张凌峰

【摘 要】作为TD-LTE移动通信系统的核心技术，切换技术其算法很大程度上体现了用户在小区间进行移动通信的整体性能。而在高铁环境中，由于其环境的特殊性和复杂性，因此需要对高速铁路环境下LTE的切换技术和算法进行改进来保证高铁LTE网络的通信质量。设计了基于速率阈值的智能优化切换算法。通过对常规的系统A3事件切换判决准则的研究，提出了一种基于速率阈值的智能切换算法，该算法在获取用户终端（UE）的地理位置、速度等信息的基础上，通过采集在不同阈值范围内进行相应切换时刻与切换地理位置的确认，然后通过系统仿真，将该阈值智能切换算法与传统切换算法进行了性能对比，结果表明智能切换算法平均切换成功率达到93.1%以上，相比常规A3算法提高了6%以上。

【关键词】TD-LTE;高铁;速率阈值;智能切换算法

中图分类号： TN915 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）14-0098-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.14.046

An Intelligent Switching Algorithm Based on Threshold Trigger

ZHANG Ling-feng

（Aviation Logistics Department， JiangSu Aviation Technical College， Zhenjiang Zhenjiang 212134， China）

【Abstract】As the core technology of TD-LTE mobile communication system， handover algorithm largely reflects the overall performance of mobile communication in small intervals. In the high-speed railway environment， because of the particularity and complexity of its environment， it is necessary to improve the handover technology and algorithm of LTE in the high-speed railway environment to ensure the communication quality of high-speed railway LTE network. An intelligent optimal switching algorithm based on rate threshold is designed. Based on the study of the conventional decision criterion of system A3 event handover， an intelligent handover algorithm based on rate threshold is proposed. This algorithm acquires the geographic location and speed of user terminal（UE）， confirms the corresponding handover time and location in different threshold range， and then intelligently handover the threshold through system simulation. The performance of the proposed algorithm is compared with that of the traditional switching algorithm. The results show that the average handover success rate of the intelligent handover algorithm is over 93.1%， which is 6% higher than that of the conventional A3 algorithm.

【Key words】TD-LTE; High-speed rail; Rate threshold; Intelligent handover algorithm

0 引言

如今，無线通信技术如雨后春笋般不断涌出，LTE成为影响力极其深厚的宽带移动通信技术标准之一，在业界受到广泛的关注[1-4]。在高速铁路的应用场景中，LTE在采用多站址拉远级联技术的基础上，将射频拉远单元与基带处理单元相结合，有效地扩大了LTE小区的覆盖范围[5-7]。而随着列车时速的不断上升，列车乘客的网络通信质量明显下降，对用户的商务及娱乐需求产生不利的影响[8-10]。高铁的高速化运转给高速环境下的通信造成了诸多问题，频繁切换作为高速环境通信的主要问题之一，如何设计针对此环境的LTE切换算法，是提升高速环境下通信有效性及可靠性的一个研究重点[11-14]。

针对高铁的特性，国内外研究人员也都做了相关研究。文献[15]在现有切换算法的基础上，针对速度特性进行了特别的优化，确实在一定程度上提高了切换的成功率，但是由于算法是动态的，导致时间复杂度较高，在切换时间太短的情况下切换成功率无法得到保证。文献[16]在对切换算法优化时加入了位置信息，大大提高了越区切换的成功率，但是在实际却难以实现，主要由于需要新增定位设备，导致系统结构发生了改变。文献[17]提出了一种采用预承载的方式进行优化的方法，能够对切换的位置进行预判，从而提前对小区信道进行分配，达到缩短切换时延，提高切换成功率的目的。但是该方法需要获取的参数过多，且对切换位置预判的准确率也有待提高。

本文在传统A3事件的切换判决算法的基础上，提出一种基于速率阈值触发式的智能优化切换算法，能有效减少切换时延并提高切换成功率。

1 A3算法简介

1.1 传统A3算法切换判决准则分析

正如前文所述，传统A3算法的核心思想在于切换必须满足目标小区信号强度大于源小区信号强度且差值超过指定门限的条件[18]。当判决准则满足时，A3事件由用户终端会触发，触发后对应的触发时延内系统测量一直处于满足判决准则的条件下，同时演进型全球陆基无线接入网会一直收到用户终端（UE）上报的A3测量报告。

1.2 传统A3算法的丢包率分析

根据文献[19]，造成丢包的原因主要有两个，其一是由于协议栈在物理层的队列原理造成的正常传输时延，此类时延累积起来就有可能造成数据包的丢失;其二是由于误块率（BLER）：误块率是一个收到综合因素影响的参量，其与信道模型、调制方式以及信噪比都有密切关联。信噪比条件相同的情况下，不同调制方式对误块率有着差异化的影响;在调制方式相同的情况下，误块率与信噪比呈反相关。

2 基于阈值触发的智能化切换算法

本文首先对传统A3算法进行原理阐述与分析，然后对其进行改进并提出一种基于速率与阈值的智能化切换算法，该算法是将高铁行进速度进行分区域化处理，分为低速、中速、高速三个不同区间，并以此为阈值来确定切换时刻与地理位置，并与传统A3算法进行比对分析，同时总结了提出算法的优缺点。

2.1 基于阈值触发的智能化算法切换判决准则分析

先介绍仿真需要的两个重要参数：利用幂级数信噪比定位算法定位出的子信道信噪比模型与误块率，同时再引入参考信号接收功率的阴影模型表达式：

其中Pr是接收功率，Pt是基站传输功率，K是信道损耗因子（常取-140.72dB），γ是信道损耗指数，d0是参考距离，d是测量基站与列车的距离，ΦdB是以0和8dB的对数正态分布均值为基准的偏移量。

对于参考信号接收功率而言，其实是LTE网络中可以代表无线信号强度的关键参数，承载小区专属参考信号的资源粒子的功率贡献（以W为单位）的线性平均值，因此，接收信号强度RSSI参考信号接收功率RSRP可以分别表示为：

其中N为源区块在其小区内由RSSI所携带的载频带宽。由于终端UE自身就可以测量RSRP和RSRQ的周期性关系，因而RSRP/RSRP的绝对值超过设定阈值时，终端UE就会向源eNodeB发送测量报告。在实际列车运行条件下，信道参数可视作为变量环境，因此上述比值会不断变化导致源eNodeB与接收信号参考功率产生乒乓效应。为解决这一问题，本文人为设定阈值N为Nth，并指定Nth分别对应列车车速为120km/h-250km/h以及250km/h-350km/h的不同车速情况，其相应判决门限定义为Hme和Hh。TTT触发值视作与车速与阈值N的对应变量。

2.2 算法原理

算法流程大体可以理解为信息矩阵表中的数据从源eNodeB经由仅包含火车前进方向目的邻居小区目的基站eNodeB信道广播至用户终端。

首先，当列车即将进入切换重叠区域时，用户终端（UE）收到的测量信号应该包括如下参量：用户终端即时速率、用户终端所处经纬度、源小区和目的小区的参考信号接收功率以及源小区和目的小区的误块率。当用户终端收到返回测量值后，系统处理测量值并确定用户终端的行驶速率。

结合式1至式3可以看出，不同的速率下对应的不同阈值决定了多个切换参考点，将多个切换参考点的信号接收功率RSRP为参考量，在不同阈值范围内进行源小区基站eNodeB开始进行X2接口切换流程，切换完成后终端UE切换至目标小区，至此切换流程完毕。

2.3 基于LTE-SIM仿真环境的阈值触发算法仿真分析

本文采用LTE-SIM作为仿真软件，选用的是山地环境模型，仿真结果图如下：

如图1所示的不同速率环境下不同阈值条件下A3算法与速率阈值智能化算法的切换性能指标关系。

当触发阈值N=4且列车处于200km/h运行时，传统A3算法与车辆所属信道信噪比呈现反相关;本文提出的阈值触发算法平均切换成功率为98.7%，高于传统A3算法的95%;其中阈值触发算法下，在切换成功率仅随信道信噪比做细微变化，体现了较好的切换能力。

当触发阈值N=4且列车处于350km/h運行时，就切换成功率来说，传统A3算法与阈值触发算法较车辆处于200km/h条件下皆有所下降，并呈现反相关趋势;就极差切换成功率而言，本文所提出的阈值触发算法在SINR=5条件下切换成功率仍保持在96.7%，较传统A3算法的75%有了较大提升。

当触发阈值N=6且列车处于200km/h运行时，统A3算法、本文所提阈值触发算法伴随车辆所属信道信噪比的上升呈现波动下降趋势;就切换极差点而言，本文所提出的阈值触发算法在SINR=5条件下切换成功率仍保持在94.7%，较传统A3算法的82.1%仍有较大优势。

当触发阈值N=6且列车处于350km/h运行时，本文所提阈值触发算法平均切换成功率为93.1%，传统A3算法为87.2%，且具有本文所提阈值触发算法较为平稳的切换成功率变化曲线，在车辆所处信道环境较差时可保障车辆的平滑切换。

从上文的分析中我们可以得出，不管是在高速环境（350km/s）还是在低速环境（120km/s）下，本文算法提供了多种切换参数组合选择以获得较好的切换性能，因此本算法具备一定的智能性。

3 结论

本文在仿真并分析了目前传统A3算法的基础上，设计了基于阈值触发的智能优化切换算法，该算法主要抓手为将列车源区块在其小区内由RSSI所携带的载频带宽情况作为阈值触发的重要指标，用于切换参考点的选取;在此基础上，用户终端就可以在进入切换重叠区域前进行资源预分配的配额获取工作，保障切换的平滑进行。本文就山地环境对该算法进行了仿真，仿真结果表明，在采用多样化本文提出的改进算法使得整个切换过程的性能指标有了明显提升。

针对仿真平台以及智能切换算法的研究，本文所做的工作还可以对算法本身进行改进。目前的算法都是基于A3算法来进行的，因此对于算法本身的优化仍然处在A3算法的思维框架中，如何设计新型的切换算法并使得其更能适用于我国的高速铁路环境还有待研究。

【参考文献】

[1]李立华.高铁环境下LTE系统切换技术的研究[D].西南交通大学，2018.

[2]徐晓，戎璐，王平等.基于业务自适应的LTE切换优化机制[J].计算机应用研究，2009，26（11）：4240-4243.

[3]Zhou Y， Ai B. Handover schemes and algorithms of high-speed mobile environment： Asurvey[J]. Computer Communications， 2014， 47（7）：1-15.

[4]张鹭.高速铁路LTE系统切换技术研究[D].华东交通大学，2016.

[5]贺臻桢.基于LTe-R的高速移动宽带通信系统切换技术研究[D].中南大学，2013

[6]叶鹏飞.LTE进一步演进关键技术的研究[D].2016.

[7]陈海霞，王连明.人工蜂群算法优化支持向量机的传感器节点定位[J].吉林大学学报（理学版），2017，55（3）：647-651.

[8]张梦奇.高铁场景下LTE-A资源调度与越区切换研究[D].西南交通大学， 2014.

[9]赵鑫，周小林.基于延时功率谱LMMSE的高铁LTE下行链路信道估计算法研究[J].微型电脑应用， 2017，33（8）：1-3.

[10]陈国平.高铁LTE覆盖优化方法研究[J].互联网天地，2017（6）：28-34.

[11]李德威.高速铁路LTE-R切换算法优化研究[D].兰州交通大学，2017.

[12]季安平.基于时间提前量与网络结构关联的高铁LTE覆盖优化[J].电信工程技术与标准化，2017，30（4）：65-68.

[13]崔新凯，王翔，赵辉，等.TD-LTE高铁网络性能提升研究[J].互联网天地，2017（5）：38-42.

[14]Kim J H， Kim S H， Choi K H. A New RBC handover scheme for LTE-R system[J]. Journal of International Council on Electrical Engineering，2014，4（3）：245-250.

[15]Pfeifer C， Koppatz S， Hofbauer H. Optimization of handover algorithms in 3GPP long term evolution system[C]. International Conference on Modeling. 2011.

[16]孫巍巍，苏寒松，滕友伟等.3GPP-LTE系统中结合位置预测的切换算法[J].计算机应用，2012，32（7）：1849-1851.

[17]米根锁，马硕梅.基于速度触发的提前切换算法在LTE-R中的应用研究[J].电子与信息学报，2015，37（12）：2852-2857.

[18]王斌.LTE高铁网络覆盖的研究与应用[J].大众科技，2017，19（5）：19-21.

[19]何承亮.TD-LTE高铁覆盖组网方案及关键技术研究[J].通信技术，2017（11）：2545-2548.

[20]郭宝，刘毅，张阳.基于信令关联与用户识别的LTE高铁感知优化[J].现代电信科技，2017（5）：54-60.