CN107659942A - 一种基于认知基站的铁路通信频谱共享方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于认知基站的铁路通信频谱共享方法和系统，其定义认知基站的功能、认知网络的构成部分和认知基站的队列管理策略。认知基站首先对接收到的数据进行区分，判别出数据是主用户数据，或是次用户数据；并优先给主用户分配资源，在有资源剩余的情况下给次用户分配资源；认知基站在处理次用户数据时优先给服务类型值大的次用户分配资源，尽量减少服务类型值大的次用户的平均接收延时。本发明在铁路通信专网中构建认知无线网络，在保障车地正常通信的前提下，通过认知网络中的认知基站提高频谱资源的利用率，有效减少旅客实时业务的延时。

Description

一种基于认知基站的铁路通信频谱共享方法和系统

技术领域

本发明涉及铁路无线通信领域，特别是涉及一种基于认知基站的铁路通信频谱共享方法和系统。

背景技术

近年来，轨道交通得到了快速的发展，特别是高铁、地铁和有轨电车等。研究表明，美国已经提出建设高铁的计划，而我国高铁总里程到2020年将突破18000公里。目前，铁路通信系统大多使用基于GSM通信的ETCS(European train control system，欧洲列车控制系统)技术，也就是GSM-R(GSM-Railway，数字移动通信系统)。但GSM-R数据承载能力弱，不能满足日益蓬勃的铁路业务的发展需求，且不能给旅客提供便捷的宽带无线接入服务等。

作为当前主流的宽带无线通信技术，LTE具有较高的数据速率和频谱效率。全IP的扁平化网络架构使其网络延时大大减少，1ms的TTI(Time Transmission Interval,传输时间间隔)使其能处理更多的网络通信数据，采用MIMO(Multiple Input Multiple Output，多输入多输出技术)后能够获得更快的速率。因此，在铁路通信的演进过程中，LTE-R(LTE-Railway，长期演进铁路通信系统)很有可能成为下一代铁路无线通信系统，并在2020年前后开始部署替代现有的GSM-R。

铁路通信是一个复杂的专用通信系统，受到很多现实条件的影响。如高速运动的列车受到多普勒频移的影响；铁路道路路况复杂，有高架、封闭隧道等。因此，保障铁路通信系统的可靠性和低延时是关键。铁路通信作为专用的通信系统，享有专用的通信频段，但其下行网络数据量小，频谱空闲时间多，存在明显的频谱浪费。FCC(联邦通信委员会)提供的研究也表明现已分配的大部分授权频谱存在着时域、频域和空间上的不充分利用。特别是一些授权频谱，大部分时间里没有用户使用，造成了严重的频谱浪费。

因此，现有技术存在以下技术问题：

第一，现有的铁路通信是专用通信，存在频谱资源浪费现象，与日益紧张的频谱现状相违背。

第二，现有的铁路通信环境中，车载通信和旅客通信是相互独立的，旅客通信体验有待改进。

发明内容

本发明提出了一种基于认知基站的铁路通信频谱共享方法和系统，能够在保障车地正常通信的前提下，提高了长期演进铁路通信系统频谱的利用率，并且能够有效地减少旅客实时业务的延时，提高了用户体验。

本发明所述的基于认知基站的铁路通信频谱共享方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一，当前TTI(time transmission interval，传输时间间隔)开始；

步骤二，C-eNodeB(cognitive-eNodeB，认知长期演进铁路通信系统基站)遍历其上的无线承载，获取当前TTI里所有活跃的PU(primary user，主用户)的数量；

步骤三，C-eNodeB判断是否有PU等待调度，若是，则进入步骤四，若否，则进入步骤九；

步骤四，C-eNodeB根据轮询平均分配的调度策略给PU分配等量的RB(resourceblock，资源块)并配置相应的下行调度配置指示参数和保存尚未得到服务的PU，等待下一个TTI；

步骤五，C-eNodeB判断是否有不足以分配给PU的RB，若是，则进入步骤六，若否，则进入步骤八；

步骤六，C-eNodeB将剩余不足以分配给PU的RB分配给SU(secondary user，次用户)；

步骤七，C-eNodeB生成PU和SU联合下行调度指示，进入步骤十二；

步骤八，C-eNodeB生成独立PU下行调度指示，进入步骤十二；

步骤九，C-eNodeB判断是否有SU等待调度，若是，则进入步骤十，若否，则进入步骤十二；

步骤十，C-eNodeB将所有的RB分配给SU；

步骤十一，C-eNodeB生成独立SU下行调度指示，进入步骤十二；

步骤十二；当前TTI结束。

优选地，在步骤五中，C-eNodeB根据公式一判断是否有不足以分配给PU的RB剩余，

表示在TTI t里被浪费的RBG(resource block group，资源块组)数量，表示在TTI t里需要被调度的PU数量，N_rbg表示系统的RBG数量。

优选地，在步骤六和步骤十中，C-eNodeB在为SU分配资源块之前，对SU队列中的每个分组按服务类型值从大到小的顺序进行重排，形成新的次用户队列，并按照所述新的SU队列进行RB分配。

优选地，服务类型值是预先设定的，其中，VoIP业务的服务类型值大于Video业务的服务类型值，Video业务的服务类型值大于Best Effort业务的服务类型值。

优选地，PU是列车上的车载通信设备，每个PU对应一种铁路应用业务，各PU相互独立；SU是列车上的旅客设备。

本发明所述的实现上述权利要求中任意一项所述方法的基于认知基站的铁路通信频谱共享系统，其特征在于所述系统包括：

核心网络，包括列车控制中心和Internet，所述列车控制中心用于对列车进行控制；

汇聚层网络，包括服务网关和接入网关，所述汇聚层网络用于将不同通信技术的数据汇聚到服务网关进行数据交换；

接入网，包括认知长期演进铁路通信系统基站C-eNodeB和LTE eNodeB，其中，C-eNodeB用于区分PU和SU的业务数据，在有RB浪费的TTI里，将浪费的RB分配给SU通信，在SU有可用RB的TTI里，对不同业务的SU数据按照服务类型值重新排序，按照重新排序后的顺序进行数据处理；

铁路沿线网络，包括车载通信设备、旅客设备、无线接入点AP、车载网关VG；

其中，所述系统提供一条经过认知长期演进铁路通信系统网络的链路来给旅客提供Internet接入服务，旅客通过所述经过认知长期演进铁路通信系统网络的链路接入并使用Internet，或者旅客通过LTE的链路接入并使用Internet；在旅客通过所述经过认知长期演进铁路通信系统网络的链路接入并使用Internet的情况下，在下行链路方向，Internet的数据经过服务网关和接入网关到达C-eNodeB，C-eNodeB在不影响PU通信的情况下将所述数据通过空中接口发送给列车上的车载网关VG，车载网关VG通过光纤转发到无线接入点AP，无线接入点AP将数据转发到旅客设备；在上行链路方向，列车上的SU通过车载网关VG与C-eNodeB进行通信，接入并使用Internet。

优选的，车载网关VG设置于列车车顶上。

优选的，不同车厢的无线接入点AP通过光纤连接至车载网关VG。

为了提高LTE-R系统的下行频谱利用率，改善旅客在列车上的通信质量和乘车体验，本发明利用CR(Cognitive Radio，认知无线电技术)技术，将LTE-R系统中的轨旁eNodeB升级成C-eNodeB(Cognitive eNodeB，认知LTE-R基站)，并在LTE-R系统中构建基于C-eNodeB和VG(Vehicle Gateway，车载网关)的CRN(Cognitive Radio Network，认知无线网络)来实现PU(Primary User，主用户)和SU(Secondary User，次用户)的频谱共享，从而提高LTE-R下行频谱利用率。此外，本发明还从基于通信的铁路应用的角度出发，研究PU使用资源与SU可用资源之间的关系。针对由FIFO队列管理策略造成的实时业务延时过大的问题，提出基于TOS(Type of Service，服务类型)值优先的C-eNodeB队列管理策略，最大限度减少SU的RTS(Real-Time Service，实时业务)的接收延时。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是常见的LTE-R系统的网络架构图；

图2是本发明所述的基于认知基站的铁路通信频谱共享系统的网络架构图；

图3是常见的基于FIFO的队列管理策略；

图4是本发明所述的基于TOS值优先的C-eNodeB队列管理策略；

图5是本发明所述的基于认知基站的铁路通信频谱共享方法的流程图。

具体实施方式

基于通信的铁路应用和旅客应用

本发明中的PU是列车上的车载通信设备，每个PU仅接收一种铁路应用业务数据，各PU相互独立。SU是列车上的旅客设备，例如：手机，平板电脑，笔记本电脑等。

LTE-R的业务中，基于通信的铁路应用(对应于PU)可以归结为以下三种类型：第一种，关键性安全应用，例如：ETCS应用，其负责在列车车载单元和地面控制中心的数据交换，主要完成包括列车加速、减速、制动等操作。第二种，铁路运营相关的操作，例如：语音通话。第三种，不影响列车移动的额外应用，例如：视频监控、语音报站、发明件更新、旅客互联网应用等。

旅客应用(对应于SU)的类型除了BE(Best Effort，标准的因特网服务)，还可能包括VoIP、Video等，并且不同的应用具有不同的QoS(Quality of Service，服务质量)。为了对不同的旅客应用提供不同的QoS，本发明为不同的旅客应用预先设定不同的TOS值(服务类型值)值，例如设定VoIP业务的TOS值是224，Video业务的TOS值是160，BE业务的TOS值是0。

常见的LTE-R系统

图1是常见的LTE-R系统的网络架构图。如图1所示，常见的LTE-R系统的网络架构分为核心网络、汇聚层网络、接入网和铁路沿线网络四个部分。核心网络包括列车控制中心和Internet服务两个部分的网络。汇聚层主要负责将不同通信技术的数据汇聚到服务网关进行数据交换。接入网在本发明中包括LTE-R专用网络和运营商的LTE网络。铁路沿线网络主要包括列车车载设备与LTE-R基站的通信和旅客与运营商基站通信两部分。

在常见的LTE-R系统中，列车控制中心的数据首先经过SG(Service Gateway，服务网关)和AG(Access Gateway，接入网关)，然后到达轨旁的LTE-R eNodeB，最后LTE-ReNodeB将数据通过空中无线接口发送给列车上的PU，PU根据接收到的数据控制列车的运行，如加速、减速和制动等。在这样的网络架构中，SU只能通过轨旁运营商的LTE eNodeB接入并使用Internet。由于基于通信的列车应用是小流量应用，导致LTE-R系统的下行链路在大多时间里处于空闲状态，造成大量频谱浪费。

RR调度算法

RR(Round Robin，轮询)调度算法以轮询的方式在每个TTI里将系统的资源平均分配给活跃的UE。因为不考虑UE的信道条件和流量特点，所以RR在所有的调度算法中公平性最高。但由于RR的平均分配原则，在TTI中也造成了一定的资源浪费。本发明假设使用RR调度算法。

假设系统中有n个PU(n∈N,n＝1,2,…,12)，各PU独立存在。通过分析，在每个TTI里浪费RBG(RB Group，资源块组)的数量与PU的数量有以下关系：

表示在TTI t里被浪费的RBG数量，表示在TTI t里需要被调度的PU数量，N_rbg表示系统的RBG数量。从公式一可知，只有当等于零才没有RB浪费。否则，TTI中将存在RB浪费。

例如，按照3GPP规定，5MHz的系统带宽(LTE系统的带宽可以从1.4-20MHz)，其中10％的带宽作为通信保护带，剩余的4.5MHz带宽作为通信资源，分为25个RB。一个RB在时域上占0.5ms，在频域上占180kHz，由12个带宽为15kHz的连续子载波组成。RB可以进一步组合成RBG，当RB的数量大于10并小于30时，每个RBG包含2个RB。25个RB量化为12个RBG，剩下一个无用的RB。根据上面的分析，当系统有12个用户时(类似推广到N个用户)，有下表1。

表1一个TTI中需要被调度的PU数量与浪费的RBG之间的关系

实施例一

通过上面的分析发现，基于RR调度的LTE-R系统不仅存在空闲时间的资源浪费，还有TTI里的资源浪费。

为提高LTE-R系统的频谱利用率，本发明提出将LTE-R eNodeB升级成C-eNodeB，并定义C-eNodeB具有以下能力：1、准确区分PU和SU的业务数据，保障PU通信，确保列车运行安全。2、在有RB浪费的TTI里，将浪费的RB分配给SU通信。3、在SU有可用RB的TTI里，对不同业务的SU数据按照TOS值优先策略区别处理，减少实时业务的延时。

为降低系统的复杂度，减少穿透损耗和SU使用LTE-R授权频段对车地通信的干扰，本发明采用在列车车顶上增加VG(车载网关)的方法来实现旅客与列车在LTE-R系统中的频谱共享。不同车厢的AP(Access Point，无线接入点)通过光纤连接至VG，旅客在不同车厢仅需要连接到其所在车厢的AP即可享受Internet服务。该方法的优点是减少了由大量旅客在越区切换时产生的信令风暴对PU通信的影响。

图2是本发明所述的基于认知基站的铁路通信频谱共享系统的网络架构图。如图2所示，在不改变原网络构架的基础上，为旅客提供一条经过LTE-R系统的链路来给旅客提供Internet接入服务。与常见的LTE-R系统相同，本发明所述的基于认知基站的铁路通信频谱共享系统包括核心网络、汇聚层网络、接入网和铁路沿线网络四个部分。其中，核心网络包括列车控制中心和Internet服务两个部分的网络。汇聚层主要负责将不同通信技术的数据汇聚到服务网关进行数据交换。接入网包括LTE-R专用网络和运营商的LTE网络。铁路沿线网络主要包括列车车载设备与LTE-R基站的通信和旅客与运营商基站通信两部分。

在下行链路方向，Internet的数据经过SG和AG到达C-eNodeB，C-eNodeB在不影响PU通信的情况下将这些数据通过空中接口发送给列车上的VG，VG通过光纤转发到AP，最后到旅客设备，实现频谱共享。在上行链路方向，列车上的SU除了通过运营商的LTE eNodeB接入Internet外，还可通过VG与C-eNodeB进行通信，接入并使用Internet。本发明通过在车顶增加VG与C-eNodeB通信的方法来实现PU和SU在LTE-R系统中的资源共享。

图3为常见的基于FIFO的队列管理策略。如图3示，在C-eNodeB端的RLC(radiolink control，无线链路控制层)，每个PU都具有一个独立的FIFO队列。SU通过VG与C-eNodeB通信，在C-eNodeB的RLC层只有一个FIFO队列，去往不同SU的数据需要在这个唯一的FIFO队列中排队等待传送机会。当列车控制中心或Internet的数据分组经过SG和AG到达C-eNodeB时，C-eNodeB在其分组过滤器中对接收到的每一个分组进行分类。去往不同PU的分组按到达顺序的先后排队进入各自所属的队列，不同SU的分组按到达顺序进入队列等待调度。在每个TTI里，C-eNodeB首先给PU分配RB，保障列车控制信号及相关应用数据的正常发送。根据RR的调度规则，如2.1.2叙述，当不为0时，会有空闲的RB或不足以分配给PU的RB剩余。C-eNodeB把这部分RB分配给SU，里面的分组被调度发送往VG，VG往下转发给SU。由于C-eNodeB只有当不为0时才会给SU分配RB，这一定程度上造成SU数据接收的延时，特别是当SU在较长时间里得不到调度机会时，分组延时将特别大。

本发明改进了RR调度算法，提出MRR(Modify RR，改进RR)调度算法。在每个TTI开始后，MRR调度算法首先遍历所有无线承载获得当前TTI中活跃的PU数量，然后根据公式一计算出接下来通过参数来进行资源分配。若值为0，即该TTI没有剩余RB分配给SU，给PU分配完RBG之后生成调度指示并结束该TTI。若值不为0，该TTI有个不足以分配给PU的RBG剩余，MRR给每个活跃的PU分配完RBG后将剩余的个RBG分配给SU，生成调度指示并结束该TTI。

图4是本发明所述的基于TOS值优先的C-eNodeB队列管理策略。在C-eNodeB端，C-eNodeB除了处理PU的数据外，还需要对SU的数据进行转发。为解决认知网络构架和单一车载网关造成的SU分组接收延时问题，本发明提出基于TOS值优先的C-eNodeB队列管理策略。如图4所示，不同于FIFO队列管理策略只是按数据到达的先后顺序将分组放入对应的队列中区，C-eNodeB使用基于TOS值优先队列管理策略后，在C-eNodeB处，当接收到的SU数据分组是VoIP或Video时，使用C++sort()函数对队列中的每个分组按TOS值从大到小的顺序进行分组重排，形成新的队列从而保证在有发送机会时，TOS值大的实时业务分组能够优先得到转发机会，减少实时业务的接收延时。

实施例二

图5是本发明所述的基于认知基站的铁路通信频谱共享方法的流程图，所述方法包括如下步骤：

步骤一，当前传输时间间隔开始；

步骤二，认知LTE-R基站C-eNodeB遍历所有无线承载，获取当前传输时间间隔内所有活跃的主用户的数量；

步骤三，C-eNodeB判断是否有主用户等待调度，若是，则进入步骤四，若否，则进入步骤九；

步骤四，C-eNodeB根据轮训平均分配的调度策略给主用户分配等量的资源块并配置相应的下行调度配置指示参数和保存尚未得到服务的主用户的相关信息，等待下一个传输时间间隔；

步骤五，C-eNodeB判断是否有不足以分配给主用户的资源块，若是，则进入步骤六，若否，则进入步骤八；

步骤六，C-eNodeB将剩余不足以分配给主用户的资源块分配给次用户；

步骤七，C-eNodeB生成主用户和次用户联合下行调度指示，进入步骤十二；

步骤八，C-eNodeB生成独立主用户下行调度指示，进入步骤十二；

步骤九，C-eNodeB判断是否有次用户等待调度，若是，则进入步骤十，若否，则进入步骤十二；

步骤十，C-eNodeB将所有的资源块分配给次用户；

步骤十一，C-eNodeB生成独立次用户下行调度指示，进入步骤十二；

步骤十二；当前传输时间间隔结束。

作为专用通信系统的一种，铁路通信系统在大多时间里存在频谱浪费。鉴于此，本发明通过在长期演进铁路通信系统中构建认知无线网络的方法提高频谱利用率。在构建的认知网络中，认知基站将系统浪费的频谱共享给旅客使用。另外，针对认知网络架构和单一车载网关造成次用户的实时业务的延时过大问题，本发明提出基于服务类型值优先的认知基站队列管理策略。仿真结果表明，在保障车地正常通信的前提下，构建的认知无线网络提高了长期演进铁路通信系统频谱的利用率。且所提出的队列管理策略有效地减少旅客实时业务的延时。未来，铁路运营商可以利用LTE-R系统中的空闲频谱资源为旅客提供Internet服务。通过给乘客提供不同服务质量等级的Internet接入服务作为铁路运营的增值服务，在增加铁路运营收入同时提高旅客的乘车体验。

应当理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不足以限制本发明的技术方案，对本领域普通技术人员来说，在本发明的精神和原则之内，可以根据上述说明加以增减、替换、变换或改进，而所有这些增减、替换、变换或改进后的技术方案，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于认知基站的铁路通信频谱共享方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

步骤一，当前传输时间间隔(TTI)开始；

步骤二，认知长期演进铁路通信系统基站(C-eNodeB)遍历其上的无线承载，获取当前TTI里所有活跃的主用户(PU)的数量；

步骤三，C-eNodeB判断是否有PU等待调度，若是，则进入步骤四，若否，则进入步骤九；

步骤四，C-eNodeB根据轮询平均分配的调度策略给PU分配等量的资源块(RB)并配置相应的下行调度配置指示参数和保存尚未得到服务的PU，等待下一个TTI；

步骤五，C-eNodeB判断是否有不足以分配给PU的RB，若是，则进入步骤六，若否，则进入步骤八；

步骤六，C-eNodeB将剩余不足以分配给PU的RB分配给次用户(SU)；

步骤七，C-eNodeB生成PU和SU联合下行调度指示，进入步骤十二；

步骤八，C-eNodeB生成独立PU下行调度指示，进入步骤十二；

步骤九，C-eNodeB判断是否有SU等待调度，若是，则进入步骤十，若否，则进入步骤十二；

步骤十，C-eNodeB将所有的RB分配给SU；

步骤十一，C-eNodeB生成独立SU下行调度指示，进入步骤十二；

步骤十二；当前TTI结束。

2.根据权利要求1所述的基于认知基站的铁路通信频谱共享方法，其特征在于：

在步骤五中，C-eNodeB根据公式一判断是否有不足以分配给PU的RB剩余，

表示在TTI t里被浪费的资源块组(RBG)数量，表示在TTI t里需要被调度的PU数量，N_rbg表示系统的RBG数量。

3.根据权利要求1所述的基于认知基站的铁路通信频谱共享方法，其特征在于：

在步骤六和步骤十中，C-eNodeB在为SU分配资源块之前，对SU队列中的每个分组按服务类型值从大到小的顺序进行重排，形成新的次用户队列，并按照所述新的SU队列进行RB分配。

4.根据权利要求3所述的基于认知基站的铁路通信频谱共享方法，其特征在于：

服务类型值是预先设定的，其中，VoIP业务的服务类型值大于Video业务的服务类型值，Video业务的服务类型值大于Best Effort业务的服务类型值。

5.根据权利要求1所述的基于认知基站的铁路通信频谱共享方法，其特征在于：

PU是列车上的车载通信设备，每个PU对应一种铁路应用业务，各PU相互独立；SU是列车上的旅客设备。

6.一种实现权利要求1-5中任意一项所述方法的基于认知基站的铁路通信频谱共享系统，其特征在于所述系统包括：

核心网络，包括列车控制中心和Internet，所述列车控制中心用于对列车进行控制；

汇聚层网络，包括服务网关和接入网关，所述汇聚层网络用于将不同通信技术的数据汇聚到服务网关进行数据交换；

接入网，包括认知长期演进铁路通信系统基站C-eNodeB和LTE eNodeB，其中，C-eNodeB用于区分PU和SU的业务数据，在有RB浪费的TTI里，将浪费的RB分配给SU通信，在SU有可用RB的TTI里，对不同业务的SU数据按照服务类型值重新排序，按照重新排序后的顺序进行数据处理；

铁路沿线网络，包括车载通信设备、旅客设备、无线接入点AP、车载网关VG；

其中，所述系统提供一条经过认知长期演进铁路通信系统网络的链路来给旅客提供Internet接入服务，旅客通过所述经过认知长期演进铁路通信系统网络的链路接入并使用Internet，或者旅客通过LTE的链路接入并使用Internet；在旅客通过所述经过认知长期演进铁路通信系统网络的链路接入并使用Internet的情况下，在下行链路方向，Internet的数据经过服务网关和接入网关到达C-eNodeB，C-eNodeB在不影响PU通信的情况下将所述数据通过空中接口发送给列车上的车载网关VG，车载网关VG通过光纤转发到无线接入点AP，无线接入点AP将数据转发到旅客设备；在上行链路方向，列车上的SU通过车载网关VG与C-eNodeB进行通信，接入并使用Internet。

7.根据权利要求6所述的基于认知基站的铁路通信频谱共享系统，其特征在于：

车载网关VG设置于列车车顶上。

8.根据权利要求6所述的基于认知基站的铁路通信频谱共享系统，其特征在于：

不同车厢的无线接入点AP通过光纤连接至车载网关VG。