专利名称：一种基于ofdm的移动通信系统及切换信道分配方法
技术领域：
本发明涉及基于OFDM调制技术的链状数字同步网、信道设置及利用该系统提高越区切换过程中信息传输可靠性的一种基于OFDM的移动通信系统及切换信道分配方法，属于铁路移动通信技术领域。
背景技术：
相对于我国的其他陆地交通专用移动通信来说，铁路移动通信的发展在规模、技术上都较为领先。目前我国正在建设铁路综合数字移动通信GSM-R系统。对基于通信的列车控制(CBTC)，利用GSM-R系统提供车-地间无线双向通信，可实现自动列车控制(ATC)，进而代替现有的信号和列车控制系统。
作为一种频分复用/时分多址(FDM/TDMA)系统，GSM-R网络中的越区切换是需要改变传输载波频率的硬切换(hard handover)，因而不可避免地存在切换中断。在大约400ms的切换中断期间，信道实际上是暂时关闭的，这一机制造成的突发差错通常是传输过程中出现数据差错的最主要的原因，在一定程度上是行车安全的隐患。针对这一问题，特别是为了适应高速铁路的需求，工业界和学术界都做了不少的工作。在网络设计方面，采用多层小区或要求无线覆盖以满足铁路专用通信的严格指标；在切换算法方面，采用特殊的切换处理算法保证切换成功率。这些措施在一定程度上能改善GSM-R网络的切换性能，但并不能改变其硬切换的本质。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提出采用正交频分复用(OFDM)技术，构建一种适合铁路(及公路、水运等)链状无线覆盖的移动通信系统，利用OFDM信号宏分集的特点改善传输性能，并提供解决越区切换中断的一种基于OFDM的移动通信系统及切换信道分配方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
铁路无线网络是沿铁路线的链状覆盖，小区之间有一定的重叠区。整个服务区域可以是一个大的网络或者可以按地理位置划分为若干个区域组建多个子网，每个子网包含若干个小区。车载移动台和列车上其他移动台通过与基站(BTS)之间的无线链路，进而通过基站控制设备(BSC)和移动交换中心/网关(MSC/GW)接入铁路固定网络或其他系统。
在一个子网内，所有BTS都采用相同的下行发送载频和相同的上行接收载频同步运行。在时间上，所发送的信号划分为帧，每帧又分为帧头、若干时隙(TS)和帧尾，各包含若干个OFDM符号；在频率上，系统带宽划分为若干(实际上是相互重叠的)子载波。
对于上述信号结构，理论上可以按“子载波-时隙”进行的时-频二维信道分配。但对于实际系统，可以为了降低复杂度和/或提高传输速率而采用不同形式，例如，按子载波(或包含若干个连续或不连续子载波的子载波组)分配(使用一帧中所有时隙)，或者按时隙分配(使用所有子载波)。
一个区域内，下行链路的公共信息(包括区域广播信息、系统定时信息等)占有固定的信道。因为采用OFDM和同步网技术，下行链路公共信道覆盖整个区域。因此，对于公共信道来说，相邻小区的场强重叠区不仅没有干扰，由于宏分集效应，相邻小区信号在接收天线处建设性相加，还可获得有分集增益，使传输性能与单小区相比有所改善。其他下行信息和上行信息的传输信道(即业务信道)则根据信息传输时移动台所处的位置动态分配。为了避免同道干扰，假设某个信道被分配一个移动台占用，则该信道被释放前不会分配给在相邻小区甚至邻近的若干个小区内的其他移动台。对于一定的干扰容限，该信道可以在相隔足够远的其他小区内使用。
当一个车载移动台从一个小区切换到相邻小区时(铁路移动通信系统中的越区切换算法因为链状覆盖的特点而简化)，系统根据服务质量和目标小区的通信量等要求以及当时的干扰情况，为移动台的通信分配切换信道。
因为同一子网内使用相同载频，无论采用何种信道设置，切换过程中都不需要改变载波频率(软切换)，所以不会出现切换中断的现象。另一方面，在切换过程中，接收端(对于下行信息是移动台，对于上行信息是基站)始终能够接收到信道上传输的全部数据(包括其他用户的数据)。因此，切换成功与否在于移动台能否及时地从接收到的数据中找到正确的信道位置，从而提取恢复属于自己的数据。
越区切换的信道分配方法有以下几种(1)软时隙切换车载移动台从基站控制设备BSC1下原小区的基站BTS1切换到目标小区的基站BTS2的过程是如下的软切换①切换前原小区内，BTS1在第i个时隙(TSi)发送数据；②切换中重叠区内a.由BTS1继续在时隙TSi内发送数据，
b.选定BTS2的可用目标切换时隙第j(j≠i)个时隙(TSj)，c.当切换指标达到要求时，BTS1释放时隙TSi，BTS2在时隙TSj内发送数据；③切换完成目标小区内，BTS2在时隙TSj发送数据。
(2)简单宏分集切换①切换前原小区内，BTS1在时隙TSi发送数据；②切换中重叠区内，BTS1和BTS2都在时隙TSi内发送数据；③切换完成目标小区内，BTS2在时隙TSi发送数据。
(3)增强型宏分集切换①切换前原小区内，BTS1在时隙TSi发送数据；②切换中重叠区内，BTS1和BTS2都在时隙TSi和时隙TSj(j≠i)内发送数据；③切换完成目标小区内，BTS2在时隙TSj发送下行数据。
本发明的有益效果是采用正交频分复用(OFDM)调制技术，构建一种适合铁路(及公路、水运等)链状无线覆盖的移动通信系统，利用OFDM信号宏分集的特点改善传输性能，并提供了解决越区切换中断的信道分配方法，其方法的优点有①软切换；②对于下行信道，能够利用与原小区和目标小区的两条下行无线链路实现的时间分集(如果在原小区和目标小区内使用不同时隙)或OFDM信号宏分集(如果在原小区和目标小区内使用相同时隙)；③对于上行信道，若有条件实现相邻小区基站接收信号的联合处理，则能够利用移动台与原小区和目标小区的两条无线链路实现时间分集(如果在原小区和目标小区内使用不同时隙)或接收空间分集(如果在原小区和目标小区内使用相同时隙)；④能够根据目标小区信道占用情况选择可用的性能最佳的切换信道分配方法。
图1为本发明基于OFDM技术的链状覆盖(铁路)移动通信系统示意图；图2为本发明基于OFDM的时-频二维信号结构图；图3为本发明软时隙切换过程信道分配示意图；图4为本发明简单宏分集切换过程信道分配示意图；图5为本发明增强型宏分集切换过程信道分配示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步说明。
下面以频分双工(FDD)模式、按时隙分配(使用所有子载波)、下行链路的情况为例进行说明。
如图1所示，铁路无线网络是沿铁路线的链状覆盖，整个服务区域可以是一个大的网络或者可以按地理位置划分为若干个区域组建多个子网，每个子网包含若干个小区，小区之间有一定的重叠区。车载移动台与基站(BTS1、BTS2……)之间的无线链路，是通过基站控制设备(BSC0、BSC1、BSC2……)和移动交换中心/网关(MSC/GW)接入铁路固定网络或其他系统。在一个子网内，所有BTS都采用相同的下行发送载频f1和相同的上行接收载频f2同步运行。一个车载移动台从BSC1下原小区①内的BTS1切换到目标小区③内的BTS2的过程是仅变更时隙的软切换，②是原小区①和目标小区③的重叠区。
如图2所示，在一个子网内，所有N个BTS(BTS1……BTSN)都采用相同下行发送载频f1和相同上行接收载频f2所发送的信号在时间上同步，横坐标为时间，纵坐标为频率，信号在时间上划分为帧，每帧又分为帧头、若干时隙(TS)和帧尾，各包含若干个OFDM符号；频率上系统带宽划分为若干(实际上是相互重叠的)子载波(或包含若干个子载波的子载波组)。
如图1和图3所示，越区切换过程中①切换前原小区①内，BTS1在第i个时隙(TSi)发送数据；②切换中重叠区②内a.由BTS1继续在时隙TSi内发送数据，b.选定BTS2的可用目标切换时隙第j(j≠i)个时隙(TSj)内发送数据，c.(当切换指标，例如信号功率，达到要求时)BTS1释放时隙TSi，BTS2在时隙TSj内发送数据；③切换完成目标小区③内，BTS2在时隙TSj发送数据。
这一切换过程中，数据传输接收不中断，原先的“硬切换”问题转化为“数据提取及完整性检查”问题，而对“肯定包含所需信息(而且其中有用数据的位置不应当十分奇特)”的数据的处理过程，比实现“安全的”切换过程和对有较强干扰的信号的处理更容易做到，因此能够提高信息传输的可靠性。
其中，重叠区内“BTS1释放时隙TSi”和“BTS2在时隙TSj内发送数据”在时间上无须严格要求，因为这两个信号不会相互干扰(理想情况下是正交的)。实际上，BTS2先发送时，移动台接收到相同信息的两个版本，二者在时间上重叠的部分相当于“时间-空间发射分集”的效果，可以提高传输的可靠性。
在重叠区中，如果能及时开启切换信道，同时延迟释放原始信道，则能够得到一个软切换过程——没有载频变更，对于移动台专用信息来说，从这两路信号可以获得时间分集。
但上述过程并未充分利用OFDM同步网的优点。如果可以使切换过程中信道的使用情况如图4所示①切换前原小区①内，BTS1在时隙TSi发送数据；②切换中重叠区②内，BTS1和BTS2都在时隙TSi内发送数据；③切换完成目标小区③内，BTS2在时隙TSi发送数据。
移动台的专用信道就能如公共信道那样利用OFDM同步网络的宏分集增益，进一步改善无线传输性能。但图4中的方式要求沿途的小区都须在该移动台到达自己范围时提供同一时隙，这可能会导致目标小区中正在进行的通信需要重新分配信道或通信中断，甚至传输列车控制信息的移动台与基站通信中断。为了避免这种情况，可以将图3的方案作为期望的时隙已被占用时的备选方案。
如果切换过程中，原小区的时隙TSj和目标小区的时隙TSi都是可用的，则可以使用如图5所示的“增强型”方案①切换前原小区①内，BTS1在时隙TSi发送数据；②切换中重叠区②内，BTS1和BTS2都在时隙TSi和时隙TSj(j≠i)内发送同样的数据；③切换完成目标小区③内，BTS2在时隙TSj发送下行数据；其中，时隙TSj是切换过程被触发时所选择的BTS2小区的可用信道。这种方案除具有前两个方案软切换的优点之外，还有其他好处
1.两个时隙的信号分别能够获得OFDM宏分集增益；2.两个时隙的信号合并可获得时间分集增益。
上述关于三种切换信道分配方法的描述针对的是频分双工(FDD)模式、按时隙分配(使用所有子载波)、下行链路的情况。对于上行链路，若有条件实现相邻小区基站接收信号的联合处理，在原小区和目标小区内使用不同时隙(软时隙切换和增强型宏分集切换中)能够利用移动台与原小区和目标小区的两条无线链路实现时间分集，而在原小区和目标小区内使用相同时隙(简单宏分集切换和增强型宏分集切换)可实现接收空间分集。
为了举例说明本发明的实现，描述了上述的具体实施例，但本发明的其他变化和修改，对本领域技术人员是显而易见的，在本发明公开内容的实质和基本原则范围内的任何修改/变化或等效变换都属于本发明的权利要求保护范围。
权利要求
1.一种基于OFDM的移动通信系统，沿铁路线的链状覆盖的无线网络，小区之间有一定的重叠区，整个服务区域可以是一个大的网络或者可以按地理位置划分为若干个区域组建多个子网，每个子网包含若干个小区，其特征在于包括车载移动台和列车上的其他移动台、基站(BTS)和基站控制设备(BSC)、移动交换中心/网关(MSC/GW)、铁路固定网络或其他系统；移动台与基站(BTS)之间的无线链路，通过基站控制设备(BSC)和移动交换中心/网关(MSC/GW)接入铁路固定网络或其他系统；在一个子网内，所有基站(BTS)都采用相同的下行发送载频和相同的上行接收载频同步运行；所发送的信号在时间上划分为帧，每帧又分为帧头、若干时隙(TS)和帧尾，各包含若干个OFDM符号；在频率上系统带宽划分为若干个子载波；其信号结构理论上可按“子载波-时隙”进行时-频二维信道分配，但对于实际系统，可按子载波(或包含若干个连续或不连续子载波的子载波组)分配(使用一帧中所有时隙)；或者按时隙分配(使用所有子载波)。
2.根据权利要求1所述的一种基于OFDM的移动通信系统，其特征在于采用OFDM和同步网技术，下行链路公共信道和数字广播系统一样覆盖整个区域，相邻小区的场强重叠区不仅没有干扰，由于宏分集效应，相邻小区信号在接收天线处建设性相加，可获得分集增益，使传输性能与单小区相比有所改善。
3.权利要求1、2所述的一种基于OFDM的移动通信系统的越区切换信道分配方法，当一个车载移动台从一个小区切换到相邻小区时，目标小区根据通信量和服务质量等要求以及当时的干扰情况，为移动台的通信分配切换信道，切换成功与否在于移动台能否及时地从接收到的解调数据中找到正确的信道位置，从而提取恢复属于自己的数据，其特征在于如下几种越区切换信道分配方法(1)软时隙切换(车载台从基站控制设备BSC1下基站BTS1切换到基站BTS2的过程是如下的软切换)；①切换前原小区内，BTS1在第i个时隙(TSi)发送数据；②切换中重叠区内a.由BTS1继续在时隙TSi内发送数据，b.选定BTS2的可用目标切换时隙第j(j≠i)个时隙(TSj)内发送数据，c.当切换指标达到要求时，BTS1释放时隙TSi，BTS2在时隙TSj内发送数据；③切换完成目标小区内，BTS2在时隙TSj发送数据；(2)简单宏分集切换；①切换前原小区内，BTS1在时隙TSi发送数据；②切换中重叠区内，BTS1和BTS2都在时隙TSi内发送数据；③切换完成目标小区内，BTS2在时隙TSi发送数据；(3)增强型宏分集切换；①切换前原小区内，BTS1在时隙TSi发送数据；②切换中重叠区内，BTS1和BTS2都在在时隙TSi和时隙TSj内发送数据(j≠i)；③切换完成目标小区内，BTS2在时隙TSj发送下行数据。
全文摘要
本发明公开了一种基于正交频分复用(OFDM)的移动通信系统及切换信道分配方法。采用OFDM技术构建适合铁路(及公路、水运等)的链状覆盖移动通信系统。服务区可包括多个子网，每个子网含若干小区。移动台通过与基站(BTS)间的无线链路，进而通过基站控制设备(BSC)和移动交换中心/网关(MSC/GW)接入固定网络。子网内所有BTS用相同下行载频和相同上行载频同步运行。本发明提出软时隙切换、简单宏分集切换和增强型宏分集切换三种切换信道分配方法。切换中接收端能收到全部数据，切换成功与否在于能否正确及时地提取数据。本发明利用OFDM宏分集改善传输性能，所提切换信道分配方法能解决切换中断问题，并具有根据目标小区信道占用情况选择最佳方法的优点。
文档编号H04L27/26GK101022643SQ20071006465
公开日2007年8月22日 申请日期2007年3月22日 优先权日2007年3月22日
发明者陈霞, 姚冬萍, 熊磊 申请人:北京交通大学