年4月中文摘要摘要：在GSM-R（GSMforRailways）移動性管理技術(shù)中，切換是維護移動通信高可靠性和有效性的的關(guān)鍵因素。但是在列車高速移動情況下，要求有更短的切換時延，GSM目前使用的傳統(tǒng)的切換方案已經(jīng)不再能保證在這種情況下的高性能，有很高的概率產(chǎn)生切換故障。為了解決這個問題，本文提出一種用于GSM-R網(wǎng)絡(luò)的基于雙天線的新的切換方案。該方案通過調(diào)制業(yè)務(wù)信道（TCH）的幀結(jié)構(gòu)以便測量報告發(fā)送速率更快，采用更復雜信令過程以實現(xiàn)無縫切換。仿真結(jié)果表明，所提出的方案中的中斷時間與常規(guī)切換相比有效降低，呼損率在車速達到500km/h時也可以保持正常水平。因此提出的雙天線切換方案在高速下可以保證更好的服務(wù)質(zhì)量。關(guān)鍵詞：切換；中斷時間；呼損率ABSTRACTABSTRACT:IntheGSM-R(GSMforRailways)mobilitymanagementtechnology,handoveristhecrucialfactortomaintainhighreliabilityandvalidityofmobilecommunication.Howeverinhigh-speedmovementscenariowhereshorterhandoverlatencyisrequired,thetraditionalhandoverschemewhichhasbeenadoptedintheGSMnetworkcouldnolongerguaranteehighqualityperformanceandresultsinhigherprobabilityofhandoverfailureasaconsequence.Inordertosolvesuchproblem,weproposeaninnovativehandoverschemebasedondual-antennatechnologyforGSM-Rnetwork.TheproposedschememodulatestheframestructureofTrafficChannel(TCH)inordertosendmeasurementreportmorequicklyandadoptsmorecomplicatedsignalingproceduretoachieveseamlesshandover.Simulationresultsshowthatinterruptiontimeintheproposedschemeiseffectivelyreducedcomparedwiththeconventionalhandoverschemeandcalldroppingrateisalsoacceptablewhenthetrainspeedachieves500km/h.Thereforetheproposeddual-antennahandoverschemeguaranteesbetterservicequalityinhigh-speedscenario.KEYWORDS：handover；handoverlatency；calldroppingrate1引言近幾年來，高速鐵路的發(fā)展已經(jīng)得到了世界各國的關(guān)注。GSM-R（GSM為鐵路）網(wǎng)絡(luò)專門用于鐵路移動通信系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于各個國家的不同的鐵路系統(tǒng)。乘客的安全和商品是鐵路系統(tǒng)的運行和管理的關(guān)鍵考慮因素，因此保證GSM-R網(wǎng)絡(luò)的有效性非常必要。由于在鐵路系統(tǒng)的一些特殊方面，如線性覆蓋鐵路，高速情景，特殊地理條件如山谷和海峽等，對GSM-R網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計及無線信號傳輸?shù)男枨笤絹碓蕉?。由于環(huán)境的特殊性，在這些環(huán)境下建設(shè)GSM-R網(wǎng)絡(luò)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。切換是GSM-R網(wǎng)絡(luò)移動性管理中的關(guān)鍵技術(shù)，它的作用是保持基站（BS）和移動站（MS）間的無線通信不間斷。切換過程的有效性對于改善整個GSM-R網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有至關(guān)重要的作用，因此它已經(jīng)成為無線通訊的研究熱點。切換由GSM-R網(wǎng)絡(luò)中的測量報告觸發(fā)產(chǎn)生。在該過程之后還有信道檢測，通道選擇和執(zhí)行幾個環(huán)節(jié)來完成整個切換過程。當列車速度低于100km/h時，在切換的每個環(huán)節(jié)中引起的時延不會太長，不會影響連續(xù)性的無線通訊。然而，當列車速度增加時，切換延遲顯然成為導致火車上BS與MS之間的通信的一大問題。為了減少切換等待時間，在相關(guān)文獻中已經(jīng)提出了多種方案。為了實現(xiàn)低切換等待時間且不增加有線信道中的開銷，MBandai，ISasase等提出了使用位置信息的切換方案REF_Ref469132088\r\h[1]。文獻REF_Ref469132100\r\h[3]REF_Ref469132102\r\h[4]REF_Ref469132104\r\h[5]REF_Ref469132105\r\h[6]提出了基于移動IP的最小化切換延遲,資源預留方案提出使用位置輔助的移動性預測的切換，其性能比單獨的基于距離的方案更優(yōu)。在文獻REF_Ref469132316\r\h[10]REF_Ref469132318\r\h[11]中提出應(yīng)減少掃描、通道檢測和執(zhí)行的環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的延遲?；跍y量報告中關(guān)于MS的位置和速度信息REF_Ref469132329\r\h[7]中提出了一種快速切換算法，實現(xiàn)較短的切換延遲。在REF_Ref469132337\r\h[2]中提出了一種減少重新認證等待時間的快速切換方案，使得相鄰AP可以提前認證。所有上面提到的工作可以解決減少切換等待時間的一些具體問題。然而，這些切換方案都保持硬切換的特性，這意味著在切換過程中通信斷開了一段時間，盡管這些方案不會導致高呼損率，但是通信仍然會因斷開而受損。在本文中，我們提出了一種新型的切換方案：基于雙天線的GSM-R網(wǎng)絡(luò)切換。將兩個天線分別安裝在列車的前部和后部。在技術(shù)層面上，兩個天線獨立工作，假設(shè)BS可以識別和區(qū)分前天線和后天線，雙天線系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)置好的交接計劃一起工作，并完成整個切換過程。此外，雙天線切換方案使切換過程成為軟切換或無縫切換，這意味著BS和MS之間的通信在整個切換過程中不再斷開，因此保證了更好的無線通信服務(wù)。要實現(xiàn)該方案，我們采用業(yè)務(wù)信道（TCH）的幀結(jié)構(gòu)并獲得兩種具有不同功能的邏輯信道。該方案的信令切換中程序更復雜，但仿真分析表明這種方案可以有效地減少切換過程通信斷開時間和呼損率。2傳統(tǒng)的切換方案2.1傳統(tǒng)切換方案GSM-R網(wǎng)絡(luò)中的傳統(tǒng)切換方案基本上與GSM網(wǎng)絡(luò)中的相同。傳統(tǒng)的切換方案通過一個單天線的（MS）和BS間的通信完成。在測量過程中，MS應(yīng)該在一個特定的頻率上給BS持續(xù)發(fā)送測量報告。然后BS分析接收到的測量報告的內(nèi)容，如信號強度等信息切換條件判斷是否觸發(fā)切換。在傳統(tǒng)的切換方案中可以使用不同的切換方法，在這里我們介紹三種切換方法，如下所示：閾值切換的方法當目前移動BS的信號強度低于一個給定的切換門限ThHO且相鄰BS的信號強度高于該移動BS時，啟動切換。我們用Lv(P)表示當前BS的信號強度，用Lv(N)表示相鄰BS的信號強度，呼叫所需要的最小的信號強度值為Thmin，那么切換觸發(fā)的條件就可以寫成Thmin<磁滯的方法觸發(fā)條件是當相鄰的BS的信號強度比當前BS的信號強度高出一個給定的磁滯邊緣值。這個方法的優(yōu)點是它避免了乒乓效應(yīng)，乒乓效應(yīng)指的是在BS間切換發(fā)生前后通信信號強度足夠時觸發(fā)了不必要的切換。我們用Hm表示磁滯電平值，那么觸發(fā)切換條件可以表示如下：LvN-LvP=Hm磁滯門限的方法結(jié)合了上述兩種方法，在當前BS信號強度低于切換門限THO且相鄰BS的信號強度比給定的當前BS磁滯邊緣值高，切換條件如下所示：LvP<ThHOLv在測量過程之后MS應(yīng)該執(zhí)行切換過程，如MS釋放當前信道并連接到鄰居BS的待激活的信道。2-2時延分析傳統(tǒng)切換在火車速度低于250km/h時性能較好，但是在火車車速達到500km/h的高速移動環(huán)境下，由于其具有固有的切換延遲，傳統(tǒng)的方案就不能保證其服務(wù)質(zhì)量。下面簡單地分析在切換過程中的每一步的延遲，基于這樣的分析來構(gòu)造仿真模型。在仿真分析中，我們主要關(guān)注測量過程和執(zhí)行過程產(chǎn)生的時延。在傳統(tǒng)的切換方案中，在測量過程中產(chǎn)生的時延可以表示為：Tm=τm×Hrequave左側(cè)的τm表示時間間隔，代表從MS到BS傳送兩個測量報告的時延，Hrequave在GSM-R系統(tǒng)中通常取常數(shù)4。我們可以根據(jù)圖1中TCH幀結(jié)構(gòu)來計算時延τm。圖1TCH幀結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)的切換方案中，TCH不僅用于傳輸語音編碼和數(shù)據(jù)，也可以通過慢速隨路控制信道SACCH來傳輸測量報告，在執(zhí)行的過程中，快速隨路控制信道將會被內(nèi)插進TCH中以傳輸必要的信令。在TCH中只有一幀用于SACCH，TCH的周期是120ms，我們知道4個SACCH才可以傳輸一個測量報告，因此我們推出τm是0.48ms，T至于執(zhí)行過程中引起的時延我們可以簡單地把它處理為一個常量，設(shè)為Te。根據(jù)K1205協(xié)議測試儀測得的Te在基站收發(fā)臺之間是0.2s，在基站控制器之間是0.532s，用于移動交換中心間是1.358s。因此在單天線時切換的所有延時可以表示成：Th=Tm+當火車車速超過300km/h，鐵路沿線信號的強度衰減很快，這時由于切換固有的時延就不在可接受的范圍內(nèi)了，由于此時的信號強度隨時都可能低于通信所需的最低強度水平。因此傳統(tǒng)的切換不能滿足高速情境下的無線通信需求。3基于雙天線的切換過程在傳統(tǒng)的切換過程中，單天線的MS應(yīng)該傳輸測量報告課語音編碼以及數(shù)據(jù)，根據(jù)TCH的幀結(jié)構(gòu)，這是測量過程中產(chǎn)生時延和造成切換過程中通信中斷的關(guān)鍵原因。因此我們采用TCH幀結(jié)構(gòu)來區(qū)分測量報告和語音編碼或者是數(shù)據(jù)。更進一步，我們把這兩種傳輸用兩根天線進行傳輸，因此技術(shù)上兩根天線分別負責不同的功能?；谶@個基礎(chǔ)假設(shè)，這兩根功能天線應(yīng)該可以實現(xiàn)無縫切換。3.1TCH調(diào)制為了充分利用雙天線系統(tǒng)，我們通過調(diào)整原始TCH幀結(jié)構(gòu)得到兩種不同功能的TCH幀。第一種TCH是負責語音編碼和數(shù)據(jù)的傳輸，通過在第13幀用TCH取代SACCH得到，我們稱之為全TCH幀，如下圖所示：圖2全TCH幀結(jié)構(gòu)第二種TCH幀除了SACCH的數(shù)量有所增加之外，其他與傳統(tǒng)的TCH幀功能幾乎一樣，這樣的設(shè)計會使得測量報告發(fā)送的速度會更快。我們將這種結(jié)構(gòu)稱為混合TCH結(jié)構(gòu)，如圖3所示。圖3混合TCH結(jié)構(gòu)由于我們的系統(tǒng)中有更多的天線和不同種類的TCH，因此切換的過程較傳統(tǒng)的方式勢必更為復雜，且在切換過程中還存在著這兩種TCH的互換。3.2方案設(shè)計首先，我們假定在切換過程前后天線的國際移動用戶識別號碼（IMSI）是相關(guān)的。當他們進入GSM-R的網(wǎng)絡(luò)后，訪問位置寄存器（VLR）可以識別這兩種天線并且保證雙天線系統(tǒng)可以與BS相結(jié)合來完成切換的過程。雙天線系統(tǒng)的模型如下圖所示。圖4雙天線系統(tǒng)我們假定車前面的天線用A1來表示，車后面的天線用A2來表示。在切換過程中我們假定當前小區(qū)和相鄰小區(qū)分別為BS1和首先，當火車在BS1的小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)時，如圖5（a）所示，A1連接到混合TCH上以便傳輸測量報告，與此同時，A2連接到全TCH以便傳輸語音當火車到達小區(qū)BS1和BS2的交疊區(qū)域時，如圖5（b）所示，這時由A1傳輸?shù)臏y量報告觸發(fā)切換，此時A1執(zhí)行的切換過程類似于傳統(tǒng)意義的切換，不同點是為了便于切換之后的環(huán)節(jié)地進行，A1需要激活BS2中的兩個全TCH和一個混合TCH，之后A1就可以連接到BS2中的全在A1完成切換之后，BS1會自動釋放相關(guān)信道，隨后觸發(fā)A2的切換過程。因為A1已經(jīng)激活了BS2中的信道，所以A2可以直接連接到BS2中的混合TCH上。與此同時A1要連接到BS2中A2可以迅速地完成全部的切換過程，因為它無需測量報告和觸發(fā)過程，且相關(guān)信道已經(jīng)被A1全部激活。考慮到在A2完成切換后可能沒有足夠的能量來維持與BS間的通信，因此它需要發(fā)送測量報告給BS，這樣BS可以判斷它的信號強度是不是足夠維持通信。也就是說通過A2這時的切換不同于真正意義上的切換，它僅僅是指雙天線分別交換當前的TCH到初始化狀態(tài)。因為A1在其切換過程中激活了一個全TCH以便A2可以直接連接到全TCH和釋放混合TCH，A1隨后連接到被釋放的混合TCH上，這樣A2可以在A1傳輸測量報告的過程中語音編碼和數(shù)據(jù)。最后雙天線系統(tǒng)完成全部的切換過程，圖5切換完整過程該系統(tǒng)的信令的處理過程如圖6所示。圖6雙天線系統(tǒng)的信令處理過程3.3方案性能分析盡管雙天線系統(tǒng)的切換過程非常復雜，但是通過本質(zhì)特性和關(guān)鍵過程的分析，我們還是可以很清晰地看到它的主要優(yōu)勢：就A1的切換過程而言，因為測量報告發(fā)送速度非常快，在該過程中引起的時延可以有效地降低至少50%。在切換到A1就A2的切換而言，切換在1s內(nèi)根據(jù)火車的長度（200m）和速度（350km/h），A2在A1之后的2s開始切換。結(jié)合特點（1）和（2），我們可以推出無論在哪個時間段，至少有一根天線在傳輸語音編碼和數(shù)據(jù)，在我們提出的方案中有兩種測量報告。第一種是A1發(fā)送的用于BS判斷是否觸發(fā)A1的切換的測量報告；第二種是A2發(fā)出的用于BS判斷從A2收到的信號能量是否足以維持通信進行。根據(jù)我們總之，我們可以明顯地看到該方案與傳統(tǒng)的切換方案之間的區(qū)別：在TCH幀結(jié)構(gòu)改造之后，測量報告的發(fā)送更加快捷；雙天線系統(tǒng)與BS結(jié)合來實現(xiàn)切換可以達到無縫切換。4仿真與性能對比分析首先根據(jù)方案和傳統(tǒng)方案構(gòu)建了仿真模型，在仿真中綜合考慮了傳播模型、陰影效應(yīng)以及仿真過程中其他具體的參數(shù)。通過進行該方案與傳統(tǒng)的切換過程的對比分析得出：在進行的1000次仿真實驗中，火車的速度從250km/h到500km/h設(shè)置不等；沿路各點的信號強度由仿真模型決定，因此A1和A2的切換可以被觸發(fā)并且根據(jù)提出的方案進行切換。在每一次仿真之后我們主要計算兩種參數(shù)，中斷時間和呼損率。在仿真實驗中，我們定義中斷時間為MS與BS間斷的時間，在傳統(tǒng)的方案中中斷時間不能完全消除，因此造成了通話質(zhì)量在高速環(huán)境下的惡化，且呼損率也非常高。在仿真結(jié)果來看，我們的方案可以有效的減少中斷時間，保證一個更好的通話質(zhì)量。為了得到較為合適的增加的值，通過實驗進行分析，我們假定τm的值為0.48s，0.24s和0.16s，通過調(diào)整混合TCH幀中SACCH的數(shù)量，我們得出：隨著τm的減小，中斷時間也大大減小。但是當τm是0.16s時，中斷時間的減小幅度非常小，這是由于整體的無線信道的負擔因高頻的測量報告發(fā)送增加所導致的，因此，設(shè)置其值為0.24s是比較合適的車速為300km/h時傳統(tǒng)方案的GSM的呼損率在1%，本方案在車速為450km/h時仍然保持1%。因此通過仿真結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的方案對比，通過調(diào)節(jié)合適的τm，我們提出的雙天線的切換方案可以有效地降低中斷時間且保證更小的呼損率5結(jié)論本文分析了傳統(tǒng)的集中切換方案的原理，并提出了一種新的基于雙天線系統(tǒng)的GSM-R網(wǎng)絡(luò)切換方案。與傳統(tǒng)的切換方案不同之處是我們采用了兩種功能的TCH，這樣雙天線系統(tǒng)可以達到無縫切換。通過仿真結(jié)果表明，該方案在高速情境下可以有效地降低至少50%的中斷時間，在速度到500km/h時呼損率還可以維持1%，這樣就保證了在GSM-R中的服務(wù)質(zhì)量。參考文獻M.BandaiandI.Sasase,“ALowLatencyHandoffSchemeUsingPositionalInformationforMobileIPBasedNetworks,”inProc.ofIEEEGLOBECOM2003,vol.6,pp.3468-3472,December2003.S.PackandY.Choi,“FastHandoffSchemebasedonMobilityPredictioninPublicWirelessLANSystems,”IEEProceedingsCommunications,vol.151,no.05,pp.489-495,October2004.E.Shim,H.Wei,Y.Chang,andR.D.Gitlin,“LowLatencyHandoffforwirelessIPQOSwithNeighborcasting,”inProc.ofIEEEICC,pp.3245-3249,June2002.M.Ergen,S.Coleri,B.Dundar,A.Puri,J.Walrand,andP.Varaiya,“PositionleveragesmoothhandoveralgolithmformobileIP,”inProc.ofIEEEICN,August2002.M.Ergen,S.Coleri,B.Dundar,R.Jain,A.Puri,andP.Varaiya,“ApplicationofGPStoMobileIPandroutinginwirelessnetworks,”inProc.ofIEEEVTC,September2002.S.Ohzahata,S.Kimura,andY.Ebihara,“Aproposalofseamlesshandoffmethodforcellularinternetenvironments,”IEICETrans.onCommun.,vol.E84-B,no.4,pp.752-759,April2001.A.Mishra,M.S