一種基于定點(diǎn)中繼站輔助式切換優(yōu)化算法

張凌峰

摘 要：作為TD-LTE移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心技術(shù)，切換技術(shù)其算法很大程度上體現(xiàn)了用戶在小區(qū)間進(jìn)行移動(dòng)通信的整體性能。而在高鐵環(huán)境中，由于其環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性，傳統(tǒng)切換判決算法已經(jīng)不能滿足客戶的服務(wù)需求，本文設(shè)計(jì)種基于定點(diǎn)中繼站輔助式切換優(yōu)化算法。在引入中繼站方式的基礎(chǔ)上，分析了該算法的實(shí)施前提以及算法的判決原理，解決了傳統(tǒng)切換算法存在的切換前移及后移的問(wèn)題。最后通過(guò)仿真將該算法與傳統(tǒng)A3算法進(jìn)行了性能對(duì)比，并總結(jié)了該算法的特點(diǎn)的原理和性能，同時(shí)給出其實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果，證明了該算法具有較好的切換效果。

關(guān)鍵詞：TD-LTE;高鐵;中繼站輔助式;切換優(yōu)化算法

0 引言

如今，無(wú)線通信技術(shù)如雨后春筍般不斷涌出，LTE成為影響力極其深厚的寬帶移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一，在業(yè)界受到廣泛的關(guān)注[1，2]。在高速鐵路的應(yīng)用場(chǎng)景中，隨著列車時(shí)速的不斷上升，列車乘客的網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量明顯下降，對(duì)用戶的商務(wù)及娛樂(lè)需求產(chǎn)生不利的影響[3]。高鐵的高速化運(yùn)轉(zhuǎn)給高速環(huán)境下的通信造成了諸多問(wèn)題，頻繁切換作為高速環(huán)境通信的主要問(wèn)題之一，如何設(shè)計(jì)針對(duì)此環(huán)境的LTE切換算法，是提升高速環(huán)境下通信有效性及可靠性的一個(gè)研究重點(diǎn)[4，5]。

本文在傳統(tǒng)A3事件的切換判決算法的基礎(chǔ)上，提出一種基于定點(diǎn)中繼站輔助式切換優(yōu)化算法，通過(guò)在切換重疊區(qū)域內(nèi)部署中繼站的輔助方式來(lái)擴(kuò)大源基站覆蓋的區(qū)域范圍，從而避免切換時(shí)延與切換前移帶來(lái)的切換失敗等問(wèn)題。

1 中繼技術(shù)簡(jiǎn)介

作為新生代的LTE-A技術(shù)，中繼技術(shù)（Relay）從一出現(xiàn)就備受研究人員的關(guān)注。中繼技術(shù)是在eNodeB和用戶終端之間增加一個(gè)網(wǎng)絡(luò)專用的節(jié)點(diǎn)，主要用于轉(zhuǎn)發(fā)與使能增益eNodeB和用戶終端之間的歸屬頻段信號(hào)，起到改善傳輸質(zhì)量與增強(qiáng)魯棒性的作用。如今LTE-A在高鐵專線上的覆蓋頻段采用的是高頻（2.6GHz頻段），其覆蓋能力較差且再需要支持高速數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用和業(yè)務(wù)的情況下，運(yùn)營(yíng)商必須部署更多的宏站站點(diǎn)來(lái)進(jìn)行覆蓋。因此，采用中繼技術(shù)中回程鏈路的無(wú)限傳輸方式來(lái)進(jìn)行部署將會(huì)解決上述問(wèn)題，就部署方案以及成本來(lái)看都較為優(yōu)秀，因而具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

2 基于定點(diǎn)中繼站輔助式切換優(yōu)化算法

2.1 算法原理

在本小節(jié)的討論中，設(shè)定RSi在切換重疊區(qū)域的中心橫坐標(biāo)位置（即BSi與BSj的覆蓋重疊區(qū)域），且RSi中繼站僅與BSi級(jí)聯(lián)。因此基站 BS的信號(hào)僅與基站本身的參考信號(hào)有關(guān)，小區(qū)的參考信號(hào)接收功率則與中繼站RS和基站BS的共同作用相關(guān)。中繼站的覆蓋范圍橫坐標(biāo)范圍為。下面來(lái)討論兩種中繼情況，即和的情況：

首先討論的情況。當(dāng)列車行進(jìn)至d1位置時(shí)，其最佳切換距離D已經(jīng)觸發(fā)，此時(shí)中繼站RS收到的參考信號(hào)接收功率為滿載值。因此此時(shí)列車攜帶的信號(hào)為BSi和RS的混合值。

其次討論的情況。當(dāng)列車行進(jìn)至d2位置時(shí)，目的基站BSj的信號(hào)強(qiáng)度要強(qiáng)于源基站BSi的信號(hào)強(qiáng)度，滿足切換條件，此時(shí)切換要發(fā)生了。接下來(lái)中繼站RSi進(jìn)行功率控制，確保小區(qū)i的信號(hào)強(qiáng)度滿足切換閾值要求，此時(shí)，即使BSi與BSj之間的切換重疊區(qū)域內(nèi)存在信道性能低下的情況，中繼站RSi也能通過(guò)功率控制的方式進(jìn)行增益從而避免信道性能低下帶來(lái)的切換失敗可能。

2.2 算法實(shí)現(xiàn)流程

首先，闡述在d1和d2、d3等位置的計(jì)算方法：

假設(shè)從中繼站RS接收到的參考信號(hào)接收功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于擾動(dòng)信號(hào)值，且BS與RS信號(hào)加成的情況僅僅存在于前向多徑信號(hào)中。BSi和RSi接收信號(hào)的時(shí)間間隔應(yīng)該比多徑衰落最大時(shí)延要小，定義為：

其中d是源接站BSi與與中繼站RSi的距離，c是真空電磁波的傳播速度，是多徑衰落時(shí)延的最大值。

接下來(lái)，討論中繼站最大傳輸控制功率。若在從中繼站接收到的信號(hào)強(qiáng)度相比于源基站BSi的信號(hào)強(qiáng)度可以忽略的條件下，前向中繼就不必要了。本文中RS工作觸發(fā)條件定義為從RS接收到的信號(hào)強(qiáng)度為相應(yīng)BS的信號(hào)強(qiáng)度的1/2，即：

然后定義d2的位置確定計(jì)算法方法：即當(dāng)且僅當(dāng)鄰區(qū)BS信號(hào)切換強(qiáng)度與源BS進(jìn)行切換時(shí)滿足強(qiáng)度只差為差源BS進(jìn)行切換時(shí)滿足的閾值之時(shí)，滿足d2的坐標(biāo)需求，即：

最終得到切換完成之后，接收信號(hào)的SINR應(yīng)為：

本文提出的切換優(yōu)化算法中，在的情況下切換被禁止，僅在的條件下才能進(jìn)行切換。

3 基于定點(diǎn)中繼站輔助式切換優(yōu)化算法的仿真分析

為了驗(yàn)證算法的仿真性能，我們使用LTE-SIM仿真工具來(lái)進(jìn)行仿真，仿真環(huán)境選擇山地環(huán)境，其參數(shù)如下所示：信道帶寬：1MHz;天線類型：Omni;載波頻率：900MHz;BS傳輸功率：43dBm;RS傳輸功率：33dBm;BS天線高度：30m;列車天線高度：1.5m;dmin：30m;陰影效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差：4dB;噪聲密度：-174 dBm/Hz;信道損耗模型：HATA;最小接收功率（Rth）：-86dBm;SINR 閾值（γth）：12dBm;d1：1430m;d2：2610m;測(cè)量周期：500ms;列車移動(dòng)速度：350km/s。

經(jīng)過(guò)測(cè)算得到的RS工作范圍以及切換參考點(diǎn)已經(jīng)計(jì)算出來(lái)，同時(shí)列車運(yùn)行中從源BS接收功率的變化圖如圖2所示。當(dāng)列車運(yùn)行至d1時(shí)，其接收到的信號(hào)分為兩部分，一部分是RS中繼站的中繼信號(hào)，另一部分是源基站BS的信號(hào)，二者共同作用使得信號(hào)質(zhì)量處于正常水平;當(dāng)列車行進(jìn)至d2位置時(shí)，中繼站RS利用功率控制功能來(lái)減小發(fā)射功率使得接收到的源小區(qū)功率能滿足切換閾值要求。圖1則展示了列車運(yùn)行位置與切換成功率的關(guān)系，從圖中可以看出傳統(tǒng)算法中，切換點(diǎn)位置在2.35km處，實(shí)質(zhì)上此時(shí)切換過(guò)早，因此切換成功率較低。

在本文提出的算法中，當(dāng)列車位置坐標(biāo)小于2.61時(shí)，接收信號(hào)功率由于中繼站RS的因素保持在較好水平，因此切換不會(huì)發(fā)生。當(dāng)位置在（2.61，3. 35）之間時(shí)，RS中繼站的功率控制會(huì)帶來(lái)切換的推遲，相比于傳統(tǒng)算法切換時(shí)間向后稍微推遲了一部分，但此時(shí)切換失敗率處于較低水平（如圖1），這是由于中繼站RS的功率控制可以保持最小功率接收水平下的正常通信;當(dāng)列車坐標(biāo)位置大于3.35時(shí)，由于切換重疊區(qū)域被中繼站RS的功率控制功能增加了，本文提出新算法的切換成功率已經(jīng)大于傳統(tǒng)算法，取得了較好的切換效果。

一般情況下，切換前移會(huì)導(dǎo)致的信號(hào)抖動(dòng)和較高的切換失敗率，而后移的切換觸發(fā)時(shí)間會(huì)在切換重疊區(qū)域覆蓋范圍較小和切換距離不足的情況下同樣造成較高的切換失敗率。本文算法對(duì)于切換前移的問(wèn)題，采用中繼站RS來(lái)進(jìn)行了解決，而對(duì)于后移切換觸發(fā)時(shí)間問(wèn)題，采用基于探針?lè)植嫉那袚Q參考點(diǎn)來(lái)解決，因此文本算法取得了較好的切換效果。

4 結(jié)論

本文首先介紹了高速鐵路環(huán)境下中繼站技術(shù)的主要原理，隨后提出了基于定點(diǎn)中繼站輔助式切換算法，針對(duì)傳統(tǒng)算法中無(wú)法解決切換前移的情況，采用中繼站的形式進(jìn)行了改進(jìn)。仿真結(jié)果表明，對(duì)于切換判決的觸發(fā)前移的問(wèn)題，文中采用中繼站范圍預(yù)加載的算法，首先確定中繼站的覆蓋范圍，通過(guò)功率控制消除了切換前移的可能，其次對(duì)于切換后移的情況，采用切換參考點(diǎn)與中繼站結(jié)合控制的方法，有效避免了切換距離不足以及切換重疊區(qū)域覆蓋范圍較小的問(wèn)題。因此本文的算法取得了較好的切換效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]李立華.高鐵環(huán)境下LTE系統(tǒng)切換技術(shù)的研究[D].西南交通大學(xué)，2018.

[2]張夢(mèng)奇.高鐵場(chǎng)景下LTE-A資源調(diào)度與越區(qū)切換研究[D].西南交通大學(xué)，2014.

[3]Zhou Y，Ai B.Handover schemes and algorithms of high-speed mobile environment：Asurvey[J].Computer Communications， 2014，47（07）：1-15.

[4]張鷺.高速鐵路LTE系統(tǒng)切換技術(shù)研究[D].華東交通大學(xué)，2016.

[5]葉鵬飛.LTE進(jìn)一步演進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].2016.