基于實時動態遲滯的LTE-R切換算法優化研究

杜　濤,陳永剛,李德威

(1.蘭州交通大學自動化與電氣工程學院,蘭州　730070； 2.中車青島四方車輛研究所,青島　266031)

1　概述

隨著我國高鐵技術的快速發展，GSM-R在高速、高質量傳輸方面表現出越來越多的局限性。考慮到市場需求、技術更新以及高速環境下切換成功率的要求，長期演進(LTE)基本上被確認為下一代鐵路無線通信技術，即LTE-R[1-2]。

LTE-R能解決鐵路旅客移動信息服務的需求，提供列車視頻在線監控，列車運行監控，以及原GSM-R的幾乎所有功能等等，確保鐵路運行安全。其中，切換技術是高速鐵路寬帶移動通信系統研究的關鍵技術，在列車跨越小區時通過及時切換能保證會話的持續連接，從而提升整個通信系統的有效性和可靠性。切換又可分為“硬切換”和“軟切換”兩種，由于LTE采用“先斷后切”的硬切換方式，使得切換過程容易出現掉話的可能。因此，在列車高速運行下，研究如何降低無線鏈路失效率，提高切換成功率，使其能夠更有效地觸發切換變得十分有意義。

文獻[3]主要對高鐵LTE的網絡覆蓋進行研究，同時又對高鐵LTE專網的切換策略進行了分析研究，最后通過實測效果證明了所提方案的有效性。文獻[4]是基于測量參考信號接收功率(RSRP)來研究切換策略，討論改變速度和傳輸功率對于切換的影響，但忽略了切換遲滯的影響，也沒有給出具體的評判指標。文獻[5]是基于速度的切換優化方案，提出對不同速度的用戶設置不同的切換遲滯參數值，提高了用戶切換成功率。文獻[6-7]提出利用車載雙天線實現無縫切換，其核心思想為：在列車的車頭和車尾各布置一個接收天線，當車頭天線執行切換時，車尾天線負責與基站的通信，從而有效地降低了硬切換期間的通信中斷。文獻[8]提出了一種功率-距離算法對切換進行優化，它消除了對列車速度的依賴性，也降低了系統處理能力，但是忽略了列車速度對切換遲滯與觸發時間的影響。

因此，如何改進切換判決算法，找到確切的切換觸發點以增加切換的成功概率，從而提高切換性能，以達到保障通信質量與服務需求的目的，具有重要的現實意義。

2　重疊覆蓋問題的研究

高鐵LTE網絡不同于一般的LTE公用網絡，由于高速鐵路呈線狀覆蓋，加之現行列車會有比較大的提速，決定了高鐵專網的特殊性，現有的網絡已經不能適應高鐵網絡發展的需求，因此，需要重新進行規劃設計。

隨著列車運行速度的不斷提升，列車將在更短的時間內跨越重疊區，這將導致越區切換的頻繁發生，要求重疊區的長度必須保證列車在規定的時間內完成切換，一般切換帶的長度需要滿足列車進行兩次及以上切換的距離[9]。

合理的重疊區覆蓋不僅要做到節省資源，而且要保證列車的正常切換，這是因為如果基站間間距太小，會使得覆蓋鐵路沿線的基站數目增多，增大了建設成本，而且容易造成信號間干擾的增加，而基站間間距太大，又不能滿足正常的切換距離的需求。因此，根據列車的速度和切換速度對重疊區長度進行合理設計，能夠保障切換的順利進行，繼而通過優化切換策略，提高切換成功率并避免乒乓切換現象的發生。

兩基站間的重疊覆蓋區域示意如圖1所示。

圖1　兩基站之間重疊區示意

其中，A為重疊區切換帶長度，B為重疊區過渡帶長度。

顯然，重疊區的長度L為

L=(A+B)×2

(1)

本文首先對重疊區的規劃進行簡單的闡述，并做出理論的推導。

2.1　基站間距的規劃

高鐵覆蓋規劃目標基于RSRP≥-110 dBm進行預算[10]。假設基站的覆蓋范圍大小為Lcover，則基站間距

H=2×Lcover-L

(2)

2.2　過渡區段B的規劃

假設兩基站同屬一個MME，來自服務eNodeB的RSRP被定義為

RSRPi=PteNodeB-PLi-α(i)

(3)

其中，PteNodeB為基站的傳輸功率；PLi為路徑損耗；α(i)為陰影衰落。同理可得目標eNodeB的RSRP為

RSRPj=PteNodeB-PLj-α(j)

(4)

選取山地路徑損耗模型，當列車運行至基站間d米處時[11]

PLi=26.57+34.73logd

(5)

PLj=26.57+34.73log(H-d)

(6)

為了發生切換，目標基站和服務基站的傳輸功率之差必須滿足切換余量，假設切換遲滯為Hys，則切換條件可以表示為

RSRPj-RSRPi≥Hys

(7)

由于兩基站陰影衰落的標準差一致，因此可以忽略陰影衰落的影響，聯合式(3)～式(7)可得

34.73log(d/H-d)≥Hys

(8)

由上述公式可得到d值，結合圖1可得過渡區的長度為

B=d-H/2

(9)

2.3　切換帶的規劃

一般來說，切換帶的長度必須要使列車進行兩次及以上的切換。則切換帶的長度A規劃為

A=v×(t1+t2+t3)×2

(10)

其中，t1為生成測量報告的時間；t2為觸發時延；t3為執行時延。

此外，高鐵的覆蓋還要考慮到穿透損耗和多普勒效應等因素的影響，研究重疊覆蓋問題可從上述因素及高鐵軌道線狀分布等特性進行分析，對于特殊場景應考慮特殊的覆蓋方案。

3　切換優化算法的研究

目前應用于高鐵的切換方案主要是以下3種：一種是基于RSRP和RSRQ的聯合判決算法，該算法綜合比較了二者參數，具有較好的切換效率，但同時也存在著對不同速度采取不同動態遲滯Hys和觸發時延TTT的問題，容易導致乒乓切換(PPHO)和無線鏈路失效(RLF)；第二種是基于速度信息的切換方法，通過對速度進行分級，在低速、中速和高速選擇不同的動態遲滯，但是采用相同的觸發時延TTT，而且在超高速下切換成功率并不高；第三種是基于位置信息的切換方案[12]，該方案對于切換的判斷比較簡潔，但是由于無線信道的劇烈變化，單純依靠位置信息并不能獲得很好的切換成功率。本文采取基于速度的切換方案，并用最小二乘法對基于列車速度V的切換遲滯Hys進行線性擬合，得到遲滯Hys與列車速度V的最佳函數匹配，以便獲得實時動態遲滯，提高切換成功率。

3.1　基于實時動態遲滯的切換方案

Step1 選擇高鐵環境較為復雜的山地信道模型。

Step2 選擇120、250 km/h和350 km/h分別代表低速、中速和高速3種情況，分別就低速、中速和高速情況選擇不同大小的、變化的切換遲滯Hys。

Step3 根據3種速度對應的不同的切換遲滯，易得到3種速度對應的PPHO和RLF最小、切換效果最佳的Hys值。然后，利用最小二乘法，將得到的數據進行線性擬合，得到切換遲滯Hys與列車速度V的最佳函數匹配。

Step4 對于不同的速度選擇不同的測量上報周期。列車速度V和上報周期Tu的關系如表1所示。

Step5TTT為Tm的整數倍，利用基于統計特性觸發的算法[14]，當滿足A3事件觸發準則時

Mn-Hys≥Mp+Off

注：α為濾波參數；Tm為測量周期；Tu為上報周期。

則使測量報告的統計值N加1(N=N+1)，若不滿足，則繼續等待下一個測量報告。

Step6 若滿足，eNodeB向UE發送切換命令，觸發切換。

3.2　越區切換性能分析

切換流程可以分為3個階段：切換測量、切換判決和切換執行。

(1)在測量階段，當用戶終端駐留于某個服務區時，終端的檢測機制會對這一時刻所在小區的信號質量進行測量，之后周期性地上傳到基站，用于基站實時地獲得終端的信號質量，由此根據山地信道模型得到式(3)和式(4)；接著，需要對接收到的信號進行層三濾波處理。圖2為層三濾波流程。

注：Tm為測量周期；Tu為上報周期。圖2　層三濾波流程

列車在切換觸發判斷之前進行層三濾波，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，層三濾波規則如下

Fn=(1-α)Fn-1+αMn，α=1/2(k/4)

(12)

其中，Fn為本次濾波計算結果；Fn-1為上一時刻計算的平均濾波測量結果；Mn為經過層一濾波后的測量值；α為層三濾波因子。

經上式運算得到的Fn即為測量報告的生成值。

(2)在切換判決階段，當列車生成測量報告后，需要根據測量報告判斷是否滿足切換的觸發條件。列車在某一時刻的切換觸發率為

Phandover=P(Mn-Hys≥Mp+Off)

(13)

(3)在切換執行階段，必須保證在切換過程中信號不發生中斷，也就是說接收信號的信噪比大于給定的門限值，得到切換成功率為[15]

Psuccess=Phandover·P[SINRi≥η]·P[SINRj≥η]

(14)

切換帶的設置必須保證列車進行兩次及以上的切換，假設第一次切換失敗，則第二次切換的成功率為

Psuccess2=(1-Psuccess)·P[SINRi≥η]·

P[SINRj≥η]

(15)

其中，

(16)

Ii=∑PteNodeB·PLi·10εn/10

(17)

其中，N0為熱噪聲密度；BW為信道帶寬；PteNodeB為基站發射功率；Ii為列車在i小區運行時受到的同頻干擾。

3.3　無線鏈路失效

RLF判決方法[11]是根據UE通過比較Qout和Qin來進行的。Qout和Qin分別表示不能建立可靠下行無線鏈路的門限值和能夠建立可靠下行無線鏈路的門限值，分別對應10%的誤塊率(BLER)和2%的BLER。在第一個階段，UE會設定一個固定的檢測周期，定期地檢測當前服務小區的下行無線鏈路的質量，當檢測到物理下行控制信道(PDCCH)的BLER大于門限值Qout時開始計時，如果在整個T310計時器設置的時間段內始終高于門限Qin以上時，將會觸發RLF事件。當然，在第二個階段，如果UE能夠在T311計時器設置的時間內重新建立連接，則UE將重新進入激活狀態。

其中：T310表示BLER大于門限Qout事件后開啟的計時器，用于判定是否發生RLF，T310設置的時間為500 ms。T311表示發生無線鏈路失效后能夠重新建立RRC連接的計時器，同樣地，T311設置的時間為500 ms。

4　仿真驗證

4.1　仿真參數的設置

仿真參數的設置如表2所示。

表2　仿真參數配置

4.2　仿真結果及分析

圖3　兩基站間信號強度的比較

圖3是兩個基站間信號強度差值圖，從圖3可以看出，隨著列車由源基站向目標基站移動，列車接收到兩個基站的信號差值越來越大，當選擇某一遲滯Hys時，信號差值會在某一點處穿過遲滯線[16]，即滿足A3事件，得到切換觸發點的位置，再根據PPHO及RLF等評價指標對不用的遲滯Hys進行綜合比較，得到更準確的觸發切換點。

圖4為不同速度、不同動態遲滯Hys下無線鏈路失效率(RLF)的比較，由圖4可以看出，當速度V為120 km/h時，遲滯Hys為4 dB時RLF最小，當Hys為3 dB時稍高，但是考慮到觸發時延TTT及切換執行時延，選擇Hys為3 dB；當速度V為250 km/h時，Hys選擇為2 dB;當速度為350 km/h時，Hys為1 dB時RLF最小，但是考慮到遲滯選擇過小易導致PPHO，所以Hys選擇為1.5 dB；當速度為0時，切換遲滯門限的上限設置為5 dB。根據以上數據利用最小二乘法得到速度V與切換遲滯Hys的關系，如圖5所示。

在列車速度0～350 km/h范圍內，分別對基于動態遲滯的算法與傳統算法進行切換成功率的仿真比較，仿真結果如圖6所示。

圖4　不同速度、不同遲滯下RLF的比較

圖5　動態遲滯與列車速度的對應關系

圖6　兩種算法的成功率比較

由圖6可以看出，當列車速度較低時，傳統算法與改進算法的切換成功率都保持較高水平，然而當列車速度在200～350 km/h時，現行算法的切換成功率有較快下降的趨勢，而基于動態遲滯的切換算法成功率下降趨勢較小，而且在高速時依然能夠滿足鐵路無線網絡切換成功率的要求。

5　結論

本文主要討論了基于列車速度和接收信號質量(RSRP)的越區切換判決算法，強調列車速度對于切換判決各項參數的影響，進而提出一種基于實時動態遲滯的判決算法。首先對重疊區的規劃做了理論的推導，為之后切換遲滯的選擇提供了有力的依據；之后對不同的速度采用不同的切換遲滯參數，并計算該遲滯下和的大小，得到對應的動態遲滯，然后利用最小二乘法得到列車速度與切換遲滯的實時匹配函數。相比于現行的算法，實時變化的切換參數能夠有效提高列車切換成功率，使切換滿意度得到提升。另外，對于不同的地形條件，為了不影響切換性能，濾波參數等需隨之變化，因此研究濾波參數的變化也是十分重要的。

參考文獻：

[1]夏云琦.鐵路無線通信技術向LTE-R的演進[J].中國鐵路，2012(8):75-76.

[2]曹源，馬連川，張玉琢，等.LTE-R與GSM-R的越區切換成功率比較[J].中國鐵道科學，2013，34(6):117-123.

[3]樊學寶，何春霞.高鐵LTE網絡覆蓋研究[J].移動通信，2016(1):84-90.

[4]Ibrahim E A， Rizk M R M， Badran E F. Study of LTE-R X2 handover based on A3 event algorithm using Matlab[C]∥International Conference on Information and Communication Technology Convergence. IEEE， 2015:1155-1159.

[5]魏珍珍，徐曉，張健，等.LTE中基于移動特性的切換優化[J].通信技術，2010，43(11):134-138.

[6]邸成，方旭明，楊崇哲，等.一種基于車載雙天線的GSM-R冗余網絡無縫切換方案[J].鐵道學報，2012，34(6):51-56.

[7]Tian L， Li J， Huang Y， et al. Seamless Dual-Link Handover Scheme in Broadband Wireless Communication Systems for High-Speed Rail[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2012，30(4):708-718.

[8]Ahmed E， Badran E F， Rizk M R M. A Power-Distance Based Handover Triggering Algorithm for LTE-R Using WINNERII-D2a Channel Model[C]∥The Asia-Pacific Conference on Communications, 2016.

[9]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，2015，37(5):47-51.

[10] 沈愛國.LTE高鐵覆蓋建設方案分析[J].電信快報，2015(6):26-28.

[11] 王華景.高鐵環境下TD-LTE系統切換和切換自優化方法研究[D].北京：北京郵電大學，2015.

[12] Luo W T， Fang 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.

[13] 劉洋.高速鐵路LTE通信系統切換算法和關鍵技術研究[D].北京：北京郵電大學，2015.

[14] Zhang Y， Wu M， Ge S， et al. Optimization of time-to-trigger parameter on handover performance in LTE high-speed railway networks[J]. International Symposium on Wireless Personal Multimedia Communications， 2012:251-255.

[15] 賀臻楨.基于LTE-R的高速移動寬帶通信系統切換技術研究[D].長沙：中南大學，2013.

[16] 黃波.TDD-LTE切換過程與參數優化研究[D].西安：西安電子科技大學，2011.