基于速度動態(tài)函的LTE-R越區(qū)切換優(yōu)化算法

李德威，陳永剛

(蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，蘭州 730070)

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基于速度動態(tài)函的LTE-R越區(qū)切換優(yōu)化算法

李德威，陳永剛

(蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，蘭州 730070)

傳統(tǒng)的LTE-R越區(qū)切換算法，采用固定切換遲滯門限和延遲觸發(fā)時間的切換算法。但是當列車高速運行時，切換成功率明顯下降，無法滿足高速鐵路無線通信系統(tǒng)對QoS大于99.5%的要求。通過對切換流程、測量參數(shù)、控制參數(shù)的分析，提出一種基于速度動態(tài)函數(shù)的越區(qū)切換優(yōu)化算法。該算法在低速、中速、高速3種列車運行狀況下，更適宜高速鐵路情景切換時機的選擇。仿真結(jié)果表明:基于橢圓函數(shù)的LTE-R越區(qū)切換優(yōu)化算法，既保證了列車在中高速運行時，越區(qū)切換成功率有著明顯提升，又避免了列車在中低速運行時，乒乓切換事件頻率過高。

高速鐵路；LTE-R；切換遲滯容限；延遲觸發(fā)時間；切換成功率

2010年，國際鐵路聯(lián)盟(UIC)在第七屆世界高速鐵路大會上，將LTE-R(long term evolution for railway)技術(shù)作為下一代移動通信發(fā)展戰(zhàn)略[1]。2011年我國設(shè)立了基于TD-LTE技術(shù)研究與應(yīng)用驗證的專項課題。

LTE-R相對于現(xiàn)有的GSM-R技術(shù)有許多優(yōu)點：其一，扁平化的結(jié)構(gòu)更方便網(wǎng)絡(luò)的修改優(yōu)化；其二，多天線技術(shù)的應(yīng)用，能夠提高系統(tǒng)容量與傳輸速率；其三，為列車在線視頻回傳、在線運行監(jiān)控、在線維修檢測提供了通信基礎(chǔ)[2]。

鐵路通信系統(tǒng)繼承了鐵路線狀覆蓋的特點，隨著鐵路速度的迅速提升，小區(qū)切換更加頻繁，無線鏈路失效率增加。因此，如何在較低乒乓事件下，提高列車越區(qū)切換的成功率，提高系統(tǒng)的可靠性成為研究重點。文獻[3]建立了LTE-R與GSM-R的Petri網(wǎng)模型，通過數(shù)學分析對比指出，列車在高速行駛時LTE-R系統(tǒng)切換成功率會明顯降低。國內(nèi)外對LTE-R越區(qū)切換成功率的提高提出了許多種方案：文獻[4-6]是基于速度特性對切換參數(shù)進行優(yōu)化研究，但這些方案普遍存在著移動終端運動速度較慢，不適應(yīng)高速鐵路場景的應(yīng)用；文獻[7-9]是基于位置信息對切換算法進行改進，提前選定切換的固定位置，當列車位置與切換點間的距離小于固定閥值時觸發(fā)切換，或者直接把重疊區(qū)中點作為切換點，這種方案雖然能夠提高越區(qū)切換的成功率，但是由于無線信道的劇烈變化，實用價值并不大；文獻[10-11]是基于預(yù)承載的方式，根據(jù)列車位置、速度和方向等信息，縮短切換時延，提高了切換成功率。

本文從應(yīng)用動態(tài)函數(shù)的角度出發(fā)，提出了一種基于速度動態(tài)函數(shù)的越區(qū)切換優(yōu)化算法，通過對運用3種不同動態(tài)函數(shù)對切換遲滯門限(Handover Hysteretic Threshold，HHT)和延遲觸發(fā)時間(Time To Trigger，TTT)進行動態(tài)調(diào)整，以達到在中高速運行狀態(tài)下，提高越區(qū)切換成功率，在中低速運行狀態(tài)下，保持相對低的乒乓切換事件的目的，更適宜高速鐵路的需求。

1 重疊覆蓋區(qū)規(guī)劃

無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃對越區(qū)切換起著重要作用，合理的重疊區(qū)規(guī)劃，能夠保障及時切換，避免過早或者過晚切換，同時還可減少甚至避免乒乓切換事件的發(fā)生[12]?；鹃g間距的確定，首先要計算基站的覆蓋范圍。然后根據(jù)滿足最大設(shè)計時速運行下，列車能夠滿足2次越區(qū)切換的距離，即列車移動終端(UE)在第一次越區(qū)切換失敗后立即開始第2次切換進行補充，切換帶的長度為A。最后，根據(jù)切換門限確定過渡區(qū)的長度B，如圖1所示。

圖1 兩基站間重疊區(qū)示意

本文的信道模型，選用由中國鐵路通信信號集團牽頭負責測量的LTE-R信道測量模型。鐵路環(huán)境復(fù)雜，有山區(qū)、高架橋、平原、城區(qū)等等。選取無線信號變化較為復(fù)雜的山地模型。其中信道模型表達式為PL(d)=27.0+32.3log(d)+Xσ(σ=3.34)[13]。

表1列出了不同設(shè)計速度下切換帶的長度、過渡區(qū)長度、以及兩基站間距。

表1 不同設(shè)計速度下的基站間距 m

2 基于速度動態(tài)函數(shù)的自適應(yīng)優(yōu)化算法

傳統(tǒng)切換算法是基于RSRP、RSRQ固定切換遲滯容限，并延遲觸發(fā)的A3切換算法。但是當列車速度比較高時，傳統(tǒng)切換算法下切換成功率有著明顯的下降，無法滿足高速鐵路的需求。采用一種基于速度的動態(tài)函數(shù)，對算法控制參數(shù)進行動態(tài)調(diào)整。當速度較高時，適當降低切換遲滯門限和延遲觸發(fā)時間，進而提高列車高速運行情境下的切換成功率；當速度較低時，保持相對高的切換遲滯門限和延遲觸發(fā)時間，保證列車低速運行時乒乓切換事件頻率較低。動態(tài)函數(shù)選用3種具有代表性的函數(shù)，即反函數(shù)、一次函數(shù)、橢圓函數(shù)，對切換遲滯門限和延遲觸發(fā)時間進行動態(tài)調(diào)整。選用這3種具有代表性的函數(shù)，是因為這3種函數(shù)均滿足隨橫軸增加縱軸降低，滿足隨著列車運行速度的增加，切換遲滯門限的降低和延遲觸發(fā)時間的減少。而且這3種函數(shù)當速度增加時，變化速率具有代表性，分別為減小、不變和增大，通過仿真比較能夠找到更適合的動態(tài)變化曲線。此外選取較簡單的函數(shù)，能夠降低切換過程中的運算時間。

對列車運行速度的判斷，將v<120 km/h定為低速；120 km/h

3種動態(tài)函數(shù)表現(xiàn)形式分別為

一次函數(shù) y=ax+b

3 切換成功率和理論允許切換次數(shù)分析

圖2為切換過程流程。

圖2 切換過程流程

由圖2可以看出，切換過程主要包括測量報告，觸發(fā)判斷，和切換執(zhí)行3個過程。

3.1 測量報告的生成

假設(shè)兩基站間距為D， 且兩基站屬于同一個MME。列車在t時刻運行時，與源基站eNodeBi的距離為Xt。與目的基站eNodeBj的距離為D-Xt。

所以，列車接收到源基站的信號強度

(1)

其中，PIeNB為基站i的發(fā)射功率；PL(xt)為路徑損耗；α(i)為陰影衰落因子α(i)(0，σ2)；β(i，t)為快衰落對接收信號造成的影響。

同理，列車接收到目的基站的信號強度

(2)

列車在切換觸發(fā)判斷之前需要對接收到的信號進行層三濾波處理，層三濾波是UE對測量信號所釆取的平滑處理過程。目的是為了消除因信道突變或測量誤差所帶來的測量值變化的不穩(wěn)定性，從而削弱切換過程中存在的切換誤判和乒乓效應(yīng)以及快衰落影響接收信號波動較大的問題。圖3為層三濾波流程。

圖3 層三濾波流程

圖3中，Tm代表層一濾波周期，Tu代表層三濾波周期。

層三濾波性能可以用公式(3)所示

(3)

式中，F(xiàn)n代表本次濾波計算結(jié)果；Fn-1代表前一個測量周期報告的濾波測量結(jié)果；Mn代表經(jīng)過層一濾波后的測量值(B點)；α定義為層三濾波因子[2]。

經(jīng)過運算后，層三濾波后的Fn即為測量報告的生成值。

3.2 觸發(fā)判斷過程

當列車生成測量報告后，需要判斷測量報告是否滿足切換的觸發(fā)條件。

第一次觸發(fā)判斷公式[14]

(4)

其中，H為切換遲滯容限值；L為滿足列車通信的最小信號強度閥值。

t1為延遲觸發(fā)時間，延遲后判斷公式

(5)

所以切換過程中的觸發(fā)率

(6)

3.3 切換執(zhí)行過程

當列車經(jīng)過延遲觸發(fā)后，若仍然滿足切換條件，則執(zhí)行切換。執(zhí)行過程中，需要目標基站接收到的平均信號強度大于滿足通信的最小信號強度閥值。

所以切換過程中的執(zhí)行率公式

(7)

其中，x1為基站執(zhí)行切換命令時的位置；t2為切換執(zhí)行過程所需要的時間。

3.4 切換成功率

列車一次切換順利接入目標基站的概率

(8)

列車二次切換順利接入目標基站的概率

(9)

列車n次切換順利接入目標基站的概率

(10)

所以列車從源基站進入到目標基站的概率

Psuc(t)=∑(Psuc1(t)+Psuc2(t)+…Psucn(t))(11)

3.5 理論切換次數(shù)

重疊區(qū)切換帶的設(shè)置，通常是按照列車最大設(shè)計運行時速下，進行2次切換的距離。切換帶長度過大，會帶來成本以及乒乓切換次數(shù)的增加，而切換帶過小，則無法滿足完成切換過程，造成通信中斷。我們將列車在切換帶所能進行切換的次數(shù)定義為理論切換次數(shù)。所以當列車按照不同速度在切換帶行駛時，理論允許切換次數(shù)不同。理論切換次數(shù)過高，則乒乓切換事件頻繁，容易造成無線鏈路失效；理論允許切換次數(shù)過低，則無法完成切換過程，造成切換成功率較低。理論允許切換次數(shù)

(12)

其中，n為理論切換次數(shù)；s為切換帶的長度；s1為基站的覆蓋范圍；s2為切換遲滯門限的位置；v為列車運行速度；t1為生成測量報告需要的時間；t2為延遲觸發(fā)時間；t3為切換執(zhí)行時間。

4 仿真驗證

4.1 仿真參數(shù)的配置

仿真參數(shù)配置如表2所示。

表2 仿真參數(shù)配置

所以機車臺接收到的電平公式

Pr=PeNB+Gb+Gm-PL=

(13)

為了滿足列車高速環(huán)境下列控業(yè)務(wù)和非列控業(yè)務(wù)的需求，對于接收電平還需要設(shè)計必要的保護余量，以對抗各種衰落和干擾，機車臺的保護余量設(shè)計見表3。

根據(jù)鏈路保護余量以及機車臺接收電平公式(13)，可以得到高速鐵路滿足列控業(yè)務(wù)和非列控業(yè)務(wù)時，機車臺的最小接收電平分別為-82.5 dBm和-84.5 dBm[15]。

表3 機車臺保護余量設(shè)計

為了使3種動態(tài)函數(shù)具有可比較性，將首尾節(jié)點設(shè)置成相同的參數(shù)。對于切換遲滯門限，當v=0 km/h時，切換遲滯門限的上限設(shè)置為6 dB[16]，當v=360 km/h時，切換遲滯門限的下限設(shè)置為3 dB，下限設(shè)置為3 dB避免了不必要的乒乓切換[5]。對于延遲觸發(fā)時間，當v=0 km/h時，延遲觸發(fā)時間設(shè)置為480 ms，當v=360 km/h時，延時觸發(fā)時間設(shè)置為60 ms， 這是因為延遲時間TTT必須是測量周期的整數(shù)倍[2]。3種不同函數(shù)的參數(shù)如表4所示。

表4 不同函數(shù)與HHT、TTT的控制參數(shù)

4.2 仿真結(jié)果

圖4、圖5是不同速度下，不同動態(tài)函數(shù)與切換遲滯門限HHT、延遲觸發(fā)時間TTT的關(guān)系仿真圖。由圖4可知，3種動態(tài)函數(shù)隨著速度的增加，切換遲滯門限HHT的變化速率明顯不同，變化速度有快、有慢，差異化的變化曲線，可以對比找到合適的動態(tài)函數(shù)。既提高了中高速情境下，越區(qū)切換的成功率，又保證了中低速情境下，維持一個較低的乒乓切換次數(shù)。圖5，除了延遲觸發(fā)時間必須是測量周期的整數(shù)倍之外，其余與圖4同理。

圖4 不同速度V不同動態(tài)函數(shù)與HHT的變化關(guān)系

圖5 不同速度V不同動態(tài)函數(shù)與TTT的變化關(guān)系

在列車速度0～360 km/h范圍內(nèi)，分別對3種算法與傳統(tǒng)算法進行切換成果率和理論切換次數(shù)的仿真比較，仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 不同速度下，4種方案的切換成功率比較

圖7 不同速度下，4種方案理論允許切換次數(shù)的比較

由圖6可知，當列車在高速(250～360 km/h)運行時，傳統(tǒng)算法下越區(qū)切換成功率低于99.5%，不滿足我國鐵路現(xiàn)行無線通信系統(tǒng)QoS技術(shù)對越區(qū)切換率大于99.5%的要求[3]，而3種改進后的切換算法，越區(qū)切換成功率均滿足大于99.5%的要求。

由圖7可知，3種改進后的切換算法，在中高速運行時，都通過提高理論允許切換次數(shù)，和觸發(fā)率來提高越區(qū)切換成功率，但在中低速運行時，橢圓函數(shù)理論允許切換次數(shù)變化不大，觸發(fā)門限值相對較高。這就使列車在中低速運行時，維持了一個較低的乒乓切換事件，滿足高速鐵路的對越區(qū)切換需求。

5 結(jié)語

本文從動態(tài)調(diào)整切換遲滯門限和延遲觸發(fā)時間的角度出發(fā)，提出了一種基于速度動態(tài)函數(shù)的改進切換算法。動態(tài)函數(shù)選取3種典型的函數(shù)，反函數(shù)、一次函數(shù)、橢圓函數(shù)進行仿真比較。首先對3種函數(shù)動態(tài)調(diào)整切換遲滯門限和延遲觸發(fā)時間進行比較，進而仿真分析3種改進切換算法與傳統(tǒng)切換算法下，切換成功率和理論允許切換次數(shù)比較。仿真結(jié)果表明，基于橢圓函數(shù)的LTE-R越區(qū)切換優(yōu)化算法，既保證了列車在中高速運行時，越區(qū)切換成功率有著明顯提升，滿足我國鐵路現(xiàn)行無線通信系統(tǒng)QoS技術(shù)對越區(qū)切換率大于99.5%的要求，又避免了列車在中低速運行時，乒乓切換事件頻率過高。因此，基于橢圓函數(shù)的LTE-R越區(qū)切換優(yōu)化算法更適宜高速鐵路情景下切換時機的選擇，為未來LTE-R系統(tǒng)在鐵路的應(yīng)用中，提供了必要的技術(shù)支持。

[1] 劉建強.我國高速鐵路通信系統(tǒng)更新的趨向[J].電子世界，2014(15):6-7.

[2] 鄧德位.高鐵環(huán)境中TD-LTE系統(tǒng)內(nèi)切換流程及算法研究[D].北京：北京郵電大學，2014.

[3] 曹源，馬連川，張玉琢，等.LTE-R與GSM-R的越區(qū)切換成功率比較[J].中國鐵道科學，2013(6):117-123.

[4] Cheng-chung Lin， Sandrasegaran K， et al. Optimization of Handover Algorithms in 3GPP Long Term Evolution System[C]∥Modeling， Simulation and Applied Optimization (ICMSAO)， 2011 4th International Conference， 2011:1-4.

[5] 魏珍珍，徐曉，張健，胡艷軍.LTE中基于移動特性的切換優(yōu)化[J].通信技術(shù)，2010(11):134-138，141.

[6] Hao C Y， Liu H I， Zhan J. A velocity-adaptive handover scheme for mobile WiMAX[J]. IEEE Journal on Communications， Network and System Sciences， 2009(9):874-878.

[7] 王巍.高速鐵路TD-LTE通信系統(tǒng)仿真平臺搭建和切換算法研究[D].北京：北京郵電大學，2013.

[8] Luo W.T.，F(xiàn)ang X.M.，Cheng M.，et al. An optimized handover trigger scheme in LTE systems for high-speed railway[C]∥15th International Workshop on Signal Design and its Applications in Communications， 2011:193-196.

[9] 李文軍.LTE在高速列車通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2014.

[10]欒林林.支持高速切換的TD-LTE信令的設(shè)計及其優(yōu)化的研究[D].北京：北京郵電大學，2013.

[11]米根鎖，馬碩梅.基于速度觸發(fā)的提前切換算法在LTE-R中的應(yīng)用研究[J].電子與信息學報，2015(12):2852-2857.

[12]徐巖，詹強.高速鐵路移動通信TD-LTE切換算法研究[J].鐵道學報，2015(5):47-51.

[13]趙敏.高速鐵路無線寬帶信道測量、數(shù)據(jù)分析與建模研究[D].北京：北京郵電大學，2014.

[14]邸成，方旭明，楊崇哲，等.一種基于車載雙天線的GSM-R冗余網(wǎng)絡(luò)無縫切換方案[J].鐵道學報，2012(6):51-56.

[15]汪浩.高速鐵路環(huán)境下GSM-R無線覆蓋規(guī)劃的研究[D].北京：北京交通大學，2009.

[16]王敏.網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中乒乓切換的解決方案的研究[D].長春：吉林大學，2014.

LTE-R Cross-zone Handover Optimization Algorithm Based on Speed Dynamic Function

LI De-wei， CHEN Yong-gang

(School of Automation and Electrical Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China)

Traditional LTE-R cross-zone handover algorithm uses the algorithm with a fixed handover hysteretic threshold and delayed triggering time. But when the train runs at a high speed， the success rate of the handover decreases significantly and fails to meet the requirements of the high-speed railway wireless communication system， for which the QoS must be more than 99.5%. Based on the analysis of the handover process， the measuring parameters and the control parameters， this paper proposes a cross-zone handover optimization algorithm based on dynamic function of velocity. This algorithm with low， medium and high speed of three train running conditions is more suitable for the selection of handover time in high-speed railway scenario. Simulation results show that the cross-zone handover optimization algorithm based on elliptic function of LTE-R can not only ensure higher cross-zone handover success rate of the train running at medium and high speed， but also prevent frequent ping-pong switching event when the train runs at low and medium speed．

High-speed railway; LTE-R; Handover hysteretic threshold; Delayed triggering time; Handover success rate

2016-04-11；

2016-04-25

國家自然科學基金地區(qū)項目(61164101)

李德威(1989—)，男，碩士研究生，主要研究方向:交通運輸工程，E-mail:ldwedu@126.com。

陳永剛(1972—)，男，副教授。

1004-2954(2016)11-0143-05

U238； TN929.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.032