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 。
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 。
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