基于位置预测的光层切换算法研究

汪淳

摘 要：随着列车时速的不断加快，现有铁路通信系统的数据传输的可靠性和带宽方面已无法满足要求。文章构造了基于ROF技术的无线宽带接入网络，提出了基于位置预测的快速切换算法。经OPNET仿真实验证明，该系统在切换时延和丢包率方面有显著改善。

关键词：ROF；光层切换；移动基站

中图分类号：TN925 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）5-0008-02

目前，高速列车均工作在如WI-FI、WIMAX、UMTS等大区制小区下，普遍以信号强度作为网络切换的判决门限，网络传输能力非常有限。未来的移动通信业务趋向于多媒体交换应用，带宽需求量增大，将无线载波频率转移到射频微波频段上可以解决该问题，同时又产生了大量的微小区、微微小区。

当列车快速移动的时候，穿越微微小区，会出现频繁切换的问题。因此，对网络切换机制的有效性和效率提出了更高的要求。本文设计了一种工作在微微小区下的宽带接入网络模型，即基于ROF技术的移动基站网络模型并提出了相应的快速切换算法。

1 系统模型

1.1 系统架构

基于光纤无线电（Radio-Over-Fiber，ROF）技术的分布式天线系统（Distribute Antenna System，DAS）被认为是增加无线接入网络容量的技术之一。此技术将属于中央处理节点（Centre control station， CS）的多个远端天线单元（Remote Antenna Unit，RAU）分布设置在整个覆盖区域，每个天线通过光链路与中央处理节点相连，远端天线单元仅完成信号收发的基本功能，信号处理功能由中央处理节点CS完成，因而具有了扩张系统容量的能力和灵活的组网方式等特点。

本系统采取基于ROF技术的环形结构网络，由一个中心站（CS）和N个远端基站（RAU）构成，中心站包括传输模块和接收模块。该网络需要将N个RAU以相等的距离架设在铁路轨道沿线，通过两根光纤与CS连接，其中一根保证上行链路的连接，另一根保证下行链路的连接，其结构如图1所示。

同理，各个RAU上行连路也是将射频信号转换成固定波长光信号的过程，具体办法：天线接收到射频信号，将其调制到对应波长的光载波上，已调光信号经光纤传送至CS，由光分路器分配到不同的光接收机，经光电转换器件还原为射频信号，最后解调为需要的用户数据。

1.2 移动基站

如何保证各无线传输隧道的有序传输？假定每一个RAU的射频信道频率值与分配给它的光载波波长一一对应并保持固定。列车越区时，CS控制切换的执行，将数据流需要由旧的RAU频率调制到新的RAU频率，并耦合进对应的光载波波长。为了能够顺利完成切换，列车网关天线将持续变频，这就是传统的切换方式。考虑到列车由多节车厢组成，会同时存在多个列车网关，CS需同时转换多路射频信号，从而降低了系统切换效率。

基于ROF技术的特点，在发生切换的时候，系统可以采用单一的频率进行射频输出，为了区别不同的RAU，可以分配给每个RAU一个专门的光载波波长，列车越区到哪个RAU服务范围，就将RF调制到对应的光载波上。这样列车网关天线可以以固定频率进行通信，无须持续变频。

随着全光波长路和光开关技术的发展，CS在切换过程中始终参照列车的位置，完成由旧光载波波长到新光载波波长的调制，完成切换任务。该切换方式属于硬切换的范畴。为了准确保证切换的准确性，必须精确的预测列车的行程位置，以确保切换决策的实时与准确性。

在现实系统中，列车的速度和行程信息已经收集到列车控制站和站台，因此可以利用该信息完成基于位置预测的切换，该切换方式比传统的基于信号强弱的方式更快捷方便。在网络模型的CS端收集该信息，再结合列车轨道沿线RAU的分布，CS可以根据列车的行程位置判断切换的发起时机，从而控制切换。该切换判决着眼于网络层，操作在物理层，相比较网络层和数据链路层的切换，切换时延更短，切换效率更高，完全适合于高速移动下的多媒体实时业务的无损传输。且信令控制包急剧减少，不会占用过度的信道资源，从而减轻了系统负担。因此是高速移动场景下十分适用的切换算法。

3 仿真结果

4 结 语

本文建立了基于ROF技术的移动基站网络模型，并在此基础上提出基于位置预测的快速切换算法。经过系统仿真证明，该算法能够准确预测列车位置，做出准确的硬切换决策，指导光层切换的执行，减小了网络切换延时。同时证明，基于ROF技术的分布式天线系统，能够作为未来一种有效的无线接入方法，以服务于铁路等高速运动的用户，为它们提供超宽带的网络服务。

参考文献：

[1] 张博.ROF无线接入技术研究[D].北京：北京邮电大学，2008.

[2] Bart Lannoo.Radio-over-Fiber-Based Solution to Provide B-

roadband Internet Access to Train Passengers[J].IEEE Com-

munication Magzine，2007，（45）.endprint

摘 要：随着列车时速的不断加快，现有铁路通信系统的数据传输的可靠性和带宽方面已无法满足要求。文章构造了基于ROF技术的无线宽带接入网络，提出了基于位置预测的快速切换算法。经OPNET仿真实验证明，该系统在切换时延和丢包率方面有显著改善。

关键词：ROF；光层切换；移动基站

中图分类号：TN925 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）5-0008-02

目前，高速列车均工作在如WI-FI、WIMAX、UMTS等大区制小区下，普遍以信号强度作为网络切换的判决门限，网络传输能力非常有限。未来的移动通信业务趋向于多媒体交换应用，带宽需求量增大，将无线载波频率转移到射频微波频段上可以解决该问题，同时又产生了大量的微小区、微微小区。

当列车快速移动的时候，穿越微微小区，会出现频繁切换的问题。因此，对网络切换机制的有效性和效率提出了更高的要求。本文设计了一种工作在微微小区下的宽带接入网络模型，即基于ROF技术的移动基站网络模型并提出了相应的快速切换算法。

1 系统模型

1.1 系统架构

基于光纤无线电（Radio-Over-Fiber，ROF）技术的分布式天线系统（Distribute Antenna System，DAS）被认为是增加无线接入网络容量的技术之一。此技术将属于中央处理节点（Centre control station， CS）的多个远端天线单元（Remote Antenna Unit，RAU）分布设置在整个覆盖区域，每个天线通过光链路与中央处理节点相连，远端天线单元仅完成信号收发的基本功能，信号处理功能由中央处理节点CS完成，因而具有了扩张系统容量的能力和灵活的组网方式等特点。

本系统采取基于ROF技术的环形结构网络，由一个中心站（CS）和N个远端基站（RAU）构成，中心站包括传输模块和接收模块。该网络需要将N个RAU以相等的距离架设在铁路轨道沿线，通过两根光纤与CS连接，其中一根保证上行链路的连接，另一根保证下行链路的连接，其结构如图1所示。

同理，各个RAU上行连路也是将射频信号转换成固定波长光信号的过程，具体办法：天线接收到射频信号，将其调制到对应波长的光载波上，已调光信号经光纤传送至CS，由光分路器分配到不同的光接收机，经光电转换器件还原为射频信号，最后解调为需要的用户数据。

1.2 移动基站

如何保证各无线传输隧道的有序传输？假定每一个RAU的射频信道频率值与分配给它的光载波波长一一对应并保持固定。列车越区时，CS控制切换的执行，将数据流需要由旧的RAU频率调制到新的RAU频率，并耦合进对应的光载波波长。为了能够顺利完成切换，列车网关天线将持续变频，这就是传统的切换方式。考虑到列车由多节车厢组成，会同时存在多个列车网关，CS需同时转换多路射频信号，从而降低了系统切换效率。

基于ROF技术的特点，在发生切换的时候，系统可以采用单一的频率进行射频输出，为了区别不同的RAU，可以分配给每个RAU一个专门的光载波波长，列车越区到哪个RAU服务范围，就将RF调制到对应的光载波上。这样列车网关天线可以以固定频率进行通信，无须持续变频。

随着全光波长路和光开关技术的发展，CS在切换过程中始终参照列车的位置，完成由旧光载波波长到新光载波波长的调制，完成切换任务。该切换方式属于硬切换的范畴。为了准确保证切换的准确性，必须精确的预测列车的行程位置，以确保切换决策的实时与准确性。

在现实系统中，列车的速度和行程信息已经收集到列车控制站和站台，因此可以利用该信息完成基于位置预测的切换，该切换方式比传统的基于信号强弱的方式更快捷方便。在网络模型的CS端收集该信息，再结合列车轨道沿线RAU的分布，CS可以根据列车的行程位置判断切换的发起时机，从而控制切换。该切换判决着眼于网络层，操作在物理层，相比较网络层和数据链路层的切换，切换时延更短，切换效率更高，完全适合于高速移动下的多媒体实时业务的无损传输。且信令控制包急剧减少，不会占用过度的信道资源，从而减轻了系统负担。因此是高速移动场景下十分适用的切换算法。

3 仿真结果

4 结 语

本文建立了基于ROF技术的移动基站网络模型，并在此基础上提出基于位置预测的快速切换算法。经过系统仿真证明，该算法能够准确预测列车位置，做出准确的硬切换决策，指导光层切换的执行，减小了网络切换延时。同时证明，基于ROF技术的分布式天线系统，能够作为未来一种有效的无线接入方法，以服务于铁路等高速运动的用户，为它们提供超宽带的网络服务。

参考文献：

[1] 张博.ROF无线接入技术研究[D].北京：北京邮电大学，2008.

[2] Bart Lannoo.Radio-over-Fiber-Based Solution to Provide B-

roadband Internet Access to Train Passengers[J].IEEE Com-

munication Magzine，2007，（45）.endprint

摘 要：随着列车时速的不断加快，现有铁路通信系统的数据传输的可靠性和带宽方面已无法满足要求。文章构造了基于ROF技术的无线宽带接入网络，提出了基于位置预测的快速切换算法。经OPNET仿真实验证明，该系统在切换时延和丢包率方面有显著改善。

关键词：ROF；光层切换；移动基站

中图分类号：TN925 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）5-0008-02

目前，高速列车均工作在如WI-FI、WIMAX、UMTS等大区制小区下，普遍以信号强度作为网络切换的判决门限，网络传输能力非常有限。未来的移动通信业务趋向于多媒体交换应用，带宽需求量增大，将无线载波频率转移到射频微波频段上可以解决该问题，同时又产生了大量的微小区、微微小区。

当列车快速移动的时候，穿越微微小区，会出现频繁切换的问题。因此，对网络切换机制的有效性和效率提出了更高的要求。本文设计了一种工作在微微小区下的宽带接入网络模型，即基于ROF技术的移动基站网络模型并提出了相应的快速切换算法。

1 系统模型

1.1 系统架构

基于光纤无线电（Radio-Over-Fiber，ROF）技术的分布式天线系统（Distribute Antenna System，DAS）被认为是增加无线接入网络容量的技术之一。此技术将属于中央处理节点（Centre control station， CS）的多个远端天线单元（Remote Antenna Unit，RAU）分布设置在整个覆盖区域，每个天线通过光链路与中央处理节点相连，远端天线单元仅完成信号收发的基本功能，信号处理功能由中央处理节点CS完成，因而具有了扩张系统容量的能力和灵活的组网方式等特点。

本系统采取基于ROF技术的环形结构网络，由一个中心站（CS）和N个远端基站（RAU）构成，中心站包括传输模块和接收模块。该网络需要将N个RAU以相等的距离架设在铁路轨道沿线，通过两根光纤与CS连接，其中一根保证上行链路的连接，另一根保证下行链路的连接，其结构如图1所示。

同理，各个RAU上行连路也是将射频信号转换成固定波长光信号的过程，具体办法：天线接收到射频信号，将其调制到对应波长的光载波上，已调光信号经光纤传送至CS，由光分路器分配到不同的光接收机，经光电转换器件还原为射频信号，最后解调为需要的用户数据。

1.2 移动基站

如何保证各无线传输隧道的有序传输？假定每一个RAU的射频信道频率值与分配给它的光载波波长一一对应并保持固定。列车越区时，CS控制切换的执行，将数据流需要由旧的RAU频率调制到新的RAU频率，并耦合进对应的光载波波长。为了能够顺利完成切换，列车网关天线将持续变频，这就是传统的切换方式。考虑到列车由多节车厢组成，会同时存在多个列车网关，CS需同时转换多路射频信号，从而降低了系统切换效率。

基于ROF技术的特点，在发生切换的时候，系统可以采用单一的频率进行射频输出，为了区别不同的RAU，可以分配给每个RAU一个专门的光载波波长，列车越区到哪个RAU服务范围，就将RF调制到对应的光载波上。这样列车网关天线可以以固定频率进行通信，无须持续变频。

随着全光波长路和光开关技术的发展，CS在切换过程中始终参照列车的位置，完成由旧光载波波长到新光载波波长的调制，完成切换任务。该切换方式属于硬切换的范畴。为了准确保证切换的准确性，必须精确的预测列车的行程位置，以确保切换决策的实时与准确性。

在现实系统中，列车的速度和行程信息已经收集到列车控制站和站台，因此可以利用该信息完成基于位置预测的切换，该切换方式比传统的基于信号强弱的方式更快捷方便。在网络模型的CS端收集该信息，再结合列车轨道沿线RAU的分布，CS可以根据列车的行程位置判断切换的发起时机，从而控制切换。该切换判决着眼于网络层，操作在物理层，相比较网络层和数据链路层的切换，切换时延更短，切换效率更高，完全适合于高速移动下的多媒体实时业务的无损传输。且信令控制包急剧减少，不会占用过度的信道资源，从而减轻了系统负担。因此是高速移动场景下十分适用的切换算法。

3 仿真结果

4 结 语

本文建立了基于ROF技术的移动基站网络模型，并在此基础上提出基于位置预测的快速切换算法。经过系统仿真证明，该算法能够准确预测列车位置，做出准确的硬切换决策，指导光层切换的执行，减小了网络切换延时。同时证明，基于ROF技术的分布式天线系统，能够作为未来一种有效的无线接入方法，以服务于铁路等高速运动的用户，为它们提供超宽带的网络服务。

参考文献：

[1] 张博.ROF无线接入技术研究[D].北京：北京邮电大学，2008.

[2] Bart Lannoo.Radio-over-Fiber-Based Solution to Provide B-

roadband Internet Access to Train Passengers[J].IEEE Com-

munication Magzine，2007，（45）.endprint