CN102946623B - 一种具有自适应切换门限值的蜂窝网单向切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自适应切换门限值的蜂窝网单向切换方法，属于无线通信的小区切换领域。本发明包括信号测量、触发切换和切换执行三个步骤。信号测量步骤获取从源基站和目的基站接收到的信号强度，触发切换步骤依据信号强度采取自适应的切换门限单向策略进行切换触发，切换执行步骤依据触发结果进行相应服务站的切换。本发明在对切换次数进行了降低的同时，减少了用户的中断概率，解决现有切换方法在运用到高速列车场景中时，由于速度过快导致来不及切换而引起通话中断。

Description

一种具有自适应切换门限值的蜂窝网单向切换方法

技术领域

本发明属于高速铁路环境下的无线移动通信领域，具体涉及一种自适应切换门限的单向切换方法，适用于高铁中的高架桥环境下的单基站覆盖场景。

背景技术

随着中国高铁网络的迅速发展，列车的运行速度逐渐增加，乘坐高铁出行的人群会越来越多。同时另一方面，手机以及各种移动终端的普及，需要有更广覆盖的无线网络，当然包括在列车上也能提供可靠的通信服务。而列车的高速运行，会给列车上移动用户的通信带来很大的挑战，特别是小区间的切换对系统性能有很大的影响。因此有必要设计好的算法，尽力改善切换的性能，降低切换导致的中断概率，减少平均切换次数。

单基站覆盖场景指的是基站线性排列在铁路线路一侧，采用双向天线覆盖铁路沿线，同时考虑算法的应用环境为高架桥环境中。

现有的文献中一方面在讨论改变网络的拓扑结构改善切换性能，如采用分布式网络结构（见Wang,Jiangzhou;Zhu,Huiling;Gomes,Nathan J.;,"Distributed Antenna Systems for Mobile Communications inHigh Speed Trains,"Selected Areas in Communications,IEEE Journalon,vol.30,no.4,pp.675-683,May 2012），如采用在列车车顶布置双天线的结构(见Tian,Lin;Li,Juan;Huang,Yi;,"Seamless Dual-LinkHandover Scheme in Broadband Wireless Communication Systems forHigh-Speed Rail,"Selected Areas in Communications,IEEE Journal on,vol.30,no.4,pp.708-718,May 2012)。另外一方面有讨论通过算法设计改善切换性能，通过随机开闭后向切换来减少乒乓效应(见YanZhang;,"Handoff Performance in Wireless Mobile Networks withUnreliable Fading Channel,"Mobile Computing，IEEE Transactions on,vol.9,no.2,pp.188-200,Feb.2010)；通过模糊理论，将接收功率，SNR等指标综合考虑，减少切换的误判(Gjergji Mino,Leonard Barolli,;AComparison Study of Two Fuzzy-based Handover Systems for AvoidingPing-Pong Effect in Wireless Cellular Networks;2009 InternationalConference on Network-Based Information Systems)。但上述传统切换算法中没有考虑切换门限随着列车运动自适应变化，因此容易由于速度过快导致来不及切换而引起通话中断。

发明内容

本发明提供一种具有自适应切换门限值的蜂窝网单向切换方法，解决现有切换方法在运用到高速列车场景中时，由于速度过快导致来不及切换而引起通话中断。

一种具有自适应切换门限值的蜂窝网单向切换方法，列车行驶轨迹中前后两相邻基站分别称为源基站和目标基站，源基站和目标基站之间所覆盖的重叠区域为切换判定执行区域，所述切换执行区域划分为M个判决点，M＝L/(τ*4*V)，L为切换执行区域距离，τ为测量周期，V为列车运动速度；相邻的第K与K+1个判决点之间有N个测量点，该切换方法包括以下步骤：

A测量步骤：

列车进入切换判定执行区域的第K个判决点与第K+1个判决点之间，列车上的移动终端每隔τ时间测量一次从源基站接收到的信号强度从目的基站接收到的信号强度j＝1,…,N；

B切换触发阶段：

(B1)接收信号取平均： $\stackrel{\‾}{P_{s\_k}}=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{P}_{s\_k_j}/N,$ $\stackrel{\‾}{P_{t\_k}}=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{P}_{t\_k_j}/N;$

(B2)确定切换门限：第K个判决点处的前向切换判决门限H_{f_k}=(1-K/M)H_{f_0}，第K个判决点处的后向切换判决门限其中H_{f_0}和H_{b_0}分别为前向和后向切换门限初始值，H_{f_0}≤H_{b_0}；

(B3)判断是否触发切换：

在第K个判决点，如果用户的当前服务基站为源基站，若在判决点K处用户从目的基站接收到的平均信号强度与从源基站接收到的平均信号强度之差大于K点处的前向切换门限H_{f_k}，且同时满足P_{t_k}>维持通信的最低功率要求P_min，则进入步骤（C2），否则进入步骤（C1）；在第K个判决点，若在判决点K处用户从源基站接收到的平均信号强度与从目标基站接收到的平均信号强度之差大于K点处的后向切换门限H_{b_k}，且同时满足维持通信的最低功率要求P_min，则进入步骤（C3），否则进入步骤（C1）；

C切换执行步骤：

(C1)在第K与K+1个判决点之间，若用户从其当前服务基站接收到的信号强度大于维持通信的最低功率要求P_min，则用户的当前服务基站保持不变，否则通信中断；

（C2）在第K与K+1个判决点之间，若用户从目标基站接收到的信号强度满足系统的服务质量QoS要求，则用户的当前服务基站切换为目标基站，否则通信中断；

（C3）在第K与K+1个判决点之间，若用户从源基站接收到的信号强度满足系统的服务质量QoS要求，则用户的当前服务基站切换为源基站，否则通信中断。

本发明的技术效果体现在：与非自适应切换算法相比，本发明采取了门限值随列车自适应变化策略，同时采取了设置后向切换门限大于前向切换门限的单向切换策略，两种方法共同作用，一方面有效减少了乒乓效应带来的切换次数增减，一方面减少了中断概率，提高了切换成功率。

附图说明

图1为应用本发明的单基站覆盖场景；

图2判决点测量点示意图；

图3本发明方法流程图；

图4为本发明与传统非自适应门限算法的切换次数对比示意图；

图5为本发明与传统非自适应门限算法的中断概率对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示的基站沿着铁轨一侧线性排列，相邻基站相覆盖的重叠区域，该区域即为切换执行的区域。如图2所示重叠区域可以划分为M个判决点。每两个判决点之间有N个测量点。

本发明中，其特征在于前向切换门限值和后向门限值是不一样的，前向的门限会小于后向的门限，激励用户朝目标基站切换。同时前向门限值是越来越低，靠近源基站时高可避免过早切换而引起乒乓效应，靠近目标基站时降低可以使切换更容易发生，避免来不及切换引起中断。而后向越来越高，抑制后向切换发生，同时允许后向切换，避免源基站信号变差而引起中断。

具体的实施如下：

A测量阶段：

在列车进入相邻小区重叠区域的第K个判决点与第K+1个判决点之间，列车上的移动终端每隔0.5时间测量一次从源基站接收到的信号强度P_s，从目的基站接收到的信号强度P_t。并将上述结果缓存在终端。一共测量4次。

B切换触发阶段

有如下的定义：前向切换，从源基站向目标基站切换；后向切换，由目标基站向源基站切换。包括下述子步骤：

（B1）将接收信号取平均：在测量获得4次的测量结果后，分别将4次的P_s和P_t取平均，其中P_t采取同样的方式平均，通过平均消除掉由于快衰落带来的信号强度的巨大波动，从而减少切换误判的发生。因此每测量4次做一次判决。

（B2）获得切换门限：采取自适应的门限的单向切换策略，K判决点前向切换门限H_{f_k}会小于后向切换门限H_{b_k}，从而激励前向切换的发生，抑制后向切换的发生。设置前向和后向的初始切换门限取值范围为[2dB~4dB]，本实施例分别为H_{f_0}=2dB和H_{b_0}=2dB。考虑的判决门限是线性变化的H_{f_k}=(1-K/M)H_{f_0}，H_{b_k}=(1+K/M)H_{b_0},上面的式子中M指的是总共的判决点的数目，K表示第K个判决点。M计算如下式：M＝L/(τ*4*V),其中τ为测量周期，V为列车运动速度。

（B3）判断是否触发切换：分两种情况考虑，如果用户当前是与源基站连接，则判断是否能够触发执行前向的切换，切换门限为H_{f_k}；如果用户在当前的判决点是与目标基站连接，则判断是否执行后向的切换，切换门限为H_{b_k}。

具体判断过程：在第K个判决点，如果用户的当前服务基站为源基站，若在判决点K处用户从目的基站接收到的平均信号强度与从源基站接收到的平均信号强度之差大于K点处的前向切换门限H_{f_k}，且同时满足P_{t_k}>维持通信的最低功率要求P_min，则进入步骤（C2），否则进入步骤（C1）；在第K个判决点，若在判决点K处用户从源基站接收到的平均信号强度与从目标基站接收到的平均信号强度之差大于K点处的后向切换门限H_{b_k}，且同时满足维持通信的最低功率要求P_min，则进入步骤（C3），否则进入步骤（C1）；

本实施例维持通信的最低功率要求P_min=-90dB。

C切换执行阶段：

(C1)没有触发切换：用户仍然停留在当前基站，则在下一次切换判决之前Δt=4*τ=2s时间内，从当前服务基站接收到的信号强度必须满足大于P_min=-90dB，否则通信中断。

（C2）前向切换：在第K与K+1个判决点之间，若用户从目标基站接收到的信号强度满足系统的服务质量QoS要求，则用户的当前服务基站切换为目标基站，否则通信中断；

（C3）后向切换：在第K与K+1个判决点之间，若用户从源基站接收到的信号强度满足系统的服务质量QoS要求，则用户的当前服务基站切换为源基站，否则通信中断。判断是否驶出重叠区域，如果没有驶出重叠区域，那么回到步骤(A1)，继续下一次的切换，如果在执行完最后一次切换后，用户与目标基站连接，则切换成功，如果不与目标基站连接，那么说明切换失败，通话中断；

整个过程中每个切换决策点处停留在源基站的概率为Pr_s(k)，停留在目标基站的概率为Pr_t(k)，如下面的算法。最后的中断概率为Pr_dropout

Pr_s(k)=Pr_s(k-1)(1-Pr_{trigger_k}(k-1))+Pr_t(k-1)Pr_{HO_back_succcess}(k-1)

Pr_t(k)=Pr_t(k-1)(1-Pr_{trigger_back_k}(k-1))+Pr_s(k-1)Pr_{HO_succcess}(k-1)

判决点发生切换的概率如下：

Pr_ho(k)=Pr_s(k)Pr_{trigger_k}(k-1)+Pr_t(k)Pr_{trigger_back_k}(k-1)

发生前向切换的概率 ${\mathrm{Pr}}_{\mathrm{trigger}\_k}=\mathrm{Pr}[\stackrel{\‾}{P_{t\_k}}-\stackrel{\‾}{P_{s\_k}}>H_{f\_k}|P_{t\_k}>P_{\min }]$

发生后向切换的概率 ${\mathrm{Pr}}_{\mathrm{trigger}\_\mathrm{back}\_k}=\mathrm{Pr}[\stackrel{\‾}{P_{s\_k}}-\stackrel{\‾}{P_{t\_k}}>H_{b\_k}|P_{t\_k}>P_{\min }]$

最后的通话中断概率如下：

Pr_dropout=1-Pr_t(k)

切换次数如下：

N_ho=∑P_ho(k)

图4是本发明方案与非自适应方法的在平均切换次数上的比较，可以发现本发明方法能在不同的速度下都能降低切换次数，抑制乒乓效应。图5是切换中断概率的比较，本发明方法也能有效的降低中断概率，为用户提供更好的通信体验，在速度大的时候，相对于传统方案，改进效果更好。

Claims (1)

1.一种具有自适应切换门限值的蜂窝网单向切换方法，适用于高铁中的高架桥环境下的单基站覆盖场景，列车行驶轨迹中前后两相邻基站分别称为源基站和目标基站，源基站和目标基站之间所覆盖的重叠区域为切换判定执行区域，所述切换判定执行区域划分为M个判决点，M＝L/(τ*4*V)，L为切换执行区域距离，τ为测量周期，V为列车运动速度；相邻的第K与K+1个判决点之间有N个测量点，该切换方法包括以下步骤：

A 测量步骤：

列车进入切换判定执行区域的第K个判决点与第K+1个判决点之间，列车上的移动终端每隔τ时间测量一次从源基站接收到的信号强度从目标基站接收到的信号强度j＝1,…,N；

B 切换触发阶段：

(B1)接收信号取平均： $\stackrel{\‾}{P_{s\_k}}=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{P}_{s\_k_j}/N,\stackrel{\‾}{P_{t\_k}}=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{P}_{t\_k_j}/N;$

(B2)确定切换门限：第K个判决点处的前向切换判决门限H_{f_k}＝(1-K/M)H_{f_0}，第K个判决点处的后向切换判决门限H_{b_k}＝(1+K/M)H_{b_0}，其中H_{f_0}和H_{b_0}分别为前向和后向切换判决门限初始值，H_{f_0}≤H_{b_0}；

(B3)判断是否触发切换：

在第K个判决点，如果用户的当前服务基站为源基站，若在判决点K处用户从目标基站接收到的平均信号强度与从源基站接收到的平均信号强度之差大于K点处的前向切换判决门限H_{f_k}，且同时满足维持通信的最低功率要求P_min，则进入步骤(C2)，否则进入步骤(C1)；在第K个判决点，若在判决点K处用户从源基站接收到的平均信号强度与从目标基站接收到的平均信号强度之差大于K点处的后向切换判决门限H_{b_k}，且同时满足维持通信的最低功率要求P_min，则进入步骤(C3)，否则进入步骤(C1)；

C 切换执行步骤：

(C1)在第K与K+1个判决点之间，若用户从其当前服务基站接收到的信号强度大于维持通信的最低功率要求P_min，则用户的当前服务基站保持不变，否则通信中断；

(C2)在第K与K+1个判决点之间，若用户从目标基站接收到的信号强度满足系统的服务质量QoS要求，则用户的当前服务基站切换为目标基站，否则通信中断；

(C3)在第K与K+1个判决点之间，若用户从源基站接收到的信号强度满足系统的服务质量QoS要求，则用户的当前服务基站切换为源基站，否则通信中断。