基于灰色预测的LTE-R越区切换算法 下载: 1042次
1 引言
目前,高速铁路通信系统普遍使用GSM-R (global system for mobile communications-railway)实现车地双向通信。由于列车速度不断提升,小区之间的切换更加频繁,切换成功率低会对行车安全造成很大的影响;为保证行车安全,要求通信系统在切换过程中发生较少的乒乓切换,具有更小的切换时延,同时保证切换成功率。
在高速铁路LTE-R系统中,随着铁路的运行,移动终端(UE)从一个小区切换到另一个小区,切换成功的基础是选择合适的切换算法,若切换算法选择不恰当,轻则产生乒乓切换,重则造成通信中断,甚至会导致列车紧急制动,影响行车安全。因此对LTE-R切换算法的研究成为当前的一个热点,针对列车在高速运行环境下越区切换过程中出现切换成功率较低的情况,国内外学者针对不同的问题提出了不同的优化方法。文献[ 2-3]提出通过对速度相关的特性参数进行分级优化,虽然相对提高了越区切换的成功率,但是对参数进行优化时需要进行动态计算,而在轨道通信切换时间极短的情况,它并不能保证稳定的切换成功率。文献[ 4]提出在切换过程中,提前进行信令交换与切换预承载,虽然在一定程度上减小了切换时延,但是预承载点确定相对比较复杂。文献[ 5]提出了一种基于位置的切换算法,但是由于在实际列车运行中定位受外界干扰影响较大,工程性、实践性较差。文献[ 6]通过对判决参数进行优化,运用列车定位提前完成资源的分配,有效减小了切换时延,但是没有考虑到乒乓切换对切换成功率的影响。
本文从降低乒乓切换次数和提高切换成功率两个方面对LTE-R越区切换算法进行研究,提出一种基于模糊预测的越区切换算法。该算法通过优化测量参数减小了切换过程中信号波动对切换的影响,从而降低了乒乓切换次数、提高了切换成功率。将本文算法与传统A3切换算法和平滑滤波算法进行比较,验证了本文算法在高速切换过程中的优越性。
2 LTE-R越区切换模型
高速铁路的LTE-R越区切换系统模型如
在无线通信系统中,切换的方式可以分为软切换、硬切换、接力切换等几种形式。因为在LTE网络中取消了无线网络控制器(RNC)等中间网元模块,所以只支持硬切换。硬切换的定义是:在切换过程中,UE断开与源基站的通信,然后建立与目标基站的通信。硬切换一般分为三个过程,分别是切换测量、切换判决、切换执行[8-9]。切换流程如
2.1 切换测量
列车在高速运行过程中, UE周期性地对源eNodeB和目标eNodeB的参考信号接收功率(RSRP,其值用RRSRP表示)进行测量,以保证在执行切换过程中,通信链路的改变不会影响通信。同时列车将测量到的瞬时值进行滤波。当滤波之后的结果满足上报准则后,UE向源eNodeB发送测量报告,然后进行判决。测量滤波过程如
滤波过程分为三个过程:层1滤波、层3滤波 和 层3事件评估。
1) 层1滤波
测量的瞬时值A经层1滤波,层1滤波包括2个周期,测量周期Tm和上报周期Tu,如
在上报周期Tu内把时间按照Tm划分为若干段,在每个Tm时间段内,对获得的m个RRSRP值进行加权平均,然后加入测量随机误差
式中:j为测量的次数; RRSRP,j为Tm时间段内第j次测量的瞬时值;
2) 层3滤波
经层1滤波之后,进行层3滤波,得到测量值C。具体过程是建立当前测量值与上一时刻的测量值的相关性,通过此处理减小了信道随机变化对上报值的影响[10],同时能使上报的值既与当前的测量值相关,还与上一时刻的测量值相关。层3滤波的公式为
式中:n为当前的次数;
3) 层3事件评估
经过层3事件评估后得到处理值D,对D进行条件判决,若满足条件,将测量报告信息通过空中接口发送给高层。
2.2 切换判决
对经过测量滤波处理之后的信息通过服务eNodeB进行A3事件判决,若满足触发条件,则执行切换;否则,继续进行判决。A3事件的判决公式为
式中:Ocn为相邻小区的特定偏置值;Ocs为服务小区的特定偏置值;Mn为目标小区的测量值;Ms为服务小区的测量值;Ofn,Ofs分别为源小区与目的小区的特定偏置;Hys为迟滞参数;Off为偏移参数[11]。
基于LTE-R的车地通信系统采用同频越区切换,因此Ofn,Ofs的值为0,而相邻每个小区的优先级是相同的,没有偏置,则Ocn,Ocs也均为0。故 (3) 式可简化为
2.3 切换执行
如果测量信息满足判决切换要求,UE则开始进行切换,断开与源eNodeB基站的链接,并与目标eNodeB基站建立链接,完成切换。
3 基于灰色预测模型的越区切换算法
在基于LTE-R的高速铁路移动通信系统中,频段内产生的同频干扰以及列车高速运行过程中产生的阴影衰落和路径损耗都会影响Mn和Ms的值[12-13],所以UE得到的信号测量值波动较大,造成乒乓切换的概率增加。因此,采用单一的A3切换判决[(4)式]并不能进行准确的判断。针对以上问题,本文提出一种改进的GM(1,1)灰色预测模型算法,以对接收到的信号进行数据处理,从而去除同频干扰、多径效应、阴影衰落对Mn和Ms的影响,得到当前准确的Mn和Ms,减少乒乓切换次数。
3.1 GM(1,1)灰色预测模型
灰色预测是由我国邓聚龙教授提出的,它是通过少量的、不完全的信息去建立灰色预测模型,然后对事物的发展进行预测,即通过分析系统内各变量之间的关联性,得到变量的发展趋势,并生成具有一定规律性的预测数据序列,然后通过建立微分模型,对之后的数据进行模糊预测,得到数据预测序列[14]。在灰色系统理论中,GM(1,1)灰色预测模型是一种动态的预测模型,具有建模样本量小、计算效率高等特点。在进行灰色预测时,为了使杂乱的数据序列表现出一定的规律性,需要进行灰色量白化处理,经过灰色量白化处理之后,利用建立的灰色预测模型预测结果。GM(1,1)灰色预测模型建模过程为:
1) 设一组原始时间序列X(0)={X(0)(1),X(0)(2),…,X(0)(n)},其中,n为序列的个数;
2) 由原始序列产生的一阶累加生成序列为X(0)={X(0)(1),X(0)(2),…,X(0)(n)},X(1)={X(1)(1),X(1)(2),…,X(1)(n)},x(0)(i)=
3) 同时一阶累加生成序列的紧邻均值生成序列为Z(1)={z(1)(2),z(1)(3),…,z(1)(3)},z(1)(i)=
式中:a为发展系数;b为灰作用量。
其影子方程(白化方程)为
则GM(1,1)模型的解为
(7)式可以记作:
式中:C1为(7)式中的x(0)(1)-
3.2 GM(1,1)灰色预测模型的改进
由于高速铁路的特殊环境,信号受外界的影响后波动较大,如果采用GM(1,1)模型直接进行预测则可能导致拟合效果不理想。对传统的GM(1,1)预测模型进行改进,以求达到较好的拟合效果,降低信号波动对切换的影响。改进的GM(1,1)灰色预测模型[15]是将传统GM(1,1)模型与二次多项式进行融合重构,进而构造出具有更高精确度的新模型。
改进的GM(1,1)灰色预测模型是通过指数方程Y=aexp(bX)和二次多项式方程Y=aX2+bX+c来拟合
式中:C1,C2,C3,C4是回归系数;v为发展系数;i为时间变量;
通过以上过程,可得到改进的预测模型。因为轨道交通对于列车数据的实时性要求较高,所以对列车接收到的RSRP值进行预测时,应该采用短序列;若采用长序列进行预测时,有可能用到上一个小区无效的RSRP,而该数据对当前时刻的预测没有很大的意义。因此,根据越区切换的特点,以当前时刻为参考点,选取当前时刻之前4个时刻的Mn值组成一个预测序列,建立改进的GM(1,1)预测模型,预测当前时刻的值[17]。
为了验证改进GM(1,1)预测算法的有效性,本文对典型的曲线变化特征进行仿真和对比分析。
1) 凹凸性变化特性
检验凹凸性拟合效果时,如果数据较少则得到的实验效果不佳,故使用10个数据进行检验,去验证改进算法的拟合性。线段都是由点组成的,因此使用10个数据不会影响实验结果。使用改进GM(1,1)模型与GM(1,1)模型分别对X(0)={45,36,29,25,23,24,26,30,37,46}和X(0)={25,34,41,46,48,47,44,40,33,24}的凹凸性变化曲线进行拟合。拟合结果如
2) 单调性变化特性
使用改进的GM(1,1)模型与原始GM(1,1)模型分别对X(0)={41,42,43,44,45,46}和X(0)={46,45,44,43,42,41}的单调性进行拟合比较,结果如
3.3 算法流程
使用改进的GM(1,1)灰色预测模型对接收到的Mn和Ms的值进行预处理,能够提高预测值的精确度,相应地减小了信号波动对切换的影响,从而得到更为精准的Mn和Ms。具体算法步骤如下:
1)因为Mn和Ms的值(-80~-20 dBm)为负值,取绝对值以方便判决。
2)取当前时刻Mn和Ms的前4个值组成绝对值序列,分别为Xn={xn(1),xn(2),xn(3),xn(4)},Xs={xs(1),xs(2),xs(3),xs(4)}。
3)利用绝对值序列Xn建立改进的灰色GM(1,1)预测模型,通过3次循环预测得到新序列Xn,pre={Xn,pre1,Xn,pre2,Xn,pre3};同理,利用序列Xp建立灰色预测模型,经过3次循环,可得到Xs,pre={Xs,pre1,Xs,pre2,Xs,pre3}。
4)为了进一步提高预测的精确度,对预测结果进行2次处理,即将上述Mn和Ms的3个预测值进行加权平均,得到
5)利用
6)若
4 仿真与结果分析
仿真配置如
为了验证改进算法的合理性,对接收信号进行以上6个步骤的灰色模拟预测,并将模拟的波形图与基于传统A3事件算法的波形图进行比较。在理论上,RSRP值波动的幅度范围越小,乒乓切换发生的次数也就越少,系统性能越好。在仿真的过程中,仅考虑无线信道模型中的阴影衰落和路径损耗。
表 1. 仿真配置表
Table 1. Simulation configuration table
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传统A3事件切换算法与改进的GM(1,1)切换算法的RSRP值与高铁位置的变化仿真图如
为了进一步验证改进切换算法的优越性,采用2种较为优越的越区切换算法与改进算法进行对比仿真;在整个切换过程中,为了降低实验误差,分别对3种算法进行切换总过程数为5,10,15,…,50次的仿真统计,比较发生乒乓切换的次数,验证改进算法的优越性,仿真结果如
图 12. 不同切换算法发生乒乓切换的次数对比图
Fig. 12. Comparison of occurrence times of ping-pong switching of three algorithms
由于列车运行速度越大,发生乒乓切换的概率也就越大,故设置列车为高速运行的状态以证明改进算法的优越性,因此设置350 km·h-1的运行速度进行仿真。仿真中,将切换的整个过程模拟了30次,在传统A3切换算法下,乒乓切换发生的次数达到了27次,而在基于模糊预测的切换算法下,乒乓切换发生的次数仅有2次。与平滑滤波切换算法相比较,乒乓切换发生的次数也要少一些;在对切换过程进行50次模拟时,传统A3切换算法的效果更差一些,乒乓切换发生的次数达到了39次,而采用基于模拟预测的切换算法时,乒乓切换发生的次数仅为6次。从
图 13. 不同算法的乒乓切换触发率比较
Fig. 13. Comparison of ping-pong switching trigger rates of various algorithms
针对不同速度下乒乓切换发生的概率进行仿真,结果如
当列车运行在0~400 km·h-1的速度范围内,分别对3种切换算法进行切换成功率仿真比较,仿真结果如
由
5 结论
在越区切换过程中,受大尺度衰落和多径效应的影响,UE接收的RSRP波动范围较大会造成乒乓切换发生次数较多的问题。通过对测量参数进行预处理,降低了信号的波动幅度较大对切换判决的影响。在进行测量参数预处理的过程中,直接使用传统的GM(1,1)灰色预测模型时存在拟合效果不佳的问题,通过将传统的GM(1,1)灰色预测模型与二次多项式进行拟合重构,提高了预测值的精确度。将改进的GM(1,1)模型应用到RSRP值的预测中。在进行预测之后,对估计参数进行优化,以降低系统误差,通过仿真验证可得,改进的模糊预测切换算法能够有效地减小信号的波动范围,降低乒乓切换发生的次数,提高越区切换的切换成功率。
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温强, 李积英, 杨永红, 王磊. 基于灰色预测的LTE-R越区切换算法[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(19): 190601. Qiang Wen, Jiying Li, Yonghong Yang, Lei Wang. LTE-R Handover Algorithm Based on Grey Prediction[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2020, 57(19): 190601.