基于模糊邏輯的LTE-R自適應(yīng)切換優(yōu)化算法

　　摘要：越區(qū)切換作為 LTE-R 無(wú)線通信系統(tǒng)中高可靠性通信的關(guān)鍵技術(shù)，一旦越區(qū)切換失敗將會(huì)給高速鐵路的安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的隱患。隨著高速列車不斷提速，越區(qū)切換將更加頻繁，如何提高越區(qū)切換成功率是亟需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。針對(duì)高速鐵路 LTE-R 無(wú)線通信系統(tǒng)越區(qū)切換算法采用固定遲滯門限，導(dǎo)致切換成功率低的問(wèn)題，提出了一種基于模糊邏輯的 LTE-R 自適應(yīng)切換優(yōu)化算法。在越區(qū)切換算法中引入模糊邏輯推理機(jī)制，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)量來(lái)對(duì)遲滯門限進(jìn)行自適應(yīng)優(yōu)化。首先，將切換測(cè)量選取的列車速度、參考信號(hào)接收功率和參考信號(hào)接收質(zhì)量切換指標(biāo)進(jìn)行模糊化處理，再根據(jù)規(guī)則庫(kù)中設(shè)定的規(guī)則以及隸屬度函數(shù)進(jìn)行模糊推理。然后，在采用模糊推理規(guī)則推理后，為了得到相應(yīng)的越區(qū)切換遲滯門限進(jìn)行去模糊化操作，采用重心法去模糊化，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。最后，將推理的結(jié)果輸出作為優(yōu)化后的遲滯門限，使用優(yōu)化的遲滯門限進(jìn)行列車越區(qū)切換執(zhí)行。同時(shí)選取不同因素的組合來(lái)對(duì)切換優(yōu)化算法進(jìn)行對(duì)比仿真分析，通過(guò)更改 RSRP、RSRQ 和 v 模糊變量的不同參數(shù)組合，選取 RSRP-RSRQ、RSRP-V、RSRQ-V、RSRP-RSRQ-V 四種組合作為模糊系統(tǒng)的輸入，并將這四種優(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) A3 切換算法，克服了傳統(tǒng)方法切換參數(shù)固定無(wú)法適應(yīng)多變高速鐵路運(yùn)行環(huán)境的問(wèn)題，可以有效提高切換成功率，并且同時(shí)降低了乒乓切換率。仿真得到了在切換重疊區(qū)中點(diǎn)附近，綜合 RSRP、RSRQ 和車速的優(yōu)化算法切換成功率最高，而在切換重疊區(qū)后半部分，基于 RSRP 和 RSRQ 優(yōu)化算法切換成功率較高的結(jié)論。研究結(jié)果為列車提速及 LTE-R 演進(jìn)提供了一定的理論參考依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：高速鐵路;鐵路無(wú)線通信;越區(qū)切換;模糊邏輯;自適應(yīng)切換

　　陳永; 牛凱玉 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2021-12-31

　　鐵路長(zhǎng)期演進(jìn)(Long-Term Evolution for Railway，LTE-R)是我國(guó)下一代高速鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)，LTER 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 LTE-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(lái)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(wèn)題。陳永剛等[3]針對(duì)傳統(tǒng) A3 越區(qū)切換算法采用固定切換門限的問(wèn)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(wèn)題，無(wú)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(guò)多以及通信開銷較大的問(wèn)題。李立華等[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 Received Power, RSRP)和參考信息接收質(zhì)量(Reference Signal Received Quality, RSRQ)來(lái)進(jìn)行切換，但存在切換門限值固定的問(wèn)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(wú)線電信道質(zhì)量來(lái)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(120km/h 以下)來(lái)自適應(yīng)選取遲滯門限，但該方法同樣不合適于高速行車條件。綜上所示，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(wú)法適應(yīng)高速行車環(huán)境的問(wèn)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(lái)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來(lái)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) A3 切換算法，可以有效提高切換成功率，并且同時(shí)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 LTER 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(guò)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(guò)程[5]，如圖 1 為高速鐵路越區(qū)切換示意圖。鐵路沿線無(wú)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。

　　1.2 傳統(tǒng) A3 事件越區(qū)切換算法

　　LTE-R 系統(tǒng)切換過(guò)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)接收強(qiáng)度 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：