一種適用于高速列車的動(dòng)態(tài)建鏈通信模型

周 杰，杜玲禧，宋 晶,3，戚建淮,3

（1.深圳市永達(dá)電子信息股份有限公司，廣東 深圳 518055；2.成都市以太節(jié)點(diǎn)科技有限公司，四川 成都 610207；3.西南交通大學(xué)，四川 成都 610031）

0 引言

隨著第五代移動(dòng)通信技術(shù)[1-4]的發(fā)展，人們對(duì)通信質(zhì)量以及通信速度的要求不斷提升。高速列車與地面網(wǎng)絡(luò)之間的無線連接的通信質(zhì)量問題已成為研究的熱點(diǎn)[5]。傳統(tǒng)的列車通信方案使用固定基站，根據(jù)預(yù)設(shè)條件進(jìn)行切換。為了解決頻繁切換導(dǎo)致通話質(zhì)量下降的問題，國內(nèi)外學(xué)者均對(duì)切換技術(shù)進(jìn)行了大量研究。丁元鋒[6]提出了移動(dòng)多協(xié)議標(biāo)簽交換（Multi-Protocol Label Switching，MPLS）軟切換技術(shù)，并試驗(yàn)證明了該技術(shù)在高鐵環(huán)境下可構(gòu)建車地寬帶大通道；徐巖等人[7]提出了一種基于列車運(yùn)行方向和行駛速度的切換算法，提高了高速條件下切換成功率；尹星等人[8]提出的改進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性快速主動(dòng)切換方案（Improved Fast Proactive Handover Scheme for Network Mobility，IF-NEMO）降低了預(yù)先切換時(shí)延和信令開銷；張佳健等人[9]提出了一種位置功率聯(lián)合判決的越區(qū)切換算法；趙越等人[10]提出了基于列車移動(dòng)方向和位置的目標(biāo)基站選擇方法；陳發(fā)堂等人[11]提出了采用延遲切換的方法，來控制終端進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)切換；Ryu等人[12]提出了基于網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性的移動(dòng)IPv6快速切換方案（Mobile IPv6 fast handovers based on Network Mobility，fNEMO）；Ryu等人[13]提出了一種改進(jìn)的快速基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第6版的網(wǎng)絡(luò)切換方法（Improved Fast and Combining Proxy MIPv6 with Network Mobility，IFPNEMO），數(shù)值結(jié)果表明該方法具有良好的切換性能；Mahedi Hassan等人[14]提出了基于網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)管理協(xié)議，提高了吞吐量和視頻質(zhì)量。

上述方法都在一定程度上提高了切換的成功率與通信系統(tǒng)的可靠性，但是不能降低切換的頻率，這是因?yàn)轭l繁的切換過程會(huì)產(chǎn)生時(shí)延并造成報(bào)文丟失，影響數(shù)據(jù)的完整性，限制數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸[15]。為了解決該問題，本文基于毫米波的傳播特性，提出了一種適用于高速列車的動(dòng)態(tài)建鏈通信模型，通過旋轉(zhuǎn)讓列車端與基站保持最大限度的通信連接，減少了基站數(shù)量，降低了切換次數(shù)。

1 模型建立

建立如圖1所示的空間直角坐標(biāo)系來描述高速移動(dòng)的列車與基站間通信。其中列車剛進(jìn)入通信范圍時(shí)位置為A:(x1,y1,z1)，此時(shí)發(fā)射端俯仰角、方位角分別記為θ1，?1，基站俯仰角記為θ2，?2；列車進(jìn)入通信范圍一段時(shí)間后位置為B:(x2,y2,z2)，此時(shí)發(fā)射端俯仰角、方位角分別記為θ3，?3，基站俯仰角、方位角分別記為θ4，?4。

圖1 高速移動(dòng)列車與基站間通信

假設(shè)列車當(dāng)前位置A，時(shí)間后列車位置B，軌道是光滑的連續(xù)曲線，參數(shù)方程為：

基站位置Z:(0,0,h1)，可得，。考慮列車的形式速度v=v(t)，A點(diǎn)處的瞬時(shí)速度為vA，B點(diǎn)處的瞬時(shí)速度為vB，可得AB路徑長度：

由積分求弧長同樣可求得AB路徑長度：

聯(lián)列式（2）、式（3）可解得k，將k代入曲線方程式（2）后求得x2,y2,z2。由此得到進(jìn)入通信范圍t時(shí)刻后列車位置B:(x2,y2,z2)。

列車進(jìn)入通信范圍內(nèi)后立即向基站傳輸信號(hào)，列車端轉(zhuǎn)動(dòng)初始化時(shí)延為t2，后續(xù)機(jī)器轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)延忽略不計(jì)，通信鏈路上傳輸時(shí)延為t3，當(dāng)前通信鏈路長度為，其中c=3×108m/s，基站轉(zhuǎn)動(dòng)初始化時(shí)延為t4，后續(xù)機(jī)器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)延忽略不計(jì)。

2 角度計(jì)算

2.1 列車上設(shè)備俯仰角

由于列車端設(shè)備轉(zhuǎn)動(dòng)存在初始化時(shí)延，即在進(jìn)入通信范圍前t2時(shí)間對(duì)列車端設(shè)備進(jìn)行初始化，保障列車在剛進(jìn)入通信范圍時(shí)與基站連接成功，此時(shí)發(fā)射端俯仰角為：

列車進(jìn)入通信范圍t1時(shí)間后，此時(shí)發(fā)射端俯仰角為：

2.2 列車上設(shè)備方位角

由于在進(jìn)入通信范圍前t2時(shí)間對(duì)列車端設(shè)備進(jìn)行了初始化，所以當(dāng)列車剛進(jìn)入通信范圍時(shí)發(fā)射端方位角為：

聲明解釋為，“EN+、俄鋁和GAZ正在規(guī)劃企業(yè)管理調(diào)整，調(diào)整規(guī)劃可能給管控這些被制裁企業(yè)造成重大影響。”

列車進(jìn)入通信范圍t1時(shí)間后，此時(shí)發(fā)射端俯仰角為：

2.3 基站俯仰角

由于基站轉(zhuǎn)動(dòng)存在初始化時(shí)延，在第一次接收到列車信號(hào)的t4時(shí)間前，對(duì)基站進(jìn)行初始化，即在列車進(jìn)入通信范圍后，t3-t4時(shí)間開始初始化，t3時(shí)間基站第一次接收到列車傳來的信號(hào)，此時(shí)基站俯仰角為：

列車進(jìn)入通信范圍t1時(shí)間后發(fā)射的信號(hào)，在t1+t3時(shí)間被基站接收到，此時(shí)基站俯仰角為：

2.4 基站方位角

t3時(shí)間基站第一次接收到列車傳來的信號(hào)，此時(shí)基站俯仰角為：

在t1+t3時(shí)間接收到列車進(jìn)入通信范圍t1時(shí)間后發(fā)射的信號(hào)，此時(shí)基站俯仰角為：

3 仿 真

利用MATLAB，考慮不同軌道曲線、列車運(yùn)行速度，對(duì)列車行駛過程中的通信方向變化、列車端與基站的角度變化進(jìn)行仿真。

圖2 勻速行駛的列車與基站間通信方向變化

圖3 勻速行駛的列車與基站間通信方向變化

（2）假設(shè)列車以速度v1=28 m/s勻速行駛，基站位置分別取(0,0,3)，(0,0,20)，列車上設(shè)備俯仰角隨時(shí)間變化情況如圖4所示，方位角隨時(shí)間變化情況如圖5所示。

圖4 勻速行駛條件下列車端設(shè)備俯仰角變化

圖5 勻速行駛條件下列車端設(shè)備方位角變化

（3）假設(shè)列車以v1=28 m/s速度勻速行駛，基站俯仰角隨時(shí)間變化情況如圖6所示，方位角隨時(shí)間變化情況如圖7所示。

圖6 勻速行駛條件下基站俯仰角變化

圖7 勻速行駛條件下基站方位角變化

（4）假設(shè)列車剛進(jìn)入基站通信范圍時(shí)瞬時(shí)速度為v1=28 m/s，加速度為a1=0.2 m/s2，勻變速運(yùn)動(dòng)下列車上設(shè)備俯仰角隨時(shí)間變化情況如圖8所示，方角隨時(shí)間變化情況如圖9所示。

圖8 勻變速行駛條件下列車端設(shè)備俯仰角變化

圖9 勻變速行駛條件下列車端設(shè)備方位角變化

（5）假設(shè)列車剛進(jìn)入基站通信范圍時(shí)瞬時(shí)速度為v1=1 m/s，加速度為，勻變速運(yùn)動(dòng)下基站俯仰角隨時(shí)間變化情況如圖10所示，方位角隨時(shí)間變化情況如圖11所示。

圖10 勻變速行駛條件下基站俯仰角變化

圖11 勻變速行駛條件下基站方位角變化

通過上述仿真圖像可以看出，本文設(shè)計(jì)的模型能實(shí)時(shí)模擬不同參數(shù)下的列車端、基站端毫米波設(shè)備角度變化情況，能在毫米波設(shè)備實(shí)際搭建前通過模型進(jìn)行模擬調(diào)試設(shè)計(jì)合理的方案，為方案提供理論依據(jù)。

4 結(jié)語

當(dāng)前高速列車通信難以滿足列車控制、調(diào)度以及旅客通信的需求。為了改善上述問題，本文提出了一種適用于高速移動(dòng)列車通信的基站模型，通過控制列車端與基站的各自旋轉(zhuǎn)角度，讓列車與同個(gè)基站保持最大范圍的數(shù)據(jù)通信，減少了設(shè)備投入及切換次數(shù)，進(jìn)一步降低了由于頻繁切換帶來的不可測(cè)的時(shí)延問題，保障了數(shù)據(jù)的完整性與實(shí)時(shí)傳輸。考慮不同運(yùn)行速度、運(yùn)行軌道、基站高度的影響，利用MATLAB對(duì)通信方向、旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行了仿真。本文為高速移動(dòng)通信下的毫米波傳輸提供了新思路，提高了實(shí)時(shí)傳輸?shù)目赡苄浴?/p>