GSM-R越區(qū)切換初稿

GSM-R越區(qū)切換初稿GSM-R越區(qū)切換姓名：丁春平學(xué)號：06130129GSM-R越區(qū)切換摘要：列車速度的提升導(dǎo)致多普勒效應(yīng)更嚴(yán)重、切換觸發(fā)位置更靠后、越區(qū)切換更頻繁。同時(shí)，我國鐵路網(wǎng)絡(luò)的不斷擴(kuò)展對GSM-R系統(tǒng)的容量提出更高的要求。本文首先對GSM-R網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)切換策略進(jìn)行建模和性能分析。隨后提出一種將GSM-R雙層冗余網(wǎng)絡(luò)中的不同基站組成一個(gè)為列車服務(wù)的虛擬小區(qū)，并采用車載雙天線與虛擬小區(qū)進(jìn)行協(xié)作通信的方案，以充分利用冗余網(wǎng)絡(luò)配置特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)列車穿越小區(qū)過程中完成無縫切換操作。關(guān)鍵詞：GSM-R；切換鐵路移動通訊系統(tǒng)GSM-R是GSM技術(shù)在鐵路工作環(huán)境中衍伸應(yīng)用而產(chǎn)生的專用技術(shù)。鑒于鐵路工作環(huán)境對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶厥庑枨?，GSM-R已經(jīng)發(fā)展出了一套完整的工作方式以應(yīng)對鐵路系統(tǒng)中的苛刻環(huán)境。目前，GSM-R的切換判決主要是通過檢測接收信號強(qiáng)度來進(jìn)行的，當(dāng)相鄰小區(qū)基站信號強(qiáng)度大于本小區(qū)基站信號強(qiáng)度一個(gè)閥值時(shí)，列車就會切換到相鄰小區(qū)。越區(qū)切換發(fā)生在兩個(gè)小區(qū)的邊界，由于陰影和多徑的影響，接收信號質(zhì)量差，加上高速移動導(dǎo)致的多普勒效應(yīng)的影響，使得現(xiàn)有的切換方法面臨較高的切換中斷率，需要對其進(jìn)行優(yōu)化。1GSM-R越區(qū)切換工作簡述GSM-R系統(tǒng)的服務(wù)覆蓋區(qū)域呈現(xiàn)出橫跨地理范圍較大的區(qū)域，并且呈現(xiàn)出依據(jù)鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)而延展的帶狀分布，這樣的服務(wù)區(qū)域決定GSM-R在分區(qū)上必然會采取沿鐵路線分段的方式進(jìn)行服務(wù)覆蓋，也就是說，在列車行駛的過程中，將隨著路段的延伸更換基站確保實(shí)現(xiàn)有效數(shù)據(jù)傳輸。通常而言，GSM-R系統(tǒng)通過在不同小區(qū)交界的地方保留有覆蓋疊加，用以實(shí)現(xiàn)確保列車在疊加區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)越區(qū)切換，但是隨著列車行駛速度的不斷提升，以及鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)自身所面臨的復(fù)雜的自然環(huán)境，越區(qū)切換所能夠獲取到的允許時(shí)間也越來越短。整個(gè)越區(qū)切換過程需要經(jīng)歷4個(gè)階段，整個(gè)過程一般是由移動臺(MS)、基站控制器(BSC)、基站收發(fā)信機(jī)(BTS)以及移動交換中心(MSC)配合完成。首先是獲取數(shù)據(jù)觸發(fā)階段：主要是由MS針對其當(dāng)前的小區(qū)以及鄰區(qū)的數(shù)據(jù)服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將信號最強(qiáng)的小區(qū)上報(bào)基站系統(tǒng)BSS，并且由BSS系統(tǒng)對上報(bào)的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行頂處理。而后進(jìn)行門限值比較，BTS負(fù)責(zé)將當(dāng)前小區(qū)的測試結(jié)果與鄰區(qū)的測試結(jié)果進(jìn)行比對和判定，對于滿足門限條件數(shù)據(jù)進(jìn)行觸發(fā)切換行為。第二步是掃描階段：基站將根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)判斷表達(dá)式來最終對切換動作進(jìn)行判定，確定出合格的小區(qū)將其放入切換鄰區(qū)表中，置于切換指示消息中發(fā)送給BSC。接著進(jìn)入選擇階段：在BSC中，進(jìn)行排序，列出最為合理的候選鄰區(qū)表。完成上述工作后進(jìn)入執(zhí)行階段：主要包括分配并激活一個(gè)新的信道，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行配合小區(qū)進(jìn)行切換的行為，將數(shù)據(jù)服務(wù)獲取切換到該信道上。2越區(qū)切換準(zhǔn)則2.1接收到的信號強(qiáng)度(RSS)準(zhǔn)則當(dāng)從當(dāng)前小區(qū)接收到的RSS低于某一預(yù)設(shè)門限值時(shí)，切換過程將被啟動。為了防止過早地啟動切換過程，可以采取加窗平均和滯后門限相結(jié)合的切換準(zhǔn)則。在這個(gè)準(zhǔn)則里，當(dāng)系統(tǒng)作出切換的決策前，系統(tǒng)將對接收到的若干RSS采樣值進(jìn)行平均，只有當(dāng)從當(dāng)前小區(qū)接收到的平均RSS低于從目標(biāo)小區(qū)接收到的平均RSS的一個(gè)預(yù)先設(shè)定的滯后門限時(shí)，系統(tǒng)才啟動切換過程。2.2載波與干擾比（CIR）準(zhǔn)則RSS準(zhǔn)則沒有將系統(tǒng)中的CIR考慮進(jìn)去。為了克服RSS準(zhǔn)則的不足，提出了將CIR和相應(yīng)的比特差錯(cuò)率(BER)作為切換的準(zhǔn)則。CIR和BER也將受到無線信道衰落和陰影的影響而有所波動，為了提供準(zhǔn)確的切換指示，還需用到加權(quán)平均和滯后門限的方法。2.3移動臺和基站之間的距離準(zhǔn)則由于無線信道的多變性以及移動用戶所處環(huán)境的不同，在蜂窩系統(tǒng)中完全可能出現(xiàn)這樣一種現(xiàn)象：從離用戶近的基站接收到的信號質(zhì)景反而不如從離用戶較遠(yuǎn)的基站接收到的信號質(zhì)量。因此，實(shí)際系統(tǒng)中經(jīng)常將距離準(zhǔn)則作為CIR或RSS準(zhǔn)則的一種輔助參考。2.4網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)則網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的下降并不是發(fā)生越區(qū)切換的唯一原因。有時(shí)，系統(tǒng)為了容納更多的用戶或?yàn)榱司獠煌^(qū)間的業(yè)務(wù)量，將重新安排信道的分配，這時(shí)的切換是由系統(tǒng)引起的。3GSM-R越區(qū)切換存在的問題分析3.1移動臺不能發(fā)生切換動作移動臺不能順利的發(fā)生切換的動作，大致可分在信號及其微弱或質(zhì)量很差時(shí)。這種故障的發(fā)生存在于不滿足切換條件和沒有符合切換條件候選小區(qū)這兩種原因下。3.2切換過程前設(shè)置的數(shù)據(jù)不合理鄰小區(qū)的設(shè)置不易過多同時(shí)也不宜過少，不然的話就會導(dǎo)致切換信號的不穩(wěn)定，導(dǎo)致切換異常，甚至有的小區(qū)能夠包含10個(gè)以上的鄰小區(qū)，這樣的話掉話的性能不但得不到改善，反而會導(dǎo)致切換不能夠進(jìn)行，還會進(jìn)一步的造成由于小區(qū)過多導(dǎo)致的頻點(diǎn)分配問題，增加干擾頻率的可能性。鄰小區(qū)過多的話也會導(dǎo)致采樣信號的不穩(wěn)定。適當(dāng)?shù)臏p少鄰小區(qū)的個(gè)數(shù)，設(shè)置合理的緊急切換時(shí)間，利用TA切換的形式極大地消除由于信號覆蓋地形發(fā)雜引起的切換異常。3.3由于外界因素而導(dǎo)致的切換異常如果有一個(gè)時(shí)間段的某個(gè)小區(qū)突然間就產(chǎn)生了切換故障問題，而有關(guān)的參數(shù)并沒有改變時(shí)，那么首先應(yīng)該從設(shè)備的外界條件查找原因。就像是天線的性能發(fā)生變化時(shí)（天線的傾角變化、方位角的改變、外界的干擾等），會引起切換過程中的兩個(gè)基站之間的信號傳遞受到阻礙，然后就會導(dǎo)致越區(qū)切換的失敗等。4越區(qū)切換方案4.1切換判決閥值如圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖中每個(gè)基站的覆蓋半徑為R，基站布置在一條直線上，相鄰基站間具有跨度為a的重疊區(qū)，GSM-R網(wǎng)絡(luò)采用3小區(qū)頻率復(fù)用形式，f1、f2和f3分別表示3個(gè)不同的頻率。圖1具有3小區(qū)頻率復(fù)用的GSM-R網(wǎng)絡(luò)布局當(dāng)列車(MS)在小區(qū)i內(nèi)沿鐵軌向右移動，小區(qū)j為相鄰小區(qū)，也是切換的目標(biāo)小區(qū)。當(dāng)列車朝小區(qū)j移動并且檢測到接收到小區(qū)j的信號強(qiáng)度大于接收到的來自小區(qū)i的信號強(qiáng)度一定的閥值時(shí)，列車就會從小區(qū)i切換到相鄰小區(qū)j。從而可以通過算法來優(yōu)化切換判決閥值來降低切換失敗率，但是該方案本質(zhì)上是對系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化，并不能對系統(tǒng)性能有較大的改善。4.2利用GPS系統(tǒng)利用GPS系統(tǒng)，多次測量估計(jì)兩個(gè)相鄰小區(qū)執(zhí)行切換的位置，并引入速度因子，當(dāng)列車距離切換位置較近時(shí)，則觸發(fā)目標(biāo)小區(qū)提前為列車分配好系統(tǒng)資源，減少切換執(zhí)行時(shí)間。但是由于無線信號的傳輸特性，可能造成切換位置與估計(jì)值存在偏差，造成切換誤判。4.3利用列車位置信息和中繼站功率控制技術(shù)假設(shè)在兩個(gè)相鄰小區(qū)間加入一個(gè)中繼站，在某個(gè)時(shí)刻，中繼站只附屬于其中一個(gè)基站，中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式為直接放大轉(zhuǎn)發(fā)，且轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延忽略不計(jì)。首先定義下圖的中繼作用域?yàn)镈1-D3，當(dāng)列車運(yùn)行到D1所示位置時(shí)，中繼開始轉(zhuǎn)發(fā)自基站i的信號，且中繼滿功率發(fā)射，中繼站覆蓋范圍為圖2實(shí)線構(gòu)成的圓。此時(shí)列車可以通過接收中繼的信號獲得分集，提高系統(tǒng)容量。當(dāng)列車運(yùn)行到D2所在位置時(shí)，發(fā)現(xiàn)相鄰小區(qū)基站的信號強(qiáng)度比本小區(qū)基站的信號強(qiáng)度大LdB，滿足切換觸發(fā)條件。此時(shí)中繼開始執(zhí)行功率控制，使列車接收到的來自本小區(qū)基站和中繼站的合成信號滿足最小通信需求，中繼站覆蓋范圍為圖2虛線構(gòu)成的圓，在不斷變化。這樣在保證與本小區(qū)不中斷的情況下有利于切換的觸發(fā)和執(zhí)行。當(dāng)列車運(yùn)行到D3位置時(shí)，切換己經(jīng)成功，中繼停正工作。圖2基于位置和中繼功率控制的優(yōu)化方案圖獲得位置信息的方法有：GPS定位、應(yīng)答器定位、速度傳感器定位和雷達(dá)傳感器定位等。只要預(yù)先設(shè)定圖2中D1和D2的位置，就能利用位置信息、輔助中繼完成本文提出的優(yōu)化方案。4.4引入模糊邏輯的判決準(zhǔn)則提出一種引入模糊邏輯的判決準(zhǔn)則，利用速度、接收信號強(qiáng)度、距離3個(gè)因素，邏輯判決列車是否需要執(zhí)行越區(qū)切換操作，但是在高速移動環(huán)境下接收信號強(qiáng)弱、距離的遠(yuǎn)近變化很快，該方案對切換性能的改進(jìn)受限制。4.5射頻拉遠(yuǎn)的網(wǎng)絡(luò)中一種移動擴(kuò)展小區(qū)提出射頻拉遠(yuǎn)的網(wǎng)絡(luò)中一種移動擴(kuò)展小區(qū)的概念。兩個(gè)相鄰的RemoteAntennaUnit(RAU)組成一個(gè)擴(kuò)展小區(qū)，并形成了以用戶為中心的虛擬小區(qū)。兩個(gè)RAU可以同時(shí)為移動臺發(fā)送相同的下行數(shù)據(jù)，這樣就為移動臺擁有更多的時(shí)間執(zhí)行切換過程，提高了切換的成功率。4.6在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，布置多個(gè)收發(fā)機(jī)在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，移動終端采用多收發(fā)機(jī)，在執(zhí)行切換過程中，某一個(gè)收發(fā)機(jī)與基站進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)交互，另一收發(fā)機(jī)執(zhí)行切換掃描等過程，為正常通信的收發(fā)機(jī)提供切換準(zhǔn)備的必要信息。在此方案中，沒有充分利用多個(gè)收發(fā)機(jī)同時(shí)工作能夠提升接收信號質(zhì)量及系統(tǒng)容量，并且多收發(fā)機(jī)之間的干擾問題也沒有得到解決。5優(yōu)化方案本文提出了一種基于GSM-R冗余網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)的利用車載雙天線協(xié)作的方案。結(jié)合GSM-R中已有的冗余網(wǎng)絡(luò)配置，將來自雙層網(wǎng)絡(luò)的不同基站組成一個(gè)為列車服務(wù)的虛擬小區(qū)，變相地?cái)U(kuò)大了小區(qū)重疊區(qū)的覆蓋范圍，使得列車在穿越小區(qū)重疊區(qū)時(shí)具有更多的時(shí)間用于切換和接入目標(biāo)基站，可以實(shí)現(xiàn)無縫切換操作。5.1GSM-R網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖3所示，即為GSM-R網(wǎng)絡(luò)交織站址冗余配置示意圖。圖3GSM-R網(wǎng)絡(luò)交織站址冗余配置示意圖在圖中，灰色部分為第一層網(wǎng)絡(luò)Net1，白色部分為第二層網(wǎng)絡(luò)Net2。兩層網(wǎng)絡(luò)的基站具有不同的覆蓋區(qū)域，第二層網(wǎng)絡(luò)基站位于第一層網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)相鄰基站重疊區(qū)中央。交織站冗余覆蓋方式的基站能夠使得列車穿越小區(qū)過程中，始終具有很好的接收信號質(zhì)量。5.2車載雙天線在列車頂端前后各安裝一個(gè)收發(fā)天線(Ant1,Ant2)，兩個(gè)收發(fā)天線通過光纖或電纜和一個(gè)中央控制站(CentralControlStation,CCS)連接，并受其集中控制，如圖4所示。車載雙天線在CCS的控制下，既可以獨(dú)立工作，也可以在必要的時(shí)候進(jìn)行協(xié)作。由于安裝于列車頂端的車載雙天線距離較遠(yuǎn)，因此可以獲得很好的分集效果，提升列車接收信號質(zhì)量，并且能夠消除多收發(fā)機(jī)帶來的干擾問題。車廂內(nèi)的用戶通過車廂內(nèi)WLAN等接入網(wǎng)絡(luò)，并由這些接入點(diǎn)將車內(nèi)用戶的上行信息匯聚至CCS，再由CCS控制將所有用戶的上行信息通過兩個(gè)置于車廂外部的車載天線發(fā)送至路旁的基站設(shè)備?；鞠滦邪l(fā)送的信息先通過車載雙天線接收后，由CCS進(jìn)行集中處理，然后將信息轉(zhuǎn)發(fā)至車廂內(nèi)的WLAN等網(wǎng)絡(luò)，完成地面基站與列車內(nèi)用戶之間信息的交互過程。圖4車載雙天線的實(shí)現(xiàn)5.3車載雙天線與虛擬小區(qū)協(xié)作通信鐵路旁的基站被分成兩層網(wǎng)絡(luò)(Net1,Net2)，并對于兩層網(wǎng)絡(luò)中所屬基站進(jìn)行編號，其中：Net1由奇數(shù)編號的基站BSi(i=2n-l,n=1,2,3,...)組成，如圖3中灰色部分所示；相反，Net2由偶數(shù)編號的基站BSi(i=2n,n=1,2,3,...)組成。為了減少頻繁的切換操作，列車前方天線Ant1始終工作于Net1，列車后方天線Ant2始終工作于Net2中。當(dāng)列車在穿越小區(qū)重疊區(qū)過程中，兩個(gè)天線只能在其相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)中完成切換過程。由于GSM-R雙層網(wǎng)絡(luò)采用了冗余備份機(jī)制，因此當(dāng)n值相同時(shí)，兩個(gè)基站BS2n、BS2n-1是相互冗余備份基站，可以為用戶發(fā)送相同的下行數(shù)據(jù)，也就將這樣的兩個(gè)基站(分別來自兩層網(wǎng)絡(luò))組成一個(gè)為列車服務(wù)的虛擬小區(qū)。例如：Bs1與Bs2為相互冗余的基站，共同組成一個(gè)虛擬小區(qū)，通過車載雙天線協(xié)作可以完成列車與地面基站之間的通信過程。(1)末執(zhí)行切換操作。此時(shí)，雙天線在CCS的控制下能夠從兩層網(wǎng)絡(luò)的不同基站組成的虛擬小區(qū)中接收相同的信號，形成了分集接收的效果，因此列車能夠獲得很好的接收信號質(zhì)量，為列控信息的傳輸提供可靠的保證。(2)執(zhí)行越區(qū)切換時(shí)。若Ant1在Net1中執(zhí)行切換操作，將BS3作為目標(biāo)小區(qū)，此時(shí)Ant1與原服務(wù)基站BS1斷開連接，而Ant2仍然在Net2中BS2的覆蓋范圍下與BS2執(zhí)行正常的通信。在CCS的控制下，雙天線協(xié)同工作，Ant1負(fù)責(zé)完成切換過程，Ant2負(fù)責(zé)列車內(nèi)用戶與地面基站的正常通信過程。同理，當(dāng)Ant2執(zhí)行切換過程時(shí)，由Ant1負(fù)責(zé)列車與地面基站的通信。這樣就使得列車在執(zhí)行切換過程中，不會由于硬切換的模式而造成通信中斷。總結(jié)GSM-R系統(tǒng)的越區(qū)切換技術(shù)在逐步的提高與優(yōu)化之中，它的進(jìn)步能夠保證我國的鐵路移動通信的可靠性與有效性。同時(shí)如何降低阻塞率是提高越區(qū)切換的關(guān)鍵，在設(shè)計(jì)的時(shí)候盡量減小切換過程中的復(fù)雜性。參考文獻(xiàn)[1]毛震宇.高速鐵路中GSM-R越區(qū)切換優(yōu)化方案[J].蘇州軌道交通有限公司,2013(9).[2]崔學(xué)超.GSM-R越區(qū)切換常見問題分析及優(yōu)化[J].北京鐵路局北京通信段GSM-R技術(shù)支持中心.[3]陸玲輝,方旭明,邸成,楊崇哲.GSM-R網(wǎng)絡(luò)中基于位置和中繼功率控制的切換優(yōu)化方案[J].西南交通大學(xué),2012,34(7).[4]陳銀春,王長林.一種有效的GSM-R系統(tǒng)越區(qū)切換方案[J].西南交通大學(xué),2008,17(9).GSM-RhandoverAbstract:Speed-raisingoftrainscausesthesevereDopplerEffect,postponementofhandovertriggeringandfrequenthandover.Meanwhile,