高鐵環境下LTE的切換研究

摘 要：由于LTE系統采用扁平化的網絡架構和精簡的信令流程，大大減小了用戶面的傳輸時延和控制面的時延，我們可以采用LTE技術來對高速鐵路進行專網覆蓋，提供穩定的高速寬帶傳輸系統。因此本文對高鐵環境下LTE的切換解決方案進行研究，來滿足高速鐵路環境下LTE切換的要求。

關鍵詞：高鐵；LTE；切換

中圖分類號：TP31 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2013） 08-0000-01

一、引言

隨著我國高速鐵路的迅速發展，為了滿足高鐵旅客對于數據通信和數字娛樂的通信需要，在高鐵車廂內應能夠同時支持WiFi、3G、2G等無線通信技術制式，使得我們可以使用專網覆蓋的方式，達到更好的覆蓋效果，為高鐵的旅客提供高速的數據通信服務。

二、高鐵環境的特征和對切換的影響

由于高速鐵路列車的運行速度比較高，當高速鐵路列車在350公里/小時及以上的速度運行時，在3GHz的載波頻率下，最大多普勒頻移將達到1kHz以上。更加惡劣的是多普勒頻移是時變的，尤其是當列車與基站間的距離較近時。列車運動速度的提高導致的較大時變多普勒頻移和信道的多樣性結合導致信道的動態衰落特征更加惡劣，給通信帶來了很多問題。問題主要如下有：（1）車體穿透損耗大；（2）高速帶來的頻繁切換；（3）小區重疊區難以滿足切換和重選的需求；（4）高速帶來的多普勒效應難以克服；（5）復雜的電磁環境。

三、針對高鐵問題的切換解決方案

（一）基于TD-LTE的高速鐵路寬帶無線通信系統方案

為解決高速鐵路通信的覆蓋方案，可以采用基于TD-LTE的高速鐵路寬帶無線通信系統。基于TD-LTE的高速鐵路寬帶無線通信系統是在高鐵車廂內支持多種無線通信技術制式（如2G/3G、WiFi），車廂到路邊的數據傳輸系統采用TD-LTE技術的通信系統。系統共分為車載子系統，地面子系統和核心網三個部分。采用基于TD-LTE的高速鐵路寬帶無線通信系統解決了如下問題：（1）解決了車體穿透損耗的問題。車載子系統中的車載終端的天線放置在列車車廂外頂端，與地面系統的eNodeB通信，進行數據的回傳；列車內的不同通信制式的用戶終端分別通過車載子系統的車載2G/3G微基站單元、WIFi熱點覆蓋設備接入不同的網絡，無車體損耗問題。（2）消除了頻繁群切換問題。列車內的用戶直接與列車內部的車載2G/3G微基站單元通信，不存在切換的問題，消除了很多用戶同時切換的場景，避免了信令風暴。（3）可以優化切換帶的設計。由于該系統采用了先進的TD-LTE技術，扁平化的網絡架構和精簡的信令交互流程，可以保證切換在幾百毫秒內完成，可以減少切換區域，降低了切換帶的設計難度。（4）可以提供高速率的數據服務。列車的用戶可以享受高數據速率的業務，同時，也可以開展對列車的視頻監控業務。

車載子系統主要包括：車載終端、車載信息平臺、車載2G/3G微基站單元、車載多系統合路模塊和WIFi熱點覆蓋及視頻監控設備。基于TD-LTE標準的車載終端單元直接與地面TD-LTE基站通信，負責搭建車一地間的大容量數據傳輸通道；車載信息平臺主要用來對列車進行信息管理的一個平臺；車載2G/3G基站單元實現對車廂內旅客持有的2G/3G終端的無線覆蓋，負責在旅客手持終端與TD-LTE車載臺之間搭建無線傳輸通道；WIFi熱點覆蓋設備實現對車廂內WLAN終端的無線覆蓋，為旅客提供便捷的互聯網服務。

在每列8節車廂編組的高速列車上，車頭和車尾分別安裝一個車載通信單元，一套車載信息平臺、車載多系統合路模塊和車載2G/3G基站單元。每節車廂內部署一套中繼器、視頻監控和WiFi熱點覆蓋設備。

地面子系統主要包括基站eNodeB、無線遠端單元RRU。承載基站之間通信的XZ接口的光纖設備以及承載基站eNodeB與MME/S-GW之間通信的S1接口的光纖設備。地面子系統中基站eNodeB的主要功能包括：無線資源管理方面，如無線承載的建立和釋放、連接移動性控制、無線接入控制、用戶設備（UE）上下行資源動態分配；IP頭壓縮和用戶數據流加密；用戶數據的路由和系統調度、廣播信息等。無線遠端單元RRU接收來自車載終端的業務和控制信息，通過光纖接口送入基站eNodeB，同時無線遠端單元RRU將系統的用戶數據信息和系統的調度、廣播等信息發送給車載終端設備。基站eNodeB通過Sl接口與MME/S-GW所在的核心網進行數據交互。

核心網部分在本系統中主要涉及MME/S-GW和接入控制器。MME/S-GW主要功能是上傳和下發系統的控制信息和用戶的業務信息。接入控制器的主要功能是將轉換成TD-LTE格式的2G/3G、WIFi的數據信息分離，分別接入不同的服務網絡中。

（二）擴大小區覆蓋范圍

為了減少切換的次數，可以增大小區的覆蓋范圍，來減少基站的數量，從而減少切換的次數。由于高速鐵路的鏈狀環境，不必采用全向覆蓋的方案，可以采用BBU（基帶處理單元）+RRU（射頻拉遠單元）+多幅天線的網絡覆蓋方案，屬于同一小區的多幅天線沿高速鐵路部署，從而減少切換頻率以提高網絡性能。這種方案中，同一小區內的天線下面不存在切換，通過相應的基帶處理，單小區可以跨越多個RRU覆蓋區，可以根據容量的需求，來合理規劃小區的覆蓋范圍。RRU呈帶狀分布于鐵路沿線兩邊，保持對高速鐵路的無縫覆蓋，實現與高速列車的不間斷通信。

（三）快速頻偏校正算法

由于多普勒頻移的影響，切換的信號質量會受到影響，信令的交互容易失敗，引起切換的失敗或者時延的增大。必須采用頻率校正算法，來降低頻率偏移的影響。針對高鐵環境下，可以AFC為基礎，研究快速頻偏校正算法，來克服高速環境下的多普勒頻移。

（四）快速可靠的切換算法

為了提高切換的成功率，快速可靠的切換算法也是研究的重點，針對高鐵環境的特殊性，如小區是鏈狀小區，信道資源比較豐富，速度不斷變化，提出適合高速鐵路環境的快速切換算法。

參考文獻：

[1]劉靜.LTE系統的切換與切換自優化方法的研究[D].西安電子科技大學，2009.

[2]秦夏鴻.移動通信系統中的切換技術研究[D].北京郵電大學，2010.

[3]田月.高速鐵路場景下的TD-SCDMA覆蓋方案.科技創新導報，2011（16）：26-28.

[作者簡介]黃欣榮（1981-），男，碩士，講師，工程師，研究方向：鐵道通信信號。