基于RoF 的高速鐵路通信系統(tǒng)中動態(tài)信道預(yù)留算法的研究

邵志偉，李丹寧，黃 羿，3

(1.貴州大學(xué)計算機科學(xué)與信息學(xué)院，貴州 貴陽 550025;2.貴州科學(xué)院，貴州 貴陽 550001;3.重慶文理學(xué)院計算機學(xué)院，重慶 永川 402160)

隨著我國高速鐵路的建設(shè)運行，在移動終端高速移動的情況下，要能保證通信服務(wù)質(zhì)量，這對鐵路沿線的移動通信系統(tǒng)提出了新的更高的要求.在原有的鐵路綜合移動通信系統(tǒng)中，引入RoF技術(shù)構(gòu)建高速鐵路移動通信覆蓋系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)微蜂窩的覆蓋，擴大原有基站覆蓋范圍，減少群小區(qū)內(nèi)的切換次數(shù).但在移動終端高速移動過程中，動態(tài)信道預(yù)留切換算法在減少切換次數(shù)的同時還能有效提高通信QoS，因此成為當(dāng)前研究的熱點.

1 RoF(Radio Over Fiber)技術(shù)簡介

RoF是應(yīng)高速大容量無線通信需求，新近出現(xiàn)的將光纖通信和無線通信相結(jié)合起來的無線接入技術(shù).它是一種光和微波結(jié)合的通信技術(shù)，利用光纖的低損耗、高帶寬和防止電磁干擾特性，提升無線接入網(wǎng)的帶寬，為用戶提供“anywhere，anytime，anything”的服務(wù).

RoF系統(tǒng)是利用光纖代替大氣作為傳輸媒介來傳輸信號的一種通信結(jié)構(gòu).RoF系統(tǒng)包括4個部分(如圖1所示):終端用戶、基站(BS)、光纖鏈路和中心站(CS).RoF系統(tǒng)中直接利用光載波來傳輸射頻信號，用光纖作為基站與中心站之間的傳輸鏈路［1］.光纖起到傳輸?shù)淖饔?，控制、交換和信號的再生都集中在中心站，基站僅由光電轉(zhuǎn)換器件和放大器構(gòu)成.這樣可以把昂貴復(fù)雜的設(shè)備集中到中心站點，讓多個遠(yuǎn)端基站共享這些設(shè)備，更好地實現(xiàn)設(shè)備共享、動態(tài)資源分配和更有效地管理，同時可以有效降低遠(yuǎn)端基站的功耗和成本，并使其小巧便于安裝.

圖1 RoF系統(tǒng)實現(xiàn)原理圖

2 RoF在高速鐵路通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前的蜂窩和衛(wèi)星接入技術(shù)雖然可以給快速移動的用戶提供有限的無線服務(wù)，但是這些技術(shù)由于其固有的限制，如快時變衰落和深的頻率選擇性衰落等，因此不能滿足高速鐵路旅客的需求.如果車廂中的用戶端直接接入到蜂窩小區(qū)的基站，則在設(shè)計時必須在列車的速度、可接入帶寬和切換三者之間進(jìn)行折中.衛(wèi)星接入技術(shù)由于其固有的延遲，城市、多山和多隧道地區(qū)覆蓋范圍小，帶寬限制等因素，因此不適合高速鐵路中的實時應(yīng)用.

RoF在交通通信系統(tǒng)中的應(yīng)用早有報道.例如，日本就將該技術(shù)不僅應(yīng)用于高速公路而且還應(yīng)用在地鐵、輕軌等交通系統(tǒng)中.在高速鐵路通信系統(tǒng)中運用RoF技術(shù)，利用沿線分布的天線，可以形成沿鐵路無縫覆蓋的無線網(wǎng)絡(luò).圖2為現(xiàn)存的高速鐵路蜂窩通信系統(tǒng)，虛線區(qū)域代表無線覆蓋.假設(shè)在鐵軌附近需要6個基站來覆蓋該路段，則需要進(jìn)行5次切換(Handover)，當(dāng)列車速度達(dá)到300 kmh或者更高時，會導(dǎo)致小區(qū)間的頻繁切換，給移動連接性帶來額外的挑戰(zhàn)，于是切換成為一個很頭疼的問題.

圖2 現(xiàn)存的高速鐵路蜂窩通信系統(tǒng)示意圖

為了降低切換頻率，需有效擴大基站的覆蓋范圍.所以，有人提出了群小區(qū)技術(shù).群小區(qū)被定義為:地理位置相鄰的多個小區(qū)(天線或天線陣的覆蓋面積)集合，集合的每個小區(qū)采用與基站相同的頻率、時隙或碼道等通信資源，從而擴大了原有基站的覆蓋范圍［2］.圖3為基于RoF的高速鐵路通信覆蓋系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用的就是群小區(qū)技術(shù)，通信信號通過光纖由CS輸?shù)紹S，由于不同CS使用的是來自同一個基站的信號，因此高速列車通過同一個基站的多個BS時不需要進(jìn)行切換，從而可以保證用戶使用業(yè)務(wù)的連續(xù)性.

圖3 基于RoF的高速鐵路通信覆蓋系統(tǒng)

3 動態(tài)信道預(yù)留算法

在高速行駛的列車內(nèi)的移動臺，對于基站來說是以與列車相同的速度高速運動的.移動臺將會不斷離開原有基站的覆蓋范圍(當(dāng)前群小區(qū))，進(jìn)入新的基站覆蓋范圍(目標(biāo)群小區(qū))，所以為保持通信的連續(xù)性，這個過程中將進(jìn)行多次的群小區(qū)間切換.本文采用的群小區(qū)間切換算法是動態(tài)信道預(yù)留算法.

3.1 動態(tài)信道預(yù)留算法介紹

對目標(biāo)小區(qū)當(dāng)前時間段的信道占用數(shù)、信道利用率和前一時間段的切換阻塞率進(jìn)行統(tǒng)計，預(yù)測出未來t內(nèi)小區(qū)切換阻塞率，根據(jù)動態(tài)預(yù)測的結(jié)果為潛在的越區(qū)切換呼叫預(yù)留信道資源.當(dāng)新呼叫請求到達(dá)時，系統(tǒng)將會判斷其接入是否將使下一時刻切換阻塞率超過指標(biāo)，如果不能，將允許接入，反之拒絕.動態(tài)信道預(yù)留算法還可以借用對實時性要求不高的業(yè)務(wù)的信道，來滿足當(dāng)前的切換和呼叫請求.例如一個多媒體業(yè)務(wù)，他同時占用多個信道，當(dāng)有切換請求到達(dá)時且信道已被全部占用，切換請求就可以借用多媒體業(yè)務(wù)中的一個信道，而多媒體業(yè)務(wù)丟失的數(shù)據(jù)包可以通過重傳的方式到達(dá)目標(biāo)移動臺，從而不影響多媒體業(yè)務(wù)要求的QoS.

3.2 動態(tài)信道預(yù)留算法數(shù)學(xué)模型

動態(tài)信道預(yù)留算法的描述:

1)小區(qū)共有S個信道;

4)預(yù)測時間長度為t.

Markov過程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖4所示.切換請求和新呼叫請求的接入都滿足Markov過程，即M/M/n 排隊模型［3］.

圖4 Markov過程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

信道接入過程是一個隨機服務(wù)系統(tǒng)模型，根據(jù)隨機服務(wù)系統(tǒng)中的Kolmogorov－Chapman方程可知，已被占用的信道概率分布滿足二項分布，即將被占用的信道概率分布滿足泊松分布.當(dāng)系統(tǒng)中狀態(tài)數(shù)量為一定值(S=N)時，系統(tǒng)在時間t內(nèi)由狀態(tài)i轉(zhuǎn)移到狀態(tài)n的概率為:

動態(tài)信道算法通過不斷調(diào)整越區(qū)切換阻塞率指標(biāo)δ來適應(yīng)通信流量的變化，在滿足切換接入的前提下，提高信道利用率.越區(qū)切換阻塞率指標(biāo)δ調(diào)整過程為:設(shè)系統(tǒng)前一時間段t的實際越區(qū)切換阻塞率為Rreal，當(dāng)這一阻塞率與系統(tǒng)要求的指標(biāo)相等(Rreal=δ)，則下一時段的塞率指標(biāo)不變;如果比系統(tǒng)要求的指標(biāo)大，即Rreal＞δ，則下一時段的切換阻塞率指標(biāo)需要向下按相應(yīng)比例調(diào)節(jié);如果Rreal＜δ，需要向上按相應(yīng)比例調(diào)節(jié)［4］.

當(dāng)有切換請求到達(dá)且信道有剩余資源時，將允許接入并減少剩余資源量;當(dāng)有新呼叫請求到達(dá)時，需要根據(jù)δn對其進(jìn)行準(zhǔn)入控制分析.設(shè)此時信道占用量為SC，因此，可以根據(jù)(1)式計算出在未來時間t內(nèi)，系統(tǒng)狀態(tài)由Sc+1轉(zhuǎn)移到S的概率:

如果PSC+1，S(t)＞δn，說明接入這個請求會使未來時間t內(nèi)的切換阻塞率指標(biāo)超過允許范圍，應(yīng)該拒絕接入，反之允許接入.

4 結(jié)語

在RoF技術(shù)的基礎(chǔ)上，介紹了RoF應(yīng)用于高速鐵路通信系統(tǒng)覆蓋方案中的優(yōu)勢，提出了群小區(qū)間的動態(tài)信道預(yù)留切換算法，并詳細(xì)介紹了該算法的數(shù)學(xué)模型.結(jié)果表明，采用動態(tài)信道預(yù)留算法能有效解決用戶對在高速移動環(huán)境下提高通信服務(wù)質(zhì)量的要求.

［1］冀云帥.RoF技術(shù)在智能交通系統(tǒng)中的應(yīng)用分析［J］.無線光通信，2009(7):57 －59.

［2］柯賢文，張偉，張志謙，等.光載無線通信技術(shù)及其應(yīng)用分析［J］.通信技術(shù)，2011，44(4):45 －47.

［3］姚正林.CDMA網(wǎng)絡(luò)中實時高速流越區(qū)切換算法的研究［D］.北京:中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所，2005:21－25.

［4］馬宏鋒，黨建武，周越.基于移動IPv6的高速鐵路通信快速切換方法［J］.計算機工程與設(shè)計，201l，32(2):393－396.