CN103249088A - 车地无线通信系统lte-wlan复合组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种属于无线数据传输领域的车地无线通信系统LTE-WLAN复合组网方法。城市轨道交通车地无线高速通信，包含LTE信号全线覆盖和WLAN信号重点覆盖的双系统组网，以及车载通讯设备的双系统并行收发两个部分。LTE网络主要负责轨道车辆在高速行车区间的保障基础业务带宽信号承载，WLAN网络主要负责轨道车辆在车站、换乘站及车辆段等低速运行或静止区间的大容量传输的高带宽承载。车载通讯设备实时自动检测所处位置的LTE和WLAN网络系统的有效带宽，按既定路由策略保持双系统负载均衡，适时自动调整数据收发链路。这种复合组网方法能够保证城市轨道车辆在高速行车区间或者多车密集交汇区间运营过程中，均能保持与指挥调度中心的全程不间断实时高速通讯。

Description

车地无线通信系统LTE-WLAN复合组网方法

技术领域

本发明属于无线数据传输领域。利用目前广泛使用的WLAN（Wireless Local Area Networks无线局域网）技术，以及第四代移动通信技术LTE（Long Term Evolution,长期演进）进行复合组网，来解决城市轨道交通系统运营过程中，车辆与调度中心不间断实时高速数据通信问题。

背景技术

目前，全球范围内有数百条城市轨道交通线路（包括地铁、轻轨、城铁等），总里程近一万公里。随着城市安全及应急管理需求的提高，很多国家及城市相关管理机构都提出要求：将城市轨道交通工具车厢内的实时监控视频同步传送到指挥调度中心或者其他相关部门；并通过车载乘客信息发布系统来完成车地间的实时双向信息沟通。受限于城市轨道交通特殊的地理和电磁环境，特别无线通讯技术发展水平的限制，目前还没有真正成功实现全程车地无线高速数据通信的先例。

其主要原因在于:原有的GSM，CDMA等广域无线通信网数据传输速率有限；而WLAN等高速无线局域网通讯手段，其终端相对运动速度超过60公里每小时之后，由于多普勒效应和信道频繁切换等因素影响，实际车地间数据链路承载能力急剧降低，无法满足通常运营速度为60-100公里每小时的城市轨道车辆的实时视频等高速数据传输要求。现有的极少数尝试采用基于WLAN技术的车地无线通信系统案例，均出现轨道列车车速超过60公里每小时之后有效网络传输能力大幅度降低乃至传输中断的情况。即便是目前最先进的第四代移动通讯技术LTE，虽然其网络终端在高速移动时也能完成高速数据传输，但是受限于LTE同频组网难题，同一LTE信号覆盖小区内总数据链路承载能力有限，在城市轨道交通换乘站、车辆段等轨道车辆密集的地方，多个终端分摊下来的数据通信能力也大打折扣，无法满足实时视频传输等应用的需求。

发明内容

本发明针对LTE和WLAN的特性和各自的缺陷，扬长避短，提出了LTE-WLAN车地无线通信系统复合组网方法，合理利用LTE的广域高速移动终端快速数据传输能力，WLAN的局域高带宽大容量数据通信能力，以及车载无线通讯终端的动态路由调整和负载均衡技术，来搭建动态稳定的车地高速无线传输链路，从而实现车地间的双向实时视频传输等应用。

现在新建的城市轨道交通传输网络环境通常为：轨道交通全线采用光缆连接，各车站和指挥调度中心之间的网络传输级别为千兆级以上，而且既有线路的现代化改造也都不低于该指标。

 

车地无线通信系统的在城市轨道交通中的整个工作环境由以下两个场景组成：

一、车站/换乘站/车辆段及其进出站的临近轨道区间等有多个低速或者静止轨道车辆场景；

二、在相邻两个车站之间最多同时有两辆相反行驶轨道车辆的快速行车轨道区间。其基本应用需求为：两路720P清晰度的车内高清监控视频实时上传至指挥调度中心（共需要8Mbps带宽，约1100KB/s的上行数据传输率），一路1080P高清晰度的乘客信息发布视频（下行需要16Mbps带宽，约2000KB/s的下行数据传输率）。

 

对于场景一，多个车载终端处在一个相对集中的狭小区域，并且都处于低速或者静止状态。因此采用WLAN来进行覆盖。WLAN工作在 2.4G或者5.8G公用开放频段，频谱资源丰富；其单小区有效覆盖距离约300米，足以覆盖现有站台及临近进出站轨道区间。在采用密集小区组网的情况下，能够能够提供巨大的带宽资源（换乘站可提供4-6个54Mbps 常规宽带接入资源。若采用最新的802.11 n 空间多路复用以及MINO多发多收等技术优势，则可为单个客户端提供高达300-600Mbps的带宽）。在车站内，每三十米部署一个WLAN无线接入点，多个无线接入点通过WLAN控制器，接入千兆级全线传输网，同时满足站内8-12列轨道车辆与指挥调度中心之间的数据传输需要。

但其不利之处在于车载终端移动速度越快，与WLAN各无线接入点之间的切换越频繁、实际传输速率越低；而且在高架环境下WLAN无线接入点的布线难度大，列车高速行驶状态下WLAN实际使用效果差。因此在场景二中，就不能再使用WLAN覆盖。

LTE是第四代移动通讯技术，单基站小区信号可以覆盖现有站间0.5-5公里的可视距离，一般不需要在站间行车区间线路上部署额外天线，其有效传输速率对终端移动速度并不敏感，有利于轨道交通场景二的无线数据通信。 LTE单小区内可提供最大60Mbps----上行20Mbps，下行40Mbps带宽。但是其单小区内带宽总量有限，也无法像WLAN那样通过加大小区信道密集度来提高单位空间内的有效带宽资源；因此场景一描述的换乘站、车辆段等轨道车辆大量集中，车载终端密集的情况下，同样会出现传输资源紧张的情况。

对于场景二，站间距离在0.5~5公里之间的广大区域，轨道车辆运行速度在60-100公里每小时，出于行车安全因素考虑，两站区间最多只有两列相反行使方向的轨道车辆；也就是说该区域内最多只有两个快速移动的车载终端在极端情况下（两列80km/h列车在单一LTE信道小区内），两列车辆总上行带宽需求16Mbps，总下行带宽需求32Mbps。因此一个LTE信号小区完全可以满足基本应用需求。

根据城市轨道交通的实际情况来进行LTE网络规划和优化，通常可以在每个车站部署一个LTE基站，两个天线扇区各自覆盖车站两端外延的行车区间，与相邻两个车站的两个LTE基站信号完成本车站两端的整个行车区间的LTE信号覆盖；在行车区间过长、高差变化太大或者弯道过多等极端情况下，可以采用RRU（Radio Remote Unit射频拉远）的方式来完成覆盖。同时，两个相邻LTE基站信号覆盖区间的交汇点，也就是车载通讯终端在两个LTE基站间的切换点尽量设置在两站正中间，车速最快的地方，这样可以最大程度地增加单列轨道车辆独享一个LTE基站资源的时间比例，提高基本应用业务的质量。

在场景一完成WLAN信号覆盖，场景二完成LTE覆盖之后，车载通讯终端将通过动态路由调整和负载均衡技术来完成车内数据向指挥调度中心的发送和接收指挥调度中心的数据。

 

车载通讯终端完成基本应用数据需求的过程如下：

在场景一中，车载通讯终端在轨道车辆减速进站时，检测到车站的WLAN信号逐渐增强至某设定阈值，则自动建立WLAN的连接链路，将基本应用的路由设定为车载通讯终端---WLAN无线接入点---WLAN无线控制器---千兆级全线传输网；同时让出刚才使用的区间LTE链路，将相对有限的LTE传输容量资源让给还在行车区间的使用该LTE资源的其他轨道车辆车载终端。

在场景二中，车载通讯终端在轨道车辆加速离站时，检测到车站的WLAN信号迅速朝设定阈值降低，则自动重新建立LTE的连接链路，将基本应用的路由设定为车载通讯终端---LTE基站---千兆级全线传输网。同时中断已经失效的上一站WLAN链路。 同时车载通讯终端继续监听所在LTE小区的用户信息，当有另一列轨道车辆的车载通讯终端请求加入本LTE小区的时候，自动将所完全占用的LTE传输资源降低一半，让给对方，维持同一LTE小区内双方负载的均衡，保证双方的基本业务都可以同时传输。同理，当监听到对方离开本LTE小区的时候，自动恢复完全占用，提供更大的LTE网络容量资源，提高基本业务传输质量，直到进入场景一时再进行相应切换。

Claims (6)

1.一种车地无线通信复合组网方法，该方法是用LET和WLAN技术进行复合组网，通过车载终端来维持有效传输链路，通过车载终端来均衡传输负载。

2.根据权利要求1所述的车地无线通信复合组网方法，其特征在于LET覆盖整个行车区间，WLAN覆盖车站和车辆段。

3.根据权利要求1所述的车地无线通信复合组网方法，其车载终端动态检测所处位置的LTE和WLAN网络无线信号，同时建立LTE连接和WLAN连接，维持有效传输链路。

4.根据权利要求3所述的车载终端同时建立LTE和WLAN连接，车载终端动态优化LTE和WLAN信号有效传输带宽，自动分配相应数据流到LTE链路和WLAN链路，均衡传输负载。

5.根据权利要求4所述的车载终端自动分配相应数据流到LTE链路和WLAN链路，车载终端在检测到本LTE小区有其他车载终端接入时，在满足业务传输需求的前提下优先分配数据流到WLAN链路，节省LTE链路资源给另一车载终端。

6.根据权利要求5车载终端检测到本LTE小区有其他车载终端接入时，本车载终端优先分配数据流到WLAN链路，在WLAN有效链路不能满足本终端业务传输需求时，将本终端占用的LTE链路资源控制在本LTE小区容量的二分之一，将空余出来的LTE链路资源让给本LTE小区内的另一个车载终端。