基于LTE-R和Ad Hoc融合組網的鐵路通信方法研究

張金瑞

（鄭州中建深鐵軌道交通有限公司，鄭州 450018）

1 LTE-R網絡介紹

1.1 LTE-R網絡系統構成

LTE-R 系統是3GPP 為了適應高速鐵路的運營和業務需求而提出的一種新的移動帶寬接入標準。LTE-R 系統主要由交換中心、基站和終端3 部分組成。由于LTE-R 系統是基于分組域進行架構的，語音、安全性等數據的實時可靠傳輸都是靠各種QoS策略來保證。LTE-R 系統還可以承載傳輸視頻監控、電視電話會議等對網絡帶寬要求較高的業務，LTE-R 系統的網絡架構如圖1 所示。

圖1 LTE-R系統的網絡架構Fig.1 Network architecture of LTE-R system

1.2 LTE-R網絡系統特點

LTE-R 是3GPP 組織為了適應高速鐵路發展，它的主要技術特征有以下6 點。

1）LTE-R 系統能夠方便靈活的配置多種帶寬，包括1.25 ～20 MHz，從而保證網絡可提供百兆左右的數據傳輸能力。

2）LTE-R 系統中下行速率達到100 Mbit/s，上行速率最高為50 Mbit/s，相對應的頻譜效率上、下行分別為2.5 bit/s/Hz、5 bit/s/Hz。

3）LTE 系統全部采用全IP 組網，它的網絡結構更加趨于扁平化。

4）LTE-R 系統中有嚴格的服務質量QoS 保護機制。

5）LTE-R 系統具有低時延的特點。控制面和用戶面的最低時延分別達到100 ms、5 ms。

6）LTE-R 系統支持了多種無線接入方式，例如2G、3G、Wi-Fi 等，具有很強的互聯互通功能。

2 基于LTE-R和Ad Hoc融合組網的鐵路通信方法

2.1 Ad Hoc網絡介紹

Ad Hoc 網絡的發展已經有40 多年的歷史。Ad Hoc 網絡不需要依賴任何的網絡基礎設施，而是根據用戶的需求進行組建產生的一種無線通信網絡。具體組成是由一組移動無線節點來構成，網絡中沒有中心實體、自組織和自愈網絡，所以又稱為自組織網絡、多跳網絡等。在網絡中具體的移動節點可以是數據通信的發起者，也可以是數據通信的接收者，同時也可以起到中繼的作用，所以和一般的通信網絡相比較，Ad Hoc 網絡具有以下特點。

網絡的自組織性。Ad Hoc 網絡的自組織性是指網絡可以在任何時候任何地點構建一個自由移動、快速構建的通信網絡，而不需要現有的網絡基礎設施的支持。

動態的網絡拓撲結構。首先Ad Hoc 網絡中的移動節點可以以任意的速度和方式在網絡中移動。其次網絡中的無線發送裝置發送功率的變化和無線信道間的相互干擾因素、地形等因素的影響，都會造成節點間通過無線信道形成的網絡拓撲結構隨時隨刻發生著變化。

多跳路由。多跳的Ad Hoc 網絡中，當節點需要與其覆蓋范圍之外的節點進行通信時，需要中間的多個節點共同參與進行數據轉發。此網絡中的每個網絡節點扮演著多個角色，可以是終端、服務器、路由器等。

對等性。在Ad Hoc 網絡中，所有的節點都自帶信號收發裝置，所有節點的身份都是對等的，采用TDD 時分雙工模式。

2.2 LTE-R中基于Ad Hoc輔助式組網的優勢

LTE-R 網絡具有覆蓋范圍廣、便于認證、授權、計費等優勢。但是同時也有明顯的缺點：無線電波傳播過程中會產生衰耗和陰影遮擋，產生了通信盲區，導致進入通信盲區中的用戶無法進行通信；每個小區內的用戶只能使用整個系統中的小部分資源，不能使用其他小區中的信道資源。

Ad Hoc 網絡不需要固定的網絡結構，也不需要固定的基站或路由器來作為網絡的管理中心，所以，Ad Hoc 網絡又被稱為自治網絡，網絡中每個移動節點都具有路由功能，能發現和維護其他節點的路由信息。Ad Hoc 網絡是一種移動、多跳、自律的系統，具有分布式控制和動態拓撲的優點。但是同時具有安全性差、帶寬和能量受限的缺點。

LTE-R 和Ad Hoc 融合的鐵路通信無線覆蓋方法的優勢在于將二者融合形成一個異構網絡，將LTE-R 網絡中的移動終端作為Ad Hoc 網絡的構成節點，以此來相互通信。不僅可以平衡LTE-R 網絡中的熱點地區的網絡負載，使得資源利用更高效，同時也可以給任意位置的有任意需求的用戶提供滿足QoS 的服務。

具體優勢如下。

彌補覆蓋缺陷。在LTE-R 網絡的基礎上引入Ad Hoc 網絡通信方式，首要目的就是來彌補預設網絡的覆蓋缺陷。在現有LTE-R 網絡系統的覆蓋區域中，總會存在一定的盲區，這些盲區的類型包括兩種：第一種是高速率業務不可到達的盲區，但是同步信號、信令信號和低速率語言業務信號可以到達。第二種類型是信號絕對覆蓋不到的區域，無論何種類型的信號都不可到達。通過在LTE-R 網絡的基礎上引入Ad Hoc 網絡通信方式可以有效的彌補以上兩種覆蓋缺陷。

支持Peer-To-Peer（P2P）模式。系統支持P2P 模式有兩個優點：第一個是當LTE-R 網絡沒有基礎設施支持或基礎設施被毀壞時，仍然可以支持局部區域內的部分通信。第二個是對于一些近在咫尺的通信，可以直接通過終端間的中繼轉發來完成，從而不需要通過基站轉發而降低對基站資源的消耗。

降低功耗。當引入Ad Hoc 網絡通信方式就可以將一些通過長路徑實現的通信改為幾個短路徑來實現，并且這幾個短路徑的功率和小于一個長路徑所需要的功率。所以在移動通信系統中引入支持移動終端多跳中繼的自組織通信方式，將會有效的降低總功率損耗。

均衡網絡負載。在引入Ad Hoc 網之前的LTE-R 網絡系統中，每個蜂窩小區的話務量是不均衡的。在引入Ad Hoc 網的動態中繼后，將每個小區的流量可以通過中繼節點分流到周邊的小區，就可以有效緩解由于容量飽和造成的切換斷鏈和呼叫阻塞等情況。

提高容量。引入Ad Hoc 網之后，對于通信距離較近的終端節點，可以通過Ad Hoc 直接進行通信，不但不占用LTE-R 的資源，并且減少LTE-R系統的負擔，提高了系統的總容量。

提高移動終端的傳輸速率。在Ad Hoc 網絡中采用多跳的高速率的網絡代替一跳低速率路由，將會使得移動終端能獲得較高的速率。

此外， LTE-R 和Ad Hoc 融合的鐵路通信無線覆蓋方法，可以利用LTE-R 網的中央管理機制來提高傳統Ad Hoc 網絡的性能。

3 結論

LTE-R 網絡和Ad Hoc 網絡融合的移動通信的優勢在于將二者融合為一個異構網絡，相互之間可以進行通信，不僅平衡LTE-R 網絡中熱點地區的網絡負載、提高資源的有效利用，而且也給任意位置、任意需求的用戶提供滿足QoS 的服務。充分利用了LTE-R 網絡和Ad Hoc 網絡的優勢，融合組網之后將會比現有網絡具有更高的通信效率，在鐵路樞紐、并線區域等熱點區域滿足各種業務需求。