本发明涉及一种用于轨道交通的车地无线通信 系统及其分区切换方法。 背景技术

随着社会经济的发展， 人类对高速交通的需求越来越迫切， 轨道交通是 其中最重要的交通系统。 高速轨道交通是一个复杂的大系统， 包括车辆、 牵 引供电、 运行控制、 轨道线路和车地通信等子系统。 车地通信系统为其它子 系统间的大量数据交流提供通道， 是高速轨道交通的重要组成部分。 车地通 信系统有多种实现方式， 主要有沿轨道铺设电缆环、 泄漏电缆、 裂缝波导和 安装无线电基站等方式。 目前常见有基于无线局域网 802.1 IX系列技术标准 和基于 GSM技术标准构建的通信系统，其中基于 GSM技术标准的系统相对 成熟。

GSM-R (Global System for Mobile Communication Railway) 已应用于高 铁运营中， GSM-R业务包括 GSM业务、 语音调度业务、 铁路基本业务和铁 路应用。

在 GSM-R系统中， 分区切换方法与 GSM的分区切换基本相同， 主要是 监测通信信号电平和质量来启动基站切换操作 的。 GSM-R的整个切换过程由 MS (移动台）、 BTS (基站收发信机）、 BSC (基站控制器） 和 MSC (移动 业务交换中心） 共同协调完成。 在 PSTN (公共交换电话网）、 ISDN (综合 业务数字网）、 PSDN (分组交换数据网） 及信令系统中， 由 MSC控制相应 的 NSS (网络子系统） 进行数据的交换。 其相关网络结构如图 1所示。 BSC 间的切换是 GSM-R系统中常见的切换。

GSM-R系统中， 分区切换过程可简单分为四个阶段： 测量、 触发、 选择 和执行过程。 MS负责测量无线子系统的下行链路性能和从周� ��基站中接收 的信号强度； BTS负责监视每个被服务的移动台的上行接收电 平和质量。 BTS 把它和移动台测量的结果送往 BSC。 最初的判决是由 BSC完成。 对从其它 BSS (基站子系统） 和 MSC发来的信息， 测量结果的判决是由 MSC来完成 的。

1 ) 测量过程

在 GSM-R系统中， BSC或 MSC对切换的判决取决于移动台周期性的向 网-络发送的对下行链路测量的报告， 以及基站对上行链路测量的报告， 这两 份测量报告将同时传送到 BSC或 MSC中进行判决。 MS发送的测量报告包 含了来自当前基站和邻近基站有关接收性能的 测量结果。

在 SACCH信道 （慢速随路控制信道） 的下行方向上， BTS向移动台发 送中包含本基站和邻基站参数设置状况的系统 消息。 移动台根据系统提供的 这些信息， 在通信过程中要向网络汇报本基站的接收电平 和信号质量及定时 提前量 （TA )、 功率控制和是否使用 DTX (非连续传送） 的情况， 此外还要 对系统所定义的切换邻基站来进行预同步并测 量它们的 BCCH (广播控制信 道） 频点的接收电平。 上行方向上， 移动台将把本测量周期内所测得的本基 站以及邻基站列表中的邻基站的信号状况， 通过 SACCH信道上报给系统。 系统将根据这些情况来进行切换判决。

2) 触发过程

基站将收集到的上、 下行测量报告发送到 BSC， 如图 2所示。

BSS (基站子系统） 将基站对上行链路的测量报告以及移动台关于 下行 链路的测量报告一起进行处理并进行分区切换 判决。 BSS将所获得的信号电 平、 信号质量、 定时提前量的测量样本值根据相关的参数设定 值进行算术平 均和加权平均。

在每个 SACCH复帧内， BSS把预处理后的测量结果与其相关的门限作 比较， 以判决是否触发切换过程。 触发切换过程的原因主要包括：

1、 质量切换：

如果当前链路信号质量大于信号质量切换门限 时，就可以执行质量切换。

2、 电平切换：

如果当前接收信号电平小于信号电平切换门限 时，就可以执行电平切换。

3、 距离切换：

如果移动台和基站间的距离大于最大允许距离 门限值， 就可以执行距离 切换。 3) 选择过程

GSM-R的选择过程要较 GSM简单很多。 移动台和基站免去了对若干邻 基站的测量， 也不用对众多合格基站进行冗长的排队和选择 。 如果采用的是 目标基站指定法， BSC或者 MSC只需要将指定的目标基站相应的参数从预 存储邻基站表中取出等待切换允许时发送即可 。 若没有采用目标基站指定法 时， BSC或者 MSC需要根据两个相邻基站的测量结果排队后选 择， 排在第 一位的将被作为目标基站。

4) 执行过程

分区切换执行过程的主要任务是分配、 激活相邻 BSC管理的一个新信 道， 使移动台的通话切换到新的信道上。 BSC间切换信令流程如图 3所示。

在这种切换方式中， MSC极大地参与了切换过程。 BSC需向 MSC请求 切换， 然后再建立 MSC与新的 BSC、 新的 BTS的链路。

旧 BSC把切换请求及切换目标小区标识一起发给 MSC， MSC判断是哪 个 BSC控制的 BTS， 并向新 BSC发送切换请求， 新 BSC要求 BTS激活一 个 TCH信道， 新 BSC把包含有频率、 时隙及发射功率的信息通过 MSC、 旧 BSC和旧 BTS传送给 MS， MS在新频率上发送接入突发脉冲， 新 BTS收到 后回送 TA值， MS发送切换成功， 随后释放旧的链路。

存在的问题：

通过以上传统的 GSM-R移动通信系统中分区切换过程描述可见， 分区 切换从根本上说是要解决两个问题： 切换目标 BSC管理的基站确定， 和切换 的触发时机问题。

目标 BSC管理的基站的确定现在普遍采用邻基站列表 方式 在切换的过 程中根据邻 BSC基站列表选择最优的基站作为目标基站；

切换的触发传统策略采用比较邻基站和当前基 站的接收信号电平以及信 号质量， 与切换的门限和滞后余量相比较来实现。 随之相继出现了以信号强 度、 距离、 信噪比、 误码率、 系统负荷以及它们的组合等为度量指标的切换 策略。 这些策略都是基于理想的物理平台， 即不考虑实际无线信道的可靠性 问题。

实际上， 由于无线通信环境复杂、 多变以及信道的开放性使得不可能用 精确的单一的数学模型来表示无线传输链路。 例如信号的强度、 干扰的大小 等， 所表示的是一个模糊的概念， 难以实现其高精度的实时测量， 极易产生 错误的切换判决。 特别是移动台刚好处于两个基站的交界点时， 会频繁地切 换， 即 "乒乓效应" ， 这对运行速度高达 500km/h速度的列车的通信将非常 不利。 发明的公开

本发明提供的一种用于轨道交通的车地无线通 信系统及其分区切换方 法， 不用监测接收电平、 信号质量及定时提前量， 而利用列车运行方向和位 置参数来进行分区切换。 .

为了达到上述目的，本发明提供一种用于轨道 交通的车地无线通信系统， 该系统包含车载部分和地面部分， 所述的车载部分和地面部分之间进行无线 通信。

所述的车载部分包含分别设置在车头的车头移 动台和设置在车尾的车尾 移动台， 以及连接车头移动台和车尾移动台的芋载移动 基站控制器。

车载移动基站控制器具有对外接口， 实现车载设备数据的接入。 所述的 车载移动基站控制器包含互为冗余的 Α环控制器和 B环控制器，分别控制车 头移动台和车尾移动台。

所述的车头移动台和车尾移动台上分别设置有 天线， 车头和车尾天线的 距离在 25至 200米之间。

所述的地面部分包含移动业务交换中心和若干 分区基站控制器， 所述的 移动业务交换中心和若干分区基站控制器具有 对外接口， 若干分区基站控制 器通过运行控制核心网与移动业务交换中心连 接。

每个所述的分区基站控制器包含 A环基站控制器和 B环基站控制器， A 环基站控制器和 B环基站控制器区互为冗余。

所述的 A环基站控制器通过光纤网络控制若干 A环固定基站，所述的 B 环基站控制器通过光纤网络控制若干 B环固定基站。

所述的 A环固定基站和 B环固定基站交错梳状排列分布。

相邻的 A环固定基站和 B环固定基站之间的间隔一般小于 1000m,同一 环内相邻固定基站的重叠覆盖区长度一般大于 50m， 固定基站盲区 （本基站 不能覆盖， 由相邻基站覆盖） 长度约为 40m。 本发明还提供一种适用于不同分区基站控制器 控制的分区切换方法， 包 含以下步骤：

步骤 1、 车载移动基站控制器 MBSC收集列车上的定位系统发送的列车 定位数据， 并将该数据传送给当前基站控制器 BSC 1。

步骤 2、 当前基站控制器 BSC 1将收到的列车定位数据与基站切换位置 参数进行对比， 判断列车是否进入了当前分区 1中最后一个 A环固定基站 An和 B环固定基站 Bn之间的某个位置 1 , 若是， 则执行步骤 3。

步骤 3、 当前基站控制器 BSC 1命令车载移动基站控制器 MBSC调出欲 切换分区 2的收发工作频率分配表， 进入分区切换准备状态。

步骤 4、 欲切换的基站控制器 BSC 2检查欲切换分区 1是否有空闲的信 道可用， 如果有， 则执行步骤 5， 如果没有， 则执行步骤 6。

步骤 5、 欲切换的基站控制器 BSC 2命令在列车将进入的欲切换分区 2 中最边沿的 A环固定基站 A1和 B环固定基站 B 1向车载移动基站控制器 MBSC发接应信号， 执行步骤 7。

步骤 6、 欲切换的基站控制器 BSC 2向列车运控系统上报准备交接失败 及其原因， 由列车运控系统处理后续操作。

步骤 7、 当前基站控制器 BSC 1判断列车是否进入了当前分区 1和欲切 换分区 2的重叠覆盖区内的某个位置 2， 若是， 则执行步骤 8。

步骤 8、 当前基站控制器 BSC 1向车载移动基站控制器 MBSC发出开始 分区切换命令。

步骤 9、车载移动基站控制器 MBSC切换车头移动台 MS— A和车尾移动 台 MS_B的移动基站前向收发器的工作频率与欲切� �分区 2进行通信， 当前 基站控制器 BSC 1控制下的分区 1中最后一个 A环固定基站 An和 B环固定 基站 Bn仍然与列车的车头移动台 MS_A和车尾移动台 MS_B的移动基站后 向收发器进行通信。

步骤 10、 车载移动基站控制器 MBSC判断是否在一个通信报文内与欲 切换分区 2的接应信号成功建立通信链路， 若是， 执行步骤 12， 若否， 执行 步骤 1 1。

步骤 1 1、车载移动基站控制器 MBSC上报当前分区 1的当前基站控制器 BSC 1及列车运控系统， 由列车运控系统处理后续操作。 步骤 12、主控权由当前分区 1交给欲切换分区 2 , 当列车经过位置 3 (分 区 2中最先一个 A环固定基站 A1和 B环固定基站 B 1之间的重叠覆盖区起 始位置）时， 欲切换的基站控制器 BSC 2向车载移动基站控制器 MBSC发出 切换移动基站后向收发器的工作频率指令。

步骤 13、 车载移动基站控制器 MBSC切换移动基站后向收发器的工作 频率与欲切换分区 2进行通信， 同时， 欲切换的基站控制器 BSC 2向列车运 控系统上报分区切换成功。

步骤 14、 列车运控系统确认列车已完全与欲切换分区 2正常通信后， 令 当前基站控制器 BSC 1释放当前分区 1中为列车分配的通信资源， 从而完成 分区切换。

本发明可以有效地提高分区切换的准确性， 减少不必要的切换， 增强了 无线通信的数据传输可靠性， 节省了基站设备成本， 降低了运营成本， 有助 于新的无线覆盖手段实现， 丰富了无线网络解决方案的内容。 附图的简要说明

图 1是背景技术的 GSM-R系统的网络结构示意图；

图 2是背景技术的 GSM-R系统中的信道监测结果上报流程示意图； 图 3是背景技术的 GSM-R系统中分区切换流程示意图；

图 4是本发明提供的用于轨道交通的车地无线通� �系统的车载部分的结 构示意图；

图 5是本发明提供的用于轨道交通的车地无线通� �系统的地面部分的结 构示意图；

图 6是本发明的列车定位信息传输示意图；

图 7为分区切换准备基站信号分布图。

图 8为分区切换时基站信号分布图 1。

图 9为分区切换时基站信号分布图 2。

图 10为分区切换成功后基站信号分布图。 实现本发明的最佳方式

以下根据图 4〜图 10， 具体说明本发明的较佳实施例： 本发明提供了一种用于轨道交通的车地无线通 信系统， 该系统包含车载 部分和地面部分， 所述的车载部分和地面部分之间进行无线通信 。

如图 4所示， 所述的车载部分包含分别设置在车头的移动台 MS_A.和设 置在车尾的移动台 MS_B， 以及连接车头移动台 MS— A和车尾移动台 MS— B 的车载移动基站控制器 MBSC。 车载移动基站控制器 MBSC具有对外接口， 实现车载设备数据的接入。所述的车载移动基 站控制器 MBSC包含互为冗余 的 A环控制器 MBSC A和 B环控制器 MBSC B，分别控制车头移动台 MS_A 和车尾移动台 MS_B。所述的车头移动台 MS_A和车尾移动台 MS_B上分别 设置有天线， 车头和车尾天线的距离在 25至 200米之间。

如图 5所示， 所述的地面部分包含移动业务交换中心 MSC和若干分区 基站控制器 BSC，所述的移动业务交换中心 MSC和若干分区基站控制器 BSC 具有对外接口， 若干分区基站控制器 BSC通过运行控制核心网 （WAN #1、 WAN #2 ) 与移动业务交换中心 MSC连接。

每个所述的分区基站控制器 BSC包含 A环基站控制器 BSC A和 B环基 站控制器 BSC B， A环基站控制器 BSC A和 B环基站控制器 BSC B区互为 冗余。

所述的 A环基站控制器 BSC A通过光纤网络控制若干 A环固定基站 BTS A，所述的 B环基站控制器 BSC B通过光纤网络控制若干 B环固定基站 BTS B。 所述的 A环固定基站 BTS A和 B环固定基站 BTS B交错梳状排列分布 在轨道边上。 相邻的 A环固定基站 BTS A和 B环固定基站 BTS B之间的间 隔一般小于 1000m,同一环内相邻固定基站的重叠覆盖区长度 一般大于 50m， 固定基站盲区 （本基站不能覆盖， 由相邻基站覆盖） 长度约为 40m。

列车从同一分区基站控制器 BSC管理的一个基站 BTS覆盖区进入相邻 另一基站 BTS的覆盖区时， 为了保证无中断的通信需要切换 BSC分区。

本发明提供了一种适用于不同分区基站控制器 控制的分区切换方法。 由于铁路环境的独特性， 无线覆盖主要沿铁路线呈带状覆盖。 对每一个 分区最多只有相邻的两个分区可供切换， 通过列车定位参数又可以确定列车 的运行方向， 这样我们就可以确定列车的切换目标分区及基 站， 极大的提高 了切换的效率， 比如本例中， 可确定分区 2是选择的目标分区， 分区 2的基 站 Al、 B1是选择的目标基站， 如图 7〜图 10所示。 本发明提供的一种适用于不同分区基站控制器 控制的分区切换方法， 包 含以下步骤：

步骤 1、 车载移动基站控制器 MBSC收集列车上的定位系统发送的列车 定位数据， 并将该数据传送给当前基站控制器 BSC 1。 （如图 6所示）

步骤 2、 当前基站控制器 BSC 1将收到的列车定位数据与基站切换位置 参数进行对比， 判断列车是否进入了当前分区 1中最后一个 A环固定基站 An和 B环固定基站 Bn之间的某个位置 1， 若是， 则执行步骤 3。 （如图 7所 示）

步骤 3、 当前基站控制器 BSC 1命令车载移动基站控制器 MBSC调出欲 切换分区 2的收发工作频率分配表， 进入分区切换准备状态。

步骤 4、 欲切换的基站控制器 BSC 2检査欲切换分区 2是否有空闲的信 道可用， 如果有， 则执行步骤 5， 如果没有， 则执行步骤 6。

步骤 5、 欲切换的基站控制器 BSC 2命令在列车将进入的欲切换分区 2 中最边沿的 A环固定基站 A1和 B环固定基站 B 1向车载移动基站控制器 MBSC发接应信号 （如图 7所示）， 执行步骤 7。

步骤 6、 欲切换的基站控制器 BSC 2向列车运控系统上报准备交接失败 及其原因， 由列车运控系统处理后续操作

步骤 7、 当前基站控制器 BSC 1判断列车是否进入了当前分区 1和欲切 换分区 2的重叠覆盖区内的某个位置 2, 若是， 则执行步骤 8。

步骤 8、 当前基站控制器 BSC 1向车载移动基站控制器 MBSC发出开始 分区切换命令。

步骤 9、车载移动基站控制器 MBSC切换车头移动台 MS— A和车尾移动 台 MS_B的移动基站前向收发器的工作频率与欲切� �分区 2进行通信， 当前 基站控制器 BSC 1控制下的分区 1中最后一个 A环固定基站 An和 B环固定 基站 Bn仍然与列车的车头移动台 MS— A和车尾移动台 MS— B的移动基站后 向收发器进行通信 （如图 8所示）。

步骤 10、 车载移动基站控制器 MBSC判断是否在一个通信报文内与欲 切换分区 2的接应信号成功建立通信链路， 若是， 执行步骤 12， 若否， 执行 步骤 11。

步骤 11、车载移动基站控制器 MBSC上报当前分区 1的当前基站控制器 BSC 1及列车运控系统， 由列车运控系统处理后续操作。

步骤 12、主控权由当前分区 1交给欲切换分区 2， 当列车经过位置 3 (分 区 2中最先一个 A环固定基站 A1和 B环固定基站 B 1之间的重叠覆盖区起 始位置）时，欲切换的基站控制器 BSC 2向车载移动基站控制器 MBSC发出 切换移动基站后向收发器的工作频率指令。

步骤 13、 车载移动基站控制器 MBSC切换移动基站后向收发器的工作 频率与欲切换分区 2进行通信 （如图 9所示）， 同时， 欲切换的基站控制器 BSC 2向列车运控系统上报分区切换成功。

步骤 14、 列车运控系统确认列车己完全与欲切换分区 2正常通信后， 令 当前基站控制器 BSC 1释放当前分区 1中为列车分配的通信资源， 从而完成 分区切换 （如图 10所示）。

关于位置 1、 2和 3的确定， 与现场基站的分布有关， 通过计算、 仿真和 实际测试得到， 并建成数据库保存在基站控制器 BSC内。

本发明利用列车运行方向和位置参数提出了一 种用于高速轨道交通的车 地无线通信分区切换方法， 这可提高运行速度高达 500km/h速度的列车的车 地通信性能。

尽管本发明的内容己经通过上述优选实施例作 了详细介绍， 但应当认识 到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。 在本领域技术人员阅读了上述 内容后， 对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见 的。 因此， 本发明的 保护范围应由所附的权利要求来限定。