高速移动场景中对切换改进方案的研究*

张君怡，仇润鹤

（1.东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620；2.数字化纺织服装技术教育部工程研究中心，上海 201620）

0 引 言

在未来的5G无线通信系统中，很多的基础需求需要被很好地满足，包括高移动性、低延时性、高数据传输率以及低能量消耗等。高移动场景下的无线通信吸引了越来越多的关注，因为高铁的快速发展提供了人们很大的方便，越来越多的人也更加倾向选择高铁作为交通工具，导致人们对高铁系统宽带无线服务的要求直线上升。

为了满足这些要求，需要克服三个主要的问题：（1）由于车厢的材质，无线信号会面对巨大的穿透损耗，那么乘客处的接收信号质量就会大幅度降低；（2）由于严重的多普勒影响，列车和基站之间的同步变得很困难；（3）由于列车快速的移动速度，切换触发变得很频繁，高的切换失败概率严重影响用户的通信体验。

无线移动系统下有两种已知的切换策略——软切换和硬切换。在3G系统网络中，软切换和硬切换都可以被采用来支持用户的移动性。然而，在4G网络中，不再使用软切换，主要原因是4G网络采用的是正交频分多址OFDMA，也就是两个相邻的基站分配了正交的子通道，用户在切换过程中不允许同时占用两个不同的基站。在未来的5G网络里，硬切换将会作为最重要的切换策略之一。对于硬切换，移动列车首先要断开当前与服务基站的连接，之后再和目标基站建立一个新的连接。如果和目标基站的连接建立失败，切换也就失败了。因此，如何获得更高的切换成功率，直接影响高铁下的通信质量。

迄今为止，有较多的研究针对高铁场景下的切换。为了减小切换失败概率，重点在于如何改善无线电条件，如接收信号强度RSS。为了改善无线电条件，文献[1-2]分别在列车和基站上安装多天线，多天线的配置可以提高RSS，但是考虑到列车和基站的大小，安装多天线使得天线与天线之间的距离变得很小，因此导致基站和列车之间的所有信道面临着相同的传输路径损耗。也就是说，在列车远离基站的过程中，所有的信道将会遭遇严重的大规模路径损耗。文献[3]介绍了分布式天线系统，偏远的天线单元RAU被配置在铁轨附近，基站的信息首先通过光纤传输给各个RAU，然后再通过RAU将信息广播给列车，减小了列车和基站的距离，从而增大了RSS。文献[4]提出了一种基于地理位置的切换方案，但是这种方案的切换性能与切换执行点的选取密切相关。文献[5]对高铁场景下的切换算法进行了改进，提出了改进方案——基于速度特性触发切换的算法，其仿真可以看出确实改善了系统性能。文献[6]研究了单根天线的切换方案，减少了切换的不确定性，提高了切换性能。文献[7]研究了高铁运行速度对切换性能的影响。文献[8]提出了一种高效的切换方案，考虑优先级和开销，克服无线通信存在的问题。文献[9]提出了一种快速切换的方案，有效减少了切换时延和切换失败概率。

本文首先利用列车前后的天线，提高了切换的成功率；其次在切换过程中加入了功率调节，而调整功率是为了减少切换过程中的不确定性，在来自目标基站的接收信号强度微弱的时候避免发生切换。通过调整功率可以改善切换表现，且不会增加多余的能量消耗，可以在不依靠更多能量损耗下提升切换性能，一定程度上实现了绿色通信。

1 系统模型

对于高速移动场景，列车以速度v向前行进。为了改善列车上的通信问题，首先在列车首尾均配置上天线，其次采用分布式天线系统，一个基站信号覆盖区DAS有1个基站BS和3个偏远的天线单元RAU。3个RAU通过光纤和基站连接。假设光纤能够提供高速的数据传输率，那么基站与RAU之间的传输时延可以忽略，系统模型如图1所示。列车以速度v从BS1的覆盖区行进到BS2的覆盖区，d1是RAU与铁轨之间的距离，d2是BS与铁轨之间的距离，列车长度为L，列车位置x为其前置天线与原点O之间的距离。图1中，O为BS1第3个RAU的垂线与铁轨的交点。这里用s表示基站，s=1表示BS1，s=2表示BS2；用n表示第n个RAU，0＜n≤N；i表示列车的天线，i=1表示前置天线，i=2表示后置天线。因为切换方案对小尺度衰落不敏感，所以本文讨论的信道主要考虑了大尺度衰落，包括阴影衰落和路径损耗。

图1 系统模型

在研究切换方案时，接收信号强度RSS是一个重要的参数。在时间t，列车的位置为x=v·t。于是，对于基站s的第n个RAU，第i根天线处的RSS表达式为：

其中s∈{1,2}，Pn为基站s的第n个RAU处的传输功率；PL(d)=C·d-γ表示路径损耗，其中C是常量，d为距离，γ为路径损耗指数，ζ描述了阴影衰落。另外，列车的高移动性引起了严重的多普勒频移，导致了载波间干扰。列车速度越快，载波间干扰越大，会导致接收信号强度RSS越弱。为了提高RSS，可以增大传输功率，但是从绿色通信的角度考虑，本文介绍功率调整的方法来提高切换成功率。

对于切换方案，首先要了解切换条件。一个基站的覆盖区域内有较多的RAU，会有一些传输策略，如全传输模式（Blanket Transmission Scheme）和RAU选择传输模式（RAU Selection Transmission Scheme）。全传输模式通过所有的RAU传输信号，此时功率是被均匀分配给了所有的RAU。而RAU选择传输模式是选择一个RAU来完成信号传输，选择RAU的标准是传输路径损耗最小。显然，RAU选择传输模式更加适合高速移动场景。因此，基于RAU选择传输模式研究功率调整来实现绿色通信。

至于RAU选择传输模式的选择，对于BS1来说，应该选择最靠近列车的RAU选择传输模式。在切换进行时，最靠近列车的是第N个RAU；对于BS2来说，则应该选择覆盖区域里的第一个RAU。

从BS1到BS2的切换条件可以表示为：

一旦满足切换条件，切换就此发生。切换过程如图2所示。

在一开始的切换准备阶段，列车周期性地发送测量报告给BS1。测量报告里包含了此时列车到BS1的RSS。当BS1选择列车的前置天线进行切换时，BS1发送切换请求给BS2。满足切换条件后，BS2允许控制和配置，之后发送切换请求确认信息给BS1。BS1收到确认信息进入切换执行阶段，此时BS1继续传输数据给列车的后置天线，同时BS2通过双播接收到一份来自核心网的复制版数据。一旦列车接收到来自BS1的切换命令，前置天线先是断开和BS1的连接，再和BS2中被选择的RAU建立一个新的连接。当后置天线进入BS1和BS2的覆盖重叠区且接收到来自BS1的的切换命令时，后置天线开始进行切换，和BS2建立连接，至此切换完成。当后置天线也完成了切换，BS1请求结束双播，然后核心网发送确认信息，之后数据只传输给BS2，BS1释放资源。

图2 切换过程

整个切换过程中，两根天线的切换是在不同时间进行的，所以可以确保总会有一根天线能接收到来自BS1或者BS2的核心网信息。因此，列车乘客可以体验无缝连接的无线通信服务。但是，如何改善切换性能，首先需要关注如何调整RSS。

2 系统切换方案及性能分析

为了改善切换性能，需要提高RSS。提高RSS最直接的方法是增大传输功率，但是这有违绿色通信的概念。所以，在切换过程中加入功率调整，可以不用多余的能量消耗提升切换性能，系统简化图如图3所示。

覆盖区域被分成两段子区域——(A,B)以及(B,C )，其中B是AC的中点。这里假设AB、BC＞＞L。

图3 系统简化

为了描述切换方案的性能，分析两个不同的参数、切换概率和切换失败概率。分析前，先介绍这种切换方案下的RSS、累积分布函数（CDF）以及概率密度函数（PDF）。

CDF：

PDF：

其中：

μs,n(x)是RSS的平均值；σs,n是RSS的标准偏差。

2.1 切换概率

对于切换概率，定义是列车位置x的时候满足切换条件（2），即定义为：

又因为：

结合式（5）、式（7），于是式（6）可以表示为：

于是：

2.2 切换失败概率

对于切换失败概率，定义为：虽然切换条件满足，但是BS2平均RSS却比T小，T在这里表示能保证无线通信的最小RSS。这里已知切换在第一个基站的最后一个RAU以及第二个基站的第一个RAU之间进行，所以对于列车的第i根天线，其切换失败概率可以表示为：

对于一个随机变量X，X～N(μ,σ2)，表示均值为μ、方差为σ2，则：

已知：

结合式（10）～式（13），可得：

将式（9）代入式（14），可以得到切换失败概率的表达式：

（3）当 x ∉ （ A, C + L ），可得：

3 仿真分析

通过仿真从切换概率和切换失败概率两方面直观描述功率调整对切换性能的改善。

3.1 切换概率

图4描绘了切换概率和列车运行时间的关系。为了方便观察，同时展示了切换概率和列车位置的关系图，如图5所示。可以看出，对于双中继下的切换方案，在采用功率调节方法后，可以推迟切换发生的时间，并且可以迅速达到稳定的高切换概率。对于没有功率调节的中继切换，存在一个问题是乒乓效应。可以看出，在列车处于3 000 m时，会有短暂的1 s时间切换概率为0，之后切换概率又变为1。

3.2 切换失败概率

图6描绘了切换失败概率和列车位置的关系。可以看出，一开始两个切换方案的切换失败概率稳定保持在一个数值。结合图4、图5，在这个范围内的切换概率趋于0。随着列车继续前进，切换概率从0变为1的过程中，切换失败概率渐渐趋于0。带有功率调节的双中继切换方案对比无功率调节的方案有明显优势，功率调节下的切换方案整体处于较低的切换失败概率，且能较早地趋近于0。

图4 切换概率和列车运行时间的关系

图5 切换概率和列车位置的关系

图6 切换失败概率和列车位置的关系

4 结 语

利用列车首尾配置的天线，结合功率调节的切换方案，可以明显改善切换概率，减低切换失败概率。对于切换概率，在加入功率调节后，可以明显推迟切换发生的时间，且迅速切换成功，达到稳定，有效改善了切换过程中的乒乓效应。在切换失败概率方面，有功率调节的方案具有明显优势，切换失败概率较低，且能够较快趋近于0，使用户拥有较好的体验。