一種基于速率閥值觸發(fā)的智能切換算法

張凌峰

【摘 要】作為TD-LTE移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)，切換技術(shù)其算法很大程度上體現(xiàn)了用戶在小區(qū)間進行移動通信的整體性能。而在高鐵環(huán)境中，由于其環(huán)境的特殊性和復(fù)雜性，因此需要對高速鐵路環(huán)境下LTE的切換技術(shù)和算法進行改進來保證高鐵LTE網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量。設(shè)計了基于速率閾值的智能優(yōu)化切換算法。通過對常規(guī)的系統(tǒng)A3事件切換判決準則的研究，提出了一種基于速率閾值的智能切換算法，該算法在獲取用戶終端（UE）的地理位置、速度等信息的基礎(chǔ)上，通過采集在不同閾值范圍內(nèi)進行相應(yīng)切換時刻與切換地理位置的確認，然后通過系統(tǒng)仿真，將該閾值智能切換算法與傳統(tǒng)切換算法進行了性能對比，結(jié)果表明智能切換算法平均切換成功率達到93.1%以上，相比常規(guī)A3算法提高了6%以上。

【關(guān)鍵詞】TD-LTE;高鐵;速率閾值;智能切換算法

中圖分類號： TN915 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）14-0098-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.14.046

An Intelligent Switching Algorithm Based on Threshold Trigger

ZHANG Ling-feng

（Aviation Logistics Department， JiangSu Aviation Technical College， Zhenjiang Zhenjiang 212134， China）

【Abstract】As the core technology of TD-LTE mobile communication system， handover algorithm largely reflects the overall performance of mobile communication in small intervals. In the high-speed railway environment， because of the particularity and complexity of its environment， it is necessary to improve the handover technology and algorithm of LTE in the high-speed railway environment to ensure the communication quality of high-speed railway LTE network. An intelligent optimal switching algorithm based on rate threshold is designed. Based on the study of the conventional decision criterion of system A3 event handover， an intelligent handover algorithm based on rate threshold is proposed. This algorithm acquires the geographic location and speed of user terminal（UE）， confirms the corresponding handover time and location in different threshold range， and then intelligently handover the threshold through system simulation. The performance of the proposed algorithm is compared with that of the traditional switching algorithm. The results show that the average handover success rate of the intelligent handover algorithm is over 93.1%， which is 6% higher than that of the conventional A3 algorithm.

【Key words】TD-LTE; High-speed rail; Rate threshold; Intelligent handover algorithm

0 引言

如今，無線通信技術(shù)如雨后春筍般不斷涌出，LTE成為影響力極其深厚的寬帶移動通信技術(shù)標準之一，在業(yè)界受到廣泛的關(guān)注[1-4]。在高速鐵路的應(yīng)用場景中，LTE在采用多站址拉遠級聯(lián)技術(shù)的基礎(chǔ)上，將射頻拉遠單元與基帶處理單元相結(jié)合，有效地擴大了LTE小區(qū)的覆蓋范圍[5-7]。而隨著列車時速的不斷上升，列車乘客的網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量明顯下降，對用戶的商務(wù)及娛樂需求產(chǎn)生不利的影響[8-10]。高鐵的高速化運轉(zhuǎn)給高速環(huán)境下的通信造成了諸多問題，頻繁切換作為高速環(huán)境通信的主要問題之一，如何設(shè)計針對此環(huán)境的LTE切換算法，是提升高速環(huán)境下通信有效性及可靠性的一個研究重點[11-14]。

針對高鐵的特性，國內(nèi)外研究人員也都做了相關(guān)研究。文獻[15]在現(xiàn)有切換算法的基礎(chǔ)上，針對速度特性進行了特別的優(yōu)化，確實在一定程度上提高了切換的成功率，但是由于算法是動態(tài)的，導(dǎo)致時間復(fù)雜度較高，在切換時間太短的情況下切換成功率無法得到保證。文獻[16]在對切換算法優(yōu)化時加入了位置信息，大大提高了越區(qū)切換的成功率，但是在實際卻難以實現(xiàn)，主要由于需要新增定位設(shè)備，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。文獻[17]提出了一種采用預(yù)承載的方式進行優(yōu)化的方法，能夠?qū)η袚Q的位置進行預(yù)判，從而提前對小區(qū)信道進行分配，達到縮短切換時延，提高切換成功率的目的。但是該方法需要獲取的參數(shù)過多，且對切換位置預(yù)判的準確率也有待提高。

本文在傳統(tǒng)A3事件的切換判決算法的基礎(chǔ)上，提出一種基于速率閾值觸發(fā)式的智能優(yōu)化切換算法，能有效減少切換時延并提高切換成功率。

1 A3算法簡介

1.1 傳統(tǒng)A3算法切換判決準則分析

正如前文所述，傳統(tǒng)A3算法的核心思想在于切換必須滿足目標小區(qū)信號強度大于源小區(qū)信號強度且差值超過指定門限的條件[18]。當判決準則滿足時，A3事件由用戶終端會觸發(fā)，觸發(fā)后對應(yīng)的觸發(fā)時延內(nèi)系統(tǒng)測量一直處于滿足判決準則的條件下，同時演進型全球陸基無線接入網(wǎng)會一直收到用戶終端（UE）上報的A3測量報告。

1.2 傳統(tǒng)A3算法的丟包率分析

根據(jù)文獻[19]，造成丟包的原因主要有兩個，其一是由于協(xié)議棧在物理層的隊列原理造成的正常傳輸時延，此類時延累積起來就有可能造成數(shù)據(jù)包的丟失;其二是由于誤塊率（BLER）：誤塊率是一個收到綜合因素影響的參量，其與信道模型、調(diào)制方式以及信噪比都有密切關(guān)聯(lián)。信噪比條件相同的情況下，不同調(diào)制方式對誤塊率有著差異化的影響;在調(diào)制方式相同的情況下，誤塊率與信噪比呈反相關(guān)。

2 基于閾值觸發(fā)的智能化切換算法

本文首先對傳統(tǒng)A3算法進行原理闡述與分析，然后對其進行改進并提出一種基于速率與閾值的智能化切換算法，該算法是將高鐵行進速度進行分區(qū)域化處理，分為低速、中速、高速三個不同區(qū)間，并以此為閾值來確定切換時刻與地理位置，并與傳統(tǒng)A3算法進行比對分析，同時總結(jié)了提出算法的優(yōu)缺點。

2.1 基于閾值觸發(fā)的智能化算法切換判決準則分析

先介紹仿真需要的兩個重要參數(shù)：利用冪級數(shù)信噪比定位算法定位出的子信道信噪比模型與誤塊率，同時再引入?yún)⒖夹盘柦邮展β实年幱澳Ｐ捅磉_式：

其中Pr是接收功率，Pt是基站傳輸功率，K是信道損耗因子（常取-140.72dB），γ是信道損耗指數(shù)，d0是參考距離，d是測量基站與列車的距離，ΦdB是以0和8dB的對數(shù)正態(tài)分布均值為基準的偏移量。

對于參考信號接收功率而言，其實是LTE網(wǎng)絡(luò)中可以代表無線信號強度的關(guān)鍵參數(shù)，承載小區(qū)專屬參考信號的資源粒子的功率貢獻（以W為單位）的線性平均值，因此，接收信號強度RSSI參考信號接收功率RSRP可以分別表示為：

其中N為源區(qū)塊在其小區(qū)內(nèi)由RSSI所攜帶的載頻帶寬。由于終端UE自身就可以測量RSRP和RSRQ的周期性關(guān)系，因而RSRP/RSRP的絕對值超過設(shè)定閾值時，終端UE就會向源eNodeB發(fā)送測量報告。在實際列車運行條件下，信道參數(shù)可視作為變量環(huán)境，因此上述比值會不斷變化導(dǎo)致源eNodeB與接收信號參考功率產(chǎn)生乒乓效應(yīng)。為解決這一問題，本文人為設(shè)定閾值N為Nth，并指定Nth分別對應(yīng)列車車速為120km/h-250km/h以及250km/h-350km/h的不同車速情況，其相應(yīng)判決門限定義為Hme和Hh。TTT觸發(fā)值視作與車速與閾值N的對應(yīng)變量。

2.2 算法原理

算法流程大體可以理解為信息矩陣表中的數(shù)據(jù)從源eNodeB經(jīng)由僅包含火車前進方向目的鄰居小區(qū)目的基站eNodeB信道廣播至用戶終端。

首先，當列車即將進入切換重疊區(qū)域時，用戶終端（UE）收到的測量信號應(yīng)該包括如下參量：用戶終端即時速率、用戶終端所處經(jīng)緯度、源小區(qū)和目的小區(qū)的參考信號接收功率以及源小區(qū)和目的小區(qū)的誤塊率。當用戶終端收到返回測量值后，系統(tǒng)處理測量值并確定用戶終端的行駛速率。

結(jié)合式1至式3可以看出，不同的速率下對應(yīng)的不同閾值決定了多個切換參考點，將多個切換參考點的信號接收功率RSRP為參考量，在不同閾值范圍內(nèi)進行源小區(qū)基站eNodeB開始進行X2接口切換流程，切換完成后終端UE切換至目標小區(qū)，至此切換流程完畢。

2.3 基于LTE-SIM仿真環(huán)境的閾值觸發(fā)算法仿真分析

本文采用LTE-SIM作為仿真軟件，選用的是山地環(huán)境模型，仿真結(jié)果圖如下：

如圖1所示的不同速率環(huán)境下不同閾值條件下A3算法與速率閾值智能化算法的切換性能指標關(guān)系。

當觸發(fā)閾值N=4且列車處于200km/h運行時，傳統(tǒng)A3算法與車輛所屬信道信噪比呈現(xiàn)反相關(guān);本文提出的閾值觸發(fā)算法平均切換成功率為98.7%，高于傳統(tǒng)A3算法的95%;其中閾值觸發(fā)算法下，在切換成功率僅隨信道信噪比做細微變化，體現(xiàn)了較好的切換能力。

當觸發(fā)閾值N=4且列車處于350km/h運行時，就切換成功率來說，傳統(tǒng)A3算法與閾值觸發(fā)算法較車輛處于200km/h條件下皆有所下降，并呈現(xiàn)反相關(guān)趨勢;就極差切換成功率而言，本文所提出的閾值觸發(fā)算法在SINR=5條件下切換成功率仍保持在96.7%，較傳統(tǒng)A3算法的75%有了較大提升。

當觸發(fā)閾值N=6且列車處于200km/h運行時，統(tǒng)A3算法、本文所提閾值觸發(fā)算法伴隨車輛所屬信道信噪比的上升呈現(xiàn)波動下降趨勢;就切換極差點而言，本文所提出的閾值觸發(fā)算法在SINR=5條件下切換成功率仍保持在94.7%，較傳統(tǒng)A3算法的82.1%仍有較大優(yōu)勢。

當觸發(fā)閾值N=6且列車處于350km/h運行時，本文所提閾值觸發(fā)算法平均切換成功率為93.1%，傳統(tǒng)A3算法為87.2%，且具有本文所提閾值觸發(fā)算法較為平穩(wěn)的切換成功率變化曲線，在車輛所處信道環(huán)境較差時可保障車輛的平滑切換。

從上文的分析中我們可以得出，不管是在高速環(huán)境（350km/s）還是在低速環(huán)境（120km/s）下，本文算法提供了多種切換參數(shù)組合選擇以獲得較好的切換性能，因此本算法具備一定的智能性。

3 結(jié)論

本文在仿真并分析了目前傳統(tǒng)A3算法的基礎(chǔ)上，設(shè)計了基于閾值觸發(fā)的智能優(yōu)化切換算法，該算法主要抓手為將列車源區(qū)塊在其小區(qū)內(nèi)由RSSI所攜帶的載頻帶寬情況作為閾值觸發(fā)的重要指標，用于切換參考點的選取;在此基礎(chǔ)上，用戶終端就可以在進入切換重疊區(qū)域前進行資源預(yù)分配的配額獲取工作，保障切換的平滑進行。本文就山地環(huán)境對該算法進行了仿真，仿真結(jié)果表明，在采用多樣化本文提出的改進算法使得整個切換過程的性能指標有了明顯提升。

針對仿真平臺以及智能切換算法的研究，本文所做的工作還可以對算法本身進行改進。目前的算法都是基于A3算法來進行的，因此對于算法本身的優(yōu)化仍然處在A3算法的思維框架中，如何設(shè)計新型的切換算法并使得其更能適用于我國的高速鐵路環(huán)境還有待研究。

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