轨道交通车地间毫米波通信技术研究现状

1. 国内外硬切换算法研究现状

铁路环境下的LTE-R 通信系统为实现低延时以及降低网络信令开销，采用扁平化系统架构。扁平化的系统架构适合采用过程简单的硬切换算法。硬切换算法切换过程中，移动终端首先需要暂时断开与基站的连接后，才能建立与另一基站的通信[70]。硬切换过程必然会造成通信暂时中断，而使用合适的切换触发条件，可减少无效切换次数，降低通信中断次数，同时对提高硬切换成功率具有很大的作用。为提高切换性能，国内外学者对硬切换算法进行了大量的优化，可总结分类如下：

1）基于速度的切换算法

传统切换算法的切换性能在低速场景下可以满足用户需求。而在移动终端快速移动的情况下，仍然使用与低速移动相同的切换参数，就会导致切换成功率降低和乒乓切换率增多的问题。针对这一问题，需要根据速度调整切换参数，并基于列车行驶方向和速度，设计与调整切换参数组合的切换算法，该算法与使用固定切换参数的传统算法相比，能有效防止乒乓发生切换和降低链路连接失败率[71]。此外，将切换迟滞门限值与速度建立减函数关系，使用反函数、椭圆函数、一次减函数这三种具有代表性的减函数进行仿真，可以发现使用椭圆函数时，切换成功率得到有效提升，同时链路失效率能实现较低水平[72]。这两种算法都对切换参数进行了调整，但是这种调整主要依赖速度，并未考虑终端接收信号和终端位置等其他影响因素。

2）基于位置的切换算法

移动终端在位于源基站覆盖范围还未进入重叠带范围时，由于距离源基站较近，与源基站通信质量高于目标基站。若在移动终端还未进入重叠带，就触发切换至目标基站，容易再次触发切换，重新建立与源基站的通信链路。硬切换方式下，移动终端在相邻两基站发生多次切换，会多次产生中断影响通信服务质量。一种基于波束成形的切换算法是当移动终端达到重叠带时，源基站和目标基站调整波束成形增益值，以提高移动终端接收信号强度的方式，达到提高切换成功率的目的[73]。为避免较小的切换参数导致乒乓切换次数增加，可以将相邻基站之间的距离划分区域，在移动终端未驶进重叠带时，使用较大的切换难度，以避免乒乓切换发生[71]。(www.xing528.com)

3）基于预承载的切换算法

切换延时是衡量切换算法优越性的一个重要方面。硬切换过程中，移动终端需要暂时断开与基站的通信链路，延时长短与重新建立连接耗时有很大关联。若在切换之前，目标基站完成相关资源和参数配置，将有效缩短切换延时，提高通信服务质量。基于网络侧辅助切换的切换算法被提出，由源基站提前将切换信息发送至目标基站，以加速切换进程[74]。针对LTE-R 系统切换延时高、切换成功率低的问题，利用列车速度提前触发的切换算法，通过设置切换预设承载点的方式，使目标基站提前完成切换有关准备，达到比传统切换算法更短的切换延时的目的[75]。

2. 国内外无缝切换算法研究现状

硬切换信令流程简单，但是切换过程中移动终端与基站之间的通信连接需要“先断开，后连接”，因此硬切换算法存在通信中断的弊端。软切换过程中移动终端与基站的通信链路“先连接，后断开”，弥补硬切换存在中断的问题，在降低数据包丢失方面具有优越的表现。

鉴于软切换在降低中断方面的优越表现，国内外学者借鉴软切换的特点，提出适合LTE-R 通信系统网络架构的无缝切换方案。无缝切换过程中，移动终端使用不同天线分别执行切换和通信任务。无缝切换与软切换相似，都需要占用较多网络资源，而LTE-R 系统资源充足，为实现无缝切换提供了条件。当移动终端在穿越重叠带时，采用多点协同传输与双车载中继站协作的方式可提高接收信号增益，相关理论分析和仿真结果表明，这种增强接收信号的方式可有效保障通信稳定性并降低通信中断概率[76]。为降低切换中断率，针对高速场景下相关硬切换和软切换进行仿真的结果表明，软切换算法以增加复杂度的代价，可以保持通信通畅稳定，同时能够有效减少切换次数[70]。此外，可以利用卫星通信实现无缝切换的方案，相关结果研究表明该方案在吞吐量和服务质量方面都得到了巨大的提升[77]。使用双天线并利用双播方式，能够减少数据包丢失率，降低转发延时，相关仿真结果表明，该方式在降低切换失败率，以及减少链路失效方面具有巨大的优越性[78，79]。