CN104219769A - 一种基于lte的高铁无线通信系统及其资源分配方法 - Google Patents

Abstract

一种基于LTE的高铁无线通信系统及其资源分配方法，所述系统包括高铁LTE回传系统，车厢内接入系统和核心网。高铁LTE回传系统用于作为多种接入网数据流回传核心网的传输承载，为车厢内各种业务提供传输通道，它由TAU、eNB-R和EPC-R构成。车厢内接入系统，用于2G、3G、WLAN、LTE用户业务接入，与LTE回传系统直接交互。核心网，核心网包含2G、3G、WLAN、LTE的业务核心网，负责对应业务的核心处理，与LTE回传系统直接交互。本发明提出了适用于高铁高速移动场景下的通信系统架构，并在此基础上提出了具体的资源分配方法和实现方案，能有效解决多种接入系统在高铁高速移动场景下的无线公网通信问题。

Description

一种基于LTE的高铁无线通信系统及其资源分配方法

技术领域

本发明涉及一种基于LTE的高铁无线通信系统及其资源分配方法，属高铁无线通信技术领域。

背景技术

早期人们已经对铁路移动通信系统进行了较多的研究。GSM-R是欧洲专门为铁路开发的移动通信系统，也早在2000年被铁道部确定为我国铁路数字移动通信网络的技术体制和发展方向。近几年3G技术发展迅速，为解决高速率通信提供了较好的解决方案。但是2、3G能够提供的空口速率毕竟有限，尤其是高铁时代的带来，时速300Km/h，2、3G通信系统面临更多的挑战。高速移动下多普勒效应更为严重，速度的增加导致移动通信系统切换频繁进而影响通话质量甚至导致掉话率的恶化，全封闭车厢带来的信号穿透损耗大，一定程度地影响了空口速率进而影响用户体验等。高铁场景下，传统2、3G铁路移动通信系统能够提供的业务性能和业务体验已经捉襟见肘，研究更为合理的高铁场景通信方案迫在眉睫。

LTE(Long Term Evolution，长期演进)是由3GPP(The 3rd GenerationPartnership Project，第三代合作伙伴计划)组织制定的UMTS(UniversalMobile Telecommunications System，通用移动通信系统)技术标准的长期演进，LTE技术是长期演进技术。

公开号CN102036423公开了一种用于铁路运输的无线通信系统，该通信系统包括移动终端和WiMAX网络实体。公开号CN1703103公开了一种用于铁路的蜂窝宽带无线接入网。

传统移动通信系统的接入网是直接通过有线链路与核心网相连。而现有技术方案基本都是在不改变传统通信系统架构的基础上进行相应的技术优化，不能从根本解决2G、3G技术在高速移动下的小区切换、高铁场景全封闭车厢穿透损耗大和本身存在的容量缺陷等问题。公开号CN102036423公开的一种用于铁路运输的无线通信系统是用于铁路运输的通信系统，它采用WiMAX技术，不是用于无线公网的通信系统，且不是重点针对高铁高速移动通信场景，与本发明不同；而公开号CN1703103公开的一种用于铁路的蜂窝宽带无线接入网，研究的是传统蜂窝无线通信网络的优化方案，不是重点针对高铁高速移动通信场景，应用于高铁通信场景存在局限性。

发明内容

本发明的目的是，为了解决当前高铁高速移动场景下掉话率高和可提供的数据速率低的问题，提出一种新的适用于高铁移动通信场景下的高铁通信系统架构,并针对该架构下空口资源有限问题，提出满足业务需求的资源分配方法和具体实现方案。

实现本发明的技术方案是，本发明基于LTE的高铁无线通信系统包括高铁LTE回传系统、车厢内接入系统和核心网，如图1所示。

所述高铁LTE回传系统，用于作为多种接入网数据流回传核心网的传输承载，为车厢内各种业务提供传输通道。高铁LTE回传系统由TAU(Train Acess Unit，列车接入单元)、演进的高铁基站eNB-R(含基带处理单元BBU和射频拉远模块RRU)和EPC-R(Evolved Packet Core-Railway，铁路分组演进)构成，采用LTE技术；TAU将汇聚业务流汇聚，通过编码调制经LTE空口传输，传给RRU-R做基站侧射频处理，处理后再交由BBU-R做基带处理，基带处理的信号由EPC-R处理后再分流走向业务对应的核心网处理。

由于LTE技术能够为350Km/h以上的高速移动用户提供网络接入服务，因此引入高铁LTE回传系统有望解决高速移动下的通信问题。

所述车厢内接入系统，用于2G、3G、WLAN(无线局域网)、LTE用户业务接入，与LTE回传系统直接交互。车厢接入系统负责包含2G、3G、WLAN、LTE等用户业务接入，与传统接入网最大差别就是其为小型接入点，且不与通过有线光纤传输网与核心网交互，而是与高铁LTE回传系统直接交互。

所述核心网包含2G、3G、WLAN、LTE的业务核心网，负责对应业务的核心处理，与高铁LTE回传系统直接交互。

本发明在高铁引入LTE回传系统后，有线链路被无线链路取代，业务服务质量(QoS)将受到影响，测试结果表明业务QoS能得到保障，引入LTE回传空口的高铁通信系统是可行的，但其中的系统功能结构有部分的变化。另外无线链路相对有线链路稳定性不足，能够提供的速率有限，需制定该通信架构下有效的LTE空口资源分配方案。

引入高铁LTE回传系统的高铁通信系统架构不同于当前高速通信场景依旧采用的传统无线公网的通信方式，需在高铁LTE回传系统增加部分功能实体。

本发明高铁LTE回传系统的功能实体包括信息收集单元、策略单元和业务等级数据库，如图2所示。

信息收集单元作为高铁LTE回传系统的功能单元之一，用于收集业务流信息、当前TAU位置信息、所处LTE小区的TAU数量信息等，提供给策略单元。

策略单元作为高铁LTE回传系统的功能单元，以最大限度利用有限的空口资源为目的，用于生成空口承载策略和具体的资源分配方案。与传统通信系统相比，高铁LTE回传系统架构下的回传空口数据略显复杂，它是多种通信系统数据流的混合体。多种接入网数据流在TAU端汇聚，再经过LTE空口传输。然而对移动通信来说，空口资源是很有限的，尤其在高速移动下，空口资源受时变无线环境影响能够提供的无线容量弥足珍贵，因此有必要制定合理的空口策略。

所述策略单元分为三个部分：LTE容量估算、空口资源分配和空口传输实现。

LTE容量估算：TAU申请少量LTE资源块，用于估算整体LTE小区的可提供TAU位置处实际的空口容量速率。

空口资源分配：有必要让LTE空口区分出车厢内AP类型、业务类型甚至是业务等级，为车厢内用户提供以下不同等级的服务。

(1)可根据资费(WLAN<2G/3G)或运营策略(如3G用户优先)优先保证来自某类AP的数据业务；

(2)优先保证移动办公等需求迫切的高端用户的数据业务需求；优先保证流量小、传输效率高且收益高的业务(如网页浏览，几十kbps)，优先丢弃流量大或传输效率低的业务(如QQ)等。

空口资源分配还可将数据分为高优先级数据、中优先级数据和低优先级数据。高优先级数据可定为来自2/3G网络高端用户的高价值数据，中优先级数据指来自2/3G网络普通用户的高价值数据和高端用户的其它数据，低优先级数据指来自2/3G网络普通用户的其它数据和WLAN数据。在空口资源有限时优先丢弃优先级低的数据业务，以保证高优先级数据业务的传输。实现上对语音、信令和视频监控采用高优先级空口承载策略。对于数据，进一步修改承载级ARP(Allocation and Retention Priority)值，高优先级数据取ARP＝1，中优先级数据取ARP＝2，低优先级数据取ARP＝3进行标识。LTE空口资源的承载映射如图3所示。

空口传输实现：在实现方式上，列车接入单元和演进的高铁基站TAU/eNB-R根据传输层IP包头的DSCP(差分服务代码点)区分不同业务类型；TAU/eNB-R根据payload(有效载荷)下IP包头的DSCP区分不同的用户等级，甚至对业务类型进一步细分；TAU/eNB-R根据数据来源区分不同的车厢内接入点AP等。空口传输实现在实现方式上，如图4所示。

高铁LTE回传空口是无线资源，能够提供的空口速率受高铁移动速度和处于LTE小区的什么位置的影响(多普勒效应、信道衰落等因素影响)，因此有必要根据高铁LTE实际能够提供的空口速率制定最有效的空口资源分配方案，以最大限度的利用有限的空口资源。本发明高铁LTE回传空口的资源分配流程如下(空口资源分配流程如图5所示)：

(1)车厢内部署2G、3G、WLAN或4G的用户接入点(AP)，用户终端自动选择车厢内的相应类型接入点接入无线公网；

(2)高铁LTE回传系统的对多种业务类型的数据进行汇聚，并统计出不同业务类型的数据流的数据特征，存储到业务等级数据库中；

(3)高铁LTE回传系统的信息收集单元收集业务流信息、当前TAU位置信息、所处LTE小区的TAU数量信息，提供给策略单元；

(4)策略单元进行信息分析，估算LTE空口容量，结合已经配置好的业务等级信息对不同的业务进行分类处理，生成空口承载方案；实现上对不同的业务类型给其传输层IP包头的DSCP设置不同的值，同时按生成的空口承载方案对不同类型业务的空口承载设置承载等级；

(5)发包验证生成的空口承载方案是否满足QoS要求，由于时延信息基本能满足要求，这里主要是检验业务丢包率，若不满足要求，高优先级数据的QoS过低甚至不如低优先级，有必要重新分配LTE空口的资源块数，适度增加高优先级业务的资源块数目，减少低优先级业务的资源块数，重新回到步骤204；若满足QoS要求，则应用该策略，同时在回传核心网时进行反方向的分流。

本发明的工作原理是，高铁LTE回传系统实际就是一个LTE接入系统，高铁的TAU相当于LTE系统的UE，其他部分为LTE基站，只是这个高铁LTE回传系统主要职责是为车厢内各种业务提供传输通道的。比如火车内的一个GSM用户，传统通信系统的关联关系为：GSM手机——GSM空口无线传输——GSM基站——有线传输——GSM核心网，而本发明中一个GSM用户通信的过程关联为：GSM手机——GSM空口无线传输——GSM车厢内接入点——业务汇聚——高铁上的TAU——LTE基站——业务分解——有线传输——GSM核心网。

本发明的有益效果是，本发明提出了适用于高铁高速移动场景下的通信系统架构，并在此基础上提出了具体的资源分配方法和实现方案，能有效解决多种接入系统在高铁高速移动场景下的无线公网通信问题。

本发明对高铁LTE回传系统中的策略单元能有效完成LTE容量估算、空口资源分配和空口传输实现等功能。本发明对空口资源分配方法，从实际网络容量出发，结合业务等级，能有效利用有限的空口资源，提高了资源利用效率。

本发明适用于多种接入系统在高铁高速移动场景下的无线公网通信。

附图说明

图1为高铁通信系统架构示意图；图2为高铁通信系统功能结构示意图；

图3为LTE空口资源的承载映射示意图；

图4为业务等级的空口传输实现示意图；

图5为空口资源分配流程图；

图6为实施例高速列车极端场景示意图；

图7为引入高铁LTE回传系统后语音时延分析示意图；

图中，1指语音；2指信令；3指视频监控；4指高优先级数据；5指中优先级数据；6指低优先级数据；11为LTE回传系统；12为车厢内接入系统；13为核心网；111为信息收集单元；112为策略单元；113为业务等级数据库；A车方向：由左向右；B车方向：由右向左；A1、A2为A车两TAU；B1、B2为B车两TAU；BSC-RNC为基站控制器-无线网络控制器；UGW为用户接入网关。

具体实施方式

本发明具体实施方式如下：

列车静止或低速场景能够提供的空口速率较高，相对高速场景优势明显，这里速率分析主要分析高速场景。高速情况下，考虑到多普勒频移、信道衰落等因素，LTE空口数据速率衰落严重。在2.3G频段、载波带宽20M、上下行时隙比2:2、特殊子帧配置10:2:2、64QAM调制、2×2天线、移动速度为300Km/h环境下，若高铁LTE回传系统信息收集单元和策略单元反馈信息为：低信噪比时(列车处于LTE小区边缘时)下行速率为4Mbps，高信噪比时(列车处于LTE小区中心时)速率为10Mbps。(当然可能实际速率比这个高，这里为了分析空口资源受限故作此假设)如表1所示为高速场景下高铁LTE回传系统反馈的空口速率结果。

表1

	高信噪比	低信噪比
			下行速率	10Mbps	4Mbps

车厢内通信系统为提供业务服务，需保障相应的业务速率，因此回传系统需提供对应的回传带宽。若根据回传系统信息收集单元收集到的业务汇聚信息，得到各业务的带宽需求和业务等级信息如表2所示。

表2

根据表2数据可知，回传系统需最低达到2Mbps的速率，才可以保证基本的语音、信令和视频监控业务需求，如可以提供更高的带宽，则可以在车厢内支持更多的数据业务。

下面将从高铁LTE回传系统的特征出发，详细阐述高铁移动通信各场景资源分配策略。

在高速场景下，LTE回传空口的数据速率有限，并且随列车运行不断起伏，在小区边缘时能提供4Mbps，运动到小区中心时能提供10Mbps。

通常状态下一个小区内为2个TAU用户(一辆列车两个动车组)，两车对开时最多为4个用户，这时每个TAU可分配的资源骤降。最极端场景为两车同时从两侧边缘开入小区，这时受影响时间最长，高速列车极端场景如图6所示。

针对以上特征，以列车AB所处位置分类，将得到如下简单资源分配策略：

小区内只有一辆列车时，在小区边缘单个TAU的LTE回传空口能达到2Mbps的速率，可以保证语音信令和视频监控2个GBR承载的需求；当列车逐渐接近小区中心，LTE回传空口速率提升，可以开始承载2/3G及WLAN数据业务，这是策略单元可根据信息收集单元反馈结果不断修正LTE资源块分配情况。

两车对开且都处于小区边缘时，单个TAU的LTE回传空口速率降到1M(一个LTE小区能提供在边缘的列车总速率4M，4个TAU，则平均一个TAU可以获得1M速率支持)，可以认为是速率低谷，此时只能满足车厢内语音业务需求，资源分配策略中考虑语音业务抢占资源。

两车对开，一车处于小区边缘、另一车处于小区中心时，无法保证边缘TAU的视频监控业务；由于仍有一半的空口资源被分配给边缘TAU，所以小区中心TAU即使处于较好的无线环境中，回传空口的速率仍然非常有限，只能承载少量高优先级数据业务。

各场景可分配空口资源整理如表3所示，不同场景下，列车可使用的回传空口带宽以及可提供的业务种类、速率情况不同，高铁LTE回传系统策略单元不断进行空口资源的重分配能有效利用有限的空口资源。

表3

高铁通信系统在传统移动通信系统的基础上引入高铁LTE回传系统是否可行，主要可以从能否满足业务QoS要求的角度考虑。业务QoS的影响主要可以从下面两方面进行分析，即时延和丢包率，重点分析引入回传系统后，业务QoS的变化情况，是否仍然能够满足通信要求。

一、时延分析：在高铁通信系统中，基站与基站控制设备之间传统的有线接口由高铁LTE回传系统代替，引入了额外的时延。由于数据业务本身对于时延的要求较低，因此重点分析引入时延对于语音和信令的影响。

(1)语音

一般认为，语音端到端时延在100～200ms范围开始被收听者察觉，使会话不自然，建议的时延上限为150ms。因此，建议高铁系统单向时延小于75ms，以保证良好的语音用户感受。

对引入高铁LTE回传系统后单向语音时延各项组成部分的分析如图7所示：

车厢内空口时延：20ms。参考LTE实际测试空口时延15ms，适当留有余量。

设备处理时延：5ms。考虑到TAU与普通终端相比，要完成数据包汇聚与转发功能，为其预留一定的处理时延。

LTE空口时延：15ms。根据实际测试结果得到。

回传核心网时延：10ms。参考实际核心网时延10ms，但考虑到回传核心网较简单，因此此项时延留有较大余量。

实际核心网时延：10ms。根据NGMN(下一代移动通信网)对LTE系统的建议值得到。

可见，在考虑预留的前提下，引入高铁LTE回传系统后的语音单向时延为60ms，与75ms的要求有一定差距。因此引入高铁LTE回传系统后，语音质量可以满足需求。

(2)信令

引入高铁LTE回传系统后，每条经过Abis/Iub/S1接口的信令均增加20～30ms的空口时延，这对于需要信令交互的流程将产生较大的影响，其中与用户实际感受最为相关的是呼叫建立流程。经某设备厂商对呼叫建立时延的测试，得到呼叫建立时延测试结果如表4。由回传系统引入的额外时延在300ms以下，相对于整体时延4.5～7s可以忽略，因此不会影响实际用户感受。

表4

(3)数据

数据业务本身对时延的要求较低，一般为1～10s，且用户对于时延的敏感度较低，因此数据业务体验基本不受影响。

综上所述，从语音、信令和数据三个角度分析，引入回传系统后的时延能够得到有效保障。

二、丢包率分析

各类业务对丢包率的需求如表5所示。车厢内属于相对静止环境，空口质量较好，产生丢包主要由LTE回传空口造成，因此需要做好回传空口的丢包控制。LTE已经有很多相应的控制机制，如通过AMC(自适应调制编码)、HARQ(混合自动重传请求)、功控等技术控制丢包率，以达到满足业务需求的目的。

表5

业务类型	丢包率需求
		语音	<10-2
数据	<10-6
		视频	<10-2
信令	<10-6

根据本实施例对时延和丢包率分析，提出的基于LTE的高铁无线通信系统架构完全能够满足基本的业务QoS需求。

Claims (5)

1.一种基于LTE的高铁无线通信系统，其特征在于，所述系统包括：

高铁LTE回传系统，用于作为多种接入网数据流回传核心网的传输承载，为车厢内各种业务提供传输通道，它由列车接入单元TAU、演进的高铁基站eNB-R和铁路分组演进EPC-R构成；eNB-R含基带处理单元BBU和射频拉远模块RRU；TAU将汇聚业务流汇聚，通过编码调制经LTE空口传输，传给RRU-R做基站侧射频处理，处理后再交由BBU-R做基带处理，基带处理的信号由EPC-R处理后再分流走向业务对应的核心网处理；

车厢内接入系统，用于2G、3G、WLAN、LTE用户业务接入，与LTE回传系统直接交互；

核心网，核心网包含2G、3G、WLAN、LTE的业务核心网，负责对应业务的核心处理，与LTE回传系统直接交互。

2.根据权利要求1所述一种基于LTE的高铁无线通信系统，其特征在于，所述高铁LTE回传系统，包括信息收集单元、策略单元和业务等级数据库；

所述信息收集单元，用于收集业务流信息、当前TAU位置信息、所处LTE小区的TAU数量信息，提供给策略单元；

所述策略单元，用于生成空口承载策略和具体的资源分配方案；高铁LTE回传系统架构下的回传空口数据是多种通信系统数据流的混合体；多种接入网数据流在TAU端汇聚，再经过LTE空口传输；由于空口资源很有限，必须制定合理的空口策略；所述策略单元分为LTE容量估算、空口资源分配和空口传输实现三部分；

所述业务等级数据库，用于存储定义好的业务等级信息，同时实时更新当前汇聚数据流业务状态信息。

3.根据权利要求2所述一种基于LTE的高铁无线通信系统，其特征在于，

所述LTE容量估算，由TAU申请少量LTE资源块，用于估算整体LTE小区的可提供TAU位置处实际的空口容量速率；

所述空口资源分配，让LTE空口区分出车厢内AP类型、业务类型甚至是业务等级，为车厢内用户提供不同等级的服务；

所述空口传输实现，TAU/eNB-R根据传输层IP包头的DSCP区分不同业务类型；TAU/eNB-R根据payload IP包头的DSCP区分不同的用户等级，甚至对业务类型进一步细分；TAU/eNB-R根据数据来源区分不同的车厢内AP。

4.根据权利要求3所述的一种基于LTE的高铁无线通信系统，其特征在于，所述不同等级的服务原则包括：

（1）根据资费（WLAN<2G/3G）或运营策略优先保证来自某类AP的数据业务；

（2）优先保证移动办公需求迫切的高端用户的数据业务需求；优先保证流量小、传输效率高且收益高的业务；优先丢弃流量大或传输效率低的业务；

可将数据分为高优先级数据、中优先级数据和低优先级数据；高优先级数据可定为来自2/3G网络高端用户的高价值数据，中优先级数据指来自2/3G网络普通用户的高价值数据和高端用户的其它数据，低优先级数据指来自2/3G网络普通用户的其它数据和WLAN数据；

在空口资源有限时优先丢弃优先级低的数据业务，以保证高优先级数据业务的传输。

5.一种高铁LTE回传系统空口资源分配方法，其特征在于，所述方法的流程为：

（1）车厢内部署2G、3G、WLAN或4G的用户接入点（AP），用户终端自动选择车厢内的相应类型接入点接入无线公网；

（2）高铁LTE回传系统的对多种业务类型的数据进行汇聚，并统计出不同业务类型的数据流的数据特征，存储到业务等级数据库中；

（3）高铁LTE回传系统的信息收集单元收集业务流信息、当前TAU位置信息、所处LTE小区的TAU数量信息，提供给策略单元；

（4）策略单元进行信息分析，估算LTE空口容量，结合已经配置好的业务等级信息对不同的业务进行分类处理，生成空口承载方案；实现上对不同的业务类型给其传输层IP包头的DSCP设置不同的值，同时按生成的空口承载方案对不同类型业务的空口承载设置承载等级；

（5）发包验证生成的空口承载方案是否满足QoS要求，由于时延信息基本能满足要求，这里主要是检验业务丢包率，若不满足要求，高优先级数据的QoS过低甚至不如低优先级，有必要重新分配LTE空口的资源块数，适度增加高优先级业务的资源块数目，减少低优先级业务的资源块数，重新回到步骤204；若满足QoS要求，则应用该策略，同时在回传核心网时进行反方向的分流。