翟晨輝 梁中華 辛 月 白依夢

（長安大學(xué)信息工程學(xué)院 西安 710064）

1 引言

中國高速鐵路事業(yè)發(fā)展迅速，人民生活水平不斷提高，手機(jī)和其他電子類產(chǎn)品得到普及，列車中乘客需高質(zhì)量及可靠的無線通信服務(wù)［1］。目前，基于鐵路的長期演進(jìn)（Long-Term Evolution for Rail?way，LTE-R）技術(shù)是最新的高速鐵路無線通信標(biāo)準(zhǔn)［2］之一，但在高速移動(dòng)環(huán)境下，仍有許多待解決的問題。如：LTE下行鏈路采用正交頻分復(fù)用多址（Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access，OFDMA）信道編碼方案，因OFDMA對(duì)頻偏非常敏感，造成信號(hào)質(zhì)量不穩(wěn)定；高速移動(dòng)引起的多普勒頻移、信號(hào)快速衰落及車體穿透損耗問題［3］等?，F(xiàn)有很多學(xué)者做大量研究來解決這些問題，在高移動(dòng)性場景下，基于貝葉斯濾波器的信道估計(jì)器［4］在估計(jì)快速時(shí)變信道方面，展現(xiàn)出良好的性能。文獻(xiàn)［5］指出，多普勒補(bǔ)償及利用可有效克服多普勒頻移和解決信號(hào)快速衰落問題。在文獻(xiàn)［6］中作者考慮切換決策算法中接收信號(hào)強(qiáng)度指示符（Received Signal Strength Indictor，RSSI）的標(biāo)準(zhǔn)。在文獻(xiàn)［7］中，考慮將距離測量用于切換決策。對(duì)于對(duì)數(shù)正態(tài)衰落環(huán)境，在文獻(xiàn)［8］和文獻(xiàn)［9］中研究基于信號(hào)強(qiáng)度之間差異的水平交叉切換算法。在文獻(xiàn)［10］中提出一種用于決策策略的自適應(yīng)滯后方案，該方案考慮與切換失敗概率性能相關(guān)的主導(dǎo)因素。在文獻(xiàn)［11］中，研究多個(gè)參數(shù)，例如選擇最佳目標(biāo)小區(qū)時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度與可用帶寬，這可提高切換成功概率，從而減少阻塞。此外，有學(xué)者在文獻(xiàn)［12］中建議安裝雙天線系統(tǒng)處理切換問題，并滿足高效和可靠傳輸?shù)囊?。但是，沒有討論該系統(tǒng)詳細(xì)的切換算法。關(guān)于移交的一些其他相關(guān)研究在文獻(xiàn)［13］和［14］中被提出。在文獻(xiàn)［15］中，基于雙天線無縫切換方案的雙播的機(jī)制被提出，在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［3］提出允許前后天線多次切換的算法，提高基站（Base Station，BS）的切換成功概率。

對(duì)比現(xiàn)有文獻(xiàn)［3］的方案，考慮前天線在滿足前天線與目標(biāo)BS的信號(hào)強(qiáng)度（Rf，j）大于后天線與目標(biāo)BS的信號(hào)強(qiáng)度（Rr，j）的條件下執(zhí)行切換，可提高切換機(jī)會(huì)且切換成功概率較大。本文提出的算法核心是設(shè)置信號(hào)判決（ Rr，j＞ Rf，j），即是否滿足 Rr，j＞ Rf，j，若滿足，則后天線參與切換，與前天線并行執(zhí)行與目標(biāo)BS的網(wǎng)絡(luò)接入。

2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

為減輕穿透損耗并解決群組切換問題，采用兩跳架構(gòu)［15］是一個(gè)合適的選擇。如圖 1［15］所示。

在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，移動(dòng)中繼（Train Relay Sta?tion，TRS）充當(dāng)單個(gè)用戶設(shè)備（User Equipment，UE），與標(biāo)準(zhǔn)長期演進(jìn)方案（Long-Term Evolution，LTE）方案［16］相比，可大大減少切換開銷。此外，這種方式可以更容易地處理高速移動(dòng)環(huán)境下的多徑衰落和多普勒頻移問題［15］。當(dāng)列車進(jìn)入BS的重疊區(qū)域時(shí)，TRS通過安裝在列車頂部的雙天線與BS通信，使高速列車（High-Speed Rail，HSR）確保良好 的 無 線 通 信 服 務(wù) 質(zhì) 量［16］（Quality of Service，QoS）。

圖1 高速環(huán)境下的雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 基于雙天線的基站切換優(yōu)化算法

切換算法的設(shè)計(jì)是保證最佳通信QoS、同時(shí)降低系統(tǒng)中切換負(fù)載的關(guān)鍵一步。本節(jié)結(jié)合第二節(jié)中兩跳架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)及天線接收信號(hào)強(qiáng)度［3］，設(shè)計(jì)切換優(yōu)化算法得到最佳切換機(jī)會(huì)，從而降低通信中斷概率和切換失敗概率。

3.1 信號(hào)模型

采用的數(shù)學(xué)模型［15］，如圖 2［3］所示，L是列車的長度，D是服務(wù)基站BSi和目標(biāo)基站BSj之間的距離，ds是BS與鐵路軌道之間的垂直距離，Overlap表示具有半徑R的相鄰BS之間的重疊長度。Df，i和Df，j分別表示前天線與服務(wù)BS之間的距離、前天線與目標(biāo) BS 之間的距離，Dr，i和 Dr，j分別表示后天線與服務(wù)BS之間的距離、前天線與目標(biāo)BS之間的距離，其中f和r分別表示前天線和后天線。此外，列車位置x是通過前天線與X軸上的原點(diǎn)之間的距離來測量的。

圖2 數(shù)學(xué)模型

Rf，i和 Rf，j分別表示前天線從服務(wù) BS 接收到的信號(hào)強(qiáng)度、從目標(biāo)BS接收到的信號(hào)強(qiáng)度［15］，同理，Rr，i和 Rr，j分別表示后天線從服務(wù) BS 接收到的信號(hào)強(qiáng)度和從目標(biāo)BS接收到的信號(hào)強(qiáng)度。其中，Rf，i的數(shù)學(xué)簡化表達(dá)式如下所示。

c0是常量［3］，c0=10log10(Pd?A?Ω)，γ是路徑損耗系數(shù)，A是常量，其中 dm是傳輸數(shù)據(jù)，L是可解多徑分量的數(shù)量，是J0相關(guān)系數(shù)（第一類零階貝塞爾函數(shù)）［15］，τf，i，l) 是 微 觀 多 徑 分 量 ，τf，i，l是 時(shí) 間 常 數(shù) ，分別是循環(huán)前綴（Cyclic prefix，CP）和有效OFDM符號(hào)持續(xù)時(shí)間，表示最大多普勒頻移，fc是載波頻率，c是光速。是具有正態(tài)分布的陰影衰同理可得：

3.2 基站切換優(yōu)化算法

基于LTE的雙天線基站切換算法［3］，本節(jié)提出一種面向高速鐵路無線通信的改進(jìn)型基站切換優(yōu)化算法。算法流程如圖3所示，前天線在滿足Rf，i＜ Rf，j的原則下執(zhí)行切換，可有效避免無效切換且切換成功率較大。在文獻(xiàn)［3］的基礎(chǔ)上，添加信號(hào)判決，即是否滿足 Rr，j＞ Rf，j，若滿足，則在切換失敗后將后天線加入，與前天線并行完成并行切換。否則前天線繼續(xù)執(zhí)行切換，失敗一次，執(zhí)行判決一次，直到成功完成切換為止。如圖3中灰色標(biāo)記部分，具體細(xì)節(jié)參見本節(jié)步驟⑥，以下是具體切換步驟。

圖3 算法流程圖

3.2.1 切換準(zhǔn)備和初始化

步驟①：TRS定期向服務(wù)BS發(fā)送測量報(bào)告，測量報(bào)告中包含相鄰BS的接受信號(hào)強(qiáng)度等作切換決定必需的信息［3］。注：若切換未完成，TRS可持續(xù)向服務(wù)BS發(fā)送測量報(bào)告。

步驟②：達(dá)到切換標(biāo)準(zhǔn)后，TRS給服務(wù)BS發(fā)送切換觸發(fā)消息［3］。服務(wù)BS以符合切換條件的天線為UE，選擇目標(biāo)BS。然后服務(wù)BS向目標(biāo)BS發(fā)送切換請(qǐng)求消息，目標(biāo)BS收到切換請(qǐng)求消息后，開始做切換準(zhǔn)備。切換準(zhǔn)備包括為UE預(yù)留無線資源等。

步驟③：目標(biāo)BS完成切換準(zhǔn)備后，向服務(wù)BS回復(fù)切換回應(yīng)消息。

3.2.2 切換執(zhí)行階段

步驟④：收到目標(biāo)BS的切換回應(yīng)消息后，服務(wù)BS將切換命令消息發(fā)送給前天線。切換命令消息中包含目標(biāo)BS的相關(guān)信息。

步驟⑤：收到服務(wù)BS發(fā)送的切換命令后，前天線與服務(wù)BS斷開連接，因后天線依然保持著與服務(wù)BS的連接，所以TRS可以通過后天線與服務(wù)BS進(jìn)行通信。

步驟⑥：目標(biāo)BS分配給前天線一個(gè)T304定時(shí)器，前天線必須在T304指定時(shí)間內(nèi)完成網(wǎng)絡(luò)切入。在未觸發(fā)定時(shí)器前，允許前天線在滿足切換請(qǐng)求條件下執(zhí)行首次切換，若失敗，TRS再次發(fā)送測量報(bào)告，執(zhí)行信號(hào)判決，若滿足判決條件，則實(shí)現(xiàn)前后天線并行切換。若其中一根天線完成切換，則該天線將切換成功消息傳給目標(biāo)BS，且通信配置將會(huì)復(fù)制給另一根天線。若都切換失敗，則前天線繼續(xù)執(zhí)行切換，重復(fù)操作，直到成功切換為止。注：在前后天線并行切換失敗后，若滿足｛Rr，i＞T｝，T是維持后天線與目標(biāo)BS通信的最小閾值［15］，則后天線會(huì)及時(shí)與服務(wù)BS進(jìn)行通信連接。

步驟⑦：目標(biāo)BS接收到切換完成消息后，通知服務(wù)BS釋放相關(guān)資源。

4 算法性能分析

本節(jié)從通信切換成功概率、切換失敗概率、通信中斷概率三個(gè)指標(biāo)對(duì)切換算法性能進(jìn)行分析。

4.1 切換成功概率

切換成功概率是指在位置x處的切換成功概率，Pho1和Pho2分別表示圖3中第一種情形和第二種情形的切換成功概率，第一種情形是前天線執(zhí)行切換，第二種情形是前后天線并行執(zhí)行切換，其中后天線為主力切換。切換成功概率可表示為

4.2 切換失敗概率

在文獻(xiàn)［15］中，只允許前天線嘗試執(zhí)行一次切換，待后天線進(jìn)入切換區(qū)域內(nèi)再執(zhí)行切換。在文獻(xiàn)［3］中，允許前天線執(zhí)行多次切換后，若切換還未成功，則前后天線并行執(zhí)行多次切換。在文獻(xiàn)［3］的基礎(chǔ)上，設(shè)置信號(hào)判決，前天線嘗試首次切換，若切換失敗，作信號(hào)判決，若成立，則前后天線并行執(zhí)行切換，否則，前天線繼續(xù)切換。失敗一次，執(zhí)行判決一次，直到成功切換為止。

i=1時(shí)，切換失敗概率表示如下：

i＞1時(shí)，切換失敗概率可表示為

容易驗(yàn)證：

上述失敗概率的數(shù)學(xué)表達(dá)式是累乘積的形式，隨著切換次數(shù)N的增加，切換失敗概率會(huì)越來越小。可表示為

4.3 通信中斷概率

通信中斷可能發(fā)生在第一種情形和第二種情形，第一種情形是前天線在執(zhí)行切換，第二種情形是在判決條件成立時(shí)，前后天線并行執(zhí)行切換。

在第一種情形下，前天線執(zhí)行切換，若后天線一旦與服務(wù)基站斷開通信連接，就會(huì)發(fā)生掉話現(xiàn)象，導(dǎo)致通信中斷。在第二種情形下，前后天線參與切換，均與服務(wù)BS斷開通信連接，此時(shí)通信中斷概率

所以，i=1時(shí)，通信中斷概率表示如下：

第二種情形在前i-1次嘗試切換失敗且信號(hào)判決成立時(shí)發(fā)生，所以，發(fā)生第二種情形的概率為i＞1時(shí)，通信中斷概率可以用加權(quán)和方式表示：

5 數(shù)值結(jié)果

由于市面上的LTE仿真環(huán)境很難獲得，本文采用自己搭建的仿真平臺(tái)，該平臺(tái)僅實(shí)現(xiàn)與切換相關(guān)的仿真部分。本文采用單徑衰落信道模型，通過仿真實(shí)驗(yàn)研究所提算法的切換性能，本節(jié)主要對(duì)通信中斷概率和切換失敗概率兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析，結(jié)果被顯示在圖4、圖5、圖6和圖7中，配置參數(shù)見表1［15］。

圖4 切換失敗概率與列車位置的關(guān)系（speed=360km·h-1）

圖5 Overlap對(duì)切換失敗概率的影響（speed=360km·h-1）

圖6 通信中斷概率隨列車位置x的關(guān)系（speed=360km·h-1）

圖7 改進(jìn)方案中Overlap對(duì)通信中斷概率的影響（speed=360km·h-1）

由圖4可知，當(dāng)切換次數(shù)N=2時(shí)，改進(jìn)方案與文獻(xiàn)［3］中現(xiàn)有方案相比，切換失敗概率明顯降低。當(dāng)切換次數(shù)N=1時(shí)，改進(jìn)方案的切換失敗概率明顯低于文獻(xiàn)［15］中單次切換方案的切換失敗概率。綜上，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明提出的改進(jìn)算法可有效降低切換失敗概率。

由圖5易知，隨著BS重疊區(qū)域（Overlap）長度增加，相同切換觸發(fā)位置處的切換失敗概率逐漸降低。在此實(shí)驗(yàn)中，嘗試在位置1400m處開始切換，對(duì)比改進(jìn)方案與文獻(xiàn)［3］中現(xiàn)有方案，改進(jìn)方案的切換失敗概率明顯降低，文獻(xiàn)［3］提出的切換方案與文獻(xiàn)［15］提出的單次切換方案相比，前者的切換失敗概率更小。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可有力支持第三節(jié)的理論分析。

設(shè)置Overlap=400m，如圖6所示，當(dāng)切換次數(shù)N=2時(shí)，改進(jìn)算法與文獻(xiàn)［3］的現(xiàn)有算法相比，可有效避免通信中斷，降低通信中斷概率。當(dāng)切換次數(shù)N=1時(shí)，改進(jìn)方案與文獻(xiàn)［15］中單次切換方案相比，前者的通信中斷概率明顯低于后者。

改進(jìn)方案在不同Overlap時(shí)的通信中斷概率顯示在圖7中。由圖可知，隨著Overlap長度增加，在相同切換觸發(fā)位置處的通信中斷概率降低。

表1 參數(shù)設(shè)置

6 結(jié)語

針對(duì)提高天線的綜合利用率及如何在最佳時(shí)機(jī)將后天線加入并行切換問題。本文基于LTE的兩跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提出一種改進(jìn)型基站切換優(yōu)化算法，即前天線在第一次嘗試切換失敗后，每執(zhí)行一次切換，執(zhí)行信號(hào)判決一次，當(dāng)檢測到后天線的接受信號(hào)強(qiáng)度大于前天線的接受信號(hào)強(qiáng)度，后天線即刻執(zhí)行切換，可確保后天線以最佳通信QoS參與多次并行切換，否則前天線單獨(dú)執(zhí)行切換。理論上證明此算法可有效提高切換機(jī)會(huì)，同時(shí)降低切換失敗概率和通信中斷概率，從而增加天線切換的綜合利用率。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可看出該算法中的切換失敗概率和通信中斷概率明顯降低，改進(jìn)方案的切換性能比單次切換方案及現(xiàn)有的多次切換方案的切換性能有明顯改善。