基于速度动态函的LTE-R越区切换优化算法

李德威，陈永刚

(兰州交通大学自动化与电气工程学院，兰州 730070)



基于速度动态函的LTE-R越区切换优化算法

李德威，陈永刚

(兰州交通大学自动化与电气工程学院，兰州 730070)

传统的LTE-R越区切换算法，采用固定切换迟滞门限和延迟触发时间的切换算法。但是当列车高速运行时，切换成功率明显下降，无法满足高速铁路无线通信系统对QoS大于99.5%的要求。通过对切换流程、测量参数、控制参数的分析，提出一种基于速度动态函数的越区切换优化算法。该算法在低速、中速、高速3种列车运行状况下，更适宜高速铁路情景切换时机的选择。仿真结果表明:基于椭圆函数的LTE-R越区切换优化算法，既保证了列车在中高速运行时，越区切换成功率有着明显提升，又避免了列车在中低速运行时，乒乓切换事件频率过高。

高速铁路；LTE-R；切换迟滞容限；延迟触发时间；切换成功率

2010年，国际铁路联盟(UIC)在第七届世界高速铁路大会上，将LTE-R(long term evolution for railway)技术作为下一代移动通信发展战略[1]。2011年我国设立了基于TD-LTE技术研究与应用验证的专项课题。

LTE-R相对于现有的GSM-R技术有许多优点：其一，扁平化的结构更方便网络的修改优化；其二，多天线技术的应用，能够提高系统容量与传输速率；其三，为列车在线视频回传、在线运行监控、在线维修检测提供了通信基础[2]。

铁路通信系统继承了铁路线状覆盖的特点，随着铁路速度的迅速提升，小区切换更加频繁，无线链路失效率增加。因此，如何在较低乒乓事件下，提高列车越区切换的成功率，提高系统的可靠性成为研究重点。文献[3]建立了LTE-R与GSM-R的Petri网模型，通过数学分析对比指出，列车在高速行驶时LTE-R系统切换成功率会明显降低。国内外对LTE-R越区切换成功率的提高提出了许多种方案：文献[4-6]是基于速度特性对切换参数进行优化研究，但这些方案普遍存在着移动终端运动速度较慢，不适应高速铁路场景的应用；文献[7-9]是基于位置信息对切换算法进行改进，提前选定切换的固定位置，当列车位置与切换点间的距离小于固定阀值时触发切换，或者直接把重叠区中点作为切换点，这种方案虽然能够提高越区切换的成功率，但是由于无线信道的剧烈变化，实用价值并不大；文献[10-11]是基于预承载的方式，根据列车位置、速度和方向等信息，缩短切换时延，提高了切换成功率。

本文从应用动态函数的角度出发，提出了一种基于速度动态函数的越区切换优化算法，通过对运用3种不同动态函数对切换迟滞门限(Handover Hysteretic Threshold，HHT)和延迟触发时间(Time To Trigger，TTT)进行动态调整，以达到在中高速运行状态下，提高越区切换成功率，在中低速运行状态下，保持相对低的乒乓切换事件的目的，更适宜高速铁路的需求。

1 重叠覆盖区规划

无线网络规划对越区切换起着重要作用，合理的重叠区规划，能够保障及时切换，避免过早或者过晚切换，同时还可减少甚至避免乒乓切换事件的发生[12]。基站间间距的确定，首先要计算基站的覆盖范围。然后根据满足最大设计时速运行下，列车能够满足2次越区切换的距离，即列车移动终端(UE)在第一次越区切换失败后立即开始第2次切换进行补充，切换带的长度为A。最后，根据切换门限确定过渡区的长度B，如图1所示。

图1 两基站间重叠区示意

本文的信道模型，选用由中国铁路通信信号集团牵头负责测量的LTE-R信道测量模型。铁路环境复杂，有山区、高架桥、平原、城区等等。选取无线信号变化较为复杂的山地模型。其中信道模型表达式为PL(d)=27.0+32.3log(d)+Xσ(σ=3.34)[13]。

表1列出了不同设计速度下切换带的长度、过渡区长度、以及两基站间距。

表1 不同设计速度下的基站间距 m

2 基于速度动态函数的自适应优化算法

传统切换算法是基于RSRP、RSRQ固定切换迟滞容限，并延迟触发的A3切换算法。但是当列车速度比较高时，传统切换算法下切换成功率有着明显的下降，无法满足高速铁路的需求。采用一种基于速度的动态函数，对算法控制参数进行动态调整。当速度较高时，适当降低切换迟滞门限和延迟触发时间，进而提高列车高速运行情境下的切换成功率；当速度较低时，保持相对高的切换迟滞门限和延迟触发时间，保证列车低速运行时乒乓切换事件频率较低。动态函数选用3种具有代表性的函数，即反函数、一次函数、椭圆函数，对切换迟滞门限和延迟触发时间进行动态调整。选用这3种具有代表性的函数，是因为这3种函数均满足随横轴增加纵轴降低，满足随着列车运行速度的增加，切换迟滞门限的降低和延迟触发时间的减少。而且这3种函数当速度增加时，变化速率具有代表性，分别为减小、不变和增大，通过仿真比较能够找到更适合的动态变化曲线。此外选取较简单的函数，能够降低切换过程中的运算时间。

对列车运行速度的判断，将v<120 km/h定为低速；120 km/h

3种动态函数表现形式分别为

一次函数 y=ax+b

3 切换成功率和理论允许切换次数分析

图2为切换过程流程。

图2 切换过程流程

由图2可以看出，切换过程主要包括测量报告，触发判断，和切换执行3个过程。

3.1 测量报告的生成

假设两基站间距为D， 且两基站属于同一个MME。列车在t时刻运行时，与源基站eNodeBi的距离为Xt。与目的基站eNodeBj的距离为D-Xt。

所以，列车接收到源基站的信号强度

(1)

其中，PIeNB为基站i的发射功率；PL(xt)为路径损耗；α(i)为阴影衰落因子α(i)(0，σ2)；β(i，t)为快衰落对接收信号造成的影响。

同理，列车接收到目的基站的信号强度

(2)

列车在切换触发判断之前需要对接收到的信号进行层三滤波处理，层三滤波是UE对测量信号所釆取的平滑处理过程。目的是为了消除因信道突变或测量误差所带来的测量值变化的不稳定性，从而削弱切换过程中存在的切换误判和乒乓效应以及快衰落影响接收信号波动较大的问题。图3为层三滤波流程。

图3 层三滤波流程

图3中，Tm代表层一滤波周期，Tu代表层三滤波周期。

层三滤波性能可以用公式(3)所示

(3)

式中，Fn代表本次滤波计算结果；Fn-1代表前一个测量周期报告的滤波测量结果；Mn代表经过层一滤波后的测量值(B点)；α定义为层三滤波因子[2]。

经过运算后，层三滤波后的Fn即为测量报告的生成值。

3.2 触发判断过程

当列车生成测量报告后，需要判断测量报告是否满足切换的触发条件。

第一次触发判断公式[14]

(4)

其中，H为切换迟滞容限值；L为满足列车通信的最小信号强度阀值。

t1为延迟触发时间，延迟后判断公式

(5)

所以切换过程中的触发率

(6)

3.3 切换执行过程

当列车经过延迟触发后，若仍然满足切换条件，则执行切换。执行过程中，需要目标基站接收到的平均信号强度大于满足通信的最小信号强度阀值。

所以切换过程中的执行率公式

(7)

其中，x1为基站执行切换命令时的位置；t2为切换执行过程所需要的时间。

3.4 切换成功率

列车一次切换顺利接入目标基站的概率

(8)

列车二次切换顺利接入目标基站的概率

(9)

列车n次切换顺利接入目标基站的概率

(10)

所以列车从源基站进入到目标基站的概率

Psuc(t)=∑(Psuc1(t)+Psuc2(t)+…Psucn(t))(11)

3.5 理论切换次数

重叠区切换带的设置，通常是按照列车最大设计运行时速下，进行2次切换的距离。切换带长度过大，会带来成本以及乒乓切换次数的增加，而切换带过小，则无法满足完成切换过程，造成通信中断。我们将列车在切换带所能进行切换的次数定义为理论切换次数。所以当列车按照不同速度在切换带行驶时，理论允许切换次数不同。理论切换次数过高，则乒乓切换事件频繁，容易造成无线链路失效；理论允许切换次数过低，则无法完成切换过程，造成切换成功率较低。理论允许切换次数

(12)

其中，n为理论切换次数；s为切换带的长度；s1为基站的覆盖范围；s2为切换迟滞门限的位置；v为列车运行速度；t1为生成测量报告需要的时间；t2为延迟触发时间；t3为切换执行时间。

4 仿真验证

4.1 仿真参数的配置

仿真参数配置如表2所示。

表2 仿真参数配置

所以机车台接收到的电平公式

Pr=PeNB+Gb+Gm-PL=

(13)

为了满足列车高速环境下列控业务和非列控业务的需求，对于接收电平还需要设计必要的保护余量，以对抗各种衰落和干扰，机车台的保护余量设计见表3。

根据链路保护余量以及机车台接收电平公式(13)，可以得到高速铁路满足列控业务和非列控业务时，机车台的最小接收电平分别为-82.5 dBm和-84.5 dBm[15]。

表3 机车台保护余量设计

为了使3种动态函数具有可比较性，将首尾节点设置成相同的参数。对于切换迟滞门限，当v=0 km/h时，切换迟滞门限的上限设置为6 dB[16]，当v=360 km/h时，切换迟滞门限的下限设置为3 dB，下限设置为3 dB避免了不必要的乒乓切换[5]。对于延迟触发时间，当v=0 km/h时，延迟触发时间设置为480 ms，当v=360 km/h时，延时触发时间设置为60 ms， 这是因为延迟时间TTT必须是测量周期的整数倍[2]。3种不同函数的参数如表4所示。

表4 不同函数与HHT、TTT的控制参数

4.2 仿真结果

图4、图5是不同速度下，不同动态函数与切换迟滞门限HHT、延迟触发时间TTT的关系仿真图。由图4可知，3种动态函数随着速度的增加，切换迟滞门限HHT的变化速率明显不同，变化速度有快、有慢，差异化的变化曲线，可以对比找到合适的动态函数。既提高了中高速情境下，越区切换的成功率，又保证了中低速情境下，维持一个较低的乒乓切换次数。图5，除了延迟触发时间必须是测量周期的整数倍之外，其余与图4同理。

图4 不同速度V不同动态函数与HHT的变化关系

图5 不同速度V不同动态函数与TTT的变化关系

在列车速度0～360 km/h范围内，分别对3种算法与传统算法进行切换成果率和理论切换次数的仿真比较，仿真结果如图6、图7所示。

图6 不同速度下，4种方案的切换成功率比较

图7 不同速度下，4种方案理论允许切换次数的比较

由图6可知，当列车在高速(250～360 km/h)运行时，传统算法下越区切换成功率低于99.5%，不满足我国铁路现行无线通信系统QoS技术对越区切换率大于99.5%的要求[3]，而3种改进后的切换算法，越区切换成功率均满足大于99.5%的要求。

由图7可知，3种改进后的切换算法，在中高速运行时，都通过提高理论允许切换次数，和触发率来提高越区切换成功率，但在中低速运行时，椭圆函数理论允许切换次数变化不大，触发门限值相对较高。这就使列车在中低速运行时，维持了一个较低的乒乓切换事件，满足高速铁路的对越区切换需求。

5 结语

本文从动态调整切换迟滞门限和延迟触发时间的角度出发，提出了一种基于速度动态函数的改进切换算法。动态函数选取3种典型的函数，反函数、一次函数、椭圆函数进行仿真比较。首先对3种函数动态调整切换迟滞门限和延迟触发时间进行比较，进而仿真分析3种改进切换算法与传统切换算法下，切换成功率和理论允许切换次数比较。仿真结果表明，基于椭圆函数的LTE-R越区切换优化算法，既保证了列车在中高速运行时，越区切换成功率有着明显提升，满足我国铁路现行无线通信系统QoS技术对越区切换率大于99.5%的要求，又避免了列车在中低速运行时，乒乓切换事件频率过高。因此，基于椭圆函数的LTE-R越区切换优化算法更适宜高速铁路情景下切换时机的选择，为未来LTE-R系统在铁路的应用中，提供了必要的技术支持。

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LTE-R Cross-zone Handover Optimization Algorithm Based on Speed Dynamic Function

LI De-wei， CHEN Yong-gang

(School of Automation and Electrical Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China)

Traditional LTE-R cross-zone handover algorithm uses the algorithm with a fixed handover hysteretic threshold and delayed triggering time. But when the train runs at a high speed， the success rate of the handover decreases significantly and fails to meet the requirements of the high-speed railway wireless communication system， for which the QoS must be more than 99.5%. Based on the analysis of the handover process， the measuring parameters and the control parameters， this paper proposes a cross-zone handover optimization algorithm based on dynamic function of velocity. This algorithm with low， medium and high speed of three train running conditions is more suitable for the selection of handover time in high-speed railway scenario. Simulation results show that the cross-zone handover optimization algorithm based on elliptic function of LTE-R can not only ensure higher cross-zone handover success rate of the train running at medium and high speed， but also prevent frequent ping-pong switching event when the train runs at low and medium speed．

High-speed railway; LTE-R; Handover hysteretic threshold; Delayed triggering time; Handover success rate

2016-04-11；

2016-04-25

国家自然科学基金地区项目(61164101)

李德威(1989—)，男，硕士研究生，主要研究方向:交通运输工程，E-mail:ldwedu@126.com。

陈永刚(1972—)，男，副教授。

1004-2954(2016)11-0143-05

U238； TN929.5

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.11.032