高速移動場景中對切換改進方案的研究*

張君怡，仇潤鶴

（1.東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620；2.數字化紡織服裝技術教育部工程研究中心，上海 201620）

0 引 言

在未來的5G無線通信系統(tǒng)中，很多的基礎需求需要被很好地滿足，包括高移動性、低延時性、高數據傳輸率以及低能量消耗等。高移動場景下的無線通信吸引了越來越多的關注，因為高鐵的快速發(fā)展提供了人們很大的方便，越來越多的人也更加傾向選擇高鐵作為交通工具，導致人們對高鐵系統(tǒng)寬帶無線服務的要求直線上升。

為了滿足這些要求，需要克服三個主要的問題：（1）由于車廂的材質，無線信號會面對巨大的穿透損耗，那么乘客處的接收信號質量就會大幅度降低；（2）由于嚴重的多普勒影響，列車和基站之間的同步變得很困難；（3）由于列車快速的移動速度，切換觸發(fā)變得很頻繁，高的切換失敗概率嚴重影響用戶的通信體驗。

無線移動系統(tǒng)下有兩種已知的切換策略——軟切換和硬切換。在3G系統(tǒng)網絡中，軟切換和硬切換都可以被采用來支持用戶的移動性。然而，在4G網絡中，不再使用軟切換，主要原因是4G網絡采用的是正交頻分多址OFDMA，也就是兩個相鄰的基站分配了正交的子通道，用戶在切換過程中不允許同時占用兩個不同的基站。在未來的5G網絡里，硬切換將會作為最重要的切換策略之一。對于硬切換，移動列車首先要斷開當前與服務基站的連接，之后再和目標基站建立一個新的連接。如果和目標基站的連接建立失敗，切換也就失敗了。因此，如何獲得更高的切換成功率，直接影響高鐵下的通信質量。

迄今為止，有較多的研究針對高鐵場景下的切換。為了減小切換失敗概率，重點在于如何改善無線電條件，如接收信號強度RSS。為了改善無線電條件，文獻[1-2]分別在列車和基站上安裝多天線，多天線的配置可以提高RSS，但是考慮到列車和基站的大小，安裝多天線使得天線與天線之間的距離變得很小，因此導致基站和列車之間的所有信道面臨著相同的傳輸路徑損耗。也就是說，在列車遠離基站的過程中，所有的信道將會遭遇嚴重的大規(guī)模路徑損耗。文獻[3]介紹了分布式天線系統(tǒng)，偏遠的天線單元RAU被配置在鐵軌附近，基站的信息首先通過光纖傳輸給各個RAU，然后再通過RAU將信息廣播給列車，減小了列車和基站的距離，從而增大了RSS。文獻[4]提出了一種基于地理位置的切換方案，但是這種方案的切換性能與切換執(zhí)行點的選取密切相關。文獻[5]對高鐵場景下的切換算法進行了改進，提出了改進方案——基于速度特性觸發(fā)切換的算法，其仿真可以看出確實改善了系統(tǒng)性能。文獻[6]研究了單根天線的切換方案，減少了切換的不確定性，提高了切換性能。文獻[7]研究了高鐵運行速度對切換性能的影響。文獻[8]提出了一種高效的切換方案，考慮優(yōu)先級和開銷，克服無線通信存在的問題。文獻[9]提出了一種快速切換的方案，有效減少了切換時延和切換失敗概率。

本文首先利用列車前后的天線，提高了切換的成功率；其次在切換過程中加入了功率調節(jié)，而調整功率是為了減少切換過程中的不確定性，在來自目標基站的接收信號強度微弱的時候避免發(fā)生切換。通過調整功率可以改善切換表現，且不會增加多余的能量消耗，可以在不依靠更多能量損耗下提升切換性能，一定程度上實現了綠色通信。

1 系統(tǒng)模型

對于高速移動場景，列車以速度v向前行進。為了改善列車上的通信問題，首先在列車首尾均配置上天線，其次采用分布式天線系統(tǒng)，一個基站信號覆蓋區(qū)DAS有1個基站BS和3個偏遠的天線單元RAU。3個RAU通過光纖和基站連接。假設光纖能夠提供高速的數據傳輸率，那么基站與RAU之間的傳輸時延可以忽略，系統(tǒng)模型如圖1所示。列車以速度v從BS1的覆蓋區(qū)行進到BS2的覆蓋區(qū)，d1是RAU與鐵軌之間的距離，d2是BS與鐵軌之間的距離，列車長度為L，列車位置x為其前置天線與原點O之間的距離。圖1中，O為BS1第3個RAU的垂線與鐵軌的交點。這里用s表示基站，s=1表示BS1，s=2表示BS2；用n表示第n個RAU，0＜n≤N；i表示列車的天線，i=1表示前置天線，i=2表示后置天線。因為切換方案對小尺度衰落不敏感，所以本文討論的信道主要考慮了大尺度衰落，包括陰影衰落和路徑損耗。

圖1 系統(tǒng)模型

在研究切換方案時，接收信號強度RSS是一個重要的參數。在時間t，列車的位置為x=v·t。于是，對于基站s的第n個RAU，第i根天線處的RSS表達式為：

其中s∈{1,2}，Pn為基站s的第n個RAU處的傳輸功率；PL(d)=C·d-γ表示路徑損耗，其中C是常量，d為距離，γ為路徑損耗指數，ζ描述了陰影衰落。另外，列車的高移動性引起了嚴重的多普勒頻移，導致了載波間干擾。列車速度越快，載波間干擾越大，會導致接收信號強度RSS越弱。為了提高RSS，可以增大傳輸功率，但是從綠色通信的角度考慮，本文介紹功率調整的方法來提高切換成功率。

對于切換方案，首先要了解切換條件。一個基站的覆蓋區(qū)域內有較多的RAU，會有一些傳輸策略，如全傳輸模式（Blanket Transmission Scheme）和RAU選擇傳輸模式（RAU Selection Transmission Scheme）。全傳輸模式通過所有的RAU傳輸信號，此時功率是被均勻分配給了所有的RAU。而RAU選擇傳輸模式是選擇一個RAU來完成信號傳輸，選擇RAU的標準是傳輸路徑損耗最小。顯然，RAU選擇傳輸模式更加適合高速移動場景。因此，基于RAU選擇傳輸模式研究功率調整來實現綠色通信。

至于RAU選擇傳輸模式的選擇，對于BS1來說，應該選擇最靠近列車的RAU選擇傳輸模式。在切換進行時，最靠近列車的是第N個RAU；對于BS2來說，則應該選擇覆蓋區(qū)域里的第一個RAU。

從BS1到BS2的切換條件可以表示為：

一旦滿足切換條件，切換就此發(fā)生。切換過程如圖2所示。

在一開始的切換準備階段，列車周期性地發(fā)送測量報告給BS1。測量報告里包含了此時列車到BS1的RSS。當BS1選擇列車的前置天線進行切換時，BS1發(fā)送切換請求給BS2。滿足切換條件后，BS2允許控制和配置，之后發(fā)送切換請求確認信息給BS1。BS1收到確認信息進入切換執(zhí)行階段，此時BS1繼續(xù)傳輸數據給列車的后置天線，同時BS2通過雙播接收到一份來自核心網的復制版數據。一旦列車接收到來自BS1的切換命令，前置天線先是斷開和BS1的連接，再和BS2中被選擇的RAU建立一個新的連接。當后置天線進入BS1和BS2的覆蓋重疊區(qū)且接收到來自BS1的的切換命令時，后置天線開始進行切換，和BS2建立連接，至此切換完成。當后置天線也完成了切換，BS1請求結束雙播，然后核心網發(fā)送確認信息，之后數據只傳輸給BS2，BS1釋放資源。

圖2 切換過程

整個切換過程中，兩根天線的切換是在不同時間進行的，所以可以確保總會有一根天線能接收到來自BS1或者BS2的核心網信息。因此，列車乘客可以體驗無縫連接的無線通信服務。但是，如何改善切換性能，首先需要關注如何調整RSS。

2 系統(tǒng)切換方案及性能分析

為了改善切換性能，需要提高RSS。提高RSS最直接的方法是增大傳輸功率，但是這有違綠色通信的概念。所以，在切換過程中加入功率調整，可以不用多余的能量消耗提升切換性能，系統(tǒng)簡化圖如圖3所示。

覆蓋區(qū)域被分成兩段子區(qū)域——(A,B)以及(B,C )，其中B是AC的中點。這里假設AB、BC＞＞L。

圖3 系統(tǒng)簡化

為了描述切換方案的性能，分析兩個不同的參數、切換概率和切換失敗概率。分析前，先介紹這種切換方案下的RSS、累積分布函數（CDF）以及概率密度函數（PDF）。

CDF：

PDF：

其中：

μs,n(x)是RSS的平均值；σs,n是RSS的標準偏差。

2.1 切換概率

對于切換概率，定義是列車位置x的時候滿足切換條件（2），即定義為：

又因為：

結合式（5）、式（7），于是式（6）可以表示為：

于是：

2.2 切換失敗概率

對于切換失敗概率，定義為：雖然切換條件滿足，但是BS2平均RSS卻比T小，T在這里表示能保證無線通信的最小RSS。這里已知切換在第一個基站的最后一個RAU以及第二個基站的第一個RAU之間進行，所以對于列車的第i根天線，其切換失敗概率可以表示為：

對于一個隨機變量X，X～N(μ,σ2)，表示均值為μ、方差為σ2，則：

已知：

結合式（10）～式（13），可得：

將式（9）代入式（14），可以得到切換失敗概率的表達式：

（3）當 x ? （ A, C + L ），可得：

3 仿真分析

通過仿真從切換概率和切換失敗概率兩方面直觀描述功率調整對切換性能的改善。

3.1 切換概率

圖4描繪了切換概率和列車運行時間的關系。為了方便觀察，同時展示了切換概率和列車位置的關系圖，如圖5所示。可以看出，對于雙中繼下的切換方案，在采用功率調節(jié)方法后，可以推遲切換發(fā)生的時間，并且可以迅速達到穩(wěn)定的高切換概率。對于沒有功率調節(jié)的中繼切換，存在一個問題是乒乓效應。可以看出，在列車處于3 000 m時，會有短暫的1 s時間切換概率為0，之后切換概率又變?yōu)?。

3.2 切換失敗概率

圖6描繪了切換失敗概率和列車位置的關系。可以看出，一開始兩個切換方案的切換失敗概率穩(wěn)定保持在一個數值。結合圖4、圖5，在這個范圍內的切換概率趨于0。隨著列車繼續(xù)前進，切換概率從0變?yōu)?的過程中，切換失敗概率漸漸趨于0。帶有功率調節(jié)的雙中繼切換方案對比無功率調節(jié)的方案有明顯優(yōu)勢，功率調節(jié)下的切換方案整體處于較低的切換失敗概率，且能較早地趨近于0。

圖4 切換概率和列車運行時間的關系

圖5 切換概率和列車位置的關系

圖6 切換失敗概率和列車位置的關系

4 結 語

利用列車首尾配置的天線，結合功率調節(jié)的切換方案，可以明顯改善切換概率，減低切換失敗概率。對于切換概率，在加入功率調節(jié)后，可以明顯推遲切換發(fā)生的時間，且迅速切換成功，達到穩(wěn)定，有效改善了切換過程中的乒乓效應。在切換失敗概率方面，有功率調節(jié)的方案具有明顯優(yōu)勢，切換失敗概率較低，且能夠較快趨近于0，使用戶擁有較好的體驗。