基于TDD系统的高速磁悬浮软切换技术研究

丁叁叁，姜付杰，栾 瑾，王晓红，张 艺

(中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266000)

0 引言

高速磁悬浮列车通过磁力克服重力，在运行过程中不与地面直接接触，列车受到的阻力仅有空气阻力，因此磁悬浮列车在运行速度方面有着不可比拟的优越性。但是随着运行速度的提高，多普勒效应越发严重，导致信号传输的误码率增大，因此磁悬浮车地通信系统设计面临巨大挑战。

当磁悬浮列车高速运行时，磁悬浮车地通信系统的分区运行系统需要频繁切换，对切换成功率和时延提出极高要求。若切换失败或者切换时间过长，将会严重影响磁悬浮列车的安全可靠运行。国内外对磁悬浮的技术的研究主要集中在悬浮、牵引力以及列车控制领域[1-3]，对车地通信的研究相对较少。针对越区切换的研究也主要集中在GSM-R，LTE-R和蜂窝移动网络领域[4-9]。在传统的移动通信系统中最典型的切换技术就是硬切换。文献[10]提出基于信噪比、基站带宽和用户设备发射功率的模糊逻辑算法进行切换判决，但没有考虑乒乓切换带来的影响。文献[11]通过迭代方式建立切换模型，分析了GSM协议在特定场景下的状态可达性，但模型没有进一步研究切换的可靠性。这些研究虽然一定程度上提高了切换成功概率，但是在切换过程中依旧有短暂的通信中断，影响列车运输管理业务安全可靠的传输。

对于列车运输管理业务也有极高可靠性要求的高速磁悬浮列车，需要采用具有“先切换、后断开”特点的软切换技术。文献[12]提出通过节点运动方向的改变来预测接收信号的强度，从而提高系统吞吐量。文献[13]提出基于节点运动速度来触发切换的算法缩短切换时延。文献[14]通过优化切换门限值的方法提高切换成功概率。当门限值设置太高会增加触发难度，设置较低则会产生误差。但仅通过设置合理的切换门限值并不能完全保证高速移动环境下磁悬浮列车消息传输的可靠性，还需要针对高速磁悬浮列车的实际应用场景对软切换机制进行优化设计。

本文研究了高速磁悬浮场景下MAC层控制的无线网络软切换技术，介绍了高速磁悬浮车地通信系统，为满足高可靠的磁浮列车运输管理业务传输要求，设计了合理的帧结构，建立了基于列车速度和位置的软切换模型，避免乒乓效应，并对两基站重叠覆盖区域进行规划。

1 车地通信系统

磁悬浮最高运行速度能达到600 km/h，而普通高速铁路运行速度一般只能达到350 km/h。列车的高速运行带来信道快衰落，所以相较于普通高速铁路，磁悬浮列车消息传输的误码率更高。为降低信号在传输过程中的损耗，降低误码率，将使用泄露电缆替代传统的铁塔天线与列车进行通信。

本文设计的高速磁浮车地通信系统是基于本实验室自主研发的无线多跳自组网标准研制，主要有两大部分组成，一是地面设备，二是车载设备。地面设备主要包括核心网设备、分区控制设备、地面通信设备(地面基站、泄漏电缆)。系统方案示意如图1所示。

图1 高速磁浮车地通信系统方案Fig.1 High speed maglev ground communication system scheme

图中核心网设备对应多个调度分区(分区1，分区2)，一个分区控制设备连接多个地面通信设备，即管理多个小区。每个小区配备地面通信设备，且采用A，B网冗余部署方式，地面通信设备连接在光环网上，通过交换机与分区控制设备相连。分区控制设备则通过以太网与核心网设备相连。磁悬浮列车的越区切换主要分为分区内切换和跨分区切换两种。当磁悬浮列车进行分区内切换时，当前分区控制设备与地面通信设备(即基站)以及地面通信设备与车载通信设备需要进行信令交互。当磁悬浮列车进行跨分区切换时，除了分区内进行的信令交互外，还有核心网与分区控制设备之间的信令交互。在越区切换时，核心网或者分区控制器为当前基站以及相邻基站进行资源分配。

高速磁悬浮列车车地通信系统采用时分双工(TDD)的通信方式，所以整个系统必须保证严格的时间同步。MAC层的机制设计是基于帧结构进行设计，列车与基站之间的交互是通过信令的交互完成。本文设计的帧结构不仅要实现切换高可靠，还要考虑在两个基站的重叠区内资源双备份，系统是否可以承受。因此本文设计的机制既要在流程上缩短切换时间、提高切换成功概率，同时也应尽可能地避免切换重叠区过长。

2 软切换机制设计

磁悬浮车地通信网络以链式形式覆盖，两基站信号重复覆盖的范围为重叠区，如图2所示，将重叠区AB分为AC和CB两段，其中C为AB的中点。

图2 两基站信号覆盖的重叠区Fig.2 Overlapping area of signal coverage of two BSs

LTE-R通信系统中规定了测量的报告触发机制，文献[15]触发切换是基于A3事件进行的。A3事件是指在迟滞时间内，终端接收目标基站信号强度比接收源基站信号强度高出迟滞余量，认为满足触发切换要求。在AC段内，因为列车距离小区A基站相对较近，接收到的源基站信号强度优于目标基站，切换至目标基站后乒乓切换触发概率相应较高。迟滞余量较大时，触发切换的难度增加，同时也会造成终端离开重叠带时还未切换至目标基站。

以源基站位置为坐标原点，迟滞余量与位置的关系为：

hys(x)=f(x)hys,

(1)

式中，x为列车所在的位置，hys为迟滞余量，f(x)是以列车位置x为自变量的预设迟滞余量调整函数。

在迟滞时间内，当前信号强度小于相邻小区信号强度时，则启动切换触发。则列车行驶至x位置时，满足触发切换判决的概率为：

P(x)=P[R(j,x)-R(i,x)>hys(x)],

(2)

其中,R(j,x)为相邻小区信号强度，R(i,x)为当前小区信号强度。

通常把切换过程中列车信号不中断定义为切换成功，则传统切换成功概率为:

Psucess=Px(i,j)·(1-Pout(i,j)),

(3)

式中,Pout(i,j)为信号中断概率。

这种切换方式通过对空口发射功率阈值的检测来进行切换，没有考虑重叠区长度与资源双备份时资源是否够用的情况，也没有考虑信号强度在两个基站覆盖重叠区剧烈变化的情况下如何进一步提高切换成功概率。下面从MAC层控制角度出发，设计MAC层帧结构以及具有高切换成功概率的软切换机制。

2.1 帧结构设计

磁悬浮车地通信采用时分双工(TDD)的通信方式，在切换的过程中实现软切换，尽量减少资源调度造成的时延。所设计的帧结构应对两个地面通信设备发送、车载接收以及数据重传的时隙进行预先分配，列车会在预先分配的不同时隙里分别接收两个基站的消息。若有剩余的时隙可根据业务需求进行冗余传输提高可靠性和实时性或进行其他业务需求的调度，帧结构设计如图3所示。每一帧由时隙组成，一个帧由控制子帧和数据子帧组成，其中控制子帧用来实现列车与基站间的网络维护、信息同步和资源调度，包括NENT(Network Entry)和NCFG(Network Configuration)消息。每帧的第1个控制时隙为NENT消息，第2个和第3个控制时隙为基站发送的NCFG消息，第4个控制时隙为列车发送的NCFG消息，第5个控制时隙为列车重传的NCFG消息。NENT消息为网络接入消息，为新节点提供网络接入；NCFG消息为网络配置消息，告知邻近节点本节点所在网络的相关信息。数据子帧根据每种业务的数据量、数据传输速率以及传输周期等指标，合理地为其分配短数据时隙或者长数据时隙。

图3 帧结构Fig.3 Frame structure

2.2 软切换机制设计

本文设计的软切换算法不同于传统的A3事件判决算法，与A3算法的区别在于其切换判决不依附于信号强度，而是通过磁悬浮列车运行过程中每隔5 ms传输列车定位业务(PRW)提供列车所在位置的地理信息、运行速度及运行方向来进行切换判决，从而避免乒乓效应。下面将分别对分区内切换和跨分区切换进行阐述。

分区内切换是指列车在当前分区内进行的越区切换，切换过程中只需要分区控制器与地面通信设备(基站)和列车与地面通信设备进行信令交互，为相邻目标基站下发业务资源。

分区内切换流程如下：

① 在列车运行过程中，通过PRW业务提供的列车地理位置信息周期性判断运行距离是否满足切换阈值。

② 当满足切换阈值时，基站向分区控制器申请向相邻基站发下业务资源。

③ 若不满足切换阈值，则继续扫描信道。当列车收到相邻基站的NCFG消息时，执行步骤④。当相邻基站收到列车发送的NENT时，执行步骤⑤。

④ 当列车收到相邻基站NCFG消息时，此时本列车需要执行越区切换，但地面通信设备并不知道，因此列车需要发送NCFG消息告知地面通信设备，为相邻基站下发业务资源。

通过对GitHub中软件存储库进行数据爬取，我们获得了27万条存储库信息.我们首先通过异常值处理，人工剔除异常记录等处理手段，对原始数据进行数据清洗，保留下约13万条存储库记录.然后，通过数据审查，发现其整体的数据分布是有偏的，并非正态分布，考虑到Github开源社区中的开发者在学习使用平台时会建立许多用于入门的练习项目，一些经常参与活跃项目开发的软件工程师也会经常建立新的存储库用于测试，还有一些项目长期疏于管理且无人关注成为了死项目等诸如此类的原因，我们尝试使用聚类方法从数据层面上对项目进行分类.在聚类结果中去除异常记录，最终获得90956条软件存储库的数据集合作为研究对象.

⑤ 当相邻基站收到列车的NENT消息时，知道有列车已经进入本基站的覆盖范围，因此向分区控制器请求为其下发业务资源。

⑥ 相邻基站会按照预先分配好的与当前基站不相同的其他时隙向列车发送数据资源。列车和相邻基站建立好通信连接，分区内切换完成。

跨分区切换是指列车处于两个分区控制器的交界处，切换过程除了需要分区控制器与地面通信设备(基站)和列车与地面通信设备之间的信令交互，还需要分区控制器与核心网进行信令交互。

由于跨分区通信需要经过核心网，时延较长，并且每个分区控制器管辖的地面通信设备个数已知，因此当列车驶入当前分区的最后一个基站时，即进入跨分区切换状态，核心网为相邻分区控制器下发控制信令，相邻分区控制器再向相邻目标基站下发数据业务资源。相邻基站会按照预先分配好的与当前基站不相同的其他时隙向列车下发数据资源。列车和相邻基站建立好通信连接，跨分区切换完成。

3 性能分析

3.1 切换成功概率

定义切换成功概率为地面基站与列车都能收到相互发送的NCFG消息，设NCFG消息丢包率为pNCFG，则经过n次交互才切换成功的概率为：

(4)

因此总的切换成功概率为：

(5)

其中，n值与切换重叠区长度有关，假设列车在切换重叠区中能够运行N个调度周期。

(6)

式中，ΔL为重叠区长度，TP为一个调度周期时间。

pNCFG=1-(1-BER)N。

(7)

通过Matlab仿真，得到误码率与切换成功概率的关系，如图4所示。

图4 误码率与切换成功概率的关系Fig.4 Relationship of BER and handover success probability

从图4可以看出，当误码率高于10-3时，文献[9]基于A3算法与文献[12]提出的优化切换门限算法切换成功概率骤降。而本文提出的基于地理位置信息的切换机制，切换成功概率随着误码率的增大下降幅度依旧很平滑。从图4可以看出，本文提出的软切换机制的成功概率在误码率较大时得到了提高。

3.2 切换重叠区距离设置

列车切换过程中，不仅要与基站进行信令交互，在分区内切换时基站还需要与分区控制器进行交互，在跨分区切换时，分区控制器还需要与核心网进行信令交互。因此切换总时间是由列车与基站的信令交互时间和基站向分区控制器、分区控制器向核心网请求的信令上报时间两部分组成。

T总=Texc+Trep，

(8)

式中，Texc为信令交互时间，Trep为信令上报时间。

设列车运行速度为v，预留10%的切换重叠区余量，切换距离为D，切换重叠区距离C=2D。

C=2*v*T总(1+10%)。

(9)

设在重叠区内第i次信令交互成功，则信令交互时延为：

ti=i·Tp，

(10)

式中，TP为一个调度周期时间。信令交互时间为ti的均值，即

(11)

因此得出切换重叠区C为：

(12)

切换重叠区与列车运行速度的关系如图5所示。

图5 切换重叠区与列车运行速度的关系Fig.5 Relationship between overlapping area and maglev speed

从图5可以看出，随着磁悬浮列车的运行速度增大，基站重叠区距离逐渐增大。当最高时速在600 km/h时，完成切换所需要的距离为132 m，重叠覆盖距离应设为264 m。由于资源在重叠区双备份，适当牺牲了系统资源，与文献[9]给出的A3算法和文献[12]提出的优化切换门限算法相比重叠覆盖区距离适当增大，但保证了列车运输管理业务安全可靠传输。

4 结束语

越区切换的可靠性对磁悬浮车地通信系统安全高效运行具有重要意义。本文针对具有高可靠性要求的列车运输管理业务，提出了基于地理位置信息的软切换方案，可避免乒乓切换。通过仿真，得出在列车运行速度为600 km/h时，在切换重叠区仅增加39 m的基础上，切换成功概率达99.6%，在覆盖范围内列车可同时与当前基站和邻居基站进行通信，保障列车运输管理业务传输安全可靠。