一种双模车载终端实现系统及方法.pdf

本发明公开了一种双模车载终端实现系统及方法，其结合交织站址覆盖方式的特点，机车台移动终端采用双模方式，同时分别连接主用层网络和备用层网络，根据接收信号的电平、质量等性能选择更好的传输信号通道，以达到充分利用双层网络的无线资源和提高传输可靠性的目的，从而解决现有技术中在主用层中进行小区切换时，两个主用层相邻基站间重叠区域上的弱场区容易导致通信中断的问题。

1.  一种双模车载终端实现系统，其包括：地面控制中心、移动交换中心(MSC)、基站控制中心(BSC)、主用层网络和备用层网络、机车台列控单元，其特征在于，该双模车载终端实现系统还包括一个或多个机车台车载GSM-R通信单元；所述机车台车载GSM-R通信单元直接安装在机车台上，其由处理单元和两个GSM-R移动收发信机，即第一车载移动终端(MS₁)和第二车载移动终端(MS₂)组成；所述处理单元经数据传输线连接到机车台列控单元。

2.  根据权利要求1所述的一种双模车载终端实现系统，其特征在于，所述MS₁和MS₂分别装有不同的SIM卡，其中，MS₁和MS₂的SIM卡中均内置有小区初始化选择C1算法模块和小区重选C2算法模块，且两个算法模块的参数不同。

3.  一种双模车载终端实现方法，其特征在于：采用交织站址无线冗余覆盖，所述机车台车载GSM-R通信单元采用双模方式，将MS₁和MS₂分别与主用层网络和备用层网络连接，并在同层间进行切换，所述双模车载实现方法包括以下步骤：
步骤1开机时依据无线衰减C1准则和基站编号为MS₁和MS₂选择各自合适的小区，将MS₁选择到主用层小区，MS₂选择到备用层小区，从而保证MS₁只能连接到主用层网络，MS₂只能连接到备用层网络；
步骤2在跨小区时，依据路径损耗C2准则和基站编号为MS₁和MS₂进行小区重选，以保证在小区重选时MS₁只能重选到主用层网络的小区，MS₂只能重选到备用层网络的小区；
步骤3在通信过程中，地面控制中心同时与MS₁和MS₂建立通信链路进行数据传输，此时MS₁和MS₂处于专用模式下，网络侧按照同层小区切换的准则进行切换目标小区的选择，以保证MS₁在主用层网络的小区间进行切换，MS₂在备用层网络的小区间进行切换；
步骤4所述处理单元通过对MS₁和MS₂接收信号的接收电平、质量参数进行对比分析并进行相应处理，选择指标较好的接收数据作为最终接收数据；以及，
步骤5机车台车载GSM-R通信单元将最终接收数据传输到机车台列控单元，由机车台列控单元根据所选最终接收数据进行列车的调度和控制。

4.  根据权利要求3所述的一种双模车载终端实现方法，其特征在于，步骤1中，所述依据无线衰减C1准则和基站编号为MS₁和MS₂选择各自合适的小区实现如下：
C1＝RXLEV-rxLevAccessMin-MAX((msTxPwrMaxCCH-MSTxPwrMax)，0)
为原来的C1算法，其中，RXLEV是移动终端当前小区的接收电平，rxLevAccessMin是当前小区最小允许接入电平，msTxPwrMaxCCH是基站定义的移动台在接入小区时，控制信道上的最大允许发射功率，MSTxPwrMax则是移动台可以发射的最大功率，该最大功率可由移动台的功率等级定义；为实现将MS₁和MS₂分别连接到主用层网络和备用层网络上，修改后新的C1算法为：
C1_new＝RXLEV-rxLevAccessMin_new-MAX((msTxPwrMaxCCH-MSTxPwrMax)，0)
对于MS₁来说，当基站编号k＝2n+1，n为＞0的正整数时，rxLevAccessMinnew＝rxLevAccessMin；当基站编号k＝2n，n为＞0的正整数时，rxLevAccessMinnew＝rxLevAccessMin+100dB；通过人为地增加MS₁选择到备用层小区的难度，从而保证MS₁只能连接到主用层网络；
同理，对于MS₂来说，当基站编号k＝2n，n为＞0的正整数时，rxLevAccessMinnew＝rxLevAccessMin；当基站编号k＝2n+1，n为＞0的正整数时，rxLevAccessMin_new＝rxLevAccessMin+100dB；通过人为地增加了MS₂选择到主用层小区的难度，从而保证MS₂只能连接到备用层网络。

5.  根据权利要求3所述的一种双模车载终端实现方法，其特征在于，步骤2中所述依据路径损耗C2准则和基站编号为MS₁和MS₂进行小区重选实现如下：
C2＝C1+cellReselectOffset-temporaryOffset*H(penaltyTime-T)(penaltyTime＜或＞640)
C2＝C1-cellReselectOffset(penaltyTime＝640)
为原来的C2算法，其中，T是一个定时器，一旦某一个小区进入移动台的邻近小区选择表或原来的服务小区刚被替换掉而变成代选邻近小区时，T被初始化为零并开始计时，penaltyTime是操作人员定义的计时门限，temporaryOffset和cellReselectOffset是路径损耗计算偏移量；
为实现MS₁和MS₂分别连接到主用层网络和备用层网络上，修改后新的C2算法为：
C2_new＝C1_new+cellReselectOffset-temporaryOffset*H(penaltyTime-T)(penaltyTime＜或＞640)
C2_new＝C1_new-cellReselectOffset(penaltyTime＝640)
因为C1_new与步骤1定义相同，同时配合cellReselectOffset参数对属于同一层的小区赋予较大的值，对属于不同层的小区赋予0值，所以可保证MS₁在小区重选时只能重选到主用层网络的小区，MS₂只能重选到备用层网络的小区。

6.  根据权利要求3所述的一种双模车载终端实现方法，其特征在于，步骤3中所述网络侧按照同层小区切换的准则进行切换目标小区的选择是指，MS₁在主用层网络的小区间进行切换，MS₂在备用层网络的小区间进行切换，具体通过优化邻小区列表来实现。

7.  根据权利要求3所述的一种双模车载终端实现方法，其特征在于，所述选择指标较好的接收数据的判断准则为：在持续5s内，如果MS₂接收电平大于MS₁接收电平，MS₂接收质量优于MS₁接收质量，则选择MS₂接收数据作为最终接收数据，否则继续采用原来MS₁终端的接收数据作为最终接收数据。

8.  根据权利要求3所述的一种双模车载终端实现方法，其特征在于，对于所述机车台车载GSM-R通信单元的MS₁和MS₂，如果主用层网络中某小区出现故障，则MS₁可能会出现通信中断，此时可直接把MS₂接收到的数据作为最终接收数据，而不需要执行主用层到备用层的切换。

一种双模车载终端实现系统及方法
技术领域
本发明涉及一种双模车载终端实现方法，尤其涉及一种基于GSM-R交织主备双层网络模式下双模车载终端实现方法，属于高速客运专线GSM-R铁路数字专用移动通信领域。
背景技术
GSM-R(GSM for Railways)系统是专门为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统。它是在GSM Phase2+规范协议的高级语音呼叫功能(如组呼、广播呼叫)、多优先级抢占和强拆业务的基础上，加入了基于位置寻址和功能寻址等功能，适用于铁路通信特别是铁路专用调度通信的需要。GSM-R系统主要提供无线列调、编组调车通信、区段养护维修作业通信、应急通信、隧道通信等语音通信功能，可为列车自动控制与检测信息提供数据传输通道，并可提供列车自动寻址和旅客服务。
GSM-R因为涉及到铁路的安全运行，因此网络设备应具有很高的可靠性和安全性。但是，GSM-R网络中的移动交换系统和基站系统不可能达到100％无故障率，尤其基站所在室外环境条件差异较大，容易出现故障，导致通信事故发生，这对于铁路安全运行来讲是一个极大的威胁。传统的GSM-R单基站无线覆盖方式不适合高速铁路(列车运行速度达到300Km/h以上)或需要传输列控数据的情况，通常的做法是，采用GSM-R无线冗余覆盖来提高无线网络的可靠性，具体为同站址双基站覆盖和交织站址覆盖。目前在高速客运专线主要采用的就是交织站址覆盖方式，如图1所示。在实际使用中，GSM-R分为主备双层网络，主用层网络包括基站1，基站3，基站5……等编号为奇数的站址，备用层网络包括基站2，基站4，基站6……等编号为偶数的站址。主、备两层网络均能实现全线的无线网络覆盖。通过对网络参数的配置，为主用层网络分配较高优先级别，为备用层网络分配较低优先级别。主用层正常工作时，网络业务由主用层提供；主用层故障或业务拥塞时，网络业务暂时由备用层提供。这种交织站址覆盖方式目前的主要功能就是提高无线覆盖的可靠性，同时也带来了一些问题，例如：在主用层网络正常工作模式下，备用层网络并不提供业务传输，无线资源白白浪费。另一方面主用层基站无线覆盖重叠区(即弱场区)是列控数据传输中断的多发区域，信号传输的可靠性还有待提高。
发明内容
为了克服现有技术结构的不足，本发明提供一种双模车载终端实现系统及方法，其基于GSM-R交织主备双层网络模式，结合交织站址覆盖方式下的特点，即主用层基站无线覆盖重叠区(即主用层弱场区)正好是备用层基站站址附近(即备用层强场区)，根据接收信号的电平、质量性能选择传输信号通道，以解决原来的在主用层中进行小区切换时，两个主用层相邻基站间重叠区域上的弱场区容易导致通信中断的问题。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种双模车载终端实现系统，其包括：地面控制中心；移动交换中心(MSC)；基站控制中心(BSC)；主用层网络和备用层网络；机车台车载GSM-R通信单元；机车台列控单元。所述机车台车载GSM-R通信单元直接安装在机车台上，其由处理单元和两个GSM-R移动收发信机，即第一车载移动终端(MS₁)和第二车载移动终端(MS₂)组成，所述处理单元经数据传输线连接到机车台列控单元；所述MS₁和MS₂分别装有不同的SIM卡，其中，MS₁和MS₂的SIM卡中均内置有小区初始化选择C1算法模块和小区重选C2算法模块，两个算法模块的参数不同；MS₁连接到主用层网络，MS₂连接到备用层网络。
一种双模车载终端实现方法，其采用交织站址无线冗余覆盖，所述机车台车载GSM-R通信单元采用双模方式，将MS₁和MS₂分别与主用层网络和备用层网络连接，并在同层间进行切换。所述双模车载实现方法包括以下步骤：
步骤1开机时依据无线衰减C1准则和基站编号为MS₁和MS₂选择各自合适的小区，将MS₁选择到主用层小区，MS₂选择到备用层小区，从而保证MS₁只能连接到主用层网络，MS₂只能连接到备用层网络；
步骤2在跨小区时，依据路径损耗C2准则和基站编号为MS₁和MS₂进行小区重选，以保证在小区重选时MS₁只能重选到主用层网络的小区，MS₂只能重选到备用层网络的小区；
步骤3在通信过程中，地面控制中心同时与MS₁和MS₂建立通信链路进行数据传输，此时MS₁和MS₂处于专用模式下，网络侧按照同层小区切换的准则进行切换目标小区的选择，以保证MS₁在主用层网络的小区间进行切换，MS₂在备用层网络的小区间进行切换；
步骤4所述处理单元通过对MS₁和MS₂接收信号的接收电平、质量参数进行对比分析并进行相应处理，选择指标较好的接收数据作为最终接收数据；以及，
步骤5机车台车载GSM-R通信单元将最终接收数据传输到机车台列控单元，由机车台列控单元根据所选最终接收数据进行列车的调度和控制。
作为本发明的一个优选方案，步骤1中，所述依据无线衰减C1准则和基站编号为MS₁和MS₂选择各自合适的小区实现如下：
原来的C1算法为：
C1＝RXLEV-rxLevAccessMin-MAX((msTxPwrMaxCCH-MSTxPwrMax)，0)
其中，RXLEV是移动终端当前小区的接收电平，rxLevAccessMin是当前小区最小允许接入电平，msTxPwrMaxCCH是基站定义的移动台在接入小区时，控制信道上的最大允许发射功率，MSTxPwrMax则是移动台可以发射的最大功率，该最大功率可由移动台的功率等级定义。为实现将MS₁和MS₂分别连接到主用层网络和备用层网络上，修改C1算法为：
C1_new＝RXLEV-rxLevAccessMin_new-MAX((msTxPwrMaxCCH-MSTxPwrMax)，0)
对于MS₁来说，当基站编号k＝2n+1，其中n为＞0的正整数时，rxLevAccessMinnew＝rxLevAccessMin；当基站编号k＝2n，n为＞0的正整数时，rxLevAccessMinnew＝rxLevAccessMin+100dB。通过人为地增加MS₁选择到备用层小区的难度，从而保证MS₁只能连接到主用层网络。
同理，对于MS₂来说，当基站编号k＝2n，n为＞0的正整数时，rxLevAccessMin_new＝rxLevAccessMin；当基站编号k＝2n+1，n为＞0的正整数时，rxLevAccessMin_new＝rxLevAccessMin+100dB。通过人为地增加了MS₂选择到主用层小区的难度，从而保证MS₂只能连接到备用层网络。
作为本发明的另一个优选方案，步骤2中所述依据路径损耗C2准则和基站编号为MS₁和MS₂进行小区重选可实现如下：
原来的C2算法为：
C2＝C1+cellReselectOffset-temporaryOffset*H(penaltyTime-T)
                                (penaltyTime<或>640)
C2＝C1-cellReselectOffset          (penaltyTime＝640)
其中，T是一个定时器，一旦某一个小区进入移动台的邻近小区选择表或原来的服务小区刚被替换掉而变成代选邻近小区时，T被初始化为零并开始计时，penaltyTime是操作人员定义的计时门限，temporaryOffset和cellReselectOffset是路径损耗计算偏移量。
为实现MS₁和MS₂分别连接到主用层网络和备用层网络上，修改后新的C2算法为：
C2_new＝C1_new+cellReselectOffset-temporaryOffset*H(penaltyTime-T)
                                     (penaltyTime<或>640)
C2_new＝C1_new-cellReselectOffset      (penaltyTime＝640)
因为C1_new与步骤1定义相同，同时配合cellReselectOffset参数对属于同一层的小区赋予较大的值，对属于不同层的小区赋予0值，所以可保证MS₁在小区重选时只能重选到主用层网络的小区，MS₂只能重选到备用层网络的小区。
作为本发明的又一个优选方案，步骤3中所述网络侧按照同层小区切换的准则进行切换目标小区的选择是指，MS₁在主用层网络的小区间进行切换，MS₂在备用层网络的小区间进行切换，具体可通过优化邻小区列表来实现。
在步骤4中，所述选择指标较好的接收数据的判断准则为：在持续5s内，如果MS₂接收电平大于MS₁接收电平，MS₂接收质量优于MS₁接收质量，则选择MS₂接收数据作为最终接收数据，否则继续采用原来MS₁终端的接收数据作为最终接收数据。
此外，对于所述机车台车载GSM-R通信单元的MS₁和MS₂，如果主用层网络中某小区出现故障，则MS₁可能会出现通信中断，此时可直接把MS₂接收到的数据作为最终接收数据，而不需要执行主用层到备用层的切换。
本发明的有益效果：双模移动终端MS₁和MS₂根据参数设置分别选择主、备用两层网络作为其服务网络，根据接收信号的电平、质量、距离等性能的综合比较，选用覆盖较好的一层网络进行数据和语音信息的接收，极大地提高了系统的可靠性。。其有益效果主要有以下两点：
其一，本发明有效地保障了GSM-R传输列控信息的通信可靠性。机车台机车台车载GSM-R通信单元采用双模GSM-R终端，分别连接到GSM-R交织网络主用层和备用层上进行车地间列控信息的传输，提高了通信可靠性，解决了原来的在主用层中进行小区切换时，两个主用层相邻基站间重叠区域上的弱场区容易导致通信中断的问题。其二，依据本发明的方法，在主用层网络正常工作模式下，备用层网络也能为车地通信提供业务传输，利用备用层的无线覆盖信号来提高列控数据无线传输的可靠性，从而达到充分利用双层网络的无线资源，提高传输可靠性的目的
附图说明
图1是GSM-R交织站址双层网络覆盖示意图；
图2是根据本发明的机车台车载GSM-R通信单元结构示意图；
图3是以MS₁为例说明初始化小区选择的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
实施例1参照图1和图2的双模车载终端实现系统，其包括：地面控制中心；移动交换中心(MSC)；基站控制中心(BSC)；主用层网络和备用层网络；机车台车载GSM-R通信单元；以及，机车台列控单元。所述机车台车载GSM-R通信单元直接安装在机车台上，其由处理单元和两个GSM-R移动收发信机，即车载移动终端1(MS1)和车载移动终端2(MS₂)组成，所述处理单元经数据传输线连接到机车台列控单元；所述MS₁和MS₂分别装有不同的SIM卡，其中，MS₁和MS₂的SIM卡中均内置有小区初始化选择C1算法模块和小区重选C2算法模块，两个算法模块的参数不同；MS₁连接到主用层网络，MS₂连接到备用层网络。
实施例2基于GSM-R交织主备双层网络模式下双模车载终端实现的方法采用交织站址无线冗余覆盖，在交织站址冗余覆盖中，机车台移动终端采用双模方式，将机车台移动终端同时分别与主用层网络和备用层网络连接，并在同层进行切换，根据接收信号的电平、质量性能选择传输信号通道，以解决原来的在主用层中进行小区切换时，两个主用层相邻基站间重叠区域上的弱场区容易导致通信中断的问题。
如图2所示，机车台车载GSM-R通信单元采用双模GSM-R终端，即两个GSM-R移动收发信机，分别装有不同的SIM卡；GSM-R移动收发信机内置参数不同的小区初始化选择算法(C1算法)和小区重选算法(C2算法)，以确保MS₁连接到主用层网络，MS₂连接到备用层网络；GSM-R移动收发信机的功能是：通过对MS₁和MS₂接收信号的电平、质量参数进行对比分析，选择语音及数据接收来源；在通信过程中，列车地面控制中心与机车台机车台车载GSM-R通信单元的双模GSM-R终端同时建立两条通信链路，以确保可靠地传输列控信息。
如图3所示，基于GSM-R交织主备双层网络模式下双模车载终端实现的方法步骤如下：
步骤1车载移动终端MS₁和MS₂在开机时依据无线衰减C1准则和基站编号选择一个合适的小区，原来的C1算法为：
C1＝RXLEV-rxLevAccessMin-MAX((msTxPwrMaxCCH-MSTxPwrMax)，0)
其中，RXLEV是移动终端当前小区的接收电平，rxLevAccessMin是当前小区最小允许接入电平，msTxPwrMaxCCH是基站定义的移动台在接入小区时，控制信道上的最大允许发射功率，MSTxPwrMax则是移动台可以发射的最大功率，该最大功率可由移动台的功率等级定义。
为实现将MS₁和MS₂分别连接到主用层网络和备用层网络上，修改后新的C1算法为：
C1_new＝RXLEV-rxLevAccessMin_new-MAX((msTxPwrMaxCCH-MSTxPwrMax)，0)
对于MS1来说，当基站编号k＝2n+1，n为＞0的正整数时，rxLevAccessMinnew＝rxLevAccessMin；当基站编号k＝2n，n为＞0的正整数时，rxLevAccessMinnew＝rxLevAccessMin+100dB。通过人为地增加MS₁选择到备用层小区的难度，从而保证MS₁只能连接到主用层网络。
同理，对于MS₂来说，当基站编号k＝2n，n为＞0的正整数时，rxLevAccessMin_new＝rxLevAccessMin；当基站编号k＝2n+1，n为＞0的正整数时，rxLevAccessMin_new＝rxLevAccessMin+100dB。通过人为地增加了MS₂选择到主用层小区的难度，从而保证MS₂只能连接到备用层网络。
步骤2车载移动终端MS₁和MS₂在跨小区时需要依据路径损耗C2准则和基站编号进行小区重选，原来的C2算法为：
C2＝C1+cellReselectOffset-temporaryOffset*H(penaltyTime-T)
                                (penaltyTime<或>640)
C2＝C1-cellReselectOffset          (penaltyTime＝640)
其中，T是一个定时器，一旦某一个小区进入移动台的邻近小区选择表或原来的服务小区刚被替换掉而变成代选邻近小区时，T被初始化为零并开始计时。penaltyTime是操作人员定义的计时门限，temporaryOffset和cellReselectOffset是路径损耗C2计算偏移量。
为实现MS₁和MS₂分别连接到主用层网络和备用层网络上，修改后新的C2算法为：
C2_new＝C1_new+cellReselectOffset-temporaryOffset*H(penaltyTime-T)
                                     (penaltyTime<或>640)
C2_new＝C1_new-cellReselectOffset      (penaltyTime＝640)
因为C1_new与步骤1定义相同，同时配合cellReselectOffset参数对属于同一层的小区赋予较大的值，对属于不同层的小区赋予0值，所以可保证MS₁在小区重选时只能重选到主用层网络的小区，MS₂只能重选到备用层网络的小区。
步骤3在通信过程中，地面控制中心要同时与MS₁和MS₂建立通信链路传输数据，由于GSM-R系统中小区的半径相对较小，因此通话中穿越小区的概率很高，一次呼叫可能会出现几次切换。当移动台处于专用模式下，网络侧应按照同层小区切换的准则进行切换目标小区的选择，即MS₁在主用层网络的小区间进行切换，MS₂在备用层网络的小区间进行切换。具体可通过优化邻小区列表来实现，表1是GSM-R交织站址双层网络中小区的切换邻小区列表：
表1 GSM-R交织站址双层网络中小区的切换邻小区列表

对于MS₁和MS₂两个移动终端接收的信号，通过实时对比MS₁与MS₂的下行链路无线测量数值(例如接收质量、接收电平、距离等)，在处理单元经过相应处理选择指标较好的接收数据作为最终接收数据。判断准则实例为：
在持续5s内，如果MS₂接收电平大于MS₁接收电平，MS₂接收质量优于MS₁接收质量，则选择MS₂接收数据作为最终接收数据；否则继续采用原来MS₁终端的接收数据作为最终接收数据。
如果主用层网络中某小区出现故障，则MS₁可能会出现通信中断，此时可直接把MS₂接收到的数据作为最终接收数据，而不需要执行主用层到备用层的切换。需要说明的一点，这种切换策略只适合于机车台GSM-R通信单元，车内其他GSM-R移动终端还是按照原来的方式切换，即主用层正常工作时，网络业务由主用层提供；主用层故障或业务拥塞时，网络业务暂时由备用层提供，需要移动终端从主用层切换到备用层上。
以上仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。