基于信號接收功率與波束賦形輔助的切換算法

鐘華 牛宏俠 李翔宇

摘? 要：在鐵路長期演進（Long-Term Evolution for Railway， LTE-R）技術中，基于A3事件的傳統切換算法存在切換成功率不高的問題。文章提出了一種基于信號功率（Reference Signal Received Power， RSRP）的波束賦形切換算法。通過列車在行駛過程中，實時上報的運行信息，使基站在特定的信號功率下，產生波束賦形的增益來保障列車接收到的信號功率始終保持在一個較好的水平。仿真實驗結果表明，基于信號接收功率與波束賦形輔助的切換算法，讓服務基站和目標基站都可以提供較好的信號接收強度，適當地提前了切換位置，有效地提升了切換的成功概率。

關鍵詞：鐵路長期演進;越區切換;高速鐵路;波束賦形;信號功率

Abstract： In the Long-Term Evolution for Railway （LTE-R） system， the traditional A3 event-based handover algorithm has an issue of low handover success rate. This paper proposes a handover algorithm based on Reference Signal Received Power （RSRP） and assisted beamforming， which collects the real-time information through the running train. Thus， the base station can generate a beamforming gain at a specific signal power， thereby ensures that the signal power received by the train is always maintained at a preferable level. The simulation results show that the handover algorithm based on RSRP and assisted beamforming allows both the serving base station and the target base station to provide better signal reception strength， advances the handover location appropriately， and improves the probability of handover success effectively.

1 概述

國際鐵路聯盟提到，鐵路長期演進LTE-R技術作為下一代鐵路移動通信系統[1]。如何將LTE技術更好的應用于高速鐵路，成為了當下的熱門研究方向。LTE-R是基于LTE系統進行設計，雖然LTE-R還未正式商用，但我國已經在LTE-R的研究上走在了世界前列[2]。與第二代全球移動通信系統（Second-generation Global System for Mobile Communications GSM-R）相比，LTE-R系統有諸多優勢。首先，LTE-R大大提升了通信速率，在20MHz的帶寬下，其上、下行鏈路速率峰值可達到100Mbit/s和50Mbit/s。其次，LTE-R具有低時延的特點，其操作平面延時不超過100ms，而用戶平面則不超過5ms。除此之外，以OFDM和MIMO為技術核心的LTE系統，大大提高系統吞吐量，而且能夠向下兼容2G、3G系統進行工作[3]。這對系統服務質量與用戶的通信體驗是一個強有力的保證，有效的滿足了現有通信需求。LTE系統由演進節點基站（Evolutionary Node Base Station，eNodeB）、移動管理實體（Mobility Management Entity，MME）和服務網關（Serving GateWay，S-GW）構成，其中用戶直接與基站相連[4]。因此，LTE-R如何在高速鐵路環境下為鐵路提供可靠的實時語音和視頻監控、旅客信息等大數據量業務是未來軌道交通無線通信系統應用的重要研究方向[5]。

鐵路通信系統繼承了鐵路線狀覆蓋的特點，隨著鐵路速度的迅速提升，小區切換更加頻繁，無線鏈路失效率增加[6]。這就要求通信系統有更低的切換時延，并保證切換成功率和系統可靠性。目前國內外對高鐵場景下LTE-R的無線信道理論與方法的研究成為了熱點問題[7]。下列文獻針對越區切換所產生的問題提出了相應解決方法。蘇佳麗等用粒子群優化灰狼算法改進的RBF神經網絡來采集不同的列車速度進行訓練，通過對切換遲滯等的調整降低掉話率和乒乓切換率[8]。米根鎖等針對不同的列車時速，通過提前進行信令交互，設置預切換承載點來抑制過早切換等問題[9]。LinTian等人提出了采用車載雙天線的方式來提升切換成功概率，在切換過程中，前向天線負責執行切換，后向天線始終保持與原基站的通話[10]。楊崇哲等設計了一種由道旁分布式天線系統和多車載臺通信系統兩部分構成的解決方案，前車載臺負責執行掃描操作和協商操作，后車載臺負責完成切換狀態即可，避免了通信中斷，提高了通信的可靠性[11]。程夢等提出了基于位置信息的機會波束賦形算法，通過干預每個天線的復權重相位生成來進一步擴展信道波動的動態范圍，獲取多用戶分集增益，提高了系統吞吐率[12]。

分析可知目前對LTE-R的研究主要是由高速移動引起的頻繁切換以及硬切換導致的通話中斷[13]。本文提出了基于信號接收強度與波束賦形輔助的切換算法，保障切換過程中的信號接收質量，并達到提高切換成功概率的目的。

2 基于信號接收功率與波束賦形輔助的切換算法

在高速鐵路中，列車的時速最高可達到360Km/h，從而導致了越區切換的頻繁發生。LTE系統原有的切換算法基于A3準則，即當兩相鄰小區的差值滿足切換遲滯的要求，就會觸發切換過程[14]。然而在基站覆蓋的邊緣地區，信號強度減弱，可能會導致通話中斷的發生，存在錯誤觸發切換的幾率。所以傳統的切換算法不能很好的滿足高速列車的運行要求。針對上述傳統算法所存在的問題，本文提出了基于信號接收強度與波束賦形輔助的切換算法。波束賦形通過改變波束的投射方向，實現能量的匯聚，降低了對于周圍用戶造成的干擾[15]。保障通信的重要指標之一就是信號接收強度，通過對信號接收強度的實時監測，在信號接收強度較差的區域產生波束賦形增益，確保越區切換過程的信號質量。移動臺與基站的通信要滿足一定的信號強度，當低于維持通話的最小可接收強度時，則可能出現通話中斷的情況，當信號接收強度在-90dBm到-100dBm之間，為最小可用信號[16]。本文通過設置信號強度閾值來輔助越區切換。以下是對提出的改進算法的具體闡述。

高鐵環境下，基站延鐵路線呈帶狀分布，每個小區的相鄰小區是固定的。因此只要確定列車的行進方向，即可判斷出要切換的目標小區[17]。在列車的運行過程中，列車會上報測量信息，其中包括列車車次號、當前服務小區的測量信息、速度以及位置等信息。通過對列車運行過程中的上報信息來確定列車的前進方向。判斷出運行方向后，鎖定前向小區，在到達小區邊緣的時候，服務小區基站向目標小區發出切換請求。

列車在運行中上報當前服務小區的信號接收強度，當前服務基站產生波束賦形的增益，同時向目標基站發出切換請求。目標基站收到切換請求后，向服務基站下發切換要求，同時也針對邊緣區域產生波束賦形的增益，隨著列車的運行，目標基站信號強度滿足通信質量的要求后，逐步恢復為正常工作模式。

切換算法步驟：

（1）UE上報測量信息，包含列車車次號，當前的列車時速，當前服務小區信息。

（2）根據上報的列車車次號鎖定目標小區，服務小區eNodeB根據上報信息實時監測列車接收的信號強度，當下降到波束賦形閾值時，產生波束賦形增益，同時向目標小區發出切換請求。

（3）目標小區接收到切換請求后，下發切換要求，向服務小區方向產生波束賦形增益。列車接收到的信號強度差值滿足切換遲滯后，進行越區切換。

（4）切換完成后，服務小區和目標小區的波束賦形增益降低。

（5）列車駛過切換區間后，基站恢復原有的工作模式。

3 切換性能分析

在實驗中，仿真的時間間隔為？駐t，列車時速為v。所以構成了測量上報位置的函數x。

同一基站可在不同的工作狀態下產生不同的增益Ga1和Ga2。本文的切換策略如表1所示。

（3）式和（4）式中的路徑損耗公式采取文獻[18]中給出的COST231-Hata模型。因為我國大多數高速鐵路的環境為開闊地的高架橋場景，所以（5）式中的相關參數設置均采用鄉村開闊地模型進行設置[19]。

為了驗證切換算法的有效性，我們用切換中斷概率以及切換觸發概率和切換成功率來對改進方法和傳統切換方法進行比較。

切換成功概率：在切換過程中，利用式（7）和式（8）可以分別得出服務基站和目標基站的中斷概率，要保證越區切換的成功發生，就要保證兩個基站都有可靠的通話連接，并觸發切換過程，推導可得：

圖2是改進方法的列車位置與服務基站和目標基站的信號功率關系圖。從圖中可以看到列車在運行過程中，當服務基站的信號下降到-90dBm的時候，服務基站的信號功率有所提升，目標基站的信號功率相繼有了較大的躍升，在1.4Km的時候，目標基站的信號功率下降，防止信號強度突變以及節省發射功率，服務基站信號功率同時降低，防止乒乓切換的發生。在1.7Km的時候都恢復為全向天線，這使得列車在運行過程中接收到的信號功率可以始終保持在一個較好的強度，從而避免通信中斷。

圖3為目標基站的中斷概率與列車位置的關系仿真結果圖，改進方法中，服務基站先進行了波束賦形增益，增強的信號對目標基站的信號出現了一定的干擾，隨著目標基站的信號功率的提高，目標基站的中斷概率快速下降，有效降低了切換區間的中斷概率。使得切換過程適當的提前。

圖4為列車位置與切換觸發概率的關系圖，改進后的算法相比傳統算法切換觸發概率有了明顯的提高，尤其在目標基站的信號功率提高后，有了明顯的提升，并且切換觸發位置有了一定的提前，這也讓服務基站的信號功率得到了保證。

圖5為列車位置與切換成功概率的關系圖，改進后的算法使得切換成功概率有較大的提升，在1.5Km的時候，改進的切換算法已經可以達到95%以上的切換成功概率，而傳統切換算法的切換成功概率還在70%左右。可以證明在切換過程中，基于信號接收功率的波束賦形技術，使得切換全程都有比較好的信號強度覆蓋，比較好的抑制了通信中斷的發生，提高了越區切換的成功概率。

4 結束語

針對LTE應用于高速鐵路中所出現的諸如切換成功率不高的問題，提出的基于信號接收功率的波束賦形的LTE-R切換算法。

（1）改進算法的信號接收功率在切換區間要高于傳統切換算法，有效地降低了切換中斷概率。

（2）切換觸發位置相應的提前，使得切換觸發概率有了明顯的提升，縮短了切換區間的長度。

仿真實驗的結果表明，波束賦形在高速鐵路切換場景中的引入，針對不同的信號接收功率進行適時調整，明顯改善了切換時的成功概率。在切換區間內，改進切換算法的中斷概率和切換觸發概率都要優于傳統的切換算法。

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