基于位置預測的光層切換算法研究

汪淳

摘 要：隨著列車時速的不斷加快，現有鐵路通信系統的數據傳輸的可靠性和帶寬方面已無法滿足要求。文章構造了基于ROF技術的無線寬帶接入網絡，提出了基于位置預測的快速切換算法。經OPNET仿真實驗證明，該系統在切換時延和丟包率方面有顯著改善。

關鍵詞：ROF；光層切換；移動基站

中圖分類號：TN925 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）5-0008-02

目前，高速列車均工作在如WI-FI、WIMAX、UMTS等大區制小區下，普遍以信號強度作為網絡切換的判決門限，網絡傳輸能力非常有限。未來的移動通信業務趨向于多媒體交換應用，帶寬需求量增大，將無線載波頻率轉移到射頻微波頻段上可以解決該問題，同時又產生了大量的微小區、微微小區。

當列車快速移動的時候，穿越微微小區，會出現頻繁切換的問題。因此，對網絡切換機制的有效性和效率提出了更高的要求。本文設計了一種工作在微微小區下的寬帶接入網絡模型，即基于ROF技術的移動基站網絡模型并提出了相應的快速切換算法。

1 系統模型

1.1 系統架構

基于光纖無線電（Radio-Over-Fiber，ROF）技術的分布式天線系統（Distribute Antenna System，DAS）被認為是增加無線接入網絡容量的技術之一。此技術將屬于中央處理節點（Centre control station， CS）的多個遠端天線單元（Remote Antenna Unit，RAU）分布設置在整個覆蓋區域，每個天線通過光鏈路與中央處理節點相連，遠端天線單元僅完成信號收發的基本功能，信號處理功能由中央處理節點CS完成，因而具有了擴張系統容量的能力和靈活的組網方式等特點。

本系統采取基于ROF技術的環形結構網絡，由一個中心站（CS）和N個遠端基站（RAU）構成，中心站包括傳輸模塊和接收模塊。該網絡需要將N個RAU以相等的距離架設在鐵路軌道沿線，通過兩根光纖與CS連接，其中一根保證上行鏈路的連接，另一根保證下行鏈路的連接，其結構如圖1所示。

同理，各個RAU上行連路也是將射頻信號轉換成固定波長光信號的過程，具體辦法：天線接收到射頻信號，將其調制到對應波長的光載波上，已調光信號經光纖傳送至CS，由光分路器分配到不同的光接收機，經光電轉換器件還原為射頻信號，最后解調為需要的用戶數據。

1.2 移動基站

如何保證各無線傳輸隧道的有序傳輸？假定每一個RAU的射頻信道頻率值與分配給它的光載波波長一一對應并保持固定。列車越區時，CS控制切換的執行，將數據流需要由舊的RAU頻率調制到新的RAU頻率，并耦合進對應的光載波波長。為了能夠順利完成切換，列車網關天線將持續變頻，這就是傳統的切換方式。考慮到列車由多節車廂組成，會同時存在多個列車網關，CS需同時轉換多路射頻信號，從而降低了系統切換效率。

基于ROF技術的特點，在發生切換的時候，系統可以采用單一的頻率進行射頻輸出，為了區別不同的RAU，可以分配給每個RAU一個專門的光載波波長，列車越區到哪個RAU服務范圍，就將RF調制到對應的光載波上。這樣列車網關天線可以以固定頻率進行通信，無須持續變頻。

隨著全光波長路和光開關技術的發展，CS在切換過程中始終參照列車的位置，完成由舊光載波波長到新光載波波長的調制，完成切換任務。該切換方式屬于硬切換的范疇。為了準確保證切換的準確性，必須精確的預測列車的行程位置，以確保切換決策的實時與準確性。

在現實系統中，列車的速度和行程信息已經收集到列車控制站和站臺，因此可以利用該信息完成基于位置預測的切換，該切換方式比傳統的基于信號強弱的方式更快捷方便。在網絡模型的CS端收集該信息，再結合列車軌道沿線RAU的分布，CS可以根據列車的行程位置判斷切換的發起時機，從而控制切換。該切換判決著眼于網絡層，操作在物理層，相比較網絡層和數據鏈路層的切換，切換時延更短，切換效率更高，完全適合于高速移動下的多媒體實時業務的無損傳輸。且信令控制包急劇減少，不會占用過度的信道資源，從而減輕了系統負擔。因此是高速移動場景下十分適用的切換算法。

3 仿真結果

4 結 語

本文建立了基于ROF技術的移動基站網絡模型，并在此基礎上提出基于位置預測的快速切換算法。經過系統仿真證明，該算法能夠準確預測列車位置，做出準確的硬切換決策，指導光層切換的執行，減小了網絡切換延時。同時證明，基于ROF技術的分布式天線系統，能夠作為未來一種有效的無線接入方法，以服務于鐵路等高速運動的用戶，為它們提供超寬帶的網絡服務。

參考文獻：

[1] 張博.ROF無線接入技術研究[D].北京：北京郵電大學，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：隨著列車時速的不斷加快，現有鐵路通信系統的數據傳輸的可靠性和帶寬方面已無法滿足要求。文章構造了基于ROF技術的無線寬帶接入網絡，提出了基于位置預測的快速切換算法。經OPNET仿真實驗證明，該系統在切換時延和丟包率方面有顯著改善。

關鍵詞：ROF；光層切換；移動基站

中圖分類號：TN925 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）5-0008-02

目前，高速列車均工作在如WI-FI、WIMAX、UMTS等大區制小區下，普遍以信號強度作為網絡切換的判決門限，網絡傳輸能力非常有限。未來的移動通信業務趨向于多媒體交換應用，帶寬需求量增大，將無線載波頻率轉移到射頻微波頻段上可以解決該問題，同時又產生了大量的微小區、微微小區。

當列車快速移動的時候，穿越微微小區，會出現頻繁切換的問題。因此，對網絡切換機制的有效性和效率提出了更高的要求。本文設計了一種工作在微微小區下的寬帶接入網絡模型，即基于ROF技術的移動基站網絡模型并提出了相應的快速切換算法。

1 系統模型

1.1 系統架構

基于光纖無線電（Radio-Over-Fiber，ROF）技術的分布式天線系統（Distribute Antenna System，DAS）被認為是增加無線接入網絡容量的技術之一。此技術將屬于中央處理節點（Centre control station， CS）的多個遠端天線單元（Remote Antenna Unit，RAU）分布設置在整個覆蓋區域，每個天線通過光鏈路與中央處理節點相連，遠端天線單元僅完成信號收發的基本功能，信號處理功能由中央處理節點CS完成，因而具有了擴張系統容量的能力和靈活的組網方式等特點。

本系統采取基于ROF技術的環形結構網絡，由一個中心站（CS）和N個遠端基站（RAU）構成，中心站包括傳輸模塊和接收模塊。該網絡需要將N個RAU以相等的距離架設在鐵路軌道沿線，通過兩根光纖與CS連接，其中一根保證上行鏈路的連接，另一根保證下行鏈路的連接，其結構如圖1所示。

同理，各個RAU上行連路也是將射頻信號轉換成固定波長光信號的過程，具體辦法：天線接收到射頻信號，將其調制到對應波長的光載波上，已調光信號經光纖傳送至CS，由光分路器分配到不同的光接收機，經光電轉換器件還原為射頻信號，最后解調為需要的用戶數據。

1.2 移動基站

如何保證各無線傳輸隧道的有序傳輸？假定每一個RAU的射頻信道頻率值與分配給它的光載波波長一一對應并保持固定。列車越區時，CS控制切換的執行，將數據流需要由舊的RAU頻率調制到新的RAU頻率，并耦合進對應的光載波波長。為了能夠順利完成切換，列車網關天線將持續變頻，這就是傳統的切換方式。考慮到列車由多節車廂組成，會同時存在多個列車網關，CS需同時轉換多路射頻信號，從而降低了系統切換效率。

基于ROF技術的特點，在發生切換的時候，系統可以采用單一的頻率進行射頻輸出，為了區別不同的RAU，可以分配給每個RAU一個專門的光載波波長，列車越區到哪個RAU服務范圍，就將RF調制到對應的光載波上。這樣列車網關天線可以以固定頻率進行通信，無須持續變頻。

隨著全光波長路和光開關技術的發展，CS在切換過程中始終參照列車的位置，完成由舊光載波波長到新光載波波長的調制，完成切換任務。該切換方式屬于硬切換的范疇。為了準確保證切換的準確性，必須精確的預測列車的行程位置，以確保切換決策的實時與準確性。

在現實系統中，列車的速度和行程信息已經收集到列車控制站和站臺，因此可以利用該信息完成基于位置預測的切換，該切換方式比傳統的基于信號強弱的方式更快捷方便。在網絡模型的CS端收集該信息，再結合列車軌道沿線RAU的分布，CS可以根據列車的行程位置判斷切換的發起時機，從而控制切換。該切換判決著眼于網絡層，操作在物理層，相比較網絡層和數據鏈路層的切換，切換時延更短，切換效率更高，完全適合于高速移動下的多媒體實時業務的無損傳輸。且信令控制包急劇減少，不會占用過度的信道資源，從而減輕了系統負擔。因此是高速移動場景下十分適用的切換算法。

3 仿真結果

4 結 語

本文建立了基于ROF技術的移動基站網絡模型，并在此基礎上提出基于位置預測的快速切換算法。經過系統仿真證明，該算法能夠準確預測列車位置，做出準確的硬切換決策，指導光層切換的執行，減小了網絡切換延時。同時證明，基于ROF技術的分布式天線系統，能夠作為未來一種有效的無線接入方法，以服務于鐵路等高速運動的用戶，為它們提供超寬帶的網絡服務。

參考文獻：

[1] 張博.ROF無線接入技術研究[D].北京：北京郵電大學，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：隨著列車時速的不斷加快，現有鐵路通信系統的數據傳輸的可靠性和帶寬方面已無法滿足要求。文章構造了基于ROF技術的無線寬帶接入網絡，提出了基于位置預測的快速切換算法。經OPNET仿真實驗證明，該系統在切換時延和丟包率方面有顯著改善。

關鍵詞：ROF；光層切換；移動基站

中圖分類號：TN925 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）5-0008-02

目前，高速列車均工作在如WI-FI、WIMAX、UMTS等大區制小區下，普遍以信號強度作為網絡切換的判決門限，網絡傳輸能力非常有限。未來的移動通信業務趨向于多媒體交換應用，帶寬需求量增大，將無線載波頻率轉移到射頻微波頻段上可以解決該問題，同時又產生了大量的微小區、微微小區。

當列車快速移動的時候，穿越微微小區，會出現頻繁切換的問題。因此，對網絡切換機制的有效性和效率提出了更高的要求。本文設計了一種工作在微微小區下的寬帶接入網絡模型，即基于ROF技術的移動基站網絡模型并提出了相應的快速切換算法。

1 系統模型

1.1 系統架構

基于光纖無線電（Radio-Over-Fiber，ROF）技術的分布式天線系統（Distribute Antenna System，DAS）被認為是增加無線接入網絡容量的技術之一。此技術將屬于中央處理節點（Centre control station， CS）的多個遠端天線單元（Remote Antenna Unit，RAU）分布設置在整個覆蓋區域，每個天線通過光鏈路與中央處理節點相連，遠端天線單元僅完成信號收發的基本功能，信號處理功能由中央處理節點CS完成，因而具有了擴張系統容量的能力和靈活的組網方式等特點。

本系統采取基于ROF技術的環形結構網絡，由一個中心站（CS）和N個遠端基站（RAU）構成，中心站包括傳輸模塊和接收模塊。該網絡需要將N個RAU以相等的距離架設在鐵路軌道沿線，通過兩根光纖與CS連接，其中一根保證上行鏈路的連接，另一根保證下行鏈路的連接，其結構如圖1所示。

同理，各個RAU上行連路也是將射頻信號轉換成固定波長光信號的過程，具體辦法：天線接收到射頻信號，將其調制到對應波長的光載波上，已調光信號經光纖傳送至CS，由光分路器分配到不同的光接收機，經光電轉換器件還原為射頻信號，最后解調為需要的用戶數據。

1.2 移動基站

如何保證各無線傳輸隧道的有序傳輸？假定每一個RAU的射頻信道頻率值與分配給它的光載波波長一一對應并保持固定。列車越區時，CS控制切換的執行，將數據流需要由舊的RAU頻率調制到新的RAU頻率，并耦合進對應的光載波波長。為了能夠順利完成切換，列車網關天線將持續變頻，這就是傳統的切換方式?？紤]到列車由多節車廂組成，會同時存在多個列車網關，CS需同時轉換多路射頻信號，從而降低了系統切換效率。

基于ROF技術的特點，在發生切換的時候，系統可以采用單一的頻率進行射頻輸出，為了區別不同的RAU，可以分配給每個RAU一個專門的光載波波長，列車越區到哪個RAU服務范圍，就將RF調制到對應的光載波上。這樣列車網關天線可以以固定頻率進行通信，無須持續變頻。

隨著全光波長路和光開關技術的發展，CS在切換過程中始終參照列車的位置，完成由舊光載波波長到新光載波波長的調制，完成切換任務。該切換方式屬于硬切換的范疇。為了準確保證切換的準確性，必須精確的預測列車的行程位置，以確保切換決策的實時與準確性。

在現實系統中，列車的速度和行程信息已經收集到列車控制站和站臺，因此可以利用該信息完成基于位置預測的切換，該切換方式比傳統的基于信號強弱的方式更快捷方便。在網絡模型的CS端收集該信息，再結合列車軌道沿線RAU的分布，CS可以根據列車的行程位置判斷切換的發起時機，從而控制切換。該切換判決著眼于網絡層，操作在物理層，相比較網絡層和數據鏈路層的切換，切換時延更短，切換效率更高，完全適合于高速移動下的多媒體實時業務的無損傳輸。且信令控制包急劇減少，不會占用過度的信道資源，從而減輕了系統負擔。因此是高速移動場景下十分適用的切換算法。

3 仿真結果

4 結 語

本文建立了基于ROF技術的移動基站網絡模型，并在此基礎上提出基于位置預測的快速切換算法。經過系統仿真證明，該算法能夠準確預測列車位置，做出準確的硬切換決策，指導光層切換的執行，減小了網絡切換延時。同時證明，基于ROF技術的分布式天線系統，能夠作為未來一種有效的無線接入方法，以服務于鐵路等高速運動的用戶，為它們提供超寬帶的網絡服務。

參考文獻：

[1] 張博.ROF無線接入技術研究[D].北京：北京郵電大學，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