TD-SCDMA集群通信系統(tǒng)中一種基于系統(tǒng)負(fù)荷的切換策略*

謝靜 唐宏

（重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400065）

1 引言

隨著國(guó)內(nèi)外信息化建設(shè)步伐的加快，數(shù)字集群移動(dòng)通信系統(tǒng)作為專(zhuān)用移動(dòng)通信的最新發(fā)展，在國(guó)內(nèi)外得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。集群通信經(jīng)歷了簡(jiǎn)單對(duì)講系統(tǒng)到單基站小系統(tǒng)，再到大容量多區(qū)域系統(tǒng)的發(fā)展歷程[1]，而后又經(jīng)歷了從模擬集群到數(shù)字集群的飛躍。

集群系統(tǒng)的小區(qū)化以及人們對(duì)集群業(yè)務(wù)需求的不斷提高，使得切換成為集群通信系統(tǒng)提供可靠服務(wù)的必要條件。切換是指移動(dòng)終端與當(dāng)前基站連接斷開(kāi)，與新的基站重新建立連接的過(guò)程。移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)到原基站覆蓋范圍以外、原有通信鏈路質(zhì)量變差以至于無(wú)法繼續(xù)維持通信或者系統(tǒng)負(fù)荷過(guò)重都有可能觸發(fā)切換。一般來(lái)說(shuō)切換分為3個(gè)階段：測(cè)量階段、判決階段和執(zhí)行階段，整個(gè)過(guò)程不會(huì)瞬間完成，所以可能出現(xiàn)各種錯(cuò)誤，導(dǎo)致通信質(zhì)量下降，嚴(yán)重的甚至造成通信中斷。現(xiàn)有的對(duì)切換策略的改進(jìn)思路大多是從減少切換延遲角度進(jìn)行考慮，而且多采用接收信號(hào)的信噪比（SNR）作為切換依據(jù)，基本上忽略了系統(tǒng)負(fù)荷的影響[2]。為了提供更多的服務(wù)、更高的質(zhì)量，如何將系統(tǒng)負(fù)荷與接收信號(hào)的SNR結(jié)合起來(lái)，作為切換的依據(jù)之一成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

2 TD-SCDMA集群通信系統(tǒng)

集群無(wú)線通信系統(tǒng)是近幾年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種較經(jīng)濟(jì)、較靈活的指揮調(diào)度通信系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用在政府機(jī)關(guān)、能源交通、機(jī)場(chǎng)碼頭、工礦企業(yè)、消防警察、水利和軍事等單位，用以滿足各單位內(nèi)部通信聯(lián)絡(luò)的需要。目前的集群通信系統(tǒng)是基于第二代移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，即GSM技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了將集群通信技術(shù)融入到公用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，將PTT業(yè)務(wù)集成到手機(jī)上。隨著第三代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，集群通信系統(tǒng)也將演進(jìn)到采用3G技術(shù)的系統(tǒng)，采用TDSCDMA技術(shù)是集群的演進(jìn)方向。

TD-SCDMA集群通信系統(tǒng)[1]基于現(xiàn)有的TD-SCDMA技術(shù)，在TD-SCDMA公用移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加相應(yīng)的集群業(yè)務(wù)處理部分，即集群核心網(wǎng)或集群業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)，并相應(yīng)增加支持集群業(yè)務(wù)的接口與相應(yīng)協(xié)議。所述無(wú)線集群通信系統(tǒng)，既能提供公用移動(dòng)通信業(yè)務(wù)，也可以提供集群業(yè)務(wù)的功能。

3 基于系統(tǒng)負(fù)荷的切換

對(duì)于無(wú)線移動(dòng)通信系統(tǒng)，雖然在新呼到達(dá)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行相應(yīng)的呼叫接納控制算法，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和已有連接的服務(wù)質(zhì)量，但還是難免出現(xiàn)系統(tǒng)負(fù)荷過(guò)高，超過(guò)系統(tǒng)規(guī)定的負(fù)荷閾值，導(dǎo)致服務(wù)質(zhì)量下降的情況，此時(shí)必須實(shí)施由網(wǎng)絡(luò)側(cè)觸發(fā)的基于系統(tǒng)負(fù)荷的強(qiáng)制切換，以保證系統(tǒng)的整體性能。

觸發(fā)基于系統(tǒng)負(fù)荷的切換需要滿足以下條件：

（1）系統(tǒng)信令流量小于允許負(fù)荷切換系統(tǒng)流量級(jí)別門(mén)限；

（2）需要切換的小區(qū)負(fù)荷高于負(fù)荷切換啟動(dòng)門(mén)限；（3）接受切換的小區(qū)的負(fù)荷低于負(fù)荷切換接收門(mén)限。

在滿足上述條件的基礎(chǔ)上還應(yīng)保證目標(biāo)小區(qū)與服務(wù)小區(qū)之間存在一定的負(fù)荷差，以避免產(chǎn)生乒乓效應(yīng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成不必要的負(fù)擔(dān)。

在TD-SCDMA集群通信系統(tǒng)中業(yè)務(wù)的一個(gè)特點(diǎn)是突發(fā)性比較強(qiáng)[3]，由于系統(tǒng)負(fù)荷等原因，需要小區(qū)切換策略調(diào)整業(yè)務(wù)在小區(qū)間的分布來(lái)降低高負(fù)荷小區(qū)中的話務(wù)量。在系統(tǒng)負(fù)荷較高的情況下，可以考慮由系統(tǒng)側(cè)觸發(fā)部分業(yè)務(wù)的提前切換，以緩解網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷等相關(guān)的策略，例如，將邊緣聽(tīng)用戶提前切換到相鄰小區(qū)，從而減少當(dāng)前小區(qū)的下行功率，降低系統(tǒng)負(fù)荷。在切換過(guò)程中，必須保證業(yè)務(wù)連接不中斷，并滿足業(yè)務(wù)QoS。

3.1 切換測(cè)量啟動(dòng)門(mén)限的設(shè)置

對(duì)于基于系統(tǒng)負(fù)荷的切換，首先必須確定切換的觸發(fā)門(mén)限值，這也是整個(gè)切換過(guò)程中十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，關(guān)系到切換對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。觸發(fā)系統(tǒng)負(fù)荷切換的閾值的設(shè)置需要綜合考慮多方面的因素：

若其值設(shè)置的過(guò)低，可能造成在系統(tǒng)還能保證所承載的各類(lèi)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量時(shí)就觸發(fā)基于系統(tǒng)負(fù)荷的切換，這不僅會(huì)造成系統(tǒng)資源的浪費(fèi)，還會(huì)增大切換概率，從而增加切換失敗的可能性，對(duì)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量造成消極影響；

相反地，若該閾值設(shè)置的過(guò)高，就有可能在系統(tǒng)負(fù)荷已經(jīng)很高時(shí)系統(tǒng)還沒(méi)有做出切換判決，在做出判決后又不能保證在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)成功完成切換，某些業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量會(huì)因?yàn)檫^(guò)高的系統(tǒng)負(fù)荷而受到影響，甚至造成業(yè)務(wù)的中斷。

因此觸發(fā)基于系統(tǒng)負(fù)荷切換的閾值應(yīng)該根據(jù)多種因素進(jìn)行折中考慮，如系統(tǒng)當(dāng)前的負(fù)荷狀況、系統(tǒng)規(guī)定的負(fù)荷閾值、系統(tǒng)所承載的各類(lèi)業(yè)務(wù)對(duì)系統(tǒng)所造成的負(fù)荷量等。

3.2 需要切換的TT及目標(biāo)Node B的選擇

基于系統(tǒng)負(fù)荷的切換策略的重點(diǎn)在于對(duì)將要進(jìn)行切換的TT及其目標(biāo)Node B的選擇。執(zhí)行該過(guò)程時(shí)需要綜合考慮鄰近Node B的負(fù)載情況和移動(dòng)臺(tái)從可視Node B處接收到得SNR。如果僅考慮移動(dòng)臺(tái)從候選小區(qū)接收到的SNR，則有可能因?yàn)樵撔^(qū)的負(fù)荷太重而無(wú)法為切換用戶分配所需的資源；若僅考慮鄰近基站的負(fù)荷狀況，又有可能因?yàn)闊o(wú)線信道的傳輸狀況不好或者干擾過(guò)強(qiáng)而無(wú)法保證切換用戶的服務(wù)質(zhì)量。所以在選擇切換的目標(biāo)小區(qū)時(shí)應(yīng)綜合考慮該小區(qū)的負(fù)載狀況及TT從該小區(qū)接收到的SNR兩個(gè)方面。

另外TD-SCDMA集群業(yè)務(wù)是一種半雙工業(yè)務(wù)。在TD-SCDMA集群組呼業(yè)務(wù)中，主叫用戶占用上行業(yè)務(wù)信道，且一次僅有一個(gè)主叫群用戶；而被叫群用戶共享下行業(yè)務(wù)信道，這種情況下，組呼業(yè)務(wù)中的說(shuō)用戶具有最高的優(yōu)先級(jí)別，說(shuō)用戶的通信質(zhì)量下降或者在切換過(guò)程中發(fā)生中斷是無(wú)法忍受的，所以在系統(tǒng)強(qiáng)制切換中應(yīng)避免組呼中說(shuō)用戶的切換，從而減少組呼說(shuō)用戶斷話的可能性。

基于以上思想[4,5]，構(gòu)造了下面的函數(shù)：

式中：1≤i≤n，n 是與Node Bi相鄰的Node B的個(gè)數(shù)；1≤j≤m，m是反饋Node B列表的TT的個(gè)數(shù)；i，j，m，n均為整數(shù)。SNRNodeBi-TTj(t)表示t時(shí)刻TTj探測(cè)Node Bi所得的SNR值；lNodeBi表示當(dāng)前Node Bi的負(fù)載值。

Sα和Sβ是SNR的兩個(gè)閾值。當(dāng)SNR>Sβ時(shí)，表示信號(hào)質(zhì)量很好，此時(shí)，從其他Node B接收到得的SNR值肯定小于原Node B的SNR值，沒(méi)有必要對(duì)其進(jìn)行切換，所以在啟動(dòng)主動(dòng)探測(cè)時(shí)，應(yīng)預(yù)先排除SNR>Sβ的TT；當(dāng)SNR

f(l)是Node B負(fù)載的函數(shù)，l0為Node B可承受的最大負(fù)載閾值?？梢酝ㄟ^(guò)f(l)根據(jù)需求靈活地調(diào)節(jié)負(fù)載所占的比例，其中k1，k2都是可調(diào)參數(shù)。由f(l)得表達(dá)式可知，f(l)的值隨著l的不斷增加而呈指數(shù)遞減。當(dāng)某Node B的負(fù)載l大于等于l0時(shí)，f(l)等于零。

Q是一個(gè)布爾變量，取值由用戶類(lèi)型決定，若該用戶為組呼業(yè)務(wù)中的說(shuō)用戶，則取Q值為0；若該用戶為其他用戶，則取Q值為1。這樣做是為了避免組呼中的說(shuō)用戶因?yàn)榍袚Q而產(chǎn)生掉話的可能。

在t時(shí)刻，對(duì)每個(gè)TT-Node B對(duì)進(jìn)行SLP函數(shù)計(jì)算，并選取其中的最大值SLPNode-TvT＝max{SLPNodeB-TTi(tj)}(1≤u≤n；l≤v≤m)，u，v都為整數(shù)，對(duì)應(yīng)的Node Bu和TTv即為被選擇的TT及其目標(biāo)Node B，這樣既保證了服務(wù)質(zhì)量，也能夠起到均衡系統(tǒng)負(fù)載的作用；若經(jīng)過(guò)判斷TTv是除組呼業(yè)務(wù)說(shuō)用戶以外的其他用戶，則把與原Node B相連的TTv強(qiáng)制切換到Node Bu上。若Node Bu拒絕接收TTv，則在排除Node Bu和TTv后，再進(jìn)行SLP函數(shù)的計(jì)算，取其中的最大值，直至找到符合條件的強(qiáng)制切換結(jié)果為止。

TD-SCDMA集群系統(tǒng)中基于系統(tǒng)負(fù)荷的切換過(guò)程可以總結(jié)如圖1所示。

圖1 TD-SCDMA集群系統(tǒng)中基于系統(tǒng)負(fù)荷的切換流程圖

綜上所述本文提出的基于系統(tǒng)負(fù)荷的強(qiáng)制切換策略，綜合考慮了集群終端接收到的信號(hào)強(qiáng)度和基站端的負(fù)載信息，從負(fù)載過(guò)重的基站處選擇一個(gè)或者多個(gè)集群終端切換到最佳的基站上，同時(shí)考慮集群系統(tǒng)的組呼業(yè)務(wù)中說(shuō)用戶和聽(tīng)用戶的區(qū)別，對(duì)組呼說(shuō)用戶給予了特殊考慮，避免了集群組呼業(yè)務(wù)中說(shuō)用戶的無(wú)謂切換，能夠降低說(shuō)用戶的切換中斷率，從而提高系統(tǒng)的整體性能。

4 結(jié)論

隨著公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)的快速發(fā)展及人們對(duì)于集群系統(tǒng)調(diào)度功能需求的逐步增強(qiáng)，集群系統(tǒng)出現(xiàn)了與公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)融合的發(fā)展趨勢(shì)。這種情況下，為了構(gòu)建服務(wù)質(zhì)量更高、覆蓋范圍更廣的集群通信系統(tǒng)，基于我國(guó)自主提出的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA技術(shù)的集群系統(tǒng)成為現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)。

集群業(yè)務(wù)的一個(gè)重要特點(diǎn)是突發(fā)性比較強(qiáng)，可能造成網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載較重，甚至超過(guò)系統(tǒng)規(guī)定的負(fù)載閾值，從而影響到系統(tǒng)的性能和服務(wù)質(zhì)量。本文所述的基于系統(tǒng)負(fù)荷的強(qiáng)制切換策略，綜合考慮了TT接收的SNR和Node B的負(fù)載信息，從超過(guò)負(fù)載閾值的Node B處選擇一個(gè)或者多個(gè)TT切換到最佳的Node B上，同時(shí)避免了集群組呼業(yè)務(wù)中說(shuō)用戶的無(wú)謂切換，能夠降低說(shuō)用戶的切換中斷率，從而提高系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性。

[1]柳光，陳德. 在TD-SCDMA系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)集群業(yè)務(wù)的方法. 中國(guó)專(zhuān)利：200510085333.X，2007-01-24

[2]Wang L, Niu Z, Zhu Y,et al. Integration of SNR, load and time in handoff initiation for wireless LAN: the 14th IEEE 2003 International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communication, Beijing,China, September 7-10, 2003. Washington: IEEE, 2003: 2032-2036

[3]李立平，宋莉，熊衛(wèi)剛. 一種數(shù)字集群終端跨調(diào)度客戶端的切換方法. 中國(guó)專(zhuān)利：200610011126.4，2009-07-22

[4]彭蔓蔓，寧晨，李仁發(fā). WLAN中一種基于負(fù)載平衡的AP切換機(jī)制.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，2007,34(3)

[5]Sang A, Wang X D, Madihian M,et al. A load-aware handoff and cell-site selection scheme in multi-cell packet data systems. Global Telecommunications Conference, 2004. IEEE, 2004:3931-3936

[6]徐小濤等. 數(shù)字集群移動(dòng)通信系統(tǒng)原理與應(yīng)用. 北京: 人民郵電出版社，2008