基于RoF 的高速鐵路通信系統中動態信道預留算法的研究

邵志偉，李丹寧，黃 羿，3

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

隨著我國高速鐵路的建設運行，在移動終端高速移動的情況下，要能保證通信服務質量，這對鐵路沿線的移動通信系統提出了新的更高的要求.在原有的鐵路綜合移動通信系統中，引入RoF技術構建高速鐵路移動通信覆蓋系統，能夠實現微蜂窩的覆蓋，擴大原有基站覆蓋范圍，減少群小區內的切換次數.但在移動終端高速移動過程中，動態信道預留切換算法在減少切換次數的同時還能有效提高通信QoS，因此成為當前研究的熱點.

1 RoF(Radio Over Fiber)技術簡介

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

RoF系統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構.RoF系統包括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］.光纖起到傳輸的作用，控制、交換和信號的再生都集中在中心站，基站僅由光電轉換器件和放大器構成.這樣可以把昂貴復雜的設備集中到中心站點，讓多個遠端基站共享這些設備，更好地實現設備共享、動態資源分配和更有效地管理，同時可以有效降低遠端基站的功耗和成本，并使其小巧便于安裝.

圖1 RoF系統實現原理圖

2 RoF在高速鐵路通信系統中的應用

目前的蜂窩和衛星接入技術雖然可以給快速移動的用戶提供有限的無線服務，但是這些技術由于其固有的限制，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的基站，則在設計時必須在列車的速度、可接入帶寬和切換三者之間進行折中.衛星接入技術由于其固有的延遲，城市、多山和多隧道地區覆蓋范圍小，帶寬限制等因素，因此不適合高速鐵路中的實時應用.

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

圖2 現存的高速鐵路蜂窩通信系統示意圖

為了降低切換頻率，需有效擴大基站的覆蓋范圍.所以，有人提出了群小區技術.群小區被定義為:地理位置相鄰的多個小區(天線或天線陣的覆蓋面積)集合，集合的每個小區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，該系統采用的就是群小區技術，通信信號通過光纖由CS輸到BS，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時不需要進行切換，從而可以保證用戶使用業務的連續性.

圖3 基于RoF的高速鐵路通信覆蓋系統

3 動態信道預留算法

在高速行駛的列車內的移動臺，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(當前群小區)，進入新的基站覆蓋范圍(目標群小區)，所以為保持通信的連續性，這個過程中將進行多次的群小區間切換.本文采用的群小區間切換算法是動態信道預留算法.

3.1 動態信道預留算法介紹

對目標小區當前時間段的信道占用數、信道利用率和前一時間段的切換阻塞率進行統計，預測出未來t內小區切換阻塞率，根據動態預測的結果為潛在的越區切換呼叫預留信道資源.當新呼叫請求到達時，系統將會判斷其接入是否將使下一時刻切換阻塞率超過指標，如果不能，將允許接入，反之拒絕.動態信道預留算法還可以借用對實時性要求不高的業務的信道，來滿足當前的切換和呼叫請求.例如一個多媒體業務，他同時占用多個信道，當有切換請求到達時且信道已被全部占用，切換請求就可以借用多媒體業務中的一個信道，而多媒體業務丟失的數據包可以通過重傳的方式到達目標移動臺，從而不影響多媒體業務要求的QoS.

3.2 動態信道預留算法數學模型

動態信道預留算法的描述:

1)小區共有S個信道;

4)預測時間長度為t.

Markov過程狀態轉換圖如圖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過程狀態轉換圖

信道接入過程是一個隨機服務系統模型，根據隨機服務系統中的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.當系統中狀態數量為一定值(S=N)時，系統在時間t內由狀態i轉移到狀態n的概率為:

動態信道算法通過不斷調整越區切換阻塞率指標δ來適應通信流量的變化，在滿足切換接入的前提下，提高信道利用率.越區切換阻塞率指標δ調整過程為:設系統前一時間段t的實際越區切換阻塞率為Rreal，當這一阻塞率與系統要求的指標相等(Rreal=δ)，則下一時段的塞率指標不變;如果比系統要求的指標大，即Rreal＞δ，則下一時段的切換阻塞率指標需要向下按相應比例調節;如果Rreal＜δ，需要向上按相應比例調節［4］.

當有切換請求到達且信道有剩余資源時，將允許接入并減少剩余資源量;當有新呼叫請求到達時，需要根據δn對其進行準入控制分析.設此時信道占用量為SC，因此，可以根據(1)式計算出在未來時間t內，系統狀態由Sc+1轉移到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內的切換阻塞率指標超過允許范圍，應該拒絕接入，反之允許接入.

4 結語

在RoF技術的基礎上，介紹了RoF應用于高速鐵路通信系統覆蓋方案中的優勢，提出了群小區間的動態信道預留切換算法，并詳細介紹了該算法的數學模型.結果表明，采用動態信道預留算法能有效解決用戶對在高速移動環境下提高通信服務質量的要求.

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

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

［3］姚正林.CDMA網絡中實時高速流越區切換算法的研究［D］.北京:中國科學院計算技術研究所，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］.計算機工程與設計，201l，32(2):393－396.