CN103813403A - 基于广播的lte-r同步操控通信系统及切换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及LTE-R铁路数字专用移动通信领域，尤其涉及一种基于广播的LTE-R重载铁路同步操控通信系统及切换方法，包括核心网EPC模块、基站eNodeB模块、列车终端模块、列车列尾模块，列控数据实时传输系统，在调度中心设置核心网EPC模块，优选基站eNodeB模块沿列车运行线路呈线状分布；为减小系统内干扰，频率规划采用5M异频组网，相邻小区采用不同载波频率，相对于现有技术，本发明具有如下优势：提高了同步通信的可靠性，有效节省了频谱资源，避免了四列机车进行切换时控制信息的相互干扰，节约了小区的信道资源，减小时延，降低了切换过程的复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及LTE-R铁路数字专用移动通信领域，尤其涉及基于广播的LTE-R同步操控通信系统及切换方法。
背景技术
LTE-R是TD-LTE技术应用于铁路环境中的移动通信系统，保留了LTE的大体结构，由于重载铁路专网通信与移动公网通信侧重点不同，要求列车整个运行全程保持机车同步控制，越区切换十分频繁。
越区切换是指移动台在呼叫进行时，从一个服务小区移动到另一个服务小区时，维持呼叫继续进行的过程。LTE切换过程一般可以分为四个部分：测量，处理，决策和执行。切换测量是由用户UE在下行链路进行的。处理是为了过滤掉快衰落效应，这些处理测量要以周期性或事件触发的形式报告给服务基站eNodeB。切换的开始基于切换测量的决策，如果某些条件得到满足，系统在目标小区上分配、激活1个新信道，并将移动台切换到这个新信道上进行通话。切换完成后，释放原来的旧信道。
所谓的重载列车的机车同步控制，就是指当列车编组中的机车多于一个时，为了使列车安全、稳定的运行，对机车的控制必须实现同步——同步启动、同步加速、同步减速、同步制动。如果满足不了同步，则会容易引起机车间的挤压或脱钩，在列车控制中，这些现象都是非常危险的。所以就需要在机车上安装提供首尾机车实时可靠通信的控制数据传输系统，以保证司机对控车指令的传达。
传统的同步操控系统用450MHz或800MHz无线电台进行通信，通信方式为点对点，不能很好的满足机车同步控制的需要，当两台个机车间相隔超过1公里时，通话质量明显下降。且电台都采用相同频段，同频干扰现象严重。我国现有的重载运输铁路专线已普遍采用机车重联无线同步控制系统，除大秦线有GSM-R网络支持外，其他各线还是采用既有的通信方式。对于地形较复杂的山区或隧道地段，450MHz或800MHz高频信号存在较多的弱场区，使得整个通信系统安全可靠运行存在隐患。
我国煤炭重载运输专线大多途径中西部地区，沿线山区环境复杂，隧道繁多，坡度陡峭，都对通信提出了更高的要求。结合生产运输过程中遇到的实际问题，如何保证机车重联无线同步控制系统传输同步操控信息的可靠性面临着很大的挑战。
发明内容
为了弥补我国现有的重载运输铁路机车重联无线同步控制系统的不足，本发明提供了一种基于数据广播的LTE-R同步操作和控制通信系统，该系统消除了距离对重载列车编组数量的限制，加强了重载列车的通信稳定性和安全可信性，提高了山区或隧道等弱场覆盖地区的通信可靠性。
本发明的目的在于避免上述现有技术中的缺陷而提供了基于广播的LTE-R同步操控通信系统及切换方法，本发明采取了如下技术方案：包括核心网EPC模块，核心网EPC模块主要由移动管理实体MME、归属签约用户服务器HSS、服务网关S-GW、分组数据网网关P-GW等网元组成，以有线方式与基站eNodeB相连接；
基站eNodeB模块，基站eNodeB架设在铁路沿线，为列车机车终端提供一定频率的信号，使得列车机车终端数据传输链路始终处于连接状态；
列车终端模块，列车终端模块包含位于一列主控机车上的终端和分别位于三辆从控机车上的终端，通过无线传输链路与基站eNodeB相连接；
列车列尾模块，列车列尾模块位于最后一列从控机车上，通过无线链路与其他机车进行通信。
列控数据实时传输系统，在调度中心设置核心网EPC模块，优选基站eNodeB模块沿列车运行线路呈线状分布；为减小系统内干扰，频率规划采用5M异频组网，相邻小区采用不同载波频率。
基于数据广播的LTE-R同步操控通信系统切换方法，包括如下步骤：
步骤1）网络侧注册，列车在始发站出发前，列车机车终端进行网络注册登记，根据列车车次号确定列车行驶经过小区的切换顺序列表；
步骤2）数据传输链路建立，由核心网EPC模块开启覆盖当前服务小区的天线，由网络分配给列车机车终端固定频率和时隙给该列车，建立数据传输链路；
步骤3）切换，列车进入当前服务小区与切换目标小区重叠区域时，根据预定切换准则，核心网EPC模块根据小区的切换顺序列表开启覆盖切换目标小区的基站天线，并建立当前服务小区与切换目标小区基站间的数据连接，列车发送上行链路信号到切换目标小区，当整列火车均切换入切换目标小区时，核心网EPC模块根据切换策略关闭覆盖当前服务小区的天线；列车一直向终点站进发，核心网EPC模块根据预定切换准则和小区的切换顺序列表不断地进行切换；
步骤4）网络侧注销步骤，当网络侧完成最后一个小区的切换后，列车将到达终点站，当停靠终点站后，进行网络侧注销，列车终端释放其无线频率资源。
步骤3）还进一步还包括：优选核心网EPC的切换准则为基于信号强度检测的切换准则，且主控机车和从控机车分别采用不同的切换类型：其中，主控机车采用终端辅助的切换，当主控机车上的终端接收到新小区信号强度超过当前小区，并且信号强度达到预定门限值时，核心网EPC通过控制基站天线状态进行切换；从控机车采用终端控制的切换，当从控机车接收到新小区信号强度超过当前小区，并且信号强度达到预定门限值时，列车上的终端通过控制接收天线的接收信号频率进行切换。
步骤3）还进一步还包括：优选切换步骤中，主控机车通过无线接入网使用终端协助的硬切换算法来支持移动性：周期性的或有触发事件的，机车终端测量下行链路信号质量并发送测量报告到服务小区基站S-eNodeB；S-eNodeB在测量报告以及与主控机车终端和目标小区基站T-eNodeB的协商下来决定切换是否进行。
步骤3）还进一步还包括：优选切换步骤中，从控机车采用终端控制的切换策略：当主控机车完成越区切换后，从控机车终端同时测量服务小区基站S-eNodeB和目标小区基站T-eNodeB以不同频率发送的下行链路信号电平，当从控机车接收到目标小区信号强度超过当前服务小区，并且信号强度达到预定门限值时，从控机车上的终端改变接收天线的接收信号频率，进行切换。
相对于现有技术，本发明基于广播的LTE-R重载铁路同步操控通信系统及切换方法具有如下优势：
其一，本发明采用了基站铺设在铁路沿线广播同步操控信息的方式，消除了传统点对点通信方式对列车编组数量的限制，有效地增加了铁路运输量；对于山区及隧道等弱场覆盖地区，适当调整基站覆盖位置，采用BBU+RRU的方式，结合泄漏电缆进行这些区域的覆盖，提高了同步通信的可靠性。
其二，本发明在列车运行之前，进行网络注册登记，网络侧分配固定频率和时隙给该列车机车终端，利用空间和时间的差异性，行驶在同一线路的不同列车的通信链路，使用的无线资源是相同的，如同一物理信道，有效节省了频谱资源。
其三，当主控机车切换入目标小区后，实行服务小区eNodeB与目标小区eNodeB同时广播同步操控信息，从控机车自主进行切换的创新思想，避免了四列机车进行切换时控制信息的相互干扰，节约了小区的信道资源，减小时延，降低了切换过程的复杂度。
附图说明
图1为本发明基于数据广播的LTE-R同步操控通信系统实施例结构示意图；
图2为本发明基于数据广播的LTE-R同步操控通信系统切换方法实施例的步骤流程图；
图3为本发明基于数据广播的LTE-R同步操控通信系统切换方法中，重载列车切换前状态示意图；
图4为本发明基于数据广播的LTE-R同步操控通信系统切换方法中，重载列车主控机车切换之后，从控机车进行切换之前的状态示意图；
图5为本发明基于数据广播的LTE-R同步操控通信系统切换方法中，重载列车主控机车切换之后，从控机车进行切换中的状态示意图；
图6为本发明基于数据广播的LTE-R同步操控通信系统切换方法中，重载列车全部完成切换的状态示意图；
图7为本发明基于数据广播的LTE-R同步操控通信系统切换方法中，主控机车的切换流程示意图；
图8为本发明基于数据广播的LTE-R同步操控通信系统切换方法中，从控机车的切换流程示意图。
具体实施方式
当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例：包括：核心网EPC、基站eNodeB、列车机车终端和列尾；其中，核心网EPC主要由移动管理实体MME、归属签约用户服务器HSS、服务网关S-GW、分组数据网网关P-GW等网元组成，以有线方式与基站eNodeB相连接；基站eNodeB架设在铁路沿线，为列车机车终端提供一定频率的信号，使得列车机车终端数据传输链路始终处于连接状态；列车机车终端包含位于一列主控机车上的终端和分别位于三辆从控机车上的终端，通过无线传输链路与基站eNodeB相连接；列尾位于最后一列从控机车上，通过无线链路与其他机车进行通信。
具体而言，参照图1，所有基站沿着列车运行的铁路沿线架设，为减小系统内干扰，频率规划采用5M异频组网，相邻基站采用不同载波频率f1或f2，每一天线覆盖范围称为小区，始发站到终点站之间共形成Max个小区，列车从始发站到终点站的铁路沿线将一直保持交替变换的频率状态。列车的主控机车终端无需主动进行切换，而由网络侧基站与核心网完成切换。列车的从控机车终端采用终端控制的切换策略，自行决定何时进行切换。网络侧基站与核心网EPC相连，EPC中包含与切换操作相关的移动管理实体MME和服务网关S-GW。铁路通信的特殊性决定了的基站天线是线状分布且密集分布的。
核心网EPC的切换准则为基于信号强度检测的切换准则，且主控机车和从控机车分别采用不同的切换类型：其中，主控机车采用终端辅助的切换，当主控机车上的终端接收到新小区信号强度超过当前小区，并且信号强度达到预定门限值时，核心网EPC通过控制天线状态进行切换；从控机车采用终端控制的切换，当从控机车接收到新小区信号强度超过当前小区，并且信号强度达到预定门限值时，列车上的终端通过控制接收天线的接收信号频率进行切换。
本实施例完全改变现有重载铁路无线通信系统的通信方式，由主控机车将同步操控消息发送给基站，基站通过数据广播的方式发送同步操控信息，多台从控机车同时接收同步操控消息。在运行过程中，列车在不同频率的小区之间进行切换，主控机车与从控机车分别由网络侧和终端决定切换，列车的通信稳定性和安全可信性得到显著加强。
另一方面，本发明还提供了基于数据广播的LTE-R同步操控通信系统切换方法实施例，该方法基于上述传输系统，该系统包括：核心网EPC、基站eNodeB、列车机车终端和列尾；其中，核心网EPC主要由移动管理实体MME、归属签约用户服务器HSS、服务网关S-GW、分组数据网网关P-GW等网元组成，以有线方式与基站eNodeB相连接；基站eNodeB架设在铁路沿线，为列车机车终端提供一定频率的信号，使得列车机车终端数据传输链路始终处于连接状态；列车机车终端包含位于一列主控机车上的终端和分别位于三辆从控机车上的终端，通过无线传输链路与基站eNodeB相连接；列尾位于最后一列从控机车上，通过无线链路与其他机车进行通信。
参照图2，该方法包括如下步骤：网络侧注册步骤，列车在始发站出发前，列车机车终端进行网络注册登记，根据列车车次号确定列车行驶经过小区的切换顺序列表；数据传输链路建立步骤，由核心网EPC开启覆盖当前服务小区的天线，由网络分配固定频率f1和时隙T1给该列车的通信终端，建立数据传输链路；列车切换步骤，进入当前服务小区与切换目标小区重叠区域时，根据预定切换准则，核心网EPC根据小区的切换顺序列表开启覆盖切换目标小区的天线，主控列车向切换目标小区的基站发送同步操控信号，当整列列车全部切换入小区2时，关闭当前服务小区的天线，释放信道；列车一直向终点站进发，核心网EPC根据预定切换准则和小区的切换顺序列表不断地进行切换；具体切换示意图可以参照图3所示。网络侧注销步骤，当网络侧完成最后一个小区的切换后，列车将到达终点站，当停靠终点站后，进行网络侧注销过程，列车终端释放其无线频率资源。
在一个实施例中，切换步骤中，预定切换准则为基于信号强度检测的切换准则，具体为，在一定的触发时间内列车接收到新小区信号强度超过当前小区一定值时，即RSRPT＞RSRPS+HOM，核心网EPC通过控制天线状态进行切换。其中RSRP(Reference SignalReceiving Power)指参考信号接收功率，是LTE网络中可以代表无线信号强度的关键参数以及物理层测量需求之一；RSRPT是目标小区的参考信号接收功率，而RSRPS是服务小区的参考信号接收功率，HOM(Handover Hysteresis Margin)指切换滞后差值。
在一个实施例中，切换步骤中，具体分为主控机车的切换部分和从控机车的切换部分。主控机车切换部分我们采用终端辅助的越区切换，参照图7，图中S-eNB表示当前服务小区的基站eNodeB，T-eNB表示切换目标小区的基站eNodeB，MME(Mobile ManagementEntity)表示移动性管理实体，S-GW(Serving Gateway)表示服务网关。该方法包括如下步骤：
1、切换开始前，参照图3，主控机车发送同步操控信息给当前服务小区的基站，基站以广播的方式将信息发送给从控机车。当主控列车驶入两小区边界时，从控机车保持与当前服务小区基站S-eNB的联系，主控机车开始执行切换操作。网络侧建立服务小区基站S-eNB与目标小区基站T-eNB的联系，服务小区基站S-eNB向主控机车发送随路消息，通知主控机车有关被测目标小区的信息。
2、所有被测目标小区发送的信号经过滤波器，由主控机车通信终端接收和监测，并向服务小区基站S-eNB发送测量报告。
3、当前服务小区基站S-eNB根据测量报告决定是否切换连接到目标小区基站T-eNB，当在一段时间内，接收信号满足RSRPT＞RSRPS+HOM时，服务小区基站S-eNB决定进行切换操作。
4、当前服务小区基站S-eNB向切换目标小区基站T-eNB发送切换请求，并建立两基站间的数据链路。
5、切换目标小区基站T-eNB允许该次接入。
6、切换目标小区基站T-eNB会给当前服务小区基站S-eNB发送一条反馈信息。
7、当前服务小区基站S-eNB命令主控机车开始进行切换。
8、从主控机车到当前服务小区的上行链路数据接下来就会被转发到新的切换目标小区。一旦切换目标小区基站T-eNB和主控机车同步，切换目标小区就会收到一条切换确认信息。任何主控机车发往当前服务小区基站的剩余数据被转发到切换目标小区基站。这样正常的数据包流可以确保通过切换目标小区基站进行广播。
9、切换目标小区向MME发送路径切换请求。
10、MME向S-GW发送用户面更新请求。
11、用户面切换下行路径到目标侧。
12、S-GW向MME反馈用户面更新请求ACK.
13、MME向切换目标小区反馈路径切换请求ACK。
14、切换过程完成，原来的的主控机车与当前服务小区基站S-eNB的连接被释放，主控机车发送同步操控消息到切换目标小区基站T-eNB。
15、切换目标小区基站T-eNB通过之前建立的两基站间的数据链路转发同步操控消息到当前服务小区基站S-eNB。
16、切换目标小区基站T-eNB和当前服务小区基站S-eNB分别以不同的载波频率同时向从控机车广播同步操控消息参照图4。
在一个实施例中，对于两万吨重载铁路，通常情况下包含有三列从控机车。针对每一列从控机车，我们均采用终端控制切换。切换步骤中，从控机车切换部分参照图8，该方法包括如下步骤：
1、当主控列车切换到目标小区之后，参照图4，目标小区基站T-eNB和当前服务小区基站S-eNB分别以不同的载波频率同时向从控机车广播同步操控消息。
2、当前服务小区基站S-eNB向从控机车发送随路消息，通知从控机车有关被测目标小区的信息。从控机车以一定的周期检测切换目标小区基站T-eNB和当前服务小区基站S-eNB发来的信息，判断信号质量的好坏。
3、从控机车根据预定切换准则，以信号强度为基准，自行决定是否进行切换。当接收到的信号满足RSRPT＞RSRPS+HOM，从控机车决定进行切换操作。此时，从控机车改变接收天线的频率，开始接收目标小区T-eNB的信息，参照图5。
4、重载列车的三列从控机车分别依次进行以上2、3步操作，直到最后一列从控机车完成切换。
5、列尾向切换目标小区基站T-eNB发送上行信号，通知目标小区基站T-eNB切换结束。
6、通过两小区基站间的联系，切换目标小区基站T-eNB通知当前服务小区基站S-eNB切换完成，准备结束广播。
7、切换目标小区向MME发送路径切换请求。
8、MME向S-GW发送用户面更新请求。
9、用户面切换下行路径到目标侧。
10、S-GW向MME反馈用户面更新请求ACK.
11、MME向切换目标小区反馈路径切换请求ACK。
12、切换目标小区指示当前服务小区释放信道资源，解除两基站之间数据链路。
13、切换完成，当前服务小区结束广播同步操控信息，切换目标小区继续广播同步操控消息，参照图6。
以上对本发明所提供的基于广播的LTE-R重载铁路同步操控通信系统及切换方法进行详细介绍，本文中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (5)
1.基于广播的LTE-R同步操控通信系统，其特征在于：
包括核心网EPC模块，核心网EPC模块主要由移动管理实体MME、归属签约用户服务器HSS、服务网关S-GW、分组数据网网关P-GW等网元组成，以有线方式与基站eNodeB相连接；
基站eNodeB模块，基站eNodeB架设在铁路沿线，为列车机车终端提供一定频率的信号，使得列车机车终端数据传输链路始终处于连接状态；
列车终端模块，列车终端模块包含位于一列主控机车上的终端和分别位于三辆从控机车上的终端，通过无线传输链路与基站eNodeB相连接；
列车列尾模块，列车列尾模块位于最后一列从控机车上，通过无线链路与其他机车进行通信；
列控数据实时传输系统，在调度中心设置核心网EPC模块，优选基站eNodeB模块沿列车运行线路呈线状分布；为减小系统内干扰，频率规划采用5M异频组网，相邻小区采用不同载波频率。
2.基于数据广播的LTE-R同步操控通信系统的切换方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1）网络侧注册，列车在始发站出发前，列车机车终端进行网络注册登记，根据列车车次号确定列车行驶经过小区的切换顺序列表；
步骤2）数据传输链路建立，由核心网EPC模块开启覆盖当前服务小区的天线，由网络分配给列车机车终端固定频率和时隙给该列车，建立数据传输链路；
步骤3）切换，列车进入当前服务小区与切换目标小区重叠区域时，根据预定切换准则，核心网EPC模块根据小区的切换顺序列表开启覆盖切换目标小区的基站天线，并建立当前服务小区与切换目标小区基站间的数据连接，列车发送上行链路信号到切换目标小区，当整列火车均切换入切换目标小区时，核心网EPC模块根据切换策略关闭覆盖当前服务小区的天线；列车一直向终点站进发，核心网EPC模块根据预定切换准则和小区的切换顺序列表不断地进行切换；
步骤4）网络侧注销步骤，当网络侧完成最后一个小区的切换后，列车将到达终点站，当停靠终点站后，进行网络侧注销，列车终端释放其无线频率资源。
3.根据权利要求2所述的基于广播的LTE-R同步操控通信系统的切换方法，其特征在于步骤3）还进一步还包括：优选核心网EPC的切换准则为基于信号强度检测的切换准则，且主控机车和从控机车分别采用不同的切换类型：其中，主控机车采用终端辅助的切换，当主控机车上的终端检测到新小区信号强度超过当前小区，并且信号强度达到预定门限值时，核心网EPC通过控制基站天线状态进行切换；从控机车采用终端控制的切换，当从控机车接收到新小区信号强度超过当前小区，并且信号强度达到预定门限值时，列车上的终端通过控制接收天线的接收信号频率进行切换。
4.根据权利要求2所述的基于广播的LTE-R同步操控通信系统的切换方法，其特征在于步骤3）还进一步还包括：优选切换步骤中，主控机车通过无线接入网使用终端协助的硬切换算法来支持移动性：周期性的或有触发事件的，机车终端测量下行链路信号质量并发送测量报告到服务小区基站S-eNodeB；S-eNodeB在测量报告以及与主控机车终端和目标小区基站T-eNodeB的协商下来决定切换是否进行。
5.根据权利要求2所述的基于广播的LTE-R同步操控通信系统的切换方法，其特征在于步骤3）还进一步还包括：优选切换步骤中，从控机车采用终端控制的切换策略：当主控机车完成越区切换后，从控机车终端同时测量服务小区基站S-eNodeB和目标小区基站T-eNodeB以不同频率发送的下行链路信号电平，当从控机车接收到目标小区信号强度超过当前服务小区，并且信号强度达到预定门限值时，从控机车上的终端改变接收天线的接收信号频率，进行切换。
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