高速鐵路LTE-R改進切換算法的研究

陳 鵬，米根鎖，羅 淼

(1.蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，蘭州 730070;2.蘭州交通大學鐵道技術學院，蘭州 730070)

國際鐵路聯(lián)盟將LTE-R確定為下一代鐵路移動通信技術，對其進行深入的研究尤顯重要。隨著列車運行速度的不斷提高，列車在小區(qū)間的切換更加頻繁，這就對小區(qū)間的切換時延和切換成功率提出了更高的要求。

針對列車高速運行過程中的越區(qū)切換問題，國內(nèi)外學者提出了不同的方法，文獻[1]提出分析用戶的歷史移動情況，得出用戶的運動規(guī)律，以此規(guī)律進行切換預測，但不能進行及時的更新。文獻[2]提出基于速度特性的自適應聯(lián)合判決算法，避免了切換過程中的切換過晚，但對觸發(fā)時延考慮較少。文獻[3]針對LTE-R系統(tǒng)提出軟切換的理念，有效提高切換成功率，但以提高切換時延為代價。

本文利用測量濾波對觸發(fā)時延進行計算，結(jié)合列車的運行速度，提前觸發(fā)切換，使列車在高速運行狀態(tài)下，減少切換時延，提高切換成功率，保障列車的運行安全。

1 LTE-R切換重疊區(qū)

在移動通信過程中，為保障UE的不間斷通信，在服務eNodeB與相鄰eNodeB的重疊部分，由于服務eNodeB的信號強度逐漸減弱，相鄰eNodeB的信號強度逐漸增強，當兩者之間的差值滿足一定要求時，UE的通信鏈路與服務eNodeB斷開連接，與相鄰eNodeB建立連接，兩基站的切換重疊區(qū)示意見圖1。

圖1 兩基站切換重疊區(qū)示意

由于重疊區(qū)的長度與列車的運行速度和切換時間密切相關，為了提高切換成功率，重疊區(qū)的覆蓋范圍應保證兩次切換所需要的距離[4]，即第一次切換失敗后，可以立即進行第二次的切換判決，保證切換的順利進行。其中，區(qū)域Ⅰ表示列車運行過程中接收到的相鄰eNodeB的信號強度高于服務eNodeB的信號強度，并且滿足A3事件判決所需要的距離，區(qū)域Ⅱ表示在觸發(fā)時延中持續(xù)滿足A3事件的要求，防止發(fā)生乒乓切換。若滿足以上要求，執(zhí)行切換。

2 LTE-R的切換

LTE-R采用硬切換，即先與服務eNodeB斷開連接，再與相鄰eNodeB建立連接，分為切換測量、切換判決、切換執(zhí)行、切換完成，其中，對不滿足切換判決要求的信息，進行重新測量。

2.1 切換測量

列車在運行過程中，UE需要對服務eNodeB和相鄰eNodeB的RSRP(Reference Signal Received Power，參考信號接收功率)進行不間斷的測量，從而保證列車在切換過程中，通信鏈路的改變不會造成通信過程的中斷。

首先對連續(xù)測量到的瞬時信息進行濾波，然后上報到高層，判斷是否執(zhí)行切換，測量濾波過程如圖2所示。

圖2 測量濾波過程TmTu

圖3 測量周期Tm和上報周期Tu示意

在Tm時間段內(nèi)，對測量的瞬時值A進行加權平均，并加入測量的隨機誤差NTm，層1濾波如式(1)所示

(1)

其中，MTm為瞬時值A經(jīng)過層1濾波后的值；RSRPi為Tm時間段內(nèi)第i次測量的瞬時值；m為Tm時間段內(nèi)測量的次數(shù)；NTm為Tm時間段內(nèi)的噪聲，服從正態(tài)分布。

第二步：通過層3濾波，對當前測量值B與前一時刻測量值B建立相關性，使當前時刻的上報值不僅與當前的測量值有關，還與上一時刻的測量值有關，從而減少信道隨機突變對上報信息的干擾，層3濾波

RSRPnTu=(1-α)RSRP(n-1)Tu+αMnTm

(2)

其中，RSRPnTu為當前層3濾波的結(jié)果；α為Tm和Tu的比值，稱為層3的濾波因子；RSRP(n-1)Tu為上一時刻層3濾波的測量值；MnTm為當前從層1上報到層3的值。

第三步：通過層3事件評估，判斷測量信息C是否可以通過空中接口發(fā)送給高層。

第四步：將測量報告信息D，通過空中接口發(fā)送給高層。

2.2 切換判決

對測量濾波后的信息，通過服務eNodeB進行A3事件判決，即相鄰小區(qū)的RSRP是否比服務小區(qū)的RSRP高，且滿足觸發(fā)時延的要求，若滿足要求，執(zhí)行切換；否則，不執(zhí)行切換。A3事件的判決如式(3)所示

Mn+Ofn+Ocn-Hys>Ms+Ofs+Ocs+Off

(3)

其中，Mn是相鄰小區(qū)的測量值；Ms是服務小區(qū)測量值；Ofn是相鄰小區(qū)特定頻率偏置值；Ofs是服務小區(qū)特定頻率偏置值；Ocn是相鄰小區(qū)特定偏置值；Ocs是服務小區(qū)特定偏置值；Hys是遲滯參數(shù)；Off是偏移參數(shù)。

由于LTE-R的越區(qū)切換為同頻切換，所以Ofn和Ofs的值均為0，小區(qū)間的通信優(yōu)先級相同，則Ocn和Ocs的值也為0，即A3事件的判決為

Mn-Hys>Ms+off

2.3 切換執(zhí)行

對滿足切換判決要求的測量信息，UE開始執(zhí)行切換，即與服務eNodeB斷開鏈接，再與相鄰eNodeB建立鏈接，完成切換。

3 LTE-R切換算法

目前應用于鐵路環(huán)境中的切換算法主要有兩種，一種是對于兩eNodeB間RSRP進行比較，判斷是否發(fā)生切換，這種方法在列車運行速度較低的環(huán)境中適用，但在高速鐵路中會出現(xiàn)切換過早或過晚的現(xiàn)象。另一種是利用列車的運行速度，提前計算預切換點進行切換[5]，這種方法避免了列車以不同速度行駛時切換過早或過晚的現(xiàn)象發(fā)生，但對觸發(fā)時延未做進一步的考慮。

3.1 改進切換算法步驟

通過對列車的運行速度和觸發(fā)時延進行綜合考慮，改進傳統(tǒng)切換算法，切換步驟如下。

第一步：eNodeB向UE發(fā)送測量控制消息。

第二步：根據(jù)車次號判別列車的運行方向，車次號為奇數(shù)，表示列車運行方向為下行；反之，為上行方向。

第三步：測量列車的運行速度v。

第四步：根據(jù)列車的運行速度計算預承載點，由于鐵路沿線基站呈線性分布，設預承載點為x

x=v·t

(4)

其中，v為列車當前運行速度；t為UE發(fā)送測量信息到目標小區(qū)所需要的時間。

第五步：對連續(xù)測量信息通過層1和層3進行濾波。

第六步：對濾波后的信息進行A3事件判決，若滿足判決要求，執(zhí)行下一步；反之，重新進行測量，返回第五步。

第七步：根據(jù)切換判決要求，在觸發(fā)時延中應持續(xù)滿足A3事件判決，防止發(fā)生乒乓切換，影響列車的正常通信，即觸發(fā)時延為上報周期Tu的倍數(shù)，設觸發(fā)時延的時間為t1

(5)

在濾波中Tm為Tu的α倍，可得觸發(fā)時延

(6)

由式(6)可以得到，將對觸發(fā)時延的計算轉(zhuǎn)換為對Tm的計算。

第八步：UE滿足觸發(fā)時延要求，并且列車到達預承載點。

第九步：執(zhí)行切換，UE斷開與服務eNodeB的連接，釋放服務小區(qū)的資源，連接目標eNodeB，并將原有的信息同步更新到新的小區(qū)。

3.2 改進切換算法的分析

列車運行過程中的切換只能發(fā)生在兩基站間重疊區(qū)域，而列車的運行速度和切換時間，是影響切換重疊覆蓋區(qū)長度的主要因素，如表1所示為不同的列車速度和切換時間所需要的切換重疊覆蓋區(qū)的長度。

表1 重疊覆蓋區(qū)長度

從表1可以看出，列車運行速度和切換時間的增加，使得切換重疊覆蓋區(qū)的長度逐漸增長，增加基站的布置數(shù)量。

假設兩基站間切換重疊覆蓋區(qū)的長度為D，列車在切換重疊區(qū)發(fā)生越區(qū)切換的概率

Phandover=P(Mn-Hys>Ms+Off)

(7)

由于LTE-R采用硬切換，所以UE與服務eNodeB斷開鏈接后，與目標eNodeB建立鏈接過程中存在時間間隔，設該間隔時間為ti，則第一次越區(qū)切換成功的概率

Phandover1=Phandover

(8)

第一次切換成功時，所需要的切換時間

T1=t1+ti+te

(9)

其中，te為UE與基站間通信過程中信息交換所需要的時間。

傳統(tǒng)切換算法中，觸發(fā)時延采用固定值480 ms[6]，改進切換算法中ti和te值不變，則節(jié)省了Ts1

TS1=480-t1

(10)

當出現(xiàn)第一次切換失敗時，應立即進行第二次的切換判決，由此造成切換延時tf，則第二次越區(qū)切換成功的概率

Phandover2=P(x1+xi+xf

(11)

其中，x1+xi+xf為列車在經(jīng)歷第一次切換失敗后，列車在切換重疊覆蓋區(qū)走行的長度，P(x1+xi+xf

第二次切換成功時，所需要的切換時間

T2=2t1+2ti+tf+te

(12)

相比較傳統(tǒng)切換算法節(jié)省了TS2

TS2=960-2t1

(13)

4 仿真驗證

仿真時需要考慮列車運行的環(huán)境因素，主要針對山地的環(huán)境進行考慮，列車運行過程中會受到大尺度衰落、陰影衰落的影響。

大尺度衰落滿足Hata模型，如式(14)所示

L=32.82+26.16lg(f)-13.82lg(hb)+

[44.9-6.55lg(hb)]lg(d)

(14)

式中，f為工作頻率；hb為基站的天線高度；d為移動臺到基站的距離。

陰影衰落是標準的小尺度衰落，采用萊斯分布如式(15)所示。

(15)

式中，R為正(余)弦信號加窄帶高斯隨機信號包絡；A是主信號幅度的峰值；δ2是多徑信號功率；I0()是修正的0階第一類貝塞爾函數(shù)。

仿真參數(shù)的設置如下。

系統(tǒng)帶寬為20 MHz；載頻為2.6 GHz；基站發(fā)射功率為46 dBm；小區(qū)半徑為1 600 m；切換帶長度為500 m；基站與鋼軌距離為50 m；移動臺高度為3 m；Tm為10 ms；α為1/6；觸發(fā)時延為480 ms；UE速度為160、250、350 km/h。

列車在切換重疊區(qū)連續(xù)接收到的服務eNodeB與相鄰eNodeB的RSRP的信息，通過層1和層3的濾波后，根據(jù)A3事件判決準則進行判決，滿足觸發(fā)時延，便可執(zhí)行切換。

改進算法中，通過濾波中的Tm對觸發(fā)時延進行計算，對參數(shù)i與觸發(fā)時延成功率仿真如圖4所示。

圖4 參數(shù)i與觸發(fā)時延成功率關系

從圖4可以看出當i值為6時，觸發(fā)時延成功率達到最大值，在此之后隨著i的仿真次數(shù)增加，觸發(fā)時延成功率的變化比較穩(wěn)定。將i的值代入式(6)計算出觸發(fā)時延的時間t1為

可以得到觸發(fā)時延為360 ms，相比較原有的觸發(fā)時延480 ms，減少了120 ms，將得到的切換觸發(fā)時延和根據(jù)列車運行速度相結(jié)合提前觸發(fā)切換相結(jié)合，分別對列車速度為160、250 km/h和350 km/h的承載點進行仿真。

從圖5可以看出，當列車速度分別為160、250、350 km/h時承載點在切換重疊區(qū)中分別為235、190、155 m，由此可以看出，改進切換算法的承載點，根據(jù)列車運行速度的不同，承載點也相應發(fā)生變化，避免了原有的列車速度越高，所需要的切換重疊區(qū)越長的現(xiàn)象。

圖5 不同列車速度的承載點

將兩種算法進行不同速度的切換成功率仿真，如圖6所示。

圖6 不同切換算法的成功率比較

從圖6可以看出，當列車的速度為205 km/h時，傳統(tǒng)切換算法可以滿足我國現(xiàn)行無線通信系統(tǒng)QoS(Qoality of Service，服務質(zhì)量)技術對越區(qū)切換成功率大于99.5%以上的要求[7]，但列車速度超過205 km/h時，傳統(tǒng)切換算法難以滿足99.5%以上的切換成功率的要求，而改進的切換算法在列車速度達到400 km/h時，切換成功率為99.6%，依然可以滿足我國無線通信對切換成功率的要求。

5 結(jié)語

本文利用濾波中的Tm對觸發(fā)時延進行計算，通過仿真得出觸發(fā)時延為360 ms，相比傳統(tǒng)切換算法中的觸發(fā)時延，在第一次切換時節(jié)省了120 ms，第二次切換時節(jié)省了240 ms；改進的算法隨著列車速度的提高，切換承載點相應發(fā)生變化，避免了切換重疊覆蓋區(qū)長度增加的現(xiàn)象；對不同速度切換成功率比較，可以得出列車速度高于205 km/h時，傳統(tǒng)切換算法無法滿足我國通信系統(tǒng)對越區(qū)切換成功率99.5%以上的要求，而改進算法隨著列車速度的提高仍能滿足此要求。因此，對LTE-R的改進切換算法更適合高速鐵路場景的切換要求，為未來LTE-R在高速鐵路中的應用提供理論依據(jù)。

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