段时间内由所述首天线负责传输数据业务；

接入新小区后，所述尾天线所在的混合信道向基站发送测量报告，基站判断接收电平和功率适于进行通信后，再一次触发所述尾天线切换信道，使其切换到全业务信道；

所述尾天线接入全业务信道后，基站将所述首天线调整到混合信道上，使得所述尾天线恢复传输数据信息的功能，所述首天线重新负责发送测量报告，列车至此完成一个周期的双天线切换。

6.如权利要求5所述的GSM-R网络中双天线越区切换系统的切换方法，其特征在于，在所述尾天线的切换过程中，所述尾天线不需进行测量过程和触发过程，且其转向的信道被提前激活。