陳永，牛凱玉

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

鐵路長(zhǎng)期演進(jìn)(Long-Term Evolution for Rail‐way,LTE-R)是我國(guó)下一代高速鐵路無線通信系統(tǒng)，LTE-R具有承載業(yè)務(wù)廣、可靠性、強(qiáng)移動(dòng)接入、低時(shí)延等優(yōu)點(diǎn)[1]。越區(qū)切換作為L(zhǎng)TE-R高可信通信的關(guān)鍵技術(shù)，一旦越區(qū)切換失敗便會(huì)給高速鐵路行車帶來嚴(yán)重的隱患[2]。隨著高速列車不斷提速，越區(qū)切換將會(huì)更加頻繁，如何提高越區(qū)切換成功率是亟需解決的關(guān)鍵問題。陳永剛等[3]針對(duì)傳統(tǒng)A 3越區(qū)切換算法采用固定切換門限的問題，提出了基于動(dòng)態(tài)函數(shù)的切換算法，遲滯門限根據(jù)列車車速進(jìn)行調(diào)整，但該方法存在控制參數(shù)取值為定值的問題，無法做到自適應(yīng)切換。YU等[4]提出了一種在車頭和車尾安裝雙天線，采用雙播機(jī)制的切換方案，提高了切換的成功率，但該方法存在硬件設(shè)備過多以及通信開銷較大的問題。李立華[5]提出了一種基于隨機(jī)抑制的聯(lián)合判決切換算法，綜合考慮參考信號(hào)接收功率(Reference Signal Re‐ceived Power,RSRP)和參考信息接收質(zhì)量(Reference Signal Received Quality,RSRQ)來進(jìn)行切換，但存在切換門限值固定的問題。DA等[6]針對(duì)密集小區(qū)提出了一種基于模糊邏輯的切換方案，利用用戶速度和無線電信道質(zhì)量來適應(yīng)切換決策的遲滯門限，但該方法不適合高速運(yùn)行環(huán)境。SAEED等[7]利用模糊邏輯技術(shù)根據(jù)平均切換次數(shù)、系統(tǒng)吞吐量和用戶設(shè)備速度(120 km/h以下)來自適應(yīng)選取遲滯門限，但該方法同樣不適合高速行車條件。綜上，針對(duì)目前越區(qū)切換算法存在切換遲滯參數(shù)固定導(dǎo)致切換成功率低，以及無法適應(yīng)高速行車環(huán)境的問題，提出了一種基于模糊邏輯的LTE-R自適應(yīng)越區(qū)切換算法。在越區(qū)切換算法中引入模糊邏輯推理機(jī)制，根據(jù)列車速度、RSRP和RSRQ來對(duì)遲滯門限進(jìn)行動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)整優(yōu)化。同時(shí)選取不同因素的組合對(duì)越區(qū)切換自適應(yīng)優(yōu)化算法進(jìn)行對(duì)比仿真分析。結(jié)果表明，所提出的基于模糊邏輯的LTE-R自適應(yīng)切換優(yōu)化算法相比于傳統(tǒng)A 3切換算法，可以有效提高切換成功率，并且可以降低乒乓切換率。最后得到了在不同重疊區(qū)切換時(shí)的推薦切換選擇方案，研究結(jié)果為列車提速及LTE-R演進(jìn)提供一定的理論參考依據(jù)。

1 越區(qū)切換基礎(chǔ)理論

1.1 越區(qū)切換

越區(qū)切換(Handover)是指列車行駛過程中移出當(dāng)前服務(wù)基站范圍或因當(dāng)前小區(qū)信號(hào)質(zhì)量不能滿足通信需求，而連接至相鄰基站小區(qū)的過程[5]，如圖1為高速鐵路越區(qū)切換示意圖。鐵路沿線無線信號(hào)呈鏈狀分布，相鄰基站(eNodeB)之間存在信號(hào)覆蓋重疊區(qū)，列車進(jìn)入信號(hào)覆蓋重疊區(qū)越區(qū)切換時(shí)時(shí)需要斷開與當(dāng)前小區(qū)的連接，并與目標(biāo)小區(qū)建立連接。

圖1 高速鐵路越區(qū)切換示意圖Fig.1 Schematic diagram of high-speed railway handover

1.2 傳統(tǒng)A3事件越區(qū)切換算法

LTE-R系統(tǒng)切換過程最常用的算法是基于A3事件的越區(qū)切換算法[8]。其核心思想是對(duì)源小區(qū)和目標(biāo)小區(qū)的信號(hào)接收功率RSRP或參考信號(hào)接收質(zhì)量RSRQ進(jìn)行周期性測(cè)量，如果滿足式(1)，即當(dāng)目標(biāo)小區(qū)的RSRP比源小區(qū)的RSRP值高出Hys時(shí)，在觸發(fā)時(shí)延TTT后，UE則執(zhí)行越區(qū)切換，如圖2所示。A3事件的觸發(fā)條件：

圖2 A3算法示意圖Fig.2 Diagram of A3 algorithm

其中：M t和Ms分別為目標(biāo)小區(qū)和源小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度；Hys為遲滯門限。

2 基于模糊邏輯的LTE-R自適應(yīng)切換優(yōu)化算法

針對(duì)A3算法在觸發(fā)判斷時(shí)遲滯門限值固定，無法適應(yīng)高速環(huán)境這一問題，本文提出一種基于模糊邏輯的LTE-R自適應(yīng)切換優(yōu)化算法。模糊邏輯是一種以模糊多值邏輯為基礎(chǔ)的不確定性推理方法，可廣泛用于非線性、不確定性知識(shí)決策推理中[9-10]。在LTE-R越區(qū)切換過程中，列車在高速運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，易受到無線信道RSRP，RSRQ以及列車運(yùn)行速度等因素的影響，需要綜合分析多種因素后才能進(jìn)行合理的切換判決，因此本文采用模糊邏輯來對(duì)遲滯門限值進(jìn)行優(yōu)化。首先將切換測(cè)量選取的切換指標(biāo)進(jìn)行模糊化處理，再根據(jù)規(guī)則庫(kù)中所設(shè)定的規(guī)則以及隸屬度函數(shù)進(jìn)行模糊推理，將推理的結(jié)果輸出即優(yōu)化后的遲滯門限，最后使用優(yōu)化的遲滯門限進(jìn)行切換執(zhí)行。

2.1 切換指標(biāo)的模糊化

越區(qū)切換中的切換判決算法根據(jù)UE發(fā)送的測(cè)量報(bào)告決定是否切換，對(duì)于LTE-R網(wǎng)絡(luò)來說，目標(biāo)基站的參考信號(hào)接收功率RSRP和質(zhì)量RSRQ是切換判決重要的因素，該類測(cè)量值是物理層測(cè)量的關(guān)鍵參數(shù)[11]。同時(shí)高速列車速度也是影響切換成功率的關(guān)鍵因素[2]。

本文選取測(cè)量報(bào)告中的參考信號(hào)接收功率RSRP，參考信號(hào)接收質(zhì)量RSRQ，列車速度v作為優(yōu)化遲滯門限的因素。圖3為本文算法流程圖，首先將RSRP，RSRQ和v輸入系統(tǒng)進(jìn)行模糊化處理，然后根據(jù)模糊規(guī)則以及隸屬度函數(shù)進(jìn)行模糊推理，最后將結(jié)果去模糊化后，輸出優(yōu)化后的切換遲滯門限值。

圖3 模糊邏輯LTE-R自適應(yīng)切換流程圖Fig.3 Fuzzy logic LTE-R adaptive handover flow chart

2.2 模糊集合與隸屬度函數(shù)

模糊集合是指具有某個(gè)模糊概念所描述屬性的對(duì)象全體。通過隸屬度函數(shù)可以將本文RSRP，RSRQ和列車車速v映射到模糊集合中，本文使用單側(cè)梯形隸屬度函數(shù)和三角形隸屬度函數(shù)[12-13]。

設(shè)PA是列車測(cè)量到的基站的RSRP，QA是列車測(cè)量到的RSRQ，VA是列車當(dāng)前的速度?；続即可用三維矢量模型表示：

同時(shí)使用L(低)，M(中)，H(高)來模糊表示三維模型中的參數(shù)。從而RSRP，RSRQ和v的隸屬度函數(shù)，如圖4所示。

圖4 各變量模糊集隸屬度函數(shù)Fig.4 Membership function graph of variable fuzzy sets

同時(shí)，對(duì)模糊邏輯的輸出即切換的遲滯門限也定義相應(yīng)的隸屬度函數(shù)，如圖5所示，并將遲滯門限定義5個(gè)等級(jí)即L(低)、PL(較低)、M(中等)、PM(較高)和H(高)。

圖5 遲滯門限隸屬度函數(shù)Fig.5 Hysteresis thresholdmembership function

2.3 模糊規(guī)則的生成

在定義完LTE-R模糊切換變量后，進(jìn)行模糊切換規(guī)則的生成。規(guī)則庫(kù)包含系統(tǒng)輸入和輸出之間的所有可能的關(guān)系。根據(jù)RSRP，RSRQ和v3個(gè)模糊變量，且每個(gè)變量都有L，M，H 3個(gè)模糊值，所以共有33=27條規(guī)則，規(guī)則制定考慮了以下原因：

1)RSRP表示接收到來自基站的特定參考信號(hào)功率的線性平均值，該值反映了特定位置接收到的信號(hào)強(qiáng)度大小[11]。列車接收到RSRP與基站位置之間的關(guān)系，如圖6所示。從圖中可以看出，如果列車接收到目標(biāo)基站的RSRP的值較低時(shí)，說明此時(shí)不適合切換，需要提高遲滯門限Hys來抑制切換。相反，如果RSRP值較高，證明此時(shí)距離目標(biāo)基站近，應(yīng)適當(dāng)下調(diào)遲滯門限Hys來提前觸發(fā)切換。

圖6 列車行駛過程中RSRP對(duì)比Fig.6 RSRPcomparison chartduring train running

2)RSRQ是一種信干噪比，用來指示接收信號(hào)質(zhì)量[5]。RSRQ能夠客觀反映信道的負(fù)載情況及信道質(zhì)量[8]。如果列車接收到目標(biāo)小區(qū)的RSRQ的值較低，說明此時(shí)列車與目標(biāo)基站之間的信道環(huán)境較差，不易進(jìn)行切換，此時(shí)需要增大切換的難度即輸出較大的遲滯門限。當(dāng)RSRQ值較高時(shí)，證明此時(shí)與目標(biāo)基站之間的信道環(huán)境良好，適合進(jìn)行切換，則降低切換難度即輸出較小的遲滯門限。

3)列車在高速環(huán)境下，越區(qū)切換成功率與列車車速有密切關(guān)系[3]。如果列車的移動(dòng)速度較低時(shí)，在切換重疊區(qū)有足夠的時(shí)間來進(jìn)行切換，此時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高遲滯門限來保證切換的質(zhì)量以及防止乒乓切換的發(fā)生，相反，當(dāng)列車高速行駛時(shí)，在重疊區(qū)停留的時(shí)間較短，在保證最低通信需求的條件下，可以適當(dāng)減小切換觸發(fā)門限以及時(shí)觸發(fā)切換。

綜合上述原因，本文模糊推理規(guī)則如表1所示。

表1 LTE-R模糊切換規(guī)則庫(kù)Table 1 Fuzzy system rule base

2.4 模糊邏輯推理

在推理時(shí)，首先利用模糊蘊(yùn)涵算子對(duì)每條模糊切換規(guī)則的前提計(jì)算隸屬度，然后得到相應(yīng)的推理結(jié)果。如果多條規(guī)則推導(dǎo)出同一結(jié)論，再利用模糊算子將每個(gè)規(guī)則的輸出合成為一個(gè)單一的模糊集，最后得到合成后的激活隸屬函數(shù)，輸出如下：

在采用模糊推理規(guī)則推理后，為了得到相應(yīng)的越區(qū)切換遲滯門限Hys需要進(jìn)行去模糊化操作。采用重心法去模糊化[6]，即將隸屬度函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)圍成面積的重心，作為最終遲滯門限值輸出。

3 切換算法性能指標(biāo)

為了驗(yàn)證本文算法的性能，通過乒乓切換和越區(qū)切換成功率作為性能度量指標(biāo)。

3.1 乒乓切換

乒乓切換是指移動(dòng)終端在服務(wù)小區(qū)和相鄰小區(qū)來回進(jìn)行切換的現(xiàn)象[14]。當(dāng)列車切換至目標(biāo)eNodeB基站后，如果此時(shí)源基站的信號(hào)強(qiáng)度與目標(biāo)基站的信號(hào)強(qiáng)度在遲滯時(shí)間內(nèi)滿足式(3)時(shí)，則觸發(fā)乒乓切換

其中：PSa和PSb分別為列車接收到源小區(qū)與目標(biāo)小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度。

3.2 越區(qū)切換成功率

如果列車經(jīng)過觸發(fā)時(shí)延TTT后仍滿足切換條件，則列車執(zhí)行越區(qū)切換。一般情況下，切換成功率是指以滿足以下條件時(shí)的概率，即列車在觸發(fā)切換之前沒有發(fā)生通信中斷，以及成功執(zhí)行切換完成后也沒有發(fā)生通信中斷的概率[11]。其中通信中斷表示為接受的信號(hào)質(zhì)量較差而發(fā)生通信中斷[15]。假設(shè)基站的信噪比門限值為?，如果接受到信號(hào)質(zhì)量小于?則發(fā)生通信中斷，中斷概率計(jì)算如下

式中：SQ為列車接收到當(dāng)前服務(wù)小區(qū)的信號(hào)質(zhì)量；I為同頻基站的干擾信號(hào)強(qiáng)度；σn為陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)差，則切換成功率定義為

4 仿真驗(yàn)證

4.1 仿真參數(shù)設(shè)置

為了驗(yàn)證本文方法的有效性，采用Matlab仿真工具進(jìn)行仿真分析。信道損耗模型采用COST-231-Hata模型[16]，表2為仿真參數(shù)配置。

表2 仿真參數(shù)Tab le 2 Simulation parameters

4.2 遲滯門限優(yōu)化

為了說明本文方法對(duì)于遲滯門限動(dòng)態(tài)調(diào)整的有效性，使用Matlab仿真軟件的Fuzzy工具箱進(jìn)行仿真分析。將列車速度v，RSRP和RSRQ作為模型的輸入值，遲滯門限Hys為輸出值。對(duì)輸入輸出參數(shù)定義隸屬度函數(shù)，將本文LTE-R模糊切換規(guī)則填入Fuzzy工具箱規(guī)則庫(kù)，修改參數(shù)的隸屬度，對(duì)應(yīng)的遲滯門限隸屬度也會(huì)發(fā)生變動(dòng)，其規(guī)則仿真生成的曲面截圖如圖7所示。

圖7 規(guī)則仿真生成的曲面截圖Fig.7 Surface generated by regular simulation

此外，還可以得到車速v，RSRP和RSRQ各個(gè)因素對(duì)遲滯門限的影響，如圖8～10所示。圖8中橫軸為速度，縱軸為遲滯門限，可以看出隨著車速增加，其對(duì)應(yīng)的門限值減小，這是因?yàn)楫?dāng)車速較高時(shí)，在越區(qū)切換重疊區(qū)停留時(shí)間較短，為了保證及時(shí)觸發(fā)切換，防止通信中斷，一般選擇較小的遲滯門限[11]。該結(jié)論與文獻(xiàn)[3]采用基于動(dòng)態(tài)函數(shù)的越區(qū)切換算法所得結(jié)論相一致，即隨著車速的增加，切換遲滯門限反而降低，從而說明了本文方法的有效性。圖9和圖10也同樣定量得到了RSRP，RSRQ與切換遲滯之間的關(guān)系。

圖8 速度對(duì)遲滯門限的影響Fig.8 Influence of velocity on hysteresis threshold

圖9 RSRP對(duì)遲滯門限的影響Fig.9 Influence of RSRPon hysteresis threshold

圖10 RSRQ對(duì)遲滯門限的影響Fig.10 Influence of RSRQ on hysteresis threshold

4.3 仿真結(jié)果與分析

下面進(jìn)行越區(qū)切換成功率比較，通過更改RSRP，RSRQ和v模糊變量的不同參數(shù)組合，與傳統(tǒng)的A3算法進(jìn)行對(duì)比分析。選取RSRP-RSRQ，RSRP-V，RSRQ-V和RSRP-RSRQ-V 4種組合作為模糊系統(tǒng)的輸入，并將這4種優(yōu)化算法的切換成功率和乒乓切換率與傳統(tǒng)A3算法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖11所示。可以看出，采用本文方法模糊邏輯優(yōu)化后的4種越區(qū)切換算法成功率均高于傳統(tǒng)A3切換算法，從而說明本文方法可以較好地解決A3算法切換遲滯門限值固定而導(dǎo)致切換成功率較低的問題。此外，從圖中可以看出，隨著x軸的增加，即列車距離源基站越來越遠(yuǎn)，越區(qū)切換成功率也逐步增大，這是因?yàn)殡S著列車的運(yùn)行，列車逐步遠(yuǎn)離源基站而靠近目標(biāo)基站，此時(shí)目標(biāo)基站的RSRP和RSRQ等服務(wù)質(zhì)量明顯提升，從而越區(qū)切換成功率逐步提高，該結(jié)論與文獻(xiàn)[11]采用波束賦形的速度自適應(yīng)越區(qū)切換算法研究結(jié)論相一致，從而進(jìn)一步說明了本文方法的有效性。

圖11 越區(qū)切換成功率對(duì)比Fig.11 Comparison chartof handover success rate

為了進(jìn)一步細(xì)化不同因素對(duì)越區(qū)切換成功率的比較，分別選擇越區(qū)切換重疊區(qū)中心點(diǎn)附近及重疊區(qū)后半?yún)^(qū)域進(jìn)行切換成功率比較。對(duì)距源基站1.9 km即重疊區(qū)中點(diǎn)附近處，不同因素組合的優(yōu)化算法切換成功率進(jìn)行比較，如圖12所示。可以看出，在重疊區(qū)中點(diǎn)附近，采用RSRP，RSRQ和速度v共同優(yōu)化的切換算法成功率最高。這是因?yàn)樵谥丿B區(qū)中點(diǎn)附近，列車接收到源基站和目標(biāo)基站的信號(hào)強(qiáng)度基本相同，而此時(shí)容易受到多普勒頻移的影響，多普勒頻移會(huì)降低LTE-R無線通信系統(tǒng)的信號(hào)接收性能[17]。而速度是影響多普勒效應(yīng)的關(guān)鍵因素[2,18]，此時(shí)因綜合考慮了RSRPRSRQ-V三者的影響，能夠有效降低速度對(duì)切換成功率的影響，從而提高越區(qū)切換成功率。

圖12 重疊區(qū)中點(diǎn)越區(qū)切換成功率對(duì)比Fig.12 Comparison chartof handover success rate of m idpoint in overlap area

重疊區(qū)后半?yún)^(qū)域切換成功率比較，如圖13所示。圖中可以看出，根據(jù)RSRP和RSRQ優(yōu)化切換成功率高于考慮速度因素的其他3種越區(qū)切換算法成功率。這是因?yàn)樵谥丿B區(qū)后半部分，列車遠(yuǎn)離源基站，此時(shí)多普勒頻移對(duì)列車越區(qū)切換造成的信號(hào)波動(dòng)逐步減小，即速度對(duì)越區(qū)切換成功率的影響隨著距離源基站距離的增加而逐步減小，所以基于RSRP-RSRQ算法在重疊區(qū)后半部分切換效果最好，該區(qū)域推薦選擇該種切換方式。

圖13 重疊區(qū)后半部分越區(qū)切換成功率對(duì)比Fig.13 Comparison of handover success rate of the second half of the overlap area

最后，進(jìn)行乒乓切換率比較分析，結(jié)果如圖14所示。在越區(qū)切換評(píng)價(jià)指標(biāo)中，乒乓切換率越低越好[19]。可以看出，采用本文算法得到的乒乓切換率均遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)算法A3算法。傳統(tǒng)算法乒乓切換率最高達(dá)到1.4%，而在相同位置根據(jù)模糊邏輯優(yōu)化后的算法乒乓切換率在0.7%以下。圖15為乒乓切換對(duì)比圖的局部放大圖，其中采用根據(jù)RSRPRSRQ優(yōu)化的門限的算法相比于其他組算法乒乓切換率最低。

圖14 越區(qū)切換乒乓切換率對(duì)比Fig.14 Comparison chartof Ping-Pang handover rate

圖15 越區(qū)切換乒乓切換率局部對(duì)比Fig.15 Local comparison chartof Ping-Pang handover rate

5 結(jié)論

1)針對(duì)高速鐵路傳統(tǒng)切換算法采用固定門限造成切換成功率低的問題，提出一種基于模糊邏輯的LTE-R自適應(yīng)越區(qū)切換算法，利用列車速度、參考信號(hào)接收功率和參考信號(hào)接收質(zhì)量對(duì)遲滯門限進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化，最后采用Matlab仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文方法對(duì)LTE-R越區(qū)切換的有效性。

2)本文方法在切換成功率和乒乓切換率定量評(píng)價(jià)方面都優(yōu)于傳統(tǒng)A3越區(qū)切換算法，克服了傳統(tǒng)方法切換參數(shù)固定無法適應(yīng)多變高速鐵路運(yùn)行環(huán)境的問題。

3)在列車距源基站重疊區(qū)中點(diǎn)附近，綜合考慮RSRP，RSRQ和車速的優(yōu)化算法的切換成功率最高；而在重疊區(qū)后半部分，推薦采用RSRP和RSRQ綜合的切換算法，其成功率較高，同時(shí)可以降低乒乓切換率。研究結(jié)果可以為高速鐵路列車提速及LTE-R演進(jìn)提供一定的理論參考依據(jù)。