丁叁叁，姜付杰，欒 瑾，王曉紅，張 藝

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266000)

0 引言

高速磁懸浮列車通過磁力克服重力，在運(yùn)行過程中不與地面直接接觸，列車受到的阻力僅有空氣阻力，因此磁懸浮列車在運(yùn)行速度方面有著不可比擬的優(yōu)越性。但是隨著運(yùn)行速度的提高，多普勒效應(yīng)越發(fā)嚴(yán)重，導(dǎo)致信號(hào)傳輸?shù)恼`碼率增大，因此磁懸浮車地通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨巨大挑戰(zhàn)。

當(dāng)磁懸浮列車高速運(yùn)行時(shí)，磁懸浮車地通信系統(tǒng)的分區(qū)運(yùn)行系統(tǒng)需要頻繁切換，對切換成功率和時(shí)延提出極高要求。若切換失敗或者切換時(shí)間過長，將會(huì)嚴(yán)重影響磁懸浮列車的安全可靠運(yùn)行。國內(nèi)外對磁懸浮的技術(shù)的研究主要集中在懸浮、牽引力以及列車控制領(lǐng)域[1-3]，對車地通信的研究相對較少。針對越區(qū)切換的研究也主要集中在GSM-R，LTE-R和蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域[4-9]。在傳統(tǒng)的移動(dòng)通信系統(tǒng)中最典型的切換技術(shù)就是硬切換。文獻(xiàn)[10]提出基于信噪比、基站帶寬和用戶設(shè)備發(fā)射功率的模糊邏輯算法進(jìn)行切換判決，但沒有考慮乒乓切換帶來的影響。文獻(xiàn)[11]通過迭代方式建立切換模型，分析了GSM協(xié)議在特定場景下的狀態(tài)可達(dá)性，但模型沒有進(jìn)一步研究切換的可靠性。這些研究雖然一定程度上提高了切換成功概率，但是在切換過程中依舊有短暫的通信中斷，影響列車運(yùn)輸管理業(yè)務(wù)安全可靠的傳輸。

對于列車運(yùn)輸管理業(yè)務(wù)也有極高可靠性要求的高速磁懸浮列車，需要采用具有“先切換、后斷開”特點(diǎn)的軟切換技術(shù)。文獻(xiàn)[12]提出通過節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向的改變來預(yù)測接收信號(hào)的強(qiáng)度，從而提高系統(tǒng)吞吐量。文獻(xiàn)[13]提出基于節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度來觸發(fā)切換的算法縮短切換時(shí)延。文獻(xiàn)[14]通過優(yōu)化切換門限值的方法提高切換成功概率。當(dāng)門限值設(shè)置太高會(huì)增加觸發(fā)難度，設(shè)置較低則會(huì)產(chǎn)生誤差。但僅通過設(shè)置合理的切換門限值并不能完全保證高速移動(dòng)環(huán)境下磁懸浮列車消息傳輸?shù)目煽啃?，還需要針對高速磁懸浮列車的實(shí)際應(yīng)用場景對軟切換機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本文研究了高速磁懸浮場景下MAC層控制的無線網(wǎng)絡(luò)軟切換技術(shù)，介紹了高速磁懸浮車地通信系統(tǒng)，為滿足高可靠的磁浮列車運(yùn)輸管理業(yè)務(wù)傳輸要求，設(shè)計(jì)了合理的幀結(jié)構(gòu)，建立了基于列車速度和位置的軟切換模型，避免乒乓效應(yīng)，并對兩基站重疊覆蓋區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃。

1 車地通信系統(tǒng)

磁懸浮最高運(yùn)行速度能達(dá)到600 km/h，而普通高速鐵路運(yùn)行速度一般只能達(dá)到350 km/h。列車的高速運(yùn)行帶來信道快衰落，所以相較于普通高速鐵路，磁懸浮列車消息傳輸?shù)恼`碼率更高。為降低信號(hào)在傳輸過程中的損耗，降低誤碼率，將使用泄露電纜替代傳統(tǒng)的鐵塔天線與列車進(jìn)行通信。

本文設(shè)計(jì)的高速磁浮車地通信系統(tǒng)是基于本實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的無線多跳自組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)研制，主要有兩大部分組成，一是地面設(shè)備，二是車載設(shè)備。地面設(shè)備主要包括核心網(wǎng)設(shè)備、分區(qū)控制設(shè)備、地面通信設(shè)備(地面基站、泄漏電纜)。系統(tǒng)方案示意如圖1所示。

圖1 高速磁浮車地通信系統(tǒng)方案Fig.1 High speed maglev ground communication system scheme

圖中核心網(wǎng)設(shè)備對應(yīng)多個(gè)調(diào)度分區(qū)(分區(qū)1，分區(qū)2)，一個(gè)分區(qū)控制設(shè)備連接多個(gè)地面通信設(shè)備，即管理多個(gè)小區(qū)。每個(gè)小區(qū)配備地面通信設(shè)備，且采用A，B網(wǎng)冗余部署方式，地面通信設(shè)備連接在光環(huán)網(wǎng)上，通過交換機(jī)與分區(qū)控制設(shè)備相連。分區(qū)控制設(shè)備則通過以太網(wǎng)與核心網(wǎng)設(shè)備相連。磁懸浮列車的越區(qū)切換主要分為分區(qū)內(nèi)切換和跨分區(qū)切換兩種。當(dāng)磁懸浮列車進(jìn)行分區(qū)內(nèi)切換時(shí)，當(dāng)前分區(qū)控制設(shè)備與地面通信設(shè)備(即基站)以及地面通信設(shè)備與車載通信設(shè)備需要進(jìn)行信令交互。當(dāng)磁懸浮列車進(jìn)行跨分區(qū)切換時(shí)，除了分區(qū)內(nèi)進(jìn)行的信令交互外，還有核心網(wǎng)與分區(qū)控制設(shè)備之間的信令交互。在越區(qū)切換時(shí)，核心網(wǎng)或者分區(qū)控制器為當(dāng)前基站以及相鄰基站進(jìn)行資源分配。

高速磁懸浮列車車地通信系統(tǒng)采用時(shí)分雙工(TDD)的通信方式，所以整個(gè)系統(tǒng)必須保證嚴(yán)格的時(shí)間同步。MAC層的機(jī)制設(shè)計(jì)是基于幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，列車與基站之間的交互是通過信令的交互完成。本文設(shè)計(jì)的幀結(jié)構(gòu)不僅要實(shí)現(xiàn)切換高可靠，還要考慮在兩個(gè)基站的重疊區(qū)內(nèi)資源雙備份，系統(tǒng)是否可以承受。因此本文設(shè)計(jì)的機(jī)制既要在流程上縮短切換時(shí)間、提高切換成功概率，同時(shí)也應(yīng)盡可能地避免切換重疊區(qū)過長。

2 軟切換機(jī)制設(shè)計(jì)

磁懸浮車地通信網(wǎng)絡(luò)以鏈?zhǔn)叫问礁采w，兩基站信號(hào)重復(fù)覆蓋的范圍為重疊區(qū)，如圖2所示，將重疊區(qū)AB分為AC和CB兩段，其中C為AB的中點(diǎn)。

圖2 兩基站信號(hào)覆蓋的重疊區(qū)Fig.2 Overlapping area of signal coverage of two BSs

LTE-R通信系統(tǒng)中規(guī)定了測量的報(bào)告觸發(fā)機(jī)制，文獻(xiàn)[15]觸發(fā)切換是基于A3事件進(jìn)行的。A3事件是指在遲滯時(shí)間內(nèi)，終端接收目標(biāo)基站信號(hào)強(qiáng)度比接收源基站信號(hào)強(qiáng)度高出遲滯余量，認(rèn)為滿足觸發(fā)切換要求。在AC段內(nèi)，因?yàn)榱熊嚲嚯x小區(qū)A基站相對較近，接收到的源基站信號(hào)強(qiáng)度優(yōu)于目標(biāo)基站，切換至目標(biāo)基站后乒乓切換觸發(fā)概率相應(yīng)較高。遲滯余量較大時(shí)，觸發(fā)切換的難度增加，同時(shí)也會(huì)造成終端離開重疊帶時(shí)還未切換至目標(biāo)基站。

以源基站位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，遲滯余量與位置的關(guān)系為：

hys(x)=f(x)hys,

(1)

式中，x為列車所在的位置，hys為遲滯余量，f(x)是以列車位置x為自變量的預(yù)設(shè)遲滯余量調(diào)整函數(shù)。

在遲滯時(shí)間內(nèi)，當(dāng)前信號(hào)強(qiáng)度小于相鄰小區(qū)信號(hào)強(qiáng)度時(shí)，則啟動(dòng)切換觸發(fā)。則列車行駛至x位置時(shí)，滿足觸發(fā)切換判決的概率為：

P(x)=P[R(j,x)-R(i,x)>hys(x)],

(2)

其中,R(j,x)為相鄰小區(qū)信號(hào)強(qiáng)度，R(i,x)為當(dāng)前小區(qū)信號(hào)強(qiáng)度。

通常把切換過程中列車信號(hào)不中斷定義為切換成功，則傳統(tǒng)切換成功概率為:

Psucess=Px(i,j)·(1-Pout(i,j)),

(3)

式中,Pout(i,j)為信號(hào)中斷概率。

這種切換方式通過對空口發(fā)射功率閾值的檢測來進(jìn)行切換，沒有考慮重疊區(qū)長度與資源雙備份時(shí)資源是否夠用的情況，也沒有考慮信號(hào)強(qiáng)度在兩個(gè)基站覆蓋重疊區(qū)劇烈變化的情況下如何進(jìn)一步提高切換成功概率。下面從MAC層控制角度出發(fā)，設(shè)計(jì)MAC層幀結(jié)構(gòu)以及具有高切換成功概率的軟切換機(jī)制。

2.1 幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

磁懸浮車地通信采用時(shí)分雙工(TDD)的通信方式，在切換的過程中實(shí)現(xiàn)軟切換，盡量減少資源調(diào)度造成的時(shí)延。所設(shè)計(jì)的幀結(jié)構(gòu)應(yīng)對兩個(gè)地面通信設(shè)備發(fā)送、車載接收以及數(shù)據(jù)重傳的時(shí)隙進(jìn)行預(yù)先分配，列車會(huì)在預(yù)先分配的不同時(shí)隙里分別接收兩個(gè)基站的消息。若有剩余的時(shí)隙可根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行冗余傳輸提高可靠性和實(shí)時(shí)性或進(jìn)行其他業(yè)務(wù)需求的調(diào)度，幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。每一幀由時(shí)隙組成，一個(gè)幀由控制子幀和數(shù)據(jù)子幀組成，其中控制子幀用來實(shí)現(xiàn)列車與基站間的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、信息同步和資源調(diào)度，包括NENT(Network Entry)和NCFG(Network Configuration)消息。每幀的第1個(gè)控制時(shí)隙為NENT消息，第2個(gè)和第3個(gè)控制時(shí)隙為基站發(fā)送的NCFG消息，第4個(gè)控制時(shí)隙為列車發(fā)送的NCFG消息，第5個(gè)控制時(shí)隙為列車重傳的NCFG消息。NENT消息為網(wǎng)絡(luò)接入消息，為新節(jié)點(diǎn)提供網(wǎng)絡(luò)接入；NCFG消息為網(wǎng)絡(luò)配置消息，告知鄰近節(jié)點(diǎn)本節(jié)點(diǎn)所在網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)信息。數(shù)據(jù)子幀根據(jù)每種業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)傳輸速率以及傳輸周期等指標(biāo)，合理地為其分配短數(shù)據(jù)時(shí)隙或者長數(shù)據(jù)時(shí)隙。

圖3 幀結(jié)構(gòu)Fig.3 Frame structure

2.2 軟切換機(jī)制設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的軟切換算法不同于傳統(tǒng)的A3事件判決算法，與A3算法的區(qū)別在于其切換判決不依附于信號(hào)強(qiáng)度，而是通過磁懸浮列車運(yùn)行過程中每隔5 ms傳輸列車定位業(yè)務(wù)(PRW)提供列車所在位置的地理信息、運(yùn)行速度及運(yùn)行方向來進(jìn)行切換判決，從而避免乒乓效應(yīng)。下面將分別對分區(qū)內(nèi)切換和跨分區(qū)切換進(jìn)行闡述。

分區(qū)內(nèi)切換是指列車在當(dāng)前分區(qū)內(nèi)進(jìn)行的越區(qū)切換，切換過程中只需要分區(qū)控制器與地面通信設(shè)備(基站)和列車與地面通信設(shè)備進(jìn)行信令交互，為相鄰目標(biāo)基站下發(fā)業(yè)務(wù)資源。

分區(qū)內(nèi)切換流程如下：

① 在列車運(yùn)行過程中，通過PRW業(yè)務(wù)提供的列車地理位置信息周期性判斷運(yùn)行距離是否滿足切換閾值。

② 當(dāng)滿足切換閾值時(shí)，基站向分區(qū)控制器申請向相鄰基站發(fā)下業(yè)務(wù)資源。

③ 若不滿足切換閾值，則繼續(xù)掃描信道。當(dāng)列車收到相鄰基站的NCFG消息時(shí)，執(zhí)行步驟④。當(dāng)相鄰基站收到列車發(fā)送的NENT時(shí)，執(zhí)行步驟⑤。

④ 當(dāng)列車收到相鄰基站NCFG消息時(shí)，此時(shí)本列車需要執(zhí)行越區(qū)切換，但地面通信設(shè)備并不知道，因此列車需要發(fā)送NCFG消息告知地面通信設(shè)備，為相鄰基站下發(fā)業(yè)務(wù)資源。

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⑤ 當(dāng)相鄰基站收到列車的NENT消息時(shí)，知道有列車已經(jīng)進(jìn)入本基站的覆蓋范圍，因此向分區(qū)控制器請求為其下發(fā)業(yè)務(wù)資源。

⑥ 相鄰基站會(huì)按照預(yù)先分配好的與當(dāng)前基站不相同的其他時(shí)隙向列車發(fā)送數(shù)據(jù)資源。列車和相鄰基站建立好通信連接，分區(qū)內(nèi)切換完成。

跨分區(qū)切換是指列車處于兩個(gè)分區(qū)控制器的交界處，切換過程除了需要分區(qū)控制器與地面通信設(shè)備(基站)和列車與地面通信設(shè)備之間的信令交互，還需要分區(qū)控制器與核心網(wǎng)進(jìn)行信令交互。

由于跨分區(qū)通信需要經(jīng)過核心網(wǎng)，時(shí)延較長，并且每個(gè)分區(qū)控制器管轄的地面通信設(shè)備個(gè)數(shù)已知，因此當(dāng)列車駛?cè)氘?dāng)前分區(qū)的最后一個(gè)基站時(shí)，即進(jìn)入跨分區(qū)切換狀態(tài)，核心網(wǎng)為相鄰分區(qū)控制器下發(fā)控制信令，相鄰分區(qū)控制器再向相鄰目標(biāo)基站下發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)資源。相鄰基站會(huì)按照預(yù)先分配好的與當(dāng)前基站不相同的其他時(shí)隙向列車下發(fā)數(shù)據(jù)資源。列車和相鄰基站建立好通信連接，跨分區(qū)切換完成。

3 性能分析

3.1 切換成功概率

定義切換成功概率為地面基站與列車都能收到相互發(fā)送的NCFG消息，設(shè)NCFG消息丟包率為pNCFG，則經(jīng)過n次交互才切換成功的概率為：

(4)

因此總的切換成功概率為：

(5)

其中，n值與切換重疊區(qū)長度有關(guān)，假設(shè)列車在切換重疊區(qū)中能夠運(yùn)行N個(gè)調(diào)度周期。

(6)

式中，ΔL為重疊區(qū)長度，TP為一個(gè)調(diào)度周期時(shí)間。

pNCFG=1-(1-BER)N。

(7)

通過Matlab仿真，得到誤碼率與切換成功概率的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 誤碼率與切換成功概率的關(guān)系Fig.4 Relationship of BER and handover success probability

從圖4可以看出，當(dāng)誤碼率高于10-3時(shí)，文獻(xiàn)[9]基于A3算法與文獻(xiàn)[12]提出的優(yōu)化切換門限算法切換成功概率驟降。而本文提出的基于地理位置信息的切換機(jī)制，切換成功概率隨著誤碼率的增大下降幅度依舊很平滑。從圖4可以看出，本文提出的軟切換機(jī)制的成功概率在誤碼率較大時(shí)得到了提高。

3.2 切換重疊區(qū)距離設(shè)置

列車切換過程中，不僅要與基站進(jìn)行信令交互，在分區(qū)內(nèi)切換時(shí)基站還需要與分區(qū)控制器進(jìn)行交互，在跨分區(qū)切換時(shí)，分區(qū)控制器還需要與核心網(wǎng)進(jìn)行信令交互。因此切換總時(shí)間是由列車與基站的信令交互時(shí)間和基站向分區(qū)控制器、分區(qū)控制器向核心網(wǎng)請求的信令上報(bào)時(shí)間兩部分組成。

T總=Texc+Trep，

(8)

式中，Texc為信令交互時(shí)間，Trep為信令上報(bào)時(shí)間。

設(shè)列車運(yùn)行速度為v，預(yù)留10%的切換重疊區(qū)余量，切換距離為D，切換重疊區(qū)距離C=2D。

C=2*v*T總(1+10%)。

(9)

設(shè)在重疊區(qū)內(nèi)第i次信令交互成功，則信令交互時(shí)延為：

ti=i·Tp，

(10)

式中，TP為一個(gè)調(diào)度周期時(shí)間。信令交互時(shí)間為ti的均值，即

(11)

因此得出切換重疊區(qū)C為：

(12)

切換重疊區(qū)與列車運(yùn)行速度的關(guān)系如圖5所示。

圖5 切換重疊區(qū)與列車運(yùn)行速度的關(guān)系Fig.5 Relationship between overlapping area and maglev speed

從圖5可以看出，隨著磁懸浮列車的運(yùn)行速度增大，基站重疊區(qū)距離逐漸增大。當(dāng)最高時(shí)速在600 km/h時(shí)，完成切換所需要的距離為132 m，重疊覆蓋距離應(yīng)設(shè)為264 m。由于資源在重疊區(qū)雙備份，適當(dāng)犧牲了系統(tǒng)資源，與文獻(xiàn)[9]給出的A3算法和文獻(xiàn)[12]提出的優(yōu)化切換門限算法相比重疊覆蓋區(qū)距離適當(dāng)增大，但保證了列車運(yùn)輸管理業(yè)務(wù)安全可靠傳輸。

4 結(jié)束語

越區(qū)切換的可靠性對磁懸浮車地通信系統(tǒng)安全高效運(yùn)行具有重要意義。本文針對具有高可靠性要求的列車運(yùn)輸管理業(yè)務(wù)，提出了基于地理位置信息的軟切換方案，可避免乒乓切換。通過仿真，得出在列車運(yùn)行速度為600 km/h時(shí)，在切換重疊區(qū)僅增加39 m的基礎(chǔ)上，切換成功概率達(dá)99.6%，在覆蓋范圍內(nèi)列車可同時(shí)與當(dāng)前基站和鄰居基站進(jìn)行通信，保障列車運(yùn)輸管理業(yè)務(wù)傳輸安全可靠。