《基于信号接收功率和波束赋形辅助的切换算法》
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摘 要：在铁路长期演进（Long-Term Evolution for Railway, LTE-R）技术中,基于A3事件的传统切换算法存在切换成功率不高的问题.文章提出了一种基于信号功率（Reference Signal Received Power, RSRP）的波束赋形切换算法.通过列车在行驶过程中,实时上报的运行信息,使基站在特定的信号功率下,产生波束赋形的增益来保障列车接收到的信号功率始终保持在一个较好的水平.仿真实验结果表明,基于信号接收功率与波束赋形辅助的切换算法,让服务基站和目标基站都可以提供较好的信号接收强度,适当地提前了切换位置,有效地提升了切换的成功概率.
关键词：铁路长期演进;越区切换;高速铁路;波束赋形;信号功率
Abstract： In the Long-Term Evolution for Railway （LTE-R） system, the traditional A3 event-based handover algorithm has an issue of low handover success rate. This paper proposes a handover algorithm based on Reference Signal Received Power （RSRP） and assisted beamforming, which collects the real-time information through the running train. Thus, the base station can generate a beamforming gain at a specific signal power, thereby ensures that the signal power received by the train is always maintained at a preferable level. The simulation results show that the handover algorithm based on RSRP and assisted beamforming allows both the serving base station and the target base station to provide better signal reception strength, advances the handover location appropriately, and improves the probability of handover success effectively.
1 概述
国际铁路联盟提到,铁路长期演进LTE-R技术作为下一代铁路移动通信系统[1].如何将LTE技术更好的应用于高速铁路,成为了当下的热门研究方向.LTE-R是基于LTE系统进行设计,虽然LTE-R还未正式商用,但我國已经在LTE-R的研究上走在了世界前列[2].与第二代全球移动通信系统（Second-generation Global System for Mobile Communications G-R）相比,LTE-R系统有诸多优势.首先,LTE-R大大提升了通信速率,在20MHz的带宽下,其上、下行链路速率峰值可达到100Mbit/s和50Mbit/s.其次,LTE-R具有低时延的特点,其操作平面延时不超过100ms,而用户平面则不超过5ms.除此之外,以OFDM和MIMO为技术核心的LTE系统,大大提高系统吞吐量,而且能够向下兼容2G、3G系统进行工作[3].这对系统服务质量与用户的通信体验是一个强有力的保证,有效的满足了现有通信需求.LTE系统由演进节点基站（Evolutionary Node Base Station,eNodeB）、移动管理实体（Mobility Management Entity,MME）和服务网关（Serving GateWay,S-GW）构成,其中用户直接与基站相连[4].因此,LTE-R如何在高速铁路环境下为铁路提供可靠的实时语音和视频监控、旅客信息等大数据量业务是未来轨道交通无线通信系统应用的重要研究方向[5].
铁路通信系统继承了铁路线状覆盖的特点,随着铁路速度的迅速提升,小区切换更加频繁,无线链路失效率增加[6].这就要求通信系统有更低的切换时延,并保证切换成功率和系统可靠性.目前国内外对高铁场景下LTE-R的无线信道理论与方法的研究成为了热点问题[7].下列文献针对越区切换所产生的问题提出了相应解决方法.苏佳丽等用粒子群优化灰狼算法改进的RBF神经网络来采集不同的列车速度进行训练,通过对切换迟滞等的调整降低掉话率和乒乓切换率[8].米根锁等针对不同的列车时速,通过提前进行信令交互,设置预切换承载点来抑制过早切换等问题[9].LinTian等人提出了采用车载双天线的方式来提升切换成功概率,在切换过程中,前向天线负责执行切换,后向天线始终保持与原基站的通话[10].杨崇哲等设计了一种由道旁分布式天线系统和多车载台通信系统两部分构成的解决方案,前车载台负责执行扫描操作和协商操作,后车载台负责完成切换状态即可,避免了通信中断,提高了通信的可靠性[11].程梦等提出了基于位置信息的机会波束赋形算法,通过干预每个天线的复权重相位生成来进一步扩展信道波动的动态范围,获取多用户分集增益,提高了系统吞吐率[12].
分析可知目前对LTE-R的研究主要是由高速移动引起的频繁切换以及硬切换导致的通话中断[13].本文提出了基于信号接收强度与波束赋形辅助的切换算法,保障切换过程中的信号接收质量,并达到提高切换成功概率的目的.
2 基于信号接收功率与波束赋形辅助的切换算法
在高速铁路中,列车的时速最高可达到360Km/h,从而导致了越区切换的频繁发生.LTE系统原有的切换算法基于A3准则,即当两相邻小区的差值满足切换迟滞的要求,就会触发切换过程[14].然而在基站覆盖的边缘地区,信号强度减弱,可能会导致通话中断的发生,存在错误触发切换的几率.所以传统的切换算法不能很好的满足高速列车的运行要求.针对上述传统算法所存在的问题,本文提出了基于信号接收强度与波束赋形辅助的切换算法.波束赋形通过改变波束的投射方向,实现能量的汇聚,降低了对于周围用户造成的干扰[15].保障通信的重要指标之一就是信号接收强度,通过对信号接收强度的实时监测,在信号接收强度较差的区域产生波束赋形增益,确保越区切换过程的信号质量.移动台与基站的通信要满足一定的信号强度,当低于维持通话的最小可接收强度时,则可能出现通话中断的情况,当信号接收强度在-90dBm到-100dBm之间,为最小可用信号[16].本文通过设置信号强度阈值来辅助越区切换.以下是对提出的改进算法的具体阐述.
高铁环境下,基站延铁路线呈带状分布,每个小区的相邻小区是固定的.因此只要确定列车的行进方向,即可判断出要切换的目标小区[17].在列车的运行过程中,列车会上报测量信息,其中包括列车车次号、当前服务小区的测量信息、速度以及位置等信息.通过对列车运行过程中的上报信息来确定列车的前进方向.判断出运行方向后,锁定前向小区,在到达小区边缘的时候,服务小区基站向目标小区发出切换请求.
列车在运行中上报当前服务小区的信号接收强度,当前服务基站产生波束赋形的增益,同时向目标基站发出切换请求.目标基站收到切换请求后,向服务基站下发切换要求,同时也针对边缘区域产生波束赋形的增益,随着列车的运行,目标基站信号强度满足通信质量的要求后,逐步恢复为正常工作模式.
切换算法步骤：
（1）UE上报测量信息,包含列车车次号,当前的列车时速,当前服务小区信息.
（2）根据上报的列车车次号锁定目标小区,服务小区eNodeB根据上报信息实时监测列车接收的信号强度,当下降到波束赋形阈值时,产生波束赋形增益,同时向目标小区发出切换请求.
（3）目标小区接收到切换请求后,下发切换要求,向服务小区方向产生波束赋形增益.列车接收到的信号强度差值满足切换迟滞后,进行越区切换.
（4）切换完成后,服务小区和目标小区的波束赋形增益降低.
（5）列车驶过切换区间后,基站恢复原有的工作模式.
3 切换性能分析
在实验中,仿真的时间间隔为?驻t,列车时速为v.所以构成了测量上报位置的函数x.
同一基站可在不同的工作状态下产生不同的增益Ga1和Ga2.本文的切换策略如表1所示.
（3）式和（4）式中的路径损耗公式采取文献[18]中给出的COST231-Hata模型.因为我国大多数高速铁路的环境为开阔地的高架桥场景,所以（5）式中的相关参数设置均采用乡村开阔地模型进行设置[19].
为了验证切换算法的有效性,我们用切换中断概率以及切换触发概率和切换成功率来对改进方法和传统切换方法进行比较.
切换成功概率：在切换过程中,利用式（7）和式（8）可以分别得出服务基站和目标基站的中断概率,要保证越区切换的成功发生,就要保证两个基站都有可靠的通话连接,并触发切换过程,推导可得：
图2是改进方法的列车位置与服务基站和目标基站的信号功率关系图.从图中可以看到列车在运行过程中,当服务基站的信号下降到-90dBm的时候,服务基站的信号功率有所提升,目标基站的信号功率相继有了较大的跃升,在1.4Km的时候,目标基站的信号功率下降,防止信号强度突变以及节省发射功率,服务基站信号功率同时降低,防止乒乓切换的发生.在1.7Km的时候都恢复为全向天线,这使得列车在运行过程中接收到的信号功率可以始终保持在一个较好的强度,从而避免通信中断.
图3为目标基站的中断概率与列车位置的关系仿真结果图,改进方法中,服务基站先进行了波束赋形增益,增强的信号对目标基站的信号出现了一定的干扰,随着目标基站的信号功率的提高,目标基站的中断概率快速下降,有效降低了切换区间的中断概率.使得切换过程适当的提前.
圖4为列车位置与切换触发概率的关系图,改进后的算法相比传统算法切换触发概率有了明显的提高,尤其在目标基站的信号功率提高后,有了明显的提升,并且切换触发位置有了一定的提前,这也让服务基站的信号功率得到了保证.
图5为列车位置与切换成功概率的关系图,改进后的算法使得切换成功概率有较大的提升,在1.5Km的时候,改进的切换算法已经可以达到95%以上的切换成功概率,而传统切换算法的切换成功概率还在70%左右.可以证明在切换过程中,基于信号接收功率的波束赋形技术,使得切换全程都有比较好的信号强度覆盖,比较好的抑制了通信中断的发生,提高了越区切换的成功概率.
4 结束语
针对LTE应用于高速铁路中所出现的诸如切换成功率不高的问题,提出的基于信号接收功率的波束赋形的LTE-R切换算法.
（1）改进算法的信号接收功率在切换区间要高于传统切换算法,有效地降低了切换中断概率.
（2）切换触发位置相应的提前,使得切换触发概率有了明显的提升,缩短了切换区间的长度.
仿真实验的结果表明,波束赋形在高速铁路切换场景中的引入,针对不同的信号接收功率进行适时调整,明显改善了切换时的成功概率.在切换区间内,改进切换算法的中断概率和切换触发概率都要优于传统的切换算法.
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总结：本文论述了关于对不知道怎么写信号论文范文课题研究的大学硕士、波束赋形本科毕业论文波束赋形论文开题报告范文和文献综述及职称论文的作为参考文献资料.
波束赋形引用文献:
[1] 波束赋形论文范例 波束赋形相关论文写作参考范文8000字
[2] 数形结合论文题目范文 数形结合论文题目选什么比较好
[3] 新颖的数形结合论文参考文献 数形结合外文文献怎么找
