高速鐵路LTE 通信切換算法及應用研究

趙貴能

（中國鐵建電氣化局集團第五工程有限公司，四川 成都 610047）

0 引言

科學技術的進步推動了各個行業的發展，我國鐵路建設也在科技發展的影響下逐漸走向了現代化、高速化，列車行駛速度越來越快，行駛里程越來越長。隨著列車速度的大幅提升，列車行駛過程中的信號強度卻出現大幅下降，掉線、卡頓現象頻發，嚴重影響了旅客的乘車體驗。本文所講的LTE 通信借助其自身高數據率、低延時的特征，在保證列車運行過程中信號的連續性上具有重要意義，滿足了人們的乘車需求，同時也對高鐵應急通信的實現奠定了基礎。

1 LTE 通信系統架構

LTE 通信系統是當前維持高速鐵路信號的重要技術手段，是由移動終端不斷發展演進的結果。LTE 通信系統主要由移動終端、演進后的核心網以及演進后的接入網三部分組成。LTE 通信系統架構如圖1 所示。

圖1 LTE 系統架構

2 高速鐵路LTE 通信切換算法

2.1 A3 事件觸發的切換算法

A3 算法是LTE 系統中最為基本的算法，LTE 系統進行同頻切換主要采用的算法就是A3 算法，一般將當前小區和目標小區信號的強弱進行對比，根據對比結果，選擇合適的小區，進而充分利用該小區的有效資源。若將該算法應用于高速鐵路，僅靠單純的對比信號強弱的方式顯然不切合實際，屆時需要改變A3 算法中兩個對應參數，根據高鐵不同運行速度下信號的強弱不斷切換判決參數，以實現該算法的進一步優化[1]。

A3 算法的運行需要一定的觸發條件，再根據高鐵運行速度及信號強弱的變化適時取消觸發條件，實現A3 觸發切換算法的準確性。

A3 事件觸發條件：

A3 事件取消觸發事件：

其中，Mn是目標基站的RSRP；Ms是當前服務基站的RSRP；Ocn是目標小區的偏置；HHM是功率門限值參數。

通過對相鄰的兩個小區進行信號強度測量，在將測量結果對應式中結構進行計算，可計算出相鄰小區的信號強度，同理，若將其應用于高速鐵路中或許也可以獲取高鐵運行中的信號強度，但實際情況卻不盡然。在實際的高速鐵路運行中，僅靠上述公式無法準確測量高速鐵路的信號強度，應根據高鐵運行速度以及高鐵運行狀態下通信信號的強度，切換合適的判決參數，在用該判決參數對高速鐵路的信號進行測量。

2.2 終端速度特性觸發的切換算法

移動終端速度特性觸發的切換算法具體運算方法與A3大有不同，在A3算法中，HHM的值是固定不變的，但在移動終端速度特性觸發的切換算法中，HHM的值是隨著移動終端速度的變化而變化的。對于高速鐵路中終端速度特性觸發的切換算法，如果在該系統中，HHM的值保持不變，并且觸發切換的位置也保持不變[2]，那么當列車提速并保持高速度運行時，移動終端在切換帶內切換的時間就會縮短。這就容易產生移動終端切換未完成，列車就已經駛出切換范圍的現象，由此出現掉線、掉網狀況，影響旅客的乘車體驗，高速鐵路應急通信也不能實時傳輸，更有甚者會導致列車事故，對乘客的生命安全帶來一定隱患。

因此，在高速鐵路中運用移動終端特性觸發切換算法時，應對移動終端特性觸發切換算法進行優化，對不通等級速度的列車進行合理規劃，統籌出什么時速采用什么參數。具體可分為3 個時速：低速、中速及高速，低速范圍在1～120 km/h，中速在120～250 km/h，高速則為250～350 km/h。在列車這三個不同時速分別輔以相對應的參數進行控制切換，當列車高速運行時，避免切換過慢產生列車高速駛出，算法還未切換完成的現象，從而提高切換效率，提高列車運行過程中的信號強度，提高旅客乘車體驗。

2.3 統計特性觸發的切換算法

統計特性觸發的切換算法是指移動終端持續接收來自物理層的測量報告，在接收到測量報告之后，首先對測量報告進行判斷，判斷該測量報告的值是否準確，是否符合要求，如果該測量報告的值不符合規定要求，應繼續等待接收下一個測量報告，如果測量報告的值符合要求，則應根據觸發準則，將全部符合條件的測量報告的值進行累加，最后判斷累加值是否符合最先設計好的統計閾值[3]。

在實際的高速鐵路運行過程中，若只是依靠上面闡述的3 種切換算法來維持列車信號，實現應急通信，難免會出現疏漏之處。以統計特性觸發的切換算法為例，為防止算法切換過程中出現的各種誤差，應提前根據列車運行的時速確定好統計閾值，當列車時速較小時，統計閾值可設置的稍大些，當列車時速過快時，則應適當縮減統計閾值，以保證切換算法及時有效，避免出現切換遲緩現象。

3 高速鐵路LTE 通信切換算法仿真

3.1 仿真平臺的搭建

為了將LTE 系統真正運用于高速鐵路通信系統中，僅靠單一的理論研究是遠遠不夠的，還應通過仿真實驗的方式將LTE 系統模擬應用于高速鐵路中。本次仿真實驗的仿真平臺搭建主要以兩個LTE 小區為例，讓UE 在兩個小區之間來回移動，如圖2 所示。該結構圖極大地貼合了列車運動與鐵路的鏈狀分布結構。

圖2 小區結構圖

3.2 仿真流程

仿真流程的內容主要包括：仿真場景選擇—UE 移動性處理—系統參數測量—執行相應切換算法—是否切換—切換。

圖3 為具體流程圖。

圖3 仿真流程圖

3.3 切換算法

之所以要設置切換算法，主要目的是在保證通信信號的前提下減少切換頻率，本次仿真實驗主要模仿列車260 次穿過重疊覆蓋區時，算法切換的速率，并對切換后算法的性能進行評價。主要算法公式如下：

切換觸發是在所接收的物理測量報告符合規范的情況下進行的，切換觸發的次數與合格的物理測量報告的數量呈正相關，符合規范的物理測量報告的數量越多，切換觸發就越多，反之，切換觸發次數就越少。如果所接收的物理測量報告不符合規范，應當繼續等待下一個測量報告，直至符合規范的測量報告出現，才能進一步引發切換觸發。

3.4 仿真結果分析

3.4.1 當前基站與目標基站中列車接收到的信號強度對比

隨著列車移動終端距離當前基站距離的不斷加大，這時來自當前基站的通信信號越來越弱，而來自目標基站的信號則越來越強，當列車行駛到距當前基站與目標基站的等同距離時，此時列車從兩基站接收到的信號基本持平。

3.4.2 切換觸發的次數

通過仿真實驗可以得出如下結論：切換觸發次數與列車駛離當前基站后到目標基站的距離有密切關系。當列車駛離當前基站向目標基站開去的時候，切換觸發次數會隨著列車到目標基站的距離的減小而逐漸增多，列車距離目標基站越近，切換觸發次數就會越多，這一過程中，列車從當前基站中獲得的信號強度就會越來越弱，而從目標基站獲取的信號會越來越強。

3.4.3 多普勒效應優化算法提高通信切換算法的成功率

高速鐵路途徑地形復雜多樣，如果僅采用普通切換算法不僅不能有效提高切換成功率，而且會影響列車行駛過程中的信號強度，進而影響應急信息的傳輸效果。而多普勒效應則能夠根據高鐵運行的速度進行算法優化，針對列車的不同時速，選擇合適的切換算法，以提高通信切換算法的成功率。因此，在本次仿真實驗中，為了切實提高切換算法的成功率，采用多普勒效應優化切換算法，進而提高列車運行過程中的信號強度，給旅客帶來良好的乘車體驗。

4 結論

本文針對LTE 系統的架構，對高速鐵路LTE 通信切換算法進行了深入剖析，并通過仿真模擬了解到LTE 系統的應用利于保證列車移動過程中信號的連續性，有助于提高旅客在列車內的通信質量，給旅客帶來良好的乘車體驗。