米根鎖 馬碩梅

（蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 蘭州 730070）

基于速度觸發(fā)的提前切換算法在LTE-R中的應(yīng)用研究

米根鎖 馬碩梅*

（蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 蘭州 730070）

隨著高鐵的快速發(fā)展，鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)對(duì)切換時(shí)延、切換成功率等要求更為苛刻。該文針對(duì)鐵路長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE-R）系統(tǒng)提出基于速度觸發(fā)的提前切換算法，通過提前進(jìn)行信令交互、設(shè)置切換預(yù)承載點(diǎn)切換的方式抑制過早或過遲切換所帶來的通信中斷、掉話等問題。通過信令流程圖進(jìn)行理論分析，并對(duì)長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）各結(jié)構(gòu)類型數(shù)據(jù)計(jì)算可知，該算法均可縮短切換時(shí)延，其中TDD幀結(jié)構(gòu)類型2時(shí)效果最為顯著。最后通過仿真對(duì)比得到提前切換算法相比傳統(tǒng)切換算法有著更高且更穩(wěn)定的切換成功率，驗(yàn)證算法的有效性，為L(zhǎng)TE-R在未來鐵路專網(wǎng)的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

鐵路長(zhǎng)期演進(jìn)；越區(qū)切換；切換時(shí)延；切換成功率

1 引言

鐵路長(zhǎng)期演進(jìn) （Long Term Evolution-Railway，LTE-R）技術(shù)作為下一代鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)，對(duì)其進(jìn)行深入研究已成為業(yè)內(nèi)共識(shí)。鐵路沿線呈線狀覆蓋，隨著列車速度的提升，小區(qū)切換更加頻繁、切換時(shí)間更短，這就要求通信系統(tǒng)有更低的切換時(shí)延，并保證切換成功率和系統(tǒng)可靠性［1］。目前對(duì)LTE-R的研究尚處于起步階段，文獻(xiàn)［2］建立了 LTE-R與GSM-R的Petri網(wǎng)模型，通過數(shù)學(xué)分析對(duì)比指出，列車高速行駛時(shí)LTE-R系統(tǒng)切換成功率會(huì)降低，尤其運(yùn)行速度達(dá)到400 km/h時(shí)，切換成功率降低至99.47%以下［2］。文獻(xiàn)［3］提出基于參考信號(hào)接收質(zhì)量（Reference Signal Receiving Quality， RSRQ）/參考信號(hào)接收功率（Reference Signal Receiving Power，RSRP）高速特性的自適應(yīng)聯(lián)合判決算法，通過設(shè)置滿意通信概率作為切換條件，在保證通信質(zhì)量的同時(shí)減少不必要的切換次數(shù)，但在通信環(huán)境不太理想情況下，過于追求通信質(zhì)量可能導(dǎo)致系統(tǒng)掉話［3］。文獻(xiàn)［4］對(duì)高速鐵路網(wǎng)絡(luò)下的掉話率進(jìn)行了理論分析，指出在高速時(shí)LTE-R網(wǎng)絡(luò)掉話率將更高，但并未提出具體改進(jìn)方法［4］。文獻(xiàn)［5-9］分別以改善LTE系統(tǒng)資源分配為目標(biāo)，提出相應(yīng)的改進(jìn)算法，算法充分利用了系統(tǒng)信道資源，提升了系統(tǒng)容量［5-9］。分析可知目前對(duì) LTE-R切換成功率與切換時(shí)延的研究尚處于起步階段。

本文從縮短切換時(shí)延角度出發(fā)對(duì) LTE-R切換算法進(jìn)行研究，提出一種基于速度觸發(fā)的提前切換算法，以達(dá)到縮短切換時(shí)延、提高切換成功率的目的。

2 LTE-R系統(tǒng)概述

LTE-R采用扁平化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是由基站eNodeB構(gòu)成的單層網(wǎng)絡(luò)。在UE移動(dòng)時(shí)，LTE-R切換主要考慮同一移動(dòng)管理實(shí)體（Mobility Management Entity， MME）下不同eNodeB間切換（通過X2接口）和eNodeB與 MME/服務(wù)網(wǎng)關(guān)（Serving GateWay，S-GW）之間的切換（通過S1接口）［10］。

LTE-R系統(tǒng)同頻切換步驟主要分為切換測(cè)量、切換上報(bào)、切換判決和切換執(zhí)行［10］。

3 基于速度觸發(fā)的提前切換算法

對(duì)于高速行駛的列車，根據(jù)列車當(dāng)前信息計(jì)算出當(dāng)前服務(wù)小區(qū)的預(yù)承載點(diǎn)，提前一定時(shí)間進(jìn)行小區(qū)測(cè)量、目標(biāo)小區(qū)判定和信令交互，通過節(jié)省切換時(shí)間來達(dá)到縮短時(shí)延的目的。當(dāng)列車到達(dá)小區(qū)預(yù)承載點(diǎn)時(shí)，直接進(jìn)行信道切換。算法分析時(shí)采用常用的單網(wǎng)覆蓋方式，具體切換步驟如下：

（1）上報(bào)列車信息： UE上報(bào)測(cè)量信息，主要包括當(dāng)前服務(wù)小區(qū)信息，當(dāng)前列車速度信息 Vcur，當(dāng)前列車位置信息Pcur，當(dāng)前UE的跟蹤區(qū)（Tracking Area， TA）信息和下一小區(qū)性能測(cè)量報(bào)告（主要是RSRP和RSRQ值）等信息。

（2）判斷列車運(yùn)行方向：根據(jù)列車車次號(hào)判斷列車運(yùn)行方向，更新小區(qū)位置信息和TA列表。根據(jù)當(dāng)前列車信息判斷列車當(dāng)前位置，標(biāo)注小區(qū)位置坐標(biāo)與小區(qū)識(shí)別號(hào)標(biāo)注，如圖1所示。

采用重疊TA覆蓋的方法，TA之間重疊覆蓋，UE處于重疊區(qū)時(shí)，在所在的TA區(qū)域分布中選擇一個(gè)進(jìn)行駐留。

（3）選定目標(biāo)小區(qū)： 在切換判決部分，采用RSRP值和RSRQ值聯(lián)合判決的方式進(jìn)行判定目標(biāo)小區(qū)。

（4）計(jì)算列車預(yù)承載點(diǎn)和切換時(shí)長(zhǎng)：根據(jù)上報(bào)列車位置信息計(jì)算列車預(yù)承載點(diǎn)坐標(biāo)和切換時(shí)長(zhǎng)，列車預(yù)承載點(diǎn)的橫坐標(biāo)計(jì)算公式如式（1）所示。

圖1 小區(qū)位置信息標(biāo)注示意圖

其中，Vcur為列車當(dāng)前速度，單位為m/s， t1為信息重發(fā)時(shí)延，單位為ms， t為UE上報(bào)測(cè)量報(bào)告到目標(biāo)小區(qū)信道激活時(shí)所用時(shí)延。

由于在定位列車當(dāng)前位置和上報(bào)列車運(yùn)行位置時(shí)均會(huì)出現(xiàn)誤差，所以又通過對(duì)列車運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行計(jì)算的方法，判斷列車是否到達(dá)預(yù)承載點(diǎn)。對(duì)列車運(yùn)行至預(yù)承載點(diǎn)的時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，當(dāng)t≥t0時(shí)，說明列車到達(dá)預(yù)承載點(diǎn)附近，即可觸發(fā)切換，切換時(shí)間如式（2）所示。

其中，（x0，y0）為預(yù)承載點(diǎn)位置坐標(biāo)，單位為 m，（xcur，ycur）為計(jì)算完預(yù)承載點(diǎn)時(shí)UE當(dāng)前的位置坐標(biāo)，單位為m。

因?yàn)樾^(qū)均沿鐵軌縱向分布，所以小區(qū)預(yù)承載點(diǎn)的縱坐標(biāo)可以不計(jì)算。

（5）判斷是否到達(dá)預(yù)承載點(diǎn)：運(yùn)行時(shí)間達(dá)到切換時(shí)間即t≥t0或者UE位置到達(dá)預(yù)承載點(diǎn)x≥x0時(shí)就判定為列車已到達(dá)預(yù)承載點(diǎn)附近。

在判斷UE是否移動(dòng)至預(yù)承載點(diǎn)位置的同時(shí)進(jìn)行信令交互和信道建立，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)承載點(diǎn)時(shí)觸發(fā)切換。

（6）切換執(zhí)行：當(dāng)UE到達(dá)預(yù)承載點(diǎn)附近時(shí)觸發(fā)切換，UE切斷與源小區(qū)連接信道，與目標(biāo)切換小區(qū)建立信道。

4 提前切換算法有效性評(píng)估

LTE-R普遍采用信令流程圖進(jìn)行描述切換過程，通過信令流程圖進(jìn)行理論分析時(shí)延的方法是評(píng)估算法有效性的方式之一。通過對(duì)兩種切換下信令流程圖進(jìn)行理論分析，驗(yàn)證提前切換算法是否可以有效縮短切換時(shí)延。

4.1 同一MME內(nèi)eNodeB間切換

同一MME內(nèi)的eNodeB間切換時(shí)改進(jìn)算法信令流程圖如圖2所示。

由圖2可知，整個(gè)小區(qū)切換的總時(shí)延是執(zhí)行完整個(gè)流程圖的總時(shí)延，設(shè)該總時(shí)延為T_A，如式（3）所示。

其中，ti為各信令流程時(shí)延值，Ts1c為S1-C轉(zhuǎn)移時(shí)延值。

提前切換算法可以節(jié)省從“上報(bào)測(cè)量信息”之后到“預(yù)承載點(diǎn)觸發(fā)切換”之前的信令時(shí)延，設(shè)該段時(shí)延為T_s_A，根據(jù)圖2得到式（4）。

圖2 基于速度觸發(fā)的提前切換算法信令流程圖（X2）

其中，tj為采用提前切換算法時(shí)在eNodeB間切換中所節(jié)約的各信令流程時(shí)延值，Ts1c為S1-C轉(zhuǎn)移時(shí)延值。

計(jì)算采用傳統(tǒng)切換算法時(shí)切換時(shí)延與基于速度觸發(fā)的提前切換算法時(shí)系統(tǒng)的切換時(shí)延，分別設(shè)為T_A1和T_A2，定義為

由于LTE-R的實(shí)際應(yīng)用只有朔黃鐵路，整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)很少，本文根據(jù)文獻(xiàn)［10，11］中LTE各結(jié)構(gòu)類型的控制面和用戶面時(shí)延數(shù)據(jù)將其代入式（1）～式（6）中進(jìn)行理論計(jì)算，最后得到各結(jié)構(gòu)類型下的時(shí)延數(shù)據(jù)［10-12］，如表1所示。

從表1中可以看出，在同一MME下eNodeB間切換中，提前切換算法在各類型幀結(jié)構(gòu)的LTE-R中均可有效縮短切換時(shí)延，其中效果最顯著的是TDD幀結(jié)構(gòu)類型2，可節(jié)約44.71%的切換時(shí)延。

4.2 eNode與MME間切換

同理，采用提前切換算法的信令流程圖如圖 3所示。

將eNodeB與MME間的切換中整個(gè)小區(qū)切換的總時(shí)延設(shè)為T_B，節(jié)省從測(cè)量開始至“預(yù)承載點(diǎn)觸發(fā)切換”前的時(shí)延為T_s_B，根據(jù)圖3得到式（7），式（8）。

其中，tj為采用提前切換算法時(shí)在eNodeB間切換中所節(jié)約的各信令流程時(shí)延值，Ts1u為S1-U轉(zhuǎn)移時(shí)延值。

與eNodeB間切換相同，分別設(shè)采用傳統(tǒng)切換算法中切換與采用提前切換算法時(shí)系統(tǒng)的切換時(shí)延值為T_B1和T_B2，定義為

將文獻(xiàn)［10，11］中LTE各結(jié)構(gòu)系統(tǒng)用戶面與控制面數(shù)據(jù)分別按照?qǐng)D3所示流程代入式（7）～式（10）中得到各類型結(jié)構(gòu)時(shí)延數(shù)據(jù)［10-12］，如表2所示。

從表2中可以看出，提前切換算法在 eNodeB與MME間切換中效果更顯著，無論哪種結(jié)構(gòu)類型，均能縮小近一半的切換時(shí)延，最高可以節(jié)約58.94%的切換時(shí)延。

分析表1和表2中各數(shù)據(jù)可知，采用提前切換算法可以達(dá)到縮短切換時(shí)延的目的，其中，在TDD幀結(jié)構(gòu)類型2時(shí)的效果最為顯著，兩種切換下的切換時(shí)延分別是傳統(tǒng)切換時(shí)的55.29%和41.16%。

表1 同一MME下eNodeB間切換中傳統(tǒng)算法與提前切換算法執(zhí)行時(shí)延對(duì)比表

圖3 基于速度觸發(fā)的提前切換算法信令流程（S1）

4.3 改進(jìn)算法切換成功率分析

上述分析了算法可以有效縮短切換時(shí)延，下面分析切換時(shí)延與切換成功率的關(guān)系。假設(shè)同層相鄰兩基站間距離為D，列車在運(yùn)行過程中，設(shè)t時(shí)刻，列車與源小區(qū)eNodeBi距離為xt時(shí)，接收信號(hào)強(qiáng)度如式（11）所示。

其中，K1為eNodeBi的發(fā)射功率，K2為COST321-Hata模型中路衰落因子，φ（t）為快衰落對(duì)接收信號(hào)造成的影響， δ（i ）為陰影衰落因子 δ（i ）:（0，σ2）。

同理，列車接收到目標(biāo)切換小區(qū)eNodeBj的接收信號(hào)強(qiáng)度如式（12）所示。

列車在切換判斷觸發(fā)之前會(huì)對(duì)接收到的信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行層3濾波處理，用以削弱切換過程中存在的切換誤判和乒乓效應(yīng)，甚至可以減少切換中信號(hào)因受到快衰落影響接收信號(hào)波動(dòng)較大的問題。在分析中，對(duì)接收信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行層3濾波方式進(jìn)行處理，如式（13）所示。

其中， S rect為t時(shí)刻列車接收到來自基站信號(hào)強(qiáng)度，

t為上一測(cè)量時(shí)刻t -Δt 計(jì)算的接收信號(hào)平均值，α為濾波因子（0 ＜ α＜ 1）， Δt 為小區(qū)測(cè)量信號(hào)時(shí)間間隔。

設(shè)兩次測(cè)量時(shí)間間隔內(nèi)列車運(yùn)行速度為v，則其運(yùn)行距離如式（14）所示。

當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)檢測(cè)到接收信號(hào)質(zhì)量滿足條件，觸發(fā)切換。此時(shí)設(shè)為 t時(shí)刻，則列車切換觸發(fā)的概率如式（15）所示。

其中，μ為列車接收兩個(gè)相鄰基站信號(hào)強(qiáng)度差值，H為列車通信信號(hào)強(qiáng)度閾值最小值。

設(shè)列車在切換觸發(fā)后，從開始執(zhí)行到完成目標(biāo)基站網(wǎng)絡(luò)重進(jìn)入的時(shí)間為tHO1。

列車切換時(shí)，由于列車速度很快，穿過小區(qū)覆蓋范圍的時(shí)間很短，設(shè)列車一次無法切換成功則視為切換中斷。則采用傳統(tǒng)切換算法列車一次性順利接入目標(biāo)基站的概率如式（16）所示［13］。

在提前切換算法中，列車在接近預(yù)承載點(diǎn)時(shí)直接進(jìn)行切換，此時(shí)，只需要與目標(biāo)基站進(jìn)行鏈路連接，設(shè)目標(biāo)小區(qū)重進(jìn)入時(shí)間為tHO2。

由于改進(jìn)算法可以根據(jù)列車運(yùn)行速度判斷預(yù)承載點(diǎn)，在高速運(yùn)行時(shí)，由于省下了近一半的切換時(shí)延，所以在第1次切換失敗的情況下可以執(zhí)行第2次切換。所以其切換成功率如式（17）所示。

表2 eNodeB與MME間切換傳統(tǒng)算法與提前切換算法執(zhí)行時(shí)延對(duì)比表

從上述分析可知時(shí)延對(duì)切換成功率的影響，并且得到速度觸發(fā)提前切換算法在 LTE-R中可以提升切換成功率，縮短切換時(shí)延，尤其在車速較高時(shí)，改進(jìn)算法更能凸顯出優(yōu)勢(shì)。

5 仿真驗(yàn)證

前面的理論分析驗(yàn)證了提前切換算法的有效性，下面進(jìn)一步通過仿真進(jìn)行分析驗(yàn)證。仿真設(shè)在兩個(gè)小區(qū)間進(jìn)行，通過列車來回在兩個(gè)小區(qū)間移動(dòng)模擬列車通過線路中各小區(qū)，實(shí)時(shí)記錄每次仿真后得到的各數(shù)據(jù)。仿真次數(shù)設(shè)定為25次，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型為FDD型，對(duì)eNodeB與MME間切換進(jìn)行仿真，最后統(tǒng)計(jì)全部數(shù)據(jù)，對(duì)比后得到結(jié)果。仿真平臺(tái)采用Matlab， LTE系統(tǒng)級(jí)仿真，仿真主要參數(shù)設(shè)置如下：

基站高度35 m，移動(dòng)臺(tái)高3 m，基站距鐵路垂直距離50 m，載波頻率2 GHz，基站間距2 km，基站天線高30 m，測(cè)量周期5 ms，基站覆蓋半徑1.3 km，基站發(fā)射功率44 dBm，信號(hào)強(qiáng)度門限值-35 dB，車速360 km/h，路徑損耗模型采用COST231-HATA（中等城市），背景噪聲設(shè)為-103 dBm/Hz，濾波系數(shù)K=2［14，15］。

圖4為采用兩種切換算法時(shí)得到的系統(tǒng)時(shí)延對(duì)比圖，圖中平均時(shí)延為累計(jì)各仿真次數(shù)的切換時(shí)延而得到的平均值。可知提前切換算法相比傳統(tǒng)切換算法其時(shí)延更短，尤其在累計(jì) 15次切換時(shí)延數(shù)據(jù)時(shí)，效果最顯著，其平均切換時(shí)延僅為傳統(tǒng)平均切換時(shí)延的49.8%，與前述理論分析結(jié)果基本一致。

圖5為兩種切換算法下切換成功率對(duì)比圖?？梢钥闯鲈诟咚贂r(shí)，提前切換算法下的切換成功率更為穩(wěn)定，且始終保持在 99.5%以上。滿足我國(guó)現(xiàn)行無線通信系統(tǒng) QoS技術(shù)對(duì)越區(qū)切換成功率大于99.5%以上的要求。

6 結(jié)論

本文從縮短切換時(shí)延的角度提出了一種基于速度觸發(fā)的提前切換算法，首先通過信令流程對(duì)LTE-R切換中采用傳統(tǒng)切換算法和提前切換算法時(shí)的切換時(shí)延進(jìn)行了理論計(jì)算，分析理論可行性，知理想條件下，最高可節(jié)省約整個(gè)切換過程中44.17%、58.94%的切換時(shí)延；其次通過仿真驗(yàn)證，得知采用基于速度觸發(fā)的提前切換算法可以有效縮短切換時(shí)延，并在車速為360km/h時(shí)算法可以將系統(tǒng)切換成功率提升到99.5%以上，為未來LTE-R系統(tǒng)在鐵路的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

圖4 兩種切換算法系統(tǒng)時(shí)延對(duì)比圖

圖5 兩種切換算法切換成功率對(duì)比圖

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米根鎖： 男，1966年生，碩士，教授，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)及應(yīng)用.

馬碩梅： 女，1990年生，碩士生，研究方向?yàn)橄乱淮F路移動(dòng)通信技術(shù).

Advance Trigger Handover Algorithm Based on the Speed in LTE-R

Mi Gen-suo Ma Shuo-mei
（College of Automatic & Electrical Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China）

With the rapid development of high-speed railway， the railway mobile communication system has more demands on the handover delay and handover success rate. This paper proposes an advance trigger handover algorithm based on the speed in LTE-R. It is designed to suppress communication interruption and dropped calls caused by that the signaling interaction and setting pre-bearer switching point get rise to handover too early or too late. The theoretical analysis is established in the signaling flow chart， and it is shown that the advance handover algorithm can shorten the handoff latency， which TDD frame structure type two has the most significant time effect. Finally， the simulation shows that compared with the conventional handover algorithm， the advance handover algorithm has a higher and more stable handover success rate. It provides a technical support for the future railway private network applications to LTE-R.

Long Term Evolution-Railway （LTE-R）； Handover； Handoff latency； Handover success rate

The Natural Science Foundation of Gausu Province （1310RJZA046）

TN929.5

A

1009-5896（2015）12-2852-06

10.11999/JEIT150577

2015-05-15；改回日期：2015-08-28；網(wǎng)絡(luò)出版：2015-11-01 *通信作者：馬碩梅 msm369@126.com

甘肅省自然科學(xué)基金（1310RJZA046）