吳端坡， 孔正宇， 應(yīng) 娜， 郭春生， 周 洋， 殷海兵

（杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，杭州 310018）

0 引言

隨著中國高鐵的全面建設(shè)以及互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)已成為必然趨勢［1］。高鐵無線網(wǎng)絡(luò)在列車行駛過程中快速頻繁地切換，產(chǎn)生嚴重的掉話現(xiàn)象。有必要提出一種可以有效優(yōu)化由切換引起的掉話行為的切換算法。

在高速鐵路網(wǎng)絡(luò)中對具有各種標準的越區(qū)切換算法已有一定的研究。Itoh等［2］基于信號強度，通過建立計算切換概率的遞歸公式，提出了一個單用戶切換模型。為進一步分析，提出了一種用于分析由越區(qū)切換引起的掉話模型被［3］。該算法的性能通過模擬一些參數(shù)，如列車速度對掉話率的影響而得到驗證?？紤]到引起切換的充分性，即從服務(wù)基站接收的信號強度是否低于信號強度的最小接入值，Zhang等［4］提出了基于絕對信號強度的附加標準。不僅在切換算法中考慮了信號強度，還研究了可能影響網(wǎng)絡(luò)的其他方面。Qiang等［5］分析了高速鐵路無線通信過程中的測量參數(shù)，改進了一種基于模糊預(yù)測的切換算法。通過優(yōu)化灰度模型，對測量參數(shù)進行預(yù)處理，有效地減少了乒乓切換過程中的切換次數(shù)，提高了高速條件下的切換速率。Zhu等［6］和Arani等［7］提出了基于自適應(yīng)切換算法，該算法具有動態(tài)滯后作用。Dou等［8］研究了高速鐵路通信中切換機制的改進與排隊策略，降低了等待時延。Wu等［9］將高速引起的多普勒頻移作為越區(qū)切換決策條件之一，提升了切換性能。Xu等［10］引入用于提高服務(wù)丟棄性能的準入控制方案，與硬切換相比，軟切換的復(fù)雜度更高。Wang等［11］在TD-LTE系統(tǒng)中提出了一種軟切換算法，減少了切換次數(shù)。Chen等［12］建立了長期演進（Long Term Evolution，LTE）網(wǎng)絡(luò)中遲滯閾值與列車速度間的橢圓函數(shù)關(guān)系，提出了一種基于隨機抑制的自適應(yīng)切換算法。Pan等［13］提出了基于單個移動中繼的切換算法，重點是切換延遲的優(yōu)化。Qian等［14］提出了一種支持單移動中繼和雙天線的切換方案。與LTE中的標準算法相比，該方案的性能得到了較好的驗證。Yu等［15］提出了雙鏈路切換方案，其中一根天線執(zhí)行切換，另一根天線進行通信。

本文提出的切換算法的核心思想是，通過增加切換延遲來提高切換成功率，即在保證切換及時完成的前提下降低掉話概率。具體地，由于列車長度，兩個移動中繼器分別放置在前部和后部。本文提出兩個移動中繼的協(xié)作方案，由服務(wù)基站接收到較強信號的移動中繼負責(zé)工作，即兩個移動中繼交替工作，在任何時候都只有一個移動中繼在工作。在從服務(wù)區(qū)域運行到目標區(qū)域的過程中，始終由后方的移動中繼來做出越區(qū)切換決定。與前面的移動中繼相比，它可以產(chǎn)生更多的切換延遲。但是切換的位置可以更接近目標基站。盡管無法避免乒乓切換，但切換次數(shù)可以有所減少。由于列車的高速移動，切換延遲需要滿足高要求。為保證切換及時完成，研究了基于不同速度的動態(tài)滯后現(xiàn)象［16］。切換完成后，前端的移動中繼將始終負責(zé)該工作。與單個移動中繼相比，兩個移動中繼可以有效減少掉話次數(shù)。

1 系統(tǒng)模型

假設(shè)列車以固定速度v從基站（Base Station，BS）BSA到達BSB。列車的長度為L。兩個移動中繼分別位于前部和后部，并且與中繼器保持通信。服務(wù)基站為列車控制系統(tǒng)和乘客攜帶的各種移動通信設(shè)備提供所需的通信服務(wù)。圖1所示為高鐵中兩個移動中繼（Mobile Relay，MR）的通信體系結(jié)構(gòu)。令MRrear為后面的移動中繼、MRfront為前面的移動中繼。當(dāng)接收到來自服務(wù)小區(qū)的信號較強的移動中繼站接收到鄰小區(qū)的信號強度大于服務(wù)小區(qū)的信號強度一定閾值時，就會發(fā)生越區(qū)切換。由于切換是由一個移動中繼發(fā)起的，通過分別位于列車前部和后部的兩個移動中繼所接收到的信號強度的比較，對所提切換算法進行分析。為簡化分析，分析過程在兩個基站之間進行，如圖2所示為單個移動中繼站的越區(qū)切換過程，D為基站間距、dr為基站與鐵軌的間距、h為切換閾值、dh為發(fā)生切換的位置。

圖1 高鐵中雙移動中繼通信架構(gòu)

圖2 單個移動中繼模型

當(dāng)列車從BSA移到BSB時，兩個移動中繼分別測量兩個基站的信號。測得的信號強度受路徑損耗以及衰落的影響。在本文中，僅考慮陰影衰落效應(yīng)。因此，MRfront從BSA、BSB接收的信號強度，以R′A（d）和R′B（d）表示，MRrear從BSA和BSB接收到的信號強度用R″A（d）和R″B（d）表示：

式中：K1為衰減常數(shù)；K2為路徑損耗因子；u″A（d）、u′B（d）、u″A（d）和u″B（d）為陰影變量，獨立的零均值高斯隨機過程。假設(shè)陰影衰減波動的自相關(guān)函數(shù)為指數(shù)函數(shù)［17］，即：

式中：E［·］為X的期望值；d0為衰減相關(guān)距離。

為減小短期衰落效應(yīng)，假定信號強度R′A（d）、R′B（d）、R″A（d）和R″B（d）的接收值是通過指數(shù)平滑窗函數(shù)平均的。平均值由卷積給出：

式中：f（d）為平滑濾波器的脈沖響應(yīng)；dav為平滑濾波器的周期；“*”為卷積。MRfront的R′（d）和MRrear的R″（d）表示的相對信號強度定義為：

在從BSA到BSB的過程中，MRrear從BSA服務(wù)區(qū)域接收到的信號強度比MRfront強的可能性更大。當(dāng)MRrear確實比MRfront接收到更強的信號強度時，則由MRrear做出越區(qū)切換決定。為確保切換及時完成，需要研究滯后與速度之間的關(guān)系［9］。用MRrear做出越區(qū)切換決定時的相對信號強度

通常，D-dh＞＞dr，D-dh+L＞＞dr，并且u″B（d）-u″A（d）的平均值為0。由于越區(qū)切換距離dh與小區(qū)半徑r和允許越區(qū)切換時間T0有關(guān)，故它們的關(guān)系可以表示。因此，式（5）可以簡化為

2 切換算法分析

假設(shè)Ph（k）為在k時刻，移動臺發(fā)生切換的概率；PB|A（k）為在k時刻，移動臺從BSA切換到BSB的概率；PA|B（k）為在k時刻，移動臺從BSB切換到BSA的概率。記PA（k）為在k時刻，移動臺處于BSA的概率；PB（k）為在k時刻，移動臺處于BSB的概率。

由此得到遞歸公式：

式中：k=1，2，…，D/ds；ds=vTs；Ts為采樣周期。初始條件為PA（1）=1，PB（1）=0。

每次切換都預(yù)先有個信號強度判斷，即MRfront和MRrear接收到當(dāng)前服務(wù)小區(qū)的信號強度比較。記在k時刻，處于BSA時，MRfront接收到服務(wù)小區(qū)的信號強度高于MRrear的概率為P′A（k），MRrear高于MRfront的概率為P″A（k）；在k時刻，處于BSB時，MRfront接收到服務(wù)小區(qū)的信號強度高于MRrear的概率為P′B（k），MRrear高于MRfront的概率為P″B（k），其計算式為：

將式（8）中P′A（k）、P′B（k）展開，可得：

式中：μ′A（k）、μ″A（k）分別為R′A（d）、R″A（d）的均值；δR為R′A（d）、R″A（d）、R′B（d）和R″B（d）的方差。對于μ′B（k）和μ″B（k）同樣是R′B（d）和R″B（d）的均值。Q函數(shù)定義為

每次切換均由MRrear和MRfront決定。每次越區(qū)切換的概率為：

對于MRfront，令P′B|A（k）為在第k個間隔從BSA到BSB的切換概率，P′A|B（k）為在第k個間隔從BSB到BSA的切換概率。令A(yù)′（k）為將MRfront分配給BSA的事件；B′（k）為將MRfront分配給BSB的事件。同樣對于MRrear的A″（k）和B″（k）也是如此。因此P′B|A（k）、P′A|B（k）、P″B|A（k）和P″A|B（k）可以表示為：

將式（13）進一步展開：

式中：μR′為隨機過程的期望值。PR′（dk）（t）為遵循隨機變量；R′（dk）為高斯分布的隨機概率密度函數(shù)；γ為隨機變量μR′（dk）和μR′（dk-1）之間以及μR″（dk）和μR″（dk-1）之間的相關(guān)系數(shù)：

假設(shè)列車車體損耗為Ptl，在位置d處移動臺在BSA或BSB基站下的同頻干擾載干比為或。當(dāng)移動臺正在發(fā)起越區(qū)切換并且服務(wù)小區(qū)無法為移動臺服務(wù)時，就會發(fā)生掉話。第k個間隔中的掉話概率為：

式中：ξ為最小接入電平；C/I′A（dk）、C/I″A（dk）分別為在dk位置處MRfront和MRrear處于BSA的同頻干擾載干比。同理可得C/I′B（dk）、C/I″B（dk），q為同頻干擾載干比閾值。

C/I為信號強度與噪聲強度之比，定義I′A（dk）、I′B（dk）分別為處于BSA、BSB時MRfront接收到的噪聲強度，I″A（dk）、I″B（dk）分別為處于BSA、BSB時MRrear接收到的噪聲強度。C/I可以表達為：

假設(shè)目標小區(qū)受到來自前、后兩個相鄰?fù)l基站的干擾。將Phd（k）=Pdc（k）/Ph（k）定義為越區(qū)切換條件下的掉話概率。令BSA0和BSA1為與BSA具有相同頻率的兩個相鄰基站。BSB0和BSB1為與BSB具有相同頻率的兩個相鄰基站。P′hdA（k）表示當(dāng)MRfront在BSA時，由BSA0和BSA1引起的掉話概率，P′hdA0（k）是由BSA0引起的掉話概率，P′hdA1（k）是由BSA1引起的掉話概率。類似地，P′hdB（k），P′hdB0（k）和P′hdB1（k）分別為BSB、BSB0和BSB1引起的掉話率。相應(yīng)的，P″hdA（k）、P″hdA0（k）、P″hdA1（k）、P″hdB（k）、P″hdB0（k）和P″hdB1（k）為MRrear端的掉話概率：

式中，P′hdA0（k）可由下式得到：

式中，Φ（x）=。由于Ph（k）和Pdc（k）分別是第k個間隔中的切換概率和掉話概率的值，評估切換算法性能的切換次數(shù)和掉話次數(shù)為：

3 結(jié)果分析

根據(jù)式（5），可以計算各種速度帶來的滯后強度。假定兩個基站之間的距離為3 km，而當(dāng)列車速度為100 km/h時，采樣距離為ds=1 m。對數(shù)正態(tài)衰落的標準偏差為δ=6 dB，相關(guān)距離d0=20 m，平滑濾波周期dav=30 m，K1和K2分別設(shè)置為-53和34，dr為30 m，允許的切換時間為1 s，頻率復(fù)用系數(shù)為3。掉話的信號強度為-92 dBm。GSM-R和LTE-R網(wǎng)絡(luò)的測量報告采樣周期Ts分別為0.48和0.2。

圖3～8從3個方面展示了本文提出的切換算法與基于絕對和相對信號強度的切換算法［4］及基于單個移動中繼的切換算法在GSM-R與LTE-R網(wǎng)絡(luò)中的對比。

圖3 GSM-R網(wǎng)絡(luò)切換次數(shù)隨列車速度變化圖

圖4 LTE-R網(wǎng)絡(luò)切換次數(shù)隨列車速度變化圖

圖6 LTE-R網(wǎng)絡(luò)切換延遲隨列車速度變化圖

圖8 LTE-R網(wǎng)絡(luò)掉話次數(shù)隨列車速度變化圖

圖3、4分別顯示了在GSM-R網(wǎng)絡(luò)和LTE-R網(wǎng)絡(luò)中，不同列車速度下的平均切換次數(shù)，范圍從100～600 km/h。由圖3、4可見，在基于雙移動中繼的算法中，平均切換的次數(shù)接近1，比其他兩種算法的平均切換次數(shù)要少0.1～0.5。越區(qū)切換的位置可以更接近目標基站，在完成越區(qū)切換后，移動中繼可以接收到更強的信號強度、減少乒乓越區(qū)切換的次數(shù)。LTE-R網(wǎng)絡(luò)中的采樣間隔小于GSM-R網(wǎng)絡(luò)，LTE-R網(wǎng)絡(luò)中的越區(qū)切換數(shù)量比GSM-R網(wǎng)絡(luò)多。

圖5、6分別顯示了GSM-R網(wǎng)絡(luò)和LTE-R網(wǎng)絡(luò)中不同列車速度下的平均切換延遲。由圖5、6可見，本文提出的算法的切換延遲最大。切換決策始終由后方的移動中繼做出，兩個移動中繼間距離為列車長度。隨著列車速度的增加，切換延遲時間減小。盡管該算法的切換延遲長，但其切換時間更充分，且具有動態(tài)滯后性，在一定程度上降低了切換次數(shù)。

圖5 GSM-R網(wǎng)絡(luò)切換延遲隨列車速度變化圖

圖7、8分別顯示了GSM-R網(wǎng)絡(luò)和LTE-R網(wǎng)絡(luò)中不同列車速度下的掉話的平均次數(shù)。由圖7、8可見，掉話的次數(shù)相較于其他兩種算法降低了10%。越區(qū)切換的位置更靠近目標基站，一個移動中繼可以接收到更強的信號強度，并且該位置離與目標基站具有相同頻率的基站更遠。

圖7 GSM-R網(wǎng)絡(luò)掉話次數(shù)隨列車速度變化圖

盡管提出的基于雙中繼的切換算法相比于其他兩種算法在切換延遲上要長，但在切換次數(shù)與掉話次數(shù)方面相比具有一定的優(yōu)越性。

4 結(jié)語

本文提出一種高速移動環(huán)境下基于雙移動中繼的切換算法。并給出了算法理論推導(dǎo)與仿真過程。通過與絕對和相對信號強度的切換算法及單個移動中繼的切換算法仿真對比分析，本文提出的切換方案可以較好地優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)掉話性能。