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1、GSM-R越区切换姓名：丁 春 平学号：061301291GSM-R越区切换摘要：列车速度的提升导致多普勒效应更严重、切换触发位置更靠后、越区切换更频繁。同时，我国铁路网络的不断扩展对GSM-R系统的容量提出更高的要求。本文首先对GSM-R 网络传统切换策略进行建模和性能分析。随后提出一种将GSM-R双层冗余网络中的不同基站组成一个为列车服务的虚拟小区，并采用车载双天线与虚拟小区进行协作通信的方案，以充分利用冗余网络配置特点，从而实现列车穿越小区过程中完成无缝切换操作。关键词：GSM-R ；切换铁路移动通讯系统GSM-R是GSM 技术在铁路工作环境中衍伸应用而产生的专用技术。鉴于铁路工作环境对
2、于数据传输的特殊需求，GSM-R已经发展出了一套完整的工作方式以应对铁路系统中的苛刻环境。目前，GSM-R的切换判决主要是通过检测接收信号强度来进行的，当相邻小区基站信号强度大于本小区基站信号强度一个阀值时，列车就会切换到相邻小区。越区切换发生在两个小区的边界，由于阴影和多径的影响，接收信号质量差，加上高速移动导致的多普勒效应的影响，使得现有的切换方法面临较高的切换中断率，需要对其进行优化。 1 GSM-R越区切换工作简述GSM-R系统的服务覆盖区域呈现出横跨地理范围较大的区域，并且呈现出依据铁路运输系统而延展的带状分布，这样的服务区域决定GSM-R在分区上必然会采取沿铁路线分段的方式进行服务
3、覆盖，也就是说，在列车行驶的过程中，将随着路段的延伸更换基站确保实现有效数据传输。通常而言，GSM-R系统通过在不同小区交界的地方保留有覆盖叠加，用以实现确保列车在叠加区域内实现越区切换，但是随着列车行驶速度的不断提升，以及铁路运输系统自身所面临的复杂的自然环境，越区切换所能够获取到的允许时间也越来越短。整个越区切换过程需要经历4个阶段，整个过程一般是由移动台(MS)、基站控制器(BSC) 、基站收发信机 (BTS)以及移动交换中心(MSC)配合完成。首先是获取数据触发阶段：主要是由MS针对其当前的小区以及邻区的数据服务质量进行数据采集，将信号最强的小区上报基站系统BSS ，并且由BSS 系统
4、对上报的相应数据进行顶处理。而后进行门限值比较，BTS负责将当前小区的测试结果与邻区的测试结果进行比对和判定，对于满足门限条件数据进行触发切换行为。第二步是扫描阶段：基站将根据相应的数据判断表达式来最终对切换动作进2行判定，确定出合格的小区将其放入切换邻区表中，置于切换指示消息中发送给BSC。接着进入选择阶段：在BSC 中，进行排序，列出最为合理的候选邻区表。完成上述工作后进入执行阶段：主要包括分配并激活一个新的信道，同时网络执行配合小区进行切换的行为，将数据服务获取切换到该信道上。2 越区切换准则2.1 接收到的信号强度(RSS)准则当从当前小区接收到的RSS低于某一预设门限值时，切换过程将
5、被启动。为了防止过早地启动切换过程，可以采取加窗平均和滞后门限相结合的切换准则。在这个准则里，当系统作出切换的决策前，系统将对接收到的若干RSS采样值进行平均，只有当从当前小区接收到的平均RSS 低于从目标小区接收到的平均RSS 的一个预先设定的滞后门限时，系统才启动切换过程。2.2 载波与干扰比（CIR）准则RSS准则没有将系统中的CIR考虑进去。为了克服 RSS准则的不足，提出了将CIR 和相应的比特差错率(BER)作为切换的准则。 CIR和BER 也将受到无线信道衰落和阴影的影响而有所波动，为了提供准确的切换指示，还需用到加权平均和滞后门限的方法。2.3 移动台和基站之间的距离准则由于无
6、线信道的多变性以及移动用户所处环境的不同，在蜂窝系统中完全可能出现这样一种现象：从离用户近的基站接收到的信号质景反而不如从离用户较远的基站接收到的信号质量。因此，实际系统中经常将距离准则作为CIR或RSS 准则的一种辅助参考。2.4 网络准则网络服务质量的下降并不是发生越区切换的唯一原因。有时，系统为了容纳更多的用户或为了均衡不同小区间的业务量，将重新安排信道的分配，这时的切换是由系统引起的。3 GSM-R越区切换存在的问题分析3.1 移动台不能发生切换动作移动台不能顺利的发生切换的动作，大致可分在信号及其微弱或质量很差时。这种故障的发生存在于不满足切换条件和没有符合切换条件候选小区这两种原因
7、下。3.2 切换过程前设置的数据不合理邻小区的设置不易过多同时也不宜过少，不然的话就会导致切换信号的不稳定，导致切换异常，甚至有的小区能够包含10个以上的邻小区，这样的话掉话的性能不但得不到改善，反而会导致切换不能够进行，还会进一步的造成由3于小区过多导致的频点分配问题，增加干扰频率的可能性。邻小区过多的话也会导致采样信号的不稳定。适当的减少邻小区的个数，设置合理的紧急切换时间，利用TA 切换的形式极大地消除由于信号覆盖地形发杂引起的切换异常。3.3 由于外界因素而导致的切换异常如果有一个时间段的某个小区突然间就产生了切换故障问题，而有关的参数并没有改变时，那么首先应该从设备的外界条件查找原因
8、。就像是天线的性能发生变化时（天线的倾角变化、方位角的改变、外界的干扰等），会引起切换过程中的两个基站之间的信号传递受到阻碍，然后就会导致越区切换的失败等。4 越区切换方案4.1 切换判决阀值如图1所示的拓扑结构。图中每个基站的覆盖半径为R，基站布置在一条直线上，相邻基站间具有跨度为a的重叠区，GSM-R 网络采用3小区频率复用形式，f1、 f2和f3分别表示3个不同的频率。图1 具有3小区频率复用的GSM-R 网络布局当列车(MS)在小区i内沿铁轨向右移动，小区j为相邻小区，也是切换的目标小区。当列车朝小区j移动并且检测到接收到小区 j的信号强度大于接收到的来自小区i的信号强度一定的阀值时，
9、列车就会从小区 i切换到相邻小区j。从而可以通过算法来优化切换判决阀值来降低切换失败率，但是该方案本质上是对系统参数的优化，并不能对系统性能有较大的改善。4.2 利用GPS系统利用GPS系统，多次测量估计两个相邻小区执行切换的位置，并引入速度因子，当列车距离切换位置较近时，则触发目标小区提前为列车分配好系统资源，减少切换执行时间。但是由于无线信号的传输特性，可能造成切换位置与估计值存在偏差，造成切换误判。4.3 利用列车位置信息和中继站功率控制技术假设在两个相邻小区间加入一个中继站，在某个时刻，中继站只附属于其中一个基站，中继转发方式为直接放大转发，且转发时延忽略不计。首先定义下图的中继作用域
10、为D1-D3，当列车运行到D1所示位置时，中继开始转发自基站i 的信号，且中继满功4率发射，中继站覆盖范围为图2实线构成的圆。此时列车可以通过接收中继的信号获得分集，提高系统容量。当列车运行到D2所在位置时，发现相邻小区基站的信号强度比本小区基站的信号强度大LdB，满足切换触发条件。此时中继开始执行功率控制，使列车接收到的来自本小区基站和中继站的合成信号满足最小通信需求，中继站覆盖范围为图2虚线构成的圆，在不断变化。这样在保证与本小区不中断的情况下有利于切换的触发和执行。当列车运行到D3 位置时，切换己经成功，中继停正工作。图2 基于位置和中继功率控制的优化方案图获得位置信息的方法有：GPS定
11、位、应答器定位、速度传感器定位和雷达传感器定位等。只要预先设定图2中D1和D2的位置，就能利用位置信息、辅助中继完成本文提出的优化方案。4.4 引入模糊逻辑的判决准则提出一种引入模糊逻辑的判决准则，利用速度、接收信号强度、距离3个因素，逻辑判决列车是否需要执行越区切换操作，但是在高速移动环境下接收信号强弱、距离的远近变化很快，该方案对切换性能的改进受限制。4.5 射频拉远的网络中一种移动扩展小区提出射频拉远的网络中一种移动扩展小区的概念。两个相邻的Remote Antenna Unit(RAU)组成一个扩展小区，并形成了以用户为中心的虚拟小区。两个RAU可以同时为移动台发送相同的下行数据，这样
12、就为移动台拥有更多的时间执行切换过程，提高了切换的成功率。4.6 在网络系统中，布置多个收发机在网络系统中，移动终端采用多收发机，在执行切换过程中，某一个收发机与基站进行正常的数据交互，另一收发机执行切换扫描等过程，为正常通信的收发机提供切换准备的必要信息。在此方案中，没有充分利用多个收发机同时工作能够提升接收信号质量及系统容量，并且多收发机之间的干扰问题也没有得到解决。5 优化方案本文提出了一种基于GSM-R冗余网络配置结构的利用车载双天线协作的方案。结合GSM-R 中已有的冗余网络配置，将来自双层网络的不同基站组成一个5为列车服务的虚拟小区，变相地扩大了小区重叠区的覆盖范围，使得列车在穿越
13、小区重叠区时具有更多的时间用于切换和接入目标基站，可以实现无缝切换操作。5. 1 GSM-R网络结构图3所示，即为GSM-R 网络交织站址冗余配置示意图。图3 GSM-R网络交织站址冗余配置示意图在图中，灰色部分为第一层网络Net1，白色部分为第二层网络Net2 。两层网络的基站具有不同的覆盖区域，第二层网络基站位于第一层网络的两个相邻基站重叠区中央。交织站冗余覆盖方式的基站能够使得列车穿越小区过程中，始终具有很好的接收信号质量。5.2 车载双天线在列车顶端前后各安装一个收发天线(Ant1,Ant2) ，两个收发天线通过光纤或电缆和一个中央控制站(Central Control Station
14、, CCS)连接，并受其集中控制，如图4所示。车载双天线在 CCS的控制下，既可以独立工作，也可以在必要的时候进行协作。由于安装于列车顶端的车载双天线距离较远，因此可以获得很好的分集效果，提升列车接收信号质量，并且能够消除多收发机带来的干扰问题。车厢内的用户通过车厢内WLAN等接入网络，并由这些接入点将车内用户的上行信息汇聚至CCS，再由CCS控制将所有用户的上行信息通过两个置于车厢外部的车载天线发送至路旁的基站设备。基站下行发送的信息先通过车载双天线接收后，由CCS进行集中处理，然后将信息转发至车厢内的WLAN等网络，完成地面基站与列车内用户之间信息的交互过程。图4 车载双天线的实现5. 3
15、车载双天线与虚拟小区协作通信铁路旁的基站被分成两层网络(Net1,Net2)，并对于两层网络中所属基站进行编号，其中：Net1 由奇数编号的基站 BSi(i=2n-l,n=1,2,3,.)组成，如图3中灰色部分所示；相反，Net2 由偶数编号的基站BSi(i= 2n,n=1,2,3,.)组成。为了减少频繁的切换操作，列车前方天线Ant1始终工作于Net1，列车后方天线Ant2始终工作于Net2 中。当列车在穿越小区重叠区过程中，两个天线只能在其相应的网络中完成切换过程。由于GSM-6R双层网络采用了冗余备份机制，因此当n值相同时，两个基站BS2n、BS2n-1是相互冗余备份基站，可以为用户发送
16、相同的下行数据，也就将这样的两个基站(分别来自两层网络) 组成一个为列车服务的虚拟小区。例如：Bs1 与Bs2为相互冗余的基站，共同组成一个虚拟小区，通过车载双天线协作可以完成列车与地面基站之间的通信过程。(1) 末执行切换操作。此时，双天线在CCS的控制下能够从两层网络的不同基站组成的虚拟小区中接收相同的信号，形成了分集接收的效果，因此列车能够获得很好的接收信号质量，为列控信息的传输提供可靠的保证。(2) 执行越区切换时。若Ant1在Net1中执行切换操作，将 BS3作为目标小区，此时Ant1与原服务基站BS1断开连接，而Ant2仍然在Net2 中BS2 的覆盖范围下与BS2执行正常的通信。在CCS的控制下，双天线协同工作，Ant1负责完成切换过程，Ant2负责列车内用户与地面基站的正常通信过程。同理，当Ant2执行切换过程时，由Ant1负责列车与地面基站的通信。这样就使得列车在执行切换过程中，不会由于硬切换的模式而造成通信中断。总结GSM-R系统的越区切换技术在逐步的提高与优化之中，它的进步能够保证我国
