论文部分内容阅读
[摘 要]LTE技术对高速铁路的通信发展意义重大，对移动性提出了更高的要求。基于LTE技术能够满足高速的宽带无线传输，致辞多种高铁机车内旅客的需求业务，可实现高铁宽带无线通信平台，有助于提升我国高铁的国际竞争力。本文着重研究分析了LTE技术在高铁无线通信系统中的应用。
[关键词]高速铁路；无线通信；LTE技术
中图分类号：TN929.5文献标识码：A文章编号：1009-914X（2013）21-0319-01
作为一种新型的高效交通运输方式，高速铁路已经在世界各国获得了较好的发展。我国经过多年的发展，高速铁路已经达到世界先进水平行列，出现了各种新型车厢，列车的速度也得到了较大的提升，在这种环境下，旅客对高速铁路的通信服务质量及种类提出了更高的要求。由于高铁无线通信覆盖的范围较广，多种无线通信场景都有涉及，因此确保在列车高速移动的同时还存在较好的网络覆盖、通信质量，是目前研究的一个重点问题。
一、LTE技术
LTE项目是3G的演进，属于3G技术和4G技术之间的一个过渡，也被称为3. 9G[1]。将3G的空中接入技术进行了改进，无线网络演进的唯一标准即为MIMO和OFDM。基于20MHz频谱的宽带条件下，可以提供上行和下行分别为326Mbit/s和86Mbit/s的峰值速率[2]。可有效将小区边缘的用户性能进行改进，进一步降低系统延迟，提升小区容量。LTE技术应用的是单层结构，可实现低时延，对减小延迟和网络的简化有利，具有低成本、低复杂度的优势[3]。相较传统的3GPP接入网，它将RNC节点减少了，实现了对3GPP体系构架的变革，更趋向于IP宽带网结构。LTE项目能够实现用户平面内部<5ms的单向传输时延，从睡眠状态转换为激活状态、驻留状态转换为激活状态所用的迁移时间分别<50ms和<100ms。LTE技术的小区覆盖可达到半径为100km的范围之内，可以提供给350km/h的高速移动用户>100 kbps的接入服务。此项技术还支持非成对频谱和成对频谱，能够对1.25-20 MHz的多种宽带进行灵活的配置。LTE技术不但可以满足无线通信的平滑演进策略，还能满足无线通信的可靠、安全性等要求，是目前较理想的高铁无线通信技术。
二、高铁覆盖
1、无线传播模型
4、小区切换
高速移动物体的高速移动会形成小区间快速切换。切换指网络和移动台处于连接状态下，移动台要实现相邻小区的覆盖区域移动，如图1所示。原来服务小区就无法再提供给用户服务功能，需要将移动台连接到适合小区，断开和原来服务小区之间的联系，建立和邻近小区之间的连接的过程[5]。列车的最大运行速度为350km/h，即列车每秒移动97m。结合当前的高铁沿线基站分布情况，在经过沿途几百米覆盖范围的小区的时候，高速列车仅需要数秒时间。基于这种高速运行场景下，极易产生小区选择失败、脱网等网络现象。主要有以下原因：（1）UE移动速度与其密切相关。UE移动速度越快，就有越短的时间在小区中驻留，这样会造成UE驻留小区时间比小区选择过程要小；（2）如果UE移动速度太快，基于相同小区重选时延的情况下，需要设置越长的小区间重叠区；（3）如果UE移动速度太快，基于相同切换时延的情况下，需要设置越长的切换重叠区。一般情况下列车的运行速度、小区切换时间、小区重选时间等均和小区切换带设置相关。必须确保两个相邻的小区间有充足的重叠覆盖区域，这样才能满足基于高速运动过程中，终端对切换的时间要求。
三、总结
LTE技术在高铁无线通信系统中应用的效果及优势：①主要以分组域业务作为目标，实现了系统整体架构的分组交换。②基于20MHz频谱的宽带条件下，可提供上行和下行分别为326Mbit/s和86Mbit/s的峰值速率。处于0-120km/ h的移动场景基础下，可实现60 Mbps的吞吐速率，上行和下行速率分别为：16 Mbps和44 Mbps。③可實现5bps/Hz的下行链路频谱利用率，及2.5bps/Hz的上行链路频谱利用率。④可支持非成对频谱及成对频谱，能够对1.25-20 MHz范围内的多种宽带进行灵活的配置，TDD-LTE可以对上下行流量进行调整。⑤LTE技术为扁平的网路架构，具有较少的网元节点，U-plan时延和C-plan时延分别为低于5ms和低于100ms。⑥采用频偏补偿机制，能够将多普效应进行有效的克服，保证基于高速移动的场景下也具有较好的无线链路质量。⑦在进行切换的时候充分考虑频率偏移变化，具有较高的切换成功率，保证在高速切换的情况下依然具备稳定的宽带连接。⑧提升了小区边界比特速率，可以提供用户的小区边缘速率达到1bps/Hz，可达到半径为100km的小区覆盖范围。⑨采用严格的QoS机制实现了实时业务的高质量服务。⑩不用另设隧道天线，可以利用商用通信泄露电缆，在隧道内的RRU具有1.2KM的漏缆覆盖，覆盖稳定。存在多RRU共小区，保证在高速切换场景的情况下具有较稳定的宽带连接，减少了切换造成的抖动、丢包、时延等现象。
参考文献
[1] 胡海明，董绍经，姜有田，王磊.第四代移动通信技术浅析[J].计算机工程与设计.2011.32（5）：1563-1567
[2] 蒋新华，朱铨，邹复民.高速铁路3G通信的覆盖与切换技术综述[J].计算机应用.2012.32（9）：3285-3290
[3] 姚雅倩，丁长林.浅析高铁通信系统专利的现状和发展趋势[J].广东通信技术.2011（12）：41-44
[4] 许昆.LTE 技术在城市轨道交通车地无线通信系统中的应用[J].数字技术与应用.2012（8）：33，35
[5] 原燕斌.高速铁路环境下LTE切换技术的研究[D].北京市.北京邮电大学.（2012）.
[关键词]高速铁路；无线通信；LTE技术
中图分类号：TN929.5文献标识码：A文章编号：1009-914X（2013）21-0319-01
作为一种新型的高效交通运输方式，高速铁路已经在世界各国获得了较好的发展。我国经过多年的发展，高速铁路已经达到世界先进水平行列，出现了各种新型车厢，列车的速度也得到了较大的提升，在这种环境下，旅客对高速铁路的通信服务质量及种类提出了更高的要求。由于高铁无线通信覆盖的范围较广，多种无线通信场景都有涉及，因此确保在列车高速移动的同时还存在较好的网络覆盖、通信质量，是目前研究的一个重点问题。
一、LTE技术
LTE项目是3G的演进，属于3G技术和4G技术之间的一个过渡，也被称为3. 9G[1]。将3G的空中接入技术进行了改进，无线网络演进的唯一标准即为MIMO和OFDM。基于20MHz频谱的宽带条件下，可以提供上行和下行分别为326Mbit/s和86Mbit/s的峰值速率[2]。可有效将小区边缘的用户性能进行改进，进一步降低系统延迟，提升小区容量。LTE技术应用的是单层结构，可实现低时延，对减小延迟和网络的简化有利，具有低成本、低复杂度的优势[3]。相较传统的3GPP接入网，它将RNC节点减少了，实现了对3GPP体系构架的变革，更趋向于IP宽带网结构。LTE项目能够实现用户平面内部<5ms的单向传输时延，从睡眠状态转换为激活状态、驻留状态转换为激活状态所用的迁移时间分别<50ms和<100ms。LTE技术的小区覆盖可达到半径为100km的范围之内，可以提供给350km/h的高速移动用户>100 kbps的接入服务。此项技术还支持非成对频谱和成对频谱，能够对1.25-20 MHz的多种宽带进行灵活的配置。LTE技术不但可以满足无线通信的平滑演进策略，还能满足无线通信的可靠、安全性等要求，是目前较理想的高铁无线通信技术。
二、高铁覆盖
1、无线传播模型
4、小区切换
高速移动物体的高速移动会形成小区间快速切换。切换指网络和移动台处于连接状态下，移动台要实现相邻小区的覆盖区域移动，如图1所示。原来服务小区就无法再提供给用户服务功能，需要将移动台连接到适合小区，断开和原来服务小区之间的联系，建立和邻近小区之间的连接的过程[5]。列车的最大运行速度为350km/h，即列车每秒移动97m。结合当前的高铁沿线基站分布情况，在经过沿途几百米覆盖范围的小区的时候，高速列车仅需要数秒时间。基于这种高速运行场景下，极易产生小区选择失败、脱网等网络现象。主要有以下原因：（1）UE移动速度与其密切相关。UE移动速度越快，就有越短的时间在小区中驻留，这样会造成UE驻留小区时间比小区选择过程要小；（2）如果UE移动速度太快，基于相同小区重选时延的情况下，需要设置越长的小区间重叠区；（3）如果UE移动速度太快，基于相同切换时延的情况下，需要设置越长的切换重叠区。一般情况下列车的运行速度、小区切换时间、小区重选时间等均和小区切换带设置相关。必须确保两个相邻的小区间有充足的重叠覆盖区域，这样才能满足基于高速运动过程中，终端对切换的时间要求。
三、总结
LTE技术在高铁无线通信系统中应用的效果及优势：①主要以分组域业务作为目标，实现了系统整体架构的分组交换。②基于20MHz频谱的宽带条件下，可提供上行和下行分别为326Mbit/s和86Mbit/s的峰值速率。处于0-120km/ h的移动场景基础下，可实现60 Mbps的吞吐速率，上行和下行速率分别为：16 Mbps和44 Mbps。③可實现5bps/Hz的下行链路频谱利用率，及2.5bps/Hz的上行链路频谱利用率。④可支持非成对频谱及成对频谱，能够对1.25-20 MHz范围内的多种宽带进行灵活的配置，TDD-LTE可以对上下行流量进行调整。⑤LTE技术为扁平的网路架构，具有较少的网元节点，U-plan时延和C-plan时延分别为低于5ms和低于100ms。⑥采用频偏补偿机制，能够将多普效应进行有效的克服，保证基于高速移动的场景下也具有较好的无线链路质量。⑦在进行切换的时候充分考虑频率偏移变化，具有较高的切换成功率，保证在高速切换的情况下依然具备稳定的宽带连接。⑧提升了小区边界比特速率，可以提供用户的小区边缘速率达到1bps/Hz，可达到半径为100km的小区覆盖范围。⑨采用严格的QoS机制实现了实时业务的高质量服务。⑩不用另设隧道天线，可以利用商用通信泄露电缆，在隧道内的RRU具有1.2KM的漏缆覆盖，覆盖稳定。存在多RRU共小区，保证在高速切换场景的情况下具有较稳定的宽带连接，减少了切换造成的抖动、丢包、时延等现象。
参考文献
[1] 胡海明，董绍经，姜有田，王磊.第四代移动通信技术浅析[J].计算机工程与设计.2011.32（5）：1563-1567
[2] 蒋新华，朱铨，邹复民.高速铁路3G通信的覆盖与切换技术综述[J].计算机应用.2012.32（9）：3285-3290
[3] 姚雅倩，丁长林.浅析高铁通信系统专利的现状和发展趋势[J].广东通信技术.2011（12）：41-44
[4] 许昆.LTE 技术在城市轨道交通车地无线通信系统中的应用[J].数字技术与应用.2012（8）：33，35
[5] 原燕斌.高速铁路环境下LTE切换技术的研究[D].北京市.北京邮电大学.（2012）.