一种针对高速铁路的主备份中继切换方法

一种针对高速铁路的主备份中继切换方法
【专利摘要】本发明提供了一种高速铁路环境下TD-LTE系统基于主备份中继切换的网络架构。该架构在车头增加主中继、车尾增加备份中继并加入中继控制单元来实现切换时主备份交替承载数据流；主备份中继属于两个不同终端并且同时和源基站相连接，没有发生切换时中继控制单元控制数据流通过主中继转发。发生切换时，主中继通过中继控制单元控制备份中继激活并转换承载数据流，主中继切换完成后恢复主中继转发数据流。此方法减少了切换时延，尤其是降低了LTE系统硬切换所造成的因无线链路失败所导致的掉话现象。该方法解决了在高速移动环境下的快速切换问题，降低通信掉话次数，提高切换成功率，增强高速宽带移动业务的服务质量。
【专利说明】一种针对高速铁路的主备份中继切换方法

【技术领域】
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[0001]本发明针对高速铁路无线专网时分双工长期演进技术(Time-Divis1nDuplexLong Term Evolut1n, TDD-LTE或TD-LTE)通信系统的小区切换频繁，切换时间短，切换成功率高的要求，提出一种基于主备份中继切换方法的网络架构。该方法可应用于TD-LTE、频分双工长期演进技术(Frequency-Divis1n Duplex Long Term Evolut1n, FDD-LTE 或FD-LTE)通信系统在高铁环境下基于主备份中继切换算法中。

【背景技术】
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[0002]高速铁路已成为我国交通运输体系的一个重要组成部分，高铁建设与运营的快速发展以及列车中多媒体业务需求的急剧增长对通信技术的发展提出了更高的要求，由于高速列车运行速度快且无线信号穿透列车车体的损耗大，不仅无线信号衰减严重，同时多普勒效应明显且越区切换频繁，导致车载用户在使用过程中出现频繁的掉话、无法接通和语音断续等现象。因此如何在终端高速移动的情况下提供良好的通信网络服务质量成为广泛关注的焦点。
[0003]传统的铁路专用全球无线通信系统GSM_R(Global System for MobileCommunicat1ns-RaiIway)有一定的局限性。在业务方面，只提供文本、语音以及列车控制信息，无法满足web浏览、视频传输等大数据量、高传输速率的多媒体业务；在切换控制方面，采用双层架构、双天线模型的切换机制来解决车体内大量用户的切换问题，但是不能克服列车高速移动时由于切换频繁所造成的大量掉话现象。LTE系统理论上可以提供高达10Mbps的下行数据速率，并能支持语音和多媒体等多种业务，是未来通信发展的方向，也必然是铁路通信系统的基础，然而，高铁中应用LTE系统也面临巨大的挑战，最大的挑战来自于终端高速移动情况下越区切换性能的提高。
[0004]通常，由于LTE系统架构的扁平化，减少了 RNC网络控制器，所以LTE系统中只支持硬切换不支持软切换，这就导致LTE系统切换中断时延过大，影响用户体验。考虑到高速铁路环境下LTE专网特性，并且高速铁路列车一般长度为200米，LTE小区覆盖重叠区长度为200米，因此当列车头抵达切换带时，列车车尾一般还处于源小区，因此可以考虑在列车车头车尾各设置一个车载台，车头车载台为主中继，车尾车载台为辅中继，并在列车上增加一个控制单元来控制整个主备份中继切换的过程。


【发明内容】

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[0005]本发明旨在针对高速铁路无线专网TD-LTE通信系统的快速切换要求，提出了一种基于主备份中继切换网络架构，即针对高速铁路TD-LTE专网环境，在高速铁路列车车头车尾各设置一个中继天线，同时增设一个控制单元来实现“虚拟切换”，理论上能够有效简化切换过程，降低网络切换时延，甚至达到无缝切换。解决在高速移动环境下的快速切换问题，降低通信掉话次数，提高切换成功率，增强高速宽带移动业务的服务质量。
[0006]该发明实施为了达到上述的目标采用以下技术方案，具体步骤如下:
[0007]1、针对车内不同接入设备，如2G、3G、4G、WIFI等多种接入设备，开发一个多模网关，此网关负责将车内用户数据收集汇聚起来并封装成TD-LTE数据格式包并将从中继上接收的用户下行数据转发给车内接入设备。
[0008]2、开发一个位于车头和车尾的主备份中继设备，此设备功能类似于移动UE终端，利用此终端可以和eNodeB基站进行通信，负责转发由车内多模网关封装好的TD-LTE数据格式包并将基站下行数据转发给车内多模网关。
[0009]3、开发一个主备份中继的控制单元，此控制单元用来控制主备份中继的工作流程，并控制多模网关与主备份中继的数据交互流程。
[0010]4、为本架构开发控制协议栈，在控制单元与其他单元通信时进行协议控制；
[0011]5、基于本网络架构的主备份中继切换采用如下过程:
[0012]步骤1:高速列车车头和车尾都属于一个小区，此时主中继和备份中继都和小区基站建立连接，其中车内多模网关数据通过主中继向基站进行转发，辅中继不转发数据只和小区基站保持附着状态。
[0013]步骤2:高速铁路列车车头进入源目的小区切换重叠区，车头主中继开始测量源目的小区服务质量，并上报测量报告，其中测量报告包括源目的小区服务质量和GPS地理位置信息。
[0014]步骤3:源小区基站根据测量报告信息得到列车车头主中继地理位置，当此位置和预设基于地理位置切换算法切换参考点相差某一门限时，向主中继发送虚拟切换命令，主中继收到命令后向控制单元发送虚拟切换命令，主控制单元收到命令后向备用中继发送激活命令。
[0015]步骤4:备用中继向源小区基站发送转换路径请求命令，请求将转发给主中继数据流重定向为备用中继。
[0016]步骤5:源小区基站接收到数据流重定向命令后向MME管理实体发送数据流重定向命令，请求将原主中继数据流重定向到备用中继。
[0017]步骤6:MME管理实体将下行数据流重定向为备用中继，并给备用中继应答命令，指示数据流重定向完成。
[0018]步骤7:备用中继向控制单元发送流重定向完成命令，控制单元开始将车内多模网关数据转发给备用中继，通过备用中继与小区进行通信。控制单元向主中继发送主备份中继切换完成命令。
[0019]步骤8:主中继收到主备份中继切换完成命令后，断开与源小区基站相连，并侦听目的基站下行导频信号和广播信号随机接入目的小区基站。此过程可为普通UE随机接入流程。
[0020]步骤9:主中继随机接入目的小区基站成功，向控制单元发送实际切换完成命令请求将数据流重定向为主中继，控制单元向主中继发送数据重定向响应命令，主中继向目的基站小区发送数据流重定向命令。目的小区基站收到命令后向MME管理实体发送数据了重定向命令。
[0021]步骤10:MME管理实体向S-GW发送数据重定向命令，下行数据流重定向于主中继，主中继向控制单元发送数据流重定向完成命令，控制单元给备用中继发送关闭命令。
[0022]步骤11:备用中继收到关闭命令，断开与源小区基站连接，并尝试随机接入目的小区基站。于此，整个主中继备份切换完成，利用此切换网络架构和方法，可以有效降低切换中断时延，改善高速铁路环境下TD-LTE切换性能，增强用户体验。

【专利附图】

【附图说明】
[0023]图1高铁场景主备份中继切换网络架构图
[0024]图2基于主备份中继切换示意图
[0025]图3基于主备份中继切换信令流程图

【具体实施方式】
[0026]下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例只是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0027]图1是本发明提出的一种针对高速铁路主备份中继切换的网络架构架构图，现对该架构图中各个部分说明如下:
[0028]1.核心:控制单元。控制单元位于主备份中继和车内多模网关的中心。其中主备份中继和车内多模网关分别通过有线方式与控制单元相连，便于各模块之间进行数据交互和信令交互控制。控制单元主要有三个功能单元:1)数据处理模块，负责将车内多模网关所汇聚的车内各接入设备上行数据进行处理，并统一封装成适用于TD-LTE传输的帧结构数据包。并将下行数据包进行解包，取出各个车内终端不同数据流2)数据转发模块，负责将上行封装好数据转发给中继并将解包后的下行数据流转发给车内多模网关。3)数据转发控制模块，负责决定将数据处理模块封装好的数据包通过哪个中继进行转发。通过虚拟切换命令控制主备份中继激活和关闭状态，控制主备份中继之间的切换。
[0029]2.车顶中继设备:车顶中继设备在功能上和一个正常TD-LTE系统终端一样，具有接入TD-LTE网络功能并进行上下行LTE数据传输，同时位于列车车头的主中继和位于车尾的备份中继同时利用有线同控制单元相连，并和控制单元进行控制信令交互，如中继的激活关闭及数据流重定向信令。
[0030]3.车内多模网关:车内多模网关负责接入车内的不同通信制式的终端设备，如使用2G、3G、4G或是WIFI通信制式的用户终端设备。并为每个终端分配统一用户标识码，现简称为WD。车内多模网关和控制单元之间利用有线进行连接，车内多模网关将接入的不同数据流封装成统一的数据格式，在包头加入用户终端标识码WD并通过有线通路传送给控制单元，控制单元将数据流统一封装成TD-LTE数据包格式通过中继进行转发。车内多模网关对于从控制单元接收而来的下行数据流进行解包并通过用户终端标识码识别数据流向，转发给相应的用户终端设备。
[0031]4.运行规则:协议栈，为了配合此主备份中继切换系统，需要开发控制单元和中继之间以及控制单元和车内多模网关之间的通信控制协议。
[0032]图2是本主备份中继切换示意图，现对图2进行说明:
[0033]当列车车头未进入切换带时，主备份中继都和源小区基站相连接，并在源小区基站上注册。但备份中继并不转发数据，只有主中继负责数据的转发。当列车车头主中继进入切换带时，主中继开始发送测量报告，备份中继开始承担数据传输。主中继切换完成后重新承担数据传输。
[0034]图3是本主备份中继切换网络架构切换信令流程图。现对图3各个主要步骤进行说明如下:
[0035]I)列车未进入切换带，主备份中继都和源基站连接，主中继负责车内用户数据传输。
[0036]2)列车头进入切换带，车头主中继开始上报包含位置及速度信息的测量报告。源基站根据测量报告进行虚拟切换判决，向主中继发送虚拟切换命令。
[0037]3)主中继向控制单元发送虚拟切换命令。
[0038]4)控制单元向备用中继发送激活命令。
[0039]5)备用中继根据控制单元发送过来的信息，向源基站发送路径转换请求命令。
[0040]6)源基站继而向MME移动管理实体发送路径转换请求命令。
[0041]7) MME移动管理实体向S-GW发送路径转换请求命令。
[0042]8) S-Gff服务网关向P-GW分组网关发送路径转换请求命令。
[0043]9) P-Gff收到路径转换命令向S-GW发送路径转换请求响应命令。
[0044]10) S-Gff收到路径转换请求响应命令向MME发送路径转换请求响应命令。
[0045]11) MME向源基站发送路径转换请求响应命令。
[0046]12)新路径建立完成，备份中继开始转发数据。备份中继向控制单元发送虚拟切换完成命令。
[0047]13)控制单元向主中继发送虚拟切换完成命令。
[0048]14)主中继断开与源小区基站连接，并尝试随机接入目的基站。
[0049]15)主中继接入目的基站成功，向控制单元发送接入成功命令。
[0050]16)控制单元收到接入成功命令向主中继发送激活命令。
[0051]17)主中继根据控制单元发送过来的信息，向目的基站发送路径转换请求命令。
[0052]18)目的基站继而向MME移动管理实体发送路径转换请求命令。
[0053]19) MME移动管理实体向S-GW发送路径转换请求命令。
[0054]20) S-Gff服务网关向P-GW分组网关发送路径转换请求命令。
[0055]21) P-Gff收到路径转换命令向S-GW发送路径转换请求响应命令。
[0056]22) S-Gff收到路径转换请求响应命令向MME发送路径转换请求响应命令。
[0057]23) MME向目的基站发送路径转换请求响应命令。
[0058]24)新路径建立完成，主中继开始转发数据。主中继向控制单元发送切换完成命令。
[0059]25)控制单元向备份中继发送切换完成命令。
[0060]26)备份中继断开与源小区基站的连接并尝试随机接入目的基站。至此整个基于主备份中继切换完成。
【权利要求】
1.一种基于高速铁路的TD-LTE通信系统中的主备份中继切换算法，其特征在于: I)所述算法网络架构包括车头车尾尾车载台、控制单元以及车内多模网关，控制单元对整个切换过程进行控制；2)所述网络切换算法核心思想是通过主中继发生切换时控制单元控制备份中继承载主中继数据流，以此降低切换中断时延，提高切换成功率。
2.根据权利要求1所述网络架构，其特征在于: 车内多模网关连接车内不同通信终端用户并为用户分配唯一的用户标识(UID)，并将不同UID数据流封装成带UID标识位的数据帧转发给控制单元，控制单元将接收而来数据帧转发给工作的中继。
3.根据权利要求1所述切换方法，其特征在于:1)列车在源小区内时，主中继负责转发车内用户上下行数据，车内多模网关负责耦合不同接入信号，控制单元将用户数据转发给主中继，控制单元负责控制主备份中继间的切换2)主中继发生切换，控制单元通知备份中继激活，备份中继请求数据路径转换3)备份中继激活成功，控制单元通知主中继进行切换。
4.根据权利要求3所述切换方法，进一步，主中继切换完成，请求数据路径转换，转换成功控制单元通知备份中继进行切换，备份中继切换完成，至此整个主备份中继切换算法完成。
【文档编号】H04W36/18GK104053201SQ201410320780
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年7月7日 优先权日:2014年7月7日
【发明者】武穆清, 张瑞, 葛顺明, 徐春秀, 万俊杰, 王华景, 林祥利, 缪伟忠, 周攀峰, 邸士萍, 曾祥兵, 葛淑云, 刘仲伟 申请人:北京邮电大学