针对硬切换算法存在通信中断的弊端，高速场景下的无缝切换算法被提出[79]。无缝切换算法中在列车首部和尾部各安装一部收发天线，当列车首部天线进行切换时，列车尾部天线与源eNB 进行通信，解决了硬切换算法中切换时通信中断的问题。但是列车首部天线切换执行失败后，尾部天线代替列车首部天线进行切换，此时为硬切换算法，仍会产生较高通信中断。本节针对无缝切换算法中列车尾部天线进行切换时存在通信中断的问题，提出仅使用首部天线进行切换的方案。同时，移动终端位于重叠带不同位置时，接收到源eNB 和目标eNB 信号的强度不同，需要根据位置信息动态调整切换迟滞门限值，使切换失败率和通信中断概率都保持较低水平。优化算法的切换流程图如图8.14 所示。
图8.14 无缝切换流程图
1. 切换触发概率
图8.15 为列车位置示意图，图中列车由基站eNB1 驶向基站eNB2，基站eNB1 为源eNB，基站eNB2 为目标eNB，列车位置为x，列车长为Lt，基站与铁路的垂直距离为 ds， Af、 Ar分别代表列车首部和尾部天线位置，D 表示相邻基站的间隔距离。
图8.15 列车与基站距离分析模型
无缝切换算法与硬切换算法一样，切换触发通常都是基于A3 事件进行的。无缝切换算法中，当列车首部天线接收目标eNB 信号强度与源eNB信号强度的差值大于切换门限值时，触发切换操作。无缝切换算法中，列车首部天线接收源eNB 信号强度为
其中， c0为常数；γ 为路径损耗系数；φ 是均值为0，标准差为σ 的对数高斯阴影衰落。
同理，可以得到列车尾部天线接收源eNB 信号强度为
其中， Lt为列车长度。
同理，列车首部天线接收目标 eNB 信号和列车尾部天线接收目标eNB 信号强度可以表示为
在无缝切换算法中，当列车首部天线测量结果满足式（8.29）时，切换被触发。
其中，hyss表示无缝切换算法的预设切换迟滞门限值。
同理，本节所提出的基于位置信息的无缝切换优化算法切换触发概率可以表示为
其中， g ( x )为切换迟滞调整系数，表示位置对预设切换迟滞门限值的调整幅度。
在双天线无缝切换算法中，当列车首部天线切换失败时，切换操作过程由列车尾部天线代替进行，即第二次切换操作过程。第二次切换触发概率可以表示为
本节提出的基于位置信息的无缝切换优化算法仅由列车首部天线进行切换操作，则在首部天线一次切换失败后，可继续进行第二次切换尝试，所提出切换优化算法第二次切换触发概率与式（8.30）相同。
2. 切换失败概率
切换过程中，移动终端需要与基站进行一系列信令交互，这就需要与基站之间的信号强度保持在一定水平。本节定义切换失败率为移动终端接收到的信号强度满足目标eNB 信号强度至少大于源eNB 迟滞门限值的要求，但接收到的目标eNB 信号强度不能维持最低通信的事件发生的概率。无缝切换算法中，列车首部天线切换失败时，由尾部天线进行切换，则切换失败概率可以表示为
其中，
、
分别为列车首部和尾部天线切换执行失败的概率，xr为列车首部天线切换失败后尾部天线进入重叠带时的位置。
本节提出的基于位置信息的无缝切换优化算法中，仅由首部天线执行切换操作，即在列车首部天线切换失败后，可继续进行切换操作，直到成功切换至目标eNB。所提切换优化算法切换失败概率可以表示为
其中，fx 为列车首部天线切换失败的位置。
无缝切换算法列车首部天线切换失败概率可以表示为
其中， αf= T - c0+10γ lg Df，t；T 为满足通信的最小通信阈值；SDf，s、SDf，t分别为终端接收源eNB 信号、目标eNB 信号时受到的对数高斯阴影衰落，其均值都是0，方差为σ 。
同理，所提出的基于位置信息的无缝切换优化算法首部天线切换失败概率可以表示为
第一次切换失败后，无缝切换算法使用列车尾部天线进行第二次切换操作，则第二次切换失败概率可以表示为(https://www.xing528.com)
其中， αf= T - c0+10γ lg Dr，t；SDr，s、SDr，t分别为列车尾部天线接收源eNB信号、目标eNB 信号时受到的对数高斯阴影衰落，其均值都是0，方差为σ 。
3. 切换中断概率
无缝切换算法与硬切换算法相比，具有明显降低通信中断概率的优势。但在切换执行过程中，若列车尾部天线接收到源eNB 信号强度小于满足通信的最小阈值，也会导致通信中断。无缝切换算法中，列车首部天线切换时，通信中断概率可以表示为
其中，
(x -Lt)为列车尾部接收源eNB 信号强度低于满足通信最小阈值的概率，则
无缝切换首部天线切换失败后，由列车尾部天线进行切换操作，其步骤与硬切换一致，因此列车尾部天线进行切换时必然存在通信中断。列车尾部天线切换通信中断概率与列车首部天线切换失败概率有关，则
无缝切换算法通信中断概率可以表示为
所提出的基于位置信息的无缝切换优化算法切换操作都由列车首部天线完成，所以通信中断概率与列车尾部接收到的源eNB 信号强度有关，则
通过比较两种无缝切换算法通信终端概率可以发现，都进行一次切换操作时，两种切换算法通信中断概率与列车首部天线切换失败率有关。当进行第二次切换操作时，切换优化算法的通信中断概率低于无缝切换算法。
通过以上分析，比较了无缝切换算法和基于位置信息的无缝切换优化算法在切换失败率和通信中断概率等方面的性能。为验证以上分析，本节在Matlab 平台进行仿真，仿真参数如表8.2 所示。
表8.2 仿真参数表
图8.16 为终端移动过程中接收到源eNB 和目标eNB 信号强度。由图8.16 可以看出，在移动终端驶过源eNB，驶向目标eNB 过程中，列车首部天线接收到的目标eNB 信号强度高于列车尾部天线接收目标eNB 信号强度，同时列车尾部天线接收源eNB 信号强度高于列车首部天线接收源eNB 信号强度。
图8.16 接收信号强度仿真图
从图8.16 中可以看出，当切换发生在图中a、b 之间时，列车尾部天线接收源eNB 信号强度在理论上是优于列车首部天线接收目标eNB 信号强度的，此时终端保持与源eNB 的连接能得到更高的通信质量，所以在此范围内应提高切换难度。当位于bc 段时，列车首部天线接收到的目标eNB 信号强度理论上是优于列车尾部天线接收源eNB 信号的。因此本节提出基于位置信息动态调整切换迟滞门限，在ab 段内使用较大的切换门限值，增加切换难度，使终端保持与信号强度良好基站的连接。当列车位于bc 段时，降低切换难度，使终端尽快切换至通信较好的目标eNB。
根据图8.16 中位置对接收信号的影响，本节仿真中调整切换迟滞门限值的调整函数为
图8.17 为三种算法切换失败概率仿真图。传统硬切换算法和无缝切换算法中切换参数是不随位置改变的，结合图8.16 和图8.17 可以看出，在移动终端靠近目标eNB 的过程中，切换失败概率呈下降趋势。切换位置对切换失败概率的影响主要是由于移动终端进行切换的位置不同，导致移动终端接收到的基站信号强度不同。切换执行过程中造成切换失败的原因在于切换执行过程中终端接收到的目标eNB 信号强度不足以满足通信需求，当移动终端在靠近目标eNB 位置进行切换操作，由于能够接收到良好的信号强度，切换失败的概率就可大大减低。
图8.17 切换失败概率仿真图
比较传统硬切换算法、无缝切换算法和所提出的无缝切换优化算法这三种切换算法切换失败率曲线，传统硬切换算法的切换失败概率比另外两种切换算法都要最高。这主要是因为传统硬切换算法切换失败后，需要重新建立与源eNB 的连接。与传统硬切换算法相比，基于位置信息的无缝切换算法采用双天线架构，在切换过程中列车首部天线切换失败后就可以向目标eNB 进行多次切换操作，而列车尾部天线保持移动终端与基站之间的通信，在保持通信连接方面具有巨大优越性。
所提出的无缝切换优化算法与无缝切换算法相比，切换失败率较接近。但在移动终端距离源eNB 较近时，所提出的优化算法切换失败率明显比无缝切换算法低。这主要是由于这两种算法切换迟滞门限值不同，导致切换触发率有所差异造成的。所提出的无缝优化切换算法的切换迟滞门限值随移动终端所处位置不同进行动态调整，而无缝切换算法中使用固定切换迟滞门限值。由式（8.42）可知，当移动终端在相对靠近源eNB 的位置时，由于接收到目标eNB 信号微弱，若触发切换，切换失败率较高。所提出的优化切换算法在此位置时，使用的切换迟滞门限值大于无缝切换算法，增加了切换难度，使触发切换减少。通过前面对切换失败率的理论分析，可知理论上增大切换迟滞门限值可降低切换失败率，仿真结果也验证了这一结论。而移动终端较为靠近目标eNB 时，需要避免过晚切换，所以无缝切换优化算法通过使用较小切换迟滞门限值，提高了切换触发，但是由于切换触发增多，导致切换失败率略高于无缝切换算法。
图8.18 为通信中断概率仿真图。所提的通信中断仅指在切换过程中发生中断。图8.18 中没有绘制传统硬切换算法通信中断概率，这是由于传统硬切换算法中，移动终端需要先断开与源eNB 的连接，然后才能建立与目标eNB 的通信连接，因此这种切换方式下的通信中断概率为1，始终高于无缝切换算法和基于位置的无缝切换优化算法。
从仿真图8.18 可以看出，在移动终端远离源eNB 过程中，无缝切换算法和基于位置信息的无缝切换优化算法的通信中断概率都呈上升趋势。这是由于无线信号在传播过程中，随着传播距离增加，接收信号功率呈下降趋势。结合信号接收图8.16 也可看出，当移动终端与源eNB 的距离越远，列车尾部天线接收到的源eNB 信号强度就越差，接收到源eNB信号低于最小通信阈值的概率就越大。当源eNB 和目标eNB 信号强度满足切换条件后，列车首部天线在进行切换操作，而列车尾部天线接收到的源eNB 信号强度又小于满足通信的最小阈值，这时就会产生通信中断。
图8.18 通信中断概率仿真图
由仿真图8.18 可以看出，基于位置的无缝切换优化算法的通信中断概率低于无缝切换算法。无缝切换算法产生通信中断的原因可以分为两个方面：一方面是在列车首部天线进行切换过程时，列车尾部天线接收到的源eNB 信号强度低于满足通信的最小阈值；另一方面是由于列车首部天线切换执行失败后，由列车尾部天线代替列车首部天线进行切换时，其切换方式为硬切换，这时通信中断概率为1。而基于位置的无缝切换优化算法列车首部和尾部两支天线执行不同的工作。该优化算法中仅有列车首部天线进行切换操作，列车首部天线在一次切换失败后，可以向目标eNB 进行多次切换。列车尾部天线则始终保持与源eNB 的连接，不参与切换执行过程。因为列车尾部天线不参与切换，所提出算法只有在列车首部天线进行切换尝试而列车尾部天线失去与源eNB 的通信连接时，才会产生通信中断，所以基于位置的无缝优化切换算法的通信中断率低于无缝切换算法。
图8.18 中，在终端远离源eNB 的过程中，本节所提出的无缝切换优化算法与无缝切换算法通信中断率的差值逐渐减小。本节所提出的无缝优化切换算法的切换迟滞门限值随位置进行动态调整，当移动终端位置靠近源eNB 时，接收到的源eNB 信号强度原本就高，与此同时所提出的切换优化算法切换迟滞门限值较大，降低了切换触发率，在两者作用下，通信中断概率明显降低。在移动终端将驶出重叠带时，两种算法通信中断概率较接近。这是因为在本节所提出的无缝切换优化算法中，在移动终端将要驶离重叠带时使用较小的切换迟滞门限值，使切换触发增多，这样的调整可以避免因切换难度大致使发生过晚切换进而影响通信质量。
结合图8.17 和图8.18，可以看出本节所提出的优化切换算法仅使用列车首部天线进行多次切换操作，并将切换迟滞门限值与移动终端位置建立减函数关系，可以实现与无缝切换算法接近的切换失败率同时明显低于硬切换算法。由于采用列车尾部天线始终保持与源eNB 的通信连接，通信中断概率又低于无缝切换算法。同时，所提出的无缝切换优化算法仅使用列车首部天线进行切换，与无缝切换算法中首尾天线都可进行切换相比，前者切换流程复杂度要低于后者。
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