位置功率聯(lián)合判決的高鐵通信越區(qū)切換算法

張佳健，李翠然，謝健驪

（蘭州交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，蘭州 730070）

0 概述

高鐵列車的通信需求有2 個方面，一為高鐵列車控制、列車調(diào)度業(yè)務(wù)，二為旅客的移動通信業(yè)務(wù)［1］。越區(qū)切換作為高速鐵路無線通信移動性管理的重要部分，在提高列車無線通信質(zhì)量、為列車提供移動狀態(tài)下的無縫通信等方面具有重要意義［2］。

文獻［3］提出以貝葉斯回歸模型預(yù)測列車位置的切換方法，該方法借助基站數(shù)據(jù)用于機器學(xué)習(xí)判決切換條件。文獻［4］提出一種功率-距離切換優(yōu)化算法，其在一個測量周期內(nèi)即可完成切換，但高移動速度下無法滿足切換成功率的要求。文獻［5］提出一種固定切換觸發(fā)位置的算法，該算法忽略列車速度對切換判決的影響，簡化切換流程從而實現(xiàn)快速切換。文獻［6］提出一種H2 切換方案，其借鑒LTE-R 切換觸發(fā)標準中的A4 事件參數(shù)，提出OC 約束條件以防止過早切換，但RSRP-GAP（GAP of Reference Signal Receiving Power）非最小值，使得該方案存在一定的改進空間。文獻［7］提出動態(tài)函數(shù)為切換算法參數(shù)和列車速度建立對應(yīng)關(guān)系，但其算法結(jié)構(gòu)不適用于高鐵環(huán)境，優(yōu)化遲滯參數(shù)不能降低多變信道環(huán)境下的乒乓切換率。文獻［8］提出一種基于速度的提前切換算法，其計算預(yù)承載點并提前執(zhí)行信令交互。列車越區(qū)切換的研究重點在于快速、精準地觸發(fā)切換，本文提出一種綜合考慮位置信息與信號功率的切換算法，利用已切換節(jié)點的狀態(tài)對后續(xù)節(jié)點的切換位置進行糾正，使切換位置收斂于最佳切換點，從而在簡化切換流程的同時實現(xiàn)可靠、準確的越區(qū)切換。

1 高鐵無線通信特點

1.1 無線通信覆蓋方式

高鐵無線通信的覆蓋方式與公網(wǎng)移動通信系統(tǒng)有很大不同，其無線覆蓋具有以下特點［9］：

1）高速鐵路小區(qū)部署呈線狀覆蓋或帶狀覆蓋。

2）列車高速移動導(dǎo)致多普勒頻移。

3）用戶數(shù)量多，存在群切換現(xiàn)象。

高鐵沿線采用射頻拉遠方式部署基站，如圖1所示，邏輯小區(qū)內(nèi)UE（User Equipment）不進行切換仍可流暢地完成數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和通話業(yè)務(wù)。在高鐵無線通信中，為了降低列車車廂穿透損耗的影響，研究人員提出車頂外置通信中繼天線AP（Access Point）的方法［10］，車廂所有UE通過AP 匯集組網(wǎng)后與 演進型基站eNB（evolved NodeB）進行通信。中繼通信相比直連通信方式避免了列車車廂的穿透損耗，分布式無線覆蓋方式降低了列車在小區(qū)間的切換頻率，這兩點均在一定程度上提高了列車的切換成功率。此外，覆蓋重疊區(qū)的大小也會影響列車的切換性能：重疊區(qū)域過大會造成不必要的能量損耗；重疊區(qū)域過小可能會因信號太弱而掉話，從而影響切換性能。

圖1 高鐵無線通信覆蓋方式Fig.1 Coverage mode of high-speed railway wireless communication

1.2 位置信息獲取

基于位置信息的越區(qū)切換能夠在不提高計算復(fù)雜度的前提下提升切換成功率。目前較新的定位研究成果為GNSS（Global Navigation Satellite System）與INS（Inertial Positioning System）互補定位的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，其一維定位誤差在5 m 以內(nèi)，慣性制導(dǎo)下誤差保持在10 m 以內(nèi)，定位精度、可靠性和實時性均有較大改善［11］。

假設(shè)列車沿鐵路軌道直線行駛，如圖2 所示，則高鐵列車運行場景可簡化為一維坐標模型。假設(shè)相鄰小區(qū)eNB 的位置坐標分別為Ms、Mt，基于GNSS-INS 組合導(dǎo)航定位方法獲得的列車位置坐標為M0，當列車位置靠近切換點附近時（切換點定義為距重疊覆蓋區(qū)中心點500 m以內(nèi)），則進入切換準備階段并測量相應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖2 基站與列車位置示例Fig.2 Example of base station and train location

1.3 切換性能影響因素

文獻［6］對高鐵信道模型和列車切換性能進行研究，發(fā)現(xiàn)RSRP-GAP 和切換性能有直接聯(lián)系，減小RSRP-GAP 可以降低切換中斷率，RSRP-GAP 的定義如式（1）所示：

切換中斷率是越區(qū)切換的一項重要指標，發(fā)生中斷的主要原因包括切換過早、切換過晚和乒乓切換［12］。圖3 所示為切換過早和過晚2 種情況下的RSRP 變化，其中，橫坐標表示列車到源基站的距離，縱坐標為參考信號接收功率，HO 表示切換。切換過早表現(xiàn)為UE 執(zhí)行越區(qū)切換時距離目的eNB 過遠，信噪比小于最低通信閾值；切換過晚表現(xiàn)為UE 穿過最佳切換區(qū)域時未觸發(fā)切換條件，此時正與UE 保持通信的服務(wù)eNB 的信號功率衰落至最低通信閾值以下，導(dǎo)致通信中斷。切換過早和切換過晚均為切換位置選擇不當所致，為了保證較好的切換結(jié)果，應(yīng)使切換前后的信號功率盡可能相等，即通過RSRP-GAP 最小化來優(yōu)化切換性能。

圖3 切換過早和切換過晚的RSRP 變化Fig.3 RSRP changes of handover too early and handover too late

2 位置功率聯(lián)合判決的越區(qū)切換算法

本文以RSRP-GAP 最小化為目標，提出切換閾值函數(shù)作為限制條件確定切換帶，然后聯(lián)合多節(jié)點切換狀態(tài)，利用加權(quán)統(tǒng)計線性回歸（Weighted Statistics Linear Regression，WSLR）算法收斂切換誤差。WSLR 算法的性能通過由收斂速度和波動水平組成的價格函數(shù)綜合評定，以最小價格篩選出對應(yīng)的最佳參數(shù)，使切換觸發(fā)位置快速收斂于最佳切換點附近。

2.1 單節(jié)點判決

切換執(zhí)行操作具有固定時延，可以由切換執(zhí)行點結(jié)合列車速度信息得到切換完成點的位置信息，如式（2）所示：

其中：He和Hb分別為切換完成點和執(zhí)行點的坐標；v是列車當前時刻瞬時速度；T0是固定切換時延，其取決于切換準備階段的操作內(nèi)容以及程序執(zhí)行速度和延遲。路徑傳播與陰影衰落下的信道模型［13］如式（3）所示：

其中：LdB代表信道衰落；L（d0）代表位于d0點的參考損耗；路徑損耗指數(shù)n依據(jù)不同地形在2～6 范圍內(nèi)取值；ζ0表示陰影衰落的對數(shù)損耗［14］，因為信道中障礙物的形狀、大小、位置對信號的遮擋程度是隨機的，所以通常采用統(tǒng)計隨機特征表征，其服從均值為0、標準差為σdB 的正態(tài)分布。由式（3）結(jié)合式（1）可得到RSRP-GAP 關(guān)于切換執(zhí)行點的函數(shù)式如下：

其中：LBS為基站間距，取值范圍為1.5～2.0 km；ζ1服從均值為0、標準差為dB 的正態(tài)分布［15］。高鐵環(huán)境下信道狀態(tài)快速變化，因此，本文設(shè)置切換閾值以限制RSRP-GAP 的取值范圍，得到最佳切換點可能取值的切換帶。切換閾值如式（5）所示：

其中：GapH（v，σ0）是限定RSRP-GAP 的切換閾值（單位為mW），其與當前時刻列車速度v和信道噪聲標準差σ0有關(guān)。結(jié)合式（4）與式（5）可得切換帶表達式如下：

其中：Q是邊界因子。當列車速度已知時Q是影響切換帶邊界的唯一因素，其計算如式（7）所示：

由式（6）和式（7）可知，當環(huán)境噪聲的功率和信道衰落的標準差不變時，列車速度越快，切換帶越靠近服務(wù)eNB，反之則向目的eNB 一側(cè)偏移；當列車速度已知時，環(huán)境噪聲和衰落標準差越大，切換帶的范圍越大，左右邊界分別向兩側(cè)擴展。為防止切換位置選擇不當，本文以切換帶中點Xm作為切換觸發(fā)位置，由式（6）可知切換帶中點坐標如下：

若第一次切換失敗，需要執(zhí)行第二次切換，第二次切換執(zhí)行點應(yīng)小于切換帶右邊界，即滿足式（9）：

其中：v代表列車當前速度；TZ表示列車執(zhí)行2 次切換操作之間的準備時間間隔，通常取50 ms［16］。

本節(jié)基于RSRP-GAP 與閾值GapH（v，σ0）確定切換帶范圍，提出切換帶內(nèi)的單節(jié)點切換判決條件，該算法執(zhí)行時間包括定位時間（獲取列車位置、速度信息的時間）和計算時間（計算切換閾值、切換帶和切換觸發(fā)位置的時間），由不同的無線定位環(huán)境和程序執(zhí)行速度決定。因為該算法無法求最佳切換點的精確解，所以本文提出多節(jié)點聯(lián)合的切換自優(yōu)化算法以改善切換性能。

2.2 多節(jié)點聯(lián)合判決

因為車載AP 切換點的判決誤差之間存在相關(guān)性，所以在車載AP 間建立線聯(lián)量并基于WSLR 方法［17］即可根據(jù)前置節(jié)點的切換結(jié)果預(yù)測當前節(jié)點的功率補償，通過節(jié)點信息分享為一致性預(yù)測算法提供輸入量，從而提高收斂速度［18］。利用功率補償值對應(yīng)的位置補償糾正后續(xù)切換位置，使之逐步收斂于最佳切換點附近。

假設(shè)第i個節(jié)點已經(jīng)完成切換并成功與目的eNB 建立鏈接，則節(jié)點i的功率偏差如式（10）所示：

其中：i代表當前待切換的節(jié)點編號，并假設(shè)前i-1 個節(jié)點已完成切換；m代表相關(guān)聯(lián)的節(jié)點數(shù)量，在1～9 之間取值；αk表示與當前節(jié)點相鄰的第k個節(jié)點的功率偏差權(quán)重系數(shù)。在計算出當前節(jié)點的功率補償后，利用切換閾值與切換帶邊界坐標構(gòu)建分段函數(shù)，建立功率補償與位置補償Δxi之間的聯(lián)系，如式（12）所示：

合理地配置關(guān)聯(lián)數(shù)量m和權(quán)重系數(shù)A=［α1，α2，…，αm］T是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。本文給出功率偏差收斂的定義，并利用基于平均收斂價格和波動水平的標準來選定參數(shù)［19］。所謂功率偏差收斂（下文簡稱為收斂），是指功率偏差的絕對值小于收斂閾值（3 dB）。收斂價格是評價收斂速度的標準，原則上應(yīng)使收斂價格盡可能小，即收斂速度盡可能快。收斂價格計算如式（13）所示：

其中：X是第一個節(jié)點的切換位置；φ（A；X）表示第一個收斂節(jié)點的編號。考慮到第一次收斂后功率誤差可能在收斂閾值內(nèi)震蕩，不能僅以收斂價格作為性能評價標準，因此，本文加入波動水平標準，如式（14）所示：

其中：F（A）是波動水平；PL和PR是式（6）中的切換帶左右邊界；N為列車搭載的AP 節(jié)點總數(shù)。

收斂價格表示系統(tǒng)的收斂效率，波動水平反映系統(tǒng)收斂后的穩(wěn)定性，本文聯(lián)合式（13）、式（14）提出代價函數(shù)，使波動水平歸一化后與收斂價格相加，通過代價函數(shù)最小化來篩選出滿足系統(tǒng)性能要求的權(quán)重系數(shù)向量，如式（15）所示：

相比單節(jié)點判決，多節(jié)點判決算法增加了功率測量和切換位置補償預(yù)測過程，以犧牲一定復(fù)雜度的方式換取切換性能的大幅提升。

2.3 算法步驟

本文所提高鐵通信越區(qū)切換算法步驟如下：

步驟1車載AP 控制臺根據(jù)列車運行方向?qū)P節(jié)點進行編號，并實時從列控系統(tǒng)中讀取位置信息、從服務(wù)eNB 中獲取后續(xù)小區(qū)列表，為越區(qū)切換做準備。

步驟2根據(jù)讀取的位置信息判斷是否進入切換準備階段，當列車距離重疊覆蓋區(qū)中心點小于500 m 時開始進入切換準備階段，否則繼續(xù)等待位置信息更新。

步驟3在進入切換準備階段后，針對某特定節(jié)點（編號為i），利用簡化后的坐標模型，以切換閾值結(jié)合位置信息和基站RSRP 測量報告確定切換帶范圍。

步驟4在計算出節(jié)點i的切換帶后，通過前置節(jié)點切換后的狀態(tài)預(yù)測功率補償RRDCi，并利用補償公式得到位置補償Δxi，對切換觸發(fā)位置進行糾正。

步驟5判斷觸發(fā)條件是否滿足，當節(jié)點到達觸發(fā)點時啟動越區(qū)切換流程，與源、目的eNB 進行信令交互并激活目的eNB 的無線接口，實現(xiàn)越區(qū)切換。

3 建模參數(shù)設(shè)置與仿真分析

高鐵沿線環(huán)境復(fù)雜，有高架橋、平原、山地等場景，本文仿真主要針對高鐵的山地場景，系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1 所示，其中，路徑損耗指數(shù)n的數(shù)值依據(jù)文獻［20］中的山地場景損耗參數(shù)選取。在仿真中，設(shè)置服務(wù)eNB 和目的eNB 各項參數(shù)，列車初始位置位于服務(wù)eNB 處，分別以不同速度移動到目的eNB。以乒乓切換率和切換成功率作為評價指標，將本文位置功率聯(lián)合判決算法（以下簡稱為聯(lián)合判決算法）與基于A3 事件判決算法（以下簡稱為A3 算法）、基于距離觸發(fā)的切換算法（以下簡稱為距離觸發(fā)算法）進行性能比較。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置Table 1 Simulation parameters setting

利用Matlab 軟件通過區(qū)間遍歷的方式進行仿真分析，關(guān)聯(lián)節(jié)點數(shù)量m的遍歷區(qū)間取［1，6］且步進為1（m等于1 時即對應(yīng)單節(jié)點切換，考慮到算法執(zhí)行效率，限制m不超過6），對應(yīng)數(shù)量下權(quán)重矩陣A中元素的遍歷區(qū)間為［0.01，0.99］并以0.01 為步進進行仿真。不同m值下的最小代價變化如圖4 所示，由圖4可知，m=3 是最小代價的極值點，此時在收斂速度與波動水平之間取得權(quán)衡。

圖4 不同m 值對應(yīng)的最低代價Fig.4 The lowest cost corresponding to different m values

不同切換算法的乒乓切換率對比如圖5 所示。由圖5 可知，本文位置功率聯(lián)合判決算法具有較低的乒乓切換率，該算法結(jié)合列車運行單向性對切換流程進行優(yōu)化并適配高鐵場景，依靠對目的小區(qū)RSRP 進行監(jiān)測從而避免重復(fù)切換，因此減少了不必要的乒乓切換。

圖5 不同算法的乒乓切換率對比Fig.5 Comparison of ping-pong handover rates of different algorithms

圖6 比較3 種算法在不同高鐵移動速度下的信號功率差值RSRP-GAP。由圖6 可知，隨著列車速度的增加，3 種算法切換前后的RSRP-GAP 都在增大。聯(lián)合判決算法的功率差值得益于位置誤差矯正，使得其低于A3 算法和距離觸發(fā)算法。

圖6 不同算法的RSRP-GAP 對比Fig.6 RSRP-GAP comparison of different algorithms

不同切換算法的切換時延和通信中斷率分別如圖7、圖8 所示。我國鐵路無線技術(shù)標準要求切換時延應(yīng)不超過45 ms，且切換成功率應(yīng)大于99.5%，從而提供較好的無線通信體驗［21］。由圖7 可知，A3 算法的切換時延隨列車速度的提高而增大，在速度高于250 km/h 時切換時延大于45 ms，在速度為350 km/h 時通信中斷率過高，對應(yīng)的切換成功率小于99.5%，無法符合鐵路無線技術(shù)標準［22］。而聯(lián)合判決算法和距離觸發(fā)算法均改善了切換性能，聯(lián)合判決算法相比距離觸發(fā)算法，在列車速度低于180 km/h 時其性能優(yōu)勢并不顯著，隨著列車速度的不斷提高，聯(lián)合判決算法的切換時延和通信中斷率性能提升顯著。由此得出，在列車高速運行時，應(yīng)采用切換性能更優(yōu)的聯(lián)合判決算法。

圖7 不同算法的切換時延對比Fig.7 Comparison of handover delay of different algorithms

圖8 不同算法的通信中斷率對比Fig.8 Comparison of communication interruption rates of different algorithms

4 結(jié)束語

本文以提高切換成功率、提升無線通信服務(wù)質(zhì)量、保證通信鏈路可靠性為目的，提出一種位置功率聯(lián)合判決的高鐵通信越區(qū)切換算法，旨在為旅客業(yè)務(wù)、列車安全控制和運營調(diào)度提供通信保障。根據(jù)高鐵列車移動方向固定的特點優(yōu)化切換流程，避免乒乓切換。通過位置功率聯(lián)合判決確定切換帶，利用多節(jié)點聯(lián)合糾正切換位置，從而提高切換成功率。仿真結(jié)果表明，在高速條件（300～380 km/h）下該算法的越區(qū)切換成功率達到99.75%以上，滿足我國鐵路無線通信系統(tǒng)標準要求。下一步將基于人工智能技術(shù)，建立以回報函數(shù)最大化為目標的強化學(xué)習(xí)工具，并研究下一代鐵路無線通信系統(tǒng)5G-R 業(yè)務(wù)下的移動性管理算法。