基于TDD系統的高速磁懸浮軟切換技術研究

丁叁叁，姜付杰，欒 瑾，王曉紅，張 藝

(中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000)

0 引言

高速磁懸浮列車通過磁力克服重力，在運行過程中不與地面直接接觸，列車受到的阻力僅有空氣阻力，因此磁懸浮列車在運行速度方面有著不可比擬的優(yōu)越性。但是隨著運行速度的提高，多普勒效應越發(fā)嚴重，導致信號傳輸的誤碼率增大，因此磁懸浮車地通信系統設計面臨巨大挑戰(zhàn)。

當磁懸浮列車高速運行時，磁懸浮車地通信系統的分區(qū)運行系統需要頻繁切換，對切換成功率和時延提出極高要求。若切換失敗或者切換時間過長，將會嚴重影響磁懸浮列車的安全可靠運行。國內外對磁懸浮的技術的研究主要集中在懸浮、牽引力以及列車控制領域[1-3]，對車地通信的研究相對較少。針對越區(qū)切換的研究也主要集中在GSM-R，LTE-R和蜂窩移動網絡領域[4-9]。在傳統的移動通信系統中最典型的切換技術就是硬切換。文獻[10]提出基于信噪比、基站帶寬和用戶設備發(fā)射功率的模糊邏輯算法進行切換判決，但沒有考慮乒乓切換帶來的影響。文獻[11]通過迭代方式建立切換模型，分析了GSM協議在特定場景下的狀態(tài)可達性，但模型沒有進一步研究切換的可靠性。這些研究雖然一定程度上提高了切換成功概率，但是在切換過程中依舊有短暫的通信中斷，影響列車運輸管理業(yè)務安全可靠的傳輸。

對于列車運輸管理業(yè)務也有極高可靠性要求的高速磁懸浮列車，需要采用具有“先切換、后斷開”特點的軟切換技術。文獻[12]提出通過節(jié)點運動方向的改變來預測接收信號的強度，從而提高系統吞吐量。文獻[13]提出基于節(jié)點運動速度來觸發(fā)切換的算法縮短切換時延。文獻[14]通過優(yōu)化切換門限值的方法提高切換成功概率。當門限值設置太高會增加觸發(fā)難度，設置較低則會產生誤差。但僅通過設置合理的切換門限值并不能完全保證高速移動環(huán)境下磁懸浮列車消息傳輸的可靠性，還需要針對高速磁懸浮列車的實際應用場景對軟切換機制進行優(yōu)化設計。

本文研究了高速磁懸浮場景下MAC層控制的無線網絡軟切換技術，介紹了高速磁懸浮車地通信系統，為滿足高可靠的磁浮列車運輸管理業(yè)務傳輸要求，設計了合理的幀結構，建立了基于列車速度和位置的軟切換模型，避免乒乓效應，并對兩基站重疊覆蓋區(qū)域進行規(guī)劃。

1 車地通信系統

磁懸浮最高運行速度能達到600 km/h，而普通高速鐵路運行速度一般只能達到350 km/h。列車的高速運行帶來信道快衰落，所以相較于普通高速鐵路，磁懸浮列車消息傳輸的誤碼率更高。為降低信號在傳輸過程中的損耗，降低誤碼率，將使用泄露電纜替代傳統的鐵塔天線與列車進行通信。

本文設計的高速磁浮車地通信系統是基于本實驗室自主研發(fā)的無線多跳自組網標準研制，主要有兩大部分組成，一是地面設備，二是車載設備。地面設備主要包括核心網設備、分區(qū)控制設備、地面通信設備(地面基站、泄漏電纜)。系統方案示意如圖1所示。

圖1 高速磁浮車地通信系統方案Fig.1 High speed maglev ground communication system scheme

圖中核心網設備對應多個調度分區(qū)(分區(qū)1，分區(qū)2)，一個分區(qū)控制設備連接多個地面通信設備，即管理多個小區(qū)。每個小區(qū)配備地面通信設備，且采用A，B網冗余部署方式，地面通信設備連接在光環(huán)網上，通過交換機與分區(qū)控制設備相連。分區(qū)控制設備則通過以太網與核心網設備相連。磁懸浮列車的越區(qū)切換主要分為分區(qū)內切換和跨分區(qū)切換兩種。當磁懸浮列車進行分區(qū)內切換時，當前分區(qū)控制設備與地面通信設備(即基站)以及地面通信設備與車載通信設備需要進行信令交互。當磁懸浮列車進行跨分區(qū)切換時，除了分區(qū)內進行的信令交互外，還有核心網與分區(qū)控制設備之間的信令交互。在越區(qū)切換時，核心網或者分區(qū)控制器為當前基站以及相鄰基站進行資源分配。

高速磁懸浮列車車地通信系統采用時分雙工(TDD)的通信方式，所以整個系統必須保證嚴格的時間同步。MAC層的機制設計是基于幀結構進行設計，列車與基站之間的交互是通過信令的交互完成。本文設計的幀結構不僅要實現切換高可靠，還要考慮在兩個基站的重疊區(qū)內資源雙備份，系統是否可以承受。因此本文設計的機制既要在流程上縮短切換時間、提高切換成功概率，同時也應盡可能地避免切換重疊區(qū)過長。

2 軟切換機制設計

磁懸浮車地通信網絡以鏈式形式覆蓋，兩基站信號重復覆蓋的范圍為重疊區(qū)，如圖2所示，將重疊區(qū)AB分為AC和CB兩段，其中C為AB的中點。

圖2 兩基站信號覆蓋的重疊區(qū)Fig.2 Overlapping area of signal coverage of two BSs

LTE-R通信系統中規(guī)定了測量的報告觸發(fā)機制，文獻[15]觸發(fā)切換是基于A3事件進行的。A3事件是指在遲滯時間內，終端接收目標基站信號強度比接收源基站信號強度高出遲滯余量，認為滿足觸發(fā)切換要求。在AC段內，因為列車距離小區(qū)A基站相對較近，接收到的源基站信號強度優(yōu)于目標基站，切換至目標基站后乒乓切換觸發(fā)概率相應較高。遲滯余量較大時，觸發(fā)切換的難度增加，同時也會造成終端離開重疊帶時還未切換至目標基站。

以源基站位置為坐標原點，遲滯余量與位置的關系為：

hys(x)=f(x)hys,

(1)

式中，x為列車所在的位置，hys為遲滯余量，f(x)是以列車位置x為自變量的預設遲滯余量調整函數。

在遲滯時間內，當前信號強度小于相鄰小區(qū)信號強度時，則啟動切換觸發(fā)。則列車行駛至x位置時，滿足觸發(fā)切換判決的概率為：

P(x)=P[R(j,x)-R(i,x)>hys(x)],

(2)

其中,R(j,x)為相鄰小區(qū)信號強度，R(i,x)為當前小區(qū)信號強度。

通常把切換過程中列車信號不中斷定義為切換成功，則傳統切換成功概率為:

Psucess=Px(i,j)·(1-Pout(i,j)),

(3)

式中,Pout(i,j)為信號中斷概率。

這種切換方式通過對空口發(fā)射功率閾值的檢測來進行切換，沒有考慮重疊區(qū)長度與資源雙備份時資源是否夠用的情況，也沒有考慮信號強度在兩個基站覆蓋重疊區(qū)劇烈變化的情況下如何進一步提高切換成功概率。下面從MAC層控制角度出發(fā)，設計MAC層幀結構以及具有高切換成功概率的軟切換機制。

2.1 幀結構設計

磁懸浮車地通信采用時分雙工(TDD)的通信方式，在切換的過程中實現軟切換，盡量減少資源調度造成的時延。所設計的幀結構應對兩個地面通信設備發(fā)送、車載接收以及數據重傳的時隙進行預先分配，列車會在預先分配的不同時隙里分別接收兩個基站的消息。若有剩余的時隙可根據業(yè)務需求進行冗余傳輸提高可靠性和實時性或進行其他業(yè)務需求的調度，幀結構設計如圖3所示。每一幀由時隙組成，一個幀由控制子幀和數據子幀組成，其中控制子幀用來實現列車與基站間的網絡維護、信息同步和資源調度，包括NENT(Network Entry)和NCFG(Network Configuration)消息。每幀的第1個控制時隙為NENT消息，第2個和第3個控制時隙為基站發(fā)送的NCFG消息，第4個控制時隙為列車發(fā)送的NCFG消息，第5個控制時隙為列車重傳的NCFG消息。NENT消息為網絡接入消息，為新節(jié)點提供網絡接入；NCFG消息為網絡配置消息，告知鄰近節(jié)點本節(jié)點所在網絡的相關信息。數據子幀根據每種業(yè)務的數據量、數據傳輸速率以及傳輸周期等指標，合理地為其分配短數據時隙或者長數據時隙。

圖3 幀結構Fig.3 Frame structure

2.2 軟切換機制設計

本文設計的軟切換算法不同于傳統的A3事件判決算法，與A3算法的區(qū)別在于其切換判決不依附于信號強度，而是通過磁懸浮列車運行過程中每隔5 ms傳輸列車定位業(yè)務(PRW)提供列車所在位置的地理信息、運行速度及運行方向來進行切換判決，從而避免乒乓效應。下面將分別對分區(qū)內切換和跨分區(qū)切換進行闡述。

分區(qū)內切換是指列車在當前分區(qū)內進行的越區(qū)切換，切換過程中只需要分區(qū)控制器與地面通信設備(基站)和列車與地面通信設備進行信令交互，為相鄰目標基站下發(fā)業(yè)務資源。

分區(qū)內切換流程如下：

① 在列車運行過程中，通過PRW業(yè)務提供的列車地理位置信息周期性判斷運行距離是否滿足切換閾值。

② 當滿足切換閾值時，基站向分區(qū)控制器申請向相鄰基站發(fā)下業(yè)務資源。

③ 若不滿足切換閾值，則繼續(xù)掃描信道。當列車收到相鄰基站的NCFG消息時，執(zhí)行步驟④。當相鄰基站收到列車發(fā)送的NENT時，執(zhí)行步驟⑤。

④ 當列車收到相鄰基站NCFG消息時，此時本列車需要執(zhí)行越區(qū)切換，但地面通信設備并不知道，因此列車需要發(fā)送NCFG消息告知地面通信設備，為相鄰基站下發(fā)業(yè)務資源。

通過對GitHub中軟件存儲庫進行數據爬取，我們獲得了27萬條存儲庫信息.我們首先通過異常值處理，人工剔除異常記錄等處理手段，對原始數據進行數據清洗，保留下約13萬條存儲庫記錄.然后，通過數據審查，發(fā)現其整體的數據分布是有偏的，并非正態(tài)分布，考慮到Github開源社區(qū)中的開發(fā)者在學習使用平臺時會建立許多用于入門的練習項目，一些經常參與活躍項目開發(fā)的軟件工程師也會經常建立新的存儲庫用于測試，還有一些項目長期疏于管理且無人關注成為了死項目等諸如此類的原因，我們嘗試使用聚類方法從數據層面上對項目進行分類.在聚類結果中去除異常記錄，最終獲得90956條軟件存儲庫的數據集合作為研究對象.

⑤ 當相鄰基站收到列車的NENT消息時，知道有列車已經進入本基站的覆蓋范圍，因此向分區(qū)控制器請求為其下發(fā)業(yè)務資源。

⑥ 相鄰基站會按照預先分配好的與當前基站不相同的其他時隙向列車發(fā)送數據資源。列車和相鄰基站建立好通信連接，分區(qū)內切換完成。

跨分區(qū)切換是指列車處于兩個分區(qū)控制器的交界處，切換過程除了需要分區(qū)控制器與地面通信設備(基站)和列車與地面通信設備之間的信令交互，還需要分區(qū)控制器與核心網進行信令交互。

由于跨分區(qū)通信需要經過核心網，時延較長，并且每個分區(qū)控制器管轄的地面通信設備個數已知，因此當列車駛入當前分區(qū)的最后一個基站時，即進入跨分區(qū)切換狀態(tài)，核心網為相鄰分區(qū)控制器下發(fā)控制信令，相鄰分區(qū)控制器再向相鄰目標基站下發(fā)數據業(yè)務資源。相鄰基站會按照預先分配好的與當前基站不相同的其他時隙向列車下發(fā)數據資源。列車和相鄰基站建立好通信連接，跨分區(qū)切換完成。

3 性能分析

3.1 切換成功概率

定義切換成功概率為地面基站與列車都能收到相互發(fā)送的NCFG消息，設NCFG消息丟包率為pNCFG，則經過n次交互才切換成功的概率為：

(4)

因此總的切換成功概率為：

(5)

其中，n值與切換重疊區(qū)長度有關，假設列車在切換重疊區(qū)中能夠運行N個調度周期。

(6)

式中，ΔL為重疊區(qū)長度，TP為一個調度周期時間。

pNCFG=1-(1-BER)N。

(7)

通過Matlab仿真，得到誤碼率與切換成功概率的關系，如圖4所示。

圖4 誤碼率與切換成功概率的關系Fig.4 Relationship of BER and handover success probability

從圖4可以看出，當誤碼率高于10-3時，文獻[9]基于A3算法與文獻[12]提出的優(yōu)化切換門限算法切換成功概率驟降。而本文提出的基于地理位置信息的切換機制，切換成功概率隨著誤碼率的增大下降幅度依舊很平滑。從圖4可以看出，本文提出的軟切換機制的成功概率在誤碼率較大時得到了提高。

3.2 切換重疊區(qū)距離設置

列車切換過程中，不僅要與基站進行信令交互，在分區(qū)內切換時基站還需要與分區(qū)控制器進行交互，在跨分區(qū)切換時，分區(qū)控制器還需要與核心網進行信令交互。因此切換總時間是由列車與基站的信令交互時間和基站向分區(qū)控制器、分區(qū)控制器向核心網請求的信令上報時間兩部分組成。

T總=Texc+Trep，

(8)

式中，Texc為信令交互時間，Trep為信令上報時間。

設列車運行速度為v，預留10%的切換重疊區(qū)余量，切換距離為D，切換重疊區(qū)距離C=2D。

C=2*v*T總(1+10%)。

(9)

設在重疊區(qū)內第i次信令交互成功，則信令交互時延為：

ti=i·Tp，

(10)

式中，TP為一個調度周期時間。信令交互時間為ti的均值，即

(11)

因此得出切換重疊區(qū)C為：

(12)

切換重疊區(qū)與列車運行速度的關系如圖5所示。

圖5 切換重疊區(qū)與列車運行速度的關系Fig.5 Relationship between overlapping area and maglev speed

從圖5可以看出，隨著磁懸浮列車的運行速度增大，基站重疊區(qū)距離逐漸增大。當最高時速在600 km/h時，完成切換所需要的距離為132 m，重疊覆蓋距離應設為264 m。由于資源在重疊區(qū)雙備份，適當犧牲了系統資源，與文獻[9]給出的A3算法和文獻[12]提出的優(yōu)化切換門限算法相比重疊覆蓋區(qū)距離適當增大，但保證了列車運輸管理業(yè)務安全可靠傳輸。

4 結束語

越區(qū)切換的可靠性對磁懸浮車地通信系統安全高效運行具有重要意義。本文針對具有高可靠性要求的列車運輸管理業(yè)務，提出了基于地理位置信息的軟切換方案，可避免乒乓切換。通過仿真，得出在列車運行速度為600 km/h時，在切換重疊區(qū)僅增加39 m的基礎上，切換成功概率達99.6%，在覆蓋范圍內列車可同時與當前基站和鄰居基站進行通信，保障列車運輸管理業(yè)務傳輸安全可靠。