基于位置預(yù)測的光層切換算法研究

汪淳

摘 要：隨著列車時速的不斷加快，現(xiàn)有鐵路通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛶挿矫嬉褵o法滿足要求。文章構(gòu)造了基于ROF技術(shù)的無線寬帶接入網(wǎng)絡(luò)，提出了基于位置預(yù)測的快速切換算法。經(jīng)OPNET仿真實驗證明，該系統(tǒng)在切換時延和丟包率方面有顯著改善。

關(guān)鍵詞：ROF；光層切換；移動基站

中圖分類號：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）5-0008-02

目前，高速列車均工作在如WI-FI、WIMAX、UMTS等大區(qū)制小區(qū)下，普遍以信號強(qiáng)度作為網(wǎng)絡(luò)切換的判決門限，網(wǎng)絡(luò)傳輸能力非常有限。未來的移動通信業(yè)務(wù)趨向于多媒體交換應(yīng)用，帶寬需求量增大，將無線載波頻率轉(zhuǎn)移到射頻微波頻段上可以解決該問題，同時又產(chǎn)生了大量的微小區(qū)、微微小區(qū)。

當(dāng)列車快速移動的時候，穿越微微小區(qū)，會出現(xiàn)頻繁切換的問題。因此，對網(wǎng)絡(luò)切換機(jī)制的有效性和效率提出了更高的要求。本文設(shè)計了一種工作在微微小區(qū)下的寬帶接入網(wǎng)絡(luò)模型，即基于ROF技術(shù)的移動基站網(wǎng)絡(luò)模型并提出了相應(yīng)的快速切換算法。

1 系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于光纖無線電（Radio-Over-Fiber，ROF）技術(shù)的分布式天線系統(tǒng)（Distribute Antenna System，DAS）被認(rèn)為是增加無線接入網(wǎng)絡(luò)容量的技術(shù)之一。此技術(shù)將屬于中央處理節(jié)點（Centre control station， CS）的多個遠(yuǎn)端天線單元（Remote Antenna Unit，RAU）分布設(shè)置在整個覆蓋區(qū)域，每個天線通過光鏈路與中央處理節(jié)點相連，遠(yuǎn)端天線單元僅完成信號收發(fā)的基本功能，信號處理功能由中央處理節(jié)點CS完成，因而具有了擴(kuò)張系統(tǒng)容量的能力和靈活的組網(wǎng)方式等特點。

本系統(tǒng)采取基于ROF技術(shù)的環(huán)形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，由一個中心站（CS）和N個遠(yuǎn)端基站（RAU）構(gòu)成，中心站包括傳輸模塊和接收模塊。該網(wǎng)絡(luò)需要將N個RAU以相等的距離架設(shè)在鐵路軌道沿線，通過兩根光纖與CS連接，其中一根保證上行鏈路的連接，另一根保證下行鏈路的連接，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

同理，各個RAU上行連路也是將射頻信號轉(zhuǎn)換成固定波長光信號的過程，具體辦法：天線接收到射頻信號，將其調(diào)制到對應(yīng)波長的光載波上，已調(diào)光信號經(jīng)光纖傳送至CS，由光分路器分配到不同的光接收機(jī)，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器件還原為射頻信號，最后解調(diào)為需要的用戶數(shù)據(jù)。

1.2 移動基站

如何保證各無線傳輸隧道的有序傳輸？假定每一個RAU的射頻信道頻率值與分配給它的光載波波長一一對應(yīng)并保持固定。列車越區(qū)時，CS控制切換的執(zhí)行，將數(shù)據(jù)流需要由舊的RAU頻率調(diào)制到新的RAU頻率，并耦合進(jìn)對應(yīng)的光載波波長。為了能夠順利完成切換，列車網(wǎng)關(guān)天線將持續(xù)變頻，這就是傳統(tǒng)的切換方式?？紤]到列車由多節(jié)車廂組成，會同時存在多個列車網(wǎng)關(guān)，CS需同時轉(zhuǎn)換多路射頻信號，從而降低了系統(tǒng)切換效率。

基于ROF技術(shù)的特點，在發(fā)生切換的時候，系統(tǒng)可以采用單一的頻率進(jìn)行射頻輸出，為了區(qū)別不同的RAU，可以分配給每個RAU一個專門的光載波波長，列車越區(qū)到哪個RAU服務(wù)范圍，就將RF調(diào)制到對應(yīng)的光載波上。這樣列車網(wǎng)關(guān)天線可以以固定頻率進(jìn)行通信，無須持續(xù)變頻。

隨著全光波長路和光開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，CS在切換過程中始終參照列車的位置，完成由舊光載波波長到新光載波波長的調(diào)制，完成切換任務(wù)。該切換方式屬于硬切換的范疇。為了準(zhǔn)確保證切換的準(zhǔn)確性，必須精確的預(yù)測列車的行程位置，以確保切換決策的實時與準(zhǔn)確性。

在現(xiàn)實系統(tǒng)中，列車的速度和行程信息已經(jīng)收集到列車控制站和站臺，因此可以利用該信息完成基于位置預(yù)測的切換，該切換方式比傳統(tǒng)的基于信號強(qiáng)弱的方式更快捷方便。在網(wǎng)絡(luò)模型的CS端收集該信息，再結(jié)合列車軌道沿線RAU的分布，CS可以根據(jù)列車的行程位置判斷切換的發(fā)起時機(jī)，從而控制切換。該切換判決著眼于網(wǎng)絡(luò)層，操作在物理層，相比較網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層的切換，切換時延更短，切換效率更高，完全適合于高速移動下的多媒體實時業(yè)務(wù)的無損傳輸。且信令控制包急劇減少，不會占用過度的信道資源，從而減輕了系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。因此是高速移動場景下十分適用的切換算法。

3 仿真結(jié)果

4 結(jié) 語

本文建立了基于ROF技術(shù)的移動基站網(wǎng)絡(luò)模型，并在此基礎(chǔ)上提出基于位置預(yù)測的快速切換算法。經(jīng)過系統(tǒng)仿真證明，該算法能夠準(zhǔn)確預(yù)測列車位置，做出準(zhǔn)確的硬切換決策，指導(dǎo)光層切換的執(zhí)行，減小了網(wǎng)絡(luò)切換延時。同時證明，基于ROF技術(shù)的分布式天線系統(tǒng)，能夠作為未來一種有效的無線接入方法，以服務(wù)于鐵路等高速運(yùn)動的用戶，為它們提供超寬帶的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張博.ROF無線接入技術(shù)研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2008.

[2] Bart Lannoo.Radio-over-Fiber-Based Solution to Provide B-

roadband Internet Access to Train Passengers[J].IEEE Com-

munication Magzine，2007，（45）.endprint

摘 要：隨著列車時速的不斷加快，現(xiàn)有鐵路通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛶挿矫嬉褵o法滿足要求。文章構(gòu)造了基于ROF技術(shù)的無線寬帶接入網(wǎng)絡(luò)，提出了基于位置預(yù)測的快速切換算法。經(jīng)OPNET仿真實驗證明，該系統(tǒng)在切換時延和丟包率方面有顯著改善。

關(guān)鍵詞：ROF；光層切換；移動基站

中圖分類號：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）5-0008-02

目前，高速列車均工作在如WI-FI、WIMAX、UMTS等大區(qū)制小區(qū)下，普遍以信號強(qiáng)度作為網(wǎng)絡(luò)切換的判決門限，網(wǎng)絡(luò)傳輸能力非常有限。未來的移動通信業(yè)務(wù)趨向于多媒體交換應(yīng)用，帶寬需求量增大，將無線載波頻率轉(zhuǎn)移到射頻微波頻段上可以解決該問題，同時又產(chǎn)生了大量的微小區(qū)、微微小區(qū)。

當(dāng)列車快速移動的時候，穿越微微小區(qū)，會出現(xiàn)頻繁切換的問題。因此，對網(wǎng)絡(luò)切換機(jī)制的有效性和效率提出了更高的要求。本文設(shè)計了一種工作在微微小區(qū)下的寬帶接入網(wǎng)絡(luò)模型，即基于ROF技術(shù)的移動基站網(wǎng)絡(luò)模型并提出了相應(yīng)的快速切換算法。

1 系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于光纖無線電（Radio-Over-Fiber，ROF）技術(shù)的分布式天線系統(tǒng)（Distribute Antenna System，DAS）被認(rèn)為是增加無線接入網(wǎng)絡(luò)容量的技術(shù)之一。此技術(shù)將屬于中央處理節(jié)點（Centre control station， CS）的多個遠(yuǎn)端天線單元（Remote Antenna Unit，RAU）分布設(shè)置在整個覆蓋區(qū)域，每個天線通過光鏈路與中央處理節(jié)點相連，遠(yuǎn)端天線單元僅完成信號收發(fā)的基本功能，信號處理功能由中央處理節(jié)點CS完成，因而具有了擴(kuò)張系統(tǒng)容量的能力和靈活的組網(wǎng)方式等特點。

本系統(tǒng)采取基于ROF技術(shù)的環(huán)形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，由一個中心站（CS）和N個遠(yuǎn)端基站（RAU）構(gòu)成，中心站包括傳輸模塊和接收模塊。該網(wǎng)絡(luò)需要將N個RAU以相等的距離架設(shè)在鐵路軌道沿線，通過兩根光纖與CS連接，其中一根保證上行鏈路的連接，另一根保證下行鏈路的連接，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

同理，各個RAU上行連路也是將射頻信號轉(zhuǎn)換成固定波長光信號的過程，具體辦法：天線接收到射頻信號，將其調(diào)制到對應(yīng)波長的光載波上，已調(diào)光信號經(jīng)光纖傳送至CS，由光分路器分配到不同的光接收機(jī)，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器件還原為射頻信號，最后解調(diào)為需要的用戶數(shù)據(jù)。

1.2 移動基站

如何保證各無線傳輸隧道的有序傳輸？假定每一個RAU的射頻信道頻率值與分配給它的光載波波長一一對應(yīng)并保持固定。列車越區(qū)時，CS控制切換的執(zhí)行，將數(shù)據(jù)流需要由舊的RAU頻率調(diào)制到新的RAU頻率，并耦合進(jìn)對應(yīng)的光載波波長。為了能夠順利完成切換，列車網(wǎng)關(guān)天線將持續(xù)變頻，這就是傳統(tǒng)的切換方式?？紤]到列車由多節(jié)車廂組成，會同時存在多個列車網(wǎng)關(guān)，CS需同時轉(zhuǎn)換多路射頻信號，從而降低了系統(tǒng)切換效率。

基于ROF技術(shù)的特點，在發(fā)生切換的時候，系統(tǒng)可以采用單一的頻率進(jìn)行射頻輸出，為了區(qū)別不同的RAU，可以分配給每個RAU一個專門的光載波波長，列車越區(qū)到哪個RAU服務(wù)范圍，就將RF調(diào)制到對應(yīng)的光載波上。這樣列車網(wǎng)關(guān)天線可以以固定頻率進(jìn)行通信，無須持續(xù)變頻。

隨著全光波長路和光開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，CS在切換過程中始終參照列車的位置，完成由舊光載波波長到新光載波波長的調(diào)制，完成切換任務(wù)。該切換方式屬于硬切換的范疇。為了準(zhǔn)確保證切換的準(zhǔn)確性，必須精確的預(yù)測列車的行程位置，以確保切換決策的實時與準(zhǔn)確性。

在現(xiàn)實系統(tǒng)中，列車的速度和行程信息已經(jīng)收集到列車控制站和站臺，因此可以利用該信息完成基于位置預(yù)測的切換，該切換方式比傳統(tǒng)的基于信號強(qiáng)弱的方式更快捷方便。在網(wǎng)絡(luò)模型的CS端收集該信息，再結(jié)合列車軌道沿線RAU的分布，CS可以根據(jù)列車的行程位置判斷切換的發(fā)起時機(jī)，從而控制切換。該切換判決著眼于網(wǎng)絡(luò)層，操作在物理層，相比較網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層的切換，切換時延更短，切換效率更高，完全適合于高速移動下的多媒體實時業(yè)務(wù)的無損傳輸。且信令控制包急劇減少，不會占用過度的信道資源，從而減輕了系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。因此是高速移動場景下十分適用的切換算法。

3 仿真結(jié)果

4 結(jié) 語

本文建立了基于ROF技術(shù)的移動基站網(wǎng)絡(luò)模型，并在此基礎(chǔ)上提出基于位置預(yù)測的快速切換算法。經(jīng)過系統(tǒng)仿真證明，該算法能夠準(zhǔn)確預(yù)測列車位置，做出準(zhǔn)確的硬切換決策，指導(dǎo)光層切換的執(zhí)行，減小了網(wǎng)絡(luò)切換延時。同時證明，基于ROF技術(shù)的分布式天線系統(tǒng)，能夠作為未來一種有效的無線接入方法，以服務(wù)于鐵路等高速運(yùn)動的用戶，為它們提供超寬帶的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張博.ROF無線接入技術(shù)研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2008.

[2] Bart Lannoo.Radio-over-Fiber-Based Solution to Provide B-

roadband Internet Access to Train Passengers[J].IEEE Com-

munication Magzine，2007，（45）.endprint

摘 要：隨著列車時速的不斷加快，現(xiàn)有鐵路通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛶挿矫嬉褵o法滿足要求。文章構(gòu)造了基于ROF技術(shù)的無線寬帶接入網(wǎng)絡(luò)，提出了基于位置預(yù)測的快速切換算法。經(jīng)OPNET仿真實驗證明，該系統(tǒng)在切換時延和丟包率方面有顯著改善。

關(guān)鍵詞：ROF；光層切換；移動基站

中圖分類號：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）5-0008-02

目前，高速列車均工作在如WI-FI、WIMAX、UMTS等大區(qū)制小區(qū)下，普遍以信號強(qiáng)度作為網(wǎng)絡(luò)切換的判決門限，網(wǎng)絡(luò)傳輸能力非常有限。未來的移動通信業(yè)務(wù)趨向于多媒體交換應(yīng)用，帶寬需求量增大，將無線載波頻率轉(zhuǎn)移到射頻微波頻段上可以解決該問題，同時又產(chǎn)生了大量的微小區(qū)、微微小區(qū)。

當(dāng)列車快速移動的時候，穿越微微小區(qū)，會出現(xiàn)頻繁切換的問題。因此，對網(wǎng)絡(luò)切換機(jī)制的有效性和效率提出了更高的要求。本文設(shè)計了一種工作在微微小區(qū)下的寬帶接入網(wǎng)絡(luò)模型，即基于ROF技術(shù)的移動基站網(wǎng)絡(luò)模型并提出了相應(yīng)的快速切換算法。

1 系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于光纖無線電（Radio-Over-Fiber，ROF）技術(shù)的分布式天線系統(tǒng)（Distribute Antenna System，DAS）被認(rèn)為是增加無線接入網(wǎng)絡(luò)容量的技術(shù)之一。此技術(shù)將屬于中央處理節(jié)點（Centre control station， CS）的多個遠(yuǎn)端天線單元（Remote Antenna Unit，RAU）分布設(shè)置在整個覆蓋區(qū)域，每個天線通過光鏈路與中央處理節(jié)點相連，遠(yuǎn)端天線單元僅完成信號收發(fā)的基本功能，信號處理功能由中央處理節(jié)點CS完成，因而具有了擴(kuò)張系統(tǒng)容量的能力和靈活的組網(wǎng)方式等特點。

本系統(tǒng)采取基于ROF技術(shù)的環(huán)形結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，由一個中心站（CS）和N個遠(yuǎn)端基站（RAU）構(gòu)成，中心站包括傳輸模塊和接收模塊。該網(wǎng)絡(luò)需要將N個RAU以相等的距離架設(shè)在鐵路軌道沿線，通過兩根光纖與CS連接，其中一根保證上行鏈路的連接，另一根保證下行鏈路的連接，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

同理，各個RAU上行連路也是將射頻信號轉(zhuǎn)換成固定波長光信號的過程，具體辦法：天線接收到射頻信號，將其調(diào)制到對應(yīng)波長的光載波上，已調(diào)光信號經(jīng)光纖傳送至CS，由光分路器分配到不同的光接收機(jī)，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器件還原為射頻信號，最后解調(diào)為需要的用戶數(shù)據(jù)。

1.2 移動基站

如何保證各無線傳輸隧道的有序傳輸？假定每一個RAU的射頻信道頻率值與分配給它的光載波波長一一對應(yīng)并保持固定。列車越區(qū)時，CS控制切換的執(zhí)行，將數(shù)據(jù)流需要由舊的RAU頻率調(diào)制到新的RAU頻率，并耦合進(jìn)對應(yīng)的光載波波長。為了能夠順利完成切換，列車網(wǎng)關(guān)天線將持續(xù)變頻，這就是傳統(tǒng)的切換方式。考慮到列車由多節(jié)車廂組成，會同時存在多個列車網(wǎng)關(guān)，CS需同時轉(zhuǎn)換多路射頻信號，從而降低了系統(tǒng)切換效率。

基于ROF技術(shù)的特點，在發(fā)生切換的時候，系統(tǒng)可以采用單一的頻率進(jìn)行射頻輸出，為了區(qū)別不同的RAU，可以分配給每個RAU一個專門的光載波波長，列車越區(qū)到哪個RAU服務(wù)范圍，就將RF調(diào)制到對應(yīng)的光載波上。這樣列車網(wǎng)關(guān)天線可以以固定頻率進(jìn)行通信，無須持續(xù)變頻。

隨著全光波長路和光開關(guān)技術(shù)的發(fā)展，CS在切換過程中始終參照列車的位置，完成由舊光載波波長到新光載波波長的調(diào)制，完成切換任務(wù)。該切換方式屬于硬切換的范疇。為了準(zhǔn)確保證切換的準(zhǔn)確性，必須精確的預(yù)測列車的行程位置，以確保切換決策的實時與準(zhǔn)確性。

在現(xiàn)實系統(tǒng)中，列車的速度和行程信息已經(jīng)收集到列車控制站和站臺，因此可以利用該信息完成基于位置預(yù)測的切換，該切換方式比傳統(tǒng)的基于信號強(qiáng)弱的方式更快捷方便。在網(wǎng)絡(luò)模型的CS端收集該信息，再結(jié)合列車軌道沿線RAU的分布，CS可以根據(jù)列車的行程位置判斷切換的發(fā)起時機(jī)，從而控制切換。該切換判決著眼于網(wǎng)絡(luò)層，操作在物理層，相比較網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層的切換，切換時延更短，切換效率更高，完全適合于高速移動下的多媒體實時業(yè)務(wù)的無損傳輸。且信令控制包急劇減少，不會占用過度的信道資源，從而減輕了系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。因此是高速移動場景下十分適用的切換算法。

3 仿真結(jié)果

4 結(jié) 語

本文建立了基于ROF技術(shù)的移動基站網(wǎng)絡(luò)模型，并在此基礎(chǔ)上提出基于位置預(yù)測的快速切換算法。經(jīng)過系統(tǒng)仿真證明，該算法能夠準(zhǔn)確預(yù)測列車位置，做出準(zhǔn)確的硬切換決策，指導(dǎo)光層切換的執(zhí)行，減小了網(wǎng)絡(luò)切換延時。同時證明，基于ROF技術(shù)的分布式天線系統(tǒng)，能夠作為未來一種有效的無線接入方法，以服務(wù)于鐵路等高速運(yùn)動的用戶，為它們提供超寬帶的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張博.ROF無線接入技術(shù)研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2008.

[2] Bart Lannoo.Radio-over-Fiber-Based Solution to Provide B-

roadband Internet Access to Train Passengers[J].IEEE Com-

munication Magzine，2007，（45）.endprint