高速铁路LTE-R改进切换算法的研究

陈 鹏，米根锁，罗 淼

(1.兰州交通大学自动化与电气工程学院，兰州 730070;2.兰州交通大学铁道技术学院，兰州 730070)

国际铁路联盟将LTE-R确定为下一代铁路移动通信技术，对其进行深入的研究尤显重要。随着列车运行速度的不断提高，列车在小区间的切换更加频繁，这就对小区间的切换时延和切换成功率提出了更高的要求。

针对列车高速运行过程中的越区切换问题，国内外学者提出了不同的方法，文献[1]提出分析用户的历史移动情况，得出用户的运动规律，以此规律进行切换预测，但不能进行及时的更新。文献[2]提出基于速度特性的自适应联合判决算法，避免了切换过程中的切换过晚，但对触发时延考虑较少。文献[3]针对LTE-R系统提出软切换的理念，有效提高切换成功率，但以提高切换时延为代价。

本文利用测量滤波对触发时延进行计算，结合列车的运行速度，提前触发切换，使列车在高速运行状态下，减少切换时延，提高切换成功率，保障列车的运行安全。

1 LTE-R切换重叠区

在移动通信过程中，为保障UE的不间断通信，在服务eNodeB与相邻eNodeB的重叠部分，由于服务eNodeB的信号强度逐渐减弱，相邻eNodeB的信号强度逐渐增强，当两者之间的差值满足一定要求时，UE的通信链路与服务eNodeB断开连接，与相邻eNodeB建立连接，两基站的切换重叠区示意见图1。

图1 两基站切换重叠区示意

由于重叠区的长度与列车的运行速度和切换时间密切相关，为了提高切换成功率，重叠区的覆盖范围应保证两次切换所需要的距离[4]，即第一次切换失败后，可以立即进行第二次的切换判决，保证切换的顺利进行。其中，区域Ⅰ表示列车运行过程中接收到的相邻eNodeB的信号强度高于服务eNodeB的信号强度，并且满足A3事件判决所需要的距离，区域Ⅱ表示在触发时延中持续满足A3事件的要求，防止发生乒乓切换。若满足以上要求，执行切换。

2 LTE-R的切换

LTE-R采用硬切换，即先与服务eNodeB断开连接，再与相邻eNodeB建立连接，分为切换测量、切换判决、切换执行、切换完成，其中，对不满足切换判决要求的信息，进行重新测量。

2.1 切换测量

列车在运行过程中，UE需要对服务eNodeB和相邻eNodeB的RSRP(Reference Signal Received Power，参考信号接收功率)进行不间断的测量，从而保证列车在切换过程中，通信链路的改变不会造成通信过程的中断。

首先对连续测量到的瞬时信息进行滤波，然后上报到高层，判断是否执行切换，测量滤波过程如图2所示。

图2 测量滤波过程TmTu

图3 测量周期Tm和上报周期Tu示意

在Tm时间段内，对测量的瞬时值A进行加权平均，并加入测量的随机误差NTm，层1滤波如式(1)所示

(1)

其中，MTm为瞬时值A经过层1滤波后的值；RSRPi为Tm时间段内第i次测量的瞬时值；m为Tm时间段内测量的次数；NTm为Tm时间段内的噪声，服从正态分布。

第二步：通过层3滤波，对当前测量值B与前一时刻测量值B建立相关性，使当前时刻的上报值不仅与当前的测量值有关，还与上一时刻的测量值有关，从而减少信道随机突变对上报信息的干扰，层3滤波

RSRPnTu=(1-α)RSRP(n-1)Tu+αMnTm

(2)

其中，RSRPnTu为当前层3滤波的结果；α为Tm和Tu的比值，称为层3的滤波因子；RSRP(n-1)Tu为上一时刻层3滤波的测量值；MnTm为当前从层1上报到层3的值。

第三步：通过层3事件评估，判断测量信息C是否可以通过空中接口发送给高层。

第四步：将测量报告信息D，通过空中接口发送给高层。

2.2 切换判决

对测量滤波后的信息，通过服务eNodeB进行A3事件判决，即相邻小区的RSRP是否比服务小区的RSRP高，且满足触发时延的要求，若满足要求，执行切换；否则，不执行切换。A3事件的判决如式(3)所示

Mn+Ofn+Ocn-Hys>Ms+Ofs+Ocs+Off

(3)

其中，Mn是相邻小区的测量值；Ms是服务小区测量值；Ofn是相邻小区特定频率偏置值；Ofs是服务小区特定频率偏置值；Ocn是相邻小区特定偏置值；Ocs是服务小区特定偏置值；Hys是迟滞参数；Off是偏移参数。

由于LTE-R的越区切换为同频切换，所以Ofn和Ofs的值均为0，小区间的通信优先级相同，则Ocn和Ocs的值也为0，即A3事件的判决为

Mn-Hys>Ms+off

2.3 切换执行

对满足切换判决要求的测量信息，UE开始执行切换，即与服务eNodeB断开链接，再与相邻eNodeB建立链接，完成切换。

3 LTE-R切换算法

目前应用于铁路环境中的切换算法主要有两种，一种是对于两eNodeB间RSRP进行比较，判断是否发生切换，这种方法在列车运行速度较低的环境中适用，但在高速铁路中会出现切换过早或过晚的现象。另一种是利用列车的运行速度，提前计算预切换点进行切换[5]，这种方法避免了列车以不同速度行驶时切换过早或过晚的现象发生，但对触发时延未做进一步的考虑。

3.1 改进切换算法步骤

通过对列车的运行速度和触发时延进行综合考虑，改进传统切换算法，切换步骤如下。

第一步：eNodeB向UE发送测量控制消息。

第二步：根据车次号判别列车的运行方向，车次号为奇数，表示列车运行方向为下行；反之，为上行方向。

第三步：测量列车的运行速度v。

第四步：根据列车的运行速度计算预承载点，由于铁路沿线基站呈线性分布，设预承载点为x

x=v·t

(4)

其中，v为列车当前运行速度；t为UE发送测量信息到目标小区所需要的时间。

第五步：对连续测量信息通过层1和层3进行滤波。

第六步：对滤波后的信息进行A3事件判决，若满足判决要求，执行下一步；反之，重新进行测量，返回第五步。

第七步：根据切换判决要求，在触发时延中应持续满足A3事件判决，防止发生乒乓切换，影响列车的正常通信，即触发时延为上报周期Tu的倍数，设触发时延的时间为t1

(5)

在滤波中Tm为Tu的α倍，可得触发时延

(6)

由式(6)可以得到，将对触发时延的计算转换为对Tm的计算。

第八步：UE满足触发时延要求，并且列车到达预承载点。

第九步：执行切换，UE断开与服务eNodeB的连接，释放服务小区的资源，连接目标eNodeB，并将原有的信息同步更新到新的小区。

3.2 改进切换算法的分析

列车运行过程中的切换只能发生在两基站间重叠区域，而列车的运行速度和切换时间，是影响切换重叠覆盖区长度的主要因素，如表1所示为不同的列车速度和切换时间所需要的切换重叠覆盖区的长度。

表1 重叠覆盖区长度

从表1可以看出，列车运行速度和切换时间的增加，使得切换重叠覆盖区的长度逐渐增长，增加基站的布置数量。

假设两基站间切换重叠覆盖区的长度为D，列车在切换重叠区发生越区切换的概率

Phandover=P(Mn-Hys>Ms+Off)

(7)

由于LTE-R采用硬切换，所以UE与服务eNodeB断开链接后，与目标eNodeB建立链接过程中存在时间间隔，设该间隔时间为ti，则第一次越区切换成功的概率

Phandover1=Phandover

(8)

第一次切换成功时，所需要的切换时间

T1=t1+ti+te

(9)

其中，te为UE与基站间通信过程中信息交换所需要的时间。

传统切换算法中，触发时延采用固定值480 ms[6]，改进切换算法中ti和te值不变，则节省了Ts1

TS1=480-t1

(10)

当出现第一次切换失败时，应立即进行第二次的切换判决，由此造成切换延时tf，则第二次越区切换成功的概率

Phandover2=P(x1+xi+xf

(11)

其中，x1+xi+xf为列车在经历第一次切换失败后，列车在切换重叠覆盖区走行的长度，P(x1+xi+xf

第二次切换成功时，所需要的切换时间

T2=2t1+2ti+tf+te

(12)

相比较传统切换算法节省了TS2

TS2=960-2t1

(13)

4 仿真验证

仿真时需要考虑列车运行的环境因素，主要针对山地的环境进行考虑，列车运行过程中会受到大尺度衰落、阴影衰落的影响。

大尺度衰落满足Hata模型，如式(14)所示

L=32.82+26.16lg(f)-13.82lg(hb)+

[44.9-6.55lg(hb)]lg(d)

(14)

式中，f为工作频率；hb为基站的天线高度；d为移动台到基站的距离。

阴影衰落是标准的小尺度衰落，采用莱斯分布如式(15)所示。

(15)

式中，R为正(余)弦信号加窄带高斯随机信号包络；A是主信号幅度的峰值；δ2是多径信号功率；I0()是修正的0阶第一类贝塞尔函数。

仿真参数的设置如下。

系统带宽为20 MHz；载频为2.6 GHz；基站发射功率为46 dBm；小区半径为1 600 m；切换带长度为500 m；基站与钢轨距离为50 m；移动台高度为3 m；Tm为10 ms；α为1/6；触发时延为480 ms；UE速度为160、250、350 km/h。

列车在切换重叠区连续接收到的服务eNodeB与相邻eNodeB的RSRP的信息，通过层1和层3的滤波后，根据A3事件判决准则进行判决，满足触发时延，便可执行切换。

改进算法中，通过滤波中的Tm对触发时延进行计算，对参数i与触发时延成功率仿真如图4所示。

图4 参数i与触发时延成功率关系

从图4可以看出当i值为6时，触发时延成功率达到最大值，在此之后随着i的仿真次数增加，触发时延成功率的变化比较稳定。将i的值代入式(6)计算出触发时延的时间t1为

可以得到触发时延为360 ms，相比较原有的触发时延480 ms，减少了120 ms，将得到的切换触发时延和根据列车运行速度相结合提前触发切换相结合，分别对列车速度为160、250 km/h和350 km/h的承载点进行仿真。

从图5可以看出，当列车速度分别为160、250、350 km/h时承载点在切换重叠区中分别为235、190、155 m，由此可以看出，改进切换算法的承载点，根据列车运行速度的不同，承载点也相应发生变化，避免了原有的列车速度越高，所需要的切换重叠区越长的现象。

图5 不同列车速度的承载点

将两种算法进行不同速度的切换成功率仿真，如图6所示。

图6 不同切换算法的成功率比较

从图6可以看出，当列车的速度为205 km/h时，传统切换算法可以满足我国现行无线通信系统QoS(Qoality of Service，服务质量)技术对越区切换成功率大于99.5%以上的要求[7]，但列车速度超过205 km/h时，传统切换算法难以满足99.5%以上的切换成功率的要求，而改进的切换算法在列车速度达到400 km/h时，切换成功率为99.6%，依然可以满足我国无线通信对切换成功率的要求。

5 结语

本文利用滤波中的Tm对触发时延进行计算，通过仿真得出触发时延为360 ms，相比传统切换算法中的触发时延，在第一次切换时节省了120 ms，第二次切换时节省了240 ms；改进的算法随着列车速度的提高，切换承载点相应发生变化，避免了切换重叠覆盖区长度增加的现象；对不同速度切换成功率比较，可以得出列车速度高于205 km/h时，传统切换算法无法满足我国通信系统对越区切换成功率99.5%以上的要求，而改进算法随着列车速度的提高仍能满足此要求。因此，对LTE-R的改进切换算法更适合高速铁路场景的切换要求，为未来LTE-R在高速铁路中的应用提供理论依据。

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