[发明专利]一种针对高速铁路的主备份中继切换方法

说明书

技术领域：

本发明针对高速铁路无线专网时分双工长期演进技术(Time-Division Duplex Long Term Evolution，TDD-LTE或TD-LTE)通信系统的小区切换频繁，切换时间短，切换成功率高的要求，提出一种基于主备份中继切换方法的网络架构。该方法可应用于TD-LTE、频分双工长期演进技术(Frequency-Division Duplex Long Term Evolution，FDD-LTE或FD-LTE)通信系统在高铁环境下基于主备份中继切换算法中。

背景技术：

高速铁路已成为我国交通运输体系的一个重要组成部分，高铁建设与运营的快速发展以及列车中多媒体业务需求的急剧增长对通信技术的发展提出了更高的要求，由于高速列车运行速度快且无线信号穿透列车车体的损耗大，不仅无线信号衰减严重，同时多普勒效应明显且越区切换频繁，导致车载用户在使用过程中出现频繁的掉话、无法接通和语音断续等现象。因此如何在终端高速移动的情况下提供良好的通信网络服务质量成为广泛关注的焦点。

传统的铁路专用全球无线通信系统GSM-R(Global System for Mobile Communications-Railway)有一定的局限性。在业务方面，只提供文本、语音以及列车控制信息，无法满足web浏览、视频传输等大数据量、高传输速率的多媒体业务；在切换控制方面，采用双层架构、双天线模型的切换机制来解决车体内大量用户的切换问题，但是不能克服列车高速移动时由于切换频繁所造成的大量掉话现象。LTE系统理论上可以提供高达100Mbps的下行数据速率，并能支持语音和多媒体等多种业务，是未来通信发展的方向，也必然是铁路通信系统的基础，然而，高铁中应用LTE系统也面临巨大的挑战，最大的挑战来自于终端高速移动情况下越区切换性能的提高。

通常，由于LTE系统架构的扁平化，减少了RNC网络控制器，所以LTE系统中只支持硬切换不支持软切换，这就导致LTE系统切换中断时延过大，影响用户体验。考虑到高速铁路环境下LTE专网特性，并且高速铁路列车一般长度为200米，LTE小区覆盖重叠区长度为200米，因此当列车头抵达切换带时，列车车尾一般还处于源小区，因此可以考虑在列车车头车尾各设置一个车载台，车头车载台为主中继，车尾车载台为辅中继，并在列车上增加一个控制单元来控制整个主备份中继切换的过程。

发明内容：

本发明旨在针对高速铁路无线专网TD-LTE通信系统的快速切换要求，提出了一种基于主备份中继切换网络架构，即针对高速铁路TD-LTE专网环境，在高速铁路列车车头车尾各设置一个中继天线，同时增设一个控制单元来实现“虚拟切换”，理论上能够有效简化切换过程，降低网络切换时延，甚至达到无缝切换。解决在高速移动环境下的快速切换问题，降低通信掉话次数，提高切换成功率，增强高速宽带移动业务的服务质量。

该发明实施为了达到上述的目标采用以下技术方案，具体步骤如下：

1、针对车内不同接入设备，如2G、3G、4G、WIFI等多种接入设备，开发一个多模网关，此网关负责将车内用户数据收集汇聚起来并封装成TD-LTE数据格式包并将从中继上接收的用户下行数据转发给车内接入设备。

2、开发一个位于车头和车尾的主备份中继设备，此设备功能类似于移动UE终端，利用此终端可以和eNodeB基站进行通信，负责转发由车内多模网关封装好的TD-LTE数据格式包并将基站下行数据转发给车内多模网关。

3、开发一个主备份中继的控制单元，此控制单元用来控制主备份中继的工作流程，并控制多模网关与主备份中继的数据交互流程。

4、为本架构开发控制协议栈，在控制单元与其他单元通信时进行协议控制；

5、基于本网络架构的主备份中继切换采用如下过程：

步骤1：高速列车车头和车尾都属于一个小区，此时主中继和备份中继都和小区基站建立连接，其中车内多模网关数据通过主中继向基站进行转发，辅中继不转发数据只和小区基站保持附着状态。

步骤2：高速铁路列车车头进入源目的小区切换重叠区，车头主中继开始测量源目的小区服务质量，并上报测量报告，其中测量报告包括源目的小区服务质量和GPS地理位置信息。

步骤3：源小区基站根据测量报告信息得到列车车头主中继地理位置，当此位置和预设基于地理位置切换算法切换参考点相差某一门限时，向主中继发送虚拟切换命令，主中继收到命令后向控制单元发送虚拟切换命令，主控制单元收到命令后向备用中继发送激活命令。