高速鐵路無線通信網絡的高效切換研究

姜淼

【摘要】? ? 跨區域無線通信網絡系統切換是保障高速鐵路信號暢通的關鍵技術，對列車安全、高速運行具有重要的作用。本文針對高速鐵路通信系統中跨區域切換技術進行研究，分析當前存在多徑損耗、多普勒頻移等問題和不足，進而探討提出高鐵環境下無線通信系統的切換技術優化策略。

【關鍵詞】? ? 高速鐵路? ? 網絡切換? ? 無線通信

引言

隨著我國高速鐵路的快速發展，為我國現代化交通運輸事業帶來了極大便利，帶動了沿線城市和區域經濟快速發展。由于我國高鐵時速超過300公里/時，隨之而來的是高速鐵路無線通信信號切換的問題，無法為用戶提供穩定、無縫、高速的無線信號接入，因此探尋適合高鐵場景下的無線通信接入方案已經成為亟需解決的問題。如何在高速運行的時速下，提高無線通信網絡服務的質量，成為三大運營商普遍關注的問題。

一、高速鐵路無線通信的難點問題

高速鐵路無線通信環境下，無線網絡接入存在多徑損耗、多普勒頻移、信號頻繁切換等問題，與社會公眾移動通信技術相比，高速鐵路無線通信技術更為復雜，多普勒頻移和信號的快速衰落，使得用戶終端無法長期獲得穩定的信號，導致高速列車無線通信連接速率極差，網絡切換困難時常發生。同時由于列車損耗和多徑損耗，頻繁的區域信號切換，造成車體內部形成弱信號區域，接收信號極容易產生干擾，使得通信誤碼率增加，通信質量下降。

1.1 多普勒頻移

因終端接收器快速移動產生的信號頻移稱為多普勒頻移。高鐵列車行駛發生的多普勒頻移和列車的運行速度以及基站信號方向的夾角成正比。高鐵列車在高速行駛過程中，致使無線信道環境發生變化，對無線通信系統數據傳輸的誤碼率、突發幀錯誤平均長度等造成極大影響，對終端設備提取載波頻率提高了難度。

1.2 穿透損耗

高速鐵路影響無線通信接入的另一個原因是，高速行駛的列車車廂使得信號造成穿透損耗。目前，我國高速鐵路基本采用全封閉的金屬車身，整體結構穩定、密封性極強，而且列車玻璃大多數采用單層或多層的金屬鍍膜玻璃，對信號的衰減影響很大。尤其是隨著無線通信信號頻率的增加，信號遇到高速行駛的列車衰減更多，并且由于信號射入角度較少，信號的穿透損耗越大，所承受的車體損耗也越大。因此，在通信基站的建設過程中，必須要考慮基站與鐵路的距離，最好使天線的主瓣方向入射角大于10°，才能保證信號的有效傳輸。

1.3切換技術

切換是從當前移動用戶與基站之間保持聯絡狀態，進入到下一個基站，仍然維持通信信號不中斷的過程。因為高速鐵路是一種蜂窩的網絡，根據功率約束和可用頻譜資源分配數字信道。

當高鐵列車進入到下一個區域后，用戶需要保持無線通信狀態時，無線系統必須要在兩個區域的邊界，轉移到下一個目標區域，讓用戶正常使用通信設備。如果高速行駛的列車移動速度越快，進入區域重疊的時間就會越短，對于系統處理用戶切換的延時要求也越高。

當系統切換的速度延時大于列車穿越區域重疊的時間間隔，無線信號的切換就無法自由順暢，從而造成無線通信網絡的強制中斷。

通常來說，通信切換分為硬切換和軟切換兩種方式。硬切換是用戶與新基站重新建立連接關系前，使用戶與舊基站的連接中斷，保持持續連接的狀態。軟切換的特點是“先建立、后斷開”，是指用戶從一個蜂窩移動到另一個蜂窩時不中斷連接，用戶能夠保持與多個基站的連接。

二、高速鐵路無線通信技術切換的有效策略

2.1基于地理位置的切換技術

高速鐵路通常布置的區域呈現帶狀分布，由于其行駛的路線比較固定，為切換順暢提供了可能，一些專家希望通過地理位置標注的方式，來對切換技術進行優化。當高速鐵路進入到目標基站的區域后，可按照高鐵行駛的速度來確定切換出發的條件。根據研究表明，通過對高鐵位置的精準定位，根據列車的行駛速度，當進入到某一個區域時，可自適應地觸發通信網絡。初始基站按照列車的行駛過程將預切換信息傳播到目標基站，便于目標基站進行信道分配和激活，實現網絡之間的快速切換。雖然基于地理位置的切換方式，能夠提高切換的準確度，但由于初始基站需要掌握列車的行駛速度和列車位置，增加了額外的信令開銷。如果在GPS信號接收不良的區域，列車的GPS無法提供準確的地理位置，將會嚴重影響通信切換的效果。

2.2基于車載中繼的切換技術

中繼作為目前較為常用的一種通信技術，屬于無線通信技術領域理想的技術之一，在高速鐵路列車中有極大的應用價值。在高速列車的車頂設置車載中繼站（train mobile station，TRS），利用高鐵列車中繼轉發，列車中的用戶終端可根據各車廂設置的 AP（access point，接入點）統一連接到 TRS，再根據TRS 的群移動性功能，由 TRS 替代列車中的每一個用戶設備，將基站與用戶之間建立起無線鏈路，實現基站選擇和跨區域的自由切換，有效降低列車對無線通信的信號損耗。

所以TRS中繼站具有比普通接入用戶更為強大的計算功能，可有效對多普勒頻移進行校正，增強信號接收質量，避免車廂穿透損耗，保證列車和用戶無線通信的連續性和信息傳播的有效性。

本文采取移動中繼站雙天線輔助切換方案，可有效改進硬切換造成的中斷問題。雙天線是指分別安裝在列車頭和列車尾，當列車駛入到無線通信網絡的重疊區域，觸發無線通信的切換條件，由列車頭天線開始執行切換，列車尾則繼續與服務基站連接，列車頭切換成功后，列車尾將工作頻率同步到目標基站，最后完成切換過程。如果在此過程中出現切換失敗的問題，則列車尾駛入到重疊區域后再次進行切換。通過采取雙保險的協作方式，最終完成無線通信的切換。

2.3基于雙播機制的切換技術

高速鐵路在通信頻繁切換的過程中，極容易引發通信中斷的問題。近幾年，基于雙播（bi-casting）的切換機制在高速鐵路中被應用，成為研究的另一領域。在以往LTE切換過程中，網絡和用戶終端之間依靠信道傳輸，極容易產生信號丟失。為降低信號的丟失率，信號傳輸采取數據轉發的機制，在服務基站X2接口將信號的副本轉發給目標基站，再由目標基站將信號傳輸給用戶終端。而采取雙播機制，服務網關可同時向初始基站和目標基站傳輸信號。初始基站將處理后的信號傳輸給用戶，則目標基站將信號進行丟失，直到用戶終端成功切換到目標基站即可。因此，雙播機制將縮短信號轉發的時間，降低切換中斷時間，更有利于高速鐵路的通信方式。

三、結束語

為保障高速鐵路列車在行駛過程中調度信息及用戶接收信息，對高速鐵路在跨區域過程中提出更高的切換要求。本文對高速鐵路環境特點及通信系統的影響進行分析，提出高速鐵路無線通信環境下，無線網絡接入存在多徑損耗、多普勒頻移、信號頻繁切換等問題，結合移動通信無線覆蓋技術和切換機制，從基于地理位置、安裝車載中繼、采取雙播機制等三個方面，對高速鐵路無線通信傳輸性能進行改進優化。同時隨著5G時代的到來，5G通信系統能夠實現毫秒級的響應，增強設備的連接密度，未來高速鐵路無線通信技術信號一定能夠實現快速切換或無縫切換，進一步提升高速鐵路的安全性及乘坐舒適性。

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