CN117278967B - 高铁高速场景下无线网络优化方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高铁高速场景下无线网络优化方法及系统，涉及通信领域，包括高铁车载台基于通信优化技术向前向基站发送车辆信息，确定前向小区，根据预设的波形赋形阈值确定所述前向基站的工作模式，触发波束赋形增益；源基站向所述前向小区发出切换请求，前向小区接收到切换请求后下发切换要求，向高铁驶来方向产生波束赋形增益，高铁车载台根据接收到的来自源基站与前向基站的信号强度差值，结合预设的切换迟滞门限和触发时延，下发网络切换命令；高铁车载台在重叠区时，前向基站和源基站根据预设的波束增益调整策略调整波束增益，前向基站监测高铁接收信号强度满足通信要求且高铁驶离重叠区后恢复全向工作模式，完成网络切换。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术，尤其涉及一种高铁高速场景下无线网络优化方法及系统。
背景技术
随着“复兴号”的横空出世，我国高铁的最快运行速度己达到 350km/h，领先于世界各国。复杂多变的无线环境和越来越高的运行速度为现有的高铁无线通信系统带来了不小的挑战,并且随着科技的发展，旅客们对于高铁业务的需求也越来越多，己经从原本仅有的语音、短信业务，发展成浏览网络信息、移动办公（如在线会议、文档传输等）和移动娱乐（如视频通话、视频点播、在线游戏等）。
然而，现有的高铁通信系统远远不能满足各种宽带服务需求，并且随着旅客运输量的迅猛增长，旅客产生的无线服务也呈指数增长。在高铁无线通信环境下，提供高质量、连续可靠通信服务还存在着很多难题，如严重的车厢穿透损耗，传播模型复杂，多普勒效应明显，频繁的切换带来的乒乓效应等。由此可见，在高铁无线通信系统移动性管理中越区切换是一个必不可少的重要环节，在保障高速列车运行过程中的不间断通信、提高列车的无线通信质量方面至关重要。
发明内容
本发明实施例提供一种高铁高速场景下无线网络优化方法及系统，至少能够解决现有技术中部分问题。
本发明实施例的第一方面，
提供一种高铁高速场景下无线网络优化方法，包括：
高铁车载台基于通信优化技术向前向基站发送车辆信息，前向基站接收所述车辆信息，确定前向小区，结合所述车辆信息，根据预设的波形赋形阈值确定所述前向基站的工作模式，触发波束赋形增益；
源基站向所述前向小区发出切换请求，所述前向小区接收到所述切换请求后下发切换要求，向高铁驶来方向产生波束赋形增益，所述高铁车载台根据接收到的来自所述源基站与所述前向基站的信号强度差值，结合预设的切换迟滞门限和触发时延，下发网络切换命令；
根据所述网络切换命令，高铁车载台在重叠区时，所述前向基站和源基站根据预设的波束增益调整策略调整波束增益，所述前向基站监测高铁接收信号强度满足通信要求且高铁驶离重叠区后恢复全向工作模式，完成网络切换。
在一种可选的实施方式中，
所述高铁车载台根据接收到的来自所述源基站与所述前向基站的信号强度差值，结合预设的切换迟滞门限和触发时延，下发网络切换命令包括：
设置切换模式；所述切换模式为基于所述高铁运行速度与有效切换时间，调整对应的重叠区长度，其中，所述有效切换时间为车辆在重叠区内完成两次越区切换所需的时间；
根据所述切换模式，高铁车载台判断来自所述源基站与前向基站的信号强度差值是否超出所述预设的切换迟滞门限，触发时间是否满足所述触发时延，同时满足两个条件后，发送网络切换命令。
在一种可选的实施方式中，
所述方法还包括优化切换迟滞参数：
其中，H为预设的切换值，H HO 表示切换迟滞参数，表示特定场景下接收的前向基站发出信号的强度，/>表示特定场景下接收的源基站发出信号的强度，/>表示一般情况下接收的前向基站发出信号的强度，/>表示一般情况下接收的源基站发出信号的强度，/>表示切换后的链路中的某个特定节点或接收方，/>表示切换前的链路中的某个特定节点或发送方。
在一种可选的实施方式中，
根据所述网络切换命令，高铁车载台在重叠区时，所述前向基站和源基站根据预设的波束增益调整策略调整波束增益包括：
基站通过信令调度和基站间的通信信息对行驶中的列车的位置、速度和RSRP以及RSRQ进行测量统计并上报；
根据训练好的LSTM预测模型，对下一时段基站重叠区内列车的位置和RSRP需求进行预测，根据预测结果选择工作模式，其中，所述工作模式包括第一工作模式和第二工作模式，
所述第一工作模式为所述前向基站有足够的剩余功率，所述前向基站根据业务优先级将功率分配至各设备，在高铁进入重叠区后切换到波束赋形模式执行波束资源调度；
所述第二工作模式为所述前向基站无法提供足够功率保证通信或无剩余功率，该模式下前向基站将全部剩余功率分配给高铁车载台，并记录功率不足事件发生次数，结合预设值确定切换迟滞门限和触发切换时间。
在一种可选的实施方式中，
高铁车载台基于通信优化技术向前向基站发送车辆信息包括：
所述高铁车载台使用MIMO通信传输技术，与频域中的OFDM以及绿色通信调制技术的IM结合，得到MIMO-OFDM-IM系统；
基于所述高铁车载台的双天线双层网络架构，将所述MIMO-OFDM-IM系统引入高铁通信系统，根据预设的最优组合选择准则，选出子载波组合，并使用所述子载波组合传输信号；
基于所述子载波组合激活数量的可变性，调整激活子载波的数量和映射方式，平衡频谱效率和系统性能间的关系，完成向前向基站发送车辆信息。
在一种可选的实施方式中，
基于所述高铁车载台的双天线双层网络架构，将所述MIMO-OFDM-IM系统引入高铁通信系统，根据预设的最优组合选择准则，选出子载波组合，并使用所述子载波组合传输信号包括：
在发送端，每根天线上的N个子载波被平分为G个子块，每个子载波块的长度为n=N/G,选择其中的k个子载波激活并发送数据，子载波的配置即为(n,k)，调制方式为M阶调制；
将发送符号进行IFFT变换、添加CP后通过发射天线发射；
所述预设的最优组合选择准则包括按照如下公式的方法选择最优子载波组合：
；
其中，TAR表示目标值，Q为满足所需子载波组合的个数，代表的是第h行中第i个子载波和第j个子载波组合，/>为两个组合之间的汉明距离，K、L分别表示子载波组合对应的矩阵的行数和列数，m小于K。
在一种可选的实施方式中，
所述基于所述子载波组合激活数量的可变性，调整激活子载波的数量和映射方式，平衡频谱效率和系统性能间的关系包括：
将所述最优子载波组合按照格雷码中的排列规则排序，记为子载波集合，对所述索引比特进行排序，得到索引比特集合；
将所述子载波集合划分为前二分之一和后二分之一，分别记为第一子载波集合和第二子载波集合，以所述第一子载波集合为基准遍历所述第二子载波集合，找出第二子载波集合中与第一子载波中各元素拥有最大汉明距离的组合，将这些备选组合记为备选子载波；
重复上一步骤，直至所述第一子载波集合中元素与所述第二子载波集合中元素组成一一对应关系，记为最优子载波集合；
将所述第一子载波集合中元素划分为前二分之一和后二分之一，更新第一子载波集合，重复执行上述所有步骤，直至第一子载波集合中仅剩两个元素，将生成的对应组集合计入最优子载波集合中；
索引比特预处理，为索引比特集合中每个元素匹配其拥有最大汉明距离的组合，生成最优索引比特集合；
将所述最优索引比特集合与最优子载波集合中的元素进行对应映射，生成的对应关系集即为拥有最大汉明距离最多的对应关系集。
本发明实施例的第二方面，
提供一种高铁高速场景下无线网络优化系统，包括：
第一单元，用于高铁车载台基于通信优化技术向前向基站发送车辆信息，前向基站接收所述车辆信息，确定前向小区，结合所述车辆信息，根据预设的波形赋形阈值确定所述前向基站的工作模式，触发波束赋形增益；
第二单元，用于源基站向所述前向小区发出切换请求，所述前向小区接收到所述切换请求后下发切换要求，向高铁驶来方向产生波束赋形增益，所述高铁车载台根据接收到的来自所述源基站与所述前向基站的信号强度差值，结合预设的切换迟滞门限和触发时延，下发网络切换命令；
第三单元，用于根据所述网络切换命令，高铁车载台在重叠区时，所述前向基站和源基站根据预设的波束增益调整策略调整波束增益，所述前向基站监测高铁接收信号强度满足通信要求且高铁驶离重叠区后恢复全向工作模式，完成网络切换。
本发明实施例的第三方面，
提供一种电子设备，包括：
处理器；
用于存储处理器可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为调用所述存储器存储的指令，以执行前述所述的方法。
本发明实施例的第四方面，
提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现前述所述的方法。
本发明实施例的有益效果可以参考具体实施方式中技术特征对应的效果，在此不再赘述。
附图说明
图1为本发明实施例高铁高速场景下无线网络优化方法的流程示意图；
图2为本发明实施例高铁高速场景下无线网络优化系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
图1为本发明实施例高铁高速场景下无线网络优化方法的流程示意图，如图1所示，所述方法包括：
S101. 高铁车载台基于通信优化技术向前向基站发送车辆信息，前向基站接收所述车辆信息，确定前向小区，结合所述车辆信息，根据预设的波形赋形阈值确定所述前向基站的工作模式，触发波束赋形增益；
示例性地，波束赋形是空间分集技术的一种。它利用波的干涉原理，通过调整天线阵元中每个阵元权值，来调整每个信号通道的幅度与相位，从而形成一束具有指向性的窄波束指向接收天线方向。波束赋形技术可最大程度强化接收信号强度，意味着使用多天线来形成发送或者接收波束来提高接收端的信噪比，避免单信道衰落对整个传输链路的影响。波束赋形技术在扩大信号覆盖范围、增大信号强度、改善重叠区边缘吞吐量等方面均具有较大优势，同时减少非期望方向上信号的干扰。
示例性地，在高铁车载台上安装传感器和通信设备，用于采集车辆信息，这些信息可以包括车辆位置、速度、方向、通信质量等；使用通信模块将车辆信息传输到前向基站，通信可以基于现有的无线通信标准，如LTE、5G等，以确保高速、可靠的数据传输。
前向基站接收来自车辆的信息数据，然后，前向基站进行数据处理以提取有关车辆的相关信息，如位置、速度、通信质量等；基于车辆信息中的位置数据，前向基站确定与车辆所在位置相关的前向小区，这有助于确定通信资源的分配和波束赋形的目标方向；基于预设的波形赋形阈值和车辆信息中的通信质量指标，前向基站确定自身的工作模式，工作模式可以包括不同的波束赋形配置，以适应不同车辆位置和通信质量的变化。
如果前向基站决定采用波束赋形来增强与车辆的通信，它会触发波束赋形增益，这可能涉及到配置天线阵列以形成特定方向的波束，以最大化与车辆之间的通信质量；前向基站可以使用自适应波束赋形技术，根据车辆的实际位置和信道条件动态调整波束方向，以最大程度地提高通信性能。
可选地，本申请中网络切换的流程可以包括：
S1：网络切换测量阶段；
（1）车载台上报测量到的车辆信息，主要有列车车次号、列车当下时速、服务小区信息；
（2）服务基站根据得到的信息实时测量列车接收信号强度，锁定前向小区；当下降到波束赋形國值时，转变天线工作模式，触发波束赋形增益。
S2：切换判决阶段，判断是否要进行网络切换；
(3）源基站向目标小区发出切换请求；目标小区接收到切换请求后，下发切换要求，向服务小区方向产生波束赋形增益；
（4）当车载台接收到两基站信号强度差值满足切换迟滞，在持续切换触发时延后，源基站向车载台下达切换命令；
S3：网络切换执行阶段；
(5）车载台在重叠区中点前后，根据表中波束增益调整策略，两基站改变波束增益值；
(6）目标基站监测到的信号强度大小满足最低通信要求；车载台驶离重叠区，基站恢复全向模式，完成切换过程。
在一种可选的实施方式中，
高铁车载台基于通信优化技术向前向基站发送车辆信息包括：
所述高铁车载台使用MIMO通信传输技术，与频域中的OFDM以及绿色通信调制技术的IM结合，得到MIMO-OFDM-IM系统；
基于所述高铁车载台的双天线双层网络架构，将所述MIMO-OFDM-IM系统引入高铁通信系统，根据预设的最优组合选择准则，选出子载波组合，并使用所述子载波组合传输信号；
基于所述子载波组合激活数量的可变性，调整激活子载波的数量和映射方式，平衡频谱效率和系统性能间的关系，完成向前向基站发送车辆信息。
示例性地，IM 因其具有高频谱效率和能量效率的特点引起了广泛的关注， 该技术通过引入素引比特，不仅避免了干扰，而且弥补了频谱效率下降问题，主要应用在空间、时间、频域和码域中，或应用在它们之间的相互组合中。因此，IM技术应用到频域中的OFDM技术中，可以得到基于索引调制的OFDM 技术。该技术通过改变激活子载波的数目和调制方式，来降低复杂度，提高频谱效率和误码性能，相较于普通的OFDM技术灵活度更高，且具有一定的抗 ICI能力。
高铁车载台使用MIMO通信传输技术，结合频域中的OFDM（Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing）和绿色通信调制技术的IM（Index Modulation），构建MIMO-OFDM-IM通信系统，这个系统结合了多输入多输出、多载波传输和信息索引调制的优点，以提供高效的通信性能。将高铁车载台的双天线双层网络架构引入高铁通信系统，这可以提供多样性增益和空间复用优势，以应对高铁车辆的高速移动和多路径传播等挑战。
基于预设的最优组合选择准则，高铁车载台在每个时间段内选出适当的子载波组合，这个选择可以考虑当前通信环境、信道条件、车辆密度等因素，以优化通信性能；最优组合准则可以基于各种指标，如信噪比、误码率、频谱效率等。根据所选的子载波组合，将车辆信息映射到这些子载波上。IM技术允许将信息索引与子载波相关联，从而实现高效的信息传输。子载波组合的映射方式可以根据系统设计进行灵活调整。
随着通信条件的变化，高铁车载台可以动态地调整激活的子载波数量和映射方式。这种灵活性可以平衡频谱效率和系统性能之间的关系，以适应不同的通信需求；使用所选的子载波组合和映射方式传输车辆信息到前向基站。这包括车辆位置、速度、通信质量等信息，以支持高铁通信系统的各种应用，如车辆控制、安全监测等。
在一种可选的实施方式中，
基于所述高铁车载台的双天线双层网络架构，将所述MIMO-OFDM-IM系统引入高铁通信系统，根据预设的最优组合选择准则，选出子载波组合，并使用所述子载波组合传输信号包括：
在发送端，每根天线上的N个子载波被平分为G个子块，每个子载波块的长度为n=N/G,选择其中的k个子载波激活并发送数据，子载波的配置即为(n,k)，调制方式为M阶调制；
将发送符号进行IFFT变换、添加CP后通过发射天线发射；
所述预设的最优组合选择准则包括按照如下公式的方法选择最优子载波组合：
；
其中，TAR表示目标值，Q为满足所需子载波组合的个数，代表的是第h行中第i个子载波和第j个子载波组合，/>为两个组合之间的汉明距离，K、L分别表示子载波组合对应的矩阵的行数和列数，m小于K。
在一种可选的实施方式中，
所述基于所述子载波组合激活数量的可变性，调整激活子载波的数量和映射方式，平衡频谱效率和系统性能间的关系包括：
将所述最优子载波组合按照格雷码中的排列规则排序，记为子载波集合，对所述索引比特进行排序，得到索引比特集合；
将所述子载波集合划分为前二分之一和后二分之一，分别记为第一子载波集合和第二子载波集合，以所述第一子载波集合为基准遍历所述第二子载波集合，找出第二子载波集合中与第一子载波中各元素拥有最大汉明距离的组合，将这些备选组合记为备选子载波；
重复上一步骤，直至所述第一子载波集合中元素与所述第二子载波集合中元素组成一一对应关系，记为最优子载波集合；
将所述第一子载波集合中元素划分为前二分之一和后二分之一，更新第一子载波集合，重复执行上述所有步骤，直至第一子载波集合中仅剩两个元素，将生成的对应组集合计入最优子载波集合中；
索引比特预处理，为索引比特集合中每个元素匹配其拥有最大汉明距离的组合，生成最优索引比特集合；
将所述最优索引比特集合与最优子载波集合中的元素进行对应映射，生成的对应关系集即为拥有最大汉明距离最多的对应关系集。
示例性地，在发送端，每根天线上的N个子载波被平分为G个子块，每个子载波块的长度为,选择其中的k个子载波激活并发送数据，子载波的配置即为(n,k)，调制方式为M阶调制，则对于每个子块需要用来激活子载波的索引比特数量表示为：
；
用来进行星座调制的索引比特数量表示为：
；
则每个子块的总比特数为：
；
信号的传输速率为：
；
将发送符号进行IFFT变换、添加CP后通过发射天线发射。
示例性地，将所有可能的子载波按照格雷码中的排列规则排序，形成子载波集合，对索引比特进行排序，得到索引比特集合；
将子载波集合划分为两部分：前一半作为第一子载波集合，后一半作为第二子载波集合。以第一子载波集合为基准，遍历第二子载波集合，找出与第一子载波集合中的每个元素拥有最大汉明距离的备选子载波组合。这些备选组合形成备选子载波集合。重复上述步骤，直到第一子载波集合中的元素与第二子载波集合中的元素形成一一对应关系，生成最优子载波集合。
将第一子载波集合中的元素划分为前一半和后一半，然后更新第一子载波集合。重复上述步骤，直到第一子载波集合中仅剩两个元素。此时，生成的对应组集合计入最优子载波集合中。对索引比特进行预处理，为索引比特集合中的每个元素匹配其拥有最大汉明距离的组合，生成最优索引比特集合。
示例性地，本申请的技术方案可以动态地选择子载波的激活数量和映射方式，以优化频谱效率和系统性能之间的权衡。这有助于在不同通信条件下提高系统的适应性和性能，从而更好地支持高铁车载通信需求。这一过程可以自动化进行，并根据实时通信条件进行调整，以确保始终选择最优的子载波组合和索引比特映射方式。
S102.源基站向所述前向小区发出切换请求，所述前向小区接收到所述切换请求后下发切换要求，向高铁驶来方向产生波束赋形增益，所述高铁车载台根据接收到的来自所述源基站与所述前向基站的信号强度差值，结合预设的切换迟滞门限和触发时延，下发网络切换命令；
所谓越区切换，就是用户从一个基站的覆盖范围移动到相邻基站的覆盖范围的时候，为了谋求更好的服务质量，与原服务基站断开连接，随后与相邻目标基站建立新的通信的过程。一个好的切换方案可以有效地降低通信中断概率，保证通信的可靠性，进而保证列车通信的服务质量以及安全性。高铁通信环境下，越区切换技术对于高铁无线通信网建设的重要性不容忽视。
当源基站检测到高铁车载台的信号质量不足或其他切换触发条件满足时，源基站向前向小区发送切换请求信号，这个请求通常包括有关切换的相关信息，如目标前向小区的标识、切换原因等。前向小区接收到源基站发送的切换请求后，会开始处理切换流程，前向小区可能会对切换请求进行验证和分析，确保切换是合理的，并且前向小区能够提供更好的通信服务；
如果前向小区决定接受切换请求，它会下发切换要求给高铁车载台。切换要求通常包括前向小区的参数配置、波束赋形增益设置等信息；前向小区会根据波束赋形技术，调整天线配置，产生波束赋形增益，以优化与高铁车载台之间的通信链接，这有助于提高信号质量和通信可靠性。
高铁车载台接收切换要求，并开始执行切换准备工作，车载台会解析切换要求中的信息，特别关注目标前向小区的参数配置和波束赋形增益设置。高铁车载台测量当前连接的源前向小区与目标前向小区之间的信号强度差值，这个差值可以用来评估切换的可行性和优劣。
高铁车载台将测量的信号强度差值与预设的切换迟滞门限进行比较。如果差值超过门限值，并且满足其他切换触发条件，车载台认为切换条件已满足；如果切换条件满足，高铁车载台将向前向小区发送网络切换命令，指示其执行切换操作，这个命令可能包括切换的详细信息和确认；前向小区收到网络切换命令后，开始执行切换操作，将高铁车载台从源前向小区切换到目标前向小区，这可能包括释放资源、分配资源、更新参数配置等操作。
高铁实际运行时，一定会出现列车以不同时速穿过切换区的情况。较高速的列车会快速通过切换区，在切换区内的驻留时间也相对较短。由此不难发现，若对列车时速划分等级，则不同时速等级下的列车在切换区内的驻留时间也不尽相同。此时若采用相同的切换方案，则会显得算法过于繁琐，甚至会出现基站端的资源浪费以及切换不成功现象的发生。若要制定适合当前速度等级下的切换方案，最直观的方法就是对切换参数做适应性的优化设计。所以选择适合当前运行速度的切换参数才能更好的触发切换，简化切换流程，保证切换顺利发生。
由于小区覆盖重叠区的长度与列车速度、切换时间紧密相关，为了提高切换成功率，也为了保证高铁越区切换前后的行车安全性，切换时间按照在重叠区内能完成两次越区切换考虑，通常为8~10s。将不同速度范围的列车进行速度等级划分，相应的重叠区长度也有所差别。将列车时速小于160km/h 的划分为低速；列车时速介于160-250kmlh 之间的划分为中速；列车时速大于 250km/h的划分为高速。
在一种可选的实施方式中，
所述高铁车载台根据接收到的来自所述源基站与所述前向基站的信号强度差值，结合预设的切换迟滞门限和触发时延，下发网络切换命令包括：
设置切换模式；所述切换模式为基于所述高铁运行速度与有效切换时间，调整对应的重叠区长度，其中，所述有效切换时间为车辆在重叠区内完成两次越区切换所需的时间；
根据所述切换模式，高铁车载台判断来自所述源基站与前向基站的信号强度差值是否超出所述预设的切换迟滞门限，触发时间是否满足所述触发时延，同时满足两个条件后，发送网络切换命令。
高铁车载台根据高铁的运行速度和预设的切换迟滞门限，确定切换模式，切换模式可以基于高铁的运行速度和轨道布局来调整，以确保在高速移动中实现有效的切换；有效切换时间是指车辆在重叠区内完成两次越区切换所需的时间，根据切换模式和高铁的运行速度，计算出有效切换时间；高铁车载台不断测量来自源基站和前向基站的信号强度，并计算信号强度差值，同时，它记录了切换的触发时间；
根据切换模式和预设的切换迟滞门限，高铁车载台判断信号强度差值是否超出了门限，如果信号强度差值超过门限，说明前向基站的信号质量较好，可以考虑切换。同时，高铁车载台检查触发时间是否满足预设的触发时延。触发时延是车辆在重叠区内满足切换条件所需的最短时间；如果信号强度差值超过门限且触发时间满足时延，高铁车载台将发送网络切换命令给前向基站。
切换迟滞门限是切换判决阶段中一个重要的参数，它的存在是为了防止不必要切换的发生。所谓“迟滞〞即是一个延缓滞留的过程，在切换判决中引入这样一个概念，其目的是为了保障越区切换的准确性。
而只有当目标基站信号强度高于当前基站信号强度一个设定值且等待一定的触发时间后，再执行切换，这时的切换才是安全的。这里的“一个设定值”，就是切换迟滞容限，而“一定的触发时间〞可以理解为一段安全元余时间，在这段时间内若测量值不满足切换触发要求，则应立即取消切换。
在一种可选的实施方式中，
所述方法还包括优化切换迟滞参数：
其中，H为预设的切换值，H HO 表示切换迟滞参数，表示特定场景下接收的前向基站发出信号的强度，/>表示特定场景下接收的源基站发出信号的强度，/>表示一般情况下接收的前向基站发出信号的强度，/>表示一般情况下接收的源基站发出信号的强度，/>表示切换后的链路中的某个特定节点或接收方，/>表示切换前的链路中的某个特定节点或发送方。
S103.根据所述网络切换命令，高铁车载台在重叠区时，所述前向基站和源基站根据预设的波束增益调整策略调整波束增益，所述前向基站监测高铁接收信号强度满足通信要求且高铁驶离重叠区后恢复全向工作模式，完成网络切换。
其中，重叠区是高铁车辆在切换过程中可能位于两个基站覆盖范围之间的区域，在全向工作模式下，基站的天线以全方位方式发送和接收信号，不使用波束增益。
在一种可选的实施方式中，
根据所述网络切换命令，高铁车载台在重叠区时，所述前向基站和源基站根据预设的波束增益调整策略调整波束增益包括：
基站通过信令调度和基站间的通信信息对行驶中的列车的位置、速度和RSRP以及RSRQ进行测量统计并上报；
根据训练好的LSTM预测模型，对下一时段基站重叠区内列车的位置和RSRP需求进行预测，根据预测结果选择工作模式，其中，所述工作模式包括第一工作模式和第二工作模式，
所述第一工作模式为所述前向基站有足够的剩余功率，所述前向基站根据业务优先级将功率分配至各设备，在高铁进入重叠区后切换到波束赋形模式执行波束资源调度；
所述第二工作模式为所述前向基站无法提供足够功率保证通信或无剩余功率，该模式下前向基站将全部剩余功率分配给高铁车载台，并记录功率不足事件发生次数，结合预设值确定切换迟滞门限和触发切换时间。
基站之间通过信令交换信息，包括列车的位置、速度、RSRP（Reference SignalReceived Power）和RSRQ（Reference Signal Received Quality），这些信息可以通过信令传递和基站间通信来获取；基站会定期测量列车的位置、速度、RSRP和RSRQ，并将这些测量结果进行统计和记录，这样可以获取列车在不同位置和时刻的信号质量信息；
基站将收集的位置、速度、RSRP和RSRQ数据与相应的时间戳组成训练数据集，使用训练数据集，训练一个长短时记忆网络（LSTM）模型，该模型能够对下一时段基站重叠区内列车的位置和RSRP需求进行预测。
基站根据预测结果选择工作模式：
第一工作模式：前向基站决定切换到波束赋形模式时，会调整天线配置以实现波束赋形，这包括选择合适的波束形状、角度和天线设置，以最大程度地增强信号传输方向性。前向基站执行波束资源调度，根据列车位置和预测的通信需求，分配波束资源给高铁车载台，这可能包括选择适当的波束、功率分配、子载波分配等；前向基站根据不同业务的优先级来决定资源分配，高优先级业务可能会获得更多的资源，以确保其通信质量。
第二工作模式：前向基站在第二工作模式下会将全部剩余功率分配给高铁车载台，以确保通信的维持，这意味着前向基站不再执行波束赋形，而是将功率广泛传输以覆盖更大范围。前向基站记录功率不足事件的发生次数，前向基站根据功率不足事件的历史记录和预设值来确定切换迟滞门限，这个门限用于判断何时应该从第二工作模式切换回第一工作模式，前向基站结合切换迟滞门限来确定触发切换时间。当功率不足事件的发生达到门限时，前向基站会计划切换回波束赋形模式，以更好地满足通信需求。
前向基站会根据记录的功率不足事件发生次数和预设值来确定切换迟滞门限和触发切换时间，这些参数决定了何时切换到第二工作模式以满足通信需求。
图2为本发明实施例高铁高速场景下无线网络优化系统的结构示意图，如图2所示，所述系统包括：
第一单元，用于高铁车载台基于通信优化技术向前向基站发送车辆信息，前向基站接收所述车辆信息，确定前向小区，结合所述车辆信息，根据预设的波形赋形阈值确定所述前向基站的工作模式，触发波束赋形增益；
第二单元，用于源基站向所述前向小区发出切换请求，所述前向小区接收到所述切换请求后下发切换要求，向高铁驶来方向产生波束赋形增益，所述高铁车载台根据接收到的来自所述源基站与所述前向基站的信号强度差值，结合预设的切换迟滞门限和触发时延，下发网络切换命令；
第三单元，用于根据所述网络切换命令，高铁车载台在重叠区时，所述前向基站和源基站根据预设的波束增益调整策略调整波束增益，所述前向基站监测高铁接收信号强度满足通信要求且高铁驶离重叠区后恢复全向工作模式，完成网络切换。
本发明实施例的第三方面，
提供一种电子设备，包括：
处理器；
用于存储处理器可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为调用所述存储器存储的指令，以执行前述所述的方法。
本发明实施例的第四方面，
提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现前述所述的方法。
本发明可以是方法、装置、系统和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于执行本发明的各个方面的计算机可读程序指令。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种高铁高速场景下无线网络优化方法，其特征在于，包括：
高铁车载台基于通信优化技术向前向基站发送车辆信息，前向基站接收所述车辆信息，确定前向小区，结合所述车辆信息，根据预设的波形赋形阈值确定所述前向基站的工作模式，触发波束赋形增益；
源基站向所述前向小区发出切换请求，所述前向小区接收到所述切换请求后下发切换要求，向高铁驶来方向产生波束赋形增益，所述高铁车载台根据接收到的来自所述源基站与所述前向基站的信号强度差值，结合预设的切换迟滞门限和触发时延，下发网络切换命令；
根据所述网络切换命令，高铁车载台在重叠区时，所述前向基站和源基站根据预设的波束增益调整策略调整波束增益，所述前向基站监测高铁接收信号强度满足通信要求且高铁驶离重叠区后恢复全向工作模式，完成网络切换；
根据所述网络切换命令，高铁车载台在重叠区时，所述前向基站和源基站根据预设的波束增益调整策略调整波束增益包括：
通过信令调度和基站间的通信信息对行驶中的列车的位置、速度和RSRP以及RSRQ进行测量统计并上报；
根据训练好的LSTM预测模型，对下一时段重叠区内列车的位置和RSRP需求进行预测，根据预测结果选择工作模式，其中，所述工作模式包括第一工作模式和第二工作模式，
所述第一工作模式为所述前向基站有足够的剩余功率，所述前向基站根据业务优先级将功率分配至各设备，在高铁进入重叠区后切换到波束赋形模式执行波束资源调度；
所述第二工作模式为所述前向基站无法提供足够功率保证通信或无剩余功率，该模式下前向基站将全部剩余功率分配给高铁车载台，并记录功率不足事件发生次数，结合预设值确定切换迟滞门限和触发切换时间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高铁车载台根据接收到的来自所述源基站与所述前向基站的信号强度差值，结合预设的切换迟滞门限和触发时延，下发网络切换命令包括：
设置切换模式；所述切换模式为基于所述高铁运行速度与有效切换时间，调整对应的重叠区长度，其中，所述有效切换时间为车辆在重叠区内完成两次越区切换所需的时间；
根据所述切换模式，高铁车载台判断来自所述源基站与前向基站的信号强度差值是否超出所述预设的切换迟滞门限，触发时间是否满足所述触发时延，同时满足两个条件后，发送网络切换命令。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括优化切换迟滞参数：
其中，H为预设的切换值，H HO 表示切换迟滞参数，表示特定场景下接收的前向基站发出信号的强度，/>表示特定场景下接收的源基站发出信号的强度，表示一般情况下接收的前向基站发出信号的强度，/>表示一般情况下接收的源基站发出信号的强度，/>表示切换后的链路中的某个特定节点或接收方，/>表示切换前的链路中的某个特定节点或发送方。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，高铁车载台基于通信优化技术向前向基站发送车辆信息包括：
所述高铁车载台使用MIMO通信传输技术，与频域中的OFDM以及绿色通信调制技术的IM结合，得到MIMO-OFDM-IM系统；
基于所述高铁车载台的双天线双层网络架构，将所述MIMO-OFDM-IM系统引入高铁通信系统，根据预设的最优组合选择准则，选出子载波组合，并使用所述子载波组合传输信号；
基于所述子载波组合激活数量的可变性，调整激活子载波的数量和映射方式，平衡频谱效率和系统性能间的关系，完成向前向基站发送车辆信息。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，基于所述高铁车载台的双天线双层网络架构，将所述MIMO-OFDM-IM系统引入高铁通信系统，根据预设的最优组合选择准则，选出子载波组合，并使用所述子载波组合传输信号包括：
在发送端，每根天线上的N个子载波被平分为G个子块，每个子载波块的长度为n=N/G,选择其中的k个子载波激活并发送数据，子载波的配置即为(n,k)，调制方式为M阶调制；
将发送符号进行IFFT变换、添加CP后通过发射天线发射；
所述预设的最优组合选择准则包括按照如下公式的方法选择最优子载波组合：
；
其中，TAR表示目标值，Q为满足所需子载波组合的个数，代表的是第h行中第i个子载波和第j个子载波组合，/>为两个组合之间的汉明距离，K、L分别表示子载波组合对应的矩阵的行数和列数，m小于K。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述基于所述子载波组合激活数量的可变性，调整激活子载波的数量和映射方式，平衡频谱效率和系统性能间的关系包括：
将所述最优子载波组合按照格雷码中的排列规则排序，记为子载波集合，对索引比特进行排序，得到索引比特集合；
将所述子载波集合划分为前二分之一和后二分之一，分别记为第一子载波集合和第二子载波集合，以所述第一子载波集合为基准遍历所述第二子载波集合，找出第二子载波集合中与第一子载波中各元素拥有最大汉明距离的组合，将这些备选组合记为备选子载波；
重复上一步骤，直至所述第一子载波集合中元素与所述第二子载波集合中元素组成一一对应关系，记为最优子载波集合；
将所述第一子载波集合中元素划分为前二分之一和后二分之一，更新第一子载波集合，重复执行上述所有步骤，直至第一子载波集合中仅剩两个元素，将生成的对应组集合计入最优子载波集合中；
索引比特预处理，为索引比特集合中每个元素匹配其拥有最大汉明距离的组合，生成最优索引比特集合；
将所述最优索引比特集合与最优子载波集合中的元素进行对应映射，生成的对应关系集即为拥有最大汉明距离最多的对应关系集。
7.一种高铁高速场景下无线网络优化系统，用于实现前述权利要求1至6中任一项所述高铁高速场景下无线网络优化方法，其特征在于，包括：
第一单元，用于高铁车载台基于通信优化技术向前向基站发送车辆信息，前向基站接收所述车辆信息，确定前向小区，结合所述车辆信息，根据预设的波形赋形阈值确定所述前向基站的工作模式，触发波束赋形增益；
第二单元，用于源基站向所述前向小区发出切换请求，所述前向小区接收到所述切换请求后下发切换要求，向高铁驶来方向产生波束赋形增益，所述高铁车载台根据接收到的来自所述源基站与所述前向基站的信号强度差值，结合预设的切换迟滞门限和触发时延，下发网络切换命令；
第三单元，用于根据所述网络切换命令，高铁车载台在重叠区时，所述前向基站和源基站根据预设的波束增益调整策略调整波束增益，所述前向基站监测高铁接收信号强度满足通信要求且高铁驶离重叠区后恢复全向工作模式，完成网络切换。
8.一种电子设备，其特征在于，包括：
处理器；
用于存储处理器可执行指令的存储器；
其中，所述处理器被配置为调用所述存储器存储的指令，以执行权利要求1至6中任意一项所述的方法。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，其特征在于，所述计算机程序指令被处理器执行时实现权利要求1至6中任意一项所述的方法。
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