轨道交通车地间硬切换算法切换过程优化

高速列车在行驶过程中移动终端频繁与轨旁基站进行切换，传统切换算法使用固定切换参数，提高切换成功率的同时伴随乒乓切换率升高的问题。本节提出基于位置信息的硬切换优化算法，其切换参数根据终端位于重叠带的不同位置而进行动态调整。切换优化算法划分为以下过程：切换测量、切换参数确定、切换判决和切换执行。切换测量过程移动终端完成对源eNB 和目标eNB 信号周期测量，切换参数确认过程是根据移动终端位置确认切换参数值，切换判决过程根据测量报告判决是否触发切换，切换执行过程进行从源eNB 切换至目标eNB 的一系列信令交互。硬切换优化算法流程如图8.3 所示。

图8.3　硬切换优化算法流程图

1. 信号测量过程

越区切换控制主体不同，执行信号测量过程的主体也要进行相应的调整。移动台控制的越区切换是以移动台为主导，由移动台监测到源eNB和目标eNB 信号强度。当移动台测量到信号满足切换要求时，由移动台向目标eNB 发送越区切换请求，然而移动台控制方式有容易引起切换冲突的弊端。网络控制的越区切换是由基站监测移动台的接收信号强度，当测量结果低于某个门限值后，网络侧开始进行越区切换操作。网络控制越区切换的缺点是用时较长。移动台辅助的越区切换是由移动台测量基站信号强度，然后将测量结果上报基站，由基站判决是否进行切换操作。相比较下，移动台控制的切换和网络控制的切换都不适合在高速移动场景下应用，而移动台辅助的方式具有切换时间短的优势，因此被广泛引用。

本节采用移动台辅助越区切换的方式，切换测量过程由移动终端对源eNB 和目标eNB 的信号强度进行测量并上报基站，切换判决过程由基站根据移动终端上报的测量结果进行切换判决，切换执行由移动终端和基站共同完成。测量过程流程如图8.4 所示。

图8.4　测量过程流程图

高速环境下受信道突变影响，移动终端测量到的源eNB 和目标eNB信号强度为瞬时值，需要经过滤波处理后，才能正确反映移动终端与基站之间的无线信道状况[142]。在t 时刻时，移动终端与源eNB 的直线距离为x，移动终端测量到的源eNB 信号强度可以表示为

其中，P 为源eNB 发射功率； PL( d )为终端路径损耗值；

为移动终端距离基站的直线距离， ds为基站与铁轨的垂直距离； θ1为阴影衰落影响； θ2为快衰落对信号的影响； θ3为高斯噪声。

基站发射功率相同时，可得到移动终端位于x 位置时测量到目标eNB信号强度为

其中，移动终端在x 位置时，距离目标eNB 的距离为 dl，则

其中，D 为相邻基站间隔。

移动终端测量的瞬时值经过滤波，去除对最后结果没有影响的快衰落和高斯噪声后，终端测量源eNB 信号强度可以表示为

其中， c0为常数；γ 为路径损耗系数；φ 表示均值为0，标准差为σ 的对数高斯阴影衰落。

同理，移动终端测量到目标eNB 信号强度可以表示为

2. 切换判决过程和切换参数确定过程

传统硬切换算法基于A3 事件触发切换，触发切换参数固定，可以满足低速运动时通信需求。而在高速铁路场景下，传统硬切换算法切换成功率较低，无法满足现行高速铁路无线通信系统服务质量要求。本节提出基于位置信息的硬切换优化算法，其切换条件中的迟滞门限值根据移动终端在重叠带的位置不同而动态调整，使切换发生在适当的时机。

如图8.5 所示，相邻两个基站之间重叠带定义为AB，将重叠带AB划分为AC 和BC 两段，其中C 为重叠带中点。当终端位于AC 段时，因为移动终端与源eNB 之间的距离更近，根据无线信号传播特性，移动终端接收源eNB 信号强度优于目标eNB。传统切换算法中使用固定切换迟滞门限值，若切换迟滞门限值设置较小时，根据A3 事件触发规律，移动终端在AC 段触发切换的概率变高，此时过早切换发生概率高，同时切换至目标eNB 后再次触发切换的概率也会升高；反之，当切换迟滞门限值较大时，移动终端在CB 段触发切换的难度增大，若移动终端在驶离重叠带位置时还未切换至目标eNB，最后可能会因为距离源eNB 距离较远导致通信连接失败。

图8.5　重叠带划分(www.xing528.com)

在铁路场景下，根据列车控制系统和GPS 可以实时获取列车位置。当列车以速度v 行驶至位置x 时，基于位置信息的硬切换优化算法中切换迟滞门限值可以表示为

其中，hys 为常数，单位为 dB，表示根据传统切换算法选择的预设切换迟滞门限值； f ( x) 表示以移动终端位置x 为自变量的预设切换迟滞门限值的调整函数。

通过对移动终端位置与切换迟滞门限值对通信质量的影响分析后，可发现在AC 段设置较大的切换迟滞门限值，可以保持终端与源eNB 连接，在CB 段时使用较小切换迟滞门限值，可使终端尽快切换至目标eNB。针对这一点，本节提出基于位置信息的切换优化算法，使得移动终端与源eNB 之间的距离和切换迟滞门限值应呈反比例关系，即当终端位于A点时，切换迟滞门限取得最大值，此时 f ( x ) ＞1 ，在移动终端驶过B 点时，切换迟滞门限值取最小值， f ( x ) ＜1 。

传统切换算法是基于A3 事件进行切换判决，其触发条件是在迟滞时间内目标eNB 信号和源eNB 信号强度满足

其中， Rt( x) 为移动终端位于x 位置时接收到目标eNB 信号强度；Rs( x) 为移动终端位于x 位置时接收到源eNB 信号强度；hys 为常数，是基于A3事件的传统切换算法使用的预设切换迟滞门限值。

同理，本节提出的基于位置信息的硬切换优化算法的触发条件为在切换迟滞时间内，移动终端接收到目标eNB 信号强度和源eNB 信号强度应满足

移动终端位于x 位置时，接收的目标eNB 信号强度比源eNB 信号强度高，预设迟滞门限值的概率为

经过切换迟滞时间后，目标eNB 信号强度与源eNB 信号强度仍然满足式（8.10），即概率如式（8.11）。

其中， tT为切换迟滞时间。

由式（8.10）和式（8.11），可得传统切换算法切换触发概率为

同理，基于位置信息的硬切换优化算法切换触发概率为

比较传统切换算法和优化算法，切换触发概率都与终端位置有关。根据式（8.12），传统硬切换算法中，当移动终端所处位置较靠近源eNB，当切换迟滞门限值若设置较大时，切换触发概率较低；相反，当切换迟滞门限值较小时，切换触发难度降低，触发率高。设定位置 x0，在优化算法中，当x ＞ x0使得 f ( x ) ＜ 1，此时Hys ( x )＜hys，即当终端驶过 x0位置后，优化切换算法使用比传统切换算法小的切换迟滞门限值。比较式（8.13）和式（8.12）可以发现，若x ＞ x0，理论上 Ppro( x )＞Ptra( x )。在x ＞x0时，优化切换算法切换触发概率是大于传统切换算法的，切换触发率得到有效提高，能够避免移动终端驶离重叠带还未切换至目标eNB 的情况发生。反之，当x ＜ x0使得 f ( x ) ＞ 1，此时Hys ( x )＞hys，优化算法切换触发率低于传统切换算法，可以有效降低过早切换发生概率。

3. 切换执行过程

基站根据移动终端上报的测量结果进行切换判决，满足触发切换条件后，系统开始切换执行过程。切换执行成功的条件是在切换执行时间内，移动终端接收目标eNB 信号强度要大于满足通信的最小阈值。当移动终端在位置x 时触发切换，切换执行成功概率可以表示为

其中， texe为切换执行时间；v 为终端运行速度；T 为满足通信的最小阈值； Rt( x) 为终端在x 位置接收到目标eNB 信号强度。

由式（8.14）可以看出，列车速度、位置对切换执行成功率影响较大。当其他参数固定时，切换执行成功率与位置有关，终端执行切换的位置距离目标eNB 越近，切换执行成功率越高。