专利名称：终端群聚超高移动性宽带通信系统及其快速越区切换方法
技术领域：
本发明涉及一种高速铁路移动通信系统，尤其涉及一种终端群聚超高移动性宽带 通信系统及其快速越区切换方法。
背景技术：
我国高速铁路和客运专线事业蓬勃发展，但与之配套的高速铁路移动通信系统却 相对滞后，在移动终端普及的时代，铁路无线宽带接入面临新挑战。超高时速、车厢全封闭特点是高速列车移动通信面临技术难题的原因。当前，应用 于高速铁路的移动通信系统是具有第二代移动通信技术特征的GSM-R或具有第三代移动 通信技术特征的CDMA。由于高速列车车厢封闭性好，时速快，信号衰减比普通列车大IOdB 以上，对移动通信用户的使用会造成非常大的影响。实际中，应用车载直放站的车厢内覆盖 系统以及光纤直放站(或射频拉远)的铁路沿线覆盖系统，在抗信号穿透损耗和频繁切换 问题上，是被证实为有效解决方案。但现有系统，即使在理想情况下，所能提供给乘客的宽 带服务水平(共享2Mb/s)，与乘客希望得到如家庭宽带接入一样服务质量(独占2Mb/s)的 要求相比，还相距甚远。单纯依赖于传统移动通信技术手段难以解决高速铁路宽带通信面 临的技术难题。传统移动通信技术手段至少在以下两个方面表现出对发展高速移动性宽带接入 的局限1、载波频率低，如 800MHz，1800MHz, 1900MHz, 2. 4GHz，2. 5GHz 等频段，提供的通信 带宽小，只有几兆到几十兆Hz，为接近满员(约1000人)的列车上的每一位乘客提供2Mb/ s的宽带服务无法实现。2、系统切换过程针对逐个移动终端，需要完成信号检测、触发、选择和执行四个步 骤，实现过程繁琐。在列车高速移动情况下，移动终端密度大，切换丢话率和信息丢包率大。 如行驶速度高达200公里/小时甚至更高时，相较于正常状态，话音接通率会从原来96% 以上下降到81%左右，掉话率也会从原来0%上升到25%以上，其他话音指标及数据业务 指标均会有不同程度的下降。正是以上两个方面的局限，成为基于现有移动通信的技术手段发展高速列车移动 宽带接入的瓶颈。
发明内容
本发明的目的是针对现有移动通信系统应用于高速列车存在窄带、切换延迟大、 频繁切换、并发切换的现象，而提供一种终端群聚超高移动性宽带通信系统及其快速越区 切换方法。本发明不仅能为接近满员的高速列车上的乘客提供平均2Mb/s以上的宽带服 务，而且能成倍减少切换次数，降低切换延迟时间，消除并发切换。在移动终端数量集中的 规模越大的情况下，本发明的效果优势越为明显。 本发明的目的是这样实现的
一、终端群聚超高移动性宽带通信系统(简称系统)本系统包括地面分系统和车载分系统；地面分系统包括地面接入单元、路网网关单元与路网管理单元；车载分系统包括移动终端群和车载移动接入单元；其连接关系是路网网关单元、地面接入单元、车载移动接入单元和移动终端群依次连接，路网管 理单元分别与路网网关单元、地面接入单元、车载移动接入单元连接。二、基于终端群聚超高移动性宽带通信系统的快速越区切换方法(简称方法)本方法包括下列步骤①车载移动接入单元与地面接入单元之间建立双向无线连接通道，路网网关单元 与地面接入单元之间建立隧道连接；②车载移动接入单元、地面接入单元和路网网关单元各自向路网管理单元发送连 接状态报告；③移动终端漫游到列车车厢内，即建立与车载移动接入单元的通信规约适配，车 载移动接入单元对漫游到列车车厢内的移动终端注册归集，被归集的移动终端与车外业务 网络之间的通信由车载移动接入单元代理完成；④车载移动接入单元向路网管理单元发送行驶状态报告，并确定航位预测与同步 执行的时间；⑤航位预测与同步执行时间触发，车载移动接入单元与路网管理单元同步执行相 同的车辆航位预测程序；⑥车载移动接入单元根据航位预测程序实时预测车辆当前的航行位置，如果出现 航位预测值与列车真实位置的累计误差超出预设值，回到步骤⑤从而对预测程序进行校 正，否则进入到步骤⑦；⑦根据预设车辆航迹调度信息和地面接入单元的无线电覆盖拓扑，路网管理单元 使用航位预测程序推算列车行驶位置及其穿越航迹上各无线电覆盖小区的时间，然后向航 迹沿线相关的地面接入单元和路网网关单元发出切换预置指令，通知切换的具体时间；⑧如果相关地面接入单元及路网网关单元的切换定时时间触发，就进入步骤⑨， 否则，回到步骤⑦；⑨启动由路网网关单元和相关地面接入单元主导的越区切换实施过程；⑩路网管理单元收到来自参与切换执行过程的地面接入单元和路网网关单元的 切换完成状态报告，切换实施过程结束，回到步骤⑥。工作原理 本发明的构建是基于三方面考虑一是从传输带宽方面考虑，载波为IOGHz至 IOOGHz的无线电信号具有丰富的带宽，可提供达1000Mb/S以上的数据传输速率；二是从传 输距离方面考虑，IOGHz至IOOGHz的无线电信号的大气衰减特征明显，在大气中的传播距 离与频率成反比，使用光纤可将这种高频微波信号拉远至10公里以上的宽带接入点；三是 从无线覆盖效率方面考虑，高频微波信号覆盖区域直径在百米左右较适合高速铁路狭长的 路线特点，覆盖效率较高。因此，以上三个突出的特点使得这种承载IOGHz至IOOGHz的无 线电信号的光纤传输技术，即称为光载无线电(Radio over Fiber)，可实施车辆-地面宽带接入应用。然而 ，对于时速发展至近450公里的高速铁路，移动通信系统在百米左右的微微 小区覆盖之下，必然面临严重的越区切换问题。有别于传统移动通信系统的切换方法，本发 明的快速越区切换方法是基于将高速列车上所有的用户视作为一个集团用户，一旦集团用 户进入列车，安装在车厢顶部的列车多制式通信接口的接入装置，将为这些旅客提供公共 的专用接入通道继续与外界保持联系，如果专用接入通道不可或不够用，用户仍可使用原 来的无线连接保持与外界的联系。列车高速行驶过程中，地面分系统预测列车的行进位置， 并保持与集团用户的通信联系。当各用户跨越小区时，车载移动接入单元无需做任何切换 动作，由地面分系统根据预测的位置和已知的列车航迹路线，在车辆进入相邻小区的重叠 区域时为团体用户进行整体切换。这一切换操作过程，随团体内用户数量的不同，可以成 十倍的减少切换次数，不仅如此，切换过程减少了信号扫描测量过程，切换时延得到较大改 善，就如在铁路沿线有一个移动天线伴随高速列车高速移动。本发明具有下列优点和积极效果①本发明在越区切换机制中引入光技术手段，切换流程的延迟与光开关动作时间 密切相关，采用电光开关更可实现纳秒级的切换；②本发明利用光层上进行一次切换流程即可完成终端群的集团切换，避免了越区 切换过程中发生在系统上的为每一台终端执行繁琐的切换信令开销，因此减轻了通信系统 的负荷；③车辆-地面之间采用60GHz载波的无线连接，接入带宽可至千兆级；④终端汇聚规模越大，本发明的积极效果越明显。
图1是本系统的结构方框图；图2是地面接入单元的结构方框图；图3是地面接入中心的结构方框图；图4是路网管理单元的结构方框图；图5是车载移动接入单元的结构方框图；图6是车载移动接入中心的结构方框图；图1 图6中100-地面分系统，110-地面接入单元，111-分布式天线，112-光纤传输分配线路，113-地面接入中心，1130-激光光源组，1131-光电探测模块组，1132-基站/基站控制器组，1133-地面移动交换中心，1134-光调制器池，1135-全光交换矩阵，1136-控制逻辑，1137-第1波分复用器，1138-第2波分复用器，1139-光纤；114-多制式通信网络接口；
120-路网网关单元； 130-路网管理单元；200-车载分系统，210-移动终端群；220-车载移动接入单元；221-分布式天线，222-光纤传输分配线路，223-车载移动接入中心，2231-激光光源，2232-光调制器，2233-12波分复用器，2234-光电转换模块，2235-射频处理模块，2236-车载移动交换中心，2237-基站/基站控制器组224-多制式通信接口。图7是车载移动接入中心与地面分系统之间建立连接通道的信令流程图；图8是移动终端注册归集的信令流程图；图9是航位预测与同步的信令流程图；图10是同-个地面接入单元GAU内的越区切换实施过程的信令流程图；图11是不同地面接入单元GAU之间的越区切换实施过程的信令流程图；图12是高速铁路地面分系统结构图，图12中300-综合业务网络；400-铁轨；500-无线电覆盖小区。图13是高速列车车载分系统结构图，图13中600-高速列车；700-多制式天线。
具体实施例方式下面结合附图和实施例详细说明—、终端群聚超高移动性宽带通信系统(简称系统)1、总体如图1，本系统包括地面分系统100和车载分系统200 ；地面分系统100包括地面接入单元110、路网网关单元120与路网管理单元130 ；车载分系统200包括移动终端群210和车载移动接入单元220 ；其连接关系是路网网关单元120、地面接入单元110、车载移动接入单元220和移动终端群210 依次连接，路网管理单元130分别与路网网关单元120、地面接入单元110、车载移动接入单 元220连接。2、功能块1)地面接入单元(Ground-based Acess Unit, GAU) 110地面接入单元110是车载移动接入单元220与地面分系统100联系的接口，它与 路网网关单元120之间存在双向通信隧道；如图2，地面接入单元110包括依次连接在运动载体行驶路线上沿途布设的分布 式天线111、光纤传输分配线路112、地面接入中心113和多制式通信网络接口 114。
(1)分布式天线111之间的安置距离主要由所采用的微波频段传播特性和系统切 换时间指标决定。(2)光纤传输分配线路112由若干单模或多模光纤、波分复用器组成。(3)地面接入 中心113如图3所示，地面接入中心113包括激光光源组1130、光电探测模块组1131、基站 /基站控制器组1132、地面移动交换中心1133、光调制器池1134、全光交换矩阵1135、控制 逻辑1136、第1波分复用器1137、第2波分复用器1138和光纤1139 ；其连接关系是全光交换矩阵1135分别与激光光源组1130、光电探测模块组1131、光调制器池 1134、控制逻辑1136和第1波分复用器1137连接；第1波分复用器1137、光纤1139和第2波分复用器1138依次连接；地面移动交换中心1133和基站/基站控制器组1132连接，基站/基站控制器组 1132分别与光电探测模块组1131和光调制器池1134连接。更具体地说，激光光源组1130经由光纤与全光交换矩阵1135的端口 1135a连接； 全光交换矩阵1135的端口 1135b与控制逻辑模块1136之间存在电缆连接，端口 1135c通过 光纤连接到光调制器池1134的端口 1134a，端口 1135d与光调制器池1134的端口 1134c由 光纤连接，端口 1135e经光缆与第1波分复用器连接，端口 1135f由光缆连接到光电探测模 块组1131的端口 1131a ；光调制器池1134的端口 1134b与基站控制器组1132端口 1132a 通过电缆连接；基站控制器组1132的端口 1132b通过电缆与光电探测模块组1131的端口 1131b相连；第1波分复用器1137与第2波分复用器1138之间通过光纤1139连接；第2 波分复用器1138与分布式天线111之间通过光纤112连接；地面移动交换中心1133与基 站/基站控制器组之间通过电缆连接。其工作原理是激光光源组1130输出不同波长的、连续的激光信号被光纤分别导入到全光交换 矩阵1135的光信号端口 1135a ；控制逻辑1136依靠计算机软件实现，然后由电信号作用到 全光交换矩阵1135 (如选用加拿大公司JDSU生产的Polatis OSM组件)的控制端1135b， 将激光光源组1130输出的连续激光信号接转到全光交换矩阵1135的一组端口 1135c ；端 口 1135c的光信号被导入到光调制器池1134的端口 1134a ；光调制器是一种将电信号上的 信息搬移到光信号上进行传输的光电子器件(如选用韩国ETRI研制的Tx A38C Journal of Lightwavetechnology, Vol. 26，No. 1，August 1，2008，页码2379_2387)，此时得到的 光信号被称为已调光信号；多个光调制器放置在一起即组成光调制器池(1134)；基站/基 站控制器组1132输出的电信号通过一组端口 1132a，由电缆线连接到光调制器池1134的 电信号输入端口 1134b，已调光信号由输出端口 1134c通过光纤馈入到全光交换矩阵的端 口 1135d ；端口 1135d的已调光信号在控制逻辑的作用下被全光交换矩阵1135路由到端口 1135e;端口 1135e由一组光纤连接到第1波分复用器1137，把端口 1135e得到的不同波 长已调光信号合并到一根光纤1139中进行传输；第2波分复用器1138把不同波长已调光 信号分离开送入光纤传输分配线路112 ；已调光信号被光纤传输分配线路112传输到分布 式天线111，在分布式天线111完成光信号到无线电信号的转换，信息再通过无线电承载传 播；
从分布式天线111接收到的无线电信号被转换为已调光信号，然后依次通过光纤 传输分配线路112、第2波分复用器1138、光纤1139、第1波分复用器1137、端口 1135e、全光 交换矩阵1135、端口 1135f，已调光信号被光电探测模块组1131在端口 1131a接收并还原 成已调电信号，通过端口 1131b由电缆馈入基站/基站控制器端口 1132b ；光电探测器(如 选用德国U2t公司的100G PD)是一种把光信号转换为电信号的光电子器件，它是构成光电 探测模块的核心器件，多个光电探测模块可以组成光电探测模块组。基站/基站控制器组1132把接收的信号汇集到地面移动交换中心1133，与地面移 动交换中心1133之间存在双向通信连接；地面移动交换中心1133自动把业务信号转接到 业务网络。(4)多制式通信网络接口 114地面移动交换中心1133与路网网关120之间通过多制式通信网络接口 114进行连接，接口包括IP、ATM、TDM等多种开放的网络接口。2)路网网关单元(Road Network Gate, RNG) 120路网网关单元120是其他业务系统访问本系统的汇聚点，也是本发明系统访问各 种类型业务系统的分散点，它与各种类型业务系统之间存在双向连接；路网网关单元120是路网至综合业务网络之间的网间连接器，除具备现有网关的 通信规约转换基本特性以外，在本发明中的功能还包括接受来自路网管理单元130的指 令，建立其与指定地面接入单元130之间的隧道路由。3)路网管理单元130路网管理单元130是本系统的管理和控制中心，通过通信连接收集来自车载移动 接入单元220、地面接入单元110和路网网关单元120的状态信息，或向此三个单元发出相 应的控制指令实施管理和控制，是对地面接入单元110、路网网关单元120与车载移动接入 单元220进行移动性管理、配置、维护、工作状态监测和控制的软件实体。路网管理单元130选用中国联想公司研制的深腾擎天桌面万亿次高性能服务器 和Linux操作系统组成路网管理控制软件运行的工作环境；如图4，路网管理单元130包括高速列车位置管理与切换预测模块131、路网拓扑 管理模块132、路网地理信息管理模块133、消息处理模块134、同步预测算法模块135和移 动终端群管理模块136 ；其交互关系是消息处理模块134接收来自路网其他单元的请求消息或者状态报 告消息，将消息进行解析后转发给高速列车位置管理与切换预测模块131 ；高速列车位置 管理与切换预测模块131根据状态报告、路网拓扑管理模块132、路网地理信息管理模块 133和移动终端群管理模块136提供的信息确定车辆运行位置和状态，为切换预测模块131 提供历史运行状态数据；切换策略由根据位置信息和预测的结果组成。4)移动终端群(Mobile Station Group, MSG) 210移动终端群210是独立的通信用户的总称，它与车载移动接入单元220之间保持 双向通信连接。移动终端是指基于各种通信规约实现的，具备网络标识的移动通信终端，包括移 动电话、便携式计算机、移动电视机等电子装置。移动终端群210是指满足以下所有特征的 若干移动终端的集合，具体特征为当若干处于分散、独立状态的移动终端出于某种需要，被相对聚集在一起，随着某种运载体以相同的移动速度、相同的移动方向朝某个具体的方 向运动，就构成了本系统所指的移动终端群(210)。运载体上的固定式计算终端同样可以归 属到移动终端群210。
5)车载移动接入单元(Vehicle Mobile Access Unit, VMAU) 220车载移动接入单元220是移动终端群210的组织和管理者，它与地面接入单元110 之间存在着双向通信连接。如图5，车载移动接入单元220包括依次连接的分布式天线221、光纤传输分配线 路222、车载移动接入中心223和多制式通信接口 224。车载移动接入单元220设置于高速移动的运动载体上。其中车载移动接入中心 (Vehicle Mobile Accessing Center，VMAC) 223不仅具备呼叫处理、操作维护、网间互通和 计费等常规功能，还具有复用汇接、站群管理、运动定位预测和辅助越区切换的特殊功能。 其多制式通信接口 224用于适配各种通信制式的移动终端。如图6，车载移动接入中心223包括激光光源2231、光调制器2232、1X2波分复用 器2233、光电转换模块2234、射频处理模块2235、车载移动交换中心2236和基站/基站控 制器组2237 ；其连接关系是激光光源2231、光调制器2232、波分复用器2233依次由光纤连接，波分复用器 2233与光电转换模块2234之间通过光纤连接，光电转换模块2234、射频处理模块2235、车 载移动交换中心2236和基站/基站控制器组2237依次由电缆线连接，射频处理模块2235 和光调制器2232之间也由电缆连接。其工作原理是信号上行方向，多制式通信接口 224采集到来自不同终端的业务信号后，通过电 缆线将电信号输入到基站/基站控制器组2237，再交给车载移动交换中心2236把这些信号 汇聚后再送入到射频处理模块2235，射频处理模块2235将终端群的业务信号进行副载波 复用，经过复用的信号被送入光调制器2232的电信号输入端，进而完成电信号调制激光光 信号的过程，已调光信号通过光纤导入波分复用器2233，经过合波以后由光纤传输分配线 路222传输给分布式天线221 ；信号下行方向，由光纤传输分配线路222传输到波分复用器2233的已调光信号， 经过分波后被送入光电转换模块2234完成光到电的解调，解调得到的副载波电信号被电 缆馈入到射频处理模块2235，电信号被射频处理模块2235发送给车载移动交换中心2236， 业务信号被分离且按不同的通信制式把业务信号输送给相应的基站/基站控制器组2237， 再由此通过多制式通信接口 224发送给列车上的各型通信终端。二、切换方法基于以上描述结构，本切换方法的信令流程如图7、8、9、10和11所示。1、车载移动接入中心与地面分系统之间建立连接通道的信令流程如图7，本连接通道的信令流程是A、在完成物理上的信号检测识别过程之后，车载移动接入单元VMAU首先向近邻 的地面接入单元RAU_x发送MSG_C0NN_REQ 71消息，即请求建立通信连接，该消息中至少包 含有车载移动接入单元的网络标识等基本信息；
B、地面接入单元RAU_x收到MSG_C0NN_REQ 71消息后向车载移动接入单元VMAU发送消息RAU_C0NN_RSP 72，即回复响应，该消息至少包含地面接入单元RAU_x的网络标 识、正在接入的天线编号、接口标识和光波长标识；C、车载移动接入单元VMAU向路网管理单元RNMU发送消息MSG_STAT_RPT 73，即报 告自身当前运动状态和通信连接状态，该消息至少包含行驶速度、当前位置信息；D、与车载移动接入单元VMAU建立好无线连接后的地面接入单元RAU_x向路网网 关RNG发送RAU_TNL_REQ 74消息，即请求建立一个双向通信隧道，该消息至少包含地面接 入单元RAU_x的连接标识、接口标识等信息；E、路网网关RNG收到RAU_TNL_REQ 74消息后，为地面接入单元RAU_x到路网网关 RNG之间分配并建立一个通信隧道，然后向地面接入单元RAU_x发送消息RNG_TNL_RSP 75， 即作为对分配并建立一个通信隧道的响应，此消息内容包含通信隧道的网络连接标识、接 口标识；F、地面接入单元RAU_x向路网管理单元RNMU发送消息RAU_STAT_RPT 76，即状态 报告，消息内容包含通信隧道的基本信息。2、移动终端注册归集的信令流程如图8，移动终端注册归集的信令流程是A、移动终端MS_x向车载移动接入单元VMAU发送消息MSX_ADM_REQ 81，即请求允 许注册，该消息包含移动终端序列号和网络接入码信息；B、车载移动接入单元VMAU收到MSX_ADM_REQ 81后，就把移动终端MS_x的信息添 加到自身的用户数据库中，并为此次注册信息附着一个该车载移动接入单元VMAU的唯一 网络标识，随后回复消息VMAU_ADM_RSP 82，即作为对此次注册归集完成的证实；C、车载移动接入单元VMAU向路网管理单元RNMU发送消息MSX_ADM_RPT 83，即把 移动终端的注册信息发送给路网管理单元RNMU。3、航位预测与同步的信令流程如图9，航位预测与同步的信令流程是A、车载移动接入单元VMAU向路网管理单元RNMU发送消息VMAU_STATUS_RPT91，即 行驶状态报告，该消息内容至少包含车辆当前时速、地理位置、航向信息；B、路网管理单元RNMU向车载移动接入单元VMAU发送消息RNMU_STATUS_RSP92，即 作为对收到VMAU_STATUS_RPT 91消息的回复证实；C、车载移动接入单元VMAU向路网管理单元RNMU发送消息VMAU_DR_STR 93，即航 位预测启动消息，该消息内容至少包含约定路网管理单元RNMU启动航位预测的时间；D、路网管理单元RNMU向车载移动接入单元VMAU发送消息RNMU_DR_RSP 94即作 为对收到VMAU_DR_STR 93消息的回复证实；E、约定启动航位预测的时间触发，路网管理单元RNMU与车载移动接入单元VMAU 同时执行相同的航位预测95程序，车载移动接入单元VMAU每推算出一个航位预测值就与 航位真实值相比较，当I航位预测值-航位真实值I <设定值，就继续进行航位预测95推 算，否则，进入第F步；F、由车载移动接入单元VMAU向路网管理单元RNMU发送消息VMAU_STATUS_UPD 96，即行驶状态更新，该消息内包含车辆当前时速、地理位置、航向信息和约定重置航位预测的时间；G、路网管理单元RNMU收到VMAU_STATUS_UPD 96消息后，向车载移动接入单元 VMAU发送消息RNMU_STATUS_UPD-RSP 97，即作为对收到VMAU_STATUS_UPD 96消息的回复 证实；H、约定重置航位预测的时间触发，回到第E步，路网管理单元RNMU与车载移动接 入单元VMAU将重新启动航位预测95 ；以上A H步骤一直持续到系统异常退出或由用户中止执行。4、越区切换实施过程的信令流程如图10，发生在同一个地面接入单元GAU内的越区切换实施过程的信令流程是A、路网管理单元RNMU结合自己预装的航迹地理信息，利用航位预测95程序推算 发生在相邻无线电覆盖小区500间切换的时间，然后向该路网接入单元GAU_i发送消息 RNMU_H0RDY_NTF 01，即切换预设定，该消息内容包含即将发生切换的相邻无线电覆盖小区 500天线111的编号和预设时间；B、收到RNMU_H0RDY_NTF 01消息的地面接入单元GAU_i向路网管理单元RNMU发 送消息GAU_H0RDY_NTF 02，即作为对收到消息RNMU_H0RDY_NTF 01的回复证实；C、地面接入单元GAU_i做好新光波长的预留分配，待GAUj处的切换预设定时间 触发，就启动波长路由切换03，即把控制逻辑1136作用到光交换矩阵1135，原光波长承载 的射频信号被调制到新光波长上；D、地面接入单元GAU_i在完成波长路由切换03后向路网管理单元RNMU发送消息 GAU_H0_CNF 04，即切换完成；经过以上A D步骤，即执行完一次同一个地面接入单元GAU内的越区切换过程。如图11，发生在不同地面接入单元GAU之间的越区切换实施过程的信令流程是A、路网管理单元RNMU结合自己预装的航迹地理信息，利用航位预测95程序推算 在某相邻地面接入单元GAU_old和GAU_new的无线电覆盖小区500间切换的发生时间，然 后向原地面接入单元GAU_old发送消息RNMU_H0RDY_NTF 11，即切换预设定，该消息内容包 含即将发生切换的邻路地面接入单元GAU编号、相邻无线电覆盖小区500天线111的编号 和切换预设定时间；B、收到RNMU_H0RDY_NTF 11消息的原地面接入单元GAU_old向新地面接入单元 GAU_new发送一个消息GAU_INFTRS_NTF 12，即通知新光波长和通信隧道接口的预留分配；C、新地面接入单元GAU_new向原地面接入单元GAU_old发送消息GAU_INFTRS_RSP 13，即作为对收到消息GAU_INFTRS_NTF 12的回复证实；D、新地面接入单元GAU_new向路网网关RNG发送消息GAU_TNL_REQ 14，即请求通 信隧道预留；E、路网网关RNG向新地面接入单元GAU_new发送RNG_TNL_PRES 15消息，即通信 隧道预留响应；F、路网网关RNG向路网管理单元RNMU发送消息RNG_TNLRDY_NTF 16，即通知通信 隧道预留完成，该消息包含通信隧道预留已经完成的状态信息； G、路网管理单元RNMU等待切换预定时间触发，一旦触发，就向路网网关RNG发送 消息RNMU_H0_STAT 17，即切换执行，该消息包含切换的执行指令；
H、路网网关RNG给原路网接入单元GAU_old发送消息RNG_TNL_FREE 18，即释放原 通信隧道资源；I、RNG启用新地面接入单元GAU_neW与路网网关RNG之间预留好的通信隧道，该 通信隧道预留在第E步完成，移动终端群210的通信连接在不被中断的情况下被平滑切换 到新的通信隧道，即为隧道切换19 ；J、隧道切换19完成后，路网网关RNG给路网管理单元RNMU发送消息RNG_H0_RSP 20，即作为对本次切换完成的证实。经过以上A J的十个步骤，即执行完一次不同地面接入单元GAU之间的越区切 换实施过程。同一个地面接入单元GAU内的越区切换实施过程和不同地面接入单元GAU之间的 越区切换实施过程随着列车高速移动而交替出现，因而图10和图11的信令流程交替执行。三、应用1、地面分系统网络结构如图12，地面分系统结构包括综合业务网络300、路网网关单元120、路网管理单 元130、地面接入中心113、光纤传输分配线路112、分布式天线111、铁轨400和无线电覆盖 小区500 ；其连接关系是综合业务网络300与路网网关单元120连通，路网网关单元120分别与路网管理 单元130和地面接入中心113连通；多个地面接入中心113之间相互连通，每一地面接入中 心113分别与多个分布式天线111连通；分布式天线111沿铁轨400沿线装配，分布式天线 111之间的安装距离与系统所采用的无线电电磁波频段和一次切换执行时间密切相关，可 选择针对60GHz无线电电磁波频段，设置天线间隔距离约为50 100米，无线电覆盖小区 500之间允许有10% -20%的重叠区域。2、车载分系统网络结构如图13，车载分系统结构包括铁轨400、高速列车600、多制式天线700、移动终端 群210、分布式天线221、光纤传输分配线路222和车载移动接入中心223 ；其连接关系是移动终端群210以漫游状态汇集到高速列车600各段车厢，与车厢内安置的多制 式天线700之间存在无线电连接，高速列车600各段车厢中安装的多制式天线700通过光 纤连接后汇接到车载移动接入中心223，车载移动接入中心223与列车天线221通过光纤传 输分配线路222连接，列车天线221根据要求可以由多天线组成与路面天线111之间存在 无线电连接。3、本发明同样适用于终端相对集中的其他公共交通工具上的移动通信服务，如飞 机、轮船、公共汽车、地铁等。
权利要求
1.一种终端群聚超高移动性宽带通信系统，其特征在于 包括地面分系统(100)和车载分系统(200)；地面分系统(100)包括地面接入单元(110)、路网网关单元(120)与路网管理单元 (130)；车载分系统(200)包括移动终端群(210)和车载移动接入单元(220)； 其连通关系是路网网关单元(120)、地面接入单元(110)、车载移动接入单元(220)和移动终端群 (210)依次连通，路网管理单元(130)分别与路网网关单元(120)、地面接入单元(110)、车 载移动接入单元(220)连通。
2.按权利要求1所述的终端群聚超高移动性宽带通信系统，其特征在于所述地面接入单元(110)包括依次连接在运动载体行驶路线上沿途布设的分布式天 线(111)、光纤传输分配线路(112)、地面接入中心(113)和多制式通信网络接口 (114)；所述地面接入中心(113)包括激光光源组(1130)、光电探测模块组(1131)、基站/基 站控制器组(1132)、地面移动交换中心(1133)、光调制器池(1134)、全光交换矩阵(1135)、 控制逻辑(1136)、第1波分复用器(1137)、第2波分复用器(1138)和光纤(1139)； 其连接关系是全光交换矩阵(1135)分别与激光光源组(1130)、光电探测模块组(1131)、光调制器池 (1134)、控制逻辑(1136)和第1波分复用器(1137)连接；第1波分复用器(1137)、光纤(1139)和第2波分复用器(1138)依次连接； 地面移动交换中心(1133)和基站/基站控制器组(1132)连接，基站/基站控制器组 (1132)分别与光电探测模块组(1131)和光调制器池(1134)连接。
3.按权利要求1所述的终端群聚超高移动性宽带通信系统，其特征在于所述路网管理单元(130)包括高速列车位置管理与切换预测模块(131)、路网拓扑 管理模块(132)、路网地理信息管理模块(133)、消息处理模块(134)、同步预测算法模块 (135)和移动终端群管理模块(136)；其交互关系是消息处理模块(134)接收来自路网其他单元的请求消息或者状态报告 消息，将消息进行解析后转发给高速列车位置管理与切换预测模块(131)；高速列车位置 管理与切换预测模块(131)根据状态报告、路网拓扑管理模块(132)、路网地理信息管理模 块(133)和移动终端群管理模块(136)提供的信息确定车辆运行位置和状态，为高速列车 位置管理与切换预测模块(131)提供历史运行状态数据；切换策略由根据位置信息和预测 的结果组成。
4.按权利要求1所述的终端群聚超高移动性宽带通信系统，其特征在于所述车载移动接入单元(220)包括依次连接的分布式天线(221)、光纤传输分配线路 (222)、车载移动接入中心(223)和多制式通信接口(224)；所述车载移动接入中心(223)包括激光光源(2231)、光调制器(2232)、1X2波分复用 器(2233)、光电转换模块(2234)、射频处理模块(2235)、车载移动交换中心(2236)和基站 /基站控制器组(2237)； 其连接关系是激光光源(2231)、光调制器(2232)、波分复用器(2233)依次由光纤连接，波分复用器(2233)与光电转换模块(2234)之间通过光纤连接，光电转换模块(2234)、射频处理模块 (2235)、车载移动交换中心(2236)和基站/基站控制器组(2237)依次由电缆线连接，射频 处理模块(2235)和光调制器(2232)之间也由电缆连接。
5.基于权利要求1所述系统的快速越区切换方法，其特征在于包括下列步骤①车载移动接入单元与地面接入单元之间建立双向无线连接通道，路网网关单元与地 面接入单元之间建立隧道连接；②车载移动接入单元、地面接入单元和路网网关单元各自向路网管理单元发送连接状 态报告；③移动终端漫游到列车车厢内，即建立与车载移动接入单元的通信规约适配，车载移 动接入单元对漫游到列车车厢内的移动终端注册归集，被归集的移动终端与车外业务网络 之间的通信由车载移动接入单元代理完成；④车载移动接入单元向路网管理单元发送行驶状态报告，并确定航位预测与同步执行 的时间；⑤航位预测与同步执行时间触发，车载移动接入单元与路网管理单元同步执行相同的 车辆航位预测程序；⑥车载移动接入单元根据航位预测程序实时预测车辆当前的航行位置，如果出现航位 预测值与列车真实位置的累计误差超出预设值，回到步骤⑤从而对预测程序进行校正，否 则进入到步骤⑦；⑦根据预设车辆航迹调度信息和地面接入单元的无线电覆盖拓扑，路网管理单元使用 航位预测程序推算列车行驶位置及其穿越航迹上各无线电覆盖小区的时间，然后向航迹沿 线相关的地面接入单元和路网网关单元发出切换预置指令，通知切换的具体时间；⑧如果相关地面接入单元及路网网关单元的切换定时时间触发，就进入步骤⑨，否则， 回到步骤⑦；⑨启动由路网网关单元和相关地面接入单元主导的越区切换实施过程；⑩路网管理单元收到来自参与切换执行过程的地面接入单元和路网网关单元的切换 完成状态报告，切换实施过程结束，回到步骤⑥。
全文摘要
本发明公开了一种终端群聚超高移动性宽带通信系统及其快速越区切换方法，涉及高速铁路移动通信系统。本系统包括地面分系统(100)和车载分系统(200)；路网网关单元(120)、地面接入单元(110)、车载移动接入单元(220)和移动终端群(210)依次连通，路网管理单元(130)分别与路网网关单元(120)、地面接入单元(110)和车载移动接入单元(220)连通。本发明在越区切换机制中引入光技术手段，切换流程的延迟与光开关动作时间密切相关，采用电光开关更可实现纳秒级的切换；本发明利用光层上进行一次切换流程即可完成终端群的集团切换；终端汇聚规模越大，本发明的积极效果越明显。
文档编号H04W8/02GK102045650SQ201010582049
公开日2011年5月4日 申请日期2010年12月10日 优先权日2010年12月10日
发明者杨春勇, 陈少平 申请人:中南民族大学