基于模糊邏輯的LTE-R自適應切換優化算法

　　摘要：越區切換作為 LTE-R 無線通信系統中高可靠性通信的關鍵技術，一旦越區切換失敗將會給高速鐵路的安全運行帶來嚴重的隱患。隨著高速列車不斷提速，越區切換將更加頻繁，如何提高越區切換成功率是亟需解決的關鍵問題。針對高速鐵路 LTE-R 無線通信系統越區切換算法采用固定遲滯門限，導致切換成功率低的問題，提出了一種基于模糊邏輯的 LTE-R 自適應切換優化算法。在越區切換算法中引入模糊邏輯推理機制，利用列車速度、參考信號接收功率和參考信號接收質量來對遲滯門限進行自適應優化。首先，將切換測量選取的列車速度、參考信號接收功率和參考信號接收質量切換指標進行模糊化處理，再根據規則庫中設定的規則以及隸屬度函數進行模糊推理。然后，在采用模糊推理規則推理后，為了得到相應的越區切換遲滯門限進行去模糊化操作，采用重心法去模糊化，即將隸屬度函數曲線與橫坐標圍成面積的重心作為最終遲滯門限值輸出。最后，將推理的結果輸出作為優化后的遲滯門限，使用優化的遲滯門限進行列車越區切換執行。同時選取不同因素的組合來對切換優化算法進行對比仿真分析，通過更改 RSRP、RSRQ 和 v 模糊變量的不同參數組合，選取 RSRP-RSRQ、RSRP-V、RSRQ-V、RSRP-RSRQ-V 四種組合作為模糊系統的輸入，并將這四種優化算法的切換成功率和乒乓切換率與傳統 A3 算法進行對比。結果表明，所提出的基于模糊邏輯的 LTE-R 自適應切換優化算法相比于傳統 A3 切換算法，克服了傳統方法切換參數固定無法適應多變高速鐵路運行環境的問題，可以有效提高切換成功率，并且同時降低了乒乓切換率。仿真得到了在切換重疊區中點附近，綜合 RSRP、RSRQ 和車速的優化算法切換成功率最高，而在切換重疊區后半部分，基于 RSRP 和 RSRQ 優化算法切換成功率較高的結論。研究結果為列車提速及 LTE-R 演進提供了一定的理論參考依據。

　　關鍵詞：高速鐵路;鐵路無線通信;越區切換;模糊邏輯;自適應切換

　　陳永; 牛凱玉 鐵道科學與工程學報 2021-12-31

　　鐵路長期演進(Long-Term Evolution for Railway，LTE-R)是我國下一代高速鐵路無線通信系統，LTER 具有承載業務廣、可靠性、強移動接入、低時延等優點[1]。越區切換作為 LTE-R 高可信通信的關鍵技術，一旦越區切換失敗便會給高速鐵路行車帶來嚴重的隱患[2]。隨著高速列車不斷提速，越區切換將會更加頻繁，如何提高越區切換成功率是亟需解決的關鍵問題。陳永剛等[3]針對傳統 A3 越區切換算法采用固定切換門限的問題，提出了基于動態函數的切換算法，遲滯門限根據列車車速進行調整，但該方法存在控制參數取值為定值的問題，無法做到自適應切換。YU 等[4]提出了一種在車頭和車尾安裝雙天線，采用雙播機制的切換方案，提高了切換的成功率，但該方法存在硬件設備過多以及通信開銷較大的問題。李立華等[5]提出了一種基于隨機抑制的聯合判決切換算法，綜合考慮參考信號接收功率(Reference Signal Received Power, RSRP)和參考信息接收質量(Reference Signal Received Quality, RSRQ)來進行切換，但存在切換門限值固定的問題。DA 等[6]針對密集小區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量來適應切換決策的遲滯門限，但該方法不適合高速運行環境。SAEED 等[7]利用模糊邏輯技術根據平均切換次數、系統吞吐量和用戶設備速度(120km/h 以下)來自適應選取遲滯門限，但該方法同樣不合適于高速行車條件。綜上所示，針對目前越區切換算法存在切換遲滯參數固定導致切換成功率低，以及無法適應高速行車環境的問題，提出了一種基于模糊邏輯的 LTE-R 自適應越區切換算法。在越區切換算法中引入模糊邏輯推理機制，根據列車速度、RSRP 和 RSRQ 來對遲滯門限進行動態自適應調整優化。同時選取不同因素的組合來對越區切換自適應優化算法進行對比仿真分析。結果表明，所提出的基于模糊邏輯的 LTE-R 自適應切換優化算法相比于傳統 A3 切換算法，可以有效提高切換成功率，并且同時可以降低乒乓切換率。最后得到了在不同重疊區切換時的推薦切換選擇方案，研究結果為列車提速及 LTER 演進提供一定的理論參考依據。

　　1 越區切換基礎理論

　　1.1 越區切換

　　越區切換(Handover)是指列車行駛過程中移出當前服務基站范圍或因當前小區信號質量不能滿足通信需求，而連接至相鄰基站小區的過程[5]，如圖 1 為高速鐵路越區切換示意圖。鐵路沿線無線信號呈鏈狀分布，相鄰基站(eNodeB)之間存在信號覆蓋重疊區，列車進入信號覆蓋重疊區越區切換時時需要斷開與當前小區的連接，并與目標小區建立連接。

　　1.2 傳統 A3 事件越區切換算法

　　LTE-R 系統切換過程最常用的算法是基于 A3 事件的越區切換算法[8]。其核心思想是對源小區和目標小區的信號接收強度 RSRP 或參考信號接收質量 RSRQ 進行周期性測量，如果滿足式(1)，即當目標小區的 RSRP 比源小區的 RSRP 值高出 Hys 時，在觸發時延 TTT 后，UE 則執行越區切換，如圖 2 所示。A3 事件的觸發條件：