GSMR越區(qū)切換初稿

1、gsm-r越區(qū)切換姓名：丁 春 平 學(xué)號(hào)：06130129gsm-r越區(qū)切換摘要：列車(chē)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(guó)鐵路網(wǎng)絡(luò)的不斷擴(kuò)展對(duì)gsm-r系統(tǒng)的容量提出更高的要求。本文首先對(duì)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(chē)服務(wù)的虛擬小區(qū)，并采用車(chē)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(chē)穿越小區(qū)過(guò)程中完成無(wú)縫切換操作。關(guān)鍵詞：gsm-r；切換鐵路移動(dòng)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(duì)于數(shù)據(jù)

2、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(duì)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(guò)檢測(cè)接收信號(hào)強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行的，當(dāng)相鄰小區(qū)基站信號(hào)強(qiáng)度大于本小區(qū)基站信號(hào)強(qiáng)度一個(gè)閥值時(shí)，列車(chē)就會(huì)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(hào)質(zhì)量差，加上高速移動(dòng)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(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。 1 gsm-r越區(qū)切換工作簡(jiǎn)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(huì)采取沿鐵路線分段的方式進(jìn)行服務(wù)覆蓋，

3、也就是說(shuō)，在列車(chē)行駛的過(guò)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(guò)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(chē)在疊加區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)越區(qū)切換，但是隨著列車(chē)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(lái)越短。整個(gè)越區(qū)切換過(guò)程需要經(jīng)歷4個(gè)階段，整個(gè)過(guò)程一般是由移動(dòng)臺(tái)(ms)、基站控制器(bsc)、基站收發(fā)信機(jī)(bts)以及移動(dòng)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(duì)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(hào)最強(qiáng)的小區(qū)上報(bào)基站系統(tǒng)bss，并且由bss系統(tǒng)對(duì)上報(bào)的相應(yīng)數(shù)

4、據(jù)進(jìn)行頂處理。而后進(jìn)行門(mén)限值比較，bts負(fù)責(zé)將當(dāng)前小區(qū)的測(cè)試結(jié)果與鄰區(qū)的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)和判定，對(duì)于滿足門(mén)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(lái)最終對(duì)切換動(dòng)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(hào)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(mén)限值時(shí)，切換過(guò)程將被啟動(dòng)。為了防止過(guò)

5、早地啟動(dòng)切換過(guò)程，可以采取加窗平均和滯后門(mén)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(duì)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(mén)限時(shí)，系統(tǒng)才啟動(dòng)切換過(guò)程。2.2 載波與干擾比（cir）準(zhǔn)則rss準(zhǔn)則沒(méi)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(wú)線信道衰落和陰影的影響而有所波動(dòng)，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(mén)限的方法。2.3 移動(dòng)臺(tái)和基站之間的距離準(zhǔn)則由于無(wú)線信道的多變性以及移動(dòng)用戶所處

6、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(hào)質(zhì)景反而不如從離用戶較遠(yuǎn)的基站接收到的信號(hào)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。3 gsm-r越區(qū)切換存在的問(wèn)題分析3.1 移動(dòng)臺(tái)不能發(fā)生切換動(dòng)作移動(dòng)臺(tái)不能順利的發(fā)生切換的動(dòng)作，大致可分在信號(hào)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(méi)有符合切換條件候選小區(qū)這兩種原因下。3.2 切換過(guò)程前設(shè)置的數(shù)據(jù)

7、不合理鄰小區(qū)的設(shè)置不易過(guò)多同時(shí)也不宜過(guò)少，不然的話就會(huì)導(dǎo)致切換信號(hào)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(huì)導(dǎo)致切換不能夠進(jìn)行，還會(huì)進(jìn)一步的造成由于小區(qū)過(guò)多導(dǎo)致的頻點(diǎn)分配問(wèn)題，增加干擾頻率的可能性。鄰小區(qū)過(guò)多的話也會(huì)導(dǎo)致采樣信號(hào)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(hào)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(wèn)題，而有關(guān)的參數(shù)并沒(méi)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

8、傾角變化、方位角的改變、外界的干擾等），會(huì)引起切換過(guò)程中的兩個(gè)基站之間的信號(hào)傳遞受到阻礙，然后就會(huì)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(chē)(ms)在小區(qū)i內(nèi)沿鐵軌向右移動(dòng)，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(chē)朝小區(qū)j移動(dòng)并且檢測(cè)到接收到小區(qū)j的信號(hào)強(qiáng)度大于接收到的來(lái)自小區(qū)i的信號(hào)強(qiáng)度一定的閥值時(shí)，列車(chē)就會(huì)從小區(qū)i切換到相鄰小區(qū)j。從而可

9、以通過(guò)算法來(lái)優(yōu)化切換判決閥值來(lái)降低切換失敗率，但是該方案本質(zhì)上是對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化，并不能對(duì)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(cè)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(chē)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(chē)分配好系統(tǒng)資源，減少切換執(zhí)行時(shí)間。但是由于無(wú)線信號(hào)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(chē)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)閐1-d3，當(dāng)列車(chē)運(yùn)行到d1所示位置時(shí)，

10、中繼開(kāi)始轉(zhuǎn)發(fā)自基站i的信號(hào)，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(chē)可以通過(guò)接收中繼的信號(hào)獲得分集，提高系統(tǒng)容量。當(dāng)列車(chē)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(hào)強(qiáng)度比本小區(qū)基站的信號(hào)強(qiáng)度大ldb，滿足切換觸發(fā)條件。此時(shí)中繼開(kāi)始執(zhí)行功率控制，使列車(chē)接收到的來(lái)自本小區(qū)基站和中繼站的合成信號(hào)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(chē)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

11、。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(hào)強(qiáng)度、距離3個(gè)因素，邏輯判決列車(chē)是否需要執(zhí)行越區(qū)切換操作，但是在高速移動(dòng)環(huán)境下接收信號(hào)強(qiáng)弱、距離的遠(yuǎn)近變化很快，該方案對(duì)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(dòng)擴(kuò)展小區(qū)提出射頻拉遠(yuǎn)的網(wǎng)絡(luò)中一種移動(dòng)擴(kuò)展小區(qū)的概念。兩個(gè)相鄰的remote antenna unit(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(dòng)臺(tái)發(fā)送相同的下行數(shù)據(jù)，這樣就為移動(dòng)臺(tái)擁有更多的時(shí)間執(zhí)行切換過(guò)程，提高了切換

12、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(dòng)終端采用多收發(fā)機(jī)，在執(zhí)行切換過(guò)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(guò)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(méi)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(hào)質(zhì)量及系統(tǒng)容量，并且多收發(fā)機(jī)之間的干擾問(wèn)題也沒(méi)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(chē)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(lái)自雙層網(wǎng)絡(luò)的不同基站組成一個(gè)為列車(chē)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(chē)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

13、以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換操作。5. 1 gsm-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3 gsm-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(chē)穿越小區(qū)過(guò)程中，始終具有很好的接收信號(hào)質(zhì)量。5.2 車(chē)載雙天線在列車(chē)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(guò)光纖或電纜和一個(gè)中央控制站(central control station, ccs)連接，并受其集中控制，如圖4所示。車(chē)載雙天線

14、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(chē)頂端的車(chē)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(chē)接收信號(hào)質(zhì)量，并且能夠消除多收發(fā)機(jī)帶來(lái)的干擾問(wèn)題。車(chē)廂內(nèi)的用戶通過(guò)車(chē)廂內(nèi)wlan等接入網(wǎng)絡(luò)，并由這些接入點(diǎn)將車(chē)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(guò)兩個(gè)置于車(chē)廂外部的車(chē)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(guò)車(chē)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(chē)廂內(nèi)的wlan等網(wǎng)絡(luò)，完成地面基站與列車(chē)內(nèi)用戶之間信息的交互過(guò)程。圖4 車(chē)載雙天線的實(shí)現(xiàn)5. 3車(chē)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)(n

15、et1,net2)，并對(duì)于兩層網(wǎng)絡(luò)中所屬基站進(jìn)行編號(hào)，其中：net1由奇數(shù)編號(hào)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(hào)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(chē)前方天線ant1始終工作于net1，列車(chē)后方天線ant2始終工作于net2中。當(dāng)列車(chē)在穿越小區(qū)重疊區(qū)過(guò)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(guò)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(lái)自兩層網(wǎng)絡(luò))組成一個(gè)為列

16、車(chē)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(guò)車(chē)載雙天線協(xié)作可以完成列車(chē)與地面基站之間的通信過(guò)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(hào)，形成了分集接收的效果，因此列車(chē)能夠獲得很好的接收信號(hào)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(kāi)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(guò)程，ant2負(fù)責(zé)列車(chē)內(nèi)

17、用戶與地面基站的正常通信過(guò)程。同理，當(dāng)ant2執(zhí)行切換過(guò)程時(shí)，由ant1負(fù)責(zé)列車(chē)與地面基站的通信。這樣就使得列車(chē)在執(zhí)行切換過(guò)程中，不會(huì)由于硬切換的模式而造成通信中斷?？偨Y(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(guó)的鐵路移動(dòng)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(guò)程中的復(fù)雜性。參考文獻(xiàn)1 毛震宇.高速鐵路中g(shù)sm-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(jiàn)問(wèn)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

18、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(zhǎng)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-r handoverabstract: speed-raising of trains causes the severe doppler effect, postponement of handover triggering and frequent handover. meanwhile, the expansion of railway networks demands larger capacity of the gsm-r system. in this paper, the traditional handover strategy for gsm-r has been modeled and analyzed. then, this paper proposed an optimized scheme, in which we combined different bss in the gsm-r two layer redundant network into a v