CN103096409A - 无线通信中基站切换方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种无线通信中基站切换方法及系统，所述方法包括如下步骤：步骤S1，通过卫星定位系统对卫星周期性的广播信息进行测量，同时，设置于移动台上的惯性测量系统对移动台的运行状态进行测量；步骤S2，将卫星定位系统、惯性测量系统的测量结果进行数据融合，得到移动台的准确位置以及速度信息，计算移动台到基站的距离、路线以及当前速度下运行到指定切换点的时间；步骤S3，当移动台运行到指定切换地点时，进行越区切换。本发明解决了根据信号强度进行切换技术在切换过程中的不稳定和时滞导致问题，以及卫星定位辅助切换技术在卫星运行故障时出现切换失效而通信中断的问题；保证了移动台通信的稳定与持续进行。

Description

无线通信中基站切换方法及系统

技术领域

本发明属于无线通讯技术领域，涉及一种基站切换方法，尤其涉及一种无线通信中基站切换方法；同时，本发明还涉及一种无线通信中基站切换系统。

背景技术

无线通信系统中，如果移动台高速移动，很可能会导致越区切换的频繁发生。如果在一定区域里两基站信号强度剧烈变化，终端就会在两个基站中来回切换，产生所谓的“乒乓效应”。

现有技术主要采用根据收到的信号强度来进行切换，但是这种技术，由于移动台的高速移动和天气地形环境的复杂多变，信号强度变化很大，此时，根据测量值直接切换会造成数据传输中丢包，错包等问题。

切换性能对系统的服务质量和行车安全有很大的影响，所以，如何使切换时间更短，切换成功率更高，以及更高的可靠性和有效性，都是高速移动无线通信系统中需要解决的技术难题。

越区切换过程主要包括测量、触发、选择和执行四个过程。其中触发过程和选择过程在内部完成，这段时延可以忽略不计。而越区切换所需要的时间主要由测量过程时延和执行越区切换的时延两部分组成。测量过程的时延主要取决于对移动台和基站测量到的结果的处理时延，与所需处理数据量的大小有关。执行越区切换的时延又可分为激活目标小区信道需要的时间和移动台离开原信道调整到新信道所需的时间。切换执行时间主要取决于信令流程的复杂度和网络设备对信令的处理时间。

为了提高切换性能，一些方案采取卫星定位辅助的切换技术，当卫星能准确定位时性能很好，然而在周围阻挡物较多的地方，移动台的定位精度受到影响，甚至无法定位，同时，万一卫星出现失效情况，定位性能有很大程度上的恶化。

位置信息的获得需要卫星定位系统的辅助，其定位原理为：卫星在运行的过程中不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户通过高精度接收机测量信号的传播时间，利用卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标、三维方向以及运动速度和时间信息。目前主要的定位系统有美国的全球定位系统(GPS)、欧洲的伽利略卫星定位系统以及中国的北斗卫星定位系统。

此外，惯性测量是指利用物体的惯性特性来进行测量的一种方式，其基本原理是利用加速度仪测得物体的加速度，以及通过积分仪进行一次和二次积分运算，得到物体的速度和位置信息。利用惯性定位具有高自主性，不易受外界条件和其他人为因素的干扰，但是其必须利用高精度定位信息进行定期校正。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种无线通信中基站切换方法，可避免卫星故障而导致移动台切换失效的情况，保证了移动台通信的稳定与持续进行。

此外，本发明还提供一种无线通信中基站切换系统，可避免卫星故障而导致移动台切换失效的情况，保证了移动台通信的稳定与持续进行。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种无线通信中基站切换方法，所述方法包括如下步骤：

步骤S1，通过卫星定位系统对卫星周期性的广播信息进行测量，同时，设置于移动台上的惯性测量系统对移动台的运行状态进行测量；

步骤S2，将卫星定位系统、惯性测量系统的测量结果进行数据融合，得到移动台的准确位置以及速度信息，计算移动台到基站的距离、路线以及当前速度下运行到指定切换点的时间；

步骤S3，当移动台运行到指定切换地点时，进行越区切换。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤S2中，测量结果的数据融合过程包括如下步骤：

步骤S21，通过陀螺仪和加速度计感测移动台的角速度和加速度，经过导航解算，获得移动台的即时速度、位置信息Z_I；

步骤S22，卫星定位系统输出移动台的即时速度、位置信息Z_G；

步骤S23，将惯性测量系统、卫星定位系统各自输出的对应导航参数Z_I、Z_G相减作为量测，送入卡尔曼滤波器进行滤波计算，从而获得导航参数误差的最优估计值，并利用该滤波估计值实时地进行系统误差校正，最后将校正后输出的导航参数作为组合导航系统的输出。

作为本发明的一种优选方案，所述方法进一步包括如下步骤：

当卫星运行发生故障时，仅用惯性测量装置进行移动台的位置定位，当到达需要切换的地点时，移动台进行越区切换；具体包括如下步骤：

沿运动轨道和垂直运动轨道的方向分别安装加速度计，以获得载体坐标系b系下的X轴和Y轴加速度f_bx、f_by；

陀螺仪的敏感轴沿移动台运行平面的垂直方向安装，移动台运行的初始偏航角已知，移动台的航向通过对陀螺测得的角速度ω_bz进行积分而获取；将加速度计测量得到的加速度沿参考坐标系分解并对时间进行积分，从而确定移动台相对于参考坐标系的瞬时速度和位置。

作为本发明的一种优选方案，所述方法进一步包括如下步骤：

利用导航坐标系下测量得到的加速度f_bx，f_by以及角速度ω_bz，参照基本的捷联惯性导航系统方程，得到移动台在X轴、Y轴瞬时速度与位置，即

$\stackrel{\·}{v_E}=C_{11}{f}_{\mathrm{bx}}+C_{12}{f}_{\mathrm{by}}+({2\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L+\frac{v_E}{R_N}\tan L)v_N;$

$\stackrel{\·}{v_N}=C_{21}{f}_{\mathrm{bx}}+C_{22}{f}_{\mathrm{by}}-({2\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L+\frac{v_E}{R_N}\tan L)v_E;$

$\stackrel{\·}{L}=\frac{v_N}{R_M};$

$\stackrel{\·}{\mathrm{\λ}}=\frac{v_E}{R_N\cos L};$

其中，坐标轴X、Y的下角标b、n分别表示载体坐标系和导航坐标系，x_t、y_t、

分别为列车的实时位置和航向，v_E、v_N、L、λ分别为移动台在导航坐标系下在X轴、Y轴的速度以及纬度、经度；C_ij为捷联姿态矩阵的第i行第j列元素；ω_ie为地球自转角速度；R_M为当地子午圈的主曲率半径；R_N为与子午面垂直的卯西圈的主曲率半径；

$q_3(k+1)=\sin [\frac{1}{2}{\mathrm{\ω}}_z\left(k\right)T+\arcsin \left(q_3\left(k\right)\right)];$

${\mathrm{\ω}}_z={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{bz}}-({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L+\frac{v_E}{v_N}\tan L);$

$C_b^n=\left[\begin{array}{ccc}1-{2q}_3^2& -{2q}_3\sqrt{1-q_3^2}& 0\\ {2q}_3\sqrt{1-q_3^2}& 1-{2q}_3^2& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right].$

一种无线通信中基站切换系统，其特征在于，所述系统包括：

卫星定位系统，用以对卫星周期性的广播信息进行测量；

惯性测量系统，设置于移动台上，用以对移动台的运行状态进行测量；

数据融合模块，用以将卫星定位系统、惯性测量系统的测量结果进行数据融合，得到移动台的准确位置以及速度信息，计算移动台到基站的距离、路线以及当前速度下运行到指定切换点的时间；

越区切换模块，用以在移动台运行到指定切换地点时，进行越区切换。

作为本发明的一种优选方案，所述数据融合模块包括：

第一状态获取单元，用以通过陀螺仪和加速度计感测移动台的角速度和加速度，经过导航解算，获得移动台的即时速度、位置信息Z_I；

第二状态获取单元，用以获取卫星定位系统输出的移动台的即时速度、位置信息Z_G；

卡尔曼滤波器，用以接收惯性测量系统、卫星定位系统各自输出的对应导航参数Z_I、Z_G相减作为量测，进行滤波计算，获得导航参数误差的最优估计值；

误差校正单元，用以利用所述滤波估计值实时地进行系统误差校正，并将校正后输出的导航参数作为组合导航系统的输出。

作为本发明的一种优选方案，所述惯性测量装置包括，

加速度计，分别沿运动轨道和垂直运动轨道的方向分别安装加速度计，以获得载体坐标系b系下的X轴和Y轴加速度f_bx、f_by；

陀螺仪，其敏感轴沿移动台运行平面的垂直方向安装，移动台运行的初始偏航角已知，移动台的航向通过对陀螺测得的角速度ω_bz进行积分而获取；将加速度计测量得到的加速度沿参考坐标系分解并对时间进行积分，从而确定移动台相对于参考坐标系的瞬时速度和位置；

当卫星运行发生故障时，用惯性测量装置进行移动台的位置定位，当到达需要切换的地点时，移动台进行越区切换。

本发明的有益效果在于：本发明提出的无线通信中基站切换方法及系统，解决了根据信号强度进行切换技术在切换过程中的不稳定和时滞导致问题以及卫星定位辅助切换技术在卫星运行故障时出现切换失效而通信中断的问题；保证了移动台通信的稳定与持续进行。

附图说明

图1为本发明系统的切换方法流程图。

图2为本发明定位系统组合的组成示意图。

图3为简化的惯性导航原理示意图。

图4为判断是否进入HO交互过程示意图。

图5为本发明切换方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例一

考虑到卫星定位和惯性定位的互补性，本发明提出了一种卫星定位与惯性测量相结合的切换方案，可用于高速铁路环境下的无线蜂窝移动通信网络中。

请参阅图1、图5，本发明揭示的无线通信中卫星定位与惯性测量相结合的切换方法，所述方法包括如下步骤：

首先，通过GPS、北斗等卫星定位系统对卫星周期性的广播信息进行测量，同时，移动台上的惯性系统也对移动台的运行状态进行测量。

其次，将不同系统的测量结果进行滤波等数据融合，得到移动台的准确位置以及速度信息，计算移动台到基站的距离、路线以及当前速度下运行到指定切换点的时间。

最后，根据经验数据库中的信息，当移动台运行到指定切换地点时，进行越区切换。

其中，测量结果的数据融合过程具体包括：首先通过陀螺仪和加速度计感测移动台的角速度和加速度，经过导航解算，获得移动台的即时速度、位置信息Z_I；同时，卫星测量接收机也输出移动台的即时速度、位置信息Z_G，然后将惯性测量装置、卫星测量接收机各自输出的对应导航参数Z_I、Z_G相减作为量测，送入卡尔曼滤波器进行滤波计算，从而获得导航参数误差的最优估计值，并利用该滤波估计值实时地进行系统误差校正，最后将校正后输出的导航参数作为组合导航系统的输出，其结构如图2所示。

当卫星运行发生故障时，用惯性测量装置进行位置定位，当到达需要切换的地点时，移动台进行越区切换，具体定位方法可参阅图3，坐标轴X、Y的下角标b、n分别表示载体坐标系和导航坐标系，x_t、y_t、

分别为列车的实时位置和航向。

在“东-北-天”坐标下，两个加速度计分别沿钢轨和垂直钢轨的方向安装，以获得载体坐标系(b系)下的东向和北向加速度f_bx，f_by。陀螺仪的敏感轴沿移动台运行平面的垂直方向安装，在移动台运行的初始偏航角已知的情况下，移动台的航向就可以通过对陀螺测得的角速度ω_bz进行积分而计算出来，有了这些信息就可以把在载体坐标系下获得的加速度测量值与参考坐标系(导航坐标系，n系)联系起来，将加速度计测量得到的加速度沿参考坐标系分解并对时间进行积分，从而确定移动台相对于参考坐标系的瞬时速度和位置。

利用导航坐标系下测量得到的加速度f_bx、f_by以及角速度ω_bz，参照基本的捷联惯性导航系统方程，结合简化条件，可以得到移动台的东向、北向瞬时速度与位置，即

$\stackrel{\·}{v_E}=C_{11}{f}_{\mathrm{bx}}+C_{12}{f}_{\mathrm{by}}+({2\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L+\frac{v_E}{R_N}\tan L)v_N$

$\stackrel{\·}{v_N}=C_{21}{f}_{\mathrm{bx}}+C_{22}{f}_{\mathrm{by}}-({2\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L+\frac{v_E}{R_N}\tan L)v_E$

$\stackrel{\·}{L}=\frac{v_N}{R_M}$

$\stackrel{\·}{\mathrm{\λ}}=\frac{v_E}{R_N\cos L}$

v_E、v_N、L、λ分别为移动台在导航坐标系下的东向、北向速度以及纬度、经度；C_ij为捷联姿态矩阵的第i行第j列元素；ω_ie为地球自转角速度；R_M为当地子午圈的主曲率半径；R_N为与子午面垂直的卯西圈的主曲率半径。

其中， $q_3(k+1)=\sin [\frac{1}{2}{\mathrm{\ω}}_z\left(k\right)T+\arcsin \left(q_3\left(k\right)\right)];$

${\mathrm{\ω}}_z={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{bz}}-({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L+\frac{v_E}{v_N}\tan L);$

$C_b^n=\left[\begin{array}{ccc}1-{2q}_3^2& -{2q}_3\sqrt{1-q_3^2}& 0\\ {2q}_3\sqrt{1-q_3^2}& 1-{2q}_3^2& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right].$

以上介绍了本发明无线通信中基站切换方法，本发明同时揭示一种无线通信中基站切换系统，包括：卫星定位系统、惯性测量系统、数据融合模块、越区切换模块。

其中，卫星定位系统用以对卫星周期性的广播信息进行测量；惯性测量系统设置于移动台上，用以对移动台的运行状态进行测量。

数据融合模块用以将卫星定位系统、惯性测量系统的测量结果进行数据融合，得到移动台的准确位置以及速度信息，计算移动台到基站的距离、路线以及当前速度下运行到指定切换点的时间。所述数据融合模块包括：第一状态获取单元、第二状态获取单元、卡尔曼滤波器、误差校正单元。

第一状态获取单元用以通过陀螺仪和加速度计感测移动台的角速度和加速度，经过导航解算，获得移动台的即时速度、位置信息Z_I。第二状态获取单元用以获取卫星定位系统输出的移动台的即时速度、位置信息Z_G。卡尔曼滤波器用以接收惯性测量系统、卫星定位系统各自输出的对应导航参数Z_I、Z_G相减作为量测，进行滤波计算，获得导航参数误差的最优估计值。误差校正单元用以利用所述滤波估计值实时地进行系统误差校正，并将校正后输出的导航参数作为组合导航系统的输出。越区切换模块用以在移动台运行到指定切换地点时，进行越区切换。

当卫星运行发生故障时，用惯性测量装置进行移动台的位置定位，当到达需要切换的地点时，移动台进行越区切换。所述惯性测量装置包括，加速度计、陀螺仪。若干加速度计分别沿运动轨道和垂直运动轨道的方向分别安装加速度计，以获得载体坐标系b系下的X轴和Y轴加速度f_bx、f_by。陀螺仪的敏感轴沿移动台运行平面的垂直方向安装，移动台运行的初始偏航角已知，移动台的航向通过对陀螺测得的角速度ω_bz进行积分而获取；将加速度计测量得到的加速度沿参考坐标系分解并对时间进行积分，从而确定移动台相对于参考坐标系的瞬时速度和位置。

实施例二

本实施例具体说明本专利在无线蜂窝移动通信网络中的应用方法。考虑到中国高铁建设的大规模展开，选择高速铁路情况对本专利的应用进行说明。

高速铁路环境下，移动通信网络沿着高速铁路建设，无线基站设置为链状结构，车载台和基站都配置有GPS定位模块，同时车载台还配有惯性测量装置，GPS模块每隔1秒测量一次车载台的移动速度以及经纬度信息，然后结合实时惯性测量所得的结果，经数据融合得到列车的位置和状态，接着通过GPS公里标转换计算出是否达到切换点，当到了指定切换点时，进行切换。

其中，判断是否进入HO交互过程以及HO交互过程的流程如图4所示；包括如下步骤：

步骤41、结合当前终端的GPS信息、惯性测量结果计算其与基准点的距离，同时判断终端的行驶方向。

步骤42、判断终端所处区域，确定当前区间的切换点。

步骤43、当终端在非交叠区域时，查看当前的接入频率是否合法；若非法，立即进入HO交互过程；若合法，转至步骤44；

步骤44、判断离切换点是否小于1秒，若小于1秒，经过终端离切换点的时间后，进入HO交互过程。

综上所述，本发明提出的无线通信中基站切换方法及系统，解决了根据信号强度进行切换技术在切换过程中的不稳定和时滞导致问题，以及卫星定位辅助切换技术在卫星运行故障时出现切换失效而通信中断的问题；保证了移动台通信的稳定与持续进行。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (7)

1.一种无线通信中基站切换方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤S1，通过卫星定位系统对卫星周期性的广播信息进行测量，同时，设置于移动台上的惯性测量系统对移动台的运行状态进行测量；

步骤S2，将卫星定位系统、惯性测量系统的测量结果进行数据融合，得到移动台的准确位置以及速度信息，计算移动台到基站的距离、路线以及当前速度下运行到指定切换点的时间；

步骤S3，当移动台运行到指定切换地点时，进行越区切换。

2.根据权利要求1所述的无线通信中基站切换方法，其特征在于：

所述步骤S2中，测量结果的数据融合过程包括如下步骤：

步骤S21，通过陀螺仪和加速度计感测移动台的角速度和加速度，经过导航解算，获得移动台的即时速度、位置信息Z_I；

步骤S22，卫星定位系统输出移动台的即时速度、位置信息Z_G；

步骤S23，将惯性测量系统、卫星定位系统各自输出的对应导航参数Z_I、Z_G相减作为量测，送入卡尔曼滤波器进行滤波计算，从而获得导航参数误差的最优估计值，并利用该滤波估计值实时地进行系统误差校正，最后将校正后输出的导航参数作为组合导航系统的输出。

3.根据权利要求1所述的无线通信中基站切换方法，其特征在于：所述方法进一步包括如下步骤：

当卫星运行发生故障时，仅用惯性测量装置进行移动台的位置定位，当到达需要切换的地点时，移动台进行越区切换；具体包括如下步骤：

沿运动轨道和垂直运动轨道的方向分别安装加速度计，以获得载体坐标系b系下的X轴和Y轴加速度f_bx、f_by；

陀螺仪的敏感轴沿移动台运行平面的垂直方向安装，移动台运行的初始偏航角已知，移动台的航向通过对陀螺测得的角速度ω_bz进行积分而获取；将加速度计测量得到的加速度沿参考坐标系分解并对时间进行积分，从而确定移动台相对于参考坐标系的瞬时速度和位置。

4.根据权利要求3所述的无线通信中基站切换方法，其特征在于：所述方法进一步包括如下步骤：

利用导航坐标系下测量得到的加速度f_bx，f_by以及角速度ω_bz，参照基本的捷联惯性导航系统方程，得到移动台在X轴、Y轴瞬时速度与位置，即

$\stackrel{\·}{v_E}=C_{11}{f}_{\mathrm{bx}}+C_{12}{f}_{\mathrm{by}}+({2\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L+\frac{v_E}{R_N}\tan L)v_N;$

$\stackrel{\·}{v_N}=C_{21}{f}_{\mathrm{bx}}+C_{22}{f}_{\mathrm{by}}-({2\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L+\frac{v_E}{R_N}\tan L)v_E;$

$\stackrel{\·}{L}=\frac{v_N}{R_M};$

$\stackrel{\·}{\mathrm{\λ}}=\frac{v_E}{R_N\cos L};$

其中，坐标轴X、Y的下角标b、n分别表示载体坐标系和导航坐标系，x_t、y_t、

分别为列车的实时位置和航向，v_E、v_N、L、λ分别为移动台在导航坐标系下在X轴、Y轴的速度以及纬度、经度；C_ij为捷联姿态矩阵的第i行第j列元素；ω_ie为地球自转角速度；R_M为当地子午圈的主曲率半径；R_N为与子午面垂直的卯西圈的主曲率半径；

$q_3(k+1)=\sin [\frac{1}{2}{\mathrm{\ω}}_z\left(k\right)T+\arcsin \left(q_3\left(k\right)\right)];$

${\mathrm{\ω}}_z={\mathrm{\ω}}_{\mathrm{bz}}-({\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ie}}\sin L+\frac{v_E}{v_N}\tan L);$

$C_b^n=\left[\begin{array}{ccc}1-{2q}_3^2& -{2q}_3\sqrt{1-q_3^2}& 0\\ {2q}_3\sqrt{1-q_3^2}& 1-{2q}_3^2& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right].$

5.一种无线通信中基站切换系统，其特征在于，所述系统包括：

卫星定位系统，用以对卫星周期性的广播信息进行测量；

惯性测量系统，设置于移动台上，用以对移动台的运行状态进行测量；

数据融合模块，用以将卫星定位系统、惯性测量系统的测量结果进行数据融合，得到移动台的准确位置以及速度信息，计算移动台到基站的距离、路线以及当前速度下运行到指定切换点的时间；

越区切换模块，用以在移动台运行到指定切换地点时，进行越区切换。

6.根据权利要求5所述的无线通信中基站切换系统，其特征在于：

所述数据融合模块包括：

第一状态获取单元，用以通过陀螺仪和加速度计感测移动台的角速度和加速度，经过导航解算，获得移动台的即时速度、位置信息Z_I；

第二状态获取单元，用以获取卫星定位系统输出的移动台的即时速度、位置信息Z_G；

卡尔曼滤波器，用以接收惯性测量系统、卫星定位系统各自输出的对应导航参数Z_I、Z_G相减作为量测，进行滤波计算，获得导航参数误差的最优估计值；

误差校正单元，用以利用所述滤波估计值实时地进行系统误差校正，并将校正后输出的导航参数作为组合导航系统的输出。

7.根据权利要求6所述的无线通信中基站切换系统，其特征在于：

所述惯性测量装置包括，

加速度计，分别沿运动轨道和垂直运动轨道的方向分别安装加速度计，以获得载体坐标系b系下的X轴和Y轴加速度f_bx、f_by；

陀螺仪，其敏感轴沿移动台运行平面的垂直方向安装，移动台运行的初始偏航角已知，移动台的航向通过对陀螺测得的角速度ω_bz进行积分而获取；

将加速度计测量得到的加速度沿参考坐标系分解并对时间进行积分，从而确定移动台相对于参考坐标系的瞬时速度和位置；

当卫星运行发生故障时，用惯性测量装置进行移动台的位置定位，当到达需要切换的地点时，移动台进行越区切换。

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