基于TD-LTE的城市軌道交通車地通信系統(tǒng)越區(qū)切換算法

王曉軒，唐　濤，蔣海林，舒曉萌

(1.北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100044；2.北京交通大學(xué) 軌道交通運(yùn)行控制系統(tǒng)國(guó)家工程研究中心，北京　100044)

目前，城市軌道交通普遍使用WLAN (Wireless Local Area Network，無(wú)線局域網(wǎng))實(shí)現(xiàn)車地雙向通信，但隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，WLAN已經(jīng)無(wú)法有效滿足不斷增長(zhǎng)的行車密度和嚴(yán)格的公共安全技術(shù)條件對(duì)于更高通信質(zhì)量的要求。LTE (Long Term Evolution，長(zhǎng)期演進(jìn))技術(shù)是新一代無(wú)線寬帶通信技術(shù)，分為TD-LTE (Time Division Duplexing-Long Term Evolution，時(shí)分雙工-長(zhǎng)期演進(jìn))和LTE-FDD (Long Term Evolution-Frequency Division Duplexing，長(zhǎng)期演進(jìn)-頻分雙工)。其中TD-LTE具有如下優(yōu)點(diǎn)：頻譜利用率高，配置靈活；在20 MHz頻譜帶寬下能夠提供下行50 Mbit·s-1，上行25 Mbit·s-1的峰值速率；理論上支持在最高350 km·h-1列車運(yùn)行速度下進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)通信；用戶平面單向傳輸時(shí)延小于5 ms，控制平面從睡眠狀態(tài)到激活狀態(tài)遷移時(shí)間低于50 ms，從駐留狀態(tài)到激活狀態(tài)的遷移時(shí)間小于100 ms[1]。因此TD-LTE技術(shù)已經(jīng)被各大電信運(yùn)營(yíng)商成功商用，并且已經(jīng)在城市軌道交通中進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試，使其未來(lái)應(yīng)用于城市軌道交通成為可能。

在用于城市軌道交通的TD-LTE系統(tǒng)中，隨著列車的運(yùn)行，TAU(Terminal Access Unit，車載數(shù)據(jù)終端)從一個(gè)服務(wù)小區(qū)成功切換[2]到另一個(gè)小區(qū)的基礎(chǔ)是合適的越區(qū)切換算法，若越區(qū)切換算法選取不恰當(dāng)，則有可能產(chǎn)生乒乓切換，甚至切換失敗等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使車載通信單元與基站之間均接收不到對(duì)方的信息，從而可能導(dǎo)致列車緊急制動(dòng)等。

針對(duì)TD-LTE系統(tǒng)的越區(qū)切換問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了許多相關(guān)研究，文獻(xiàn)[3]提出了新的認(rèn)證協(xié)議，提高了TD-LTE越區(qū)切換時(shí)的安全性；文獻(xiàn)[4]采用連接接納控制決策，以保證對(duì)小區(qū)服務(wù)質(zhì)量的控制，解決越區(qū)切換時(shí)延的問(wèn)題；文獻(xiàn)[5]提出了1種基于RSRP (Reference Signal Receiving Power，參考信號(hào)接收功率)測(cè)量的自適應(yīng)算法。但是這些研究大多數(shù)針對(duì)在公網(wǎng)中運(yùn)行的TD-LTE系統(tǒng)。在TD-LTE系統(tǒng)應(yīng)用于鐵路方面：文獻(xiàn)[6]針對(duì)LTE系統(tǒng)在高速鐵路的應(yīng)用，提出了1種基于協(xié)同多點(diǎn)傳輸?shù)脑絽^(qū)切換算法；文獻(xiàn)[7]則以高速鐵路環(huán)境為基礎(chǔ)，對(duì)包括LTE在內(nèi)的現(xiàn)有車地通信方式的越區(qū)切換方案及算法進(jìn)行了較為完整的綜述。不過(guò)卻少有文獻(xiàn)對(duì)基于TD-LTE的城市軌道交通通信系統(tǒng)越區(qū)切換進(jìn)行研究。

城市軌道交通車地通信系統(tǒng)的工作環(huán)境有其自身的特殊性，主要表現(xiàn)在2.4 GHz頻段內(nèi)固有的同頻干擾對(duì)車地通信性能的影響；列車的高速運(yùn)行引起的多徑效應(yīng)與陰影衰落對(duì)車地通信性能的影響。因此，本文基于TD-LTE的城市軌道交通車地通信系統(tǒng)的特點(diǎn)和城區(qū)的信道特性，以3GPP TS 23.401協(xié)議中基于覆蓋的同頻小區(qū)越區(qū)切換判決公式為基礎(chǔ)，應(yīng)用短序列灰色預(yù)測(cè)模型[8-9]對(duì)車載數(shù)據(jù)終端接收到的不考慮任何偏置的目標(biāo)小區(qū)、服務(wù)小區(qū)的RSRP值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再引入雙設(shè)備冗余通信模式，提出基于短序列灰色預(yù)測(cè)模型的雙設(shè)備越區(qū)切換算法；對(duì)采用該算法的車地通信系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室仿真測(cè)試，并且與采用既有越區(qū)切換算法、濾波算法的通信系統(tǒng)的相同條件下的實(shí)驗(yàn)室仿真測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證該算法的合理性和有效性。

1　應(yīng)用于城市軌道交通的TD-LTE系統(tǒng)

1.1　車地通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

如圖1所示，基于TD-LTE的城市軌道交通車地通信系統(tǒng)包括車載子系統(tǒng)、地面子系統(tǒng)和核心網(wǎng)3個(gè)部分。車載子系統(tǒng)主要包括TAU系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、閉路電視系統(tǒng)。TAU系統(tǒng)用于提供車輛的數(shù)據(jù)接入，放置在列車司機(jī)室；乘客信息系統(tǒng)用于地鐵公司與乘客之間的信息交互，乘客信息系統(tǒng)的屏幕放置在列車車廂；閉路電視系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)控列車車廂的狀況，閉路電視的攝像頭放置在列車車廂。地面子系統(tǒng)包括BBU (Building Base band Unit，基帶處理單元)和RRU (Radio Remote Unit，射頻拉遠(yuǎn)單元)；BBU主要用于完成基帶信號(hào)的處理，通常由信號(hào)處理單元、傳輸模板和電源組組成，放置在車站機(jī)房；RRU沿軌道通過(guò)漏泄電纜或天線實(shí)現(xiàn)對(duì)線路的覆蓋，以固定間隔放置在軌旁。核心網(wǎng)向上為業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供TD-LTE的數(shù)據(jù)交換和集群調(diào)度功能，向下管理基站，并允許終端鑒權(quán)接入，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)和多媒體集群通信，核心網(wǎng)的設(shè)備放置在軌道交通的線網(wǎng)或線路控制中心。

圖1　基于TD-LTE的城市軌道交通車地通信系統(tǒng)

從圖1中可以看出，每個(gè)RRU覆蓋的范圍是有限的。當(dāng)列車從1個(gè)RRU的覆蓋區(qū)域運(yùn)行到另1個(gè)RRU覆蓋區(qū)域時(shí)，為了保障車地通信質(zhì)量，TAU便會(huì)進(jìn)行越區(qū)切換操作。

1.2　TD-LTE既有的越區(qū)切換算法

在3GPP TS 23.401協(xié)議中，TD-LTE定義的與越區(qū)切換相關(guān)的事件共有7個(gè)，其中的5個(gè)用于表示系統(tǒng)內(nèi)越區(qū)切換，用A1—A5事件表示，2個(gè)用于系統(tǒng)外越區(qū)切換，用B1—B2事件表示，其中A3事件是用于基于覆蓋的同頻小區(qū)越區(qū)切換判決的主要事件。觸發(fā)A3事件的判決公式為

Mn+Ofn+Ocn-Hys>Mp+Ofp+Ocp+Off

(1)

式中：Mn和Mp分別為TAU接收到的不考慮任何偏置的目標(biāo)小區(qū)、服務(wù)小區(qū)的RSRP值；Ofn和Ofp分別為目標(biāo)小區(qū)、服務(wù)小區(qū)的頻率特定偏置；Ocn和Ocp分別為目標(biāo)小區(qū)、服務(wù)小區(qū)的特定偏置；Hys為A3事件的遲滯參數(shù)；Off為A3事件的偏置參數(shù)。

因?yàn)榛赥D-LTE的城市軌道交通車地通信系統(tǒng)為同頻越區(qū)切換，所以O(shè)fn與Ofp均為0，且各通信小區(qū)的優(yōu)先級(jí)均相同，則Ocn與Ocp也均為0[10]。因此，式(1)可簡(jiǎn)化為

Mn-Hys>Mp+Off

(2)

2　基于短序列灰色預(yù)測(cè)模型的雙設(shè)備越區(qū)切換算法

城市中2.4 GHz頻段內(nèi)固有的同頻干擾，以及列車運(yùn)行速度較高時(shí)的多徑效應(yīng)與陰影衰落均會(huì)嚴(yán)重影響Mn和Mp的值，而式(2)中的參數(shù)Hys和Off不能很好地消除這些影響。因此，采用式(2)并不能做出準(zhǔn)確的越區(qū)切換判決，從而造成乒乓切換。為此，本文提出1種基于短序列灰色預(yù)測(cè)模型的雙設(shè)備越區(qū)切換算法，對(duì)接收到的Mn和Mp進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，去除2.4 GHz頻段內(nèi)固有的同頻干擾、多徑效應(yīng)及陰影衰落對(duì)RSRP接收值的影響，從而得到當(dāng)前準(zhǔn)確的Mn和Mp。

2.1　短序列灰色預(yù)測(cè)模型及其數(shù)據(jù)處理步驟

在傳統(tǒng)灰色預(yù)測(cè)理論中[11]，當(dāng)預(yù)測(cè)某一時(shí)刻的值時(shí)，往往采用該時(shí)刻之前收集到的全部數(shù)值作為模型的輸入，而城市軌道交通對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求較高，使用超長(zhǎng)數(shù)列進(jìn)行預(yù)測(cè)，不僅增加了運(yùn)算復(fù)雜度，還需要為大量數(shù)據(jù)分配存儲(chǔ)空間，使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性降低；另外，列車高速行駛時(shí)，在一個(gè)小區(qū)內(nèi)的駐留時(shí)間比較短，而采用長(zhǎng)序列必然會(huì)用到前一個(gè)小區(qū)的RSRP數(shù)據(jù)，但該數(shù)據(jù)對(duì)本次預(yù)測(cè)并無(wú)意義。因此，本文根據(jù)城市軌道交通車地通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出只有4個(gè)元素的短序列灰色預(yù)測(cè)模型，即以當(dāng)前時(shí)刻為準(zhǔn)，選取當(dāng)前時(shí)刻以前4個(gè)時(shí)刻的Mn和Mp值作為預(yù)測(cè)序列值，建立GM(Grey Model，灰色預(yù)測(cè)模型)，預(yù)測(cè)得到其當(dāng)前時(shí)刻的值。

為了驗(yàn)證取這4個(gè)數(shù)據(jù)的合理性，分別以5，100和1 000個(gè)元素的隨機(jī)遞增序列作為原始序列，進(jìn)行灰色預(yù)測(cè)仿真，結(jié)果如圖2所示，其中橫坐標(biāo)為原始序列元素的個(gè)數(shù)，縱坐標(biāo)為該時(shí)刻原始序列與預(yù)測(cè)序列的值。由圖2可以看出，原始序列取不同元素個(gè)數(shù)時(shí)預(yù)測(cè)值與原始值均基本吻合。因此，采用4個(gè)元素的短序列灰色預(yù)測(cè)模型可以得到較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)值。

圖2　基于不同元素個(gè)數(shù)的預(yù)測(cè)序列與原始序列值的比較

采用短序列灰色預(yù)測(cè)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到當(dāng)前Mn和Mp準(zhǔn)確值的具體步驟如下。

步驟1：因Mn和Mp值均在-40～-90 dBm之間，所以將其值取絕對(duì)值。

步驟2：分別取t-4Δt，t-3Δt，t-2Δt，t-Δt這4個(gè)時(shí)刻Mp的值組成短序列S1={S1，t-4Δt，S1，t-3Δt，S1，t-2Δt，S1，t-Δt}， 以及Mn的值組成短序列S2={S2，t-4Δt，S2，t-3Δt，S2，t-2Δt，S2，t-Δt}。

步驟3：利用短序列S1建立灰色預(yù)測(cè)模型GM1(1，1)，通過(guò)進(jìn)行5次循環(huán)預(yù)測(cè)，得出新序列S1，pre={S1，pre1，S1，pre2，S1，pre3，S1，pre4，S1，pre5}； 同樣的， 利用短序列S2建立灰色預(yù)測(cè)模型GM2(1，1)，通過(guò)5次循環(huán)預(yù)測(cè)，得出新序列S2，pre={S2，pre1，S2，pre2，S2，pre3，S2，pre4，S2，pre5}。

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

2.2　雙設(shè)備越區(qū)切換模式

雙設(shè)備越區(qū)切換模式[12]即為在列車上安裝2套頻點(diǎn)相同的通信設(shè)備，分別安裝在列車的頭部和尾部(簡(jiǎn)稱車頭設(shè)備、車尾設(shè)備)。當(dāng)列車在服務(wù)小區(qū)內(nèi)正常運(yùn)行時(shí)，2套通信設(shè)備均會(huì)與服務(wù)小區(qū)的基站進(jìn)行通信，此時(shí)，TAU會(huì)選取接收到RSRP值較高的設(shè)備與地面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

隨著列車的繼續(xù)前行，車頭會(huì)先進(jìn)入2個(gè)RRU小區(qū)覆蓋重疊的區(qū)域，此時(shí)，車頭設(shè)備會(huì)進(jìn)行切換判決，若判決成功，則切換至目標(biāo)小區(qū)，此時(shí)車尾設(shè)備依然與服務(wù)小區(qū)進(jìn)行通信；列車將同時(shí)收到當(dāng)前服務(wù)小區(qū)和目標(biāo)小區(qū)傳送來(lái)的地面信號(hào)，為此，列車會(huì)比較接收到的二者的RSRP值，選取RSRP值較高的小區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)然，與RSRP值較小的小區(qū)的連接也不會(huì)斷開(kāi)。

車頭設(shè)備在切換成功后，會(huì)通知車尾設(shè)備開(kāi)始進(jìn)行切換判決。這時(shí)，車尾設(shè)備只對(duì)目標(biāo)小區(qū)進(jìn)行RSRP質(zhì)量檢測(cè)，并且適當(dāng)降低切換的門限值，當(dāng)車頭設(shè)備切換成功并且車尾設(shè)備檢測(cè)到的目標(biāo)小區(qū)RSRP質(zhì)量滿足該門限值后，車尾設(shè)備進(jìn)行切換。待車尾設(shè)備也切換至目標(biāo)小區(qū)后，本次越區(qū)切換成功。

如果車頭設(shè)備第1次切換失敗，車頭設(shè)備會(huì)自動(dòng)上傳新的測(cè)量報(bào)告，并準(zhǔn)備進(jìn)行第2次切換；同時(shí)，車頭設(shè)備也會(huì)發(fā)送指令，要求車尾設(shè)備開(kāi)始進(jìn)行切換判決，此時(shí)，車尾設(shè)備依然按照原有的門限值進(jìn)行判決。若車尾設(shè)備成功切換，則車頭設(shè)備便不再進(jìn)行切換判決，而是立即進(jìn)行切換，待車頭設(shè)備也切換至目標(biāo)小區(qū)后，本次越區(qū)切換成功。

若車尾設(shè)備此次切換也失敗了，車頭設(shè)備便會(huì)適當(dāng)降低切換的門限值，開(kāi)始進(jìn)行第2次切換判決，若車頭設(shè)備此次切換成功，則車尾設(shè)備不進(jìn)行切換判決，立即進(jìn)行切換，待車尾設(shè)備也切換至目標(biāo)小區(qū)后，本次越區(qū)切換成功。

若車頭設(shè)備第2次切換又失敗了，此時(shí)列車與地面處于長(zhǎng)時(shí)間通信中斷狀態(tài)，車地之間的通信時(shí)延過(guò)大，便會(huì)觸發(fā)緊急制動(dòng)等措施[13]。

在雙設(shè)備越區(qū)切換模式中，切換判決均采用基于短灰色預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即本文提出的基于短序列灰色預(yù)測(cè)模型的雙設(shè)備越區(qū)切換算法。

3　越區(qū)切換性能分析

設(shè)每個(gè)基站的覆蓋半徑為R。在t時(shí)刻，列車觸發(fā)越區(qū)切換(式(7)成立)的概率為

(8)

在觸發(fā)越區(qū)切換后，車頭和車尾設(shè)備開(kāi)始向目標(biāo)基站進(jìn)行切換操作。因?yàn)門D-LTE中的切換操作為硬切換，在TAU與服務(wù)小區(qū)斷開(kāi)連接到與目標(biāo)小區(qū)建立連接的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)車輛與地面的通信時(shí)延現(xiàn)象，設(shè)此時(shí)延造成的越區(qū)切換時(shí)延為t1。若第1次切換失敗，系統(tǒng)便會(huì)觸發(fā)“失敗—重配—再次切換”，在這個(gè)過(guò)程中，車輛與地面依舊處于通信中斷狀態(tài)，設(shè)此時(shí)造成的越區(qū)切換時(shí)延為t2。考慮到城市軌道交通車地通信的特殊性，一般設(shè)定在TAU觸發(fā)切換操作后，可執(zhí)行2次切換操作，如果2次切換都無(wú)法成功接入目標(biāo)小區(qū)，則由于車地之間通信時(shí)延過(guò)大而觸發(fā)緊急制動(dòng)等措施[13]。因此，本文只考慮2次以內(nèi)切換成功的概率。

列車在1次切換后就可以順利接入目標(biāo)基站的概率為

Psuccess1=PhandoffPon

(9)

式中：Pon為車載設(shè)備成功接入服務(wù)小區(qū)的概率，由設(shè)備自身決定。

如果列車第1次切換失敗，若此時(shí)列車未駛離服務(wù)基站的覆蓋范圍，則開(kāi)始進(jìn)行第2次切換。列車進(jìn)行第2次切換的成功概率為

Psuccess2=P(xt+t1

(10)

式中：xt+t1為列車在第1次切換后與服務(wù)小區(qū)基站間的距離。

在單設(shè)備越區(qū)切換模式中，列車在1次切換后就可以順利接入目標(biāo)小區(qū)的概率為Psuccess1；如果列車第1次切換失敗，第2次切換的成功概率為Psuccess2；則列車在2次切換內(nèi)成功接入目標(biāo)小區(qū)的切換時(shí)延toff1為

toff1=t1Psuccess1+(t1+t2)(1-Psuccess1)Psuccess2

(11)

對(duì)于雙設(shè)備越區(qū)切換模式，按照本文算法，車頭設(shè)備第1次切換如果成功，此時(shí)列車與地面通信不會(huì)出現(xiàn)時(shí)延。但若車頭設(shè)備第1次切換失敗，車尾設(shè)備切換成功的概率為(1-Psuccess1)Psuccess1；或者若車頭、車尾設(shè)備第1次切換均失敗，車頭設(shè)備進(jìn)行第2次內(nèi)切換的成功概率為(1-Psuccess1)2Psuccess2，則列車在2次切換成功接入目標(biāo)小區(qū)的切換時(shí)延toff2為

toff2=t1(1-Psuccess1)Psuccess1+(t1+t2)(1-Psuccess1)2Psuccess2

(12)

4　性能仿真與分析

為了驗(yàn)證本文所提出的基于短序列灰色預(yù)測(cè)模型的雙設(shè)備越區(qū)切換算法的合理性和優(yōu)越性，按照同樣的仿真條件，分別采用本文算法、式(2)所示的既有算法和平滑濾波算法[14]，在北京交通大學(xué)軌道交通與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室分別進(jìn)行通信系統(tǒng)仿真測(cè)試。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試鏈路圖如圖3所示，仿真參數(shù)見(jiàn)表1。為了提高數(shù)據(jù)的真實(shí)性、準(zhǔn)確性與合理性，共進(jìn)行了100次仿真。

圖3　實(shí)驗(yàn)室測(cè)試鏈路圖

表1　仿真參數(shù)

其中1次仿真得到的分別采用3種算法時(shí)TAU接收到的服務(wù)小區(qū)和目標(biāo)小區(qū)的RSRP值變化如圖4所示，圖4中的橫軸為列車與服務(wù)小區(qū)基站間的距離。由圖4可知：與采用既有算法相比，采用本文算法時(shí)RSRP值的波動(dòng)得到了很大的改善，而采用平滑濾波算法時(shí)RSRP值的波動(dòng)情況僅得到了一定程度的改善，這是因?yàn)楸疚乃惴ǔ晒Φ叵?.4 GHz頻段內(nèi)固有的同頻干擾、多徑效應(yīng)以及陰影衰落對(duì)RSRP值的影響，平滑濾波算法僅能消除一部分影響，而既有算法則不能消除這些影響。

圖4　RSRP接收值比較

對(duì)上述3種算法分別進(jìn)行100次仿真，每次仿真均成功越區(qū)切換，采用本文算法、既有算法和平滑濾波算法3種算法分別出現(xiàn)3，43，21次乒乓切換。由此可見(jiàn)：本文算法與既有算法和平滑濾波算法相比，成功地減少了乒乓切換的次數(shù)。

取100次本文算法仿真得到越區(qū)切換時(shí)延的平均值作為本文算法平均時(shí)延，取100次既有算法仿真得到越區(qū)切換時(shí)延的平均值作為既有算法平均時(shí)延。將二者進(jìn)行比較，前者為11 ms左右，后者為32 ms左右。這是由于本文算法中加入了雙設(shè)備越區(qū)切換模式，從而有效地降低了越區(qū)切換時(shí)延。

5　結(jié)　語(yǔ)

本文針對(duì)基于TD-LTE的城市軌道交通車地通信系統(tǒng)，根據(jù)其特點(diǎn)和城區(qū)的信道特性，將基本灰色預(yù)測(cè)模型進(jìn)行改良，并與雙設(shè)備機(jī)制進(jìn)行結(jié)合，提出1種基于短序列灰色預(yù)測(cè)模型的雙設(shè)備越區(qū)切換算法。對(duì)采用該越區(qū)切換算法的通信系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室仿真測(cè)試，并與既有越區(qū)切換算法和濾波越區(qū)切換算法在相同條件下的實(shí)驗(yàn)室仿真測(cè)試結(jié)果對(duì)比。結(jié)果表明，本文算法大大降低了列車在越區(qū)切換時(shí)的乒乓切換次數(shù)和越區(qū)切換時(shí)延，有效地消除了2.4 GHz頻段內(nèi)固有的同頻干擾、多徑效應(yīng)及陰影衰落對(duì)RSRP接收值的影響。

[1]詹強(qiáng). 高鐵環(huán)境下LTE切換技術(shù)的研究[J]. 信息通信，2013(10)，172-173.

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