一种基于定点中继站辅助式切换优化算法

    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，传统切换判决算法已经不能满足客户的服务需求，本文设计种基于定点中继站辅助式切换优化算法。在引入中继站方式的基础上，分析了该算法的实施前提以及算法的判决原理，解决了传统切换算法存在的切换前移及后移的问题。最后通过仿真将该算法与传统A3算法进行了性能对比，并总结了该算法的特点的原理和性能，同时给出其实验仿真结果，证明了该算法具有较好的切换效果。

    关键词：TD-LTE;高铁;中继站辅助式;切换优化算法

    0 引言

    如今，无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[1，2]。在高速铁路的应用场景中，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[3]。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[4，5]。

    本文在传统A3事件的切换判决算法的基础上，提出一种基于定点中继站辅助式切换优化算法，通过在切换重叠区域内部署中继站的辅助方式来扩大源基站覆盖的区域范围，从而避免切换时延与切换前移带来的切换失败等问题。

    1 中继技术简介

    作为新生代的LTE-A技术，中继技术（Relay）从一出现就备受研究人员的关注。中继技术是在eNodeB和用户终端之间增加一个网络专用的节点，主要用于转发与使能增益eNodeB和用户终端之间的归属频段信号，起到改善传输质量与增强鲁棒性的作用。如今LTE-A在高铁专线上的覆盖频段采用的是高频（2.6GHz频段），其覆盖能力较差且再需要支持高速数据速率的应用和业务的情况下，运营商必须部署更多的宏站站点来进行覆盖。因此，采用中继技术中回程链路的无限传输方式来进行部署将会解决上述问题，就部署方案以及成本来看都较为优秀，因而具有非常广阔的应用前景。

    2 基于定点中继站辅助式切换优化算法

    2.1 算法原理

    在本小節的讨论中，设定RSi在切换重叠区域的中心横坐标位置（即BSi与BSj的覆盖重叠区域），且RSi中继站仅与BSi级联。因此基站 BS的信号仅与基站本身的参考信号有关，小区的参考信号接收功率则与中继站RS和基站BS的共同作用相关。中继站的覆盖范围横坐标范围为。下面来讨论两种中继情况，即和的情况：

    首先讨论的情况。当列车行进至d1位置时，其最佳切换距离D已经触发，此时中继站RS收到的参考信号接收功率为满载值。因此此时列车携带的信号为BSi和RS的混合值。

    其次讨论的情况。当列车行进至d2位置时，目的基站BSj的信号强度要强于源基站BSi的信号强度，满足切换条件，此时切换要发生了。接下来中继站RSi进行功率控制，确保小区i的信号强度满足切换阈值要求，此时，即使BSi与BSj之间的切换重叠区域内存在信道性能低下的情况，中继站RSi也能通过功率控制的方式进行增益从而避免信道性能低下带来的切换失败可能。

    2.2 算法实现流程

    首先，阐述在d1和d2、d3等位置的计算方法：

    假设从中继站RS接收到的参考信号接收功率远远大于扰动信号值，且BS与RS信号加成的情况仅仅存在于前向多径信号中。BSi和RSi接收信号的时间间隔应该比多径衰落最大时延要小，定义为：

    其中d是源接站BSi与与中继站RSi的距离，c是真空电磁波的传播速度，是多径衰落时延的最大值。

    接下来，讨论中继站最大传输控制功率。若在从中继站接收到的信号强度相比于源基站BSi的信号强度可以忽略的条件下，前向中继就不必要了。本文中RS工作触发条件定义为从RS接收到的信号强度为相应BS的信号强度的1/2，即：

    然后定义d2的位置确定计算法方法：即当且仅当邻区BS信号切换强度与源BS进行切换时满足强度只差为差源BS进行切换时满足的阈值之时，满足d2的坐标需求，即：

    最终得到切换完成之后，接收信号的SINR应为：

    本文提出的切换优化算法中，在的情况下切换被禁止，仅在的条件下才能进行切换。

    3 基于定点中继站辅助式切换优化算法的仿真分析

    为了验证算法的仿真性能，我们使用LTE-SIM仿真工具来进行仿真，仿真环境选择山地环境，其参数如下所示：信道带宽：1MHz;天线类型：Omni;载波频率：900MHz;BS传输功率：43dBm;RS传输功率：33dBm;BS天线高度：30m;列车天线高度：1.5m;dmin：30m;阴影效应标准差：4dB;噪声密度：-174 dBm/Hz;信道损耗模型：HATA;最小接收功率（Rth）：-86dBm;SINR 阈值（γth）：12dBm;d1：1430m;d2：2610m;测量周期：500ms;列车移动速度：350km/s。

    经过测算得到的RS工作范围以及切换参考点已经计算出来，同时列车运行中从源BS接收功率的变化图如图2所示。当列车运行至d1时，其接收到的信号分为两部分，一部分是RS中继站的中继信号，另一部分是源基站BS的信号，二者共同作用使得信号质量处于正常水平;当列车行进至d2位置时，中继站RS利用功率控制功能来减小发射功率使得接收到的源小区功率能满足切换阈值要求。图1则展示了列车运行位置与切换成功率的关系，从图中可以看出传统算法中，切换点位置在2.35km处，实质上此时切换过早，因此切换成功率较低。

    在本文提出的算法中，当列车位置坐标小于2.61时，接收信号功率由于中继站RS的因素保持在较好水平，因此切换不会发生。当位置在（2.61，3. 35）之间时，RS中继站的功率控制会带来切换的推迟，相比于传统算法切換时间向后稍微推迟了一部分，但此时切换失败率处于较低水平（如图1），这是由于中继站RS的功率控制可以保持最小功率接收水平下的正常通信;当列车坐标位置大于3.35时，由于切换重叠区域被中继站RS的功率控制功能增加了，本文提出新算法的切换成功率已经大于传统算法，取得了较好的切换效果。

    一般情况下，切换前移会导致的信号抖动和较高的切换失败率，而后移的切换触发时间会在切换重叠区域覆盖范围较小和切换距离不足的情况下同样造成较高的切换失败率。本文算法对于切换前移的问题，采用中继站RS来进行了解决，而对于后移切换触发时间问题，采用基于探针分布的切换参考点来解决，因此文本算法取得了较好的切换效果。

    4 结论

    本文首先介绍了高速铁路环境下中继站技术的主要原理，随后提出了基于定点中继站辅助式切换算法，针对传统算法中无法解决切换前移的情况，采用中继站的形式进行了改进。仿真结果表明，对于切换判决的触发前移的问题，文中采用中继站范围预加载的算法，首先确定中继站的覆盖范围，通过功率控制消除了切换前移的可能，其次对于切换后移的情况，采用切换参考点与中继站结合控制的方法，有效避免了切换距离不足以及切换重叠区域覆盖范围较小的问题。因此本文的算法取得了较好的切换效果。

    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]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.

    [3]Zhou Y，Ai B.Handover schemes and algorithms of high-speed mobile environment：Asurvey[J].Computer Communications， 2014，47（07）：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]叶鹏飞.LTE进一步演进关键技术的研究[D].2016.