一种适用于高速列车的动态建链通信模型

周 杰，杜玲禧，宋 晶,3，戚建淮,3

（1.深圳市永达电子信息股份有限公司，广东 深圳 518055；2.成都市以太节点科技有限公司，四川 成都 610207；3.西南交通大学，四川 成都 610031）

0 引言

随着第五代移动通信技术[1-4]的发展，人们对通信质量以及通信速度的要求不断提升。高速列车与地面网络之间的无线连接的通信质量问题已成为研究的热点[5]。传统的列车通信方案使用固定基站，根据预设条件进行切换。为了解决频繁切换导致通话质量下降的问题，国内外学者均对切换技术进行了大量研究。丁元锋[6]提出了移动多协议标签交换（Multi-Protocol Label Switching，MPLS）软切换技术，并试验证明了该技术在高铁环境下可构建车地宽带大通道；徐岩等人[7]提出了一种基于列车运行方向和行驶速度的切换算法，提高了高速条件下切换成功率；尹星等人[8]提出的改进的网络移动性快速主动切换方案（Improved Fast Proactive Handover Scheme for Network Mobility，IF-NEMO）降低了预先切换时延和信令开销；张佳健等人[9]提出了一种位置功率联合判决的越区切换算法；赵越等人[10]提出了基于列车移动方向和位置的目标基站选择方法；陈发堂等人[11]提出了采用延迟切换的方法，来控制终端进行网络切换；Ryu等人[12]提出了基于网络移动性的移动IPv6快速切换方案（Mobile IPv6 fast handovers based on Network Mobility，fNEMO）；Ryu等人[13]提出了一种改进的快速基于移动互联网协议第6版的网络切换方法（Improved Fast and Combining Proxy MIPv6 with Network Mobility，IFPNEMO），数值结果表明该方法具有良好的切换性能；Mahedi Hassan等人[14]提出了基于网络的移动管理协议，提高了吞吐量和视频质量。

上述方法都在一定程度上提高了切换的成功率与通信系统的可靠性，但是不能降低切换的频率，这是因为频繁的切换过程会产生时延并造成报文丢失，影响数据的完整性，限制数据的实时传输[15]。为了解决该问题，本文基于毫米波的传播特性，提出了一种适用于高速列车的动态建链通信模型，通过旋转让列车端与基站保持最大限度的通信连接，减少了基站数量，降低了切换次数。

1 模型建立

建立如图1所示的空间直角坐标系来描述高速移动的列车与基站间通信。其中列车刚进入通信范围时位置为A:(x1,y1,z1)，此时发射端俯仰角、方位角分别记为θ1，ϕ1，基站俯仰角记为θ2，ϕ2；列车进入通信范围一段时间后位置为B:(x2,y2,z2)，此时发射端俯仰角、方位角分别记为θ3，ϕ3，基站俯仰角、方位角分别记为θ4，ϕ4。

图1 高速移动列车与基站间通信

假设列车当前位置A，时间后列车位置B，轨道是光滑的连续曲线，参数方程为：

基站位置Z:(0,0,h1)，可得，。考虑列车的形式速度v=v(t)，A点处的瞬时速度为vA，B点处的瞬时速度为vB，可得AB路径长度：

由积分求弧长同样可求得AB路径长度：

联列式（2）、式（3）可解得k，将k代入曲线方程式（2）后求得x2,y2,z2。由此得到进入通信范围t时刻后列车位置B:(x2,y2,z2)。

列车进入通信范围内后立即向基站传输信号，列车端转动初始化时延为t2，后续机器转动的时延忽略不计，通信链路上传输时延为t3，当前通信链路长度为，其中c=3×108m/s，基站转动初始化时延为t4，后续机器转动时延忽略不计。

2 角度计算

2.1 列车上设备俯仰角

由于列车端设备转动存在初始化时延，即在进入通信范围前t2时间对列车端设备进行初始化，保障列车在刚进入通信范围时与基站连接成功，此时发射端俯仰角为：

列车进入通信范围t1时间后，此时发射端俯仰角为：

2.2 列车上设备方位角

由于在进入通信范围前t2时间对列车端设备进行了初始化，所以当列车刚进入通信范围时发射端方位角为：

声明解释为，“EN+、俄铝和GAZ正在规划企业管理调整，调整规划可能给管控这些被制裁企业造成重大影响。”

列车进入通信范围t1时间后，此时发射端俯仰角为：

2.3 基站俯仰角

由于基站转动存在初始化时延，在第一次接收到列车信号的t4时间前，对基站进行初始化，即在列车进入通信范围后，t3-t4时间开始初始化，t3时间基站第一次接收到列车传来的信号，此时基站俯仰角为：

列车进入通信范围t1时间后发射的信号，在t1+t3时间被基站接收到，此时基站俯仰角为：

2.4 基站方位角

t3时间基站第一次接收到列车传来的信号，此时基站俯仰角为：

在t1+t3时间接收到列车进入通信范围t1时间后发射的信号，此时基站俯仰角为：

3 仿 真

利用MATLAB，考虑不同轨道曲线、列车运行速度，对列车行驶过程中的通信方向变化、列车端与基站的角度变化进行仿真。

图2 匀速行驶的列车与基站间通信方向变化

图3 匀速行驶的列车与基站间通信方向变化

（2）假设列车以速度v1=28 m/s匀速行驶，基站位置分别取(0,0,3)，(0,0,20)，列车上设备俯仰角随时间变化情况如图4所示，方位角随时间变化情况如图5所示。

图4 匀速行驶条件下列车端设备俯仰角变化

图5 匀速行驶条件下列车端设备方位角变化

（3）假设列车以v1=28 m/s速度匀速行驶，基站俯仰角随时间变化情况如图6所示，方位角随时间变化情况如图7所示。

图6 匀速行驶条件下基站俯仰角变化

图7 匀速行驶条件下基站方位角变化

（4）假设列车刚进入基站通信范围时瞬时速度为v1=28 m/s，加速度为a1=0.2 m/s2，匀变速运动下列车上设备俯仰角随时间变化情况如图8所示，方角随时间变化情况如图9所示。

图8 匀变速行驶条件下列车端设备俯仰角变化

图9 匀变速行驶条件下列车端设备方位角变化

（5）假设列车刚进入基站通信范围时瞬时速度为v1=1 m/s，加速度为，匀变速运动下基站俯仰角随时间变化情况如图10所示，方位角随时间变化情况如图11所示。

图10 匀变速行驶条件下基站俯仰角变化

图11 匀变速行驶条件下基站方位角变化

通过上述仿真图像可以看出，本文设计的模型能实时模拟不同参数下的列车端、基站端毫米波设备角度变化情况，能在毫米波设备实际搭建前通过模型进行模拟调试设计合理的方案，为方案提供理论依据。

4 结语

当前高速列车通信难以满足列车控制、调度以及旅客通信的需求。为了改善上述问题，本文提出了一种适用于高速移动列车通信的基站模型，通过控制列车端与基站的各自旋转角度，让列车与同个基站保持最大范围的数据通信，减少了设备投入及切换次数，进一步降低了由于频繁切换带来的不可测的时延问题，保障了数据的完整性与实时传输。考虑不同运行速度、运行轨道、基站高度的影响，利用MATLAB对通信方向、旋转角度进行了仿真。本文为高速移动通信下的毫米波传输提供了新思路，提高了实时传输的可能性。