基于通信仿真的手機(jī)切換擾動(dòng)對(duì)車(chē)速誤差影響

楊 飛，夏 軍，崔亞平

（1.西南交通大學(xué) 交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川 成都610031；2.西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都610031）

基于手機(jī)切換信息的交通數(shù)據(jù)采集技術(shù)核心思想是利用車(chē)載手機(jī)的連續(xù)切換變化信息獲取交通數(shù)據(jù)，探測(cè)交通運(yùn)行狀態(tài)，盡管該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)有一些實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)，例如英國(guó)ITIS公司［1］、美國(guó)Airsage公司［2］，但在學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域針對(duì)相關(guān)理論問(wèn)題的研究還較少.該項(xiàng)技術(shù)屬于移動(dòng)通信領(lǐng)域中切換控制理論與交通工程領(lǐng)域中數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的交叉研究問(wèn)題，兩者的關(guān)注重點(diǎn)有所不同，切換控制理論的已有研究大多集中在確保通話連續(xù)性、降低掉話率［3］等方面，而對(duì)切換位置擾動(dòng)的規(guī)律特性缺乏更深入的定量分析.但將手機(jī)切換應(yīng)用于交通數(shù)據(jù)采集，切換位置擾動(dòng)對(duì)采樣行程車(chē)速的誤差有明顯影響，這直接關(guān)系到采樣車(chē)速的精度，但目前對(duì)這個(gè)問(wèn)題交叉點(diǎn)的相關(guān)研究還不多.本文以通信仿真試驗(yàn)為研究手段，建立試驗(yàn)場(chǎng)景，通過(guò)擬合切換位置擾動(dòng)仿真試驗(yàn)結(jié)果定量分析擾動(dòng)規(guī)律，計(jì)算切換路段行程車(chē)速與仿真設(shè)定的真實(shí)車(chē)速進(jìn)行誤差分析，定量判定切換擾動(dòng)對(duì)采樣車(chē)速誤差的影響程度.

1 利用手機(jī)切換定位的行程車(chē)速采樣技術(shù)原理

切換是指當(dāng)前正在通話的手機(jī)由于當(dāng)前基站接收的信號(hào)強(qiáng)度逐漸下降而將手機(jī)移動(dòng)臺(tái)與基站之間的通信鏈路從當(dāng)前基站轉(zhuǎn)移到另一個(gè)信號(hào)強(qiáng)度較高的目標(biāo)基站的過(guò)程［4］.利用手機(jī)切換定位進(jìn)行行程車(chē)速采集的技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟主要包含切換路網(wǎng)標(biāo)定和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)切換數(shù)據(jù)獲取2個(gè)環(huán)節(jié).切換路網(wǎng)標(biāo)定是指通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)路測(cè)設(shè)備（切換監(jiān)測(cè)軟件和全球定位系統(tǒng)接收器）記錄道路沿途的切換位置坐標(biāo)和切換序列標(biāo)識(shí)，將道路劃分為若干切換路段，其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)樣例如表1所示.切換路網(wǎng)標(biāo)定類(lèi)似于在道路上安裝“虛擬路標(biāo)”，每當(dāng)車(chē)載手機(jī)在路標(biāo)處發(fā)生切換就會(huì)報(bào)告給移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，從其“A”通信接口處解析移動(dòng)信令，則可以獲取該手機(jī)發(fā)生切換的基站小區(qū)序列標(biāo)識(shí)和相應(yīng)的切換時(shí)刻，但無(wú)法獲取切換的位置坐標(biāo)，其數(shù)據(jù)樣例如表2所示，其中手機(jī)編號(hào)出于保護(hù)隱私的目的進(jìn)行加密處理成一組字母代碼.利用切換路網(wǎng)標(biāo)定得到的切換路段長(zhǎng)度和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)獲取到的對(duì)應(yīng)切換時(shí)間差，即可計(jì)算出該手機(jī)樣本的采樣行程車(chē)速.

表1 切換路網(wǎng)標(biāo)定中移動(dòng)通信路測(cè)數(shù)據(jù)樣例Tab.1 Mobile communication data examples of handover link calibration

表2 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中7號(hào)信令解析得到的切換數(shù)據(jù)樣例Tab.2 The data examples from SS7in mobile communication network

2 切換擾動(dòng)及其對(duì)采樣行程車(chē)速誤差的影響機(jī)理

判斷切換的指標(biāo)是手機(jī)移動(dòng)臺(tái)接收到的基站信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)，當(dāng)新基站的信號(hào)強(qiáng)度優(yōu)于當(dāng)前基站則會(huì)觸發(fā)切換.由于受到外界環(huán)境影響和通信網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的不同，切換位置呈現(xiàn)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的特征.其原因主要有：①外界環(huán)境因素，即由于多徑效應(yīng)、陰影效應(yīng)影響引起手機(jī)信號(hào)強(qiáng)度的波動(dòng)［5］，如圖1所示，城市中心區(qū)由于高樓密集、信號(hào)傳輸?shù)恼凵浞瓷漭^多，多徑效應(yīng)引起的波動(dòng)較城市郊區(qū)強(qiáng)烈；②移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)參數(shù)方面，例如不同切換判定準(zhǔn)則和基站小區(qū)半徑對(duì)切換擾動(dòng)有直接影響.

圖1 多徑效應(yīng)、陰影效應(yīng)和路徑損耗對(duì)切換位置擾動(dòng)的影響Fig.1 The impact of multipath effect，shadow effect and path loss on the handover location flunctuation

根據(jù)切換控制理論，典型切換準(zhǔn)則有2種［6］：①相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度準(zhǔn)則，即在任何時(shí)間都選擇具有最強(qiáng)接收信號(hào)的基站，這種準(zhǔn)則的缺點(diǎn)是在原基站的信號(hào)強(qiáng)度仍滿(mǎn)足要求的情況下，會(huì)引發(fā)較多不必要的越區(qū)切換，切換位置為圖2中的A點(diǎn)；②具有滯后余量的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度準(zhǔn)則，即僅允許移動(dòng)用戶(hù)在新基站的信號(hào)強(qiáng)度比原基站信號(hào)強(qiáng)度強(qiáng)很多的情況下越區(qū)切換，即大于滯后余量（圖2中用h表示），該準(zhǔn)則可以有效防止由于信號(hào)波動(dòng)引起的手機(jī)移動(dòng)臺(tái)在2個(gè)基站之間不必要的來(lái)回重復(fù)切換，如“兵乓切換”，切換位置如圖2中的C點(diǎn).

圖2 不同切換準(zhǔn)則下的切換位置變化［6］Fig.2 Handover location variation under different control rules

切換擾動(dòng)對(duì)行程車(chē)速采樣帶來(lái)誤差，如圖3所示，位置C和D為通過(guò)實(shí)地切換測(cè)試標(biāo)定的切換位置，這是通過(guò)多次路側(cè)得到的平均位置，LCD為標(biāo)定的切換路段長(zhǎng)度.在通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)獲取手機(jī)樣本數(shù)據(jù)時(shí)，在時(shí)刻tA和tB實(shí)際發(fā)生切換的真實(shí)位置分別為A和B，Δth為手機(jī)樣本切換時(shí)間差，這兩處切換的誤差分別為EA和EB，定義與手機(jī)移動(dòng)方向一致的偏移為正向，反之為負(fù)，則切換路段長(zhǎng)度LCD與手機(jī)樣本的真實(shí)切換長(zhǎng)度LAB之間的誤差λ為｜EA－EB｜，相應(yīng)的采樣車(chē)速誤差θ為

圖3 切換道路標(biāo)定位置與真實(shí)切換發(fā)生位置的誤差關(guān)系Fig.3 Error relationship between the calibrated and real handover location

3 通信仿真試驗(yàn)思路和車(chē)速誤差分析方法

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

實(shí)際中移動(dòng)通信切換路測(cè)工作費(fèi)時(shí)長(zhǎng)且成本較高，難以完全依賴(lài)這樣的切換數(shù)據(jù)獲取方式開(kāi)展研究.通過(guò)通信仿真手段可以反復(fù)進(jìn)行多次試驗(yàn)，彌補(bǔ)路測(cè)方式的不足，還能夠定量分析影響切換擾動(dòng)的因素對(duì)行程車(chē)速的誤差影響.本文重點(diǎn)針對(duì)通信基站類(lèi)型和切換準(zhǔn)則影響切換擾動(dòng)的因素進(jìn)行通信仿真研究，這2種因素屬于通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)參數(shù)，相對(duì)于外界環(huán)境因素便于控制.

3.2 通信仿真試驗(yàn)思路與車(chē)速誤差分析方法

圖4 切換擾動(dòng)對(duì)采樣車(chē)速誤差影響的通信仿真試驗(yàn)思路Fig.4 Mobile communication simulation experiment of influence of handover fluctuation on link travel speed error

通信仿真試驗(yàn)思路如圖4 所示，主要包括2 個(gè)試驗(yàn)?zāi)K，即通信仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取模塊和仿真試驗(yàn)結(jié)果誤差分析模塊.具體步驟為：①按照實(shí)際環(huán)境特征配置移動(dòng)通信參數(shù)，建立仿真試驗(yàn)場(chǎng)景；②運(yùn)用Matlab軟件實(shí)現(xiàn)切換路測(cè)仿真過(guò)程，設(shè)定車(chē)載手機(jī)沿道路行駛，記錄沿途發(fā)生切換位置的坐標(biāo)，這與實(shí)際移動(dòng)通信切換路測(cè)過(guò)程類(lèi)似，反復(fù)進(jìn)行多次試驗(yàn)擬合切換位置的概率分布函數(shù)，計(jì)算各個(gè)平均切換位置坐標(biāo)和連續(xù)切換位置間的切換路段長(zhǎng)度；③運(yùn)用Matlab軟件進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)仿真過(guò)程獲取手機(jī)切換樣本數(shù)據(jù)，包括切換小區(qū)序列和相應(yīng)的切換時(shí)刻，仿真實(shí)現(xiàn)方式為車(chē)載手機(jī)用戶(hù)沿仿真道路勻速移動(dòng)時(shí)，連續(xù)記錄一定采樣間隔下的信號(hào)強(qiáng)度，結(jié)合切換準(zhǔn)則判定是否切換；④利用通信網(wǎng)絡(luò)仿真得到的手機(jī)樣本切換時(shí)間差和切換路測(cè)仿真得到的切換路段長(zhǎng)度計(jì)算得到切換路段采樣行程車(chē)速；⑤反復(fù)進(jìn)行多次試驗(yàn)得到多組切換路段行程車(chē)速，與仿真場(chǎng)景事先設(shè)定的已知真實(shí)移動(dòng)車(chē)速進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算車(chē)速誤差并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析處理，判定誤差分布特征.

4 通信仿真場(chǎng)景參數(shù)說(shuō)明與仿真試驗(yàn)結(jié)果

4.1 通信仿真場(chǎng)景參數(shù)說(shuō)明

通信仿真基站小區(qū)拓?fù)淙鐖D5 所示，直線部分為道路，3個(gè)通信基站小區(qū)由左至右編號(hào)分別記為1，2，3，設(shè)定車(chē)載手機(jī)勻速?gòu)幕?的中心位置運(yùn)動(dòng)到基站3的中心位置，記錄每個(gè)采樣點(diǎn)位置的服務(wù)基站編號(hào)，根據(jù)其信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)切換準(zhǔn)則判斷是否發(fā)生切換，進(jìn)行500次重復(fù)試驗(yàn).通信小區(qū)所使用的頻率復(fù)用因子為1／3（小區(qū)簇的大小為3），各個(gè)小區(qū)的基站位于正六邊形的中心位置，基站和用戶(hù)均使用單發(fā)單收全向天線進(jìn)行通信.設(shè)置2種基站類(lèi)型，宏基站、微基站，用以分析在宏基站為主的城市郊區(qū)和微基站較多的城市中心區(qū)環(huán)境中仿真對(duì)比分析.基站、用戶(hù)間傳輸信號(hào)的衰落主要由3部分組成，即路徑損耗、快衰落、慢衰落.快衰落主要是指多徑傳播引起的衰落，一般認(rèn)為可以在對(duì)信號(hào)進(jìn)行平均時(shí)消除掉［7］，因此，在仿真中只考慮路徑損耗和陰影衰落的影響.

圖5 通信仿真基站小區(qū)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.5 Simulation network topological structure and cell number

通信仿真中所用到的主要系統(tǒng)參數(shù)如表3所示［8］.

表3 移動(dòng)通信仿真相關(guān)參數(shù)設(shè)置情況Tab.3 Configuration of wireless communication simulation parameters value

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 宏基站布局下仿真試驗(yàn)結(jié)果

在宏基站布局下，設(shè)定手機(jī)用戶(hù)以60km·h－1勻速行駛.圖6為2種不同切換準(zhǔn)則下切換位置的概率分布圖，通過(guò)擬合發(fā)現(xiàn)其服從正態(tài)分布，2種切換準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)的切換位置期望、方差有所不同.在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，由于道路為平行于x軸的直線道路，因此y軸方向不用考慮，只考慮x軸方向上切換位置的分布情況.在相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度準(zhǔn)則下，用戶(hù)x軸方向上分布為X～N（172.54，242.197 12），具有滯后余量的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度準(zhǔn)則下的切換位置概率分布函數(shù)為X～N（1 738.5，197.490 82）.

根據(jù)切換位置擬合分布結(jié)果確定平均切換路段長(zhǎng)度La，其為連續(xù)2次切換平均位置間的距離；設(shè)定采樣手機(jī)以速度V沿測(cè)試道路勻速行駛，反復(fù)進(jìn)行500次通信網(wǎng)絡(luò)仿真試驗(yàn)獲取采樣樣本集合，記錄各次仿真過(guò)程中手機(jī)樣本切換時(shí)間戳tni，tnj，仿真行程車(chē)速計(jì)算方法為

式中：Vn為仿真試驗(yàn)計(jì)算行程車(chē)速；n為試驗(yàn)次數(shù)，n＝1，2，…，500；E（Nj），E（Ni）分別為第j次和第i次手機(jī)切換的平均位置；tnj，tni分別為第j次和第i次手機(jī)切換的時(shí)間戳；La為平均切換路段長(zhǎng)度；Δtn為手機(jī)采樣樣本連續(xù)2次切換時(shí)間差.

宏基站情況下不同切換準(zhǔn)則通信仿真試驗(yàn)的切換路段行程車(chē)速計(jì)算結(jié)果如圖7所示.

圖6 宏基站通信仿真中2種切換準(zhǔn)則下切換位置概率分布Fig.6 The handover probability under two kinds of control rules in Macro－cell simulation

圖7 宏基站通信仿真中兩種切換準(zhǔn)則下的切換路段行程車(chē)速采樣結(jié)果Fig.7 The handover link travel speed under two kinds of control rules in Macro－cell simulation

4.2.2 微基站布局下仿真試驗(yàn)結(jié)果

在微基站布局下，設(shè)定手機(jī)用戶(hù)以30km·h－1勻速行駛，其仿真結(jié)果與宏基站情況相似.圖8為2種不同切換準(zhǔn)則下切換位置的概率分布圖.相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度切換準(zhǔn)則下，用戶(hù)x軸方向切換位置概率分布為X～N（578.916 1，97.582），具有滯后余量的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度切換準(zhǔn)則下切換位置概率分布為X～N（586.072 3，78.562 32）.

同理，根據(jù)式（2）的計(jì)算方法，微基站情況下不同切換準(zhǔn)則通信仿真試驗(yàn)的切換路段行程車(chē)速計(jì)算結(jié)果如圖9所示.

圖8 微基站通信仿真中2種切換準(zhǔn)則下切換位置概率分布Fig.8 The handover probability under two kinds of control rules in Micro－cell

圖9 微基站通信仿真中兩種切換準(zhǔn)則下的切換路段行程車(chē)速采樣結(jié)果Fig.9 The handover link travel speed under two kinds of control rules in Micro－cell simulation

4.2.3 采樣車(chē)速采樣誤差特征分析

宏基站、微基站情況下2 種不同準(zhǔn)則的行程車(chē)速誤差仿真試驗(yàn)結(jié)果分別如圖10和11所示，采用相對(duì)誤差指標(biāo)進(jìn)行定量分析.

根據(jù)車(chē)速誤差通信仿真結(jié)果，各種情況下車(chē)速誤差精度指標(biāo)總結(jié)見(jiàn)表4.從表4可以看出：①總體上，切換擾動(dòng)對(duì)采樣車(chē)速誤差的影響控制在20%以?xún)?nèi)的概率能夠達(dá)到0.7以上，最高可以達(dá)到0.95，這在交通數(shù)據(jù)采集上屬于可接受的范圍內(nèi).②若采用相同切換控制準(zhǔn)則，移動(dòng)通信小區(qū)采用微基站布局下的誤差精度優(yōu)于宏基站，例如按照具有滯后余量的相對(duì)信號(hào)強(qiáng)度切換控制準(zhǔn)則，微基站布局下手機(jī)仿真樣本誤差能夠在5%精度范圍內(nèi)的概率為0.412，而宏基站僅為0.272，較微基站低0.112.這是由于宏基站小區(qū)覆蓋半徑較大，通常在1 km 以上，切換位置波動(dòng)范圍較大，因此，切換擾動(dòng)對(duì)車(chē)速誤差的影響程度較高，而微基站的覆蓋半徑一般在300～500 m，其影響程度較小.這也表明在城市郊區(qū)宏基站布局較多的移動(dòng)通信環(huán)境中，切換擾動(dòng)對(duì)利用手機(jī)切換定位得到的采樣車(chē)速誤差影響較大，對(duì)城市中心區(qū)影響相對(duì)較小.③對(duì)于相同基站類(lèi)型，具有滯后余量的相對(duì)信號(hào)切換控制準(zhǔn)則對(duì)車(chē)速誤差影響較小，最佳結(jié)果是在微基站布局下采樣樣本的誤差精度控制在20%內(nèi)的概率為0.95，這表明對(duì)于采用具有滯后余量的相對(duì)信號(hào)切換控制準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，手機(jī)切換采樣車(chē)速與真實(shí)車(chē)速的誤差較小，采樣數(shù)據(jù)質(zhì)量精度較高.

表4 不同通信仿真情境下相對(duì)誤差精度小于特定標(biāo)準(zhǔn)的概率Tab.4 Probability of speed accuracy which is lower than the specified standard under different mobilecom munication simulation scenarios

圖10 宏基站通信仿真2種切換準(zhǔn)則下的車(chē)速誤差結(jié)果Fig.10 The relative error under two kinds of control rules in Macro－cell

圖11 微基站通信仿真兩種切換準(zhǔn)則下的車(chē)速誤差結(jié)果Fig.11 The relative error under two kinds of control rules in Micro－cell simulation

5 結(jié)論

本文運(yùn)用Matlab軟件工具實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信仿真，考慮基站布局類(lèi)型和切換控制準(zhǔn)則2項(xiàng)因素，通過(guò)仿真試驗(yàn)分析手機(jī)切換擾動(dòng)對(duì)采樣車(chē)速的誤差影響.試驗(yàn)結(jié)果顯示，微基站布局下切換擾動(dòng)對(duì)采樣車(chē)速誤差的影響比宏基站小，采用相同的切換準(zhǔn)則和相同的誤差精度標(biāo)準(zhǔn)情況下，微基站仿真誤差概率結(jié)果較宏基站高出0.11～0.20.這也表明，在微基站布局較多的城市郊區(qū)移動(dòng)通信環(huán)境中，切換擾動(dòng)對(duì)利用手機(jī)切換定位技術(shù)得到的采樣車(chē)速誤差影響較小.對(duì)于相同基站類(lèi)型，采用具有滯后余量的相對(duì)信號(hào)切換控制準(zhǔn)則對(duì)采樣車(chē)速誤差的影響較小，獲取的采樣車(chē)速數(shù)據(jù)精度較高.最好的結(jié)果是采樣樣本誤差控制在20%以?xún)?nèi)的概率達(dá)到0.95.

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