基于LTE的高速铁路越区切换方案优化研究

发布时间：2020-09-02 10:47

　　近年来,我国高速铁路得到快速发展,列车的行驶速度不断提升,随之而来的是高速列车无线通信技术要求的不断提高,满足日益增长的无线通信需求成为高速铁路发展的必然要素。作为当前最前沿的移动通信标准,LTE对现有3G系统的网络架构和接入技术做出较大调整,其扁平化、IP化的网络结构具有数据传输速率高、系统时延低等诸多优势,国际铁路联盟已决定采用LTE-R作为铁路无线通信系统发展的方向。而越区切换作为铁路无线宽带通信系统移动性管理的一个重要组成部分,在解决列车移动过程中的持续通信、保证高速列车的无线通信质量方面有重要意义。因此,基于LTE-R切换技术的研究有着重大的现实意义。本文主要研究越区切换问题。一方面,列车的高速移动使得无线宽带通信系统面临多普勒频移、频繁切换等诸多难题;另一方面,现存的一些LTE-R切换算法对于切换参数的选择无法适应列车的高速移动,切换滞后现象容易造成更多的失败切换,影响列车行车控制和旅客无线通信体验。本文通过对现有方案的总结、改进,解决了列车频繁切换、多普勒频移以及穿透损耗等问题。同时,提出一种基于功率和列车距离的切换优化方案,在充分考虑速度对于切换参数的影响下加入距离因素,有效保证了高速环境下的切换成功率,该方案可适应快速切换,同时具有避免错误触发、达到更高切换成功率的优点。本文首先从LTE/LTE-Advanced的网络架构、空口协议及技术优势等方面进行了概述,并对其关键技术进行了说明。然后对切换技术进行综述,介绍了切换的信令流程及相关参数,并从高铁无线覆盖的角度阐述了高铁技术的挑战,其中解决方案的提出和链路预算的完成为A3算法性能研究提供了技术支持。最后,总结现存的高铁切换算法,提出改进算法:通过合理地设置切换参数、提前分配目标小区信道和加入距离辅助信息等技术手段保证列车快速、准确切换。仿真结果表明,本文所提出的方案能够更好地保证高速环境下列车的切换成功率。
【学位单位】：兰州交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U285.21;TN929.5
【部分图文】：

基本架构

以 OFDM 和 MIMO 技术为代表的 LTE 项目，通信技术的不断演政治经济的发展带来巨大的影响。讲，LTE 泛指 LTE 及 LTE-Advanced。被称为 3.9G 的全球化标PP 发布的 R9 版本之后走向成熟的，在随后的 R10/R11部分标准被制定，标志着LTE 标准的进一步完善[28]。LTE 及LTE、时延、业务质量、网络构架及成本等多方面的需求，在网络架术方面作了重大革新。架构体架构主要包括三部分：演进型陆地无线接入网(Evolveio Access Network，E-UTRAN)、演进型分组核心网络(Evolved )以及用户设备(UE)。从系统演进的整体考虑出发，系统结构实络、对时延的严格要求、结构的扁平化、控制与承载的分离以。LTE 总体架构如图 2.1 所示。

示意图,核心网,示意图,网络架构

基于 LTE的高速铁路越区切换方案优化研究2.1.1 网络架构在网络架构方面，主要是采用了扁平化的网络架构，优化了网元间的功能划分。中，核心网有移动性管理实体(Mobility Manage ment Entity,MME)、服务网关(ServiGateway,S-GW)两种最基本的节点，同时还包含有归属用户服务器(Home SubscribServer,HSS)、分组数据网关(PDN Gateway,P-GW)、策略与计费规则功能(Policy aCharging Rules Function,PCRF)等功能实体[29]。图 2.2 为核心网结构及接口示意图。

功能划分

兰州交通大学硕士学位论文括控制信息、用户数据在内的无限资源，X2 接口用于支持激活态 UE 的移动性、小间无线资源管理以及实现自组织网络(Self-Organizing Network,SON)进行的信息交互。外，Uu 接口负责 UE 和 eNodeB 之间的控制/用户面数据的传输。LTE系统仅支持分组交换，在架构设计上取消了原3G系统接入网UTRAN中的RNCRadio Network Controller,无线网络控制器）节点，而将其原有的一些功能，例如接入制、承载控制、移动性管理及小区间资源管理全部归于 eNodeB 中。除了上述功能外，eNodeB 还可以对 IP 头进行压缩及完成用户数据流的加密并路由 S-GW，完成寻呼消息/广播消息的组织和发送、有目的性的测量及测量报告配置等。图 2.3 总结了各个实体的功能划分[31]。

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