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      高速鐵路LTE-R改進切換算法的研究

      2018-05-30 09:55:32米根鎖
      鐵道標準設計 2018年5期
      關鍵詞:列車運行時延成功率

      陳 鵬,米根鎖,羅 淼

      (1.蘭州交通大學自動化與電氣工程學院,蘭州 730070;2.蘭州交通大學鐵道技術學院,蘭州 730070)

      國際鐵路聯(lián)盟將LTE-R確定為下一代鐵路移動通信技術,對其進行深入的研究尤顯重要。隨著列車運行速度的不斷提高,列車在小區(qū)間的切換更加頻繁,這就對小區(qū)間的切換時延和切換成功率提出了更高的要求。

      針對列車高速運行過程中的越區(qū)切換問題,國內(nèi)外學者提出了不同的方法,文獻[1]提出分析用戶的歷史移動情況,得出用戶的運動規(guī)律,以此規(guī)律進行切換預測,但不能進行及時的更新。文獻[2]提出基于速度特性的自適應聯(lián)合判決算法,避免了切換過程中的切換過晚,但對觸發(fā)時延考慮較少。文獻[3]針對LTE-R系統(tǒng)提出軟切換的理念,有效提高切換成功率,但以提高切換時延為代價。

      本文利用測量濾波對觸發(fā)時延進行計算,結(jié)合列車的運行速度,提前觸發(fā)切換,使列車在高速運行狀態(tài)下,減少切換時延,提高切換成功率,保障列車的運行安全。

      1 LTE-R切換重疊區(qū)

      在移動通信過程中,為保障UE的不間斷通信,在服務eNodeB與相鄰eNodeB的重疊部分,由于服務eNodeB的信號強度逐漸減弱,相鄰eNodeB的信號強度逐漸增強,當兩者之間的差值滿足一定要求時,UE的通信鏈路與服務eNodeB斷開連接,與相鄰eNodeB建立連接,兩基站的切換重疊區(qū)示意見圖1。

      圖1 兩基站切換重疊區(qū)示意

      由于重疊區(qū)的長度與列車的運行速度和切換時間密切相關,為了提高切換成功率,重疊區(qū)的覆蓋范圍應保證兩次切換所需要的距離[4],即第一次切換失敗后,可以立即進行第二次的切換判決,保證切換的順利進行。其中,區(qū)域Ⅰ表示列車運行過程中接收到的相鄰eNodeB的信號強度高于服務eNodeB的信號強度,并且滿足A3事件判決所需要的距離,區(qū)域Ⅱ表示在觸發(fā)時延中持續(xù)滿足A3事件的要求,防止發(fā)生乒乓切換。若滿足以上要求,執(zhí)行切換。

      2 LTE-R的切換

      LTE-R采用硬切換,即先與服務eNodeB斷開連接,再與相鄰eNodeB建立連接,分為切換測量、切換判決、切換執(zhí)行、切換完成,其中,對不滿足切換判決要求的信息,進行重新測量。

      2.1 切換測量

      列車在運行過程中,UE需要對服務eNodeB和相鄰eNodeB的RSRP(Reference Signal Received Power,參考信號接收功率)進行不間斷的測量,從而保證列車在切換過程中,通信鏈路的改變不會造成通信過程的中斷。

      首先對連續(xù)測量到的瞬時信息進行濾波,然后上報到高層,判斷是否執(zhí)行切換,測量濾波過程如圖2所示。

      圖2 測量濾波過程TmTu

      圖3 測量周期Tm和上報周期Tu示意

      在Tm時間段內(nèi),對測量的瞬時值A進行加權平均,并加入測量的隨機誤差NTm,層1濾波如式(1)所示

      (1)

      其中,MTm為瞬時值A經(jīng)過層1濾波后的值;RSRPi為Tm時間段內(nèi)第i次測量的瞬時值;m為Tm時間段內(nèi)測量的次數(shù);NTm為Tm時間段內(nèi)的噪聲,服從正態(tài)分布。

      第二步:通過層3濾波,對當前測量值B與前一時刻測量值B建立相關性,使當前時刻的上報值不僅與當前的測量值有關,還與上一時刻的測量值有關,從而減少信道隨機突變對上報信息的干擾,層3濾波

      RSRPnTu=(1-α)RSRP(n-1)Tu+αMnTm

      (2)

      其中,RSRPnTu為當前層3濾波的結(jié)果;α為Tm和Tu的比值,稱為層3的濾波因子;RSRP(n-1)Tu為上一時刻層3濾波的測量值;MnTm為當前從層1上報到層3的值。

      第三步:通過層3事件評估,判斷測量信息C是否可以通過空中接口發(fā)送給高層。

      第四步:將測量報告信息D,通過空中接口發(fā)送給高層。

      2.2 切換判決

      對測量濾波后的信息,通過服務eNodeB進行A3事件判決,即相鄰小區(qū)的RSRP是否比服務小區(qū)的RSRP高,且滿足觸發(fā)時延的要求,若滿足要求,執(zhí)行切換;否則,不執(zhí)行切換。A3事件的判決如式(3)所示

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

      (3)

      其中,Mn是相鄰小區(qū)的測量值;Ms是服務小區(qū)測量值;Ofn是相鄰小區(qū)特定頻率偏置值;Ofs是服務小區(qū)特定頻率偏置值;Ocn是相鄰小區(qū)特定偏置值;Ocs是服務小區(qū)特定偏置值;Hys是遲滯參數(shù);Off是偏移參數(shù)。

      由于LTE-R的越區(qū)切換為同頻切換,所以Ofn和Ofs的值均為0,小區(qū)間的通信優(yōu)先級相同,則Ocn和Ocs的值也為0,即A3事件的判決為

      Mn-Hys>Ms+off

      2.3 切換執(zhí)行

      對滿足切換判決要求的測量信息,UE開始執(zhí)行切換,即與服務eNodeB斷開鏈接,再與相鄰eNodeB建立鏈接,完成切換。

      3 LTE-R切換算法

      目前應用于鐵路環(huán)境中的切換算法主要有兩種,一種是對于兩eNodeB間RSRP進行比較,判斷是否發(fā)生切換,這種方法在列車運行速度較低的環(huán)境中適用,但在高速鐵路中會出現(xiàn)切換過早或過晚的現(xiàn)象。另一種是利用列車的運行速度,提前計算預切換點進行切換[5],這種方法避免了列車以不同速度行駛時切換過早或過晚的現(xiàn)象發(fā)生,但對觸發(fā)時延未做進一步的考慮。

      3.1 改進切換算法步驟

      通過對列車的運行速度和觸發(fā)時延進行綜合考慮,改進傳統(tǒng)切換算法,切換步驟如下。

      第一步:eNodeB向UE發(fā)送測量控制消息。

      第二步:根據(jù)車次號判別列車的運行方向,車次號為奇數(shù),表示列車運行方向為下行;反之,為上行方向。

      第三步:測量列車的運行速度v。

      第四步:根據(jù)列車的運行速度計算預承載點,由于鐵路沿線基站呈線性分布,設預承載點為x

      x=v·t

      (4)

      其中,v為列車當前運行速度;t為UE發(fā)送測量信息到目標小區(qū)所需要的時間。

      第五步:對連續(xù)測量信息通過層1和層3進行濾波。

      第六步:對濾波后的信息進行A3事件判決,若滿足判決要求,執(zhí)行下一步;反之,重新進行測量,返回第五步。

      第七步:根據(jù)切換判決要求,在觸發(fā)時延中應持續(xù)滿足A3事件判決,防止發(fā)生乒乓切換,影響列車的正常通信,即觸發(fā)時延為上報周期Tu的倍數(shù),設觸發(fā)時延的時間為t1

      (5)

      在濾波中Tm為Tu的α倍,可得觸發(fā)時延

      (6)

      由式(6)可以得到,將對觸發(fā)時延的計算轉(zhuǎn)換為對Tm的計算。

      第八步:UE滿足觸發(fā)時延要求,并且列車到達預承載點。

      第九步:執(zhí)行切換,UE斷開與服務eNodeB的連接,釋放服務小區(qū)的資源,連接目標eNodeB,并將原有的信息同步更新到新的小區(qū)。

      3.2 改進切換算法的分析

      列車運行過程中的切換只能發(fā)生在兩基站間重疊區(qū)域,而列車的運行速度和切換時間,是影響切換重疊覆蓋區(qū)長度的主要因素,如表1所示為不同的列車速度和切換時間所需要的切換重疊覆蓋區(qū)的長度。

      表1 重疊覆蓋區(qū)長度

      從表1可以看出,列車運行速度和切換時間的增加,使得切換重疊覆蓋區(qū)的長度逐漸增長,增加基站的布置數(shù)量。

      假設兩基站間切換重疊覆蓋區(qū)的長度為D,列車在切換重疊區(qū)發(fā)生越區(qū)切換的概率

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

      (7)

      由于LTE-R采用硬切換,所以UE與服務eNodeB斷開鏈接后,與目標eNodeB建立鏈接過程中存在時間間隔,設該間隔時間為ti,則第一次越區(qū)切換成功的概率

      Phandover1=Phandover

      (8)

      第一次切換成功時,所需要的切換時間

      T1=t1+ti+te

      (9)

      其中,te為UE與基站間通信過程中信息交換所需要的時間。

      傳統(tǒng)切換算法中,觸發(fā)時延采用固定值480 ms[6],改進切換算法中ti和te值不變,則節(jié)省了Ts1

      TS1=480-t1

      (10)

      當出現(xiàn)第一次切換失敗時,應立即進行第二次的切換判決,由此造成切換延時tf,則第二次越區(qū)切換成功的概率

      Phandover2=P(x1+xi+xf

      (11)

      其中,x1+xi+xf為列車在經(jīng)歷第一次切換失敗后,列車在切換重疊覆蓋區(qū)走行的長度,P(x1+xi+xf

      第二次切換成功時,所需要的切換時間

      T2=2t1+2ti+tf+te

      (12)

      相比較傳統(tǒng)切換算法節(jié)省了TS2

      TS2=960-2t1

      (13)

      4 仿真驗證

      仿真時需要考慮列車運行的環(huán)境因素,主要針對山地的環(huán)境進行考慮,列車運行過程中會受到大尺度衰落、陰影衰落的影響。

      大尺度衰落滿足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為工作頻率;hb為基站的天線高度;d為移動臺到基站的距離。

      陰影衰落是標準的小尺度衰落,采用萊斯分布如式(15)所示。

      (15)

      式中,R為正(余)弦信號加窄帶高斯隨機信號包絡;A是主信號幅度的峰值;δ2是多徑信號功率;I0()是修正的0階第一類貝塞爾函數(shù)。

      仿真參數(shù)的設置如下。

      系統(tǒng)帶寬為20 MHz;載頻為2.6 GHz;基站發(fā)射功率為46 dBm;小區(qū)半徑為1 600 m;切換帶長度為500 m;基站與鋼軌距離為50 m;移動臺高度為3 m;Tm為10 ms;α為1/6;觸發(fā)時延為480 ms;UE速度為160、250、350 km/h。

      列車在切換重疊區(qū)連續(xù)接收到的服務eNodeB與相鄰eNodeB的RSRP的信息,通過層1和層3的濾波后,根據(jù)A3事件判決準則進行判決,滿足觸發(fā)時延,便可執(zhí)行切換。

      改進算法中,通過濾波中的Tm對觸發(fā)時延進行計算,對參數(shù)i與觸發(fā)時延成功率仿真如圖4所示。

      圖4 參數(shù)i與觸發(fā)時延成功率關系

      從圖4可以看出當i值為6時,觸發(fā)時延成功率達到最大值,在此之后隨著i的仿真次數(shù)增加,觸發(fā)時延成功率的變化比較穩(wěn)定。將i的值代入式(6)計算出觸發(fā)時延的時間t1為

      可以得到觸發(fā)時延為360 ms,相比較原有的觸發(fā)時延480 ms,減少了120 ms,將得到的切換觸發(fā)時延和根據(jù)列車運行速度相結(jié)合提前觸發(fā)切換相結(jié)合,分別對列車速度為160、250 km/h和350 km/h的承載點進行仿真。

      從圖5可以看出,當列車速度分別為160、250、350 km/h時承載點在切換重疊區(qū)中分別為235、190、155 m,由此可以看出,改進切換算法的承載點,根據(jù)列車運行速度的不同,承載點也相應發(fā)生變化,避免了原有的列車速度越高,所需要的切換重疊區(qū)越長的現(xiàn)象。

      圖5 不同列車速度的承載點

      將兩種算法進行不同速度的切換成功率仿真,如圖6所示。

      圖6 不同切換算法的成功率比較

      從圖6可以看出,當列車的速度為205 km/h時,傳統(tǒng)切換算法可以滿足我國現(xiàn)行無線通信系統(tǒng)QoS(Qoality of Service,服務質(zhì)量)技術對越區(qū)切換成功率大于99.5%以上的要求[7],但列車速度超過205 km/h時,傳統(tǒng)切換算法難以滿足99.5%以上的切換成功率的要求,而改進的切換算法在列車速度達到400 km/h時,切換成功率為99.6%,依然可以滿足我國無線通信對切換成功率的要求。

      5 結(jié)語

      本文利用濾波中的Tm對觸發(fā)時延進行計算,通過仿真得出觸發(fā)時延為360 ms,相比傳統(tǒng)切換算法中的觸發(fā)時延,在第一次切換時節(jié)省了120 ms,第二次切換時節(jié)省了240 ms;改進的算法隨著列車速度的提高,切換承載點相應發(fā)生變化,避免了切換重疊覆蓋區(qū)長度增加的現(xiàn)象;對不同速度切換成功率比較,可以得出列車速度高于205 km/h時,傳統(tǒng)切換算法無法滿足我國通信系統(tǒng)對越區(qū)切換成功率99.5%以上的要求,而改進算法隨著列車速度的提高仍能滿足此要求。因此,對LTE-R的改進切換算法更適合高速鐵路場景的切換要求,為未來LTE-R在高速鐵路中的應用提供理論依據(jù)。

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