CN108521659B - 一种基于列车位置的铁路lte分层覆盖网络干扰协调方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于列车位置的铁路LTE分层覆盖网络干扰协调方法，所述方法包括：S1：确定铁路热点通信区域、稀疏通信区域以及地理保护边界；S2：计算热点通信区域和稀疏通信区域的业务量，通过业务量预测得到热点通信区域和稀疏通信区域的频率带宽需求、网络覆盖模式及工作模式；S3：获取线路中列车的位置信息，通过干扰保护准则优化列车所在位置的工作模式，本发明在频率资源严格受限条件下，对于地理相邻或相互重叠的热点通信区域和稀疏通信区域的分层无线通信网络进行干扰协调，实现热点通信区域和稀疏通信区域的频率资源共享，进而实现频谱资源利用的最大化。

Description

一种基于列车位置的铁路LTE分层覆盖网络干扰协调方法
技术领域
本发明涉及铁路网络领域。更具体地，涉及一种基于列车位置的铁路LTE分层覆盖网络干扰协调方法。
背景技术
长期演进(Long Term Evolution,LTE)是由第三代合作伙伴计划(The 3rdGeneration Partnership Project，3GPP)组织制定的通用移动通信系统(UniversalMobile Telecommunications System，UMTS)技术标准的长期演进。LTE-R(LTE forrailway)是LTE技术为基础，与通用无线通信系统共同发展，且可通过统一的标准平台实现的下一代铁路综合数字移动通信系统。目前我国铁路已经确定采用基于3GPP的LTE技术建设未来的LTE-R网络，满足铁路对系统安全性、可用性、可靠性和可维护性的要求。无线电通信系统所需的频谱资源具有天然的稀缺性，LTE-R系统面临频谱资源不足的严重制约，由于LTE-R涉及高速列车的通信和控制，由于电波传播、多普勒频移的影响，可供选择的频段主要为1GHz以下频段，该频段作为黄金频段已经十分拥挤，此种情况似的LTE-R频谱使用面临更加苛刻的条件。另一方面，频谱在时间、空间上的不均匀性也很突出，即频谱使用的强度随时间和空间变化，且存在很大的差异。
LTE-R作为一个集成的业务承载系统，需要为编组站及其周边区域(大型客站、铁路枢纽、维修基地、编组站、铁路线路等)的无线通信提供保证，满足无线业务的承载和传送等各种业务需求，如指挥调度、列车控制、视频监控、数据传输、站内调车、维修数据、基础设施监控的需要。在该场景中，大型客站、铁路枢纽、维修基地、编组站的业务需求属于典型的热点通信区域，而与编组站、大型车站相近或相交各种线路(并行、分叉与十字交叉)属于典型的稀疏通信区域。另一方面，铁路线路中的无线业务的运用，与热点通信区域的无线接入服务存在很大区别，需要满足高速移动性的要求，克服多普勒频移的影响，因此需要采用宏小区部署，以获得最好的可靠性和经济性。在LTE-R频谱资源非常有限的条件下，采用传统的网络规划方式和无线资源管理技术，很难满足热点通信和稀疏通信并存区域(如大型客站、铁路枢纽、维修基地、编组站等)的业务需求，热点区域需要分配足够的频率资源，稀疏区域需要依靠足够的频谱资源保证以提供高可靠的接入(以牺牲频谱效率换取可靠接入)，两者之间始终存在矛盾，频率利用率低，无法满足编组站的所有业务需求，此种情况必然限制我国铁路建设的发展。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种基于列车位置的铁路LTE分层覆盖网络干扰协调方法，能够在保证业务服务质量的前提下，通过引入列车位置信息的干扰协调方法，为热点通信区域提供更多的频率资源，满足热点通信区域更多的业务需求，有效提高热点通信区域与稀疏通信区域的频率利用率。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明公开了一种基于列车位置的铁路LTE分层覆盖网络干扰协调方法，所述方法包括：
S1：确定铁路热点通信区域、稀疏通信区域以及地理保护边界；
S2：计算热点通信区域和稀疏通信区域的业务量，通过业务量预测得到热点通信区域和稀疏通信区域的频率带宽需求、网络覆盖模式及工作模式；
S3：获取线路中列车的位置信息，通过干扰保护准则优化列车所在位置的工作模式。
优选地，
所述热点通信区域包括大型客站、铁路枢纽、维修基地和编组站；
所述稀疏通信区域包括高速客运专线、普速客运线及普速货运线路。
优选地，所述S2包括：
S21：计算热点通信区域和稀疏通信区域的业务量，通过业务量预测得到热点通信区域和稀疏通信区域的频率带宽需求；
S22：确定热点通信区域采用一个或多个微小区的网络覆盖模式，稀疏通信区域采用单一宏小区网络覆盖模式；
S23：确定可用的上下行频率带宽并配置为宏小区和微小区共享，分别设置宏小区和微小区的多种工作模式，确定宏小区和微小区的几何参数和默认工作模式。
优选地，所述热点通信区域和稀疏通信区域地理相邻或相互重叠；
所述热点通信区域的微小区覆盖方式为面状，并在所述热点通信区域外侧设置地理保护边界，所述稀疏通信区域的宏小区覆盖方式为线状。
优选地，所述工作模式包括分配有不同的OFDM资源块的常规工作模式、最大工作模式和最小工作模式。
优选地，所述S3包括：
S31：利用列车定位技术获取线路中正在接近铁路热点通信区域的列车位置信息，计算列车至热点通信区域中心的距离，判断列车是否进入热点通信区域或地理保护边界；
S32：根据列车的实时位置，重新设置热点通信区域和稀疏通信区域的工作模式；
S33：计算宏小区和微小区的邻道干扰保护比，若邻道干扰保护比达到预设指标，则保持当前宏小区的工作模式，若邻道干扰保护比未达到预设指标，则重复S32；
S34：实时检测列车的位置，当列车离开并位于地理保护边界外侧时，恢复热点通信区域和稀疏通信区域的工作模式为默认工作模式。
优选地，所述重新设置热点通信区域和稀疏通信区域的工作模式的方法为：
若列车位于地理保护边界外，则热点通信区域和稀疏通信区域的工作模式为默认工作模式；
若列车位于地理保护边界内，当列车数量在预设的一定范围内，则热点通信区域和稀疏通信区域的工作模式为常规工作模式；
若列车位于地理保护边界内，当列车数量超出预设的一定范围，则热点通信区域的工作模式为最小工作模式，稀疏通信区域的工作模式为最大工作模式。
优选地，所述列车定位技术为GPS定位、无线网络定位或车载公里标定位。
优选地，所述默认工作模式为：宏小区为最小工作模式，微小区为最大工作模式。
优选地，所述热点通信区域的业务量在地理公布上不均匀，所述稀疏通信区域的业务量在地理公布上均匀。
本发明的有益效果如下：
本发明的基于列车位置信息的LTE分层覆盖网络干扰协调方法通过对热点通信区域与铁路线路上的小区进行LTE业务信道需求进行分析，在对并线区域联合频率规划之后若热点区域分配到的频率资源不能满足热点区域全部业务需求，且同时并行的铁路线路小区区间有富余的信道资源的情况下，使铁路线路上的LTE网络对热点区域进行无线覆盖，并同时对热点区域部分业务的用户进行区域签约漫游限制，从而使热点区域的这部分业务由并行的铁路线路LTE网络来承载，提高了该并线区域的频率利用率。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明一种基于列车位置的铁路LTE分层覆盖网络干扰协调方法的流程图；
图2示出本发明一种基于列车位置的铁路LTE分层覆盖网络干扰协调方法具体实施例的流程图；
图3示出本发明一种基于列车位置的铁路LTE分层覆盖网络干扰协调方法热点通信区域、稀疏通信区域以及地理保护边界的分布图；
图4示出本发明一种基于列车位置的铁路LTE分层覆盖网络干扰协调方法网络干扰协调方法的流程图；
图5示出本发明一种基于列车位置的铁路LTE分层覆盖网络干扰协调方法宏小区和微小区的工作模式切换示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
图1-图5示出本发明一种基于列车位置的铁路LTE分层覆盖网络干扰协调方法，本发明在频率资源严格受限条件下，对于地理相邻或相互重叠的热点通信区域和稀疏通信区域的分层无线通信网络进行干扰协调，实现热点通信区域和稀疏通信区域的频率资源共享，进而实现频谱资源利用的最大化。
本实施例中，所述方法包括：
S1：确定铁路热点通信区域、稀疏通信区域以及地理保护边界。所述热点通信区域，如大型客站、铁路枢纽、维修基地、编组站等，包括各种车站、编组站、维修基地、线路等热点通信区域和稀疏通信区域相互交织的复杂环境。所述稀疏通信区域，如铁路正线，包括高速和普速线路等的铁路线路，包括高速客运专线、普速客运线及普速货运线路。本实施例中，热点通信区域的半径为Rs，地理保护边界的半径为RG(RG>Rs)。
S2：计算热点通信区域和稀疏通信区域的业务量，通过业务量预测得到热点通信区域和稀疏通信区域的频率带宽需求、网络覆盖模式及工作模式。
所述S2进一步可包括：
S21：计算热点通信区域和稀疏通信区域的业务量，通过业务量预测得到热点通信区域的频率带宽需求Bh，并估计业务在地理分布上的不均匀性，即在不同蜂窝小区间的分布。计算铁路稀疏通信区域的业务量，通过业务量预测得到该区域的频率带宽需求Bs，设置该区域业务为地理均匀分布。
S22：确定热点通信区域采用一个或多个微小区的网络覆盖模式，稀疏通信区域采用单一宏小区网络覆盖模式。
本实施例中，所述热点通信区域和稀疏通信区域地理相邻或相互重叠，因此可采用共享带宽的分层组网方式，其中铁路热点通信区域设置为底层网络，采用多个微小区的部署方式，以满足大容量的通信需求。所述热点通信区域的微小区覆盖方式为面状，并在所述热点通信区域外侧设置地理保护边界，当列车进入地理保护边界时，即可启动干扰保护调节机制。稀疏通信区域设置为高层小区，采用单一宏小区部署方式，所述稀疏通信区域的宏小区覆盖方式为线状。
S23：确定可用的上下行频率带宽并配置为宏小区和微小区共享，分别设置宏小区和微小区的多种工作模式，为热点通信区域和稀疏通信区域分配无线资源。并确定宏小区和微小区的几何参数和默认工作模式。该默认工作模式优选地可以设置为：宏小区为最小工作模式，微小区为最大工作模式。
其中，首先设置铁路无线通信在该场景下的可以利用带宽资源为B(单位：MHz)，进而确定可用的上下行频率带宽Ba(Ba≤B)，并设置为高层宏小区和底层微小区共享。其中稀疏区域采用单一宏小区覆盖模式，热点区域采用一个或多个微小区的覆盖模式，并根据热点通信区域的频率带宽需求Bh确定微小区的覆盖半径为Rh，并得到微小区的数量n，n为自然数。
优选地，所述多种工作模式可包括分配有不同的OFDM资源块的常规工作模式、最大工作模式和最小工作模式。其中，第n个微小区的常规工作模式为Bh_com(n)，最大工作模式为Bh_max(n)，最小工作模式为Bh_min(n)，宏小区的常规工作模式为Bs_com，最大工作模式为Bs_max，最小工作模式为Bs_min。本实施例中，微小区的数量为3个，
S3：获取线路中列车的位置信息，通过干扰保护准则优化列车所在位置的工作模式。
所述S3进一步可包括：
S31：利用列车定位技术获取线路中正在接近铁路热点通信区域的列车位置信息，计算列车至热点通信区域中心的距离RT，判断列车是否进入热点通信区域或地理保护边界。其中，所述列车定位技术可选用GPS定位、无线网络定位或车载公里标定位。
S32：根据列车的实时位置，重新设置热点通信区域和稀疏通信区域的工作模式；
优选地，所述重新设置热点通信区域和稀疏通信区域的工作模式的方法为：
若列车位于地理保护边界外，则热点通信区域和稀疏通信区域的工作模式为默认工作模式。本实施例中，默认工作模式设置为：宏小区为最小工作模式，微小区为最大工作模式。为宏小区只提供必要的系统维护功能和基本的访问接入功能。
若列车位于地理保护边界内，当列车数量在预设的一定范围内，则热点通信区域和稀疏通信区域的工作模式为常规工作模式，宏小区保持常规工作模式，同时按最高优先级设置，即优先满足宏小区的带宽需求，剩余的频率资源由微小区通过完全复用方式进行分配，从而有效地规避高层宏小区和底层微小区之间的干扰。
若列车位于地理保护边界内，当列车数量超出预设的一定范围，则热点通信区域的工作模式为最小工作模式，稀疏通信区域的工作模式为最大工作模式。
位于宏小区边缘的底层微小区可以通过干扰保护方法进行干扰评估，确定可以与宏小区复用的资源块，进一步提高频谱效率。
S33：计算宏小区和微小区的邻道干扰保护比，若邻道干扰保护比达到预设指标，则保持当前宏小区的工作模式，完成干扰协调，若邻道干扰保护比未达到预设指标，则重复S32；
S34：实时检测列车的位置，当列车离开并位于地理保护边界外侧时，恢复热点通信区域和稀疏通信区域的工作模式为默认工作模式。基于列车上报的位置信息，扫描宏小区和保护区域RG内有无火车驻留，如果没有火车驻留，则将宏小区切换为最小工作模式，将微小区切换为最大工作模式；否则，维持现有的工作模式。
本发明利用高精度的列车定位技术(如GPS等)获取线路中正在接近铁路热点通信区域的列车位置信息，并将该信息传递到网络基础设施，计算得到列车与热点通信区域的相对距离；通过干扰协调提取的列车位置信息，通过对LTE系统中的时频资源块的重新划分完成干扰协调：当没有任何列车进入热点通信区域和保护边界时，高层宏小区采用最小资源分配模式，只提供基本的网络管理数据传输；底层微小区此时工作在最大资源分配模式。共享的资源分配模式基于协调结果，采取动态的资源管理模式。当有列车正常通过(驻留)热点通信区域或正在进入保护边界时，高层宏小区采用常规资源分配模式；底层微小区此时工作在常规资源分配模式。当大量列车驻留在热点通信区域并有大量的接入需求时，高层宏小区采用最大资源分配模式，底层微小区采用最小资源分配模式。本发明的方法能够在频率带宽严格受限的条件下，通过分层覆盖网络和列车接近的位置信息能够满足铁路热点通信区域(如大型客站、铁路枢纽、维修基地、编组站等)和稀疏通信区域(如铁路正线，包括高速和普速线路)的无线接入的高安全和大容量的需求，提高频率利用率。
以一个具体实施例对本发明作进一步地介绍，本发明实施例中的热点通信区域为编组站，稀疏通信区域为与编组站并线的铁路线路，铁路线路是指采用单网交织冗余覆盖方式的高速铁路。当然，可以理解的是，铁路线路也可以包括其他非单网交织冗余覆盖方式的铁路线路。
计算热点区域和稀疏区域的带宽需求预测，根据表1中所区分的热点区域和稀疏区域的话音、数据和多媒体视频等业务，考虑各业务对应的传输速率要求、用户数、业务使用强度和频谱效率，业务的频谱效率在不同的运用场景中具有不同的取值；基于以上统计值，以业务在不同运用条件下的频谱效率值作加权平均，累加计算得到总的速率需求，最后通过与频谱效率的换算得到带宽需求，计算公式如下：
计算总速率：传输速率要求×用户数×业务使用强度。
换算带宽需求：总速率/频谱效率。
表1带宽需求预测
Figure BDA0001567913800000081
参照图4，对LTE-R分层覆盖网络干扰协调方法的处理流程做出详细说明。
步骤101：按照OFDM干扰保护准则对ICI(Inter-Carrier Interference)的保护要求，计算LTE小区间的干扰和共存(共享)子载波间干扰保护比，有关ACIR(AdjacentChannel Interference Ratio)邻信道干扰比ACLR(Adjacent Channel Leakage PowerRatio)邻道泄漏功率比计算方法参见3GPP标准TS36.104和TR 25.814。
步骤102：按照OFDM干扰保护准则对ICI的保护要求，在OFDM系统中，即为计算相邻资源块(或共享资源块)间的ICI，参见3GPP R1-050608。
参照图5，对宏小区、微小区工作模式切换(常规工作模式、最小工作模式和最大工作模式)的确定过程做出详细说明。
步骤201：在热点区域和稀疏通信区域，设置初始工作模式，宏小区初始模式设置为最大工作模式、微小区工作模式设置为常规模式。
步骤202：按照干扰保护准则的计算结果，判断步骤201的工作模式能否满足干扰保护要求，如果满足，则根据定位信息，尝试宏小区采取常规模式、最小工作模式的可行性。
步骤203：如步骤202不满足干扰保护要求，则重新划分资源块，直到满足干扰保护要求。
步骤204：根据动态获得的列车位置信息、小区(宏小区、微小区)带宽需求和干扰保护计算结果，按照预先设置的状态切换条件进行控制，实现基于位置的状态切换。
本发明提出的基于列车位置信息的LTE-R分层覆盖网络干扰协调方法，能够在热点通信(如大型客站、铁路枢纽、维修基地、编组站等)与稀疏通信(铁路线路)交织的区域实现有效的频率资源共享，在重叠的宏小区和微小区之间实现干扰共存，显著提高频谱利用效率。通过引入保护边界的概念和精确的列车定位技术，根据铁路热点通信区域和稀疏通信区域的频率带宽预测结果，动态分配业务所需的无线资源；本发明能够在铁路热点通信区域和稀疏通信区域为地理相邻或相互重叠的条件下，实现共享带宽的分层组网方式，以满足大容量的通信需求和频谱的高效利用；通过定义宏小区和微小区的工作模式为常规、最大、最小资源分配模式，能够根据实时的列车位置定位信息，实现动态的OFDM物理层资源分配，解决热点通信和稀疏通信交织区域的频率资源紧张的矛盾。
可以理解，本发明提出了解决热点通信区域(如大型客站、铁路枢纽、维修基地、编组站等)与稀疏通信区域(如铁路正线，含高速和普速线路)空间交织的频率干扰协调技术，不仅适用于其它有关铁路场景，如铁路动车所(高铁列车入库检修的场所)等，同样也适用于一些公众LTE移动通信系统在一些特殊场景的部署，如大型体育场、会议中心、交通枢纽(热点区域)等，及其相邻的街道、开阔空间(稀疏区域)等，仍然有条件利用本发明提出的3个核心技术及相关步骤，实现高效的频率共享和干扰协调，即：(1)宏小区和微小区完全重叠，采用频率共享的工作方式；(2)对宏小区的用户采用位置定位技术，通过引入保护区的概念，同样可以判断稀疏区域的用户，是否接近或驻留微小区，从而可以精确地预测宏小区、微小区的频谱需求；(3)通过的宏小区、微小区常规、最大和最小的无线资源分配模式的确定，可以在频率共享条件下，实现宏小区、微小区动态的OFDM物理层的资源分配模式。
以上对本发明所提供的一种基于列车位置信息的铁路LTE-R共享带宽分层覆盖网络干扰协调方法，进行了详细介绍，本文中通过通信实例(铁路编组站及其相邻区域)对实际的热点通信和稀疏通信交织区域的分析，包括统一的几何分析，对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实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，例如之前提出的有关本发明对“公众LTE移动通信系统在一些特殊场景的部署”也具有适用性，例如大型公共设施(体育场、演唱会、交通枢纽等热点通信区域)与稀疏通信区域(郊区等低密度通信区域)相互交织的区域，例如大型体育中心的周边为地理空旷的稀疏通信区域，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种基于列车位置的铁路LTE分层覆盖网络干扰协调方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：确定铁路热点通信区域、稀疏通信区域以及地理保护边界；
S2：计算热点通信区域和稀疏通信区域的业务量，通过业务量预测得到热点通信区域和稀疏通信区域的频率带宽需求、网络覆盖模式及工作模式；
所述S2包括：
S21：计算热点通信区域和稀疏通信区域的业务量，通过业务量预测得到热点通信区域和稀疏通信区域的频率带宽需求；
S22：确定热点通信区域采用一个或多个微小区的网络覆盖模式，稀疏通信区域采用单一宏小区网络覆盖模式；
S23：确定可用的上下行频率带宽并配置为宏小区和微小区共享，分别设置宏小区和微小区的多种工作模式，确定宏小区和微小区的几何参数和默认工作模式；
所述热点通信区域和稀疏通信区域地理相邻或相互重叠；
所述热点通信区域的微小区覆盖方式为面状，并在所述热点通信区域外侧设置地理保护边界，所述稀疏通信区域的宏小区覆盖方式为线状；S3：获取线路中列车的位置信息，通过干扰保护准则优化列车所在位置的工作模式；
所述S3包括：
S31：利用列车定位技术获取线路中正在接近铁路热点通信区域的列车位置信息，计算列车至热点通信区域中心的距离，判断列车是否进入热点通信区域或地理保护边界；
S32：根据列车的实时位置，重新设置热点通信区域和稀疏通信区域的工作模式；
S33：计算宏小区和微小区的邻道干扰保护比，若邻道干扰保护比达到预设指标，则保持当前宏小区的工作模式，若邻道干扰保护比未达到预设指标，则重复S32；
S34：实时检测列车的位置，当列车离开并位于地理保护边界外侧时，恢复热点通信区域和稀疏通信区域的工作模式为默认工作模式；
所述重新设置热点通信区域和稀疏通信区域的工作模式的方法为：
若列车位于地理保护边界外，则热点通信区域和稀疏通信区域的工作模式为默认工作模式；
若列车位于地理保护边界内，当列车数量在预设的一定范围内，则热点通信区域和稀疏通信区域的工作模式为常规工作模式；
若列车位于地理保护边界内，当列车数量超出预设的一定范围，则热点通信区域的工作模式为最小工作模式，稀疏通信区域的工作模式为最大工作模式。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述热点通信区域包括大型客站、铁路枢纽、维修基地和编组站；
所述稀疏通信区域包括高速客运专线、普速客运线及普速货运线路。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作模式包括分配有不同的OFDM资源块的常规工作模式、最大工作模式和最小工作模式。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述列车定位技术为GPS定位、无线网络定位或车载公里标定位。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述默认工作模式为：宏小区为最小工作模式，微小区为最大工作模式。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热点通信区域的业务量在地理公布上不均匀，所述稀疏通信区域的业务量在地理公布上均匀。
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Classification of Relays;Motorola;《TSG-RAN WG1 #54:R1-083223》;20080822;全文 *
铁路编组站GSM-R分层覆盖系统及其干扰共存分析;杨焱 等;《铁道学报》;20141231;第36卷(第12期);正文第1-3节 *

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