一种超高速磁悬浮列车的越区切换方法与流程

1.本发明涉及超高速磁悬浮列车车地无线通信技术领域，尤其涉及一种超高速磁悬浮列车的越区切换方法。


背景技术：

2.高速飞行列车(以下简称“飞车”)采用“磁悬浮 低真空管道”，利用低真空环境和超声速外形减小空气阻力，通过磁悬浮方式减小摩擦阻力，实现超音速的“近地飞行”，最高运行速度可突破1000km/h。
3.飞车需要与地面控制中心进行实时的数据交互，从而实现地面控制中心获取飞车的运行信息，以及地面控制中心对飞车安全运行的精准控制，这一过程需要车地无线通信系统来实现。因此，飞车与地面基站之间的通信至关重要。车地无线通信系统与传统蜂窝网络相同，当飞车离开当前服务基站，进入到下一个基站(目标基站)的服务范围时，考虑到不同基站具有不同的底层参数配置，因此飞车经过两个相邻基站的重叠覆盖区域时，需要进行越区切换，即需要改变底层(物理层、数据链路层和网络层)连接。
4.现有的越区切换方法主要适用于高速铁路列车的运行速度。例如，现有的高速铁路lte相邻小区之间使用的是相同频率，在越区切换的研究中，通常使用基于rsrp(参考信号接收功率)和rsrq(参考信号接收质量)的联合判决算法，能够较好地保证切换成功率，但由于多径衰落、阴影衰落等因素的影响，信号质量可能产生波动，降低了切换触发的准确性。目前有较多文献基于上述联合判决算法进行改进，如提出基于波束赋形的速度自适应越区切换方案，基于地理位置信息和波束赋形技术，改善列车移动台的接收信号质量；再比如通过神经网络学习算法对切换参数(迟滞容限和切换时延)进行优化，相比固定参数阈值的切换算法，能够在切换成功率、乒乓切换率两个指标有一定程度的改善。
5.但是，飞车的运行速度远高于高速铁路列车的运行速度，若采用相似的配置方式，飞车的越区切换成功率无法得到保证，使车地无线通信链路不稳定，影响飞车的安全运行。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种超高速磁悬浮列车的越区切换方法，能够解决现有技术中的越区切换方法成功率不高导致车地无线通信链路不稳定的技术问题。
7.本发明提供了一种超高速磁悬浮列车的越区切换方法，所述方法包括：
8.在列车的车首天线进入服务基站与目标基站的重叠覆盖区域的情况下，服务基站发送第一下行频率信号至列车的车首天线，目标基站发送第二下行频率信号至列车的车首天线，其中，第一下行频率信号的频率与第二下行频率信号的频率不同；
9.第一信号检测模块检测车首天线接收的第一下行频率信号和第二下行频率信号，并对第一下行频率信号和第二下行频率信号进行混频，得到混频信号；
10.第一混频信号滤波器接收第一信号检测模块发送的混频信号，并对混频信号进行滤波，得到滤波后的第一下行频率信号和滤波后的第二下行频率信号；
11.异频信号强度比较器接收第一混频信号滤波器发送的滤波后的第一下行频率信号和滤波后的第二下行频率信号，并对滤波后的第一下行频率信号和滤波后的第二下行频率信号的强度进行比较；
12.车载控制器接收异频信号强度比较器发送的比较结果，基于比较结果判断是否执行越区切换，并在判断执行越区切换的情况下，以目标基站的上下行频率建立车首天线与目标基站的双向连接，同时断开车首天线与服务基站的双向连接；
13.在列车的车尾天线进入服务基站与目标基站的重叠覆盖区域的情况下，以目标基站的上下行频率建立车尾天线与目标基站的双向连接，同时断开车尾天线与服务基站的双向连接。
14.优选的，基于比较结果判断是否执行越区切换包括：
15.如果比较结果为在设定时间间隔内滤波后的第二下行频率信号的强度与滤波后的第一下行频率信号的强度之差始终大于门限值，则判断执行越区切换，否则判断不执行越区切换。
16.优选的，在判断执行越区切换的情况下，以目标基站的上下行频率建立车首天线与目标基站的双向连接，同时断开车首天线与服务基站的双向连接包括：
17.在判断执行越区切换的情况下，车载控制器控制车首天线以服务基站的上行频率发送根据比较结果形成的第一测量报告至服务基站；
18.服务基站基于接收的第一测量报告发送切换请求信号与请求分配网络资源的数据包至目标基站；
19.目标基站基于接收的切换请求信号与请求分配网络资源的数据包发送切换请求确认信号至服务基站；
20.服务基站基于接收的切换请求确认信号冗余发送切换指令数据包至车首天线；
21.车载控制器对车首天线接收的切换指令数据包进行解析，并基于解析后的切换指令数据包控制车首天线以目标基站的上行频率发送测试数据包至目标基站；
22.目标基站基于接收的测试数据包发送第一确认数据包至车首天线；
23.车首天线基于接收的第一确认数据包，以目标基站的上下行频率建立与目标基站的双向连接，同时断开与服务基站的双向连接。
24.优选的，所述方法还包括：
25.若车首天线在发送第一测量报告之后的预设时间内未接收到第一确认数据包，异频信号强度比较器重新比较滤波后的第一下行频率信号和滤波后的第二下行频率信号的强度，车载控制器接收异频信号强度比较器发送的新的比较结果，基于新的比较结果判断是否执行越区切换。
26.优选的，所述方法还包括：
27.在列车的车尾天线进入服务基站与目标基站的重叠覆盖区域的情况下，服务基站发送第一下行频率信号至列车的车尾天线，目标基站发送第二下行频率信号至列车的车尾天线；
28.车尾天线根据接收到的第一下行频率信号和第二下行频率信号与车载中继站建立连接，实现对列车的操作控制。
29.优选的，车尾天线根据接收到的第一下行频率信号和第二下行频率信号与车载中
继站建立连接，实现对列车的操作控制包括：
30.第二信号检测模块检测车尾天线接收的第一下行频率信号和第二下行频率信号，并对第一下行频率信号和第二下行频率信号进行混频，得到混频信号；
31.第二混频信号滤波器接收第二信号检测模块发送的混频信号，并对混频信号进行滤波，得到滤波后的第一下行频率信号；
32.分集合并器接收第一混频信号滤波器发送的滤波后的第一下行频率信号和第二混频信号滤波器发送的滤波后的第一下行频率信号，并对第一混频信号滤波器发送的滤波后的第一下行频率信号和第二混频信号滤波器发送的滤波后的第一下行频率信号进行分集合并，得到分集合并后的第一下行频率信号；
33.车载中继站接收分集合并器发送的分集合并后的第一下行频率信号，并基于分集合并后的第一下行频率信号实现对列车的操作控制。
34.应用本发明的技术方案，通过服务基站与目标基站发送不同频率的下行频率信号，以及在车首天线与目标基站建立双向连接之后再建立车尾天线与目标基站的双向连接的方式来实现列车的越区切换。本发明采用的“异频切换”与“软切换”相结合的切换方法避免了相邻两个基站信号的相互干扰，降低了链路的中断率，提高了越区切换的成功率，提升了车地无线通信系统的稳定性和鲁棒性。
附图说明
35.所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1示出了根据本发明的一种实施例提供的超高速磁悬浮列车的越区切换方法的流程示意图；
37.图2示出了根据本发明的一种实施例提供的超高速磁悬浮列车的越区切换的架构示意图；
38.图3示出了根据本发明的一种实施例提供的超高速磁悬浮列车执行越区切换的信令交互示意图；
39.图4示出了根据本发明的一种实施例提供的超高速磁悬浮列车不执行越区切换的信令交互示意图。
具体实施方式
40.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根
据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
42.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
43.图1示出了根据本发明的一种实施例提供的超高速磁悬浮列车的越区切换方法的流程示意图。图2示出了根据本发明的一种实施例提供的超高速磁悬浮列车的越区切换的架构示意图。
44.如图1和图2所示，本发明提供了一种超高速磁悬浮列车的越区切换方法，所述方法包括：
45.s10、在列车的车首天线进入服务基站与目标基站的重叠覆盖区域的情况下，服务基站发送第一下行频率信号至列车的车首天线，目标基站发送第二下行频率信号至列车的车首天线，其中，第一下行频率信号的频率f1与第二下行频率信号f3的频率不同；
46.s20、第一信号检测模块检测车首天线接收的第一下行频率信号和第二下行频率信号，并对第一下行频率信号和第二下行频率信号进行混频，得到混频信号；
47.s30、第一混频信号滤波器接收第一信号检测模块发送的混频信号，并对混频信号进行滤波，得到滤波后的第一下行频率信号和滤波后的第二下行频率信号；
48.s40、异频信号强度比较器接收第一混频信号滤波器发送的滤波后的第一下行频率信号和滤波后的第二下行频率信号，并对滤波后的第一下行频率信号和滤波后的第二下行频率信号的强度进行比较；
49.s50、车载控制器接收异频信号强度比较器发送的比较结果，基于比较结果判断是否执行越区切换，并在判断执行越区切换的情况下，以目标基站的上下行频率建立车首天线与目标基站的双向连接，同时断开车首天线与服务基站的双向连接；
50.s60、在列车的车尾天线进入服务基站与目标基站的重叠覆盖区域的情况下，以目标基站的上下行频率建立车尾天线与目标基站的双向连接，同时断开车尾天线与服务基站的双向连接。
51.应用本发明的技术方案，通过服务基站与目标基站发送不同频率的下行频率信号，以及在车首天线与目标基站建立双向连接之后再建立车尾天线与目标基站的双向连接的方式来实现列车的越区切换。本发明采用的“异频切换”与“软切换”相结合的切换方法避免了相邻两个基站信号的相互干扰，降低了链路的中断率，提高了越区切换的成功率，提升了车地无线通信系统的稳定性和鲁棒性。
52.在本发明中，在车首天线与目标基站建立双向连接的过程中，车尾天线始终保持与服务基站的双向连接。在车首天线与目标基站成功建立双向连接且在列车的车尾天线进
入服务基站与目标基站的重叠覆盖区域的情况下，车尾天线与目标基站建立双向连接。
53.根据本发明的一种实施例，基于比较结果判断是否执行越区切换包括：如果比较结果为在设定时间间隔内滤波后的第二下行频率信号的强度与滤波后的第一下行频率信号的强度之差始终大于门限值，则判断执行越区切换，否则判断不执行越区切换。通过限定时间间隔和设置门限值，可以防止列车在相邻两个基站之间频繁切换。
54.图3示出了根据本发明的一种实施例提供的超高速磁悬浮列车执行越区切换的信令交互示意图。
55.根据本发明的一种实施例，如图3所示，在判断执行越区切换的情况下，以目标基站的上下行频率建立车首天线与目标基站的双向连接，同时断开车首天线与服务基站的双向连接包括如下步骤：
56.s51、在判断执行越区切换的情况下，车载控制器控制车首天线以服务基站的上行频率f2发送根据比较结果形成的第一测量报告至服务基站；
57.s52、服务基站基于接收的第一测量报告发送切换请求信号与请求分配网络资源的数据包至目标基站；
58.s53、目标基站基于接收的切换请求信号与请求分配网络资源的数据包发送切换请求确认信号至服务基站；
59.s54、服务基站基于接收的切换请求确认信号冗余发送切换指令数据包至车首天线；
60.s55、车载控制器对车首天线接收的切换指令数据包进行解析，并基于解析后的切换指令数据包控制车首天线以目标基站的上行频率f4发送测试数据包至目标基站；
61.s56、目标基站基于接收的测试数据包发送第一确认数据包至车首天线；
62.s57、车首天线基于接收的第一确认数据包，以目标基站的上下行频率建立与目标基站的双向连接，同时断开与服务基站的双向连接。
63.举例来讲，在列车运行的过程中，车载控制器根据异频信号强度比较器发送的比较结果，每50ms形成一个测量报告。若在一段时间间隔内滤波后的第二下行频率信号的强度与滤波后的第一下行频率信号的强度之差始终大于门限值，车载控制器控制车首天线将该测量报告发送至服务基站，以执行越区切换。
64.此外，若车首天线在发送第一测量报告之后的预设时间内未接收到第一确认数据包，异频信号强度比较器重新比较滤波后的第一下行频率信号和滤波后的第二下行频率信号的强度，车载控制器接收异频信号强度比较器发送的新的比较结果，基于新的比较结果判断是否执行越区切换。通过这种配置方式，可以防止因越区切换中的某一步骤执行失败而导致越区切换失败的情况。本实施例可以通过在车载控制器中设置定时器来实现。
65.其中，列车在执行越区切换的过程中，目标基站基于接收的测试数据包对车首天线和车尾天线分配网络资源，当目标基站完成网络资源的分配后，发送第一确认数据包至车首天线。车首天线使用所分配的网络资源以目标基站的上下行频率建立与目标基站的双向连接，车尾天线使用所分配的网络资源以目标基站的上下行频率建立与目标基站的双向连接。
66.图4示出了根据本发明的一种实施例提供的超高速磁悬浮列车不执行越区切换的信令交互示意图。
67.如图4所示，在判断不执行越区切换的情况下，以服务基站的上下行频率继续保持车首天线与服务基站的双向连接，不进行越区切换，具体包括如下步骤：
68.s71、在判断不执行越区切换的情况下，车载控制器控制车首天线以服务基站的上行频率f2发送根据比较结果形成的第二测量报告和请求分配网络资源的数据包至服务基站；
69.s72、服务基站基于接收的第二测量报告和请求分配网络资源的数据包，以服务基站的下行频率发送第二确认数据包至车首天线；
70.s73、车首天线基于接收的第二确认数据包，以服务基站的上下行频率继续保持车首天线与服务基站的双向连接，不进行越区切换。
71.此外，若车首天线在发送第二测量报告之后的预设时间内未接收到第二确认数据包，异频信号强度比较器重新比较滤波后的第一下行频率信号和滤波后的第二下行频率信号的强度，车载控制器接收异频信号强度比较器发送的新的比较结果，基于新的比较结果判断是否执行越区切换。通过这种配置方式，可以防止因越区切换中的某一步骤执行失败而导致越区切换失败的情况。本实施例可以通过在车载控制器中设置定时器来实现。
72.其中，在列车在不执行越区切换的过程中，服务基站基于接收的第二测量报告和请求分配网络资源的数据包对车首天线和车尾天线分配网络资源，当服务基站完成网络资源的分配后，发送第二确认数据包至车首天线。车首天线使用所分配的网络资源以服务基站的上下行频率继续保持车首天线与服务基站的双向连接。
73.根据本发明的一种实施例，所述方法还包括：
74.s80、在列车的车尾天线进入服务基站与目标基站的重叠覆盖区域的情况下，服务基站发送第一下行频率信号至列车的车尾天线，目标基站发送第二下行频率信号至列车的车尾天线；
75.s90、车尾天线根据接收到的第一下行频率信号和第二下行频率信号与车载中继站建立连接，实现对列车的操作控制。
76.根据本发明的一种实施例，车尾天线根据接收到的第一下行频率信号和第二下行频率信号与车载中继站建立连接，实现对列车的操作控制包括如下步骤：
77.s91、第二信号检测模块检测车尾天线接收的第一下行频率信号和第二下行频率信号，并对第一下行频率信号和第二下行频率信号进行混频，得到混频信号；
78.s92、第二混频信号滤波器接收第二信号检测模块发送的混频信号，并对混频信号进行滤波，得到滤波后的第一下行频率信号；
79.s93、分集合并器接收第一混频信号滤波器发送的滤波后的第一下行频率信号和第二混频信号滤波器发送的滤波后的第一下行频率信号，并对第一混频信号滤波器发送的滤波后的第一下行频率信号和第二混频信号滤波器发送的滤波后的第一下行频率信号进行分集合并，得到分集合并后的第一下行频率信号；
80.s94、车载中继站接收分集合并器发送的分集合并后的第一下行频率信号，并基于分集合并后的第一下行频率信号实现对列车的操作控制。
81.下面以图2所示的越区切换架构为例，对本发明进行详细说明。在地面侧的服务基站a和目标基站a 1均采用基于光载无线通信(rof)的分布式天线架构，即通过rof链路将多个定向天线连接在一起，这些定向天线以一定的距离间隔分散部署，从而扩大基站的服务
范围，避免列车频繁进行越区切换。其中，定向天线的辐射方向指向列车，从而使定向天线与车首天线和车尾天线之间通过直视径进行信号传播，减少多径效应对车首天线和车尾天线接收信号的影响。相邻两个基站之间采用异频组网的方式，以防止信号相互干扰。
82.在列车侧的车首和车尾分别设置一根全向天线实现分集。车首天线接收的信号依次经过第一信号检测模块、第一混频信号滤波器、异频信号强度比较器和车载控制器。车尾天线接收的信号依次经过第二信号检测模块、第二混频信号滤波器、分集合并器和车载中继站。车载控制器可以采用车载cpu。
83.其中，第一信号检测模块的作用是检测车首天线接收的第一下行频率信号和第二下行频率信号。第二信号检测模块的作用是检测车尾天线接收的第一下行频率信号和第二下行频率信号。根据列车所处位置的不同，两个频率信号的强度也不同。第一混频信号滤波器和第二混频信号滤波器的作用都是对混频信号进行滤波。异频信号强度比较器的作用是比较两路不同的频率信号的强度，并将比较结果送至车载控制器。车载控制器的作用是基于比较结果判断是否执行越区切换。分集合并器的作用是对第一混频信号滤波器发送的滤波后的第一下行频率信号和第二混频信号滤波器发送的滤波后的第一下行频率信号进行分集合并，有效提高接收信号的信噪比，从而提高接收信号的质量。分集合并器可以采用最大比合并的方式进行合并。车载中继站的作用是基于分集合并后的第一下行频率信号实现对列车的操作控制。
84.本发明中相邻两个基站采用不同的上下行频率，可以防止信号相互干扰，且与现有的4glte和5g基站常用的同频切换方式相比，异频切换对于发射端和接收端的信号处理单元的计算能力要求更低。本发明还通过软切换的方式，使列车与基站之间的无线链路始终保持连接。
85.在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
86.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
87.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
88.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修
改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。