基于速度動態函的LTE-R越區切換優化算法

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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基于速度動態函的LTE-R越區切換優化算法

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)

傳統的LTE-R越區切換算法，采用固定切換遲滯門限和延遲觸發時間的切換算法。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對QoS大于99.5%的要求。通過對切換流程、測量參數、控制參數的分析，提出一種基于速度動態函數的越區切換優化算法。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。仿真結果表明:基于橢圓函數的LTE-R越區切換優化算法，既保證了列車在中高速運行時，越區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；延遲觸發時間；切換成功率

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

LTE-R相對于現有的GSM-R技術有許多優點：其一，扁平化的結構更方便網絡的修改優化；其二，多天線技術的應用，能夠提高系統容量與傳輸速率；其三，為列車在線視頻回傳、在線運行監控、在線維修檢測提供了通信基礎[2]。

鐵路通信系統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，提高列車越區切換的成功率，提高系統的可靠性成為研究重點。文獻[3]建立了LTE-R與GSM-R的Petri網模型，通過數學分析對比指出，列車在高速行駛時LTE-R系統切換成功率會明顯降低。國內外對LTE-R越區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進行優化研究，但這些方案普遍存在著移動終端運動速度較慢，不適應高速鐵路場景的應用；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切換，或者直接把重疊區中點作為切換點，這種方案雖然能夠提高越區切換的成功率，但是由于無線信道的劇烈變化，實用價值并不大；文獻[10-11]是基于預承載的方式，根據列車位置、速度和方向等信息，縮短切換時延，提高了切換成功率。

本文從應用動態函數的角度出發，提出了一種基于速度動態函數的越區切換優化算法，通過對運用3種不同動態函數對切換遲滯門限(Handover Hysteretic Threshold，HHT)和延遲觸發時間(Time To Trigger，TTT)進行動態調整，以達到在中高速運行狀態下，提高越區切換成功率，在中低速運行狀態下，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 重疊覆蓋區規劃

無線網絡規劃對越區切換起著重要作用，合理的重疊區規劃，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生[12]。基站間間距的確定，首先要計算基站的覆蓋范圍。然后根據滿足最大設計時速運行下，列車能夠滿足2次越區切換的距離，即列車移動終端(UE)在第一次越區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，根據切換門限確定過渡區的長度B，如圖1所示。

圖1 兩基站間重疊區示意

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。鐵路環境復雜，有山區、高架橋、平原、城區等等。選取無線信號變化較為復雜的山地模型。其中信道模型表達式為PL(d)=27.0+32.3log(d)+Xσ(σ=3.34)[13]。

表1列出了不同設計速度下切換帶的長度、過渡區長度、以及兩基站間距。

表1 不同設計速度下的基站間距 m

2 基于速度動態函數的自適應優化算法

傳統切換算法是基于RSRP、RSRQ固定切換遲滯容限，并延遲觸發的A3切換算法。但是當列車速度比較高時，傳統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函數，對算法控制參數進行動態調整。當速度較高時，適當降低切換遲滯門限和延遲觸發時間，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時間，保證列車低速運行時乒乓切換事件頻率較低。動態函數選用3種具有代表性的函數，即反函數、一次函數、橢圓函數，對切換遲滯門限和延遲觸發時間進行動態調整。選用這3種具有代表性的函數，是因為這3種函數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時間的減少。而且這3種函數當速度增加時，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變化曲線。此外選取較簡單的函數，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種動態函數表現形式分別為

一次函數 y=ax+b

3 切換成功率和理論允許切換次數分析

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，觸發判斷，和切換執行3個過程。

3.1 測量報告的生成

假設兩基站間距為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定性，從而削弱切換過程中存在的切換誤判和乒乓效應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，Fn代表本次濾波計算結果；Fn-1代表前一個測量周期報告的濾波測量結果；Mn代表經過層一濾波后的測量值(B點)；α定義為層三濾波因子[2]。

經過運算后，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條件。

第一次觸發判斷公式[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為延遲觸發時間，延遲后判斷公式

(5)

所以切換過程中的觸發率

(6)

3.3 切換執行過程

當列車經過延遲觸發后，若仍然滿足切換條件，則執行切換。執行過程中，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行率公式

(7)

其中，x1為基站執行切換命令時的位置；t2為切換執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

重疊區切換帶的設置，通常是按照列車最大設計運行時速下，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定義為理論切換次數。所以當列車按照不同速度在切換帶行駛時，理論允許切換次數不同。理論切換次數過高，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

(12)

其中，n為理論切換次數；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為延遲觸發時間；t3為切換執行時間。

4 仿真驗證

4.1 仿真參數的配置

仿真參數配置如表2所示。

表2 仿真參數配置

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境下列控業務和非列控業務的需求，對于接收電平還需要設計必要的保護余量，以對抗各種衰落和干擾，機車臺的保護余量設計見表3。

根據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務和非列控業務時，機車臺的最小接收電平分別為-82.5 dBm和-84.5 dBm[15]。

表3 機車臺保護余量設計

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

表4 不同函數與HHT、TTT的控制參數

4.2 仿真結果

圖4、圖5是不同速度下，不同動態函數與切換遲滯門限HHT、延遲觸發時間TTT的關系仿真圖。由圖4可知，3種動態函數隨著速度的增加，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函數。既提高了中高速情境下，越區切換的成功率，又保證了中低速情境下，維持一個較低的乒乓切換次數。圖5，除了延遲觸發時間必須是測量周期的整數倍之外，其余與圖4同理。

圖4 不同速度V不同動態函數與HHT的變化關系

圖5 不同速度V不同動態函數與TTT的變化關系

在列車速度0～360 km/h范圍內，分別對3種算法與傳統算法進行切換成果率和理論切換次數的仿真比較，仿真結果如圖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的比較

由圖6可知，當列車在高速(250～360 km/h)運行時，傳統算法下越區切換成功率低于99.5%，不滿足我國鐵路現行無線通信系統QoS技術對越區切換率大于99.5%的要求[3]，而3種改進后的切換算法，越區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，和觸發率來提高越區切換成功率，但在中低速運行時，橢圓函數理論允許切換次數變化不大，觸發門限值相對較高。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切換需求。

5 結語

本文從動態調整切換遲滯門限和延遲觸發時間的角度出發，提出了一種基于速度動態函數的改進切換算法。動態函數選取3種典型的函數，反函數、一次函數、橢圓函數進行仿真比較。首先對3種函數動態調整切換遲滯門限和延遲觸發時間進行比較，進而仿真分析3種改進切換算法與傳統切換算法下，切換成功率和理論允許切換次數比較。仿真結果表明，基于橢圓函數的LTE-R越區切換優化算法，既保證了列車在中高速運行時，越區切換成功率有著明顯提升，滿足我國鐵路現行無線通信系統QoS技術對越區切換率大于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，基于橢圓函數的LTE-R越區切換優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系統在鐵路的應用中，提供了必要的技術支持。

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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