一种面向高速铁路通信的改进型基站切换优化算法∗

翟晨辉 梁中华 辛 月 白依梦

（长安大学信息工程学院 西安 710064）

1 引言

中国高速铁路事业发展迅速，人民生活水平不断提高，手机和其他电子类产品得到普及，列车中乘客需高质量及可靠的无线通信服务［1］。目前，基于铁路的长期演进（Long-Term Evolution for Rail⁃way，LTE-R）技术是最新的高速铁路无线通信标准［2］之一，但在高速移动环境下，仍有许多待解决的问题。如：LTE下行链路采用正交频分复用多址（Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access，OFDMA）信道编码方案，因OFDMA对频偏非常敏感，造成信号质量不稳定；高速移动引起的多普勒频移、信号快速衰落及车体穿透损耗问题［3］等。现有很多学者做大量研究来解决这些问题，在高移动性场景下，基于贝叶斯滤波器的信道估计器［4］在估计快速时变信道方面，展现出良好的性能。文献［5］指出，多普勒补偿及利用可有效克服多普勒频移和解决信号快速衰落问题。在文献［6］中作者考虑切换决策算法中接收信号强度指示符（Received Signal Strength Indictor，RSSI）的标准。在文献［7］中，考虑将距离测量用于切换决策。对于对数正态衰落环境，在文献［8］和文献［9］中研究基于信号强度之间差异的水平交叉切换算法。在文献［10］中提出一种用于决策策略的自适应滞后方案，该方案考虑与切换失败概率性能相关的主导因素。在文献［11］中，研究多个参数，例如选择最佳目标小区时的信号强度与可用带宽，这可提高切换成功概率，从而减少阻塞。此外，有学者在文献［12］中建议安装双天线系统处理切换问题，并满足高效和可靠传输的要求。但是，没有讨论该系统详细的切换算法。关于移交的一些其他相关研究在文献［13］和［14］中被提出。在文献［15］中，基于双天线无缝切换方案的双播的机制被提出，在此基础上，文献［3］提出允许前后天线多次切换的算法，提高基站（Base Station，BS）的切换成功概率。

对比现有文献［3］的方案，考虑前天线在满足前天线与目标BS的信号强度（Rf，j）大于后天线与目标BS的信号强度（Rr，j）的条件下执行切换，可提高切换机会且切换成功概率较大。本文提出的算法核心是设置信号判决（ Rr，j＞ Rf，j），即是否满足 Rr，j＞ Rf，j，若满足，则后天线参与切换，与前天线并行执行与目标BS的网络接入。

2 网络结构

为减轻穿透损耗并解决群组切换问题，采用两跳架构［15］是一个合适的选择。如图 1［15］所示。

在这个网络结构中，移动中继（Train Relay Sta⁃tion，TRS）充当单个用户设备（User Equipment，UE），与标准长期演进方案（Long-Term Evolution，LTE）方案［16］相比，可大大减少切换开销。此外，这种方式可以更容易地处理高速移动环境下的多径衰落和多普勒频移问题［15］。当列车进入BS的重叠区域时，TRS通过安装在列车顶部的双天线与BS通信，使高速列车（High-Speed Rail，HSR）确保良好 的 无 线 通 信 服 务 质 量［16］（Quality of Service，QoS）。

图1 高速环境下的双层网络结构

3 基于双天线的基站切换优化算法

切换算法的设计是保证最佳通信QoS、同时降低系统中切换负载的关键一步。本节结合第二节中两跳架构的优点及天线接收信号强度［3］，设计切换优化算法得到最佳切换机会，从而降低通信中断概率和切换失败概率。

3.1 信号模型

采用的数学模型［15］，如图 2［3］所示，L是列车的长度，D是服务基站BSi和目标基站BSj之间的距离，ds是BS与铁路轨道之间的垂直距离，Overlap表示具有半径R的相邻BS之间的重叠长度。Df，i和Df，j分别表示前天线与服务BS之间的距离、前天线与目标 BS 之间的距离，Dr，i和 Dr，j分别表示后天线与服务BS之间的距离、前天线与目标BS之间的距离，其中f和r分别表示前天线和后天线。此外，列车位置x是通过前天线与X轴上的原点之间的距离来测量的。

图2 数学模型

Rf，i和 Rf，j分别表示前天线从服务 BS 接收到的信号强度、从目标BS接收到的信号强度［15］，同理，Rr，i和 Rr，j分别表示后天线从服务 BS 接收到的信号强度和从目标BS接收到的信号强度。其中，Rf，i的数学简化表达式如下所示。

c0是常量［3］，c0=10log10(Pd⋅A⋅Ω)，γ是路径损耗系数，A是常量，其中 dm是传输数据，L是可解多径分量的数量，是J0相关系数（第一类零阶贝塞尔函数）［15］，τf，i，l) 是 微 观 多 径 分 量 ，τf，i，l是 时 间 常 数 ，分别是循环前缀（Cyclic prefix，CP）和有效OFDM符号持续时间，表示最大多普勒频移，fc是载波频率，c是光速。是具有正态分布的阴影衰同理可得：

3.2 基站切换优化算法

基于LTE的双天线基站切换算法［3］，本节提出一种面向高速铁路无线通信的改进型基站切换优化算法。算法流程如图3所示，前天线在满足Rf，i＜ Rf，j的原则下执行切换，可有效避免无效切换且切换成功率较大。在文献［3］的基础上，添加信号判决，即是否满足 Rr，j＞ Rf，j，若满足，则在切换失败后将后天线加入，与前天线并行完成并行切换。否则前天线继续执行切换，失败一次，执行判决一次，直到成功完成切换为止。如图3中灰色标记部分，具体细节参见本节步骤⑥，以下是具体切换步骤。

图3 算法流程图

3.2.1 切换准备和初始化

步骤①：TRS定期向服务BS发送测量报告，测量报告中包含相邻BS的接受信号强度等作切换决定必需的信息［3］。注：若切换未完成，TRS可持续向服务BS发送测量报告。

步骤②：达到切换标准后，TRS给服务BS发送切换触发消息［3］。服务BS以符合切换条件的天线为UE，选择目标BS。然后服务BS向目标BS发送切换请求消息，目标BS收到切换请求消息后，开始做切换准备。切换准备包括为UE预留无线资源等。

步骤③：目标BS完成切换准备后，向服务BS回复切换回应消息。

3.2.2 切换执行阶段

步骤④：收到目标BS的切换回应消息后，服务BS将切换命令消息发送给前天线。切换命令消息中包含目标BS的相关信息。

步骤⑤：收到服务BS发送的切换命令后，前天线与服务BS断开连接，因后天线依然保持着与服务BS的连接，所以TRS可以通过后天线与服务BS进行通信。

步骤⑥：目标BS分配给前天线一个T304定时器，前天线必须在T304指定时间内完成网络切入。在未触发定时器前，允许前天线在满足切换请求条件下执行首次切换，若失败，TRS再次发送测量报告，执行信号判决，若满足判决条件，则实现前后天线并行切换。若其中一根天线完成切换，则该天线将切换成功消息传给目标BS，且通信配置将会复制给另一根天线。若都切换失败，则前天线继续执行切换，重复操作，直到成功切换为止。注：在前后天线并行切换失败后，若满足｛Rr，i＞T｝，T是维持后天线与目标BS通信的最小阈值［15］，则后天线会及时与服务BS进行通信连接。

步骤⑦：目标BS接收到切换完成消息后，通知服务BS释放相关资源。

4 算法性能分析

本节从通信切换成功概率、切换失败概率、通信中断概率三个指标对切换算法性能进行分析。

4.1 切换成功概率

切换成功概率是指在位置x处的切换成功概率，Pho1和Pho2分别表示图3中第一种情形和第二种情形的切换成功概率，第一种情形是前天线执行切换，第二种情形是前后天线并行执行切换，其中后天线为主力切换。切换成功概率可表示为

4.2 切换失败概率

在文献［15］中，只允许前天线尝试执行一次切换，待后天线进入切换区域内再执行切换。在文献［3］中，允许前天线执行多次切换后，若切换还未成功，则前后天线并行执行多次切换。在文献［3］的基础上，设置信号判决，前天线尝试首次切换，若切换失败，作信号判决，若成立，则前后天线并行执行切换，否则，前天线继续切换。失败一次，执行判决一次，直到成功切换为止。

i=1时，切换失败概率表示如下：

i＞1时，切换失败概率可表示为

容易验证：

上述失败概率的数学表达式是累乘积的形式，随着切换次数N的增加，切换失败概率会越来越小。可表示为

4.3 通信中断概率

通信中断可能发生在第一种情形和第二种情形，第一种情形是前天线在执行切换，第二种情形是在判决条件成立时，前后天线并行执行切换。

在第一种情形下，前天线执行切换，若后天线一旦与服务基站断开通信连接，就会发生掉话现象，导致通信中断。在第二种情形下，前后天线参与切换，均与服务BS断开通信连接，此时通信中断概率

所以，i=1时，通信中断概率表示如下：

第二种情形在前i-1次尝试切换失败且信号判决成立时发生，所以，发生第二种情形的概率为i＞1时，通信中断概率可以用加权和方式表示：

5 数值结果

由于市面上的LTE仿真环境很难获得，本文采用自己搭建的仿真平台，该平台仅实现与切换相关的仿真部分。本文采用单径衰落信道模型，通过仿真实验研究所提算法的切换性能，本节主要对通信中断概率和切换失败概率两个指标进行分析，结果被显示在图4、图5、图6和图7中，配置参数见表1［15］。

图4 切换失败概率与列车位置的关系（speed=360km·h-1）

图5 Overlap对切换失败概率的影响（speed=360km·h-1）

图6 通信中断概率随列车位置x的关系（speed=360km·h-1）

图7 改进方案中Overlap对通信中断概率的影响（speed=360km·h-1）

由图4可知，当切换次数N=2时，改进方案与文献［3］中现有方案相比，切换失败概率明显降低。当切换次数N=1时，改进方案的切换失败概率明显低于文献［15］中单次切换方案的切换失败概率。综上，实验结果表明提出的改进算法可有效降低切换失败概率。

由图5易知，随着BS重叠区域（Overlap）长度增加，相同切换触发位置处的切换失败概率逐渐降低。在此实验中，尝试在位置1400m处开始切换，对比改进方案与文献［3］中现有方案，改进方案的切换失败概率明显降低，文献［3］提出的切换方案与文献［15］提出的单次切换方案相比，前者的切换失败概率更小。上述实验结果可有力支持第三节的理论分析。

设置Overlap=400m，如图6所示，当切换次数N=2时，改进算法与文献［3］的现有算法相比，可有效避免通信中断，降低通信中断概率。当切换次数N=1时，改进方案与文献［15］中单次切换方案相比，前者的通信中断概率明显低于后者。

改进方案在不同Overlap时的通信中断概率显示在图7中。由图可知，随着Overlap长度增加，在相同切换触发位置处的通信中断概率降低。

表1 参数设置

6 结语

针对提高天线的综合利用率及如何在最佳时机将后天线加入并行切换问题。本文基于LTE的两跳网络结构，提出一种改进型基站切换优化算法，即前天线在第一次尝试切换失败后，每执行一次切换，执行信号判决一次，当检测到后天线的接受信号强度大于前天线的接受信号强度，后天线即刻执行切换，可确保后天线以最佳通信QoS参与多次并行切换，否则前天线单独执行切换。理论上证明此算法可有效提高切换机会，同时降低切换失败概率和通信中断概率，从而增加天线切换的综合利用率。从实验结果中可看出该算法中的切换失败概率和通信中断概率明显降低，改进方案的切换性能比单次切换方案及现有的多次切换方案的切换性能有明显改善。