一種面向高速鐵路通信的改進型基站切換優(yōu)化算法?

翟晨輝 梁中華 辛 月 白依夢

（長安大學信息工程學院 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，手機和其他電子類產(chǎn)品得到普及，列車中乘客需高質量及可靠的無線通信服務［1］。目前，基于鐵路的長期演進（Long-Term Evolution for Rail?way，LTE-R）技術是最新的高速鐵路無線通信標準［2］之一，但在高速移動環(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用多址（Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access，OFDMA）信道編碼方案，因OFDMA對頻偏非常敏感，造成信號質量不穩(wěn)定；高速移動引起的多普勒頻移、信號快速衰落及車體穿透損耗問題［3］等。現(xiàn)有很多學者做大量研究來解決這些問題，在高移動性場景下，基于貝葉斯濾波器的信道估計器［4］在估計快速時變信道方面，展現(xiàn)出良好的性能。文獻［5］指出，多普勒補償及利用可有效克服多普勒頻移和解決信號快速衰落問題。在文獻［6］中作者考慮切換決策算法中接收信號強度指示符（Received Signal Strength Indictor，RSSI）的標準。在文獻［7］中，考慮將距離測量用于切換決策。對于對數(shù)正態(tài)衰落環(huán)境，在文獻［8］和文獻［9］中研究基于信號強度之間差異的水平交叉切換算法。在文獻［10］中提出一種用于決策策略的自適應滯后方案，該方案考慮與切換失敗概率性能相關的主導因素。在文獻［11］中，研究多個參數(shù)，例如選擇最佳目標小區(qū)時的信號強度與可用帶寬，這可提高切換成功概率，從而減少阻塞。此外，有學者在文獻［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蟆５牵瑳]有討論該系統(tǒng)詳細的切換算法。關于移交的一些其他相關研究在文獻［13］和［14］中被提出。在文獻［15］中，基于雙天線無縫切換方案的雙播的機制被提出，在此基礎上，文獻［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。

對比現(xiàn)有文獻［3］的方案，考慮前天線在滿足前天線與目標BS的信號強度（Rf，j）大于后天線與目標BS的信號強度（Rr，j）的條件下執(zhí)行切換，可提高切換機會且切換成功概率較大。本文提出的算法核心是設置信號判決（ 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BS的網(wǎng)絡接入。

2 網(wǎng)絡結構

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

在這個網(wǎng)絡結構中，移動中繼（Train Relay Sta?tion，TRS）充當單個用戶設備（User Equipment，UE），與標準長期演進方案（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環(huán)境下的多徑衰落和多普勒頻移問題［15］。當列車進入BS的重疊區(qū)域時，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 質 量［16］（Quality of Service，QoS）。

圖1 高速環(huán)境下的雙層網(wǎng)絡結構

3 基于雙天線的基站切換優(yōu)化算法

切換算法的設計是保證最佳通信QoS、同時降低系統(tǒng)中切換負載的關鍵一步。本節(jié)結合第二節(jié)中兩跳架構的優(yōu)點及天線接收信號強度［3］，設計切換優(yōu)化算法得到最佳切換機會，從而降低通信中斷概率和切換失敗概率。

3.1 信號模型

采用的數(shù)學模型［15］，如圖 2［3］所示，L是列車的長度，D是服務基站BSi和目標基站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BS之間的距離、前天線與目標 BS 之間的距離，Dr，i和 Dr，j分別表示后天線與服務BS之間的距離、前天線與目標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軸上的原點之間的距離來測量的。

圖2 數(shù)學模型

Rf，i和 Rf，j分別表示前天線從服務 BS 接收到的信號強度、從目標BS接收到的信號強度［15］，同理，Rr，i和 Rr，j分別表示后天線從服務 BS 接收到的信號強度和從目標BS接收到的信號強度。其中，Rf，i的數(shù)學簡化表達式如下所示。

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 間 常 數(shù) ，分別是循環(huán)前綴（Cyclic prefix，CP）和有效OFDM符號持續(xù)時間，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［3］的基礎上，添加信號判決，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中灰色標記部分，具體細節(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 切換準備和初始化

步驟①：TRS定期向服務BS發(fā)送測量報告，測量報告中包含相鄰BS的接受信號強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BS發(fā)送測量報告。

步驟②：達到切換標準后，TRS給服務BS發(fā)送切換觸發(fā)消息［3］。服務BS以符合切換條件的天線為UE，選擇目標BS。然后服務BS向目標BS發(fā)送切換請求消息，目標BS收到切換請求消息后，開始做切換準備。切換準備包括為UE預留無線資源等。

步驟③：目標BS完成切換準備后，向服務BS回復切換回應消息。

3.2.2 切換執(zhí)行階段

步驟④：收到目標BS的切換回應消息后，服務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BS的相關信息。

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

步驟⑥：目標BS分配給前天線一個T304定時器，前天線必須在T304指定時間內完成網(wǎng)絡切入。在未觸發(fā)定時器前，允許前天線在滿足切換請求條件下執(zhí)行首次切換，若失敗，TRS再次發(fā)送測量報告，執(zhí)行信號判決，若滿足判決條件，則實現(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BS，且通信配置將會復制給另一根天線。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BS通信的最小閾值［15］，則后天線會及時與服務BS進行通信連接。

步驟⑦：目標BS接收到切換完成消息后，通知服務BS釋放相關資源。

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、通信中斷概率三個指標對切換算法性能進行分析。

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［15］中，只允許前天線嘗試執(zhí)行一次切換，待后天線進入切換區(qū)域內再執(zhí)行切換。在文獻［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［3］的基礎上，設置信號判決，前天線嘗試首次切換，若切換失敗，作信號判決，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，切換失敗概率表示如下：

i＞1時，切換失敗概率可表示為

容易驗證：

上述失敗概率的數(shù)學表達式是累乘積的形式，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，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基站斷開通信連接，就會發(fā)生掉話現(xiàn)象，導致通信中斷。在第二種情形下，前后天線參與切換，均與服務BS斷開通信連接，此時通信中斷概率

所以，i=1時，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判決成立時發(fā)生，所以，發(fā)生第二種情形的概率為i＞1時，通信中斷概率可以用加權和方式表示：

5 數(shù)值結果

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，該平臺僅實現(xiàn)與切換相關的仿真部分。本文采用單徑衰落信道模型，通過仿真實驗研究所提算法的切換性能，本節(jié)主要對通信中斷概率和切換失敗概率兩個指標進行分析，結果被顯示在圖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系（speed=360km·h-1）

圖5 Overlap對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的關系（speed=360km·h-1）

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

由圖4可知，當切換次數(shù)N=2時，改進方案與文獻［3］中現(xiàn)有方案相比，切換失敗概率明顯降低。當切換次數(shù)N=1時，改進方案的切換失敗概率明顯低于文獻［15］中單次切換方案的切換失敗概率。綜上，實驗結果表明提出的改進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。在此實驗中，嘗試在位置1400m處開始切換，對比改進方案與文獻［3］中現(xiàn)有方案，改進方案的切換失敗概率明顯降低，文獻［3］提出的切換方案與文獻［15］提出的單次切換方案相比，前者的切換失敗概率更小。上述實驗結果可有力支持第三節(jié)的理論分析。

設置Overlap=400m，如圖6所示，當切換次數(shù)N=2時，改進算法與文獻［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。當切換次數(shù)N=1時，改進方案與文獻［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。

改進方案在不同Overlap時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)設置

6 結語

針對提高天線的綜合利用率及如何在最佳時機將后天線加入并行切換問題。本文基于LTE的兩跳網(wǎng)絡結構，提出一種改進型基站切換優(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)行信號判決一次，當檢測到后天線的接受信號強度大于前天線的接受信號強度，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，否則前天線單獨執(zhí)行切換。理論上證明此算法可有效提高切換機會，同時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。從實驗結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。