一种适合高速铁路的宽带无线接入网络架构*

于晓溪，谈振辉，章嘉懿，王海波

（轨道交通控制与安全国家重点实验室（北京交通大学） 北京100044）

1 引言

随着高速铁路客运专线（我国正在建设的高速铁路列车运行速度为350 km/h以上）的快速发展，高速移动环境下通信服务的种类越来越多，不仅包括语音和数据业务，还应支持多媒体业务，如实时视频业务等。这就需要在高速铁路上提供宽带无线接入服务，因此，高速铁路成为需要覆盖高速数据业务的新热点场景。在“十一五”规划中，科技部、铁道部将“双高”（高速移动环境下的高速数据业务）课题作为研究重点。

实验测试表明，当列车行驶速度为200 km/h时，电波覆盖率从原来的99%以上直降到84%左右，语音通话率从原来的96%以上下降到81%左右，掉话率也从原来的0%上升到25%以上，其他语音指标及数据业务指标均有不同程度的下降，部分路段出现了脱网、不能正常呼叫和切换以及掉话等现象。可见，使用低频段的现有移动蜂窝系统，如 GSM、UMTS（universal mobile telecommunications system，通用移动通信系统）等,不能满足提供高速移动用户高速率业务质量的“双高”要求[1,2]。新的高速铁路网络覆盖解决方案已成为业界研究“双高”课题的热点。

一方面，频谱资源对于无线通信极为重要，目前低频段的使用已经过于拥挤，频谱规划非常困难。低频段频谱资源的匮乏成为未来移动通信发展的瓶颈[3]，研究者已经开始将目光投向了更高的频段，考虑使用毫米波频段（如60 GHz）用于无线通信。使用毫米波频段进行无线通信的系统具有高带宽、高数据速率、对其他系统干扰小等特点，但是其在空气中的高传播损耗特性使得覆盖区域很小（最多为几十米）[4,5]，这样就需要建设大量的基站覆盖高速铁路沿线。为实现低成本高带宽的网络覆盖，发挥毫米波频段用于无线通信的优势，本文提出了一种基于RoF（radio over fiber，光载无线通信）技术[6]的新型宽带无线接入网络架构。与传统的移动蜂窝系统基站相比，RoF网络使用的RAU（remote antenna unit，远端天线单元）功能简单并且成本低。在本文提出的方案中，传统BS（base station，基站）的功能模块被集中放置在CCU（centralized control unit，集中控制单元）中，将大量RAU分散布置在铁路沿线为高速列车提供通信服务，RAU与CCU之间通过光纤环路连接，直接利用光载波来传输射频信号。多个演示实验表明，通过数万公里的光纤链路传输，每小区数据速率仍可超过100 Mbit/s[7,8]。其中,CCU负责基带信号调制解调、媒体接入控制、路由、无线资源管理等功能，而RAU仅负责简单的射频信号放大发送和接收。在CCU中，每个逻辑上的BS可通过光开关的切换动态连接并控制多个RAU，而不受这些RAU位置的限制。同时CCU中的基带处理单元、射频信号调制解调等资源在多个逻辑BS之间共享，因此每个逻辑BS的容量可根据需求灵活分配，与传统的在铁路沿线分散布置大量BS的方式相比，也大大降低了整个无线接入网络建设和运营维护的成本。

另一方面，列车高速行驶将导致越区切换频繁。例如，当列车运行速度为360 km/h，小区大小为50 m时，每500 ms将进行一次切换。因此，这种基于RoF技术的新型宽带无线接入网络架构必须满足快速切换的要求。为实现简单快速的切换，本文针对这种新型网络架构提出了一种可以动态分配资源的媒体接入控制方案，并对其移动性管理进行了说明。

2 网络架构

高速列车的运行轨迹是固定的，运行时间和方向也是可预知的，并且列车之间距离间隔大。利用高速铁路的这些特点，本文提出了基于RoF的新型高速铁路宽带无线接入网络架构，如图1所示。

图中RAU与CCU通过光纤互连；RAU分布在铁路沿线并采用定向天线带状覆盖，以支持与高速列车中乘客的通信链路，RAU的覆盖区域称为“RAU小区”。CCU连接核心网，如公共交换电话网和互联网等。

传统BS的功能模块集中放置在CCU中，由CCU统一集中管理；每个BS功能模块（以下简称为“BS”）对应的多个RAU称为一个RAU组，同一组中的RAU必须连续分布。一个RAU组使用相同的频谱资源，其覆盖区域称为“追光小区”。由于一个追光小区是由一个BS控制的，因此追光小区中使用的频谱资源是相同的。为了避免同频干扰，相邻的追光小区必须使用不同的频谱资源。当高速列车在追光小区内移动时不需要改变频率，仅当进入下一个追光小区时才改变频率。根据高速列车的运行时间和方向，可以通过光开关的切换开启或关闭同一个BS对应的不同RAU组，重复利用BS，这就相当于BS所控制的小区紧随高速列车行驶而移动，好比舞台上跟着演员的追光灯一样，故名为“追光小区”。为了实现相邻追光小区间的无缝快速切换，设置一个专门的RAU小区作为重叠区域，该小区由两个BS控制，称为“切换小区”。这样该小区就有两个载频同时覆盖高速列车，可以在此区域提高系统容量，保证用户速率的平稳性。

CCU内部结构如图2所示，它由一个集中控制器和多个BS组成。假设CCU中有n个BS，每个BS对应3个RAU，组成一个RAU组，切换小区的RAU同时属于两个相邻的追光小区。RAUi表示该RAU被BSi控制，RAUij表示该RAU同时被BSi和BSj控制，其覆盖区域为切换小区。在设计实际系统时，可以根据设定的RAU小区大小和需要的业务量选择每个追光小区包含的RAU数。

对于下行链路传输，核心网的用户数据经过CCU基带处理，调制成射频信号，通过光纤传输到RAU，RAU进行简单的光电转换并放大，将射频信号发射到用户端；对于上行链路传输，RAU将接收到的用户射频信号转换成光信号，通过光纤传输到CCU，CCU进行光电转换再解调处理交付给核心网。在该结构中，CCU负责集中控制、基带处理、光电转换等；分布在铁路沿线的RAU则具有简单的射频发射与接收、放大、光电转换等功能，这就使得布网成本大大降低，系统操作、控制和维护也更方便。

3 媒体接入控制

下面提出了一种与上述新型高速铁路宽带无线接入网络相对应的媒体接入控制方案。基于动态TDMA（time division multiple access，时分多址接入）设计的媒体接入控制方案支持快速切换，并具有自适应资源分配能力。

3.1 超帧定义

根据上述网络架构，大量RAU分布在铁路沿线。CCU中放置n个BS，即n个追光小区，每个追光小区包含m个RAU。每个追光小区采用TDMA方式，定义一个固定长度的超帧，它由m个时隙组成，每个时隙是为该追光小区中RAU分配的帧。同时服务的超帧数与CCU控制的追光小区数相同。帧由上行、下行两个部分组成，其长度并不是固定的，可以在超帧范围内根据RAU小区的业务需求动态分配。

图3是一个由3个RAU小区组成的追光小区超帧分配示意图，描述了该追光小区定义的超帧在时域如何分配给每个RAU小区，这3个RAU小区由同一个BS控制，使用相同的频谱资源。帧j（1≤j≤3）只对应由CCU激活的BSi（1≤i≤n）控制的 RAUij小区，也就是说在不相交的时间段内（如帧的持续时间），BS支持追光小区中不同的RAU。因此，虽然在追光小区中的RAU组使用相同的频谱资源，但是这个追光小区内没有同频干扰。一个帧负责承载其对应RAU小区覆盖区域内的用户数据。如果高速列车中的用户在不重叠区域中，则只接收所在RAU小区对应的一个帧；如果用户在重叠区域中，就可以接收一个追光小区超帧内的两个不同的帧。

3.2 帧结构

本文提出的架构中假设BS可以提供一个基于预留的、无碰撞的媒体接入。控制每个追光小区的BS使用基于固定长度超帧时隙的媒体接入，如图4所示。超帧结构决定追光小区内每个RAU的时隙分配，即在超帧持续时间内，RAU只与位于其覆盖区域中的高速列车用户通信。虽然超帧的长度是固定的，但分配给每个RAU帧的长度可以根据其业务量大小而变化。

每个RAU帧头是在BS中创建的“RAU标识”，包括RAU标识符（ID）、指定开始时隙位置和每个用户时隙长度的时隙分配。“广播”时隙中广播前一个超帧中预留时隙的分配结果，并包含一个用于指示用户进行追光小区间切换的微时隙。这个微时隙只在切换小区中使用，广播切换小区中存在的相邻追光小区使用的频率，进行追光小区间切换指示。“新用户”时隙用于在“时隙分配”中没有预留任何时隙而要求接入的用户，新用户使用传统的方法来解决竞争问题（如预约时隙ALOHA），但其优先级低于切换用户。上下行链路时隙根据“时隙分配”指定分配给每个用户。在上行链路时隙中包含“切换标识符”，用于追光小区内的快速切换。

当高速列车中的用户发起呼叫时，使用预留的微时隙向BS发送一个时隙请求。如果请求发送成功并且系统有足够的时隙分配给请求用户，那么在下一个超帧中此RAU帧通过“时隙分配”指示给用户分配时隙。这里假设超帧持续时间长于BS和RAU之间的往返时间与BS用于预留的处理时间之和。

4 移动性管理

在提出的网络架构中，存在两种切换类型：

·同一个追光小区的两个相邻RAU之间的切换，即追光小区内的切换；

·不同追光小区的两个相邻RAU之间的切换，即追光小区间的切换。

对于追光小区内的切换，假设两个相邻RAU间重叠区域的大小足够完成切换流程。例如，高速列车以360 km/h的速度行驶，列车行驶1 m的时间是10 ms。因此，当超帧持续时间很小（1～5 ms）时，重叠区域大小是十几米就足够完成切换流程。追光小区间的切换则在专门的切换小区中进行。这两种类型的切换流程如图5所示，它们都实现了无缝切换，具有无切换时延、无切换阻塞等特点，这也是本文提出的网络架构的主要特点。

4.1 追光小区内的切换

追光小区内的切换流程如图5中（a）所示。由于追光小区中所有的RAU都是由同一个BS控制的，使用相同的频谱资源，因此，在超帧持续时间内进入RAU重叠区域的用户收到两个包含不同RAU标识符（ID）的帧头（“RAU标识”）。用户通过设置其在上行链路时隙中包含的“切换标识符”给CCU发送切换请求，然后CCU在目标RAU小区中给用户预留时隙资源，并且释放用户在源RAU小区中使用的时隙资源。这样，在下一个超帧中用户已平滑切换至目标RAU帧，无需切换应答，减少了大量信令流程，使切换简单快速。CCU可以根据实际情况调整此超帧中RAU帧的长度，比如缩短源RAU帧的长度、增加目标RAU帧的长度以满足切换用户要求的资源。因此，同一个追光小区内两个相邻RAU之间切换所需的资源总是存在。这就实现了随着用户移动与业务量动态分配资源，也使追光小区内的切换具有零切换时延和零切换阻塞的特点。

4.2 追光小区间的切换

相邻追光小区间的切换在切换小区中完成，切换流程如图5（b）所示。网络在铁路沿线呈带状覆盖，对于CCU已知行驶方向的列车，切换小区可描述为源追光小区的最后一个RAU小区，目标追光小区的第一个RAU小区。可见，用户接入到切换小区的过程是在源追光小区内最后两个相邻的RAU之间的切换过程，由于切换请求是由CCU处理的，因此CCU可知何时有用户接入到切换小区。当用户进入切换小区后，用户只要接收到在“追光小区间切换微时隙”中广播的目标追光小区使用的频率（相当于切换命令），就做好切换准备（调整发送、接收频点）。同时，CCU知道有用户接入到切换小区后，将源追光小区中用户所在的RAU帧时隙分配结果通知目标追光小区，并释放用户在源追光小区超帧中使用的时隙资源。在下一个超帧中用户使用目标追光小区使用的频率发送、接收数据，即建立与目标追光小区的通信链路，完成追光小区间的切换。由于管理每个追光小区的BS由CCU集中控制，CCU可以根据实际情况动态调整RAU帧的长度，所以用户可以无时延、平滑地切换至目标追光小区。这也实现了无缝切换，并且无切换阻塞。

5 结束语

这种新型宽带无线接入网络架构，将RAU分散布置在铁路沿线，使用毫米波频段提供高带宽，并且利用RoF和追光小区技术，统一集中管理BS，具有如下特点：

（1）网络建设成本低；

（2）无论是追光小区内还是追光小区间的切换都具有简单快速的切换流程；

（3）在RAU小区间没有同频干扰；

（4）设计的媒体接入控制方案支持快速无缝切换和自适应资源分配。

这种新型网络架构和相对应的媒体接入控制方案适用于高速铁路宽带无线接入系统，推进了“双高”课题研究。

1 Anders Furuskar,Sara Mazur,Frank Muller,et al.EDGE:enhanced data rates for GSM and TDMA/136 evolution.IEEE Wireless Communications,1999,6(3)：56～66

2 Erik Dahlman,Björn Gudmundson,Mats Nilsson,et al.UMTS/IMT-2000 based on wideband CDMA.IEEE Communications Magazine,1998,36(9)：70～80

3 杨璟珂.突破有限的频谱资源带来的瓶颈.http://www.futureforum.org/2009cn/an_list.asp?id=17&Page=1

4 Peter Smulders.Exploiting the 60 GHz band for local wireless multimedia access:prospects and future directions.IEEE Communications Magazine,2002,40(1):140～147

5 Terabeam.Performance characteristics of 60 GHz communication systems.http://www.terabeam.com/downloads/whitepapers/TB_60_Ghz.pdf

6 Al-Raweshidy H,Komaki S.Radio overfiber technologies for mobile communications networks.Artech House,2002

7 Smith G H,Novak D,Lim C.A millimeter-wave full-duplex fiber-radio star-tree architecture incorporating WDM and SCM.IEEE Photonics Technology Letters,1998,10(11):1650～1652

8 Ken-Ichi Kitayama,Andreas Stohr,Toshiaki Kuri,et al.An approach to single optical component antenna base stations for broad-band millimeter-wave fiber-radio access systems.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2000,48(12):2588～2595