一種基于定點中繼站輔助式切換優化算法

張凌峰

摘 要：作為TD-LTE移動通信系統的核心技術，切換技術其算法很大程度上體現了用戶在小區間進行移動通信的整體性能。而在高鐵環境中，由于其環境的特殊性和復雜性，傳統切換判決算法已經不能滿足客戶的服務需求，本文設計種基于定點中繼站輔助式切換優化算法。在引入中繼站方式的基礎上，分析了該算法的實施前提以及算法的判決原理，解決了傳統切換算法存在的切換前移及后移的問題。最后通過仿真將該算法與傳統A3算法進行了性能對比，并總結了該算法的特點的原理和性能，同時給出其實驗仿真結果，證明了該算法具有較好的切換效果。

關鍵詞：TD-LTE;高鐵;中繼站輔助式;切換優化算法

0 引言

如今，無線通信技術如雨后春筍般不斷涌出，LTE成為影響力極其深厚的寬帶移動通信技術標準之一，在業界受到廣泛的關注[1，2]。在高速鐵路的應用場景中，隨著列車時速的不斷上升，列車乘客的網絡通信質量明顯下降，對用戶的商務及娛樂需求產生不利的影響[3]。高鐵的高速化運轉給高速環境下的通信造成了諸多問題，頻繁切換作為高速環境通信的主要問題之一，如何設計針對此環境的LTE切換算法，是提升高速環境下通信有效性及可靠性的一個研究重點[4，5]。

本文在傳統A3事件的切換判決算法的基礎上，提出一種基于定點中繼站輔助式切換優化算法，通過在切換重疊區域內部署中繼站的輔助方式來擴大源基站覆蓋的區域范圍，從而避免切換時延與切換前移帶來的切換失敗等問題。

1 中繼技術簡介

作為新生代的LTE-A技術，中繼技術（Relay）從一出現就備受研究人員的關注。中繼技術是在eNodeB和用戶終端之間增加一個網絡專用的節點，主要用于轉發與使能增益eNodeB和用戶終端之間的歸屬頻段信號，起到改善傳輸質量與增強魯棒性的作用。如今LTE-A在高鐵專線上的覆蓋頻段采用的是高頻（2.6GHz頻段），其覆蓋能力較差且再需要支持高速數據速率的應用和業務的情況下，運營商必須部署更多的宏站站點來進行覆蓋。因此，采用中繼技術中回程鏈路的無限傳輸方式來進行部署將會解決上述問題，就部署方案以及成本來看都較為優秀，因而具有非常廣闊的應用前景。

2 基于定點中繼站輔助式切換優化算法

2.1 算法原理

在本小節的討論中，設定RSi在切換重疊區域的中心橫坐標位置（即BSi與BSj的覆蓋重疊區域），且RSi中繼站僅與BSi級聯。因此基站 BS的信號僅與基站本身的參考信號有關，小區的參考信號接收功率則與中繼站RS和基站BS的共同作用相關。中繼站的覆蓋范圍橫坐標范圍為。下面來討論兩種中繼情況，即和的情況：

首先討論的情況。當列車行進至d1位置時，其最佳切換距離D已經觸發，此時中繼站RS收到的參考信號接收功率為滿載值。因此此時列車攜帶的信號為BSi和RS的混合值。

其次討論的情況。當列車行進至d2位置時，目的基站BSj的信號強度要強于源基站BSi的信號強度，滿足切換條件，此時切換要發生了。接下來中繼站RSi進行功率控制，確保小區i的信號強度滿足切換閾值要求，此時，即使BSi與BSj之間的切換重疊區域內存在信道性能低下的情況，中繼站RSi也能通過功率控制的方式進行增益從而避免信道性能低下帶來的切換失敗可能。

2.2 算法實現流程

首先，闡述在d1和d2、d3等位置的計算方法：

假設從中繼站RS接收到的參考信號接收功率遠遠大于擾動信號值，且BS與RS信號加成的情況僅僅存在于前向多徑信號中。BSi和RSi接收信號的時間間隔應該比多徑衰落最大時延要小，定義為：

其中d是源接站BSi與與中繼站RSi的距離，c是真空電磁波的傳播速度，是多徑衰落時延的最大值。

接下來，討論中繼站最大傳輸控制功率。若在從中繼站接收到的信號強度相比于源基站BSi的信號強度可以忽略的條件下，前向中繼就不必要了。本文中RS工作觸發條件定義為從RS接收到的信號強度為相應BS的信號強度的1/2，即：

然后定義d2的位置確定計算法方法：即當且僅當鄰區BS信號切換強度與源BS進行切換時滿足強度只差為差源BS進行切換時滿足的閾值之時，滿足d2的坐標需求，即：

最終得到切換完成之后，接收信號的SINR應為：

本文提出的切換優化算法中，在的情況下切換被禁止，僅在的條件下才能進行切換。

3 基于定點中繼站輔助式切換優化算法的仿真分析

為了驗證算法的仿真性能，我們使用LTE-SIM仿真工具來進行仿真，仿真環境選擇山地環境，其參數如下所示：信道帶寬：1MHz;天線類型：Omni;載波頻率：900MHz;BS傳輸功率：43dBm;RS傳輸功率：33dBm;BS天線高度：30m;列車天線高度：1.5m;dmin：30m;陰影效應標準差：4dB;噪聲密度：-174 dBm/Hz;信道損耗模型：HATA;最小接收功率（Rth）：-86dBm;SINR 閾值（γth）：12dBm;d1：1430m;d2：2610m;測量周期：500ms;列車移動速度：350km/s。

經過測算得到的RS工作范圍以及切換參考點已經計算出來，同時列車運行中從源BS接收功率的變化圖如圖2所示。當列車運行至d1時，其接收到的信號分為兩部分，一部分是RS中繼站的中繼信號，另一部分是源基站BS的信號，二者共同作用使得信號質量處于正常水平;當列車行進至d2位置時，中繼站RS利用功率控制功能來減小發射功率使得接收到的源小區功率能滿足切換閾值要求。圖1則展示了列車運行位置與切換成功率的關系，從圖中可以看出傳統算法中，切換點位置在2.35km處，實質上此時切換過早，因此切換成功率較低。

在本文提出的算法中，當列車位置坐標小于2.61時，接收信號功率由于中繼站RS的因素保持在較好水平，因此切換不會發生。當位置在（2.61，3. 35）之間時，RS中繼站的功率控制會帶來切換的推遲，相比于傳統算法切換時間向后稍微推遲了一部分，但此時切換失敗率處于較低水平（如圖1），這是由于中繼站RS的功率控制可以保持最小功率接收水平下的正常通信;當列車坐標位置大于3.35時，由于切換重疊區域被中繼站RS的功率控制功能增加了，本文提出新算法的切換成功率已經大于傳統算法，取得了較好的切換效果。

一般情況下，切換前移會導致的信號抖動和較高的切換失敗率，而后移的切換觸發時間會在切換重疊區域覆蓋范圍較小和切換距離不足的情況下同樣造成較高的切換失敗率。本文算法對于切換前移的問題，采用中繼站RS來進行了解決，而對于后移切換觸發時間問題，采用基于探針分布的切換參考點來解決，因此文本算法取得了較好的切換效果。

4 結論

本文首先介紹了高速鐵路環境下中繼站技術的主要原理，隨后提出了基于定點中繼站輔助式切換算法，針對傳統算法中無法解決切換前移的情況，采用中繼站的形式進行了改進。仿真結果表明，對于切換判決的觸發前移的問題，文中采用中繼站范圍預加載的算法，首先確定中繼站的覆蓋范圍，通過功率控制消除了切換前移的可能，其次對于切換后移的情況，采用切換參考點與中繼站結合控制的方法，有效避免了切換距離不足以及切換重疊區域覆蓋范圍較小的問題。因此本文的算法取得了較好的切換效果。

參考文獻：

[1]李立華.高鐵環境下LTE系統切換技術的研究[D].西南交通大學，2018.

[2]張夢奇.高鐵場景下LTE-A資源調度與越區切換研究[D].西南交通大學，2014.

[3]Zhou Y，Ai B.Handover schemes and algorithms of high-speed mobile environment：Asurvey[J].Computer Communications， 2014，47（07）：1-15.

[4]張鷺.高速鐵路LTE系統切換技術研究[D].華東交通大學，2016.

[5]葉鵬飛.LTE進一步演進關鍵技術的研究[D].2016.