论文部分内容阅读
【摘要】 跨区域无线通信网络系统切换是保障高速铁路信号畅通的关键技术，对列车安全、高速运行具有重要的作用。本文针对高速铁路通信系统中跨区域切换技术进行研究，分析当前存在多径损耗、多普勒频移等问题和不足，进而探讨提出高铁环境下无线通信系统的切换技术优化策略。
【关键词】 高速铁路 网络切换 无线通信
引言
随着我国高速铁路的快速发展，为我国现代化交通运输事业带来了极大便利，带动了沿线城市和区域经济快速发展。由于我国高铁时速超过300公里/时，随之而来的是高速铁路无线通信信号切换的问题，无法为用户提供稳定、无缝、高速的无线信号接入，因此探寻适合高铁场景下的无线通信接入方案已经成为亟需解决的问题。如何在高速运行的时速下，提高无线通信网络服务的质量，成为三大运营商普遍关注的问题。
一、高速铁路无线通信的难点问题
高速铁路无线通信环境下，无线网络接入存在多径损耗、多普勒频移、信号频繁切换等问题，与社会公众移动通信技术相比，高速铁路无线通信技术更为复杂，多普勒频移和信号的快速衰落，使得用户终端无法长期获得稳定的信号，导致高速列车无线通信连接速率极差，网络切换困难时常发生。同时由于列车损耗和多径损耗，频繁的区域信号切换，造成车体内部形成弱信号区域，接收信号极容易产生干扰，使得通信误码率增加，通信质量下降。
1.1 多普勒频移
因终端接收器快速移动产生的信号频移称为多普勒频移。高铁列车行驶发生的多普勒频移和列车的运行速度以及基站信号方向的夹角成正比。高铁列车在高速行驶过程中，致使无线信道环境发生变化，对无线通信系统数据传输的误码率、突发帧错误平均长度等造成极大影响，对终端设备提取载波频率提高了难度。
1.2 穿透损耗
高速铁路影响无线通信接入的另一个原因是，高速行驶的列车车厢使得信号造成穿透损耗。目前，我国高速铁路基本采用全封闭的金属车身，整体结构稳定、密封性极强，而且列车玻璃大多数采用单层或多层的金属镀膜玻璃，对信号的衰减影响很大。尤其是随着无线通信信号频率的增加，信号遇到高速行驶的列车衰减更多，并且由于信号射入角度较少，信号的穿透损耗越大，所承受的车体损耗也越大。因此，在通信基站的建设过程中，必须要考虑基站与铁路的距离，最好使天线的主瓣方向入射角大于10°，才能保证信号的有效传输。
1.3切换技术
切换是从当前移动用户与基站之间保持联络状态，进入到下一个基站，仍然维持通信信号不中断的过程。因为高速铁路是一种蜂窝的网络，根据功率约束和可用频谱资源分配数字信道。
当高铁列车进入到下一个区域后，用户需要保持无线通信状态时，无线系统必须要在两个区域的边界，转移到下一个目标区域，让用户正常使用通信设备。如果高速行驶的列车移动速度越快，进入区域重叠的时间就会越短，对于系统处理用户切换的延时要求也越高。
当系统切换的速度延时大于列车穿越区域重叠的时间间隔，无线信号的切换就无法自由顺畅，从而造成无线通信网络的强制中断。
通常来说，通信切换分为硬切换和软切换两种方式。硬切换是用户与新基站重新建立连接关系前，使用户与旧基站的连接中断，保持持续连接的状态。软切换的特点是“先建立、后断开”，是指用户从一个蜂窝移动到另一个蜂窝时不中断连接，用户能够保持与多个基站的连接。
二、高速铁路无线通信技术切换的有效策略
2.1基于地理位置的切换技术
高速铁路通常布置的区域呈现带状分布，由于其行驶的路线比较固定，为切换顺畅提供了可能，一些专家希望通过地理位置标注的方式，来对切换技术进行优化。当高速铁路进入到目标基站的区域后，可按照高铁行驶的速度来确定切换出发的条件。根据研究表明，通过对高铁位置的精准定位，根据列车的行驶速度，当进入到某一个区域时，可自适应地触发通信网络。初始基站按照列车的行驶过程将预切换信息传播到目标基站，便于目标基站进行信道分配和激活，实现网络之间的快速切换。虽然基于地理位置的切换方式，能够提高切换的准确度，但由于初始基站需要掌握列车的行驶速度和列车位置，增加了额外的信令开销。如果在GPS信号接收不良的区域，列车的GPS无法提供准确的地理位置，将会严重影响通信切换的效果。
2.2基于车载中继的切换技术
中继作为目前较为常用的一种通信技术，属于无线通信技术领域理想的技术之一，在高速铁路列车中有极大的应用价值。在高速列车的车顶设置车载中继站（train mobile station，TRS），利用高铁列车中继转发，列车中的用户终端可根据各车厢设置的 AP（access point，接入点）统一连接到 TRS，再根据TRS 的群移动性功能，由 TRS 替代列车中的每一个用户设备，将基站与用户之间建立起无线链路，实现基站选择和跨区域的自由切换，有效降低列车对无线通信的信号损耗。
所以TRS中继站具有比普通接入用户更为强大的计算功能，可有效对多普勒频移进行校正，增强信号接收质量，避免车厢穿透损耗，保证列车和用户无线通信的连续性和信息传播的有效性。
本文采取移动中继站双天线辅助切换方案，可有效改进硬切换造成的中断问题。双天线是指分别安装在列车头和列车尾，当列车驶入到无线通信网络的重叠区域，触发无线通信的切换条件，由列车头天线开始执行切换，列车尾则继续与服务基站连接，列车头切换成功后，列车尾将工作频率同步到目标基站，最后完成切换过程。如果在此过程中出现切换失败的问题，则列车尾驶入到重叠区域后再次进行切换。通过采取双保险的协作方式，最终完成无线通信的切换。
2.3基于双播机制的切换技术
高速铁路在通信频繁切换的过程中，极容易引发通信中断的问题。近几年，基于双播（bi-casting）的切换机制在高速铁路中被应用，成为研究的另一领域。在以往LTE切换过程中，网络和用户终端之间依靠信道传输，极容易产生信号丢失。为降低信号的丢失率，信号传输采取数据转发的机制，在服务基站X2接口将信号的副本转发给目标基站，再由目标基站将信号传输给用户终端。而采取双播机制，服务网关可同时向初始基站和目标基站传输信号。初始基站将处理后的信号传输给用户，则目标基站将信号进行丢失，直到用户终端成功切换到目标基站即可。因此，双播机制将缩短信号转发的时间，降低切换中断时间，更有利于高速铁路的通信方式。
三、结束语
为保障高速铁路列车在行驶过程中调度信息及用户接收信息，对高速铁路在跨区域过程中提出更高的切换要求。本文对高速铁路环境特点及通信系统的影响进行分析，提出高速鐵路无线通信环境下，无线网络接入存在多径损耗、多普勒频移、信号频繁切换等问题，结合移动通信无线覆盖技术和切换机制，从基于地理位置、安装车载中继、采取双播机制等三个方面，对高速铁路无线通信传输性能进行改进优化。同时随着5G时代的到来，5G通信系统能够实现毫秒级的响应，增强设备的连接密度，未来高速铁路无线通信技术信号一定能够实现快速切换或无缝切换，进一步提升高速铁路的安全性及乘坐舒适性。
参 考 文 献
[1]杨紫薇.高速铁路中基于分布式天线的越区切换技术研究[D].兰州交通大学，2019.
[2]方旭明，崔亚平，闫莉，宋昊.高速铁路移动通信系统关键技术的演进与发展[J].电子与信息学报，2015，37（01）：226-235.
[3]张纯燕.浅谈 5G 环境下的高速铁路通信系统应用探索[J].通信管理与技术，2019（02）：27-30.
[4]刘云毅，赵军辉，王传云高速铁路宽带无线通信系统越区切换技术[J].电信科学，2017：1-10.
[5]范平志，周维曦.高移动无线通信抗多普勒效应技术研究进展[J].西南交通大学学报，2016（03）：405-417.
【关键词】 高速铁路 网络切换 无线通信
引言
随着我国高速铁路的快速发展，为我国现代化交通运输事业带来了极大便利，带动了沿线城市和区域经济快速发展。由于我国高铁时速超过300公里/时，随之而来的是高速铁路无线通信信号切换的问题，无法为用户提供稳定、无缝、高速的无线信号接入，因此探寻适合高铁场景下的无线通信接入方案已经成为亟需解决的问题。如何在高速运行的时速下，提高无线通信网络服务的质量，成为三大运营商普遍关注的问题。
一、高速铁路无线通信的难点问题
高速铁路无线通信环境下，无线网络接入存在多径损耗、多普勒频移、信号频繁切换等问题，与社会公众移动通信技术相比，高速铁路无线通信技术更为复杂，多普勒频移和信号的快速衰落，使得用户终端无法长期获得稳定的信号，导致高速列车无线通信连接速率极差，网络切换困难时常发生。同时由于列车损耗和多径损耗，频繁的区域信号切换，造成车体内部形成弱信号区域，接收信号极容易产生干扰，使得通信误码率增加，通信质量下降。
1.1 多普勒频移
因终端接收器快速移动产生的信号频移称为多普勒频移。高铁列车行驶发生的多普勒频移和列车的运行速度以及基站信号方向的夹角成正比。高铁列车在高速行驶过程中，致使无线信道环境发生变化，对无线通信系统数据传输的误码率、突发帧错误平均长度等造成极大影响，对终端设备提取载波频率提高了难度。
1.2 穿透损耗
高速铁路影响无线通信接入的另一个原因是，高速行驶的列车车厢使得信号造成穿透损耗。目前，我国高速铁路基本采用全封闭的金属车身，整体结构稳定、密封性极强，而且列车玻璃大多数采用单层或多层的金属镀膜玻璃，对信号的衰减影响很大。尤其是随着无线通信信号频率的增加，信号遇到高速行驶的列车衰减更多，并且由于信号射入角度较少，信号的穿透损耗越大，所承受的车体损耗也越大。因此，在通信基站的建设过程中，必须要考虑基站与铁路的距离，最好使天线的主瓣方向入射角大于10°，才能保证信号的有效传输。
1.3切换技术
切换是从当前移动用户与基站之间保持联络状态，进入到下一个基站，仍然维持通信信号不中断的过程。因为高速铁路是一种蜂窝的网络，根据功率约束和可用频谱资源分配数字信道。
当高铁列车进入到下一个区域后，用户需要保持无线通信状态时，无线系统必须要在两个区域的边界，转移到下一个目标区域，让用户正常使用通信设备。如果高速行驶的列车移动速度越快，进入区域重叠的时间就会越短，对于系统处理用户切换的延时要求也越高。
当系统切换的速度延时大于列车穿越区域重叠的时间间隔，无线信号的切换就无法自由顺畅，从而造成无线通信网络的强制中断。
通常来说，通信切换分为硬切换和软切换两种方式。硬切换是用户与新基站重新建立连接关系前，使用户与旧基站的连接中断，保持持续连接的状态。软切换的特点是“先建立、后断开”，是指用户从一个蜂窝移动到另一个蜂窝时不中断连接，用户能够保持与多个基站的连接。
二、高速铁路无线通信技术切换的有效策略
2.1基于地理位置的切换技术
高速铁路通常布置的区域呈现带状分布，由于其行驶的路线比较固定，为切换顺畅提供了可能，一些专家希望通过地理位置标注的方式，来对切换技术进行优化。当高速铁路进入到目标基站的区域后，可按照高铁行驶的速度来确定切换出发的条件。根据研究表明，通过对高铁位置的精准定位，根据列车的行驶速度，当进入到某一个区域时，可自适应地触发通信网络。初始基站按照列车的行驶过程将预切换信息传播到目标基站，便于目标基站进行信道分配和激活，实现网络之间的快速切换。虽然基于地理位置的切换方式，能够提高切换的准确度，但由于初始基站需要掌握列车的行驶速度和列车位置，增加了额外的信令开销。如果在GPS信号接收不良的区域，列车的GPS无法提供准确的地理位置，将会严重影响通信切换的效果。
2.2基于车载中继的切换技术
中继作为目前较为常用的一种通信技术，属于无线通信技术领域理想的技术之一，在高速铁路列车中有极大的应用价值。在高速列车的车顶设置车载中继站（train mobile station，TRS），利用高铁列车中继转发，列车中的用户终端可根据各车厢设置的 AP（access point，接入点）统一连接到 TRS，再根据TRS 的群移动性功能，由 TRS 替代列车中的每一个用户设备，将基站与用户之间建立起无线链路，实现基站选择和跨区域的自由切换，有效降低列车对无线通信的信号损耗。
所以TRS中继站具有比普通接入用户更为强大的计算功能，可有效对多普勒频移进行校正，增强信号接收质量，避免车厢穿透损耗，保证列车和用户无线通信的连续性和信息传播的有效性。
本文采取移动中继站双天线辅助切换方案，可有效改进硬切换造成的中断问题。双天线是指分别安装在列车头和列车尾，当列车驶入到无线通信网络的重叠区域，触发无线通信的切换条件，由列车头天线开始执行切换，列车尾则继续与服务基站连接，列车头切换成功后，列车尾将工作频率同步到目标基站，最后完成切换过程。如果在此过程中出现切换失败的问题，则列车尾驶入到重叠区域后再次进行切换。通过采取双保险的协作方式，最终完成无线通信的切换。
2.3基于双播机制的切换技术
高速铁路在通信频繁切换的过程中，极容易引发通信中断的问题。近几年，基于双播（bi-casting）的切换机制在高速铁路中被应用，成为研究的另一领域。在以往LTE切换过程中，网络和用户终端之间依靠信道传输，极容易产生信号丢失。为降低信号的丢失率，信号传输采取数据转发的机制，在服务基站X2接口将信号的副本转发给目标基站，再由目标基站将信号传输给用户终端。而采取双播机制，服务网关可同时向初始基站和目标基站传输信号。初始基站将处理后的信号传输给用户，则目标基站将信号进行丢失，直到用户终端成功切换到目标基站即可。因此，双播机制将缩短信号转发的时间，降低切换中断时间，更有利于高速铁路的通信方式。
三、结束语
为保障高速铁路列车在行驶过程中调度信息及用户接收信息，对高速铁路在跨区域过程中提出更高的切换要求。本文对高速铁路环境特点及通信系统的影响进行分析，提出高速鐵路无线通信环境下，无线网络接入存在多径损耗、多普勒频移、信号频繁切换等问题，结合移动通信无线覆盖技术和切换机制，从基于地理位置、安装车载中继、采取双播机制等三个方面，对高速铁路无线通信传输性能进行改进优化。同时随着5G时代的到来，5G通信系统能够实现毫秒级的响应，增强设备的连接密度，未来高速铁路无线通信技术信号一定能够实现快速切换或无缝切换，进一步提升高速铁路的安全性及乘坐舒适性。
参 考 文 献
[1]杨紫薇.高速铁路中基于分布式天线的越区切换技术研究[D].兰州交通大学，2019.
[2]方旭明，崔亚平，闫莉，宋昊.高速铁路移动通信系统关键技术的演进与发展[J].电子与信息学报，2015，37（01）：226-235.
[3]张纯燕.浅谈 5G 环境下的高速铁路通信系统应用探索[J].通信管理与技术，2019（02）：27-30.
[4]刘云毅，赵军辉，王传云高速铁路宽带无线通信系统越区切换技术[J].电信科学，2017：1-10.
[5]范平志，周维曦.高移动无线通信抗多普勒效应技术研究进展[J].西南交通大学学报，2016（03）：405-417.