專利名稱：一種gsm-r網絡中雙天線越區切換系統及其方法
技術領域：
本發明涉及通信技術領域，具體地，涉及ー種GSM-R網絡中雙天線越區切換系統及其方法。
背景技術：
由于高速鐵路關系到人民的生命和財產安全，隨著高速鉄路的快速發展以及高速鉄路移動通信系統的推廣應用，針對高速鉄路系統的安全性的研究是高速鉄路研究領域內的ー個重點課題。而作為整個高速鉄路信息化系統中的無線通信系統GSM-R，由于其無線傳輸的不確定性，GSM-R系統的安全性能引起了眾多研究者的興趣。GSM-R系統中的越區切換是指從當前正在進行的通話或者數據傳輸信道轉移到新·的信道上的過程。在高速鐵路系統中，越區切換是GSM-R移動性管理中的關鍵技術，它是保障高速列車車地不間斷通信的基礎。越區切換算法的研究是GSM-R優化中的ー個重要內容。根據統計資料表明，由越區切換引起的掉話占整個系統掉話的40%左右。因此對越區切換性能的改進具有重要的意義。目前，國內外已經有學者致カ于GSM-R越區切換技術的研究，并對切換算法及過程提出了很多優化方案。在這些研究工作中都利用了 GSM-R網絡中的ー些特性來進行越區切換算法的優化設計。李曄在其博士論文“GSM-R系統時間分布模型及切換決策算法研究”中利用GSM-R網絡中列車運行方向的唯一性，提出了一種帶隨機方向鎖定的切換決策算法。此算法鼓勵切換決策朝向列車運行的方向，并采用遺傳算法對ー種基于公網的自適應切換決策算法的參數進行優化，使其適用于GSM-R系統，其中被優化的參數對列車速度敏感。吳昊等在“ー種應用于高速鉄路的GSM-R快速切換算法研究” 一文中提出了一種基于切換點統計學習的適用于高速鐵路環境的新型快速切換算法，提高了高速環境下MSC間越區切換的成功概率。但是，該算法的前提條件十分苛刻，如列車須安裝GPS系統，需要對列車進行切換的地點進行大量的測量統計并要求進行定期更新。另外，現有技術中還有不少工作基于目標小區指定法以及專家系統或者模糊系統等方法來改善GSM-R系統中越區切換的性能。然而，現有的針對GMS-R網絡中越區切換的研究工作都考慮了 GSM-R網絡的特殊性，如運行方向的唯一性、運行軌跡的固定性、運行高速性以及網絡覆蓋的特殊性等，實現的都是硬切換，也就是都存在越區切換中斷問題。而隨著高速鉄路速度的不斷提升，對通信系統的要求更加苛刻，而在越區切換造成的通信中斷時間內，列車運行的距離不斷變長，因此越區切換過程中存在的通信中斷問題是高速鉄路中ー個重要的安全隱患。現有技術僅僅通過對GSM-R運行環境如運行方向的唯一性、運行軌跡的固定性、運行高速性以及網絡覆蓋的特殊性等的充分利用來進行越區切換性能的改善，并沒有利用作為移動通信節點的列車本身的特點，如列車長度較普通通信節點大得多。如何充分利用這個特點來實現接收信號的空間分集特性，并引入雙天線來實現軟切換，以減少越區切換中斷時間來提高GSM-R系統的安全性，將是ー個重要的課題。
發明內容
有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種GSM-R網絡中雙天線越區切換系統及其方法，其通過信道調整和首尾天線協同配合，有效的實現了GSM-R網絡無縫越區切換。為實現上述目的，本發明提供了一種GSM-R網絡中雙天線越區切換系統，其包括首天線，其上設置有用戶識別碼；尾天線，其上設置有用戶識別碼；控制器，其用于控制所示首天線、尾天線的接收信號、發送信號以及進行功能的切換，·其中，所述GSM-R網絡采用全業務信道和混合信道兩種信道；所述全業務信道僅負責傳輸數據，其上不包括SACCH信道；所述混合信道同時具有傳輸數據和切換的功能，所述混合信道中SACCH信道數量大于I。如上述的GSM-R網絡中雙天線越區切換方法，其中，所述首天線的用戶識別碼和尾天線的用戶識別碼相互關聯。如上述的GSM-R網絡中雙天線越區切換方法，其中，所述全業務信道和混合信道均采用26幀的復幀結構。如上述的GSM-R網絡中雙天線越區切換方法,其中，所述GSM-R網絡控制中心的訪問位置寄存器VLR用于通過所述首天線的用戶識別碼和尾天線的用戶識別碼辨識出所述首天線和尾天線。同時，本發明還提供一種如上述的GSM-R網絡中雙天線越區切換系統的切換方法，其包括以下步驟所述首天線接入混合信道，負責傳輸測量報告，而其業務信道暫時空閑；所述尾天線接入全業務信道，負責傳輸數據信息；當列車行駛進入兩個小區交界區域時，所述首天線發送的測量報告將在基站側觸發切換過程，所述首天線進行信道切換；在激活信道的過程中，基站將在新小區準備2個全業務信道和I個混合信道；所述首天線釋放與原小區連接的混合信道，接入新小區的全業務信道；同時，所述尾天線仍處于原小區內，并保持通信；當所述首天線完成切換后，基站收到所述首天線的切換和釋放完成信令，開始所述尾天線的信道切換；所述尾天線直接接入新小區的混合信道，釋放原小區的全業務信道；這段時間內由所述首天線負責傳輸數據業務；接入新小區后，所述尾天線所在的混合信道向基站發送測量報告，基站判斷接收電平和功率適于進行通信后，再一次觸發所述尾天線切換信道，使其切換到全業務信道；所述尾天線接入全業務信道后，基站將所述首天線調整到混合信道上，使得所述尾天線恢復傳輸數據信息的功能，所述首天線重新負責發送測量報告，列車至此完成一個周期的雙天線切換。如上述的GSM-R網絡中雙天線越區切換系統的切換方法，其中，在所述尾天線的切換過程中，所述尾天線不需進行測量過程和觸發過程，且其轉向的信道被提前激活。相對于現有技術，本發明的GSM-R網絡中雙天線越區切換方法具有以下有益的技術效果(I)本發明的GSM-R網絡雙天線越區切換算法中，對首天線的切換，由于測量報告發送更頻繁，預處理時間縮減，故其切換判決準確性提高，有效減少了乒乓切換次數，同時切換過程較單天線切換而言時延減少約2秒，且接入新小區后可立即用于通信；對尾天線的切換，由于無需進行測量過程和觸發過程，且信道被提前激活，所以其切換非常迅速，只需I秒左右即可完成。根據列車長度和行駛速度可以估計，首尾天線到達切換位置的時間差約2秒，結合上述結論可以看出，利用本發明的切換算法可以保證在首尾天線切換過程中，保證有一個天線可以用于通信，這樣就實現了無縫切換；在首尾天線接入新小區后，由于尾天線仍處于小區邊界處，通信質量較差，故在接入混合信道后可以發送測量報告，由基站判斷其接收電平和功率是否適于進行通信。一旦判決條件成立，觸發新一輪切換。這一 過程保證了首尾天線連接信道的復位，且仍舊保證有一個天線用于切換。(2)由于整個越區切換過程包含兩種測量報告，一個是首天線發送的，另一個是尾天線發送的，基站可以根據首尾天線的用戶識別碼辨識兩種測量報告的判決條件，從而執行不同的切換。對于首天線發送的測量報告，基站將判決是否觸發從原小區到新小區的切換；對于尾天線則判決是否由混合信道切換到全業務信道。(3)雙天線越區切換過程中，信令更為繁瑣，基站需進行更多的判斷，同時新小區需為雙天線準備3個空閑信道以保證切換的順利進行，這些因素都會在一定程度上增加切換時延。但是，從無縫切換的角度來講，雙天線切換算法可大大提升高速環境下的通信質量。(4)相比傳統的單天線切換算法，雙大線切換算法調整邏輯信道后，發送測量報告的時間縮短，發送頻率高；單天線切換過程屬于硬切換，而雙天線實現了 GSM-R網絡的無縫切換。
圖I是本發明的GSM-R網絡中雙天線越區切換系統的結構示意圖；圖2是現有技術中GSM-R網絡單天線越區切換系統中業務信道復幀結構示意圖；圖3是本發明的GSM-R網絡中雙天線越區切換系統中全業務信道復幀結構示意圖；圖4是本發明的GSM-R網絡中雙天線越區切換系統中混合業務信道復幀結構示意圖；圖5是本發明的雙天線切換過程-I的示意圖；圖6是本發明的雙天線切換過程-2的示意圖；圖7是本發明的雙天線切換過程-3的示意圖；圖8是本發明的雙天線切換過程-4的示意圖；圖9是本發明的雙天線切換過程-5的示意圖。
具體實施例方式以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特征和效果。
如圖I所示，本發明的GSM-R網絡中雙天線越區切換系統由位于車首的首天線101、位于車尾的尾天線102和兩根天線的控制器103組成，其中，首天線101和尾天線102分別設置有不同的用戶識別碼以進行區分，控制器103用來控制兩根天線接收信號、發送信號以及進行功能的切換。具體地，控制器103根據接收到的信號強度判斷所處的位置，在不同的位置處，首尾天線采用不同的復幀信道模型，協同實現越區切換過程。在傳統的單天線切換過程中，業務信道不僅用于傳輸數據信息，還有特定的SACCH信道負責發送測量報告，在切換執行過程中，快速隨路控制信道FACCH(Fast AssociatedControl Channel)會被安插在業務信道上傳輸必要的信令。如圖2所示，其中T表示業務信道，A 表不慢速隨路控制信道 SACCH(Slow Associated Control Channel), I 表不 IDLE 狀態。當GSM-R使用約120ms的26幀的復幀結構時，在26幀的復幀中，除了第13幀為SACCH信道，負責發送測量報告，其余幀均負責傳輸數據。由于完整處理一份測量報告需要4個SACCH幀，因此需要480ms才能生成一份完整的測量報告。另外，在單天線越區切換過程中，業務信道既負責通信也負責切換，從而導致判決處理時間較長以及切換過程中業務通信短暫中斷。在本發明的GSM-R網絡中雙天線越區切換系統中，將原有的業務信道進行結構調·整，把傳輸數據信息和切換兩種功能在信道層面上加以區分，得到兩種不同類型的業務信道，即全業務信道和混合信道。如圖3所示，全業務信道僅負責傳輸數據，第13幀的SACCH信道被調整為業務信道。如圖4所示，混合信道同時具有傳輸數據和切換的功能，其中，SACCH信道數量有所增加，發送測量報告的頻率也有所提高。根據傳統切換算法，這樣的調整可以有效減少觸發切換中的預處理時間。在雙天線越區切換方法中，由于天線數量和信道種類的增加，切換流程也更加復雜。雙天線須在兩種信道間靈活切換，保證通信得以順利進行。參見圖5到圖9，GSM-R網絡中雙天線越區切換的具體實現流程如下為保證切換過程的進行，首尾天線的用戶識別碼(MSI)應具有關聯，即在接入GSM-R網絡時，網絡控制中心的訪問位置寄存器VLR在鑒權過程中可辨識出首尾天線，這樣在切換過程中，基站收發器(BTS)、基站控制中心(BSC)、移動交換中心(MSC)可以按照雙天線切換的規范和協議與移動臺(MS)進行信令交互，保證切換的執行。假定首天線的用戶識別碼為101，尾天線為102，列車行駛在小區覆蓋范圍內時，如圖5所示，首天線101接入混合信道111，負責傳輸測量報告，而其業務信道暫時空閑；而尾天線2接入全業務信道112，負責傳輸數據信息。當列車行駛進入兩個小區交界區域時，如圖6所示，，首天線101發送的測量報告將在基站側觸發切換過程，這樣首天線101將率先進行切換，其過程與傳統單天線切換基本相同，但是在激活信道的過程中，基站將在新小區準備2個全業務信道112和I個混合信道111。首天線101將釋放與原小區連接的混合信道111，接入新小區的全業務信道112。與此同時，尾天線102仍處于原小區內，故保持通信。當首天線101切換完成后，基站收到首天線101的切換和釋放完成信令，繼而開始尾天線102的切換，如圖7所示。尾天線102直接接入新小區的混合信道111，釋放原小區的全業務信道112。由于首天線101在新小區接入全業務信道112，這段時間內由首天線101負責傳輸數據業務。在切換過程中，由于尾天線102不需進行測量過程和觸發過程，且其轉向的信道被提前激活，故完成切換十分迅速。如圖8所示，考慮到接入新小區后，尾天線接收到的電平和功率不足以 進行通信，所以尾天線102所在的混合信道111向基站發送測量報告，基站判斷接收電平和功率適于進行通信后，再一次觸發尾天線102的切換，使其切換到全業務信道112。由于激活信道時新小區準備好一個多余的全業務信道112，所以尾天線102在這一次切換時直接接入全業務信道112，空出了原來占據的混合信道111。尾天線102接入完成后，基站將首天線101調整到混合信道111上，這樣尾天線102恢復了傳輸數據信息的功能，首天線101也重新負責發送測量報告，列車至此完成一個周期的雙天線切換，如圖9所
/Jn o以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。
權利要求
1.一種GSM-R網絡中雙天線越區切換系統，其特征在于，包括 首天線，其上設置有用戶識別碼； 尾天線，其上設置有用戶識別碼； 控制器，其用于控制所示首天線、尾天線的接收信號、發送信號以及進行功能的切換， 其中，所述GSM-R網絡采用全業務信道和混合信道兩種信道； 所述全業務信道僅負責傳輸數據，其上不包括SACCH信道；所述混合信道同時具有傳輸數據和切換的功能，所述混合信道中SACCH信道數量大于I。
2.如權利要求I所述的GSM-R網絡中雙天線越區切換方法，其特征在于，所述首天線的用戶識別碼和尾天線的用戶識別碼相互關聯。
3.如權利要求I所述的GSM-R網絡中雙天線越區切換方法，其特征在于，所述全業務信道和混合信道均采用26幀的復幀結構。
4.如權利要求I所述的GSM-R網絡中雙天線越區切換方法，其特征在于，所述GSM-R網絡控制中心的訪問位置寄存器VLR用于通過所述首天線的用戶識別碼和尾天線的用戶識別碼辨識出所述首天線和尾天線。
5.一種如權利要求1-4之一所述的GSM-R網絡中雙天線越區切換系統的切換方法，其特征在于，包括以下步驟 所述首天線接入混合信道，負責傳輸測量報告，而其業務信道暫時空閑；所述尾天線接入全業務信道，負責傳輸數據信息； 當列車行駛進入兩個小區交界區域時，所述首天線發送的測量報告將在基站側觸發切換過程，所述首天線進行信道切換；在激活信道的過程中，基站將在新小區準備2個全業務信道和I個混合信道；所述首天線釋放與原小區連接的混合信道，接入新小區的全業務信道；同時，所述尾天線仍處于原小區內，并保持通信； 當所述首天線完成切換后，基站收到所述首天線的切換和釋放完成信令，開始所述尾天線的信道切換；所述尾天線直接接入新小區的混合信道，釋放原小區的全業務信道；這段時間內由所述首天線負責傳輸數據業務； 接入新小區后，所述尾天線所在的混合信道向基站發送測量報告，基站判斷接收電平和功率適于進行通信后，再一次觸發所述尾天線切換信道，使其切換到全業務信道； 所述尾天線接入全業務信道后，基站將所述首天線調整到混合信道上，使得所述尾天線恢復傳輸數據信息的功能，所述首天線重新負責發送測量報告，列車至此完成一個周期的雙天線切換。
6.如權利要求I所述的GSM-R網絡中雙天線越區切換系統的切換方法，其特征在于，在所述尾天線的切換過程中，所述尾天線不需進行測量過程和觸發過程，且其轉向的信道被提前激活。
全文摘要
本發明公開了一種GSM-R網絡中雙天線越區切換系統及其方法，該系統包括首天線，其上設置有用戶識別碼；尾天線，其上設置有用戶識別碼；控制器，其用于控制所示首天線、尾天線的接收信號、發送信號以及進行功能的切換。本發明的GSM-R網絡中雙天線越區切換系統及其方法通過信道調整、首尾天線協同配合，實現GSM-R網絡無縫越區切換，并大大提升高速環境下的通信質量，且相對于單天線切換過程，發送測量報告的時間縮短，發送頻率高。
文檔編號H04W36/08GK102711199SQ20121011120
公開日2012年10月3日 申請日期2012年4月16日 優先權日2012年4月16日
發明者傅一搏, 唐雄輝, 杜鵬遠, 龍承念 申請人:上海交通大學