胡 霞

(湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410015)

一種基于切換遲滯的LTE自適應(yīng)計(jì)時(shí)水平切換算法

胡 霞*

(湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410015)

針對(duì)LTE固定計(jì)時(shí)切換算法存在的缺點(diǎn)，提出了一種自適應(yīng)計(jì)時(shí)切換算法.該算法依據(jù)當(dāng)前移動(dòng)臺(tái)與原服務(wù)小區(qū)的距離di及rank，ram和p這3個(gè)可變常數(shù)，計(jì)算其實(shí)時(shí)的切換計(jì)時(shí)值T，從而實(shí)時(shí)改變切換等待時(shí)間.仿真結(jié)果表明：采用固定計(jì)時(shí)切換算法，且計(jì)時(shí)值T設(shè)置偏大時(shí)，移動(dòng)臺(tái)需移動(dòng)到離原服務(wù)小區(qū)較遠(yuǎn)的地方才能發(fā)生切換，此時(shí)移動(dòng)臺(tái)接收原服務(wù)小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度很差；而自適應(yīng)計(jì)時(shí)切換算法不僅能消除乒乓效應(yīng)，減少平均切換次數(shù)，且切換時(shí)擁有較好平均信號(hào)強(qiáng)度，切換位置更集中合理，總體性能達(dá)到最佳效果.

LTE；自適應(yīng)；計(jì)時(shí)；水平切換；切換遲滯

一種好的移動(dòng)臺(tái)切換算法需同時(shí)兼顧好切換次數(shù)和切換時(shí)服務(wù)小區(qū)信號(hào)強(qiáng)度.在僅基于移動(dòng)臺(tái)接收服務(wù)小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度，而不考慮切換遲滯和切換計(jì)時(shí)的移動(dòng)臺(tái)切換算法中，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)入同系統(tǒng)服務(wù)小區(qū)和其鄰小區(qū)的重疊覆蓋區(qū)域時(shí)，由于移動(dòng)臺(tái)從兩個(gè)小區(qū)所接收到的信號(hào)強(qiáng)度非常接近，很容易造成移動(dòng)臺(tái)在兩個(gè)小區(qū)間的乒乓切換，從而使移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載大大增加.為降低乒乓切換影響，當(dāng)前2G/3G移動(dòng)系統(tǒng)一般的做法是提高切換的門(mén)檻條件，即采用切換遲滯的固定計(jì)時(shí)切換算法.這樣，雖然移動(dòng)臺(tái)乒乓切換的機(jī)會(huì)大大減少了，但切換時(shí)移動(dòng)臺(tái)可能已移至離原服務(wù)小區(qū)較遠(yuǎn)的地方，因而使得移動(dòng)臺(tái)發(fā)生切換時(shí)所接收到的原服務(wù)小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度很弱，甚至切換失敗，從而增加了切換掉話率.于是，針對(duì)當(dāng)前各國(guó)正大力推出的4G移動(dòng)系統(tǒng)以及未來(lái)將推出的5G移動(dòng)系統(tǒng)，文章提出了一種切換改進(jìn)算法，即自適應(yīng)計(jì)時(shí)切換算法.自適應(yīng)計(jì)時(shí)切換算法不僅能消除乒乓切換，減少移動(dòng)臺(tái)平均切換次數(shù)，而且移動(dòng)臺(tái)發(fā)生切換時(shí)對(duì)原服務(wù)小區(qū)有較好的平均接收信號(hào)強(qiáng)度，移動(dòng)臺(tái)的切換位置更集中合理，因而自適應(yīng)計(jì)時(shí)切換算法優(yōu)勢(shì)更明顯[1-2].

1 固定計(jì)時(shí)切換算法

1.1 基于固定遲滯的固定計(jì)時(shí)切換算法

固定計(jì)時(shí)切換算法(Fixed Timer Handoff algorithm, FTHO)可用來(lái)降低移動(dòng)臺(tái)的乒乓切換效應(yīng)[3-5].若服務(wù)小區(qū)的切換計(jì)時(shí)器為T(mén)，在第(K-T+1)th時(shí)刻取樣時(shí)，如果移動(dòng)臺(tái)收到鄰小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度比服務(wù)小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度加上遲滯值h還要強(qiáng)，則啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，如果經(jīng)過(guò)連續(xù)T次取樣都滿足此條件，則在第Kth取樣時(shí)刻進(jìn)行切換，切換的判別式：

(1)

圖1 固定計(jì)時(shí)切換算法原理圖Fig.1 Fixed timing switching algorithm schema

切換的原理如圖1所示，即連續(xù)T次取樣判斷式(1)都成立時(shí)才會(huì)進(jìn)行鄰小區(qū)的切換，移動(dòng)臺(tái)才會(huì)從服務(wù)小區(qū)cell1切換到鄰小區(qū)cell2，如果從第(K-T+1)th時(shí)刻取樣開(kāi)始到第Kth取樣時(shí)刻結(jié)束前其中有任何一次從cell2取樣的信號(hào)強(qiáng)度沒(méi)有大于cell1的信號(hào)強(qiáng)度加上遲滯值h時(shí)，計(jì)時(shí)器就會(huì)重新開(kāi)始計(jì)數(shù).

顯然，如果計(jì)時(shí)值T設(shè)置偏大，切換越難，雖然切換次數(shù)減少了，乒乓效應(yīng)也降低了，但是，移動(dòng)臺(tái)可能已移動(dòng)到離服務(wù)小區(qū)cell1偏遠(yuǎn)的地方才發(fā)生切換，此時(shí)移動(dòng)臺(tái)與服務(wù)小區(qū)連接的信號(hào)質(zhì)量已經(jīng)很差.

固定計(jì)時(shí)切換算法程序如下：

(1)移動(dòng)臺(tái)測(cè)量服務(wù)小區(qū)Ps-i和鄰小區(qū)信號(hào)強(qiáng)度Pn-i；

(2)移動(dòng)臺(tái)計(jì)算Pn-i是否大于Ps-i+h，如否，將ii+1轉(zhuǎn)到1，重新測(cè)量；如是，轉(zhuǎn)到3；

(3)啟動(dòng)切換計(jì)時(shí)器T開(kāi)始計(jì)時(shí)，在第(K-T+1)th時(shí)刻取樣開(kāi)始到第Kth時(shí)刻是否有Pn大于Ps+h，如有，則轉(zhuǎn)到1，如否，則轉(zhuǎn)到4;

(4)移動(dòng)臺(tái)切換到鄰小區(qū).

1.2 基于自適應(yīng)遲滯的固定計(jì)時(shí)切換算法

在固定遲滯的FTHO切換算法中[6-9]，由于沒(méi)有靈活考慮移動(dòng)臺(tái)離服務(wù)小區(qū)的距離因素，其切換的遲滯值是不變的，移動(dòng)臺(tái)發(fā)生切換的質(zhì)量仍然不高，于是人們又提出了自適應(yīng)遲滯切換算法(Adaptive Hysteresis Handoff algorithm, AHHO)[10].AHHO切換算法即移動(dòng)臺(tái)根據(jù)其與服務(wù)小區(qū)距離的不同來(lái)改變其實(shí)時(shí)的遲滯值，其實(shí)時(shí)的遲滯值h的計(jì)算公式：

(2)

式中，h表示實(shí)時(shí)的遲滯值;di表示移動(dòng)臺(tái)第i次測(cè)量到的與基站服務(wù)小區(qū)的距離;R表示基站服務(wù)小區(qū)的半徑.從式(2)可看出，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)與服務(wù)小區(qū)的距離較近時(shí)，遲滯值大，切換的概率低;反之，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)與服務(wù)小區(qū)的距離較遠(yuǎn)時(shí)，遲滯值小，切換的概率高.這樣，切換的位置基本上被控制在小區(qū)的邊界.

2 自適應(yīng)計(jì)時(shí)切換算法

自適應(yīng)遲滯固定計(jì)時(shí)切換算法與固定遲滯切換算法相比雖可有效改善移動(dòng)臺(tái)在兩個(gè)小區(qū)邊界處的乒乓切換，但是其切換率仍然過(guò)高，而且當(dāng)移動(dòng)臺(tái)位于3個(gè)小區(qū)的交界處時(shí)，由于移動(dòng)臺(tái)從3個(gè)小區(qū)所收到的信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng)接近，自適應(yīng)遲滯值H接近于0，此時(shí)無(wú)法解決乒乓切換[11-12].而且可能因其固定的切換計(jì)時(shí)偏長(zhǎng)，使得切換時(shí)移動(dòng)臺(tái)接收原服務(wù)小區(qū)的信號(hào)很弱，甚至造成掉話.因此，針對(duì)固定計(jì)時(shí)切換算法仍然存在的缺點(diǎn)，本文提出一種新的切換算法，即自適應(yīng)計(jì)時(shí)切換算法(AdaptiveTimerHandoffalgorithm，ATHO).

ATHO切換算法基本原理如下：當(dāng)移動(dòng)臺(tái)離服務(wù)小區(qū)越近，移動(dòng)臺(tái)接收原服務(wù)小區(qū)的信號(hào)越強(qiáng)，所計(jì)算出的切換計(jì)時(shí)值T越大，切換的幾率就越低；反之，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)離服務(wù)小區(qū)越遠(yuǎn)，所計(jì)算的計(jì)時(shí)值T越小，切換的幾率就越高.

ATHO切換算法的切換判斷式同式(1)，但是其計(jì)時(shí)T會(huì)隨著移動(dòng)臺(tái)與服務(wù)小區(qū)之間距離的變化而變化，其計(jì)時(shí)T計(jì)算公式為：

(3)

式中，round為四舍五入函數(shù);max為對(duì)括號(hào)內(nèi)的兩值取較大值函數(shù);di為移動(dòng)臺(tái)第i次測(cè)量點(diǎn)與服務(wù)小區(qū)的距離，是T計(jì)算公式中唯一的變量;rank,ram和p均為可變常數(shù)，其中rank為對(duì)應(yīng)切換計(jì)時(shí)的最大值，ram為切換計(jì)時(shí)變?yōu)?時(shí)移動(dòng)臺(tái)離服務(wù)小區(qū)的對(duì)應(yīng)最小距離，p為距離相對(duì)比指數(shù)，3個(gè)常數(shù)變化對(duì)切換計(jì)時(shí)T的影響如圖2所示.

(a)ram=1 350，p=8時(shí)rank變化對(duì)計(jì)時(shí)T的影響

(b)rank=70，p=8時(shí)ram變化對(duì)計(jì)時(shí)T的影響 (c)rank=70，ram=1 350時(shí)p變化對(duì)計(jì)時(shí)T的影響圖2 自適應(yīng)計(jì)時(shí)切換rank，ram，p常數(shù)變化對(duì)計(jì)時(shí)T的影響Fig.2 Adaptive timing switch rank, ram, P changes in the timing of the impact of T

由圖2(a)可知，rank在di較小時(shí)對(duì)T的影響較大，且rank越大，計(jì)時(shí)值T越大，rank決定了di等于0時(shí)T的最大值.隨著di增大，不管rank為多少，T都會(huì)減小，最終T都會(huì)在di等于ram時(shí)下降到1，圖中由于ram設(shè)為1 350，所以圖中的3條線的T都會(huì)在di等于1 350時(shí)下降到1.由圖2(b)可知，隨著di增大，不管ram為多少，T都會(huì)減小，而最后T都會(huì)在di等于ram時(shí)下降到1.而且，當(dāng)di較小時(shí)，ram變化對(duì)T的影響較小，當(dāng)di較大時(shí)，ram變化對(duì)T的影響較大，但在di很大時(shí)，ram變化對(duì)T的影響消失.同時(shí)還可以看出，ram越大，T會(huì)在di越大時(shí)下降到1，如圖中ram=1 400的曲線，其T會(huì)在di為1 400時(shí)下降到1，并且當(dāng)di大于1 400時(shí)，T會(huì)保持為1.由圖2(c)可知，p決定了曲線的垂直程度，p值越大則曲線越垂直，圖中由于ram=1 350，其T值都會(huì)在di等于1350時(shí)下降到1.因此，3個(gè)常量rank,ram和p變化情況下計(jì)時(shí)T都會(huì)隨著di增大而減少.

3 不同切換算法性能仿真比較

3.1 仿真條件設(shè)置

為比較不同水平切換算法切換性能好壞，假設(shè)移動(dòng)臺(tái)每次都是從cell1服務(wù)小區(qū)位置出發(fā)，向cell2勻速直線前進(jìn)，通過(guò)電腦多次模擬仿真來(lái)統(tǒng)計(jì)平均切換次數(shù)、切換時(shí)移動(dòng)臺(tái)接收cell1的平均信號(hào)強(qiáng)度、第一次切換時(shí)離cell1的平均距離來(lái)做比較分析.

移動(dòng)臺(tái)從cell1和cell2小區(qū)接收到的信號(hào)強(qiáng)度公式分別為：

RSScell1=K1-10×K2×log(di)+￡i，

(4)

RSScell2=K1-10×K2×log(D-di)+￡i，

(5)

在式(4)和式(5)中K1表示基站發(fā)射功率；K2表示路徑損耗指數(shù)；D表示cell1與cell2間的距離；di表示移動(dòng)臺(tái)在第i次取樣時(shí)與cell1的距離；￡i表示第i次取樣時(shí)陰影效應(yīng)對(duì)移動(dòng)臺(tái)信號(hào)強(qiáng)度影響.

具體仿真條件如表1所示.

表1 系統(tǒng)模擬仿真參數(shù)表

3.2 自適應(yīng)計(jì)時(shí)切換算法rank,ram,p常數(shù)變化對(duì)切換位置的影響

圖3是自適應(yīng)計(jì)時(shí)切換算法rank,ram,p常數(shù)變化對(duì)切換位置影響情況圖.

(a)p=8，ram=1 350時(shí)rank變化對(duì)切換位置的影響

(b)p=8,rank=70時(shí)ram對(duì)切換位置的影響 (c)rank=70,ram=1 350時(shí)p對(duì)切換位置的影響圖3 rank，ram和p常數(shù)變化對(duì)切換位置影響的幾率累積分布函數(shù)Fig.3 Probability cumulative distribution function of rank, ram, p constant variation on switching position

圖3(a～c)分別為rank,ram及p3個(gè)參數(shù)變化對(duì)切換位置影響的幾率累積分布函數(shù).由圖3(a)可知，rank越大，切換的位置幾率累積分布曲線越接近c(diǎn)ell2，即切換的位置會(huì)離服務(wù)小區(qū)cell1越遠(yuǎn)，這是因?yàn)楫?dāng)di小于或等于ram時(shí)，rank越大，T越大所造成.從圖3(b)可看出，當(dāng)di較小時(shí)，由于ram對(duì)T的影響較小，所以圖中的3條線很接近.但是，隨著di增加，ram對(duì)T的影響才逐漸明顯，此時(shí)ram越大，切換的位置幾率累積分布越接近c(diǎn)ell2，也是因?yàn)閞am越大，T越大所造成.從圖3(c)可知，當(dāng)p增加時(shí)，切換位置的幾率累積分布曲線斜率上升，即曲線更接近垂直.同樣可看出，p值越大，切換的位置幾率累積分布越接近c(diǎn)ell2，且切換位置越集中.但是，會(huì)使得移動(dòng)臺(tái)的切換跟接收信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系變小，影響切換判斷的依據(jù)反而變成di，那么基于信號(hào)強(qiáng)度的水平切換就會(huì)變成基于位置判斷的水平切換.

3.3 固定計(jì)時(shí)和自適應(yīng)計(jì)時(shí)切換算法對(duì)切換幾率密度分布、切換累積幾率分布影響比較

在圖4和圖5中，比較了T=5及T=10時(shí)的FTHO算法和ATHO算法的切換幾率密度分布和切換累積幾率分布情況，其中ATHO算法所采用的參數(shù)T為式(6)中所對(duì)應(yīng).

(6)

由于di切換幾率大多集中在800～1 400 m，因此兩圖都只選擇800～1 400 m距離來(lái)觀察切換幾率.且兩圖中所用自適應(yīng)遲滯切換所用的遲滯值h都使用式(1)計(jì)算，以此來(lái)觀察不同切換算法的幾率分布情況.

圖4 切換幾率密度分布(PDF)比較 圖5 切換累積幾率分布(CDF)比較Fig.4 Comparison of switching probability density distribution (PDF) Fig.5 Comparison of switching cumulative probability distribution (CDF)

從圖4和圖5可看出，移動(dòng)臺(tái)大約在距離服務(wù)小區(qū)1 000～1 150 m間切換.當(dāng)采用FTHO,且T=5時(shí)，由于計(jì)時(shí)較小，圖中的切換幾率會(huì)相對(duì)偏向于cell1，也就是比較早切換.太早切換雖然切換時(shí)服務(wù)小區(qū)的信號(hào)比較強(qiáng)，但容易造成乒乓效應(yīng).當(dāng)T=10時(shí)，由于計(jì)時(shí)變大，圖中的切換幾率會(huì)偏向于cell2，也就是比較晚切換.太晚切換雖然可降低乒乓切換次數(shù)，但會(huì)降低切換時(shí)服務(wù)小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度.相比FTHO，ATHO切換算法能更有效地將切換位置控制在此范圍的一個(gè)小區(qū)域內(nèi)，既達(dá)到了降低乒乓效應(yīng)，又兼顧了切換時(shí)原服務(wù)小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度.

3.4 不同切換算法平均切換次數(shù)、切換時(shí)信號(hào)強(qiáng)度及切換位置比較

表2和表3為采用ATHO與FTHO切換算法在不同遲滯值時(shí)的切換次數(shù)和接收信號(hào)強(qiáng)度仿真性能比較.很顯然，采用FTHO算法，當(dāng)遲滯值增加，在減少平均切換次數(shù)的同時(shí)，也會(huì)降低切換時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度，所以選擇遲滯值時(shí)也有一定的取舍.而通過(guò)比較FTHO切換算法在T=5和T=10時(shí)的性能可知，固定計(jì)時(shí)值大時(shí)，雖然可減少平均切換次數(shù)，但切換時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度卻降低了.反之,固定計(jì)時(shí)值較小時(shí),雖然切換次數(shù)多，但切換時(shí)信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng).而采用ATHO切換算法，隨著移動(dòng)臺(tái)與服務(wù)小區(qū)的距離越遠(yuǎn)，計(jì)時(shí)值降低，將切換的幾率集中在兩個(gè)小區(qū)的交界或服務(wù)小區(qū)的邊界.由數(shù)值顯示，在平均切換次數(shù)及切換時(shí)信號(hào)強(qiáng)度方面都優(yōu)于T取不同值時(shí)的FTHO切換算法.

表2 平均切換次數(shù)比較

表3 切換時(shí)信號(hào)強(qiáng)度(dBm)比較

表4為采用ATHO切換算法和FTHO切換算法在不同遲滯值時(shí)，其第一次切換位置的仿真性能比較.從表4可看出，當(dāng)遲滯值h越大時(shí)，切換的位置距離cell1越遠(yuǎn)，當(dāng)比較兩個(gè)固定計(jì)時(shí)值時(shí)，T越大，則切換時(shí)離cell1的距離會(huì)越遠(yuǎn).觀察T為5時(shí)的FTHO情況，當(dāng)遲滯值h小于4 dBm時(shí)，平均切換位置比ATHO的切換位置更接近于cell1，但當(dāng)遲滯值h大于或等于4 dBm時(shí)，其切換時(shí)比ATHO距離cell1更遠(yuǎn)了；而當(dāng)T為10時(shí)的FTHO情況，則在遲滯值h大于或等于1 dBm時(shí)，移動(dòng)臺(tái)切換時(shí)離cell1的距離就超過(guò)了采用ATHO切換算法時(shí)的距離.

表4 切換位置(m)比較

所以對(duì)于FTHO切換算法，切換的位置比較容易受到遲滯值h的影響，切換幾率的分布也比較廣；而對(duì)于ATHO切換算法，切換幾率較集中于兩個(gè)小區(qū)的交界與cell1的邊界中，所以切換的位置較不容易受遲滯值影響，也因?yàn)榍袚Q位置幾率較集中，所以有時(shí)候雖然平均切換距離較遠(yuǎn)，但仍可得到較強(qiáng)的切換平均信號(hào)強(qiáng)度.

表2～表4的仿真結(jié)果證明：采用ATHO切換算法能夠?qū)⑶袚Q幾率集中在兩個(gè)小區(qū)交界到服務(wù)區(qū)的邊界，改善采用FTHO切換算法所造成的切換時(shí)接收服務(wù)小區(qū)信號(hào)強(qiáng)度差的缺點(diǎn).

表5為使用自適應(yīng)遲滯，不使用計(jì)時(shí)、使用固定計(jì)時(shí)與自適應(yīng)計(jì)時(shí)的切換性能仿真比較.由表5可見(jiàn)，只使用自適應(yīng)遲滯加平均濾波器，雖然切換時(shí)信號(hào)強(qiáng)度比固定計(jì)時(shí)時(shí)強(qiáng)，且第一次切換更靠近c(diǎn)ell1小區(qū)，但是平均切換次數(shù)卻高于固定計(jì)時(shí)切換.這是因?yàn)楣潭ㄓ?jì)時(shí)切換算法需要經(jīng)過(guò)多次的取樣判斷才會(huì)進(jìn)行切換，比起使用平均濾波器不使用計(jì)時(shí)的自適應(yīng)遲滯切換算法，更可降低乒乓效應(yīng)，減少切換次數(shù).但是計(jì)時(shí)切換算法移動(dòng)臺(tái)切換時(shí)平均信號(hào)強(qiáng)度卻比較低，所以當(dāng)使用固定計(jì)時(shí)算法，計(jì)時(shí)值的大小就有所取舍.仿真結(jié)果也證實(shí)自適應(yīng)性計(jì)時(shí)切換算法改善了這個(gè)缺點(diǎn)，不僅消除了乒乓效應(yīng)，也使得切換時(shí)擁有較好的信號(hào)強(qiáng)度.

表5 自適應(yīng)遲滯與不同計(jì)時(shí)切換的性能比較

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)仿真比較了固定計(jì)時(shí)切換和自適應(yīng)計(jì)時(shí)切換兩種切換算法情況下移動(dòng)臺(tái)切換幾率密度分布、切換累積幾率分布、平均切換次數(shù)、切換位置、切換時(shí)平均信號(hào)強(qiáng)度等方面的性能差異，得出了自適應(yīng)計(jì)時(shí)切換算法較固定計(jì)時(shí)切換算法的平均切換次數(shù)少、切換位置更集中合理、切換時(shí)平均信號(hào)強(qiáng)度強(qiáng)，總體性能更優(yōu)越.

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(編輯 CXM)

An Adaptive Timer Handoff Algorithm Based on Handoff Hysteresis in LTE

HUXia*

(Hunan Post and Telecommunication Vocational College, Changsha 410015, China)

An adaptive timer handoff algorithm with respect to the shortcoming of fixed timer handoff algorithm in LTE was proposed. In the algorithm, the real-time handoff timer valueTwas calculated based on the distancedibetween current mobile station and original serving cell as well as three constant variables:rank,ramandp, thus changing the handoff waiting time in real time. The simulation results showed that the handoff occurs only when the mobile station needs to move to a far position from the original serving cell in the fixed timer handoff algorithm and larger set timer valueT, and the strength of signals

by the mobile station in the original serving cell is poor; however, in the adaptive timer handoff algorithm, the ping-pong effect can be eliminated, the average handoff times are reduced, the mean strength of signals at handoff is better, the handoff position concentrates rationally and the overall performance reaches to the optimal effect.

LTE; adaptive; timer; horizontal handoff; handoff hysteresis

10.7612/j.issn.1000-2537.2017.04.012

2017-03-08

湖南省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題(ZJK016CZY065)

TP393.09

A

1000-2537(2017)04-0068-07

*通訊作者,E-mail：178839185@qq.com