專利名稱：終端群聚超高移動性寬帶通信系統(tǒng)及其快速越區(qū)切換方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種高速鐵路移動通信系統(tǒng)，尤其涉及一種終端群聚超高移動性寬帶 通信系統(tǒng)及其快速越區(qū)切換方法。
背景技術(shù)：
我國高速鐵路和客運專線事業(yè)蓬勃發(fā)展，但與之配套的高速鐵路移動通信系統(tǒng)卻 相對滯后，在移動終端普及的時代，鐵路無線寬帶接入面臨新挑戰(zhàn)。超高時速、車廂全封閉特點是高速列車移動通信面臨技術(shù)難題的原因。當前，應用 于高速鐵路的移動通信系統(tǒng)是具有第二代移動通信技術(shù)特征的GSM-R或具有第三代移動 通信技術(shù)特征的CDMA。由于高速列車車廂封閉性好，時速快，信號衰減比普通列車大IOdB 以上，對移動通信用戶的使用會造成非常大的影響。實際中，應用車載直放站的車廂內(nèi)覆蓋 系統(tǒng)以及光纖直放站(或射頻拉遠)的鐵路沿線覆蓋系統(tǒng)，在抗信號穿透損耗和頻繁切換 問題上，是被證實為有效解決方案。但現(xiàn)有系統(tǒng)，即使在理想情況下，所能提供給乘客的寬 帶服務水平(共享2Mb/s)，與乘客希望得到如家庭寬帶接入一樣服務質(zhì)量(獨占2Mb/s)的 要求相比，還相距甚遠。單純依賴于傳統(tǒng)移動通信技術(shù)手段難以解決高速鐵路寬帶通信面 臨的技術(shù)難題。傳統(tǒng)移動通信技術(shù)手段至少在以下兩個方面表現(xiàn)出對發(fā)展高速移動性寬帶接入 的局限1、載波頻率低，如 800MHz，1800MHz, 1900MHz, 2. 4GHz，2. 5GHz 等頻段，提供的通信 帶寬小，只有幾兆到幾十兆Hz，為接近滿員(約1000人)的列車上的每一位乘客提供2Mb/ s的寬帶服務無法實現(xiàn)。2、系統(tǒng)切換過程針對逐個移動終端，需要完成信號檢測、觸發(fā)、選擇和執(zhí)行四個步 驟，實現(xiàn)過程繁瑣。在列車高速移動情況下，移動終端密度大，切換丟話率和信息丟包率大。 如行駛速度高達200公里/小時甚至更高時，相較于正常狀態(tài)，話音接通率會從原來96% 以上下降到81%左右，掉話率也會從原來0%上升到25%以上，其他話音指標及數(shù)據(jù)業(yè)務 指標均會有不同程度的下降。正是以上兩個方面的局限，成為基于現(xiàn)有移動通信的技術(shù)手段發(fā)展高速列車移動 寬帶接入的瓶頸。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)應用于高速列車存在窄帶、切換延遲大、 頻繁切換、并發(fā)切換的現(xiàn)象，而提供一種終端群聚超高移動性寬帶通信系統(tǒng)及其快速越區(qū) 切換方法。本發(fā)明不僅能為接近滿員的高速列車上的乘客提供平均2Mb/s以上的寬帶服 務，而且能成倍減少切換次數(shù)，降低切換延遲時間，消除并發(fā)切換。在移動終端數(shù)量集中的 規(guī)模越大的情況下，本發(fā)明的效果優(yōu)勢越為明顯。 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的
一、終端群聚超高移動性寬帶通信系統(tǒng)(簡稱系統(tǒng))本系統(tǒng)包括地面分系統(tǒng)和車載分系統(tǒng)；地面分系統(tǒng)包括地面接入單元、路網(wǎng)網(wǎng)關單元與路網(wǎng)管理單元；車載分系統(tǒng)包括移動終端群和車載移動接入單元；其連接關系是路網(wǎng)網(wǎng)關單元、地面接入單元、車載移動接入單元和移動終端群依次連接，路網(wǎng)管 理單元分別與路網(wǎng)網(wǎng)關單元、地面接入單元、車載移動接入單元連接。二、基于終端群聚超高移動性寬帶通信系統(tǒng)的快速越區(qū)切換方法(簡稱方法)本方法包括下列步驟①車載移動接入單元與地面接入單元之間建立雙向無線連接通道，路網(wǎng)網(wǎng)關單元 與地面接入單元之間建立隧道連接；②車載移動接入單元、地面接入單元和路網(wǎng)網(wǎng)關單元各自向路網(wǎng)管理單元發(fā)送連 接狀態(tài)報告；③移動終端漫游到列車車廂內(nèi)，即建立與車載移動接入單元的通信規(guī)約適配，車 載移動接入單元對漫游到列車車廂內(nèi)的移動終端注冊歸集，被歸集的移動終端與車外業(yè)務 網(wǎng)絡之間的通信由車載移動接入單元代理完成；④車載移動接入單元向路網(wǎng)管理單元發(fā)送行駛狀態(tài)報告，并確定航位預測與同步 執(zhí)行的時間；⑤航位預測與同步執(zhí)行時間觸發(fā)，車載移動接入單元與路網(wǎng)管理單元同步執(zhí)行相 同的車輛航位預測程序；⑥車載移動接入單元根據(jù)航位預測程序?qū)崟r預測車輛當前的航行位置，如果出現(xiàn) 航位預測值與列車真實位置的累計誤差超出預設值，回到步驟⑤從而對預測程序進行校 正，否則進入到步驟⑦；⑦根據(jù)預設車輛航跡調(diào)度信息和地面接入單元的無線電覆蓋拓撲，路網(wǎng)管理單元 使用航位預測程序推算列車行駛位置及其穿越航跡上各無線電覆蓋小區(qū)的時間，然后向航 跡沿線相關的地面接入單元和路網(wǎng)網(wǎng)關單元發(fā)出切換預置指令，通知切換的具體時間；⑧如果相關地面接入單元及路網(wǎng)網(wǎng)關單元的切換定時時間觸發(fā)，就進入步驟⑨， 否則，回到步驟⑦；⑨啟動由路網(wǎng)網(wǎng)關單元和相關地面接入單元主導的越區(qū)切換實施過程；⑩路網(wǎng)管理單元收到來自參與切換執(zhí)行過程的地面接入單元和路網(wǎng)網(wǎng)關單元的 切換完成狀態(tài)報告，切換實施過程結(jié)束，回到步驟⑥。工作原理 本發(fā)明的構(gòu)建是基于三方面考慮一是從傳輸帶寬方面考慮，載波為IOGHz至 IOOGHz的無線電信號具有豐富的帶寬，可提供達1000Mb/S以上的數(shù)據(jù)傳輸速率；二是從傳 輸距離方面考慮，IOGHz至IOOGHz的無線電信號的大氣衰減特征明顯，在大氣中的傳播距 離與頻率成反比，使用光纖可將這種高頻微波信號拉遠至10公里以上的寬帶接入點；三是 從無線覆蓋效率方面考慮，高頻微波信號覆蓋區(qū)域直徑在百米左右較適合高速鐵路狹長的 路線特點，覆蓋效率較高。因此，以上三個突出的特點使得這種承載IOGHz至IOOGHz的無 線電信號的光纖傳輸技術(shù)，即稱為光載無線電(Radio over Fiber)，可實施車輛-地面寬帶接入應用。然而 ，對于時速發(fā)展至近450公里的高速鐵路，移動通信系統(tǒng)在百米左右的微微 小區(qū)覆蓋之下，必然面臨嚴重的越區(qū)切換問題。有別于傳統(tǒng)移動通信系統(tǒng)的切換方法，本發(fā) 明的快速越區(qū)切換方法是基于將高速列車上所有的用戶視作為一個集團用戶，一旦集團用 戶進入列車，安裝在車廂頂部的列車多制式通信接口的接入裝置，將為這些旅客提供公共 的專用接入通道繼續(xù)與外界保持聯(lián)系，如果專用接入通道不可或不夠用，用戶仍可使用原 來的無線連接保持與外界的聯(lián)系。列車高速行駛過程中，地面分系統(tǒng)預測列車的行進位置， 并保持與集團用戶的通信聯(lián)系。當各用戶跨越小區(qū)時，車載移動接入單元無需做任何切換 動作，由地面分系統(tǒng)根據(jù)預測的位置和已知的列車航跡路線，在車輛進入相鄰小區(qū)的重疊 區(qū)域時為團體用戶進行整體切換。這一切換操作過程，隨團體內(nèi)用戶數(shù)量的不同，可以成 十倍的減少切換次數(shù)，不僅如此，切換過程減少了信號掃描測量過程，切換時延得到較大改 善，就如在鐵路沿線有一個移動天線伴隨高速列車高速移動。本發(fā)明具有下列優(yōu)點和積極效果①本發(fā)明在越區(qū)切換機制中引入光技術(shù)手段，切換流程的延遲與光開關動作時間 密切相關，采用電光開關更可實現(xiàn)納秒級的切換；②本發(fā)明利用光層上進行一次切換流程即可完成終端群的集團切換，避免了越區(qū) 切換過程中發(fā)生在系統(tǒng)上的為每一臺終端執(zhí)行繁瑣的切換信令開銷，因此減輕了通信系統(tǒng) 的負荷；③車輛-地面之間采用60GHz載波的無線連接，接入帶寬可至千兆級；④終端匯聚規(guī)模越大，本發(fā)明的積極效果越明顯。


圖1是本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方框圖；圖2是地面接入單元的結(jié)構(gòu)方框圖；圖3是地面接入中心的結(jié)構(gòu)方框圖；圖4是路網(wǎng)管理單元的結(jié)構(gòu)方框圖；圖5是車載移動接入單元的結(jié)構(gòu)方框圖；圖6是車載移動接入中心的結(jié)構(gòu)方框圖；圖1 圖6中100-地面分系統(tǒng)，110-地面接入單元，111-分布式天線，112-光纖傳輸分配線路，113-地面接入中心，1130-激光光源組，1131-光電探測模塊組，1132-基站/基站控制器組，1133-地面移動交換中心，1134-光調(diào)制器池，1135-全光交換矩陣，1136-控制邏輯，1137-第1波分復用器，1138-第2波分復用器，1139-光纖；114-多制式通信網(wǎng)絡接口；
120-路網(wǎng)網(wǎng)關單元； 130-路網(wǎng)管理單元；200-車載分系統(tǒng)，210-移動終端群；220-車載移動接入單元；221-分布式天線，222-光纖傳輸分配線路，223-車載移動接入中心，2231-激光光源，2232-光調(diào)制器，2233-12波分復用器，2234-光電轉(zhuǎn)換模塊，2235-射頻處理模塊，2236-車載移動交換中心，2237-基站/基站控制器組224-多制式通信接口。圖7是車載移動接入中心與地面分系統(tǒng)之間建立連接通道的信令流程圖；圖8是移動終端注冊歸集的信令流程圖；圖9是航位預測與同步的信令流程圖；圖10是同-個地面接入單元GAU內(nèi)的越區(qū)切換實施過程的信令流程圖；圖11是不同地面接入單元GAU之間的越區(qū)切換實施過程的信令流程圖；圖12是高速鐵路地面分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖12中300-綜合業(yè)務網(wǎng)絡；400-鐵軌；500-無線電覆蓋小區(qū)。圖13是高速列車車載分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖13中600-高速列車；700-多制式天線。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例詳細說明—、終端群聚超高移動性寬帶通信系統(tǒng)(簡稱系統(tǒng))1、總體如圖1，本系統(tǒng)包括地面分系統(tǒng)100和車載分系統(tǒng)200 ；地面分系統(tǒng)100包括地面接入單元110、路網(wǎng)網(wǎng)關單元120與路網(wǎng)管理單元130 ；車載分系統(tǒng)200包括移動終端群210和車載移動接入單元220 ；其連接關系是路網(wǎng)網(wǎng)關單元120、地面接入單元110、車載移動接入單元220和移動終端群210 依次連接，路網(wǎng)管理單元130分別與路網(wǎng)網(wǎng)關單元120、地面接入單元110、車載移動接入單 元220連接。2、功能塊1)地面接入單元(Ground-based Acess Unit, GAU) 110地面接入單元110是車載移動接入單元220與地面分系統(tǒng)100聯(lián)系的接口，它與 路網(wǎng)網(wǎng)關單元120之間存在雙向通信隧道；如圖2，地面接入單元110包括依次連接在運動載體行駛路線上沿途布設的分布 式天線111、光纖傳輸分配線路112、地面接入中心113和多制式通信網(wǎng)絡接口 114。
(1)分布式天線111之間的安置距離主要由所采用的微波頻段傳播特性和系統(tǒng)切 換時間指標決定。(2)光纖傳輸分配線路112由若干單?；蚨嗄９饫w、波分復用器組成。(3)地面接入 中心113如圖3所示，地面接入中心113包括激光光源組1130、光電探測模塊組1131、基站 /基站控制器組1132、地面移動交換中心1133、光調(diào)制器池1134、全光交換矩陣1135、控制 邏輯1136、第1波分復用器1137、第2波分復用器1138和光纖1139 ；其連接關系是全光交換矩陣1135分別與激光光源組1130、光電探測模塊組1131、光調(diào)制器池 1134、控制邏輯1136和第1波分復用器1137連接；第1波分復用器1137、光纖1139和第2波分復用器1138依次連接；地面移動交換中心1133和基站/基站控制器組1132連接，基站/基站控制器組 1132分別與光電探測模塊組1131和光調(diào)制器池1134連接。更具體地說，激光光源組1130經(jīng)由光纖與全光交換矩陣1135的端口 1135a連接； 全光交換矩陣1135的端口 1135b與控制邏輯模塊1136之間存在電纜連接，端口 1135c通過 光纖連接到光調(diào)制器池1134的端口 1134a，端口 1135d與光調(diào)制器池1134的端口 1134c由 光纖連接，端口 1135e經(jīng)光纜與第1波分復用器連接，端口 1135f由光纜連接到光電探測模 塊組1131的端口 1131a ；光調(diào)制器池1134的端口 1134b與基站控制器組1132端口 1132a 通過電纜連接；基站控制器組1132的端口 1132b通過電纜與光電探測模塊組1131的端口 1131b相連；第1波分復用器1137與第2波分復用器1138之間通過光纖1139連接；第2 波分復用器1138與分布式天線111之間通過光纖112連接；地面移動交換中心1133與基 站/基站控制器組之間通過電纜連接。其工作原理是激光光源組1130輸出不同波長的、連續(xù)的激光信號被光纖分別導入到全光交換 矩陣1135的光信號端口 1135a ；控制邏輯1136依靠計算機軟件實現(xiàn)，然后由電信號作用到 全光交換矩陣1135 (如選用加拿大公司JDSU生產(chǎn)的Polatis OSM組件)的控制端1135b， 將激光光源組1130輸出的連續(xù)激光信號接轉(zhuǎn)到全光交換矩陣1135的一組端口 1135c ；端 口 1135c的光信號被導入到光調(diào)制器池1134的端口 1134a ；光調(diào)制器是一種將電信號上的 信息搬移到光信號上進行傳輸?shù)墓怆娮悠骷?如選用韓國ETRI研制的Tx A38C Journal of Lightwavetechnology, Vol. 26，No. 1，August 1，2008，頁碼2379_2387)，此時得到的 光信號被稱為已調(diào)光信號；多個光調(diào)制器放置在一起即組成光調(diào)制器池(1134)；基站/基 站控制器組1132輸出的電信號通過一組端口 1132a，由電纜線連接到光調(diào)制器池1134的 電信號輸入端口 1134b，已調(diào)光信號由輸出端口 1134c通過光纖饋入到全光交換矩陣的端 口 1135d ；端口 1135d的已調(diào)光信號在控制邏輯的作用下被全光交換矩陣1135路由到端口 1135e;端口 1135e由一組光纖連接到第1波分復用器1137，把端口 1135e得到的不同波 長已調(diào)光信號合并到一根光纖1139中進行傳輸；第2波分復用器1138把不同波長已調(diào)光 信號分離開送入光纖傳輸分配線路112 ；已調(diào)光信號被光纖傳輸分配線路112傳輸?shù)椒植?式天線111，在分布式天線111完成光信號到無線電信號的轉(zhuǎn)換，信息再通過無線電承載傳 播；
從分布式天線111接收到的無線電信號被轉(zhuǎn)換為已調(diào)光信號，然后依次通過光纖 傳輸分配線路112、第2波分復用器1138、光纖1139、第1波分復用器1137、端口 1135e、全光 交換矩陣1135、端口 1135f，已調(diào)光信號被光電探測模塊組1131在端口 1131a接收并還原 成已調(diào)電信號，通過端口 1131b由電纜饋入基站/基站控制器端口 1132b ；光電探測器(如 選用德國U2t公司的100G PD)是一種把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光電子器件，它是構(gòu)成光電 探測模塊的核心器件，多個光電探測模塊可以組成光電探測模塊組。基站/基站控制器組1132把接收的信號匯集到地面移動交換中心1133，與地面移 動交換中心1133之間存在雙向通信連接；地面移動交換中心1133自動把業(yè)務信號轉(zhuǎn)接到 業(yè)務網(wǎng)絡。(4)多制式通信網(wǎng)絡接口 114地面移動交換中心1133與路網(wǎng)網(wǎng)關120之間通過多制式通信網(wǎng)絡接口 114進行連接，接口包括IP、ATM、TDM等多種開放的網(wǎng)絡接口。2)路網(wǎng)網(wǎng)關單元(Road Network Gate, RNG) 120路網(wǎng)網(wǎng)關單元120是其他業(yè)務系統(tǒng)訪問本系統(tǒng)的匯聚點，也是本發(fā)明系統(tǒng)訪問各 種類型業(yè)務系統(tǒng)的分散點，它與各種類型業(yè)務系統(tǒng)之間存在雙向連接；路網(wǎng)網(wǎng)關單元120是路網(wǎng)至綜合業(yè)務網(wǎng)絡之間的網(wǎng)間連接器，除具備現(xiàn)有網(wǎng)關的 通信規(guī)約轉(zhuǎn)換基本特性以外，在本發(fā)明中的功能還包括接受來自路網(wǎng)管理單元130的指 令，建立其與指定地面接入單元130之間的隧道路由。3)路網(wǎng)管理單元130路網(wǎng)管理單元130是本系統(tǒng)的管理和控制中心，通過通信連接收集來自車載移動 接入單元220、地面接入單元110和路網(wǎng)網(wǎng)關單元120的狀態(tài)信息，或向此三個單元發(fā)出相 應的控制指令實施管理和控制，是對地面接入單元110、路網(wǎng)網(wǎng)關單元120與車載移動接入 單元220進行移動性管理、配置、維護、工作狀態(tài)監(jiān)測和控制的軟件實體。路網(wǎng)管理單元130選用中國聯(lián)想公司研制的深騰擎天桌面萬億次高性能服務器 和Linux操作系統(tǒng)組成路網(wǎng)管理控制軟件運行的工作環(huán)境；如圖4，路網(wǎng)管理單元130包括高速列車位置管理與切換預測模塊131、路網(wǎng)拓撲 管理模塊132、路網(wǎng)地理信息管理模塊133、消息處理模塊134、同步預測算法模塊135和移 動終端群管理模塊136 ；其交互關系是消息處理模塊134接收來自路網(wǎng)其他單元的請求消息或者狀態(tài)報 告消息，將消息進行解析后轉(zhuǎn)發(fā)給高速列車位置管理與切換預測模塊131 ；高速列車位置 管理與切換預測模塊131根據(jù)狀態(tài)報告、路網(wǎng)拓撲管理模塊132、路網(wǎng)地理信息管理模塊 133和移動終端群管理模塊136提供的信息確定車輛運行位置和狀態(tài)，為切換預測模塊131 提供歷史運行狀態(tài)數(shù)據(jù)；切換策略由根據(jù)位置信息和預測的結(jié)果組成。4)移動終端群(Mobile Station Group, MSG) 210移動終端群210是獨立的通信用戶的總稱，它與車載移動接入單元220之間保持 雙向通信連接。移動終端是指基于各種通信規(guī)約實現(xiàn)的，具備網(wǎng)絡標識的移動通信終端，包括移 動電話、便攜式計算機、移動電視機等電子裝置。移動終端群210是指滿足以下所有特征的 若干移動終端的集合，具體特征為當若干處于分散、獨立狀態(tài)的移動終端出于某種需要，被相對聚集在一起，隨著某種運載體以相同的移動速度、相同的移動方向朝某個具體的方 向運動，就構(gòu)成了本系統(tǒng)所指的移動終端群(210)。運載體上的固定式計算終端同樣可以歸 屬到移動終端群210。
5)車載移動接入單元(Vehicle Mobile Access Unit, VMAU) 220車載移動接入單元220是移動終端群210的組織和管理者，它與地面接入單元110 之間存在著雙向通信連接。如圖5，車載移動接入單元220包括依次連接的分布式天線221、光纖傳輸分配線 路222、車載移動接入中心223和多制式通信接口 224。車載移動接入單元220設置于高速移動的運動載體上。其中車載移動接入中心 (Vehicle Mobile Accessing Center，VMAC) 223不僅具備呼叫處理、操作維護、網(wǎng)間互通和 計費等常規(guī)功能，還具有復用匯接、站群管理、運動定位預測和輔助越區(qū)切換的特殊功能。 其多制式通信接口 224用于適配各種通信制式的移動終端。如圖6，車載移動接入中心223包括激光光源2231、光調(diào)制器2232、1X2波分復用 器2233、光電轉(zhuǎn)換模塊2234、射頻處理模塊2235、車載移動交換中心2236和基站/基站控 制器組2237 ；其連接關系是激光光源2231、光調(diào)制器2232、波分復用器2233依次由光纖連接，波分復用器 2233與光電轉(zhuǎn)換模塊2234之間通過光纖連接，光電轉(zhuǎn)換模塊2234、射頻處理模塊2235、車 載移動交換中心2236和基站/基站控制器組2237依次由電纜線連接，射頻處理模塊2235 和光調(diào)制器2232之間也由電纜連接。其工作原理是信號上行方向，多制式通信接口 224采集到來自不同終端的業(yè)務信號后，通過電 纜線將電信號輸入到基站/基站控制器組2237，再交給車載移動交換中心2236把這些信號 匯聚后再送入到射頻處理模塊2235，射頻處理模塊2235將終端群的業(yè)務信號進行副載波 復用，經(jīng)過復用的信號被送入光調(diào)制器2232的電信號輸入端，進而完成電信號調(diào)制激光光 信號的過程，已調(diào)光信號通過光纖導入波分復用器2233，經(jīng)過合波以后由光纖傳輸分配線 路222傳輸給分布式天線221 ；信號下行方向，由光纖傳輸分配線路222傳輸?shù)讲ǚ謴陀闷?233的已調(diào)光信號， 經(jīng)過分波后被送入光電轉(zhuǎn)換模塊2234完成光到電的解調(diào)，解調(diào)得到的副載波電信號被電 纜饋入到射頻處理模塊2235，電信號被射頻處理模塊2235發(fā)送給車載移動交換中心2236， 業(yè)務信號被分離且按不同的通信制式把業(yè)務信號輸送給相應的基站/基站控制器組2237， 再由此通過多制式通信接口 224發(fā)送給列車上的各型通信終端。二、切換方法基于以上描述結(jié)構(gòu)，本切換方法的信令流程如圖7、8、9、10和11所示。1、車載移動接入中心與地面分系統(tǒng)之間建立連接通道的信令流程如圖7，本連接通道的信令流程是A、在完成物理上的信號檢測識別過程之后，車載移動接入單元VMAU首先向近鄰 的地面接入單元RAU_x發(fā)送MSG_C0NN_REQ 71消息，即請求建立通信連接，該消息中至少包 含有車載移動接入單元的網(wǎng)絡標識等基本信息；
B、地面接入單元RAU_x收到MSG_C0NN_REQ 71消息后向車載移動接入單元VMAU發(fā)送消息RAU_C0NN_RSP 72，即回復響應，該消息至少包含地面接入單元RAU_x的網(wǎng)絡標 識、正在接入的天線編號、接口標識和光波長標識；C、車載移動接入單元VMAU向路網(wǎng)管理單元RNMU發(fā)送消息MSG_STAT_RPT 73，即報 告自身當前運動狀態(tài)和通信連接狀態(tài)，該消息至少包含行駛速度、當前位置信息；D、與車載移動接入單元VMAU建立好無線連接后的地面接入單元RAU_x向路網(wǎng)網(wǎng) 關RNG發(fā)送RAU_TNL_REQ 74消息，即請求建立一個雙向通信隧道，該消息至少包含地面接 入單元RAU_x的連接標識、接口標識等信息；E、路網(wǎng)網(wǎng)關RNG收到RAU_TNL_REQ 74消息后，為地面接入單元RAU_x到路網(wǎng)網(wǎng)關 RNG之間分配并建立一個通信隧道，然后向地面接入單元RAU_x發(fā)送消息RNG_TNL_RSP 75， 即作為對分配并建立一個通信隧道的響應，此消息內(nèi)容包含通信隧道的網(wǎng)絡連接標識、接 口標識；F、地面接入單元RAU_x向路網(wǎng)管理單元RNMU發(fā)送消息RAU_STAT_RPT 76，即狀態(tài) 報告，消息內(nèi)容包含通信隧道的基本信息。2、移動終端注冊歸集的信令流程如圖8，移動終端注冊歸集的信令流程是A、移動終端MS_x向車載移動接入單元VMAU發(fā)送消息MSX_ADM_REQ 81，即請求允 許注冊，該消息包含移動終端序列號和網(wǎng)絡接入碼信息；B、車載移動接入單元VMAU收到MSX_ADM_REQ 81后，就把移動終端MS_x的信息添 加到自身的用戶數(shù)據(jù)庫中，并為此次注冊信息附著一個該車載移動接入單元VMAU的唯一 網(wǎng)絡標識，隨后回復消息VMAU_ADM_RSP 82，即作為對此次注冊歸集完成的證實；C、車載移動接入單元VMAU向路網(wǎng)管理單元RNMU發(fā)送消息MSX_ADM_RPT 83，即把 移動終端的注冊信息發(fā)送給路網(wǎng)管理單元RNMU。3、航位預測與同步的信令流程如圖9，航位預測與同步的信令流程是A、車載移動接入單元VMAU向路網(wǎng)管理單元RNMU發(fā)送消息VMAU_STATUS_RPT91，即 行駛狀態(tài)報告，該消息內(nèi)容至少包含車輛當前時速、地理位置、航向信息；B、路網(wǎng)管理單元RNMU向車載移動接入單元VMAU發(fā)送消息RNMU_STATUS_RSP92，即 作為對收到VMAU_STATUS_RPT 91消息的回復證實；C、車載移動接入單元VMAU向路網(wǎng)管理單元RNMU發(fā)送消息VMAU_DR_STR 93，即航 位預測啟動消息，該消息內(nèi)容至少包含約定路網(wǎng)管理單元RNMU啟動航位預測的時間；D、路網(wǎng)管理單元RNMU向車載移動接入單元VMAU發(fā)送消息RNMU_DR_RSP 94即作 為對收到VMAU_DR_STR 93消息的回復證實；E、約定啟動航位預測的時間觸發(fā)，路網(wǎng)管理單元RNMU與車載移動接入單元VMAU 同時執(zhí)行相同的航位預測95程序，車載移動接入單元VMAU每推算出一個航位預測值就與 航位真實值相比較，當I航位預測值-航位真實值I <設定值，就繼續(xù)進行航位預測95推 算，否則，進入第F步；F、由車載移動接入單元VMAU向路網(wǎng)管理單元RNMU發(fā)送消息VMAU_STATUS_UPD 96，即行駛狀態(tài)更新，該消息內(nèi)包含車輛當前時速、地理位置、航向信息和約定重置航位預測的時間；G、路網(wǎng)管理單元RNMU收到VMAU_STATUS_UPD 96消息后，向車載移動接入單元 VMAU發(fā)送消息RNMU_STATUS_UPD-RSP 97，即作為對收到VMAU_STATUS_UPD 96消息的回復 證實；H、約定重置航位預測的時間觸發(fā)，回到第E步，路網(wǎng)管理單元RNMU與車載移動接 入單元VMAU將重新啟動航位預測95 ；以上A H步驟一直持續(xù)到系統(tǒng)異常退出或由用戶中止執(zhí)行。4、越區(qū)切換實施過程的信令流程如圖10，發(fā)生在同一個地面接入單元GAU內(nèi)的越區(qū)切換實施過程的信令流程是A、路網(wǎng)管理單元RNMU結(jié)合自己預裝的航跡地理信息，利用航位預測95程序推算 發(fā)生在相鄰無線電覆蓋小區(qū)500間切換的時間，然后向該路網(wǎng)接入單元GAU_i發(fā)送消息 RNMU_H0RDY_NTF 01，即切換預設定，該消息內(nèi)容包含即將發(fā)生切換的相鄰無線電覆蓋小區(qū) 500天線111的編號和預設時間；B、收到RNMU_H0RDY_NTF 01消息的地面接入單元GAU_i向路網(wǎng)管理單元RNMU發(fā) 送消息GAU_H0RDY_NTF 02，即作為對收到消息RNMU_H0RDY_NTF 01的回復證實；C、地面接入單元GAU_i做好新光波長的預留分配，待GAUj處的切換預設定時間 觸發(fā)，就啟動波長路由切換03，即把控制邏輯1136作用到光交換矩陣1135，原光波長承載 的射頻信號被調(diào)制到新光波長上；D、地面接入單元GAU_i在完成波長路由切換03后向路網(wǎng)管理單元RNMU發(fā)送消息 GAU_H0_CNF 04，即切換完成；經(jīng)過以上A D步驟，即執(zhí)行完一次同一個地面接入單元GAU內(nèi)的越區(qū)切換過程。如圖11，發(fā)生在不同地面接入單元GAU之間的越區(qū)切換實施過程的信令流程是A、路網(wǎng)管理單元RNMU結(jié)合自己預裝的航跡地理信息，利用航位預測95程序推算 在某相鄰地面接入單元GAU_old和GAU_new的無線電覆蓋小區(qū)500間切換的發(fā)生時間，然 后向原地面接入單元GAU_old發(fā)送消息RNMU_H0RDY_NTF 11，即切換預設定，該消息內(nèi)容包 含即將發(fā)生切換的鄰路地面接入單元GAU編號、相鄰無線電覆蓋小區(qū)500天線111的編號 和切換預設定時間；B、收到RNMU_H0RDY_NTF 11消息的原地面接入單元GAU_old向新地面接入單元 GAU_new發(fā)送一個消息GAU_INFTRS_NTF 12，即通知新光波長和通信隧道接口的預留分配；C、新地面接入單元GAU_new向原地面接入單元GAU_old發(fā)送消息GAU_INFTRS_RSP 13，即作為對收到消息GAU_INFTRS_NTF 12的回復證實；D、新地面接入單元GAU_new向路網(wǎng)網(wǎng)關RNG發(fā)送消息GAU_TNL_REQ 14，即請求通 信隧道預留；E、路網(wǎng)網(wǎng)關RNG向新地面接入單元GAU_new發(fā)送RNG_TNL_PRES 15消息，即通信 隧道預留響應；F、路網(wǎng)網(wǎng)關RNG向路網(wǎng)管理單元RNMU發(fā)送消息RNG_TNLRDY_NTF 16，即通知通信 隧道預留完成，該消息包含通信隧道預留已經(jīng)完成的狀態(tài)信息； G、路網(wǎng)管理單元RNMU等待切換預定時間觸發(fā)，一旦觸發(fā)，就向路網(wǎng)網(wǎng)關RNG發(fā)送 消息RNMU_H0_STAT 17，即切換執(zhí)行，該消息包含切換的執(zhí)行指令；
H、路網(wǎng)網(wǎng)關RNG給原路網(wǎng)接入單元GAU_old發(fā)送消息RNG_TNL_FREE 18，即釋放原 通信隧道資源；I、RNG啟用新地面接入單元GAU_neW與路網(wǎng)網(wǎng)關RNG之間預留好的通信隧道，該 通信隧道預留在第E步完成，移動終端群210的通信連接在不被中斷的情況下被平滑切換 到新的通信隧道，即為隧道切換19 ；J、隧道切換19完成后，路網(wǎng)網(wǎng)關RNG給路網(wǎng)管理單元RNMU發(fā)送消息RNG_H0_RSP 20，即作為對本次切換完成的證實。經(jīng)過以上A J的十個步驟，即執(zhí)行完一次不同地面接入單元GAU之間的越區(qū)切 換實施過程。同一個地面接入單元GAU內(nèi)的越區(qū)切換實施過程和不同地面接入單元GAU之間的 越區(qū)切換實施過程隨著列車高速移動而交替出現(xiàn)，因而圖10和圖11的信令流程交替執(zhí)行。三、應用1、地面分系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖12，地面分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括綜合業(yè)務網(wǎng)絡300、路網(wǎng)網(wǎng)關單元120、路網(wǎng)管理單 元130、地面接入中心113、光纖傳輸分配線路112、分布式天線111、鐵軌400和無線電覆蓋 小區(qū)500 ；其連接關系是綜合業(yè)務網(wǎng)絡300與路網(wǎng)網(wǎng)關單元120連通，路網(wǎng)網(wǎng)關單元120分別與路網(wǎng)管理 單元130和地面接入中心113連通；多個地面接入中心113之間相互連通，每一地面接入中 心113分別與多個分布式天線111連通；分布式天線111沿鐵軌400沿線裝配，分布式天線 111之間的安裝距離與系統(tǒng)所采用的無線電電磁波頻段和一次切換執(zhí)行時間密切相關，可 選擇針對60GHz無線電電磁波頻段，設置天線間隔距離約為50 100米，無線電覆蓋小區(qū) 500之間允許有10% -20%的重疊區(qū)域。2、車載分系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖13，車載分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括鐵軌400、高速列車600、多制式天線700、移動終端 群210、分布式天線221、光纖傳輸分配線路222和車載移動接入中心223 ；其連接關系是移動終端群210以漫游狀態(tài)匯集到高速列車600各段車廂，與車廂內(nèi)安置的多制 式天線700之間存在無線電連接，高速列車600各段車廂中安裝的多制式天線700通過光 纖連接后匯接到車載移動接入中心223，車載移動接入中心223與列車天線221通過光纖傳 輸分配線路222連接，列車天線221根據(jù)要求可以由多天線組成與路面天線111之間存在 無線電連接。3、本發(fā)明同樣適用于終端相對集中的其他公共交通工具上的移動通信服務，如飛 機、輪船、公共汽車、地鐵等。
權(quán)利要求
1.一種終端群聚超高移動性寬帶通信系統(tǒng)，其特征在于 包括地面分系統(tǒng)(100)和車載分系統(tǒng)(200)；地面分系統(tǒng)(100)包括地面接入單元(110)、路網(wǎng)網(wǎng)關單元(120)與路網(wǎng)管理單元 (130)；車載分系統(tǒng)(200)包括移動終端群(210)和車載移動接入單元(220)； 其連通關系是路網(wǎng)網(wǎng)關單元(120)、地面接入單元(110)、車載移動接入單元(220)和移動終端群 (210)依次連通，路網(wǎng)管理單元(130)分別與路網(wǎng)網(wǎng)關單元(120)、地面接入單元(110)、車 載移動接入單元(220)連通。
2.按權(quán)利要求1所述的終端群聚超高移動性寬帶通信系統(tǒng)，其特征在于所述地面接入單元(110)包括依次連接在運動載體行駛路線上沿途布設的分布式天 線(111)、光纖傳輸分配線路(112)、地面接入中心(113)和多制式通信網(wǎng)絡接口 (114)；所述地面接入中心(113)包括激光光源組(1130)、光電探測模塊組(1131)、基站/基 站控制器組(1132)、地面移動交換中心(1133)、光調(diào)制器池(1134)、全光交換矩陣(1135)、 控制邏輯(1136)、第1波分復用器(1137)、第2波分復用器(1138)和光纖(1139)； 其連接關系是全光交換矩陣(1135)分別與激光光源組(1130)、光電探測模塊組(1131)、光調(diào)制器池 (1134)、控制邏輯(1136)和第1波分復用器(1137)連接；第1波分復用器(1137)、光纖(1139)和第2波分復用器(1138)依次連接； 地面移動交換中心(1133)和基站/基站控制器組(1132)連接，基站/基站控制器組 (1132)分別與光電探測模塊組(1131)和光調(diào)制器池(1134)連接。
3.按權(quán)利要求1所述的終端群聚超高移動性寬帶通信系統(tǒng)，其特征在于所述路網(wǎng)管理單元(130)包括高速列車位置管理與切換預測模塊(131)、路網(wǎng)拓撲 管理模塊(132)、路網(wǎng)地理信息管理模塊(133)、消息處理模塊(134)、同步預測算法模塊 (135)和移動終端群管理模塊(136)；其交互關系是消息處理模塊(134)接收來自路網(wǎng)其他單元的請求消息或者狀態(tài)報告 消息，將消息進行解析后轉(zhuǎn)發(fā)給高速列車位置管理與切換預測模塊(131)；高速列車位置 管理與切換預測模塊(131)根據(jù)狀態(tài)報告、路網(wǎng)拓撲管理模塊(132)、路網(wǎng)地理信息管理模 塊(133)和移動終端群管理模塊(136)提供的信息確定車輛運行位置和狀態(tài)，為高速列車 位置管理與切換預測模塊(131)提供歷史運行狀態(tài)數(shù)據(jù)；切換策略由根據(jù)位置信息和預測 的結(jié)果組成。
4.按權(quán)利要求1所述的終端群聚超高移動性寬帶通信系統(tǒng)，其特征在于所述車載移動接入單元(220)包括依次連接的分布式天線(221)、光纖傳輸分配線路 (222)、車載移動接入中心(223)和多制式通信接口(224)；所述車載移動接入中心(223)包括激光光源(2231)、光調(diào)制器(2232)、1X2波分復用 器(2233)、光電轉(zhuǎn)換模塊(2234)、射頻處理模塊(2235)、車載移動交換中心(2236)和基站 /基站控制器組(2237)； 其連接關系是激光光源(2231)、光調(diào)制器(2232)、波分復用器(2233)依次由光纖連接，波分復用器(2233)與光電轉(zhuǎn)換模塊(2234)之間通過光纖連接，光電轉(zhuǎn)換模塊(2234)、射頻處理模塊 (2235)、車載移動交換中心(2236)和基站/基站控制器組(2237)依次由電纜線連接，射頻 處理模塊(2235)和光調(diào)制器(2232)之間也由電纜連接。
5.基于權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的快速越區(qū)切換方法，其特征在于包括下列步驟①車載移動接入單元與地面接入單元之間建立雙向無線連接通道，路網(wǎng)網(wǎng)關單元與地 面接入單元之間建立隧道連接；②車載移動接入單元、地面接入單元和路網(wǎng)網(wǎng)關單元各自向路網(wǎng)管理單元發(fā)送連接狀 態(tài)報告；③移動終端漫游到列車車廂內(nèi)，即建立與車載移動接入單元的通信規(guī)約適配，車載移 動接入單元對漫游到列車車廂內(nèi)的移動終端注冊歸集，被歸集的移動終端與車外業(yè)務網(wǎng)絡 之間的通信由車載移動接入單元代理完成；④車載移動接入單元向路網(wǎng)管理單元發(fā)送行駛狀態(tài)報告，并確定航位預測與同步執(zhí)行 的時間；⑤航位預測與同步執(zhí)行時間觸發(fā)，車載移動接入單元與路網(wǎng)管理單元同步執(zhí)行相同的 車輛航位預測程序；⑥車載移動接入單元根據(jù)航位預測程序?qū)崟r預測車輛當前的航行位置，如果出現(xiàn)航位 預測值與列車真實位置的累計誤差超出預設值，回到步驟⑤從而對預測程序進行校正，否 則進入到步驟⑦；⑦根據(jù)預設車輛航跡調(diào)度信息和地面接入單元的無線電覆蓋拓撲，路網(wǎng)管理單元使用 航位預測程序推算列車行駛位置及其穿越航跡上各無線電覆蓋小區(qū)的時間，然后向航跡沿 線相關的地面接入單元和路網(wǎng)網(wǎng)關單元發(fā)出切換預置指令，通知切換的具體時間；⑧如果相關地面接入單元及路網(wǎng)網(wǎng)關單元的切換定時時間觸發(fā)，就進入步驟⑨，否則， 回到步驟⑦；⑨啟動由路網(wǎng)網(wǎng)關單元和相關地面接入單元主導的越區(qū)切換實施過程；⑩路網(wǎng)管理單元收到來自參與切換執(zhí)行過程的地面接入單元和路網(wǎng)網(wǎng)關單元的切換 完成狀態(tài)報告，切換實施過程結(jié)束，回到步驟⑥。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種終端群聚超高移動性寬帶通信系統(tǒng)及其快速越區(qū)切換方法，涉及高速鐵路移動通信系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括地面分系統(tǒng)(100)和車載分系統(tǒng)(200)；路網(wǎng)網(wǎng)關單元(120)、地面接入單元(110)、車載移動接入單元(220)和移動終端群(210)依次連通，路網(wǎng)管理單元(130)分別與路網(wǎng)網(wǎng)關單元(120)、地面接入單元(110)和車載移動接入單元(220)連通。本發(fā)明在越區(qū)切換機制中引入光技術(shù)手段，切換流程的延遲與光開關動作時間密切相關，采用電光開關更可實現(xiàn)納秒級的切換；本發(fā)明利用光層上進行一次切換流程即可完成終端群的集團切換；終端匯聚規(guī)模越大，本發(fā)明的積極效果越明顯。
文檔編號H04W8/02GK102045650SQ201010582049
公開日2011年5月4日 申請日期2010年12月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月10日
發(fā)明者楊春勇, 陳少平 申請人:中南民族大學