杜　濤,陳永剛,李德威

(1.蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)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(guó)高鐵技術(shù)的快速發(fā)展，GSM-R在高速、高質(zhì)量傳輸方面表現(xiàn)出越來(lái)越多的局限性?？紤]到市場(chǎng)需求、技術(shù)更新以及高速環(huán)境下切換成功率的要求，長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)基本上被確認(rèn)為下一代鐵路無(wú)線通信技術(shù)，即LTE-R[1-2]。

LTE-R能解決鐵路旅客移動(dòng)信息服務(wù)的需求，提供列車視頻在線監(jiān)控，列車運(yùn)行監(jiān)控，以及原GSM-R的幾乎所有功能等等，確保鐵路運(yùn)行安全。其中，切換技術(shù)是高速鐵路寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)，在列車跨越小區(qū)時(shí)通過(guò)及時(shí)切換能保證會(huì)話的持續(xù)連接，從而提升整個(gè)通信系統(tǒng)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(guò)程容易出現(xiàn)掉話的可能。因此，在列車高速運(yùn)行下，研究如何降低無(wú)線鏈路失效率，提高切換成功率，使其能夠更有效地觸發(fā)切換變得十分有意義。

文獻(xiàn)[3]主要對(duì)高鐵LTE的網(wǎng)絡(luò)覆蓋進(jìn)行研究，同時(shí)又對(duì)高鐵LTE專網(wǎng)的切換策略進(jìn)行了分析研究，最后通過(guò)實(shí)測(cè)效果證明了所提方案的有效性。文獻(xiàn)[4]是基于測(cè)量參考信號(hào)接收功率(RSRP)來(lái)研究切換策略，討論改變速度和傳輸功率對(duì)于切換的影響，但忽略了切換遲滯的影響，也沒(méi)有給出具體的評(píng)判指標(biāo)。文獻(xiàn)[5]是基于速度的切換優(yōu)化方案，提出對(duì)不同速度的用戶設(shè)置不同的切換遲滯參數(shù)值，提高了用戶切換成功率。文獻(xiàn)[6-7]提出利用車載雙天線實(shí)現(xiàn)無(wú)縫切換，其核心思想為：在列車的車頭和車尾各布置一個(gè)接收天線，當(dāng)車頭天線執(zhí)行切換時(shí)，車尾天線負(fù)責(zé)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(xiàn)[8]提出了一種功率-距離算法對(duì)切換進(jìn)行優(yōu)化，它消除了對(duì)列車速度的依賴性，也降低了系統(tǒng)處理能力，但是忽略了列車速度對(duì)切換遲滯與觸發(fā)時(shí)間的影響。

因此，如何改進(jìn)切換判決算法，找到確切的切換觸發(fā)點(diǎn)以增加切換的成功概率，從而提高切換性能，以達(dá)到保障通信質(zhì)量與服務(wù)需求的目的，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2　重疊覆蓋問(wèn)題的研究

高鐵LTE網(wǎng)絡(luò)不同于一般的LTE公用網(wǎng)絡(luò)，由于高速鐵路呈線狀覆蓋，加之現(xiàn)行列車會(huì)有比較大的提速，決定了高鐵專網(wǎng)的特殊性，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能適應(yīng)高鐵網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需求，因此，需要重新進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。

隨著列車運(yùn)行速度的不斷提升，列車將在更短的時(shí)間內(nèi)跨越重疊區(qū)，這將導(dǎo)致越區(qū)切換的頻繁發(fā)生，要求重疊區(qū)的長(zhǎng)度必須保證列車在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成切換，一般切換帶的長(zhǎng)度需要滿足列車進(jìn)行兩次及以上切換的距離[9]。

合理的重疊區(qū)覆蓋不僅要做到節(jié)省資源，而且要保證列車的正常切換，這是因?yàn)槿绻鹃g間距太小，會(huì)使得覆蓋鐵路沿線的基站數(shù)目增多，增大了建設(shè)成本，而且容易造成信號(hào)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(jù)列車的速度和切換速度對(duì)重疊區(qū)長(zhǎng)度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，能夠保障切換的順利進(jìn)行，繼而通過(guò)優(yōu)化切換策略，提高切換成功率并避免乒乓切換現(xiàn)象的發(fā)生。

兩基站間的重疊覆蓋區(qū)域示意如圖1所示。

圖1　兩基站之間重疊區(qū)示意

其中，A為重疊區(qū)切換帶長(zhǎng)度，B為重疊區(qū)過(guò)渡帶長(zhǎng)度。

顯然，重疊區(qū)的長(zhǎng)度L為

L=(A+B)×2

(1)

本文首先對(duì)重疊區(qū)的規(guī)劃進(jìn)行簡(jiǎn)單的闡述，并做出理論的推導(dǎo)。

2.1　基站間距的規(guī)劃

高鐵覆蓋規(guī)劃目標(biāo)基于RSRP≥-110 dBm進(jìn)行預(yù)算[10]。假設(shè)基站的覆蓋范圍大小為L(zhǎng)cover，則基站間距

H=2×Lcover-L

(2)

2.2　過(guò)渡區(qū)段B的規(guī)劃

假設(shè)兩基站同屬一個(gè)MME，來(lái)自服務(wù)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(biāo)eNodeB的RSRP為

RSRPj=PteNodeB-PLj-α(j)

(4)

選取山地路徑損耗模型，當(dāng)列車運(yùn)行至基站間d米處時(shí)[11]

PLi=26.57+34.73logd

(5)

PLj=26.57+34.73log(H-d)

(6)

為了發(fā)生切換，目標(biāo)基站和服務(wù)基站的傳輸功率之差必須滿足切換余量，假設(shè)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(biāo)準(zhǔn)差一致，因此可以忽略陰影衰落的影響，聯(lián)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(jié)合圖1可得過(guò)渡區(qū)的長(zhǎng)度為

B=d-H/2

(9)

2.3　切換帶的規(guī)劃

一般來(lái)說(shuō)，切換帶的長(zhǎng)度必須要使列車進(jìn)行兩次及以上的切換。則切換帶的長(zhǎng)度A規(guī)劃為

A=v×(t1+t2+t3)×2

(10)

其中，t1為生成測(cè)量報(bào)告的時(shí)間；t2為觸發(fā)時(shí)延；t3為執(zhí)行時(shí)延。

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

3　切換優(yōu)化算法的研究

目前應(yīng)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(lián)合判決算法，該算法綜合比較了二者參數(shù)，具有較好的切換效率，但同時(shí)也存在著對(duì)不同速度采取不同動(dòng)態(tài)遲滯Hys和觸發(fā)時(shí)延TTT的問(wèn)題，容易導(dǎo)致乒乓切換(PPHO)和無(wú)線鏈路失效(RLF)；第二種是基于速度信息的切換方法，通過(guò)對(duì)速度進(jìn)行分級(jí)，在低速、中速和高速選擇不同的動(dòng)態(tài)遲滯，但是采用相同的觸發(fā)時(shí)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(duì)于切換的判斷比較簡(jiǎn)潔，但是由于無(wú)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(duì)基于列車速度V的切換遲滯Hys進(jìn)行線性擬合，得到遲滯Hys與列車速度V的最佳函數(shù)匹配，以便獲得實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)遲滯，提高切換成功率。

3.1　基于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)遲滯的切換方案

Step1 選擇高鐵環(huán)境較為復(fù)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(jù)3種速度對(duì)應(yīng)的不同的切換遲滯，易得到3種速度對(duì)應(yīng)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(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到切換遲滯Hys與列車速度V的最佳函數(shù)匹配。

Step4 對(duì)于不同的速度選擇不同的測(cè)量上報(bào)周期。列車速度V和上報(bào)周期Tu的關(guān)系如表1所示。

Step5TTT為Tm的整數(shù)倍，利用基于統(tǒng)計(jì)特性觸發(fā)的算法[14]，當(dāng)滿足A3事件觸發(fā)準(zhǔn)則時(shí)

Mn-Hys≥Mp+Off

注：α為濾波參數(shù)；Tm為測(cè)量周期；Tu為上報(bào)周期。

則使測(cè)量報(bào)告的統(tǒng)計(jì)值N加1(N=N+1)，若不滿足，則繼續(xù)等待下一個(gè)測(cè)量報(bào)告。

Step6 若滿足，eNodeB向UE發(fā)送切換命令，觸發(fā)切換。

3.2　越區(qū)切換性能分析

切換流程可以分為3個(gè)階段：切換測(cè)量、切換判決和切換執(zhí)行。

(1)在測(cè)量階段，當(dāng)用戶終端駐留于某個(gè)服務(wù)區(qū)時(shí)，終端的檢測(cè)機(jī)制會(huì)對(duì)這一時(shí)刻所在小區(qū)的信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量，之后周期性地上傳到基站，用于基站實(shí)時(shí)地獲得終端的信號(hào)質(zhì)量，由此根據(jù)山地信道模型得到式(3)和式(4)；接著，需要對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行層三濾波處理。圖2為層三濾波流程。

注：Tm為測(cè)量周期；Tu為上報(bào)周期。圖2　層三濾波流程

列車在切換觸發(fā)判斷之前進(jìn)行層三濾波，是為了消除因信道突變或測(cè)量誤差所帶來(lái)的測(cè)量值變化的不穩(wěn)定性，層三濾波規(guī)則如下

Fn=(1-α)Fn-1+αMn，α=1/2(k/4)

(12)

其中，F(xiàn)n為本次濾波計(jì)算結(jié)果；Fn-1為上一時(shí)刻計(jì)算的平均濾波測(cè)量結(jié)果；Mn為經(jīng)過(guò)層一濾波后的測(cè)量值；α為層三濾波因子。

經(jīng)上式運(yùn)算得到的Fn即為測(cè)量報(bào)告的生成值。

(2)在切換判決階段，當(dāng)列車生成測(cè)量報(bào)告后，需要根據(jù)測(cè)量報(bào)告判斷是否滿足切換的觸發(fā)條件。列車在某一時(shí)刻的切換觸發(fā)率為

Phandover=P(Mn-Hys≥Mp+Off)

(13)

(3)在切換執(zhí)行階段，必須保證在切換過(guò)程中信號(hào)不發(fā)生中斷，也就是說(shuō)接收信號(hào)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(shè)置必須保證列車進(jìn)行兩次及以上的切換，假設(shè)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(fā)射功率；Ii為列車在i小區(qū)運(yùn)行時(shí)受到的同頻干擾。

3.3　無(wú)線鏈路失效

RLF判決方法[11]是根據(jù)UE通過(guò)比較Qout和Qin來(lái)進(jìn)行的。Qout和Qin分別表示不能建立可靠下行無(wú)線鏈路的門限值和能夠建立可靠下行無(wú)線鏈路的門限值，分別對(duì)應(yīng)10%的誤塊率(BLER)和2%的BLER。在第一個(gè)階段，UE會(huì)設(shè)定一個(gè)固定的檢測(cè)周期，定期地檢測(cè)當(dāng)前服務(wù)小區(qū)的下行無(wú)線鏈路的質(zhì)量，當(dāng)檢測(cè)到物理下行控制信道(PDCCH)的BLER大于門限值Qout時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，如果在整個(gè)T310計(jì)時(shí)器設(shè)置的時(shí)間段內(nèi)始終高于門限Qin以上時(shí)，將會(huì)觸發(fā)RLF事件。當(dāng)然，在第二個(gè)階段，如果UE能夠在T311計(jì)時(shí)器設(shè)置的時(shí)間內(nèi)重新建立連接，則UE將重新進(jìn)入激活狀態(tài)。

其中：T310表示BLER大于門限Qout事件后開(kāi)啟的計(jì)時(shí)器，用于判定是否發(fā)生RLF，T310設(shè)置的時(shí)間為500 ms。T311表示發(fā)生無(wú)線鏈路失效后能夠重新建立RRC連接的計(jì)時(shí)器，同樣地，T311設(shè)置的時(shí)間為500 ms。

4　仿真驗(yàn)證

4.1　仿真參數(shù)的設(shè)置

仿真參數(shù)的設(shè)置如表2所示。

表2　仿真參數(shù)配置

4.2　仿真結(jié)果及分析

圖3　兩基站間信號(hào)強(qiáng)度的比較

圖3是兩個(gè)基站間信號(hào)強(qiáng)度差值圖，從圖3可以看出，隨著列車由源基站向目標(biāo)基站移動(dòng)，列車接收到兩個(gè)基站的信號(hào)差值越來(lái)越大，當(dāng)選擇某一遲滯Hys時(shí)，信號(hào)差值會(huì)在某一點(diǎn)處穿過(guò)遲滯線[16]，即滿足A3事件，得到切換觸發(fā)點(diǎn)的位置，再根據(jù)PPHO及RLF等評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)不用的遲滯Hys進(jìn)行綜合比較，得到更準(zhǔn)確的觸發(fā)切換點(diǎn)。

圖4為不同速度、不同動(dòng)態(tài)遲滯Hys下無(wú)線鏈路失效率(RLF)的比較，由圖4可以看出，當(dāng)速度V為120 km/h時(shí)，遲滯Hys為4 dB時(shí)RLF最小，當(dāng)Hys為3 dB時(shí)稍高，但是考慮到觸發(fā)時(shí)延TTT及切換執(zhí)行時(shí)延，選擇Hys為3 dB；當(dāng)速度V為250 km/h時(shí)，Hys選擇為2 dB;當(dāng)速度為350 km/h時(shí)，Hys為1 dB時(shí)RLF最小，但是考慮到遲滯選擇過(guò)小易導(dǎo)致PPHO，所以Hys選擇為1.5 dB；當(dāng)速度為0時(shí)，切換遲滯門限的上限設(shè)置為5 dB。根據(jù)以上數(shù)據(jù)利用最小二乘法得到速度V與切換遲滯Hys的關(guān)系，如圖5所示。

在列車速度0～350 km/h范圍內(nèi)，分別對(duì)基于動(dòng)態(tài)遲滯的算法與傳統(tǒng)算法進(jìn)行切換成功率的仿真比較，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖4　不同速度、不同遲滯下RLF的比較

圖5　動(dòng)態(tài)遲滯與列車速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖6　兩種算法的成功率比較

由圖6可以看出，當(dāng)列車速度較低時(shí)，傳統(tǒng)算法與改進(jìn)算法的切換成功率都保持較高水平，然而當(dāng)列車速度在200～350 km/h時(shí)，現(xiàn)行算法的切換成功率有較快下降的趨勢(shì)，而基于動(dòng)態(tài)遲滯的切換算法成功率下降趨勢(shì)較小，而且在高速時(shí)依然能夠滿足鐵路無(wú)線網(wǎng)絡(luò)切換成功率的要求。

5　結(jié)論

本文主要討論了基于列車速度和接收信號(hào)質(zhì)量(RSRP)的越區(qū)切換判決算法，強(qiáng)調(diào)列車速度對(duì)于切換判決各項(xiàng)參數(shù)的影響，進(jìn)而提出一種基于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)遲滯的判決算法。首先對(duì)重疊區(qū)的規(guī)劃做了理論的推導(dǎo)，為之后切換遲滯的選擇提供了有力的依據(jù)；之后對(duì)不同的速度采用不同的切換遲滯參數(shù)，并計(jì)算該遲滯下和的大小，得到對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)遲滯，然后利用最小二乘法得到列車速度與切換遲滯的實(shí)時(shí)匹配函數(shù)。相比于現(xiàn)行的算法，實(shí)時(shí)變化的切換參數(shù)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(duì)于不同的地形條件，為了不影響切換性能，濾波參數(shù)等需隨之變化，因此研究濾波參數(shù)的變化也是十分重要的。

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