基于模糊逻辑的LTE-R自适应切换优化算法
摘要：越区切换作为 LTE-R 无线通信系统中高可靠性通信的关键技术，一旦越区切换失败将会给高速铁路的安全运行带来严重的隐患。随着高速列车不断提速，越区切换将更加频繁，如何提高越区切换成功率是亟需解决的关键问题。针对高速铁路 LTE-R 无线通信系统越区切换算法采用固定迟滞门限，导致切换成功率低的问题，提出了一种基于模糊逻辑的 LTE-R 自适应切换优化算法。在越区切换算法中引入模糊逻辑推理机制，利用列车速度、参考信号接收功率和参考信号接收质量来对迟滞门限进行自适应优化。首先，将切换测量选取的列车速度、参考信号接收功率和参考信号接收质量切换指标进行模糊化处理，再根据规则库中设定的规则以及隶属度函数进行模糊推理。然后，在采用模糊推理规则推理后，为了得到相应的越区切换迟滞门限进行去模糊化操作，采用重心法去模糊化，即将隶属度函数曲线与横坐标围成面积的重心作为最终迟滞门限值输出。最后，将推理的结果输出作为优化后的迟滞门限，使用优化的迟滞门限进行列车越区切换执行。同时选取不同因素的组合来对切换优化算法进行对比仿真分析，通过更改 RSRP、RSRQ 和 v 模糊变量的不同参数组合，选取 RSRP-RSRQ、RSRP-V、RSRQ-V、RSRP-RSRQ-V 四种组合作为模糊系统的输入，并将这四种优化算法的切换成功率和乒乓切换率与传统 A3 算法进行对比。结果表明，所提出的基于模糊逻辑的 LTE-R 自适应切换优化算法相比于传统 A3 切换算法，克服了传统方法切换参数固定无法适应多变高速铁路运行环境的问题，可以有效提高切换成功率，并且同时降低了乒乓切换率。仿真得到了在切换重叠区中点附近，综合 RSRP、RSRQ 和车速的优化算法切换成功率最高，而在切换重叠区后半部分，基于 RSRP 和 RSRQ 优化算法切换成功率较高的结论。研究结果为列车提速及 LTE-R 演进提供了一定的理论参考依据。
关键词：高速铁路;铁路无线通信;越区切换;模糊逻辑;自适应切换
陈永; 牛凯玉 铁道科学与工程学报 2021-12-31
铁路长期演进(Long-Term Evolution for Railway，LTE-R)是我国下一代高速铁路无线通信系统，LTER 具有承载业务广、可靠性、强移动接入、低时延等优点[1]。越区切换作为 LTE-R 高可信通信的关键技术，一旦越区切换失败便会给高速铁路行车带来严重的隐患[2]。随着高速列车不断提速，越区切换将会更加频繁，如何提高越区切换成功率是亟需解决的关键问题。陈永刚等[3]针对传统 A3 越区切换算法采用固定切换门限的问题，提出了基于动态函数的切换算法，迟滞门限根据列车车速进行调整，但该方法存在控制参数取值为定值的问题，无法做到自适应切换。YU 等[4]提出了一种在车头和车尾安装双天线，采用双播机制的切换方案，提高了切换的成功率，但该方法存在硬件设备过多以及通信开销较大的问题。李立华等[5]提出了一种基于随机抑制的联合判决切换算法，综合考虑参考信号接收功率(Reference Signal Received Power, RSRP)和参考信息接收质量(Reference Signal Received Quality, RSRQ)来进行切换，但存在切换门限值固定的问题。DA 等[6]针对密集小区提出了一种基于模糊逻辑的切换方案，利用用户速度和无线电信道质量来适应切换决策的迟滞门限，但该方法不适合高速运行环境。SAEED 等[7]利用模糊逻辑技术根据平均切换次数、系统吞吐量和用户设备速度(120km/h 以下)来自适应选取迟滞门限，但该方法同样不合适于高速行车条件。综上所示，针对目前越区切换算法存在切换迟滞参数固定导致切换成功率低，以及无法适应高速行车环境的问题，提出了一种基于模糊逻辑的 LTE-R 自适应越区切换算法。在越区切换算法中引入模糊逻辑推理机制，根据列车速度、RSRP 和 RSRQ 来对迟滞门限进行动态自适应调整优化。同时选取不同因素的组合来对越区切换自适应优化算法进行对比仿真分析。结果表明，所提出的基于模糊逻辑的 LTE-R 自适应切换优化算法相比于传统 A3 切换算法，可以有效提高切换成功率，并且同时可以降低乒乓切换率。最后得到了在不同重叠区切换时的推荐切换选择方案，研究结果为列车提速及 LTER 演进提供一定的理论参考依据。
1 越区切换基础理论
1.1 越区切换
越区切换(Handover)是指列车行驶过程中移出当前服务基站范围或因当前小区信号质量不能满足通信需求，而连接至相邻基站小区的过程[5]，如图 1 为高速铁路越区切换示意图。铁路沿线无线信号呈链状分布，相邻基站(eNodeB)之间存在信号覆盖重叠区，列车进入信号覆盖重叠区越区切换时时需要断开与当前小区的连接，并与目标小区建立连接。
1.2 传统 A3 事件越区切换算法
LTE-R 系统切换过程最常用的算法是基于 A3 事件的越区切换算法[8]。其核心思想是对源小区和目标小区的信号接收强度 RSRP 或参考信号接收质量 RSRQ 进行周期性测量，如果满足式(1)，即当目标小区的 RSRP 比源小区的 RSRP 值高出 Hys 时，在触发时延 TTT 后，UE 则执行越区切换，如图 2 所示。A3 事件的触发条件：