发 帖  
【四旋翼飞行器】76小时吃透四轴算法!史上最强软硬结合实战项目,👉戳此立抢👈
[资料] 高铁无线通信和雷达探测融合架构下切换技术研究
2018-3-27 11:49:17  1475 高铁 无线通信 雷达探测 融合 架构
分享
高铁 无线通信 与毫 米波探 测集成 的可能性和必要性
   无线通信 和 雷法探测是无线 电 发展过 程 中 两个髙度成熟 的 却 相 互独立 的 领域 。 随 着对 电磁波相 关技术的进步 , 雷达系 统和通信系 统之 间 出 现了一些共同 点 。例如 , 从信号 的波形 、 频段 、 带 宽 来看, 雷达信号 和 通信载波信 号可共用 波形 ,且两种 系 统的 工作 频段也 逐渐重合 。 随着无线通信 的发展, 低频段的 频谱 日 益拥挤 , 使得下一代通信系 统不得不向 更离频段搬移 , 加之未来通信" 大容量、 髙速率"的要求 ," 髙频段、 超宽 带"必将是 未来无线通信 的趋势 。 对于雷达探测 ,雷达一般工作在微波频段,且雷 达信号 的工作带 宽 与 雷达 的分辨率有关 , 超 宽带雷达能够实现 高分辨率 。
   过去 , 无线通信和雷达探测 由 于使用 目 的不 用 , 性能 指标不 同 , 始 终作为两套独立的 系统 , 他们主要有 的 区别 :
   (1 ) 功能不 同 。 雷达通过发射 电磁波信号 , 接收回 波 , 对 回波进行分析 , 以此提取 目 标 的 距离速度等属 性, 而通信系 统用 于点对 点 的数据传输 。
   (2)工作频率和带 宽不同 。 考 虑到 信号 质 量 , 无线通信 系统一般采用 低频授权频段 , 工 作带 宽较 窄 。 而雷达王作频段在毫米波频段,且 由 于採测分辨率 的要求 , 雷达 工作带 宽可达 GHz 。
   ( 3) 性能指标不用 。 衡 量通信 系统性能 的好坏 , 可从系统吞 吐量 、 误码率 、数据率等判断 。 雷达的性 能指标为探测 距离、 距 离分辨率 、 速度分辨率等。
   但 是 , 雷达探测和无线通信 也 有一些相似之处 ;
   (1) 系统结 构相 同 : 通信 系统和 雷达系 统组成都含有收发天线 、 发射机 、 接收机、 信号 处理器等 。
   巧 信号 本质 都为 电磁波 。 两种 系 统都需 要对 电磯波进行调 制 , 发射 , 经信道传输 , 接收信号 。
  3 ) 无线通信和 雷达探测频段趋于 一致。 由 于低频段频谱 资源越来越拥挤 ,且可用 带 宽 越来越少 , 很难满足通信" 高速率" " 大容量"的 需求 , 使得下一代通信往 高频段搬移 , 这可能和 雷这工作频段 , 占 用 带宽相似 。
  雷达和 通信作为 电磁波 的两种典型应用 。 我们考虑 , 假如一个系 统 同 时 具备
  雷达探测和通信 的功能 , 那 么有一些如 下 的优势 :
   (1 ) 可最大 限度利用共 用 基础 设施和设备 。 雷达系 统和通信系 统之 间 存在一些相 同 的结构 , 假使能够 在两个系 统相互不干扰 的情况 下共用 这坠设备化及基础设施 , 那么 可 W在减小 系 统复杂度 的 条件下大大减低系 统建设成本, 并且融合后 的 系统可 レッ兼 具雷达探测 功 能 及通信功 能 。
   ( 2) 形成大 范围 区域的 实时监控。 雷达系 统一旦和通信系 统一体化 , 可形成多部雷达组网 , 多 部雷达可 W 对某一区 域的 多 个 目 标进行探测 , 再将探测结果通过通信系 统实时传送给监控端 ,一体化的 系统 能够在 同时 满足区域通信 需求 的前提 下 , 再对该区域形成全方位髙效率 的监控 。
   区域通信 需求 的前提 下 , 再对该区域形成全方位髙效率 的监控 。
  基于上述对雷达探测 和无线通信 系统集成可能性和可 行性 的分析 , 高铁场景下 集超 宽 带毫 米波通信与 毫米波探测 技术为一体 的系 统 同 时具 备无线传 输功能W 及灾害监测与 预酱功能。 该系统相对于其他灾害监测与 预警技术有着其他 巨大优势 , 具体体现在 ;
  (1 ) 共站址 : 毫米波探测 设备设置于 较为坚固 的基站塔上 , 灾害 监测预警设各本 身不 易 受到灾 害 的破坏 ;
   ( 2) 共回 传 : 毫米波探测对 自 然灾 害 探测的相 关数据和结果可 W 通过基站 和回传系 统快速传输到监测 设备上进行处理 ;
   ( 3)全天候 : 毫米波探测对工作 环境的 要求低 , 可进巧全天候、 大范围 、 快速 的灾 害检测;
   4) 精度高 : 毫米波探测 能进行 及时且 准确度较高 的 灾害 检测 与 预答, 这一点在雷达技术应用 于其他巧 业中 也得 到 了 证 明 , 如 雷 达对灾 害性天气 检测 、 对地质 灾 害 的 检测 等等。
  所 以, 无论是无线通信方面还是 灾 害监测方面 , 安 全基站相对于其他设备都具 有明 显 的优势 , 以 及强大的 竞争力 。 有 巨 大潜力 成为 应用 于 髙铁的 主流无线通信 及灾害 监测系 统 。
高 铁无线通信和 毫米波探测 融合系 统功能组成
  高铁无线通信和毫 米波探测 融合系 统需 求分析
  毫米波探测 需求
  集无线通信 与 探测 为一体的 安 全基站 , 不仅在列 车来时为 高铁旅客提供无线业务 , 更应提前 完成铁路沿线 的安 全监测 , 及时 对 即 将到 来的 列 车提前 预警 。 针对探测 雷达 的选择应考虑到 探测效率和沿铁路大量铺 设时 的成本 。 主要基于以下条件:
  (1 ) 探测 成本; 本系 统主要用 于 铁路周 边环境 的探测 , 为 了 对铁路沿线完成无死角覆盖 , 雷达波束应该 呈带状覆盖到铁路及铁路周 围 。 为 了 节约 建设成本 , 雷达系 统沿 用现在铁路通信 可利用 的基础设施 , 雷达 随基站共站址大量铺设 。
   ( 2) 探测距离 : 基站距离铁轨距离在 1 00m W 内 , 故雷 达的作 用 距离 5 00m 左右 即可 。 为 了 保证无覆盖盲 区 , 雷达和基站在铁奶两侧交织布站。
   (3 ) 探测分辨率: 对于线性调频分辨率雷达, 距离分辨率为A R = c /2 B , 假设 系统期望 最小 分辨单 元大小AR 为0. 5 m , 相应系 统带宽为 3 00MHz 。 表3 -1 为雷达工作带宽和 距离分辨率的 对应 关系 。

     线性调 频连续波雷 达满足本课题高铁环境下 的探测 。 并且, 雷达多 天线技术可 W 满足 同时 对多个物体进行检测 。 此外, 线性调频连续波的显 著持点 之一是采用毫米波集成技术 , 使得雷达成本和体积大幅度下 降而探测可靠性提高 。 综合 W 上优 点 , 线性调 频连续波 雷达可作为本课题 的探测系 统 。
  毫米波通信需求
  ( 1 ) 通信 容量大 : 为 了 满足未 来髙铁大 容量 髙速无 线业务的 需 求 , 期望 通信系 统在静止工作条件下 吞吐率不 低于 I Gbps 。 毫米波频段可用 频谱范 围非常 高 , 可实现大容 量 , 高速率无线通信 。
  ( 2) 通信质 量高; 通信 系 统干扰尽可能小 , 电磁传播链路稳定 可靠 。
   目 前 已 经很难在低频段找到可用 的且连续 的 宽带 频谱资源 , 无线通信 正在考虑采用 更高 的 频段。 虽 然高频段 的可用频谱 资源丰富 , 但还要综合考虑 无线通信系统 的安全性 ( 尽量选择授权频段, 避 免受到其他系 统的干扰 ) 、 有效性 ( 结合髙频段无线 电 的射频传 播特性 , 确 保系统 的有效设计 ) 、 连续 性 ( 具有连续 的大宽带 ) 、 易 于 实现性 。

   在毫米波频段上进行通信会遭遇更 大 的路径损 耗, 路损模型 采用 Hata 模型 , 可由 下 式计算 :

   其中 d 表示信号发送端与 接收端之间距离 , fc 表示载波频率 。 W 载频 6GHz 为例 ,路径损耗在传输距离 为 1 km 的条件 约 1 05 犯, 且载频越高损耗越严重 。 为 了 克服毫米波频段的 路径 损耗 , 系 统将采用 波束赋形技术。 波束赋形技术可获得窄波束, 集中 发射能量 , 获得更髙 的増 益 。
高铁无线通信和毫米波探测融合系统结构
雷达探测 和无线通信 融合系统按照 实现方式可分为 :一体化波形法和 时 域双工法 。 时 域双工法将时 间 分为一个个时隙 , 系 统在每一个时 隙 中 雷达探测模 式和无线通信模式交替 工作。 系 统分时 发送雷达信 号和 通信信 号 , 极大的 降低 了 系 统信 号处理难度和两种工作模式 的干扰。 目 前 , 智 能交通系 统 中 采取了 时域双 工法用 于汽 车续航控 制, 可用 于车辆 间 测距和通信 .体化波形法主 要思想是将雷达信 号 和通信信 号混合, 对混合信号的解调 既可 1^^ 1 探测 目 标也可 (^;传输数据 。一体化波形法共用 接收机和发射机 , 系 统融合化程度最髙但 是设计也最为 困难。美 国 加 州 大学圣芭芭分校等采用 扩频调制 的 线性调频信 号 ,同 时实现 1 Mbps 的通信数据率和 99%的 雷达检测 率.法 国 压NN 研究 院采用脉冲位置调 制 技术控 制脉冲雷达 , 使其同 时传输通信数据.
   图  所 为高铁场景下 雷达探测 和无线通信一体化系统 的功 能结构 。 在 高铁无线通信 中 , 铁路沿线通信基站为 列车服务时 间 极短, 而处于空闲状态 的 时间可能髙达 95 %。 加么 , 高铁提速也 为高 铁的 安全运维 带来 了一定程度 的 安全隐患 ,假 设列 车 即 将经过的 区 域 , 有 异物入侵情况 , 若该情况 未提前探测到 , 无法做 出提前预 答, 列 车快速通过时 可能造成重大损失 。 因此, 本课题考虑在高铁无线通信 系统 中 , 加入雷达探测功 能 , 使得该融合系 统为列 车旅客提供 高速无线业务 的同 时, 随 时探测铁路周 边环境 , 为即 将到 来 的列 车和地面监测 中 也提前预警 。 为了 降低融合系 统设计 难度 , 减少 列车髙速通过小 区 带来频繁切换的 问 题 , 系 统接入网采用 BBU+RRU 云架构 , 且雷 达收发端利用 现有通信基站资源 , 共站址建设。 探测 回 波信息可 &通过 RRU 高速 回 传到 BB U 中 处理 , 使得探 测数据 能够及 时传 回 给监测 中 屯、。由 于探测和 通信都采用 毫米波频段 , 因 此融合系统采取时分双工模式 工作。避免两套系 统间相 互干扰 ,且 时分双工 模式更 易 于实现 。 列 车 通过时 , 毫米波频段 RRU 负 责 通 当 无列车通过 时 , 毫米波频段 RRU 对轨道周 边环境进行探测 , 雷达波束对周 边环境进行分区域扫 描 , 回波传 回 BBU 进行数字信号 处理 , 最后 将 目 标检测 结果通过铁路专 网传 回监控 中 也 。 对于整 个系 统, 雷 达 目 标 检测 结 果直接决定 整个系 统性能好坏 。

   高 铁无线通信与 毫米波探测 融合架构
   考虑 到毫 米波 频段频谱 资源 较为丰 富且可 用 带 宽较 宽 , 可满足高 铁通信 系 统无线 业务 的 需求 W 及雷 达探测 分 辨 率 的 需求 , 系统 采用 毫米波频段 。 在 高 铁场景下 , 列 车 的高 速 移动 将 导致频繁 的越 区 切 换 , 导 致无 线 通信 系 统 的 切换成功 率 降低 。 若 再采用 毫 米 波频段 , 使 得 覆盖 范 围缩 小 ,越 区 切 换 更为 严 重 。 为 了 解 决该问 题 , 本 文 中 提 出 的 探测 与 通 信 融 合架 构 是 基 于 C- RAN 云 架 构 进 行部 署 的。

在 C- RAN 网 络 中 , 基站 的 基带 处理 单元 集 中 起来放在 B B U 中 , RRU 端 只有 射频 模块 。 连接到 同一个 B B U 池 的 RRU 组成一个逻辑 小 区 , 当 列 车行驶过这一逻辑小 区 时不发 生切换 , 降 低 了 切 换频率 , 提高 了 链路鲁 棒性 [3 5 ]。 云 架 构的 另一个优 点 就 是 可 W 提 高 网 络 资 源 的 使 用 效率 。 在 云 无 线 接入网 络架构 中 ,RR U 只 负 责信 号 的 收 发 ,所 有信 号 的 处理 都集 中 在 B BU 虚 拟池 中 。 并且 , BB U虚拟 池 中 的 资源能 够 进行 实 时 的负 载均衡 。 此外 , 在 C - RAN 网 络 中 , 还能采 用协作 技术 , 如 多 点 协作传 输 。对信 息进行 联合 处理 , C o MP 通过使用 信 道信 息 实现天线 的 协 作 , 提 高网 络频谱效率 , 从而降低 设备 功 耗。
   如 图 所示 , 基于 云 架 构 部署 的探测 与通信 融合 网 络架 构主 要 由 B B U 池 、高速 交换结 构 、 低频授权频段 RRU 与 毫米波频段 RR U 组成 , 所有 RRU 通过光纤连接 到 高速交 换 结 构 , 高速交 换结 构再通过光纤连 接到 B B U 池 。 毫米波频段拥有较 宽 的 未 开发 的 连续频谱 , 可 W 大幅度增 强 无线 通信 系 统 的传输容量 。 然而 ,对 比 现 有授权低 频频段, 毫 米波波 频段的 覆盖 范 围 受 限 、 传 输可靠性 较低 , 这对于 高铁场景 下 低 容量高可靠类 的重要 数据 传输是 不利 的 。 基于此 , 为 了 在 增 强 系统 容量 的 同 时 保障 传输可靠性 , 提 出 的探 测 与通信 融合 网 络架 构中 采用 了 两种 工作频段 , 分别 为 公 网 或专网 授 权频段与毫米波 频段 。 相 应地 , 部署两 类 民艮U ,分别 为 公 网 或专 网 授权频 段 RRU 与 毫米波 频段 RRU , 其 中 , 公 网 或专 网 授权频段 RRU 按应用 场 景 需求采用 全 向 或定 向 天线 , 进行 大 范 围 覆 盖, 保障低 容量 可靠通信 数据 的传 输可 靠性; 毫米波频段 RRU 布 置天 线阵 , 采 用 波束赋形技术 进行 定 向 波束 覆 盖 , 分时 进行 环境探测 和 大 容 量通信 数据 传输。 在 一个 公 网 或专 网授权频段 RRU 的 覆盖 范 围 内 布置 多 个 毫米波频段 RRU。

   针对该 融 合架 构 , 文 献[ 3 6 ] 给 出 了 相 应的 物理层 帖 结 构 设计 , 具 体如 图 3- 3所示 。 其 中 , 公 网 或专 网授权频段物 理层 倾 全部用 于无线通信 峽 , 保障 重要 通信数据及 信令 传 输可 靠性及覆盖 。 毫米 波频段物理 层 侦 按 时 间 划 分为探 测收 与 无线通信 侦 ; 对于 探测 功 能 , 在探测 帖 时 间 内 , 毫米波频段 RRU 发送探测 信 号 , 并接收 回 波信 号 , 然后 将 回 波信 号 高速 回 传到 B B U 池做 处理 , 得到 环 境探测 结 果 ;
  对于通信 功 能 , 移 动 终端 同 时从属 于 两 个 RRU , 其 中 低容量可靠 通信 数据 ( 如预警信 息 ) 由 公 网 或专 网 授权频段 RR U 负 责收 发 , 大容量 非 可靠通信 数据 由 毫米波频段 RRU 在 无线 通信 峽时 间 内 进行 收发 。 同 时 , 环境探测 结 果按应 用 场 景需要 由 公 网 或专 网 授权频段 RRU 或 毫 米 波 频段 RRU 在无线通信 倾时 间 内 传输给移动 终 端 。 在 进行 毫 米波频段物理层顿 分配时 , 探测 帖 与 无线 通信顿 的 分配 比例 可按实 际场景 需 求进行 调 整 。 系 统 根据 列车 的无线通信 切换请求及 当 前 位置信息 等 判断 毫米波频段 RRU 覆 盖范 围 内 是 否有 列 车通过 。 当 有 列车 通过时 , 毫米波 频段全 部 用 于 通信 , 扩展 无线 通 信 容量 。 当 无 列车 通过时 , 采用 TDD ( Ti meDi vi s i o n D哗l ex ) 无线通信 系 统 , 毫米 波频段全部用 于 环境探巧[| 。

    高铁无 线通信和 探测 諫合架构下的 越 区切换硏 究
   本系 统 中 , 无线 通信 系统 负 责提 供通信 服务 , 雷 达探测 系 统 负 责环境探测 ,两 个 系统 交 替 工作 。 若一时 速高达 3 00km化 的列 车通 过半 径 I km 的 小 区 , 则 停留 在 小 区 时 间 仅 1 2 s 。 送意 味 着 , 该小 区 基站 为 列车 提供 1 2 s 通信 服 务后 ,应马上转为雷 达 探测模式 。 因 此 , 在 列车 高速移 动场 景 下 , 应 当 保 证雷 达系 统 和 通信系统之 间 平 稳而快速 的 切 换 。 对 于 无 线通信 系 统来说 , 切 换指 用 户 从一个基 站接收服 务转 为从另一个 基站接收 服务 的过程 。 从切 换 的类型 来看 , 高 速移 动环 境下的切 换为 小 区 间 水平 切 换 的 硬 切换 。 对 于 本 系 统来说, 按 照 3 3 节 所 设计 系 统根据 列车 的 无线 通信切 换 请求及 当 前位置信 息等 判 断毫米波频 段 民民U 覆盖范 围 内是 否有 列 车 通过 , 若 列车进入 从属于 该 RRU 小 区 的 范 围 时 , 毫米波频 段 RRU和 专 网/公网授权频段 RRU 提供通信功 能 ; 若列 车离开从属 于该 RRU 小 区 的范围时 , 毫米波频段 RRU 通信中 段 , 转为执行雷达探测任务 。 即 越区切换触发时 ,源小 区 的毫米波频段 RRU 执行通信-探测的模式切换 , 目 标 小 区 的毫米波频段RRU 执行探测 -通信的模 式切 换 。 为 了 保证雷达系 统和通信 系统之 间 顺利切 换 ,本文 需要对高铁无线通信 与 探测融合架构 下的越 区切换 问 题进行研 究 。
  传统的越 区切换 中 , 由 于信号质 量不稳定 , 产生兵巧效应 , 使得用 户 在源基站和 目 标基站之 间来 回 切换[ 3 7], 文献[ 3 8 ] 借助 了软切 换的方法提高 了 高铁场景下切换成功率, 文献[ 3 9]通过优化切换算法提高切换成功率 。 而对于本课题来说 ,当 切换发生时 , 列 车与源基站断 开连接 , 此时源基站马 上转为雷达模式 , 执行周边探测任务,一旦列 车与源基站断开 , 就不 可能再 次切 回 去 , 因 此并不存在兵巧效应 。 正因如此, 需 要列 车与 目 标基 站的连接最好一次就 能成功 , 且连上后不发生中 断 , 保持列车与 目 标基站之间的链路稳定可靠 。 此外 , 应简 化信令流程 , 缩短连接延时 , 使得列 车一旦 与源基站断开连接后 , 能尽快连上 目 标基站 。
  为 了 保证通信-探测 /探测-通信 的平稳过渡 , 本部分将 对两个 问 题展开研 妃( 1 ) 简化信令流程 , 降低模式间 切换时 延 。 ( 2 ) 提离列车与 目 标基站链路质 量 。
   现有 LTE- 切换方案
  如 图  LTE-A 系 统切 换过程分为四 个阶段 。 整个过程中 , 切换判决和切换执行直接关 系模式切换的成功 和失败, 应对切 换 的判 决算法和切 换执行的 机制进行研究 。 模式切换判 决采用 LTE- A 的 A3 事件 。 A3 事件通常用 于系 统 同频率切换判决。 LTE- R 越 区切换 的过程是移动 终端进 行测量 , 网 络端判定是否 切换 。在这个过程 中 , 移动终端测量服务基站和 相邻基站的信 道质 量 , 然后汇报给服务基站 , 最后 由 网 络端判决是否 发起切 换 。 越区切换 的判决 标准是根据参考信 号接收质 量 ( Reference S i gnal Rec eived Qual ity, RS RQ ) 、 参考信号 接受功 率 ( Refer en ceS i gnal Rece i ved Power , RS RP ) 和 接收信号强度指示 ( Receiv ed Si gnal St rengthIn dicat ion , 艮 SS I ) 。
  LT E-A 采用硬切换 , 基本切换流程如 下 :
  (1 ) 切换测 量阶段 。 终端进行如 RS RP 、 RS RQ 、 RS SI 等的 相应测 量 , 经滤波后 , 判 断是否 需要上报相应事件 。
   (2) 巧 切换判 决阶段 。 基站收到来 自 终端 的测 量报 告 后 , 根据 切换判 决 条件决定是否切换 。 系 统内 同 频率切换最常采用 A3 事件作为判 决条件 。
   ( 3 ) 切换准 备阶段 。 源基站 发送切换请求命令, 目 标基站按照准入控制算法判断是否准入 。 目 标基站 同 意 终端接入后, 向 源基站 发送切换应 答信令 ( 信令包括了 分配给切换用 户 的 RAP ) 。
  ( 4) 切 换执行 阶 段 。 服 务 基 站 向 终端 用 户 发 送 切 换命令 ( 命 令包 括 己 分配 的RAP ) , 用户 断 开与 源基站 的连接 , 随 后 执行 同 步 和 随机接 入过程 。 目 标基站开始上行 资源分 配, 用 户成功 接入 目 标基站后 , 向 目 标基站 发送 切换完成命令 , 目 标基站可 W 开 始进行下行数据 的传输 。
  (5) 巧 切换完成阶段 。 该阶段主要完成相应 的 资源释放和 路径 转换功 能 。   

    高铁 无线通信和探测 融合架构下 的可 靠切 换
    于本系 统来 说 , 切 换 触发后 , 列车一旦 与 源基站 断 开 ,源基 站立马执 行雷达探测 任务 , 列车 无 法重新 连回 源 基站 。 因 此 , 需要 提 高列 车与 目 标基站连接 的成功 率 。 本节 主 要 在传 统硬切 换的 基础上 , 对 W 下 问 题进 行分析 : ( 1 ) 降低模式间 切 换 时延 。 ( 2 ) 提 高 列 车 与 目 标基站 链路 质 量 。

   图  为毫米波通信和 探测 融合架 构 下 的 切 换 场景 。 其 中 ,一个 公 网 或专 网授权频段 RRU 覆盖 多 个 RRU 。 公 网 或 专 网 授权 频段 RRU 由 于 传输稳定 性较高 ,采用 全 向 天线 实现全 向 覆盖 , 该 RRU 主 要 用于 重要信 令或数 据 的 传 输 。 而毫米波频段 RRU 由 于所处 频段较 高 ,路径损 耗严重 , 导致覆 盖 范 围 受 限 。但 其可利用 的带 宽 范 围 较大, 可 实 现大容 量 、 低 可靠 数据传输。 当 列 车沿铁轨行驶 时 , 需要在 不 同 毫 米波频段 RRU 形 成的 逻辑小 区 之间 进行越 区 切 换 , 而 由 于毫 米波频段传输可靠 性低于 低 频授权频段 , 列 车可 能会 面 临切 换失败或 者 切 换成功后 链路中 断 的 突发 情况。 在本 架 构 中 , 公 网 或专 网 低 频授权频段 RRU 链路可靠且 覆盖范 围 较广 , 除 了 传输重 要 信 令或数据 之外 , 还可 在 列车 无 法连上毫 米波 民RU 时 ,作为备用 链路 。
  因 此 , 本课题采取"双保 险"方 式解 决 W上 问 题 , 其一, 采取 改进 的 切换 算法, 简 化信 令 流程缩短 切 换时 间 。 并 且 , 切 换 时选择 目 标 小 区 中 大尺度 衰落最 小的 RRU 进行 数 据收 发 , W提 高切 换 的成 功率 ; 其 二 , 若 在 改 进 的切 换 方案下 ,列车 依 然 无法成功 切换到 目 标基站 , 或者在 目 标基站 范围 内 掉 线 , 那 么 启 用"离频掉线 , 低 频帮 忙" 措施 , 列 车可 连接到 网 络架 构 中 的 低频授权 频段的 RRU ,让低频授权 频段的 RRU 负 责数 据 收 发 。 其 中 , 高频和低频 分别 指 的 是毫 米波 RRU的工 作频段和 公 网 或专 网 低频授权频段 RR U 的 工作 频段 。 本方 案 的 基本流 程如图 3 -6 ;

    RRU 选择 方案
   本课题采用 毫米波 频段, 信号 路径损 耗 相 比低频授 权频段较 为严 重 , 且信号还受 到 大尺度 衰 落 的 影 响 。 本文 基于 BB U+ RRU 的 C -RAN 云接入 架构 , 借助于高铁场 景 下对 分 布式 天线 系 统 中 RAU 选择 方案 [40 ], W 降低 毫 米波受 大 尺度 衰落 的 影响 。 当 列车 进入重 叠 区 域时 , 对 目 标小 区 里 每个 艮RU 的 导频 信 号 进行周期 性 测量 。 列车通 过 滤波 , 获 取每 个 RRU 到 列车 的大尺度 衰 落信 息 后 。一旦满足切 换 条 件 , 列 车 通过测量把 目 标 小 区 内 大尺度衰落 最 小 的 RRU 编 号上报给 当前服务 基 站 。服务基 站 告么 g 标基站 , 目 标基站将所有 功 率都 分给 大尺度衰 落最小 的 RRU, 该 RRU 向 列 车提供数据 业务 , 使 得列 车与 RRU 之 间 的 保持 良 好 的链路状态。




   在本髙铁无线通信和雷达探测融合架构中 , 当 列 车发起切换后 , 若 目 标基站的 信号在某 一时刻发生深度衰落 , 使得 目 标基站的接收信 号强度低于 口 限 T ( 保证正常通信 的 最近接收信号 强度 ) 。 那么 , 列 车将不能顺利接到 目 标基站 , 又无法连 回 源基 站 ( 源基站 己 转为雷达模式 ) , 导致切 换失败。
  切换被触 发条件为 : 当列 车从 目 标小 区接收到 的信 号强度 比 当前服务小 区 接收信 号 强度 髙 出一个滞后 余量 H ( dB ) 。 切换概率可表示为:

   切 换信 令流程简 化 ;
  如 图  所示 , 简 化切换信令流程后 ,"双保险 "方案执行过程:
  (1 ) 服务基站提前对车载台指 明测量规则 , 并对置车载 的测量过程 ;
  (2) 车载 台按测 量规则进行测量 。 周 期 性地对服务小 区和 相 邻小 区 各个 RRU的信号 强度进行测 量, 并滤波获取大尺度衰落信 息 ;
  (3)当满足 A3 事件 , 车载台 发起切 换请求 。 请求命令 中 包含要求 目 标基站预留 的随机接入前导码 W及根据大尺度信 息选择的 目 标小 区 毫米波频段RRU ;
   ( 4) 源基站 向 目 标发送 切换请求命令 。 请求命令 中包 含要求 目 标基站预 留 的随机接入前 导 码 W 及根据大尺度信息选 择的 目 标小 区 毫米波频段 RRU ;同 时 , 源基站向 专 网/ 公网低频基站请求建立备用 通信链路。
   改进后 的 流程与 原流程相 比 , 用 户在 发送测量报告 时 , 指定预 留 RAP , 而不需要 经过 目 标基站分配 RAP , 再 由 服务基站通过切换命令告 知终端 。 由 此减少 了切 换请求信令传输和 处理时 间 , 简化信令流程 , 降低切换 时延 。 根据 图 3 ̄4和图 3-7 的切 换流程 , 可得表 3 -2 改进方案和 LTE- R 硬切 换时 延统计 。 假设所有信令一次传输成功 , 其 中 基站处理时 延为 5 ms , UE 处理时 长为 3 ms , 测量报告传输时 长巧切换命令传输时长为 1 1 ms , 切换请求传输时长和切换请求应 答传输时长为 I ms , 同 步时 间为 5 ms , 随机接入传输和随 机接入 响应传输为 5 ms。

   从表 中 可W 看 出 , 改进后 的切 换过稽总 时延 为 3 8ms , 传统 LT E- R 硬切换总 的 时延为 6 0ms , 方案改 进后 , 在 LTE- R 硬切 换的基础上节省 了 %%的 时 延。
   高频掉线 低频转发
   上述方 案通过简 化信 令, 缩短 了 切换 的 时延 ; 通过天线 选择 , 保障 了 链路稳定 性。 即 使 如此 , 为保证 系统 的 可 靠性, 本方 案 还应考 虑到最 坏 的情况 : 列 车成功 连上 目 标基站后 , 由 于 大 尺度 衰落 , 列 车突然掉 线 。 而本 文所提架 构 中 的低频授权频段 RRU 形成 的通信 链路相 对安 全可 靠 , 可让 低 频授权频 段 RRU 承担可靠 通信 的 任务 。
  如 图  所示 , 基于 云 架 构 的 探测 和 通信 融合架 构 部署 了 两 类 RR U ; 公 网或专 网 授权频段 民RU 与 毫米 波 频段 RRU 。 公 网或专 网 授权频段 RRU 相 当于宏 基站 , 覆盖 多 个毫 米波频段 RRU , 采用 全 向 或定 向 天 线 , 进 行大 范 围 覆 盖 , 保障可靠通信 数据 的传 输 , 可承 担 数 据 收 发 任务 。 图 3-7 为 雷达探测 和 通信 切换信 令流 程, 本 流程 中 , 服务基站 先 指 明 测 量 规则 , 车载 台 执行 信道 测 量并 进行切 换判决 , 切换 过程 相 当于 基站 辅助 移动 端判 决 的切 换 。一旦 满足 切 换条件 , 车载 台 向服务 基站 发送测 量 报告 。 测 量报告 包括列车 当前 位 置信 息 、 预 留 的 随 机接入前导码 RAP 、 目 标小 区 中 大尺度衰落 最 小 的 RRU 编号 。 随 后 ,服务 基站 向 目 标基站发送 切换请求 。 同 时 , 根据 列 车位置信 息 向 所在 宏小 区 的低频授权频 段基站发 送请 求 建 立 备 用 通信 链 路 的 请 求 ( 请 求 中 包 含 要 求宏 基站 预 留 随 机接 入前 导 码RAP ) 。 列 车随后执 行 正 常切 换过程 , 直到 切 换完 成 ; 但列 车一旦 从毫米波基站掉线 后 , 通过预留 的 备用 链 路 , 立马 主动 与 低频授 权频段基站 同 步 , 执行切 换过程, 直 到成功 连上低频授 权频段基 站 。

仿真结果及性能分析
  本节主要对 3 . 4. 2 节所提方案中 的 RRU 选择方案和传统 LTE- R 硬切换进行仿真 , 假设源小 区 i 和 目 标 小 区y 相距 2. 4km , 其坐标分别 为 0 和 2 . 4 , 每个小 区包含 4 个毫米波频段 RRU , 表 3 - 3 为仿真参数设置

   图  为列 车在从源小 区 向 目 标小 区 行驶过程中 , 在不同位置 的切换概率 。从图 3 - 8 中 可 [^^ 1 看 出 , 相同 位置下 , 本文所提"双保险" 切 换方 案的 切换触发率高于传 统硬切换 。 随着列 车越来越靠近 目 标小 区 _/ , 目 标小 区 中 毫米波频段 RRU信号増 强, 切 换触发概率逐渐上升 。 当 列车进入小 区y 时 , 切 换触发率接近 1 00% 。图 3-9 为两种 方案在不 同位置的切换成功 率比较 , 由 于 列 车在 于 目 标 RRU 连接之前, 对其大尺度衰落信息进 行了 分析 , 因此能 与 目 标小 区 保持稳定 的连接 , 仿真结 果表 明 ,"双保险" 切换方案在任何位置 的切 换成功 率都高于 LT E- R 硬切 换的成功 率。 图 3- 1 0 仿真 了 两 种切换方法在不 同 位置的链路中 断概率 ( 定 义为列车到接 收 目 标基站的 S INR 小 于 4犯 ) , 传统硬切换在小 区重叠 区间 链路 中 断率在 0-0. 1 2 之间波动 , 而 RRU 选择 方案的 中 断概率几乎保持较低值。



   基 于 高铁无 线 通信和探测 技术集成的 可行性和 可能 性 , 本章 主要分析 了 集无线通信 与雷 达探测 为一体 的颤合系 统 需求 , 并对系 统架构 进 行 了 设 计 。 其 中 基 于云 架 构 的 C -RAN 云 接入方案能够提 高 系 统 资源利 用 率 , 并 减 少 小 区 间 的 切换 次数 。 系 统 雷达探测 和 无线通 信 由 于 都 采用 毫米波 频段 , 为避 免 同 频干扰 , 两种 模式 W 时分 的 方式工作 。 传 统 的越 区 切 换中 , 由 于 信 号质 量不 稳定 , 产生兵兵 效应 ,使得用 户 在源基站 和 目 标基站之 间 来 回 切 换 。而对于 本 课题来说 , 当 切换发生时 ,列 车与 源基站 断开 连接 , 此时 源基站 马上 转为 雷 达模式 , 执行 周 边 探测 任 务 ,一旦 列 车 与源基站断 开 , 就 不 可 能 再次切 回 去 。 因 此 , 需 要 列 车 与 目 标基站 的 连接最好一次 就能 成 功 , 且连 上 后 不 发 生 中 断 , 保 持列车与 目 标基站 之间 的 链路稳定可靠 。 此外 , 应简 化信令 流程, 缩 短连接延 时 , 使 得列 车一旦 与 源基站断 开连 接后 , 能尽快连上 目 标基站 。 本章 所提 出 的"双保 险"方 案 , 在提 高 切换 成功 率 的同 时 , 保证 了 列 车在 高铁 场景 下 的可 靠通 信 。 仿 真结 果表 明 ,"双 保 险" 切 换方案与 传统 LTE - R 硬 切换相 比 , 在切 换成功 率和 链路 中 断 率上都有 明 显 优势 。
购线网www.gooxian.com 专业定制各类测试线(同轴线、香蕉头测试线,低噪线等)。

0
分享淘帖 显示全部楼层

评论

高级模式
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

发资料
课程
    关闭

    站长推荐 上一条 /8 下一条

    快速回复 返回顶部 返回列表