一种基于快速切换模型的高铁5G-R无线通信算法的制作方法

一种基于快速切换模型的高铁5g-r无线通信算法
技术领域
1.发明涉及高铁，5g信号传输领域,尤其涉及一种基于快速切换模型的高铁5g-r无线通信算法。


背景技术：

2.中国已发展高速铁路3.8万公里，占世界的三分之二以上。为了让运动员、记者、观众和服务人员在北京和张家口之间高效地往返于2022年北京冬奥会，一条时速350公里的铁路建成了，与此同时，世界各地都在建设高铁。
3.近年来，应用于铁路长期演进(lte-r)的无线通信一直在考虑中。然而，它的最大带宽只有20mhz，只能维持几十mbit/s的数据速率，不能满足gb/s级应用的要求。随着第五代移动网络(5g)的快速部署，铁路5g(5g-r)有望实现更高的数据速率、更低的通信延迟和更多的设备连接。然而，高速列车(高铁)的速度超过200km/h时，需要更频繁的切换和更短的时间通过两个相邻小区的重叠覆盖区域。此外，它可能导致无线通信指标的严重恶化，例如切换的延迟和切换的成功率，这类似于lte-r。无线网络优化可以有效地消除铁路沿线通信的干扰，避免无信号区域的存在，提高用户的感知能力。由于列车上用户设备(ue)的高速，5g-r无线通信面临着巨大的挑战。因此，高速铁路快速切换算法的开发对于支持200km/h的速度和5g-r的使用至关重要。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术存在的缺点与不足,本发明提供一种基于快速切换模型的高铁5g-r无线通信算法。
5.本发明所采用的的技术方案是，高铁5g-r的网络架构主要包括接入网、承载网、核心网三部分，支持信令、车载视频监控、视频监控等平滑稳定的关键通信业务，同时支持乘客高数据速率连接，建筑基带单元(bbu)或分布式单元(du)提供大规模的协同处理，实现大量的实时连接，前线运输网络由5g基站(gnodeb)和bbu/du通过大容量光纤组成，该网络将控制平面和用户平面完全解耦，然后对系统控制进行灵活重构，引入cloudran解决接入网重构的需求，如果有移动边缘计算服务器，它通常与集中式单元(cu)部署在同一组服务器中。
6.所述的，承载网在物理层上，分为前程、中程和回程，提出承载网中长途逻辑的概念，每个gnodeb包含两个扇区，公共通信系统通常包含三个扇区，在高铁专用通信系统中，将蜂窝结构改变为链结构，高铁以v的平均速度运行，通过gnodeb
(i-1)
(i＝1，2，
…
,n)，gnodebi和gnodeb
(i+1)
。
7.本发明中，高铁5g-r中的每个单元都有相应的接口连接，ng是接入网与核心网之间的接口，f1是cu和du的功能实体之间的接口，支持端点之间的信令交换和每个端点的数据传输，5g-r的空中接口是uu，它是ue和gnodeb之间的端口，为了区别于lte-r，将其定义为nr-uu。
8.本发明中，交接区规划，铁路宽度为w1，高铁宽度为w2，车站i、车站(i+1)、轨道中轴线两侧w2/2范围内的重叠区域为无线网络的交接区，车站的有效高度为如式(1)，h＝h1+h2+h3ꢀꢀꢀ
(1)，其中，h1、h2和h3分别表示站的高度、站基础平面和轨道平面之间的垂直距离，以及列车窗口几何中心与轨道平面之间的垂直距离。
9.本发明中，站间距d1是站i和站(i+1)之间的距离，如公式(2)所示：式(2)中，d2、d3和d4分别表示车站的覆盖半径、gnodeb和轨道之间的水平距离以及单向重叠覆盖区域的长度。
10.点o是ue在任何时刻的位置，点o
′
是两个站的切换位置，则高铁在切换滞后的情况下行进的距离为公式(3)所示：d＝d
5-d4ꢀꢀꢀꢀ
(3)。
11.移交过程取δt，移交区规划距离如式(4)所示，由于列车运行速度已知，小区覆盖能力有限，可以通过减小切换时延来减小切换区域，即增加gnodeb之间的间隔，降低5g-r的建设成本，随着高铁速度的不断提高，切换时延的减小可以保证ue在给定的切换区域内完成整个切换过程；d
han
＝2
×
d4＞2
×
(v
×
δt)
ꢀꢀ
(4)。
12.所述的切换过程包括三个阶段：测量、判断和执行，测量是由gnodeb发送给ue的无线资源控制(rrc)信息，包括对象、标识和类型，物理层滤波和rrc层滤波可以减小测量值的抖动幅度，根据测量配置参数的间隔周期报告测量，当满足切换规则触发xn/ng信令交互时，在切换完成后释放ue占用的scell’s资源。
13.本发明中，高铁运行速度，利用全球定位系统(gps)和北斗导航卫星系统(bds)的数据来源计算高铁速度,原始数据源经过坐标变换和偏移校正，并且消除异常采样点(距轨道曲线10米以上),瞬时速度基于公式(5)，式(5)中经纬度为r为地球半径，
△
t为两个采样点之间的间隔，
14.在时速350km/h、站间距2.5km的高铁方案下，列车通过单站覆盖区约需26s，在此基础上，在数据返回的26个有效周期内，对列车速度v进行一次计算，得到计算公式(6)，
15.本发明中，高铁运行方向，高铁无线通信建设完成后，列车上附加在ue上的scells信息和ncells信息具有很强的规律性，同一线上不同方向的两个终端的切换链序列相反，在切换链中，如果gnodebi是scell，那么gnodeb
(i-1)
和gnodeb
(i+1)
是ncells，在时刻t1，gnodeb
(i-1)
和gnodeb
(i+1)
的参考信号接收功率分别为ss-rsrp
(i-1)
和ss-rsrp
(i+1)
，在时刻t2，参考信号接收功率分别是ss-rsrp
(i-1)’和ss-rsrp
(i+1)’，当等式(7)和(8)都满足时，列车向
前移动，并选择前方的移交链，当等式(7)和(8)不能同时满足时，列车反向移动并选择反向移交链，当方程(7)和(8)满足其中一个时，重新进行测量和计算，ss-rsrp
′
(i-1)-ss-rsrp
(i-1)
＜0
ꢀꢀꢀ
(7)，ss-rsrp
′
(i+1)-ss-rsrp
(i+1)
＞0
ꢀꢀ
(8)。
16.本发明中，快速切换算法的实现过程包括ue的速度判定和位置识别，以及切换权值计算。
17.本发明中，速度判定,当ue的移动速度v小于v
thr’时，即满足等式(10),当ncell的服务质量好于scell，并且持续时间满足ttt时，则开始a3的切换,同频段切换条件为:mn+ocn-hys＞ms+ocs+off
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)。
18.其中mn是ncell的ss-rsrp测量值，ms是scell的ss-rsrp测量值，ocn是ncell的偏移值，ocs是源小区的偏移值，hys是切换滞后，off是切换偏差,当ue的移动速度不小于v
thr’时，即当满足等式(11)时，执行位置识别，v＜v
thr
ꢀꢀ
(10)，υ≥v
thr
ꢀꢀ
(11)。
19.本发明中，ue的位置识别,利用基于模糊聚类指纹数据库的ue定位算法，该算法在gps和bds信号丢失的情况下获得实时的位置信息,为ue估计位置的坐标，为ncell的坐标，ue与ncell的距离为如式(12)，
20.如果ue和ncell之间的距离
△
d不小于dthr’，即满足等式(13)，则ue的位置信息被连续更新；如果
△
d小于dthr’，即满足等式(14)，则计算切换的权重，δd＞d
thr
ꢀꢀ
(13)，δd＜d
thr
ꢀꢀ
(14)。
21.本发明中，切换权值计算,ue在高铁5g-r无线通信中获得的hsrs值范围为-156dbm～-31dbm，ss-rsrq值范围为-43db～20db，ss-rsrpi和ss-rsrqi被归一化为pi和qi，ue的所有采样点的ss-rsrp和ss-rsrq被归一化为集合{p}和{q}，采样点i的权重计算结果di如式(15)所示，其中和分别是ncell和scell的权重，其中α(α[0，1])是权重因子,当di》0时，gnodeb发送切换命令,当di≤0，则重新计算切换的权重。
[0022]
快速切换算法的时延设为式(16)，式(16)中，tf(f＝1，2，
…
,n)是所有信号交互的延迟，包括测量、判断和执行，这些
都是端到端延迟的一部分；
[0023]
切换成功率的表达式是：其中nfai是失败的切换数，natt是尝试的切换数。
附图说明
[0024]
图1为本发明的高速铁路5g网络体系结构图
[0025]
图2为本发明的高铁5g-r各单元之间的接口图
[0026]
图3为本发明的移交区的模型图
[0027]
图4为本发明的主要交接流程图
[0028]
图5为本发明的信令过程中的快速切换算法图
[0029]
图6为本发明的
△
d与d
thr
关系图
[0030]
图7为本发明的快速切换算法流程图图
具体实施方式
[0031]
需要说明的是,在不冲突的情况下,本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互结合,下面结合附图和有具体实施例对本技术作进一步详细说明。
[0032]
如图1所示,一种基于快速切换模型的高铁5g-r无线通信算法，高铁5g-r的网络架构主要包括接入网、承载网、核心网三部分，支持信令、车载视频监控、视频监控等平滑稳定的关键通信业务，同时支持乘客高数据速率连接，建筑基带单元(bbu)或分布式单元(du)提供大规模的协同处理，实现大量的实时连接，前线运输网络由5g基站(gnodeb)和bbu/du通过大容量光纤组成，该网络将控制平面和用户平面完全解耦，然后对系统控制进行灵活重构，引入cloudran解决接入网重构的需求，如果有移动边缘计算服务器，它通常与集中式单元(cu)部署在同一组服务器中。
[0033]
所述的，承载网在物理层上，分为前程、中程和回程，提出承载网中长途逻辑的概念，每个gnodeb包含两个扇区，公共通信系统通常包含三个扇区，在高铁专用通信系统中，将蜂窝结构改变为链结构，高铁以v的平均速度运行，通过gnodeb
(i-1)
(i＝1，2，
…
,n)，gnodebi和gnodeb
(i+1)
。
[0034]
本发明中，如图2所示，铁5g-r中的每个单元都有相应的接口连接，ng是接入网与核心网之间的接口，f1是cu和du的功能实体之间的接口，支持端点之间的信令交换和每个端点的数据传输，5g-r的空中接口是uu，它是ue和gnodeb之间的端口，为了区别于lte-r，将其定义为nr-uu。
[0035]
本发明中，交接区规划，如图3所示，铁路宽度为w1，值为1435m(国际标准轨距)，高铁宽度为w2，值为3328m，车站i、车站(i+1)、轨道中轴线两侧w2/2范围内的重叠区域为无线网络的交接区，车站的有效高度为如式(1)，h＝h1+h
2-h3ꢀꢀ
(1)，其中，h1、h2和h3分别表示站的高度、站基础平面和轨道平面之间的垂直距离，以及列车窗口几何中心与轨道平面之间的垂直距离。
[0036]
本发明中，站间距d1是站i和站(i+1)之间的距离，如公式(2)所示：式(2)中，d2、d3和d4分别表示车站的覆盖半径、gnodeb和轨道之间的水平距离以及单向重叠覆盖区域的长度。
[0037]
点o是ue在任何时刻的位置，点o
′
是两个站的切换位置，则高铁在切换滞后的情况下行进的距离为公式(3)所示：d＝d
5-d4ꢀꢀ
(3)。
[0038]
移交过程取δt，移交区规划距离如式(4)所示，由于列车运行速度已知，小区覆盖能力有限，可以通过减小切换时延来减小切换区域，即增加gnodeb之间的间隔，降低5g-r的建设成本，随着高铁速度的不断提高，切换时延的减小可以保证ue在给定的切换区域内完成整个切换过程；d
han
＝2
×
d4＞2
×
(v
×
δt)
ꢀꢀ
(4)。
[0039]
如图4所示，所述的切换过程包括三个阶段：测量、判断和执行，测量是由gnodeb发送给ue的无线资源控制(rrc)信息，包括对象、标识和类型，物理层滤波和rrc层滤波可以减小测量值的抖动幅度，根据测量配置参数的间隔周期报告测量，当满足切换规则触发xn/ng信令交互时，在切换完成后释放ue占用的scell’s资源。
[0040]
快速切换算法的可行性分析，传统算法以测量报告中的ss-rsrp或ss-rsrq作为切换决策的依据。然而，快速衰落的影响会导致高速铁路无线信道中ss-rsrp或ss-rsrq的频繁波动，使得ue无法准确地切换到合适的ncell。链式结构一般用于沿铁路的网络覆盖，相邻的gnodeb交替分布在铁路两侧。当高铁移动时，ue所连接的小区的顺序是唯一的。通过实时计算可以获得ue的位置信息、移动速度和运行方向。根据高速列车的运行方向，确定其运行轨迹，ue的速度与列车的速度一致。
[0041]
这些特征不同于非高速铁路场景中ue移动范围和速度的随机性。在无线通信中，合理利用这些特性可以解决高铁系统中切换成功率、切换时延等性能指标恶化的问题。高速铁路5g-r无线通信中快速切换算法的信令过程如图5所示。列车的速度和方向以及ue的位置信息通过启动报告定期监控。
[0042]
本发明中，高铁运行速度，利用全球定位系统(gps)和北斗导航卫星系统(bds)的数据来源计算高铁速度,原始数据源经过坐标变换和偏移校正，并且消除异常采样点(距轨道曲线10米以上),瞬时速度基于公式(5)，式(5)中经纬度为r为地球半径，
△
t为两个采样点之间的间隔，
[0043]
在时速350km/h、站间距2.5km的高铁方案下，列车通过单站覆盖区约需26s，在此基础上，在数据返回的26个有效周期内，对列车速度v进行一次计算，得到计算公式(6)，
[0044]
本发明中，高铁运行方向，高铁无线通信建设完成后，列车上附加在ue上的scells信息和ncells信息具有很强的规律性，同一线上不同方向的两个终端的切换链序列相反，在切换链中，如果gnodebi是scell，那么gnodeb
(i-1)
和gnodeb
(i+1)
是ncells，在时刻t1，gnodeb
(i-1)
和gnodeb
(i+1)
的参考信号接收功率分别为ss-rsrp
(i-1)
和ss-rsrp
(i+1)
，在时刻t2，参考信号接收功率分别是ss-rsrp
(i-1)’和ss-rsrp
(i+1)’，当等式(7)和(8)都满足时，列车向前移动，并选择前方的移交链，当等式(7)和(8)不能同时满足时，列车反向移动并选择反向移交链，当方程(7)和(8)满足其中一个时，重新进行测量和计算，ss-rsrp
′
(i+1)-ss-rsrp
(i+1)
＜0
ꢀꢀ
(7)，ss-rsrp
′
(i+1)-ss-rsrp
(i+1)
＞0
ꢀꢀ
(8)。
[0045]
本发明中，快速切换算法的实现过程包括ue的速度判定和位置识别，以及切换权值计算。
[0046]
本发明中，速度判定,当ue的移动速度v小于v
thr’时，即满足等式(10),当ncell的服务质量好于scell，并且持续时间满足ttt时，则开始a3的切换,同频段切换条件为:mn+ocn-hys＞ms+ocs+off
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)。
[0047]
其中mn是ncell的ss-rsrp测量值，ms是scell的ss-rsrp测量值，ocn是ncell的偏移值，ocs是源小区的偏移值，hys是切换滞后，off是切换偏差,当ue的移动速度不小于v
thr’时，即当满足等式(11)时，执行位置识别，v＜v
thr
ꢀꢀ
(10)，v≥v
thr
ꢀꢀ
(11)。
[0048]
本发明中，ue的位置识别,利用基于模糊聚类指纹数据库的ue定位算法，该算法在gps和bds信号丢失的情况下获得实时的位置信息,为ue估计位置的坐标，为ncell的坐标，ue与ncell的距离为如式(12)，
[0049]
如果ue和ncell之间的距离
△
d不小于dthr’，即满足等式(13)，则ue的位置信息被连续更新；如果
△
d小于dthr’，即满足等式(14)，则计算切换的权重。δd≥d
thr
ꢀꢀ
(13)，δd＜d
thr
ꢀꢀ
(14)。
[0050]
如图6所示，假设两个enodebs的位置是a和b，即enodebs之间的距离d1＝ab，ue和ncell之间的距离阈值d
thr
＝d/2，aa'是gnodeb和轨道之间的垂直距离，aa'＝bb'。u和u'分别是ue的位置，bu和bu'是从ue到ncell的距离dd，c是ab和轨道的交点。
[0051]
本发明中，切换权值计算,根据大量的仿真实验和统计实测数据，ue在高铁5g-r无线通信中获得的hsrs值范围为-156dbm～-31dbm，ss-rsrq值范围为-43db～20db，ss-rsrpi和ss-rsrqi被归一化为pi和qi，ue的所有采样点的ss-rsrp和ss-rsrq被归一化为集合{p}和{q}，采样点i的权重计算结果di如式(15)所示，其中和分别是ncell和scell的权重，
其中α(α[0，1])是权重因子,当di》0时，gnodeb发送切换命令,当di≤0，则重新计算切换的权重；
[0052]
快速切换算法的时延设为式(16)，式(16)中，tf(f＝1，2，
…
,n)是所有信号交互的延迟，包括测量、判断和执行，这些都是端到端延迟的一部分，快速切换算法节省了测量配置和周期报告的时间开销，高铁5g-r无线通信中的快速切换算法流程图如图7所示。
[0053]
切换成功率是衡量无线通信的重要指标之一，它直接影响到丢包率和吞吐量等关键指标，切换成功率的表达式是：其中nfai是失败的切换数，natt是尝试的切换数，由大量实验数据得到当切换次数超过450次时，两种算法的切换成功率趋于稳定。
[0054]
在高铁场景下，gnodeb的有效覆盖距离与基站高度关系不大，但与gnodeb与轨道的水平距离有很强的相关性，这与非高铁有本质的区别。在不同的路径损耗模型和不同的区域类型下，无线信号的功率衰减值是不同的，因此在5g-r建设中有必要对其进行合理的区分和应用，当同时考虑大尺度衰落和阴影衰落时，轨道沿线gnodeb间重叠覆盖区域的设计比较复杂。
[0055]
5g-r中的切换过程可以通过切换区域的规划、高铁的速度估计和ue的位置识别以及切换权重的计算来优化，它能有效地减少切换时延，提高切换成功率，随着列车速度在150km～450km范围内的提高，快速切换算法的时延明显减小，高铁的速度与切换成功率成反比，该算法能提高切换成功率，未来，随着列车运行速度的不断提高，快速切换算法将变得越来越重要，随着6g技术的发展，快速算法可以进一步应用于具有明确运动轨迹、已知运行速度范围和可识别切换链等鲜明特征的高速铁路。
[0056]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例,对于本领域的普通技术人员而言,可以理解的是,在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型,本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。