基于位置信息的GSM-R越区切换方法优化

【摘要】GSM-R(铁路专用GSM)网络是铁路运输的一种专用蜂窝网络，不同于常规的GSM的较低移动性，GSM-R网络中较高的火车运行速度下，信号要受到若干多普勒频移和其他的干扰的影响,导致成功切换的概率很低。最终GSM-R的安全性和可靠性会严重降低。本文以优化GSM-R越区切换为目的，通过位置信息判决切换下一个服务小区。铁路环境使它很容易获得预测位置，可以保证质量的同时提高切换速度，该算法能有效提高切换成功的概率。

【关键词】GSM-R；越区切换；位置系统；掉话率

1.背景介绍

1988年GSM-R作为欧洲的铁路通信和控制的标准系统被建立起来，命名为Railway(简称GSM-R)GSM-R网络主要被用于铁路运输，这种专用GSM网络涉及到了铁路的相关功能，如分配，列车控制等等[1]。GSM-R中的切换主要是基于信号从基站(bs)到移动台(ms)的信号传输。如果一个ms发现来源于临近信号的质量好于自己所处的基站，当一些条件满足之后，在当前小区的ms释放信道，在越区切换过程中开始使用临近小区的信道。在火车上的移动台通过切换穿过两个相邻小区,切换通常重复出现在相邻小区的重叠区域。ms一般速度很高，要获得一个适合的门限是很困难的，信号传输会有明显的阴影，衰落和多普勒效益。本文提供了一个改进的切换机制,使得切换过程更简单并提高效率。

2.系统模型结构

2.1 传统的GSM-R网络覆盖

传统的单网覆盖是结构最基础的无线覆盖方式如图1中所示，传统的GSM-R网络沿铁路线分布基站，一般采用一小区一基站的方式，每个小区使用两个定向天线，天线通过功率融合器合成起来，然后连接到基站上[2]。这种覆盖方式很简单，但是容灾性能很差，一旦有基站出现故障或者切换不成功，易于出现掉话中断通信。

2.2 优化的越区门限

越区切换质量指的是越区切换的可靠性和有效性，主要指标包含以下因素：

(1)切换成功率

(2)乒乓切换率

(3)由于切换引起的掉话率

2.3 位置参数

最初的切换无法得到任何先验信息，移动台将不得不监听两个小区和得出测量最适合的切换。初始切换需要预测最终的移动方向，实际小区还要排除掉一边。通过和正在切换的小区进行比较，每个基站可以预测下一个小区。解决切换速度可以增加一个位置系统，可行的解决方法是使用GPS，它可以很容易的和火车实现一体化[3]。对于小区BTS2有两个邻近小区：BTS1和BTS3。当列车从左到右运行时，由BTS2开往BTS3时，BTS3的邻小区列表为：BTS2和BTS4。论文[3]中提出利用小区内的进行奇偶分区，BTS即可知道列车运行方向，从而达到优化邻小区列表，删除反方向邻近小区的目的。

根据此判断规则，基站只要GPS报告列车运行方向，则可以发送给移动台相邻小区列表，只保留列车运行方向上的下一个小区，这样就有效避免列车切换到运行反方向小区，避免乒乓切换。在我们的分析中只用一条路径来代替多径排，ms接收到的信号被定义为[4]：

=S.　x=1,2,3　 (1)

Fig.2中2是目前所在的小区id，1和3是相邻小区id，是来源于bs的接收信号能量，s是所有的小区bs的传输信号能量、是对应小区中ms和bs的距离，代表对应小区bs的接收信号的阴影，服从高斯分布。dB为一个常数代表多普勒效益对接收信号的影响。一般

=.　x=1,2,3 (2)

传统上越区切换门限被定义为：当前小区内接收到的来源于基站的信号强度г小于它相邻基站所发出信号强度因此，越区切换的概率被量化为

=[-≥г,>] (3)

由于传统的越区切换门限为一个定量单位，叫做ms的掉话率定义为[7]：

= (4)

给出：=[

是一个成功切换速度和位置辅助得出的权值

=10*k

(6)

其中，k为路径损耗因子，r为小区覆盖半径，s为重叠区长度，d为相对距离。

3.系统仿真结果

为了表现出新方法对切换的影响，我们使用matlab运行仿真。我们比较不同距离的多普勒效应下的越区切换表现，仿真参数参照[8]：

切换阀值为到г=3dB；共同信道影响比率门限为=15dB每个小区的半径为3km，重叠覆盖区域宽度为a=0.5km，多普勒效应值为u=-3dB。

图3表现了在切换后ms的中断率和ms位置的关系，可以看出在切换时传统切换算法的掉话率随着多普勒效应的增强而增加，但在切换后使用改进型的算法的掉话率总是要比传统的算法的掉话率小。此外，给出任意位置的点，随着多普勒效应的增强，它们在切换后掉话率增加的幅度不同。因此，我们可以看出使用改进的算法得到较高的成功切换概率。

4.结论

本文介绍了一种改进的越区切换方法，它改良了原来的GSM-R越区切换过程，在切换过程中依靠火车的小区列表和位置辅助系统，通过运行方向将两个小区简化成一个小区，依靠定量结果有效解决乒乓切换的影响。仿真结果表明与传统的越区切换相比可以有效的降低掉话率。

参考文献

[1]李锐光,新一代铁路无线通信系统[M].杭州:浙江大学出版社,1999．

[2]Ping Liu,"Solution:how to overcome the coverage issues for WCDMA in high-speed scenarios",Huawei Technology,2006,vol.11,pp.53-55

[3]Zhangdui Zhong,Xu Li,Wenyi Jiang,"Integrated digital mobile communication system for railway transportation(GSM-R)",Beijing:China Railway Press,2003.

[4]K.Kastell,R.Jakoby,"Implementation of fast handovers and additional authentication in GSM/UMTS for high-speed users,"Proceedings of the 16thIEEE Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communications(PIMRC),Berlin,September 2005.

[5]Li cong Huang,Gang Zhu,"Analysis and optimization of handover in GSM-R network",Mobile Communications,2007,vol.8,pp.35-38.

[6]Sungho Jeon,Sanghoon Lee."A relay-assisted handover technique with network coding over multihop cellular networks",IEEE Communications Letters,2007,vol.11(3),pp.252-254.

[7]Zheng Xiang,Fei Yang.A Novel Handover Scheme with Relay Technique in GSM-R munications and Networking in China,2009:1-4.

[8]A.Molisch,Wireless Communications,Wiley-IEEE Press,2005.

作者简介：

张彦旭（1984—），男，河北晋州人，大学本科，主要研究方向：GSM-R无线网络通信。

张峻源（1984—），男，甘肃白银人，大学本科，主要研究方向：认知无线电。