高速鐵路寬帶無線通信系統(tǒng)越區(qū)切換技術(shù)

劉云毅，趙軍輝,，王傳云

（1. 北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100044；2. 華東交通大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

高速鐵路寬帶無線通信系統(tǒng)越區(qū)切換技術(shù)

劉云毅1，趙軍輝1,2，王傳云2

（1. 北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100044；2. 華東交通大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

我國現(xiàn)有的鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)已不能滿足鐵路信息化建設(shè)的要求，需要開展下一代高速鐵路通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究。越區(qū)切換是高速鐵路寬帶無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)保障列車的行車安全和通信可靠性具有重要意義。針對(duì)目前高速鐵路通信系統(tǒng)中越區(qū)切換技術(shù)的研究現(xiàn)狀和成果進(jìn)行總結(jié)，分析存在的問題，并進(jìn)一步探討未來越區(qū)切換技術(shù)的發(fā)展方向。

高速鐵路；越區(qū)切換；無線通信

1 引言

近年來，中國高速鐵路（以下簡稱高鐵）迅猛發(fā)展，高鐵以其經(jīng)濟(jì)輻射效應(yīng)極大地帶動(dòng)了沿線城市和地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，形成了我國獨(dú)具特色的“高鐵經(jīng)濟(jì)”。伴隨著“一帶一路”“高鐵走出去”和“中國制造2025”等國家戰(zhàn)略的提出，高鐵建設(shè)已經(jīng)成為我國中長期發(fā)展的戰(zhàn)略需要。截止到2016年底，我國高鐵營業(yè)里程超過2.2萬千米，穩(wěn)居世界第一，占世界高鐵總里程的 60%以上。2017年6月26日，“復(fù)興號(hào)”中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組在京滬高鐵雙向首發(fā)，標(biāo)志著我國高鐵正式進(jìn)入自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)時(shí)代，達(dá)到世界領(lǐng)先水平。根據(jù)我國《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》（2016—2030年），預(yù)計(jì)到2030年，我國高速鐵路網(wǎng)基本實(shí)現(xiàn)內(nèi)外互聯(lián)互通、區(qū)際多路暢通、省會(huì)高鐵連通、地市快速通達(dá)、縣域基本覆蓋。圖1為2013—2016年高速列車與普通列車全國日均客運(yùn)發(fā)送量對(duì)比。高速列車的客運(yùn)發(fā)送量及其所占比重逐年增大，在2016年占比達(dá)到 52.1%。隨著鄭徐高鐵、寶蘭高鐵、西成高鐵等新一批高鐵線路開通運(yùn)營，這一比重在2017年會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大。

高速鐵路的快速發(fā)展對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)也提出了極高的要求，高速鐵路寬帶無線通信系統(tǒng)需要保障高速列車在運(yùn)行過程中調(diào)度信息的可靠傳輸以及為旅客提供更為優(yōu)質(zhì)的寬帶通信業(yè)務(wù)。隨著智能設(shè)備的普及以及互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，旅客在長途旅行中對(duì)各種無線服務(wù)有了更高的需求。由于列車高速運(yùn)行引起的多普勒頻移和信道快速時(shí)變、嚴(yán)重的車廂穿透損耗、大量設(shè)備同時(shí)切換引起的“信令風(fēng)暴”以及用戶終端處理能力有限等問題，使得現(xiàn)有的高速鐵路旅客無線接入系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足旅客對(duì)服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）的需求[1]。此外，有限的系統(tǒng)容量也無法滿足視頻監(jiān)控、多媒體應(yīng)用等各種寬帶服務(wù)的需求。因此，在設(shè)計(jì)高速鐵路寬帶無線通信系統(tǒng)時(shí)，如何提高QoS和系統(tǒng)容量是一個(gè)非常迫切的問題。

國際鐵路聯(lián)盟（International Union of Railways，UIC）確定將鐵路寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)（long term evolution for railway，LTE-R）作為下一代鐵路通信系統(tǒng)[2]。LTE-R可在20 Mbit/s帶寬的條件下為高速列車提供100 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，其端到端呼叫建立時(shí)延小于350 ms，話權(quán)搶占時(shí)延小于200 ms，是當(dāng)前鐵路通信系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)[3]?？紤]智能軌道基礎(chǔ)設(shè)施、智能移動(dòng)管理、智能軌道交通服務(wù)等未來高速鐵路發(fā)展需求，一些學(xué)者提出5G-R（fifth generation for railway）的概念，利用大規(guī)模 MIMO（multiple input multiple output）、毫米波（mmWave）、波束成形、頻譜融合等技術(shù)為未來的高鐵通信系統(tǒng)提供超高傳輸容量、超高可靠性、超低時(shí)延等高質(zhì)量服務(wù)[4]。

2 越區(qū)切換

圖1 2013—2016年全國鐵路日均客運(yùn)發(fā)送量

越區(qū)切換是高速鐵路無線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，在鐵路通信中占有極其重要的地位。在列車高速通過小區(qū)重疊區(qū)時(shí)，性能良好的越區(qū)切換方案能夠保障列車控制信息和旅客通信業(yè)務(wù)的可靠性、實(shí)時(shí)性和連續(xù)性[5]。越區(qū)切換是指當(dāng)移動(dòng)終端從一個(gè)服務(wù)基站的覆蓋范圍移動(dòng)到相鄰基站覆蓋范圍時(shí)，改變原有的通信鏈路，切換到其他基站上從而保持通信連續(xù)的過程。如果切換失敗，將會(huì)導(dǎo)致通信中斷現(xiàn)象，嚴(yán)重影響用戶體驗(yàn)，對(duì)列車安全造成不利影響。高速列車特殊的運(yùn)行環(huán)境以及較強(qiáng)的移動(dòng)性，對(duì)切換方案的性能提出了更高的要求，然而現(xiàn)有切換方案在高鐵場景中面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

（1）切換失敗率高

由于多普勒頻移、信道快速時(shí)變、復(fù)雜地形環(huán)境以及車廂穿透損耗（CRH3列車的車廂穿透損耗高達(dá)24 dB[6]）等不利因素的影響，使得列車中用戶設(shè)備的接收信號(hào)質(zhì)量較差，降低切換成功概率，甚至引發(fā)“乒乓切換”效應(yīng)，嚴(yán)重影響高鐵乘客的用戶體驗(yàn)。

（2）切換頻繁

2017年9月21日，“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組在京滬高鐵正式開始以350 km/h的速度運(yùn)營。隨著列車速度的提高，切換將愈發(fā)頻繁。假設(shè)小區(qū)半徑為3 km，重疊區(qū)長度為1.2 km，那么平均每48 s列車就需要切換，在重疊區(qū)駐留的時(shí)間僅為12 s，所以要優(yōu)化切換方案及流程，設(shè)計(jì)符合高速鐵路環(huán)境的快速切換方案。

（3）群切換

當(dāng)列車進(jìn)入新小區(qū)時(shí)，列車中的移動(dòng)終端將同時(shí)執(zhí)行切換?！皬?fù)興號(hào)”動(dòng)車組滿載時(shí)約有1 110名乘客，假設(shè)10%的乘客移動(dòng)終端處于活動(dòng)狀態(tài)，應(yīng)同時(shí)處理110個(gè)用戶設(shè)備的切換請(qǐng)求，在基站控制面中產(chǎn)生大量的信令交互，從而引起“信令風(fēng)暴”，帶來巨大的系統(tǒng)開銷。

（4）QoS保證

高速列車上各種移動(dòng)業(yè)務(wù)的QoS由于頻繁切換而降低。例如，視頻電話的分組時(shí)延應(yīng)小于50 ms，而切換時(shí)間通常需要100 ms。如果通信在切換期間中斷，則無法滿足視頻電話的QoS要求。

3 切換方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 基于參數(shù)優(yōu)化的切換方案設(shè)計(jì)

越區(qū)切換一般分為3個(gè)階段：切換測量、切換判決以及切換執(zhí)行。切換測量由基站和移動(dòng)臺(tái)相互協(xié)作完成，基站向移動(dòng)臺(tái)發(fā)送測量控制信令，移動(dòng)臺(tái)周期性上報(bào)測量結(jié)果，基站根據(jù)接收到的測量報(bào)告，當(dāng)滿足特定的條件時(shí)，切換就會(huì)被觸發(fā)。針對(duì)切換過程中涉及的各種參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提升切換性能，是一大研究方向。

（1）基于地理位置信息的切換方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

高鐵通信基站一般沿鐵路呈帶狀分布，而高速列車沿鐵軌固定行駛的特點(diǎn)，為切換優(yōu)化提供了便利，一些學(xué)者考慮借助地理位置信息來優(yōu)化切換方案。在參考文獻(xiàn)[7]中，當(dāng)列車進(jìn)入目標(biāo)基站的覆蓋區(qū)域時(shí)，根據(jù)列車的速度自適應(yīng)地決定切換觸發(fā)條件。如果列車高速移動(dòng)，用戶設(shè)備可以提前觸發(fā)切換。在參考文獻(xiàn)[8]中使用全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）設(shè)備提供的方向和速度信息加快對(duì)候選基站的選擇，并自適應(yīng)地縮短觸發(fā)時(shí)延定時(shí)器。參考文獻(xiàn)[9]提出了一種LTE-Advanced網(wǎng)絡(luò)的快速切換方案，當(dāng)列車接近預(yù)定義的切換位置時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可以直接發(fā)起切換。參考文獻(xiàn)[10]將基站的覆蓋區(qū)劃分為若干區(qū)域，當(dāng)列車快速通過一個(gè)區(qū)域時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可以提前為用戶設(shè)備進(jìn)行切換。參考文獻(xiàn)[11]在此基礎(chǔ)上做出改進(jìn)，根據(jù)列車行駛線路生成相鄰小區(qū)列表，根據(jù)列車速度和小區(qū)間距預(yù)先對(duì)切換地理位置進(jìn)行設(shè)定，在列車跨越預(yù)先設(shè)定的切換點(diǎn)時(shí)，源基站根據(jù)列車測量報(bào)告發(fā)送預(yù)切換信息到目標(biāo)基站，實(shí)現(xiàn)資源預(yù)留。參考文獻(xiàn)[12]根據(jù)列車所處位置、行駛速度以及方向確定目標(biāo)小區(qū)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出切換參考點(diǎn)坐標(biāo)，得出此位置的時(shí)間門限值，當(dāng)列車到達(dá)參考點(diǎn)的時(shí)間低于門限時(shí)，對(duì)目標(biāo)小區(qū)進(jìn)行信道分配和激活，實(shí)現(xiàn)快速切換。

雖然基于地理位置信息的切換方案可以精確地控制切換時(shí)間，但是會(huì)導(dǎo)致額外的信令開銷。首先，列車必須在其測量報(bào)告中上報(bào)位置、速度等信息。其次，一些方案要求運(yùn)營商預(yù)先規(guī)劃切換地點(diǎn)，增加網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的開銷及成本。而如何讓列車知道規(guī)劃的切換位置是一個(gè)需要解決的問題，一般有兩種方案：一種是讓運(yùn)營商在列車離開車站之前將切換位置等信息發(fā)送給列車；另一種是在列車運(yùn)行過程中，基站通過測量控制信息向列車發(fā)送切換位置信息。這兩種方案都會(huì)導(dǎo)致額外的信令開銷。此外，基于地理位置信息的切換方案在 GPS信號(hào)接收不良情況下會(huì)影響切換性能。例如，當(dāng)列車離開隧道時(shí)，列車上的GPS設(shè)備可能需要時(shí)間來搜索衛(wèi)星信號(hào)，在搜索時(shí)間內(nèi)，GPS設(shè)備不能正常工作，無法及時(shí)切換。

（2）基于判決算法的切換方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

其中，tP為基站的信號(hào)發(fā)射功率，PL為路徑損耗，ε為陰影衰落，a、b分別表示源基站和目標(biāo)基站。基于RSRP判決算法的切換觸發(fā)概率為：

其中，pτ為RSRP遲滯容限[13]。但是，RSRP需要確保移動(dòng)終端使用最高的功率連接到小區(qū)，僅考慮 RSRP而不考慮干擾、信噪比等，會(huì)導(dǎo)致信道資源的不合理利用。

近年來，一些學(xué)者通過綜合考慮多種因素，提出聯(lián)合判決算法，保證良好的切換性能?；赗SRP和參考信號(hào)接收質(zhì)量（reference signal received quality，RSRQ）的聯(lián)合判決算法中，RSRQ類似于鏈路信噪比，RSRQ判決算法能夠在信號(hào)接收強(qiáng)度不夠高的情況下，選擇信號(hào)接收質(zhì)量最好的基站執(zhí)行切換。但是RSRQ受系統(tǒng)負(fù)載和測量策略影響較為嚴(yán)重，不能提供服務(wù)質(zhì)量下降時(shí)的頑健檢測，僅考慮RSRQ并不能獲得最好的切換性能。因此，RSRQ通常只作為輔助判決標(biāo)準(zhǔn)?；赗SRP和RSRQ聯(lián)合判決算法的切換觸發(fā)概率為：

其中，SIR為接收到某基站的RSRQ，qτ為RSRQ遲滯容限[14]。通過設(shè)置統(tǒng)一的信噪比門限值，當(dāng)?shù)陀谠撻T限值時(shí)認(rèn)為發(fā)生切換中斷。圖 2為兩種判決算法的切換成功概率對(duì)比，可以看出，基于RSRP和RSRQ的聯(lián)合判決算法擁有更好的性能。

圖2 切換成功概率性能對(duì)比

除此之外，也有學(xué)者綜合考慮速度、距離、時(shí)間等其他因素，設(shè)計(jì)性能良好的聯(lián)合判決方案，彌補(bǔ)單一判決算法的缺陷[15-17]。

（3）基于雙播機(jī)制的切換方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

高速鐵路場景的切換面臨的另一問題就是頻繁切換、硬切換可能引發(fā)的通信中斷。近幾年，基于雙播（bi-casting）機(jī)制的切換優(yōu)化方案也是越區(qū)切換領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[18,19]。在傳統(tǒng)LTE切換中，網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)臺(tái)之間存在著數(shù)據(jù)傳輸。為了減少分組丟失率，傳統(tǒng)切換流程采用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)制。即在切換流程啟動(dòng)時(shí)，服務(wù)基站通過X2接口將收到的數(shù)據(jù)副本轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)基站，由目標(biāo)基站將數(shù)據(jù)發(fā)送給移動(dòng)臺(tái)或服務(wù)網(wǎng)關(guān)。數(shù)據(jù)在基站之間的轉(zhuǎn)發(fā)存在時(shí)延，且服務(wù)基站和目標(biāo)基站不能同時(shí)向移動(dòng)臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)，其通信中斷時(shí)間包括切換處理時(shí)延和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延。

在雙播機(jī)制中，服務(wù)網(wǎng)關(guān)在切換開始后分別向源基站和目標(biāo)基站發(fā)送數(shù)據(jù)副本。源基站處理收到的數(shù)據(jù)并發(fā)送給用戶設(shè)備，而目標(biāo)基站則丟棄收到的數(shù)據(jù)分組，直到用戶設(shè)備成功切換到目標(biāo)基站。由于目標(biāo)基站在切換開始后立即從服務(wù)網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)，所以通信中斷時(shí)間約等于切換處理時(shí)延。因此，雙播機(jī)制的通信中斷時(shí)間比數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制短，更適合一些實(shí)時(shí)通信服務(wù)。此外，用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕竞头?wù)網(wǎng)關(guān)之間的 S1接口具有比X2接口更高的吞吐量?；陔p播機(jī)制的切換信令流程如圖3所示，源基站在接收到切換請(qǐng)求確認(rèn)信息后，便向移動(dòng)管理實(shí)體進(jìn)行雙播請(qǐng)求，隨后建立服務(wù)網(wǎng)關(guān)到目標(biāo)基站的雙播數(shù)據(jù)通道，在切換完成之后，釋放原有的服務(wù)網(wǎng)關(guān)到源基站的數(shù)據(jù)通道結(jié)束雙播。如何減小雙播帶來的額外數(shù)據(jù)開銷，在雙播機(jī)制的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高切換性能是研究人員需要考慮的重點(diǎn)。

3.2 基于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的切換方案設(shè)計(jì)

圖3 基于雙播機(jī)制的切換方案信令流程

隨著實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控、旅客移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等各種業(yè)務(wù)需求出現(xiàn)，未來高鐵通信系統(tǒng)需要具備超高容量及超低時(shí)延等特點(diǎn)。目前，5G技術(shù)的測試與標(biāo)準(zhǔn)制定在如火如荼地展開，未來的通信網(wǎng)絡(luò)必定是一個(gè)多網(wǎng)融合、適應(yīng)多種場景的超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)[20]。同樣，對(duì)于高鐵通信系統(tǒng)，通過融合多種技術(shù)、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提升切換性能，提高用戶體驗(yàn)將成為主流[6]。

（1）基于波束成形的切換方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前，高速鐵路場景中多天線和智能天線技術(shù)的研究和應(yīng)用獲得了一定進(jìn)展[21,22]。利用分布式天線是解決高鐵通信系統(tǒng)中切換頻繁問題的一種有效手段。在鐵路沿線部署分布式天線單元，不同的天線單元使用相同的工作頻率等參數(shù)設(shè)置，并通過光纖與基帶單元連接。同一基帶單元控制下的天線單元組成一個(gè)覆蓋范圍較大的邏輯小區(qū)。當(dāng)高速列車在這個(gè)邏輯小區(qū)中運(yùn)行時(shí)都不會(huì)發(fā)生切換，從而減少切換次數(shù)，降低通信中斷的風(fēng)險(xiǎn)[23]。

波束成形技術(shù)通過智能調(diào)整陣列天線各個(gè)陣元的幅度及相位，形成定向波束，將目標(biāo)信號(hào)集中在基站與用戶之間的方向，實(shí)現(xiàn)能量的匯聚，同時(shí)降低因能量擴(kuò)散而對(duì)周圍用戶造成的干擾，可以將其應(yīng)用到高速鐵路場景來集中信號(hào)能量，提高傳輸可靠性[24]。在參考文獻(xiàn)[13]中，波束成形技術(shù)還被用于解決高速鐵路場景中因切換觸發(fā)滯后而導(dǎo)致的切換失敗問題。在高速列車駛?cè)胂噜徎镜闹丿B區(qū)后，基站天線由全向覆蓋模式調(diào)整為波束成形模式，改善接收信號(hào)功率。在不同的區(qū)域中，動(dòng)態(tài)調(diào)整基站的波束成形增益，促進(jìn)高速列車在短暫的切換窗口中能及時(shí)觸發(fā)切換，提高切換成功概率。圖4為高速鐵路場景中基于波束成形的切換方案和LTE切換方案的切換成功概率對(duì)比[13]。其中，橫軸表示列車所在位置，源基站和目標(biāo)基站分別位于0 km和4.8 km處，基站覆蓋范圍為3 km。在2.4 km處由于應(yīng)用波束成形技術(shù)，波束成形切換方案的成功概率有明顯的提高，在3 km處的成功概率可達(dá)到97.99%，相比LTE切換方案，其成功概率提高7.8%。

圖4 切換成功概率對(duì)比

（2）基于車載中繼的切換方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

中繼目前作為一種較為成熟的技術(shù)，是目前無線移動(dòng)通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其在高鐵通信系統(tǒng)中也有較大的應(yīng)用價(jià)值。

[18]在通過高速列車頂部安裝車載中繼站（train mobile station，TRS），用戶終端通過各個(gè)車廂部署的AP（access point，接入點(diǎn)）連接到TRS。利用TRS的群移動(dòng)性，由TRS代替列車中的用戶設(shè)備進(jìn)行基站選擇和越區(qū)切換，有效避免巨大的信令開銷引起的“信令風(fēng)暴”[25]。TRS擁有比普通用戶終端更為強(qiáng)大的計(jì)算能力，能夠?qū)Χ嗥绽疹l移進(jìn)行矯正，改善信號(hào)接收質(zhì)量，節(jié)省用戶終端的能量。同時(shí)，TRS可以通過光纖與列車外部的收發(fā)天線進(jìn)行連接，從而可以有效避免車廂穿透損耗。

由于軟切換需要無線網(wǎng)絡(luò)控制器（radio network controller，RNC）的支持，為了設(shè)計(jì)扁平化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及降低端到端時(shí)延，LTE系統(tǒng)采用“先斷后連”的硬切換方式，在高鐵高速運(yùn)行中，容易產(chǎn)生較大的中斷概率[26]。為了改進(jìn)硬切換帶來的不利影響，參考文獻(xiàn)[27]提出一種基于移動(dòng)中繼的雙天線輔助切換方案，如圖5所示。雙天線分別安裝在車首和車尾，當(dāng)列車進(jìn)入重疊區(qū)并滿足切換觸發(fā)條件后，先是由車首天線執(zhí)行切換，車尾天線繼續(xù)保持與服務(wù)基站連接，切換成功后，車尾天線將工作頻率同步到目標(biāo)基站完成切換。若切換失敗，車尾天線在進(jìn)入重疊區(qū)后可再次執(zhí)行切換。通過兩部天線的協(xié)作通信，達(dá)到軟切換的效果，大大地降低切換失敗率。在此基礎(chǔ)上，參考文獻(xiàn)[18]通過引入雙播機(jī)制進(jìn)一步使信令開銷減小50%左右。

（3）基于控制面/用戶面分離的切換方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

未來5G-R通信系統(tǒng)在提高網(wǎng)絡(luò)傳輸容量時(shí)，應(yīng)考慮將控制面與傳統(tǒng)用戶面信息解耦設(shè)計(jì)，合理利用GSM-R系統(tǒng)中的現(xiàn)有帶寬，均衡不同頻段的差異，對(duì)系統(tǒng)頻段彈性設(shè)計(jì)。為此，必須研究基于控制面/用戶面（C/U面）分離的高鐵無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過控制面與用戶面的分離架構(gòu)，將擁有較寬連續(xù)頻譜的高頻頻段與 GSM-R低頻頻段融合，為高鐵通信系統(tǒng)提供高容量、高可靠性的通信服務(wù)[19]。由于控制面信息以及列車控制、列車調(diào)度等用戶面信息對(duì)傳輸可靠性要求較高，可以由宏基站通過擁有良好傳輸特性的低頻段來承載；對(duì)傳輸容量需求較高的旅客業(yè)務(wù)，可以由虛擬基站通過高頻段承載。虛擬基站專門為移動(dòng)用戶提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)，而網(wǎng)絡(luò)接入、系統(tǒng)信息廣播等控制信息由宏基站提供，也就是將控制面與用戶面放置在擁有不同特性的頻段上傳輸，均衡不同頻段的差異。由于在宏基站和虛擬基站中使用的頻帶不同，宏基站和虛擬基站之間不會(huì)存在同信道干擾[28]?；贑/U面分離的高鐵通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖6所示。

基于 C/U面分離的高鐵無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已于2016年 6月寫入無線世界研究論壇（Wireless World Research Forum，WWRF）和未來移動(dòng)通信論壇聯(lián)合發(fā)布的 5G高速移動(dòng)白皮書《2016 Whitepaper V2.0H-5G Enabler: High Mobility Support》。然而，在基于C/U面分離的高鐵通信系統(tǒng)中，其切換問題更加嚴(yán)重，原因如下[29]。

（1）宏基站間切換頻率更高

假設(shè)一個(gè)宏基站包含3個(gè)虛擬基站，高速列車穿過一個(gè)宏小區(qū)就要執(zhí)行1次宏基站間切換和3次虛擬基站間的切換。高速列車執(zhí)行的切換越多，中斷的可能性越大。

（2）切換失敗概率較高

圖5 基于移動(dòng)中繼雙天線切換方案系統(tǒng)模型

圖6 基于C/U面分離的高鐵通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

列車首先執(zhí)行“宏基站—宏基站”切換，使用戶設(shè)備連接到目標(biāo)宏基站，然后在目標(biāo)宏基站的控制下執(zhí)行“虛擬基站—虛擬基站”切換，建立用戶設(shè)備與目標(biāo)虛擬基站之間的連接。當(dāng)且僅當(dāng)兩種切換都順利完成時(shí)，宏基站間切換才算成功。

（3）切換重疊區(qū)較短

“虛擬基站—虛擬基站”切換作為宏基站間切換的第二步，必須在“宏基站—宏基站”切換完成之后才能執(zhí)行。因此，切換必須在虛擬基站間重疊區(qū)域內(nèi)全部完成。

（4）切換觸發(fā)滯后

當(dāng)且僅當(dāng)目標(biāo)宏基站和目標(biāo)虛擬基站的信號(hào)質(zhì)量分別超過服務(wù)宏基站和服務(wù)虛擬基站一定閾值時(shí)，宏基站間的切換才會(huì)被觸發(fā)。因此，這會(huì)造成一定的切換觸發(fā)滯后。

4 結(jié)束語

為了保障高速列車在移動(dòng)過程中調(diào)度信息的實(shí)時(shí)傳輸以及為旅客提供優(yōu)質(zhì)的寬帶通信業(yè)務(wù)，高速鐵路寬帶通信系統(tǒng)對(duì)越區(qū)切換性能提出了極高的要求。本文從參數(shù)優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化兩個(gè)方面總結(jié)了國內(nèi)外的研究成果，并進(jìn)一步探討了未來越區(qū)切換技術(shù)的發(fā)展方向?；诳刂泼?用戶面分離的高鐵通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是目前的研究熱點(diǎn)，結(jié)合波束成形、車載中繼、雙播等技術(shù)對(duì)切換方案進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)適應(yīng)高鐵場景的快速切換或無縫切換方案，對(duì)未來高鐵寬帶通信系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。

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Handover technology in high-speed railway broadband wireless communication system

LIU Yunyi1, ZHAO Junhui1,2, WANG Chuanyun2
1. School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China 2. School of Information Engineering, East China Jiaotong University, Nanchang 330013, China

The existing railway mobile communication system can’t meet the requirements of railway information construction. Therefore, the key technology research of next generation of high-speed railway (HSR) communication system needs to be carried out. Handover is a key technology of HSR broadband wireless communication system,which has great significance to ensure the train safety and communication reliability. The research results of the handover in HSR communication system were summarized and the existing problems were investigated. Furthermore,the development directions of handover in the future were explored.

high-speed railway, handover, wireless communication

s: The National Natural Science Foundation of China (No.61661021, No.61471031), The Open Research Fund of National Mobile Communications Research Laboratory, Southeast University (No.2017D14), National Science and Technology Major Project of the Ministry of Science and Technology of China (No.2016ZX03001014-006)

power，RSRP）是常用的判決算法，RSRP是指移動(dòng)終端接收來自基站的信號(hào)功率，能夠反映接收信號(hào)的強(qiáng)度，得到了廣泛的應(yīng)用。接收到某基站的RSRP可以表示為：

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017278

2017?08?01；

2017?09?26

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61661021，No.61471031）；東南大學(xué)移動(dòng)通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究基金資助項(xiàng)目（No.2017D14）；國家科技重大專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（No.2016ZX03001014-006）

劉云毅（1993?），男，北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院碩士生，主要研究方向?yàn)長TE-R越區(qū)切換。

趙軍輝（1973?），男，博士，北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，華東交通大學(xué)信息工程學(xué)院院長，主要研究方向?yàn)?G通信技術(shù)、車聯(lián)網(wǎng)、軌道交通無線通信等。

王傳云（1977?），男，華東交通大學(xué)信息工程學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)闊o線通信、無線傳感網(wǎng)。