TELKOM NIKA , Vol.14, No .1, March 2 0 1 6 , pp. 129~1 3 5   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v14i1.2742    129      Re cei v ed O c t ober 4, 20 14;  Revi se d Ja n uary 24, 201 6 ;  Accepte d  Febru a ry 8, 20 16   Analysis of Handover Trigger Scheme Based on  Distance for LTE High-speed Railway Networks       Rui Zhang*,  Muqing Wu,  Yifan Zhang   Beiji ng U n ivers i t y  of Posts an d T e lecommun i catio n s, Beiji n g  100 87 6, Chin a  *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : zhangr uib upt @12 6 .com       A b st r a ct   In hig h -spe ed r a ilw ay e n viro n m e n t, freque nt  han dov ers an d  hig h  ha nd over  failur e  pro b a b i lityresult   in seri ous co mmu n icati on i n terrupti ons a nd cal l   drops,  w h ich beco m e pressi ng pr o b le m to be so lved .   Alternativ e refe rence  po int b a s ed  han dov er  sche m e c a n  be  an  ap plic ative  soluti on for  hi g h -spe ed r a il. T h i s   pap er a naly z e s  the i m pact of  han dov er l o ca tion o n  th e h a ndov er p e rfor ma nce. A nd  n u merica l a n a l y s is is  utili z e d  to g i ve  a metho d  to d e termin e  the  di stance fr o m  th e servi ng e N o deB a nd th e a d jac ent o ne to  th e   mo bil e  ter m i n al w hen  ha n dover is tri g g e red. H and ov er failur e  pr o bab ility is  us ed as crit eria  for  perfor m a n ce.  Simulati on  res u lts sh ow  that  the  pro pose d  sche m e h a s  a b e tter p e rfor ma nce  tha n  ty pical   event bas ed sc he me i n  hig h  s pee d env iron ment.    Ke y w ords :  ha ndov er trigg e r, hig h -spe ed ra il , handov er fail ure pro b a b ility     Copy right  ©  2016 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  High -spee d railway s play an increa sin g l y impor tant part in pe opl e’s lives  re ce nt years  [1]. The cu rrent b r oa dba nd wi rele ss comm uni cat i on sy stem s optimize d  f o r lo w mo bi lity  environ ment s can not mai n tain ade qua te perfo rman ce for  pa sse ngers traveling on the  hi gh  spe ed train s   (HST ) any l o nger. Typi cal  hard ha ndov er  sup porte d  by LTE sy ste m s redu ce s t h e   compl e xity of the system  architectu re  but simu lta n e ously b r ing s   about hig her  hand over fail ure  ratio and the  decli ne of the  user exp e ri e n ce in hi gh-speed mo bility environm ent [2].    Han dover b e c ome s  a g r e a t challe nge  in the systems de sig n e d  for high -sp eed rail   mainly due to  the following  rea s on s: wh en the ru nnin g  spe ed of HST achieve s   350 km/h or e v en   highe r in the future, the time interval o f  every two handove r s  can  be as sho r t as 15 s, given   a   size of abou t 1.5km which is typical in Macr o cell  [3], and it  results in a high han dov er  freque ncy; cl assical event handove r  algorithm  trig g e rs a ha ndo ver pro c ed ure basin g on HO   hystere s i s  an d Time to Tri gger,  whi c h i n crea se s the  time latency  of handove r   and me anwhi le it  may lead to Radi o Link F a ilure (RL F ) b e fore the u s e r  terminal s su ccessfully  acce ss to the target  eNo deB. Several  pape rs h a ve provided  optimize d   scheme s  for LT E hand over. I n  refe ren c e  [4],  the autho rs a nalyze d  the impact of p r op agation e n vironment a nd velocity of UE  on the ha ndo ver  perfo rman ce.  The referen c e [5] gave  a thre shol d  hand over tri g gerin g sch e m e for  wirel e ss  netwo rks. Re feren c e [6, 7] also introdu ced alg o rith ms for LTE system s to improve ha nd ove r   perfo rman ce.   In ord e r to  so lve the proble m s me ntione d  above,  th e referen c e  [8] prop osed a  h andove r   algorith m  u s i ng the  pa rticu l arity of the  ra ilway  environment. Acc o rding to  referenc e [9], handover  pro c ed ure co uld be  execu t ed ba sed  o n  GPS (Gl o b a l Position  System) info rmation. But the  hand over ref e ren c e point whi c h  i s   the most  a ppr opriate to achiev e sati sfying p e rform a n c e  was  not given. So in this pa per, the ana lysis of  han dover trigg e r location will  be prop ose d .  Con s id erin g the path loss, log-n o rm al  shad ow i ng  and freq uen cy selective fast fading, the   hand over  pe rforma nce b a se d on  ha n dover fail ur e  pro bability  at ce rtain di stan ce from  the  servin g statio n can b e  figu red out. In this wa y, the ha ndover  refere nce p o int ca n  be determi n e d   throug h num erical analy s i s .  The pa pe r is orga nized a s  follo ws: Se cti on 2 i n tro duces th e sy stem mo del  and th e   locatio n -b ase d  handove r  p r ocedu re. Nu meri cal analy s is a nd han d o ver refe ren c e point choi ce   are  sho w n in  se ction 3. Se ction 4  sho w s the simu la tion  r e s u lts  an d   fin a lly c o nc lus i o n s  ar e  dr aw n   in se ction 5.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 1, March 2 016 :  129 – 1 3 5   130 2. Sy stem Model and Lo cation - ba se d Handov er Procedur e Introdu ction   LTE netwo rk architectu re  is co nstituted  of  three pa rts as  sh own in Figure 1: e v olved- Nod e B (e No deB), Mobile  Manage men t  Entity  (MME), and Servi ng Gate way (S-G W) / Pa cket  Data  Net w o r k Gate way  (P-GW). Th e e N odeB  perfo rm s all  radio  int e rface  relate d  functio n s  su ch  as packet scheduli ng  a nd hand over  m e cha n ism.  MM E manag es  mobility, use r  equip m ent  (UE)   identity and secu rity para m eters. S-G W  and P-G W   are two nod es that termi nate the interface  towar d s E- UT RAN an d Pac k et Data  Net w or k r e s p e c tiv e ly  [10].        Figure 1. E-UTRAN a r chite c ture       Combi ned  wi th the groun d-to-t rain pa rt, the network ca n be sh own a s  Figu re 2: the   radio f r eq uen cy sig nal s ge nerate d  at B a se Ba nd  Un it (BBU) a r e  firstly co nvert ed into o p tical  sign als an d tran smitted th roug h the fiber to it s Radi o Remot e   U n it  (RR U ).  B B U sen d s  sa me  sign als to its  RRUs a nd  o n ly pa rt of th e RRUs rece ive sig nal s from the  trai n  at a  ce rtain ti me  interval. For t he network o n  the train, vehicl e  termin al provid es th e last ho p co mmuni cation  for  the sub s crib e r s in th e  ca rri age. In  this p aper,  we  con s ide r  th e h a n dover bet wee n  sou r ce  cell  and   target cell.          Figure 2. eNo deB develop ment along  ra ilway       The followi ng s sh ow the  steps of the  lo cation-b a sed h andove r  procedure step s:   Whe n  the  UE enters the  overlap  re gio n , it  sen d s m easure m ent  report s  p e rio d i cally to  the sou r ce eNod eB, inclu d ing the sp e ed and lo cati on informatio n get from GPS. When the  spe ed is  high er than  a cert ain thre sh old th V , the pro p o s e d  schem e wil l  be ch osen,  or othe rwise  typical A3  ev ent ba se d  scheme  should   be u s e d .  Wh en the  lo catio n  info rmation   indicates that  the   distan ce b e tween the train  and the ha nd over re fe ren c e point is cl oser than a thre shol d of th d , the   sou r ce e N o d e B ma ke s th e HO de ci sio n  an d send s  the HO requ est to th e target e N odeB.  The   target e N o d e B  save s the  context, prep aring  L1/L2   for  HO a nd  re spo ndin g  to the sou r ce wit h  a   HO  req u e s t  ACK. The  so urce e N o deB  tran sfers al l   the ne ce ssary information  to the  UE in  the  H O  co mmand .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Analysis of Hando ve r Trig ger Schem e Based o n  Di stance fo r LTE  High-sp eed … (Rui Z han g)  131 From  then  o n , so urce  e N odeB  begin s   to fo rward d o w nlin k  data t o  the  targ et  eNo deB.  Simultaneo usly, UE detaches from  sou r ce  eNodeB  and syn c h r o n ize s  to the  target on e. And  then, UE sen d s HO co nfirmation to targ et eN od eB ab out the su cce ss of radio ha ndover.    Finally, targ et eNodeB  beg ins to  send  its b u ffered  da ta re ceived  from the  so urce on e   and  sen d s  HO co mplete  messag e to i n itiate data  p a th switchi ng.  After MME/S-G W confirm s  the  path switchin g, target e N odeB will n o tice  sou r ce  e N od eB to flush its fo rward downlin k d a ta  buffer and  rel ease re sou r ce.      3. Numerical  Analy s is an d Handov er Referen ce P o int Choic e   In this  sectio n, the num eri c al a nalysi s   of  hand over  referen c e  poi nt choi ce i s   p r opo se d,  con s id erin g t he ha ndove r  failure  pro bability.  For the nu meri cal  evaluatio n, the an alysis  diagrammati c sket c h is  sho w n in Figu re  3.          Figure 3. Analysis dia g ra m m atic sket ch       The di stan ce  betwe en the   servin g e N od eB and th e a d jacent e N od eB is D . The di stance   betwe en th e  eNo deB a nd  railway is s d .  h D  repre s e n ts th e len g th of  o v erlap  re gion . The trai n   location  x is th e distan ce  b e twee n the  vehicle  stat io n and o r igin  in X-axis. T herefo r e, th e  distan ce b e twee n the veh i cle  station a nd the  sou r ce and ta rget  eNo deBs  ca n  be expresse d as 22 s s Dx d  , 22 () ts DD x d   resp ective ly. OFDM  (Orth ogo n a l Fre quen cy Division  Multiplexing)  is utili zed fo r data tran sm issi on.  Th us,  the b a seba nd  sign al received fro m  t he  sou r ce eNod eB can be o b t ained a s  follow:     1 2 0 ( ) () () N jm f t ss s s n s n rt p l s h h t d e t                                                                                   (1)    Whe r e 2 s s pl A D   re pre s ent s the  pat h lo ss,  A is a  consta nt, and  is the  path l o ss expo nent.   2 s s h is the log - no rmally distrib u ted sh ado win g  fading,  () s ht  is the sm all scal e Rayleig h  fading,  N is the total n u m ber  of su bcarri ers,  n d  is tra n smitted  data  and tran smit power  2 [| | ] dn PE d ,  f is  sub c a rri er sp acin g and  () s t ind i cate s the ze ro mean Ga ussian n o ise.  Acco rdi ng to  [11], the sign al stre ngth  re ceived from  source e N o d e B  defined a s   s R in dB  can b e  cal c ul ated as follo w:    ˆ 22 ˆ 2 10 l g ( | | [ | ( ) | ]) 1 0 l g ( ) 10 l g 10 l g n sd s s n ds s RP p l s h E k PA D s h                                                                                    (2)    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 1, March 2 016 :  129 – 1 3 5   132 Whe r e 1 1 2 0 0 1 (2 ) ( 1 | | ) L lD s l J fT x x d x   ,  2 l repre s ent s the sh ado w fading  deviation,  D s f T is  the normaliz e d maximum  Doppler f r equenc y  s h ift.  ˆ ˆ () n n k  is the u s eful f a ctor  co ntrib u ted to the   th n sub c a rri er, an d can b e  expressed a s :     1 ˆ ˆ 2/ ˆ , 0 0 1 () ( ) s L T nj n l N ns l l s ke h t k T d t T                                                                                              (3)    The sig nal st rength from ta rget eNodeB  can b e  define d  simila rly as  t R based on Eq uation (2 ).   Whe n  the train is in the  overlap re gi on, if the ve hicle termina l  is not trigg e red to  hand over b e fore th e si gn al strength f r om sour ce  e N od eB de ca ys to a level  lowe r tha n   a  threshold  T whi c h is the min i mum re ceive d  sign al st re ngth to maintain the com m unication,  o r   the si gnal  st rength f r om t a rget  eNode B is l o we r th an  T after the   hand over i s  t r igge re d, the   hand over fail ure  occu rs.  So the ha nd over failu re p r oba bility can  be divide d i n to failure  be fore   trigge ring a n d  failure after triggeri ng, d enoted by  _ fb P and  _ fa P re spe c tively. Therefore, the point   that has both  minimized  _ fb P and  _ fa P can b e  sel e cted a s  the h andove r  refe rence point.   In traditio nal  GPS-b a sed  han dover a l gorithm, th e  han dover referen c e  poi nt is a   statistical result based  on  repe ated m e asu r em ent.  We  su ppo se  that the hyst ere s is level i s   U (dB). So the hand over fail ure proba bility before  trigg e ring  whe n  the handove r  trigger p o int is  x can b e  expre s sed a s :    2 2 _ 2 {| } {, } {} 1 {1 0 / | } { } {} 10 l g ( / ) 11 (1 ( ) ) {} 2 s fb t s s st s s ts t s s s st st s PP R R U R T PR T R R U PR T PS U D D S P S d PR T UD D Qe d PR T                                           (4)    Whe r e 10 l g ( ) 10 l g ds TP A D  , and   1 0 lg ( ) 1 0 lg {} 1 ( ) ds s TP A D PR T Q   . And   the hand over  failure p r ob ab ility after triggering  can b e  expre s sed si milarly as:     2 2 _ 2 {| } {, } {} 1 {1 0 l g ( / ) | } { } 10 l g ( / ) 11 (1 ( ) ) 2 t fa t t s tt s ts ss t t t ho st ho s t PP R T R R U PR T R R U PR R U PS D D U S P S d P DD U Qe d P                                                   (5)    Whe r e  10 l g ( ) 10 l g dt TP A D  ,  { } (( 1 0 lg ( / )) / ) ho t s s t PP R R U Q U D D  , and   22 s t   .   Acco rdi ng to  Equation (4 ) and (5 ), wh en t he dista n c e bet wee n  the two e N od eBs is  fixed,  _ fb P  will increase  when  the handover point x becom es l a rg er, whil e  _ fa P ha s an  oppo site  tren d. Therefo r e,  con s ide r ing  both hand o v er failure p r oba bilities b e fore a nd af ter  trigge ring, th e poi nt ap propriate  to  execute   ha ndo ver  can  be  configured  an d sele cted  a s  th e   referen c e poi nt, when the failure p r o babi lity  f P  is minimum at location x as Equatio n (6):   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Analysis of Hando ve r Trig ger Schem e Based o n  Di stance fo r LTE  High-sp eed … (Rui Z han g)  133 __ (1 ) * (1 ) f fb f a PP P                                                                                                           (6)      4. Results a nd Analy s is  The pe rform ance of the prop osed scheme  ba se d  on distan ce  can be vali dated by  simulatio n . T he  spe ed  ran ge of th e trai n is supp o s ed  to  be  60 km/h  to  36 0km/h .  T h e   o v er la p   area of adj acent cell s is a s sume d to be 1.5km.        The simul a tion pa ramete rs are sho w n i n  Table  1. Th e pro pag atio n model  of Cost23 1- Hata is u s e d  [12], and it ca n be expre ssed as Equ a tio n  (7):     46. 3 33. 9 l g 13. 82 l g ( ) ( 44. 9 6 . 5 5 l g ) l g cb b m Lf H H m H d C                (7)    The  ch annel   model  of thi s  scen e i s  m o untain  enviro n ment. Th e e s timated   m C can be  o b taine d   from project e x perien c e a s   Equation (8):     10.03 m C                                                                                                                                          (8)      Table 1. Simulation Para meters  List  Energ y   Power   1  Band w i dth of Su bcarrier   15kHz  2 Carrier  Fre quenc y  2.6GHz   3 S y stem  Band w i d t h  10MHz  4  Transmission Time Interval(T TI)   1ms  5 Overlap   300m   6  Distance betwee n  eNodeB an d R a ilw a y  Line   100m   7 Transmitting  Po w e r   46dBm  8 Noise  -148.95dB/sub -channel  9  Path Loss  Refer to Eq.  (7)  10  Log-no rmal Shad ow   Fading   Standard D e viation=8dB  Mean=0   11  Signal Threshold  T  -58dBm       We  ch oo se t he tri gge ring   points withi n   1300m ~1 600 m re gion  in t he ove r lap  a r ea. Th e  relation shi p  b e twee n the h andove r  failure and the  trig gerin g point i s  sim u lated.  Figure 4 sh o w s  the analysi s  o f  handover fai l ure p r ob ability before trigg e ring h app eni ng.           Figure 4. Handover failure  pr obability before triggering    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 1, March 2 016 :  129 – 1 3 5   134 And Figu re  5 sho w s the  tenden cy variation of  h andove r  failu re proba bility after trigge ring   happ ening  at  given lo catio n s. It can b e   see n  t hat  wh en trig geri ng  happ en s cl oser to th e  sou r ce   eNo deB, a lowe r failure prob ability be fore trigg e ri n g  can  be obt ained, an d it con s tantly g e ts  highe r evid e n tly along  wit h  the l o catio n  moving   cl o s er to th e target e N od eB. Mean whil e,  the   failure p r ob ab ility after triggering h a s a d o wntrend p r e s entin g a co n t rary variation .   The h and ove r  failu re p r o bability wh en  trigge ring  within 130 0m ~1600m  is sh own  in  Figure 6.  Comprehensiv ely consi d ering the fa ilure probability before  and after t r iggering  happ ening,  it ca n b e   see n  that it g o e s  u p  afte r d r oppin g . Thi s   illustrate s th a t  whe n   spe c i f ic  scena rio is gi ven, a small region  suited t o  trigge r han dover in the  overlap a r e a  can b e  analy z ed   according to  the ch ann el environ ment , so a s   to redu ce the  h andove r  failu re p r ob ability to  accepta b le ra nge.         Figure 5. Handover fa ilure probability  after  trigge ring   Figure 6. Handover fa ilure probability  when  trigge ring at g i ven locatio n         Figure 7. Performa nce com pari s on of tra d itional and  p r opo se d sche me      Comp ari s o n  betwe en the prop osed sch e me  and typical event ba sed schem e is shown   in Figure 7. It can be seen that they h a ve si milar perform a nce i n  low mobilit y environment.  Whe n  the user termin al ru ns at a high  spe ed,  event  base d  sche me displ a ys  a perfo rman ce of  seri ou s de clin e.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Analysis of Hando ve r Trig ger Schem e Based o n  Di stance fo r LTE  High-sp eed … (Rui Z han g)  135 5. Conclusio n   This pa per h a s analy z ed  a handove r  schem e ba se d on distan ce information  for LTE  high-sp eed  rail networks.  A method  of sele cting  hand over  ref e ren c e  point  is provided  for  scena rio s  giv en  cha nnel  e n vironm ent.  Simulation  re sults sho w  t hat a  sm all region  suited  to  trigge r in  the  overlap  a r ea   can  be  obtai n ed,  an d the  h andove r  p e rf orma nce  can   be in crea sed   by  redu cin g  the   hand over fail ure  proba bility.The pr opo sed  scheme  can a dapt to  the hi gh-sp ee d rai l   environ ment  better than typical eve n t base d  sc he me , becau se it  can eli m inate  ping-pong  HO  and a c hieve  prefe r abl e ha ndover failu re  proba bility.      Ackn o w l e dg ements   This work wa s su ppo rted b y  Technol ogy  Major Proj ects (No.2011 Z X 03001 -0 07-03).       Referen ces   [1]  Che n g w e i  L, Mingc hin C, Mengc han g C .  S eamless Han dover for  High-Sp ee d T r ains Usin g   F e mtocell-B a s ed Mu ltipl e  Egress  Ne t w ork  Interfa c es.  IEEE Transactions  on Wir e less  Co mmun icati o ns . 2014; 1 3 (1 2): 6619- 66 27.   [2]  Meng-S h iu an  P,  T z u-Ming L,  Men-T s uen C .  An E nha nced  Hand over Sc heme for Mo bi le Re la ys i n   LT E-A High Spee d Ra il Net w o r ks.  IEEE Transactions on Vehicular Tec hnology . 2 0 1 5 ; 64(2): 74 3- 756.   [3]  ET SI  T R  102.281: Detai l e d  re quir e ments  for GSM operatio n  on Rai l w a ys, v 2 .0.0. 200 6.  [4]  Saif-Ur-Re h ma n Q, Syed Ju nai d N, Moha mmad P.  T he imp a ct of pro pag atio n envir on me nt a n d   velocity on the  handov er  perform ance of LTE  system s . Proc . of Internation a l Co nfere n ce  on W i rel e ss   Commun i cati o n s and Si gn al  Processi ng. Su  Z hou. 201 0: 1-5.  [5]  Limin g  C, Qin g  G, Z heng yu  N, Kai y ua n J .  A  T h reshol d  Based H a n d o v er T r iggerin g  Scheme i n   Heterogeneous Wireless Net w orks.  T e lko m n i ka (T elec o m mu nicati on  Co mp uting El ectronics a n d   Contro l) . 2014;  12(1): 163- 17 2.  [6]  Danis h  A, Rolf  S.  Improve m ent of LT E Handov er Perfor ma nce thro ug h Interference  Coor din a tio n .  Proc. of Vehicu lar T e chnolo g y  Confere n ce (V T C ). 2009: 1-5.   [7]  Li J, T i an L, Z hou  Y.  An  ad aptive  ha nd ov er trigg e r sc he me  for w i rel e s s  co mmun icati ons  on  hig h   spee d rail . IEEE Internatio nal  Confer ence  on Commun i cati o n s (ICC). 2012:  5185- 51 89.   [8]  Linl in L, Mu qin g  W ,  Yifan Z .   A Hand over Al gor ithm for LT E S y stem b a s ed on th e T a rget Cel l  Pre- Bearer i n  Hig h - spee d Rai l w a y Envir onm ent .  Internationa l Journ a l of  Adv ance m ents in  Co mp uting   T e chno logy . 2 012; 4(2 2 ): 631 -640.   [9]  Linl in  L, Muqi n g  W ,  W e i W .   A GPS-based  han dov er al gor ithm in LT E hi gh-sp eed r a il wa y   net w o rks.  Advanc es in In formati on Sci e nces an d Servi c e Scienc es . 2012; 4(9): 2 05- 213.   [10]  3GPP  T S  36.423: Evolve d U n iv ers a l T e rrestrial Ra dio Acc e ss Net w ork ( E -UT R AN) X2  Applic ation   Protocol ( X 2A P), V8.3.0. 200 8.  [11]  T i an L, Li J, Hu ang Y. S eaml e ss Dua l -Li n k H and over Sc he me inBr oad ba n d  W i rel e ss Co mmunicati o n   S y stems for H i gh-Sp ee d Ra il.   IEEE Journal  on S e lected  Ar eas inCommunications . 20 12;  30(4):  708- 717.   [12]  Reka w t  SH, T A  Rahma n , AY Abdulr ahm a n . LT E Coverage N e t w ork  Plan nin g  an d  Comp ariso n   w i t h Differ ent Propa gati on Mode ls.  T e lko m n i ka (T el eco m mu nicati on  Co mp uting E l ectronics  and   Contro l) . 2014;  12(1): 153- 16 2.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.