基于信號接收功率與波束賦形輔助的切換算法

鐘華 牛宏俠 李翔宇

摘? 要：在鐵路長期演進(jìn)（Long-Term Evolution for Railway， LTE-R）技術(shù)中，基于A3事件的傳統(tǒng)切換算法存在切換成功率不高的問題。文章提出了一種基于信號功率（Reference Signal Received Power， RSRP）的波束賦形切換算法。通過列車在行駛過程中，實時上報的運行信息，使基站在特定的信號功率下，產(chǎn)生波束賦形的增益來保障列車接收到的信號功率始終保持在一個較好的水平。仿真實驗結(jié)果表明，基于信號接收功率與波束賦形輔助的切換算法，讓服務(wù)基站和目標(biāo)基站都可以提供較好的信號接收強度，適當(dāng)?shù)靥崆傲饲袚Q位置，有效地提升了切換的成功概率。

關(guān)鍵詞：鐵路長期演進(jìn);越區(qū)切換;高速鐵路;波束賦形;信號功率

Abstract： In the Long-Term Evolution for Railway （LTE-R） system， the traditional A3 event-based handover algorithm has an issue of low handover success rate. This paper proposes a handover algorithm based on Reference Signal Received Power （RSRP） and assisted beamforming， which collects the real-time information through the running train. Thus， the base station can generate a beamforming gain at a specific signal power， thereby ensures that the signal power received by the train is always maintained at a preferable level. The simulation results show that the handover algorithm based on RSRP and assisted beamforming allows both the serving base station and the target base station to provide better signal reception strength， advances the handover location appropriately， and improves the probability of handover success effectively.

1 概述

國際鐵路聯(lián)盟提到，鐵路長期演進(jìn)LTE-R技術(shù)作為下一代鐵路移動通信系統(tǒng)[1]。如何將LTE技術(shù)更好的應(yīng)用于高速鐵路，成為了當(dāng)下的熱門研究方向。LTE-R是基于LTE系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，雖然LTE-R還未正式商用，但我國已經(jīng)在LTE-R的研究上走在了世界前列[2]。與第二代全球移動通信系統(tǒng)（Second-generation Global System for Mobile Communications GSM-R）相比，LTE-R系統(tǒng)有諸多優(yōu)勢。首先，LTE-R大大提升了通信速率，在20MHz的帶寬下，其上、下行鏈路速率峰值可達(dá)到100Mbit/s和50Mbit/s。其次，LTE-R具有低時延的特點，其操作平面延時不超過100ms，而用戶平面則不超過5ms。除此之外，以O(shè)FDM和MIMO為技術(shù)核心的LTE系統(tǒng)，大大提高系統(tǒng)吞吐量，而且能夠向下兼容2G、3G系統(tǒng)進(jìn)行工作[3]。這對系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量與用戶的通信體驗是一個強有力的保證，有效的滿足了現(xiàn)有通信需求。LTE系統(tǒng)由演進(jìn)節(jié)點基站（Evolutionary Node Base Station，eNodeB）、移動管理實體（Mobility Management Entity，MME）和服務(wù)網(wǎng)關(guān)（Serving GateWay，S-GW）構(gòu)成，其中用戶直接與基站相連[4]。因此，LTE-R如何在高速鐵路環(huán)境下為鐵路提供可靠的實時語音和視頻監(jiān)控、旅客信息等大數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)是未來軌道交通無線通信系統(tǒng)應(yīng)用的重要研究方向[5]。

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[6]。這就要求通信系統(tǒng)有更低的切換時延，并保證切換成功率和系統(tǒng)可靠性。目前國內(nèi)外對高鐵場景下LTE-R的無線信道理論與方法的研究成為了熱點問題[7]。下列文獻(xiàn)針對越區(qū)切換所產(chǎn)生的問題提出了相應(yīng)解決方法。蘇佳麗等用粒子群優(yōu)化灰狼算法改進(jìn)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來采集不同的列車速度進(jìn)行訓(xùn)練，通過對切換遲滯等的調(diào)整降低掉話率和乒乓切換率[8]。米根鎖等針對不同的列車時速，通過提前進(jìn)行信令交互，設(shè)置預(yù)切換承載點來抑制過早切換等問題[9]。LinTian等人提出了采用車載雙天線的方式來提升切換成功概率，在切換過程中，前向天線負(fù)責(zé)執(zhí)行切換，后向天線始終保持與原基站的通話[10]。楊崇哲等設(shè)計了一種由道旁分布式天線系統(tǒng)和多車載臺通信系統(tǒng)兩部分構(gòu)成的解決方案，前車載臺負(fù)責(zé)執(zhí)行掃描操作和協(xié)商操作，后車載臺負(fù)責(zé)完成切換狀態(tài)即可，避免了通信中斷，提高了通信的可靠性[11]。程夢等提出了基于位置信息的機(jī)會波束賦形算法，通過干預(yù)每個天線的復(fù)權(quán)重相位生成來進(jìn)一步擴(kuò)展信道波動的動態(tài)范圍，獲取多用戶分集增益，提高了系統(tǒng)吞吐率[12]。

分析可知目前對LTE-R的研究主要是由高速移動引起的頻繁切換以及硬切換導(dǎo)致的通話中斷[13]。本文提出了基于信號接收強度與波束賦形輔助的切換算法，保障切換過程中的信號接收質(zhì)量，并達(dá)到提高切換成功概率的目的。

2 基于信號接收功率與波束賦形輔助的切換算法

在高速鐵路中，列車的時速最高可達(dá)到360Km/h，從而導(dǎo)致了越區(qū)切換的頻繁發(fā)生。LTE系統(tǒng)原有的切換算法基于A3準(zhǔn)則，即當(dāng)兩相鄰小區(qū)的差值滿足切換遲滯的要求，就會觸發(fā)切換過程[14]。然而在基站覆蓋的邊緣地區(qū)，信號強度減弱，可能會導(dǎo)致通話中斷的發(fā)生，存在錯誤觸發(fā)切換的幾率。所以傳統(tǒng)的切換算法不能很好的滿足高速列車的運行要求。針對上述傳統(tǒng)算法所存在的問題，本文提出了基于信號接收強度與波束賦形輔助的切換算法。波束賦形通過改變波束的投射方向，實現(xiàn)能量的匯聚，降低了對于周圍用戶造成的干擾[15]。保障通信的重要指標(biāo)之一就是信號接收強度，通過對信號接收強度的實時監(jiān)測，在信號接收強度較差的區(qū)域產(chǎn)生波束賦形增益，確保越區(qū)切換過程的信號質(zhì)量。移動臺與基站的通信要滿足一定的信號強度，當(dāng)?shù)陀诰S持通話的最小可接收強度時，則可能出現(xiàn)通話中斷的情況，當(dāng)信號接收強度在-90dBm到-100dBm之間，為最小可用信號[16]。本文通過設(shè)置信號強度閾值來輔助越區(qū)切換。以下是對提出的改進(jìn)算法的具體闡述。

高鐵環(huán)境下，基站延鐵路線呈帶狀分布，每個小區(qū)的相鄰小區(qū)是固定的。因此只要確定列車的行進(jìn)方向，即可判斷出要切換的目標(biāo)小區(qū)[17]。在列車的運行過程中，列車會上報測量信息，其中包括列車車次號、當(dāng)前服務(wù)小區(qū)的測量信息、速度以及位置等信息。通過對列車運行過程中的上報信息來確定列車的前進(jìn)方向。判斷出運行方向后，鎖定前向小區(qū)，在到達(dá)小區(qū)邊緣的時候，服務(wù)小區(qū)基站向目標(biāo)小區(qū)發(fā)出切換請求。

列車在運行中上報當(dāng)前服務(wù)小區(qū)的信號接收強度，當(dāng)前服務(wù)基站產(chǎn)生波束賦形的增益，同時向目標(biāo)基站發(fā)出切換請求。目標(biāo)基站收到切換請求后，向服務(wù)基站下發(fā)切換要求，同時也針對邊緣區(qū)域產(chǎn)生波束賦形的增益，隨著列車的運行，目標(biāo)基站信號強度滿足通信質(zhì)量的要求后，逐步恢復(fù)為正常工作模式。

切換算法步驟：

（1）UE上報測量信息，包含列車車次號，當(dāng)前的列車時速，當(dāng)前服務(wù)小區(qū)信息。

（2）根據(jù)上報的列車車次號鎖定目標(biāo)小區(qū)，服務(wù)小區(qū)eNodeB根據(jù)上報信息實時監(jiān)測列車接收的信號強度，當(dāng)下降到波束賦形閾值時，產(chǎn)生波束賦形增益，同時向目標(biāo)小區(qū)發(fā)出切換請求。

（3）目標(biāo)小區(qū)接收到切換請求后，下發(fā)切換要求，向服務(wù)小區(qū)方向產(chǎn)生波束賦形增益。列車接收到的信號強度差值滿足切換遲滯后，進(jìn)行越區(qū)切換。

（4）切換完成后，服務(wù)小區(qū)和目標(biāo)小區(qū)的波束賦形增益降低。

（5）列車駛過切換區(qū)間后，基站恢復(fù)原有的工作模式。

3 切換性能分析

在實驗中，仿真的時間間隔為？駐t，列車時速為v。所以構(gòu)成了測量上報位置的函數(shù)x。

同一基站可在不同的工作狀態(tài)下產(chǎn)生不同的增益Ga1和Ga2。本文的切換策略如表1所示。

（3）式和（4）式中的路徑損耗公式采取文獻(xiàn)[18]中給出的COST231-Hata模型。因為我國大多數(shù)高速鐵路的環(huán)境為開闊地的高架橋場景，所以（5）式中的相關(guān)參數(shù)設(shè)置均采用鄉(xiāng)村開闊地模型進(jìn)行設(shè)置[19]。

為了驗證切換算法的有效性，我們用切換中斷概率以及切換觸發(fā)概率和切換成功率來對改進(jìn)方法和傳統(tǒng)切換方法進(jìn)行比較。

切換成功概率：在切換過程中，利用式（7）和式（8）可以分別得出服務(wù)基站和目標(biāo)基站的中斷概率，要保證越區(qū)切換的成功發(fā)生，就要保證兩個基站都有可靠的通話連接，并觸發(fā)切換過程，推導(dǎo)可得：

圖2是改進(jìn)方法的列車位置與服務(wù)基站和目標(biāo)基站的信號功率關(guān)系圖。從圖中可以看到列車在運行過程中，當(dāng)服務(wù)基站的信號下降到-90dBm的時候，服務(wù)基站的信號功率有所提升，目標(biāo)基站的信號功率相繼有了較大的躍升，在1.4Km的時候，目標(biāo)基站的信號功率下降，防止信號強度突變以及節(jié)省發(fā)射功率，服務(wù)基站信號功率同時降低，防止乒乓切換的發(fā)生。在1.7Km的時候都恢復(fù)為全向天線，這使得列車在運行過程中接收到的信號功率可以始終保持在一個較好的強度，從而避免通信中斷。

圖3為目標(biāo)基站的中斷概率與列車位置的關(guān)系仿真結(jié)果圖，改進(jìn)方法中，服務(wù)基站先進(jìn)行了波束賦形增益，增強的信號對目標(biāo)基站的信號出現(xiàn)了一定的干擾，隨著目標(biāo)基站的信號功率的提高，目標(biāo)基站的中斷概率快速下降，有效降低了切換區(qū)間的中斷概率。使得切換過程適當(dāng)?shù)奶崆啊?/p>

圖4為列車位置與切換觸發(fā)概率的關(guān)系圖，改進(jìn)后的算法相比傳統(tǒng)算法切換觸發(fā)概率有了明顯的提高，尤其在目標(biāo)基站的信號功率提高后，有了明顯的提升，并且切換觸發(fā)位置有了一定的提前，這也讓服務(wù)基站的信號功率得到了保證。

圖5為列車位置與切換成功概率的關(guān)系圖，改進(jìn)后的算法使得切換成功概率有較大的提升，在1.5Km的時候，改進(jìn)的切換算法已經(jīng)可以達(dá)到95%以上的切換成功概率，而傳統(tǒng)切換算法的切換成功概率還在70%左右?？梢宰C明在切換過程中，基于信號接收功率的波束賦形技術(shù)，使得切換全程都有比較好的信號強度覆蓋，比較好的抑制了通信中斷的發(fā)生，提高了越區(qū)切換的成功概率。

4 結(jié)束語

針對LTE應(yīng)用于高速鐵路中所出現(xiàn)的諸如切換成功率不高的問題，提出的基于信號接收功率的波束賦形的LTE-R切換算法。

（1）改進(jìn)算法的信號接收功率在切換區(qū)間要高于傳統(tǒng)切換算法，有效地降低了切換中斷概率。

（2）切換觸發(fā)位置相應(yīng)的提前，使得切換觸發(fā)概率有了明顯的提升，縮短了切換區(qū)間的長度。

仿真實驗的結(jié)果表明，波束賦形在高速鐵路切換場景中的引入，針對不同的信號接收功率進(jìn)行適時調(diào)整，明顯改善了切換時的成功概率。在切換區(qū)間內(nèi)，改進(jìn)切換算法的中斷概率和切換觸發(fā)概率都要優(yōu)于傳統(tǒng)的切換算法。

參考文獻(xiàn)：

[1]UIC.LTE/SAE-The Future Railway Mobile Radio System Long-Term Versions on Railway Mobile Radio Technologies[S].Pairs：UIC，2009.

[2]李棟.不同制式LTE技術(shù)的高鐵場景適應(yīng)性比較研究[J].鐵道工程學(xué)報，2016，33（07）：64-70.

[3]杜濤.基于LTE的高速鐵路越區(qū)切換方案優(yōu)化研究[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2018.

[4]王柯.高鐵環(huán)境下基于波束賦形技術(shù)的無縫雙鏈路切換方案研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2019.

[5]羅萬團(tuán).高移動環(huán)境下的高性能切換和多天線技術(shù)研究[D].西南交通大學(xué)，2014.

[6]李德威，陳永剛.基于速度動態(tài)函的LTE-R越區(qū)切換優(yōu)化算法[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2016（11）：143-147.

[7]鐘章隊，艾渤，官科，等.高速鐵路場景無線信道理論與方法研究[J].北京交通大學(xué)學(xué)報，2016（04）：65-69.

[8]蘇佳麗，伍忠東，丁龍斌，等.基于IGWO-RBF的LTE-R切換算法研究[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2020，56（08）：74-80.

[9]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(xué)報，2015，12：2852-2857.

[10]Lin Tian，Yiqing Zhou，Juan Li，et al.A Novel Handover Scheme for Seamless Wireless Connectivity in High-Speed Rail[C]//IEEE 7th International Conference on Wireless and Mobile Computing， Networking and Communications，2011.

[11]ChongzheYang， Linghui Lu， Cheng Di，et al.An On-vehicle Dual-antenna Handover Scheme for High-Speed Railway Distributed Antenna System[J]. Wireless Communications，Networking and Mobile Computing Conference，2010：1-5.

[12]Meng Cheng，Xuming Fang.Location information-assisted opportunistic beamforming in LTE system for high-speed railway[J].EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking，2012（01）：1-7.

[13]方旭明，崔亞平，閆莉，等.高速鐵路移動通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的演進(jìn)與發(fā)展[J].電子與信息學(xué)報，2015（01）：226-235.

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

[15]邵健，曾召華.LTE-R系統(tǒng)的雙流波束賦形方案設(shè)計與研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2016（08）：147-151.

[16]Theodore S.Rappaport-Wireless Communications Principles and Practice Second Edition[M].Publishing House of Electronics Industry，2012.

[17]凌啟東，張雷，王鴻磊，等.高鐵環(huán)境下LTE-R快速切換算法[J].計算機(jī)工程與設(shè)計，2018（11）：3333-3339.

[18]馬建成.天水市NB_IoT網(wǎng)絡(luò)傳播模型校正及其覆蓋性能研究[D]蘭州：蘭州大學(xué)，2019.

[19]馮楠.LTE-R帶狀覆蓋方式下的干擾與可靠性分析[D].北京：北京交通大學(xué)，2019.

[20]陳鵬，米根鎖，羅森.高速鐵路 LTE-R 改進(jìn)切換算法的研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2018，62（5）：150-154.