LTE在城市轨道交通中应用的可靠切换技术研究.docx

前言随着经济的快速发展，越来越多的市民在出行时选择乘坐轨道交通，快捷、舒适和安全成为了我们选择它的重要原因在漫长的乘车旅途中，旅客希望能随时阅读新闻或者观看网络直播提升旅行舒适度，现在的我们又处于信息化时代，对于无线通信的需求比前几代更高，那么第四代网络通信网络LTE由此孕育而生 [1]轨道交通在日常的通信和调度方面主要采用的是第二代全球移动通信系统GSM（Global System for Mobile Communications）中的GSM-R（Global System for Mobile Communications-Railway）系统，这套通信系统只适用于工作人员的调度或无线对讲，况且GSM的速率非常慢，最低大约9.6Kbit/s，最高大约32kbit/s，这样的速度对于我们乘客上网以及观看视频是远远不够的LTE是目前应用最广泛的移动通信技术，如果能够运用于轨道交通，对面我们乘客上网看视频，工作人员实时图片传输、监控都会有非常大的帮助[2]不过轨道交通的通信环境非常特殊，轨道交通的速度非常快，沿线距离较长，这就势必会导致的频繁的越区切换目前的LTE主要切换方式为硬切换，先断后连，而高速运行的列车会产生的多普勒频移、频繁切换、路径损耗、阴影衰落等问题，直接使用LTE传统切换会造成切换失败率高、乒乓切换等问题。

通过研究，本文寻找到一种新型切换方案——COMP多点协作传输切换，与传统LTE切换相比，这种切换引入了相邻基站共同协作，提高了越区切换成功率和可靠性，减小了切换时延，保证车地通信质量，提高了系统的频谱利用率 本文共四章，论文具体研究内容如下：第一章分析了LTE在铁路、轨道交通中的发展历程，通信技术从GSM-R发展到现阶段的LTE，LTE在通信、调度和监控方面发挥了巨大作用第二章分析了LTE的系统架构与关键技术，LTE的三个切换过程、触发原因和切换整个过程；第三章研究了轨道交通环境，多普勒频移对于切换的影响，并分析了小区覆盖与无限衰落；第四章对COMP切换方案进行研究，研究了LTE基站内小区、X2接口、S1接口切换，并与LTE传统切换信令流程进行对比第一章 LTE在铁路通信中的发展第一节 铁路通信的发展铁路现在主要运用的是第二代通信，即GSM-R第一批铁路通信使用电报和铁路作为控制和通信工具，传输关于火车编组排号等信息，并完成调度最早一批铁路通信主要是模拟通信，构建了模拟无线调度系统，以便在调度、列车司机和站之间提供相互通信在90年代，全世界铁路建设大幅度增加，为了使欧洲各国的高速铁路系统相互兼容，并提高铁路的信息能力，国际铁路联盟于1995年提出了新一代无线移动通信的GSM-R技术。

欧洲铁路系统不仅能够同时传输支持传输话音和数据，而且还能够为列车的控制系统提供列车的现场信息GSM-R以GSM Phase2+标准通信系统，带有900MHz，这个新系统提案预示着GSM-R从模拟通信转换为数字通信2000年，GSM-R技术在欧洲、美国、俄罗斯、印度等国家铁路通信中广泛使用2002年，我国决定用GSM-R技术取代原有的模拟通信系统，为铁路提供专门的移动通信在青藏线路、大秦线等线路上进行测试，并在全国主要铁路和特殊客运线路上广泛使用[3]GSM-R技术旨在满足新一代火车控制系统的需要，但没有满足铁路旅客移动信息服务的需要目前的解决办法主要是通过不断优化对网络和接入技术的接入来提高容量和传输率，主要接入技术是GPRS（全球分组无线电服务）、WIMAX（全球计算机互操作性），Wi-Fi、HSDPA（高速分组接入）等在城市铁路运输中，IEE802.11标准的无线局域网的wlan技术可以实现在短距离无线网络上作为通信的传输媒介[4]由于全球定位系统技术本身的局限性，满足多媒体运输需求和高容量的需求Wi-Fi技术不能很好地支持高速机动性，wlan技术虽然目前得到广泛使用，但仅适用于短程数据通信。

为了适应城市铁路交通的迅速发展，需要高速、安全和可靠的高容量宽带通信技术，不仅能够满足火车管制的通信需要，而且还能够更好地为旅客提供位置信息服务第二节 LTE在轨道交通中的应用现状由于铁路通信技术的逐步成熟，LTE不断的发展，以及城市化的逐渐发展，很多国家以及城市都开始建造轨道交通等设施来避免交通环境的拥堵许多国家对LTE技术及其在国内和国际铁路运输中的应用进行了研究2010年12月，铁路联盟第一次制定了LTE-R技术在高速铁路移动通信中的发展战略还有许多国内外研究机构还研究了高速火车移动通信系统的建模、QOS（Quality of Service）、干扰分析和抑制技术欧洲、日本和北美开始研究乘客无线宽带接入系统许多国内外研究机构还研究了高速火车移动通信系统的建模、QOS（Quality of Service）、干扰分析和抑制技术[5]2013年8月，华为宣布了波兰Zmigrod铁路LTE无线宽带通信系统，提供了一个更可靠、安全和高带宽的移动网络该项目标志着从窄带到宽带的网上控制无线远程传输技术的发展，这有助于铁路部门LTE技术应用的标准化进程[6]2014年4月，在法国瓦伦西亚场址的一条地铁线上进行了测试。

2015年6月，双方完成了CBTC基于4G LTE的第一次的多业务统一能力全球测试，表明LTE技术能够为铁路交通的业务维修提供一个更有效和更可靠的车地通信网络[7]同时，国内的一些通信制造商积极参与了铁路运输中使用和开发LTE技术的工作2014年9月，中兴首次采用TD-LTE宽带集群技术应用轨道交通，为温州铁路S1无线宽带通信系统由于TD-LTE系统允许高迁移性，所以当列车以每小时160KM/h速度行驶时，专用无线通信的可靠性、稳定性和移动性仍然得到保证2015年3月9日，工业和信息部正式表示，TD-LTE将1785MHz-1805MHz频谱用作与专业通信网络，促进运输部门TD-LTE标准化进程第三节 本章小结本章主要介绍了通信技术从第二代通信技术GSM-R，到第四代通信技术LTE的发展历程，从上世纪90年代开始通信技术才运用于铁路发展，到2010年发展到了LTE技术在铁路中的应用目前LTE在全球铁路、轨道交通发挥了广泛的作用， LTE技术目前广泛应用于机场、城市轨道交通、以及铁路等通信中第二章 LTE系统及其切换第一节 LTE系统一、系统架构LTE也称为长期演变技术，由于3G标准的成功制定以及网络商业化，3G标准WCDAM（Wideband Code Division Multiple Access）和TD-SCDMA（Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access）的制定者3GPP（3rd Generation Partnership Project）开始进行一个又一个小版本的升级。

3G与4G的最大不同点在于：下行采用OFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access），上行采用SC-FDMA（Single-carrier Frequency-Division Multiple Access），4G技术放弃了3G的核心技术CDMA（Code Division Multiple Access），同时引入了SAE（System Architecture Evolution），核心网只有分组域，控制面与用户面分离，取消了RNC他的主要构成有：EPC（Engineering Procurement Construction）、eNodeB（Evolved Node B）和UE（User Equipment）这三个部分组成LTE系统框图下列如下图2.1：图2.1 LTE系统连接上述核心网、MME以及节点的接口被称为S1接口它有无线接入控制承接、接口专用等功能S1接口协议如下图2.2所示[8]： 图2.2 S1接口协议S1接口的功能不仅有LTE系统内的切换，还有系统间的切换MME主要负责的是非接入层（NAS，Nonm-Access Stratum）信令的处理。

SGW的功能是：负责将用户的P数据进行转发在图2.1中，不仅有S1对eNB的接口，在它旁边还有X2对eNB的接口eNB：又称为演进型NODE B，它集成RNC功能，同时减少了通信的协议层主要功能是：对基站的无线接入控制、无线接口移动性管理、无线承载控制，或者用户上下行无线资源的调度等功能与eNB之间的接口称为X2接口通过接口互连，形成了扁平化的网络结构，没有了RNC网络节点的X2接口使的网络结构更加扁平化这种设计让eNB基站获得了对无线资源管理的更多资源； X2接口的一大特点是，能够让基站间直接通信，减少不必要的流程，达到无缝切换的目的；同时支持移动和分组数据转发X2有两个平面，一个平面用于连接UE，另一个平面用于控制；用户平面接口的功能是：在X2与eNB的IP传输层上，使用的是 UDP协议，功能为对用户进行数据传输；控制平面的主要功能是：对LTE内的用户，在连接状态下，把目标小区的eNB切换到另一个小区基站的eNB，称为移动性管理的X2接口协议如下图2.3所示图2.3 X2接口用户面和控制协议LTE与传统的UTRAN架构比较，因为去除了RNC网络节点，E-UTRAN网络结构更加扁平化。

RNC功能在eNodeB和S-GW中简化了网络架构和降低延时，所以E-UTRAN不会有磁盘故障、死机等状况，更加稳定[9]二、LTE关键技术（一）OFDM技术OFDM技术，它是LTE的核心技术之一，它在对抗多径干扰以及频率选择性衰落中非常出色在加入用户以后，需要多个无线接入网络进行对接，这一部分称为空中接口空口，顾名思义，就是设备与网络之间通过无线电波对接，也叫移动端与基站的接口LTE常常使用OFDM技术，在多址方式中来对接，所以说OFDM是LTE物理层的最基础的技术OFDM又称正交频分复用，允许载波之间紧密相邻，重合的部分得到有效使用，大大节约了频谱资源信道分配如图2.4所示图2.4常规频分复用与OFDM的信道分配情况正交频分复用的信道由许多正交信道组成，将高速数据信号分流成并行的低速子数据流在进行预共享密钥和正交振幅调制时，得到结果以后可以将其调制到相互正交的其他子信道，然后再进行传输一）MIMO技术MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)：在发送端和接收端采用多天线和多通道，改善通信质量由于各发送天线同时发送的信号占用同一个频带，因而不需要增加带宽。

若各发射接收天线间的信道冲击响应相互独立，则MIMO系统可以创造多个并行空间信道优点是：在不增加带宽的情况下，反而能成倍改善用户的通信质量，显著提高性能、通信效率和空间资源[10]MIMO技术，本质是在发送天线与接收天线之间建立多路通道，一方面，通过运用空间复用技术能够提高通信信道容量，另一方面，空间分集则可以加强信道的可靠性，降低信道误码率MIMO技术在LTE中，不同的天线数目所带来的增益效果是不同的天线个数为下行2×2、上行1×2，采用的是双发双收的2*2天线，上行采用单发双收的1*2天线配置，日前LTE标准最高支持4×4的高阶天线配置与传统单输出输出系统相比，效率和通信质量大大提高MIMO系统模型如图2.5所示图2.5 MIMO系统框图LTE的下行MIMO技术主要包括空间复用、波束赋形和发射分集空间复用：利用与空间信道技术相关技术，弱化高速率的数据流，然后分流多个低速率子流，在多个独立的空间，彼此在不同的空间信道上进行传输，在执行消息的路径上的一些独立空间中，可以完成对多个数据子级的配置和传输，提了系统的运。