高铁环境下LTE的切换研究

ajicixy

摘 要：由于LTE系统采用扁平化的网络架构和精简的信令流程，大大减小了用户面的传输时延和控制面的时延，我们可以采用LTE技术来对高速铁路进行专网覆盖，提供稳定的高速宽带传输系统。因此本文对高铁环境下LTE的切换解决方案进行研究，来满足高速铁路环境下LTE切换的要求。
关键词：高铁；LTE；切换
中图分类号：TP31 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 08-0000-01
一、引言
随着我国高速铁路的迅速发展，为了满足高铁旅客对于数据通信和数字娱乐的通信需要，在高铁车厢内应能够同时支持WiFi、3G、2G等无线通信技术制式，使得我们可以使用专网覆盖的方式，达到更好的覆盖效果，为高铁的旅客提供高速的数据通信服务。
二、高铁环境的特征和对切换的影响
由于高速铁路列车的运行速度比较高，当高速铁路列车在350公里/小时及以上的速度运行时，在3GHz的载波频率下，最大多普勒频移将达到1kHz以上。更加恶劣的是多普勒频移是时变的，尤其是当列车与基站间的距离较近时。列车运动速度的提高导致的较大时变多普勒频移和信道的多样性结合导致信道的动态衰落特征更加恶劣，给通信带来了很多问题。问题主要如下有：（1）车体穿透损耗大；（2）高速带来的频繁切换；（3）小区重叠区难以满足切换和重选的需求；（4）高速带来的多普勒效应难以克服；（5）复杂的电磁环境。
三、针对高铁问题的切换解决方案
（一）基于TD-LTE的高速铁路宽带无线通信系统方案
为解决高速铁路通信的覆盖方案，可以采用基于TD-LTE的高速铁路宽带无线通信系统。基于TD-LTE的高速铁路宽带无线通信系统是在高铁车厢内支持多种无线通信技术制式（如2G/3G、WiFi），车厢到路边的数据传输系统采用TD-LTE技术的通信系统。系统共分为车载子系统，地面子系统和核心网三个部分。采用基于TD-LTE的高速铁路宽带无线通信系统解决了如下问题：（1）解决了车体穿透损耗的问题。车载子系统中的车载终端的天线放置在列车车厢外顶端，与地面系统的eNodeB通信，进行数据的回传；列车内的不同通信制式的用户终端分别通过车载子系统的车载2G/3G微基站单元、WIFi热点覆盖设备接入不同的网络，无车体损耗问题。（2）消除了频繁群切换问题。列车内的用户直接与列车内部的车载2G/3G微基站单元通信，不存在切换的问题，消除了很多用户同时切换的场景，避免了信令风暴。（3）可以优化切换带的设计。由于该系统采用了先进的TD-LTE技术，扁平化的网络架构和精简的信令交互流程，可以保证切换在几百毫秒内完成，可以减少切换区域，降低了切换带的设计难度。（4）可以提供高速率的数据服务。列车的用户可以享受高数据速率的业务，同时，也可以开展对列车的视频监控业务。
车载子系统主要包括：车载终端、车载信息平台、车载2G/3G微基站单元、车载多系统合路模块和WIFi热点覆盖及视频监控设备。基于TD-LTE标准的车载终端单元直接与地面TD-LTE基站通信，负责搭建车一地间的大容量数据传输通道；车载信息平台主要用来对列车进行信息管理的一个平台；车载2G/3G基站单元实现对车厢内旅客持有的2G/3G终端的无线覆盖，负责在旅客手持终端与TD-LTE车载台之间搭建无线传输通道；WIFi热点覆盖设备实现对车厢内WLAN终端的无线覆盖，为旅客提供便捷的互联网服务。
在每列8节车厢编组的高速列车上，车头和车尾分别安装一个车载通信单元，一套车载信息平台、车载多系统合路模块和车载2G/3G基站单元。每节车厢内部署一套中继器、视频监控和WiFi热点覆盖设备。
地面子系统主要包括基站eNodeB、无线远端单元RRU。承载基站之间通信的XZ接口的光纤设备以及承载基站eNodeB与MME/S-GW之间通信的S1接口的光纤设备。地面子系统中基站eNodeB的主要功能包括：无线资源管理方面，如无线承载的建立和释放、连接移动性控制、无线接入控制、用户设备（UE）上下行资源动态分配；IP头压缩和用户数据流加密；用户数据的路由和系统调度、广播信息等。无线远端单元RRU接收来自车载终端的业务和控制信息，通过光纤接口送入基站eNodeB，同时无线远端单元RRU将系统的用户数据信息和系统的调度、广播等信息发送给车载终端设备。基站eNodeB通过Sl接口与MME/S-GW所在的核心网进行数据交互。
核心网部分在本系统中主要涉及MME/S-GW和接入控制器。MME/S-GW主要功能是上传和下发系统的控制信息和用户的业务信息。接入控制器的主要功能是将转换成TD-LTE格式的2G/3G、WIFi的数据信息分离，分别接入不同的服务网络中。
（二）扩大小区覆盖范围
为了减少切换的次数，可以增大小区的覆盖范围，来减少基站的数量，从而减少切换的次数。由于高速铁路的链状环境，不必采用全向覆盖的方案，可以采用BBU（基带处理单元）+RRU（射频拉远单元）+多幅天线的网络覆盖方案，属于同一小区的多幅天线沿高速铁路部署，从而减少切换频率以提高网络性能。这种方案中，同一小区内的天线下面不存在切换，通过相应的基带处理，单小区可以跨越多个RRU覆盖区，可以根据容量的需求，来合理规划小区的覆盖范围。RRU呈带状分布于铁路沿线两边，保持对高速铁路的无缝覆盖，实现与高速列车的不间断通信。
（三）快速频偏校正算法
由于多普勒频移的影响，切换的信号质量会受到影响，信令的交互容易失败，引起切换的失败或者时延的增大。必须采用频率校正算法，来降低频率偏移的影响。针对高铁环境下，可以AFC为基础，研究快速频偏校正算法，来克服高速环境下的多普勒频移。
（四）快速可靠的切换算法
为了提高切换的成功率，快速可靠的切换算法也是研究的重点，针对高铁环境的特殊性，如小区是链状小区，信道资源比较丰富，速度不断变化，提出适合高速铁路环境的快速切换算法。
参考文献：
[1]刘静.LTE系统的切换与切换自优化方法的研究[D].西安电子科技大学，2009.
[2]秦夏鸿.移动通信系统中的切换技术研究[D].北京邮电大学，2010.
[3]田月.高速铁路场景下的TD-SCDMA覆盖方案.科技创新导报，2011（16）：26-28.
[作者简介]黄欣荣（1981-），男，硕士，讲师，工程师，研究方向：铁道通信信号。