PDT終端越區(qū)切換算法設(shè)計(jì)與優(yōu)化

冀 峰，李新國，王旭康

(1.河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司，河北 石家莊 050200;2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十三研究所，天津 300000)

0 引言

警用數(shù)字集群(Police Digital Trunking，PDT)標(biāo)準(zhǔn)是由中國公安部倡導(dǎo)的數(shù)字集群技術(shù)體制、具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)字集群通信標(biāo)準(zhǔn)[1]，可滿足公安等關(guān)鍵領(lǐng)域用戶對高效、專業(yè)無線調(diào)度指揮業(yè)務(wù)的迫切需求[2-3]。

在無線通信過程中，為保證正在進(jìn)行業(yè)務(wù)的連續(xù)性，通過將當(dāng)前連接的信道轉(zhuǎn)移到另一個(gè)信道，進(jìn)一步提高通信質(zhì)量，以繼續(xù)保持通信的過程，稱為越區(qū)切換[4-5]。

越區(qū)切換技術(shù)在地鐵、公安等需要快速移動(dòng)的使用環(huán)境中具有重要意義，是衡量終端性能的重要指標(biāo)[6]，良好的越區(qū)性能能夠保證終端正常的登記和通話等功能，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[7-8]。因此，越區(qū)切換是PDT數(shù)字集群移動(dòng)性管理功能的重要組成部分。

為滿足PDT終端的移動(dòng)性使用要求，越區(qū)切換一般是通過用戶監(jiān)視和掃描基站下行的信號強(qiáng)度，利用預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)重選參數(shù)，根據(jù)響應(yīng)的門限值，進(jìn)行判斷并最終實(shí)現(xiàn)越區(qū)切換[9-10]。但是由于越區(qū)切換過程中鏈路測量、切換速度和信令容錯(cuò)等各種因素，導(dǎo)致終端在越區(qū)切換過程中存在切換速度慢、話音中斷，甚至掉話等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了用戶的體驗(yàn)及實(shí)際場景下的通信效果[11-13]。

為了滿足用戶實(shí)際使用中對越區(qū)切換快速、準(zhǔn)確和穩(wěn)定的需求，對傳統(tǒng)的越區(qū)算法進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。采用延時(shí)提取掃描結(jié)果的方法，將掃描時(shí)間縮短2/3；增加容錯(cuò)處理環(huán)節(jié)，顯著提高了一次越區(qū)成功率；同時(shí)引入相對信號強(qiáng)度判決機(jī)制，抑制了越區(qū)過程中的乒乓切換。

1 越區(qū)切換的典型流程

1.1 越區(qū)切換的基本過程

越區(qū)切換的基本過程分為以下4個(gè)階段：

① 測量階段。終端進(jìn)行下行鏈路的測量，測量終端所在的小區(qū)及相鄰小區(qū)的無線信號強(qiáng)度。

② 觸發(fā)階段。包括預(yù)處理過程和門限比較過程。對數(shù)據(jù)的預(yù)處理是指基站對上行鏈路和終端對下行鏈路的測量報(bào)告進(jìn)行處理的過程。門限比較過程是在一定時(shí)間內(nèi)處理模塊把每個(gè)預(yù)處理后的測量結(jié)果與其相關(guān)的門限做比較以判決是否觸發(fā)切換過程。

③ 選擇階段。根據(jù)對相鄰小區(qū)無線信號強(qiáng)度的測量及比較結(jié)果，結(jié)合小區(qū)的判決準(zhǔn)則，選取出最優(yōu)切換小區(qū)。

④ 執(zhí)行階段。進(jìn)行越區(qū)切換過程,包括新小區(qū)鏈路的建立和舊小區(qū)鏈路的拆除。

1.2 越區(qū)切換的分類

越區(qū)切換根據(jù)業(yè)務(wù)過程中無線基站轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的不同分為話間越區(qū)切換和話中越區(qū)切換2種[14]。

1.2.1 話間越區(qū)切換

在終端越區(qū)切換過程中，根據(jù)基站業(yè)務(wù)參與度的不同，可以分為參與站和非參與站。話間越區(qū)切換的流程如下：

① 話間越區(qū)切換到參與站

組呼越區(qū)切換：此情況下可直接切換到目的小區(qū)，業(yè)務(wù)完成后，需向新小區(qū)發(fā)起注冊和附屬。

單呼越區(qū)切換：終端在滿足越區(qū)條件后，向所在小區(qū)發(fā)送P_RESELECT請求，收到所在小區(qū)的P_BCAST響應(yīng)之后切換到目的小區(qū)，待呼叫業(yè)務(wù)完成后，向新小區(qū)發(fā)起手臺注冊和附屬。

② 話間越區(qū)切換到非參與站

終端在滿足越區(qū)條件后，均需向所在小區(qū)發(fā)送P_RESELECT請求，收到所在小區(qū)的P_BCAST響應(yīng)之后切換到目的小區(qū)，待呼叫業(yè)務(wù)完成后，向新小區(qū)發(fā)起手臺注冊和組附屬。

1.2.2 話中越區(qū)切換

相比話間越區(qū)切換，話中越區(qū)切換的流程要相對復(fù)雜。針對不同的基站類型，話中越區(qū)切換的流程分別如下：

① 話中越區(qū)切換到參與站

組呼越區(qū)切換：此情況下越區(qū)同組呼話間越區(qū)到參與站，直接切換到目的小區(qū)，業(yè)務(wù)完成后，向新小區(qū)發(fā)起注冊。

單呼越區(qū)切換：此情況類似于單呼話間越區(qū)到參與站，終端在滿足越區(qū)條件后，向所在小區(qū)發(fā)送P_RESELECT請求，收到所在小區(qū)的P_BCAST響應(yīng)之后切換到目的小區(qū)，并繼續(xù)保持已參與呼叫，待呼叫業(yè)務(wù)完成后，向新小區(qū)發(fā)起手臺注冊和組附屬。

② 話中越區(qū)切換到非參與站

本站無人講話：終端在滿足越區(qū)條件后，向所在小區(qū)發(fā)送P_RESELECT請求，收到所在小區(qū)的P_BCAST響應(yīng)之后切換到目的小區(qū)，并繼續(xù)保持已參與呼叫，待呼叫業(yè)務(wù)完成后，向新小區(qū)發(fā)起手臺注冊和組附屬。

本站有人講話：當(dāng)本基站有人講話時(shí)，終端無法向所在小區(qū)發(fā)送P_RESELECT請求，此時(shí)終端直接切換到目的小區(qū)，向新小區(qū)發(fā)起RESTORE請求，等到終端收到來自新小區(qū)的HO_GRANT響應(yīng)后，越區(qū)完成，并繼續(xù)保持已參與呼叫，等到呼叫業(yè)務(wù)完成后，向新小區(qū)發(fā)起手臺注冊和組附屬。

2 傳統(tǒng)的越區(qū)切換算法

2.1 越區(qū)切換算法描述

根據(jù)PDT技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及越區(qū)切換的典型處理流程，傳統(tǒng)的越區(qū)切換算法包含以下部分：

① 啟動(dòng)掃描：當(dāng)信號強(qiáng)度低于設(shè)定門限時(shí)，啟動(dòng)背景掃描。

② 背景掃描：終端保持與當(dāng)前小區(qū)的通信，同時(shí)進(jìn)行掃描，將呼叫中廣播的業(yè)務(wù)信道進(jìn)行掃描，針對每一個(gè)信道將終端切頻到該業(yè)務(wù)信道，駐留3個(gè)時(shí)隙，測量該業(yè)務(wù)信道的信號強(qiáng)度，取3次結(jié)果平均值，即為掃描到的業(yè)務(wù)信道的信號強(qiáng)度，掃描不引起業(yè)務(wù)中斷[15-16]。

③ 目標(biāo)小區(qū)判決：在背景掃描完成后，對各業(yè)務(wù)信道的信號強(qiáng)度進(jìn)行判決，取其信號強(qiáng)度最優(yōu)的業(yè)務(wù)信道，作為切換的目的小區(qū)。

④ 啟動(dòng)切換流程：執(zhí)行切換操作，并將舊小區(qū)呼叫信息進(jìn)行清除，完成整個(gè)越區(qū)切換。

越區(qū)切換算法流程如圖1所示。

圖1 越區(qū)切換算法流程

2.2 存在的問題

根據(jù)實(shí)際場景的測試，傳統(tǒng)的越區(qū)切換算法有如下問題：

① 掃描時(shí)間較長

為保證掃描結(jié)果的準(zhǔn)確性，背景掃描過程中信道的測量時(shí)間為3個(gè)時(shí)隙，此時(shí)間段內(nèi)，終端無法處理工作信道下發(fā)的信令，容易引發(fā)終端漏呼的現(xiàn)象。這就需要終端在保證掃描結(jié)果準(zhǔn)確的情況下快速完成掃描，不影響正在執(zhí)行的業(yè)務(wù)。

② 業(yè)務(wù)容錯(cuò)性不足

實(shí)際應(yīng)用場景中，向背景掃描后判決出的最優(yōu)小區(qū)進(jìn)行越區(qū)切換時(shí)，目標(biāo)小區(qū)有可能會(huì)拒絕。此時(shí)終端跳出越區(qū)流程，等待再一次觸發(fā)。這種方式會(huì)導(dǎo)致越區(qū)時(shí)間較長，在小區(qū)信號強(qiáng)度快速變化的使用場景中，容易引發(fā)掉話、掉線，影響用戶體驗(yàn)。

③ 乒乓切換頻繁

在2個(gè)小區(qū)的覆蓋邊界，當(dāng)終端當(dāng)前的駐留小區(qū)和鄰小區(qū)的信號強(qiáng)度均處于切換臨界值時(shí)，會(huì)頻繁觸發(fā)越區(qū)切換流程，導(dǎo)致終端在2個(gè)小區(qū)之間出現(xiàn)乒乓切換，一方面浪費(fèi)基站信道資源，另一方面終端的業(yè)務(wù)性能也會(huì)顯著下降。

3 越區(qū)切換優(yōu)化方法

采用精準(zhǔn)的背景掃描時(shí)間控制、切換容錯(cuò)和乒乓抑制等方法對傳統(tǒng)越區(qū)算法進(jìn)行改進(jìn)，提升了傳統(tǒng)越區(qū)切換算法的實(shí)時(shí)性和容錯(cuò)性。

3.1 精準(zhǔn)的背景掃描時(shí)間控制

背景掃描是越區(qū)切換的基礎(chǔ)，快速準(zhǔn)確的掃描能夠提高越區(qū)速度，保證終端能夠始終工作在良好的基站環(huán)境中，對終端業(yè)務(wù)的連續(xù)性、穩(wěn)定性有重大的意義[17-18]。

為了加快背景掃描的時(shí)間，將終端在掃描信道的測量時(shí)間調(diào)整為1個(gè)時(shí)隙。由于快速地在掃描信道和工作信道之間切換會(huì)導(dǎo)致切換時(shí)隙中提取的掃描信道的RSSI(n)不準(zhǔn)確。經(jīng)過反復(fù)測試發(fā)現(xiàn)，切換回工作信道后的下一個(gè)時(shí)隙提取的RSSI(n+1)的值能夠準(zhǔn)確反映掃描信道的信號強(qiáng)度值，于是將此RSSI值作為掃描結(jié)果存儲(chǔ)在掃描結(jié)果列表中。

經(jīng)過調(diào)整掃描結(jié)果的提取方法，將掃描時(shí)間壓縮到將近原來的1/3，為信號強(qiáng)度快速變化的復(fù)雜使用環(huán)境下的越區(qū)提供了良好的測量基礎(chǔ)。

3.2 切換容錯(cuò)

實(shí)際應(yīng)用場景中，由于目標(biāo)小區(qū)的拒絕，會(huì)出現(xiàn)越區(qū)切換失敗的情況。為保證用戶體驗(yàn)、降低掉話率，采取如下策略。

假設(shè)背景掃描結(jié)束后，掃描臨小區(qū)信號強(qiáng)度的結(jié)果按照從大到小依次為：bs1，bs2，bs3，bs4，…。

啟動(dòng)越區(qū)后，終端開始嘗試向bs1切換，若返回結(jié)果失敗，進(jìn)行標(biāo)記后并同步檢查bs2是否滿足越區(qū)切換條件，若滿足，則嘗試向bs2切換，若仍舊失敗，則檢測bs3是否滿足越區(qū)條件。若滿足越區(qū)條件的基站全部嘗試切換，結(jié)果仍舊失敗時(shí)，則重新觸發(fā)小區(qū)重選流程，開始新一輪的背景掃描。

切換容錯(cuò)算法流程如圖2所示。

圖2 切換容錯(cuò)算法流程

通過增加容錯(cuò)處理環(huán)節(jié)，提高了終端一次越區(qū)切換的成功率，并在流程中對于切換失敗的小區(qū)予以標(biāo)記，更新小區(qū)的篩選和判決準(zhǔn)則，便于終端更加準(zhǔn)確、快速地完成越區(qū)切換。

3.3 兵乓抑制

小區(qū)選擇的目的是保持終端一直登記在一個(gè)信號良好的基站上，以保證提供良好的通信服務(wù)。

相比當(dāng)前小區(qū)，如果相鄰小區(qū)的信號強(qiáng)度沒有超出一定程度，認(rèn)為就可以延遲進(jìn)行小區(qū)重選，否則容易引發(fā)掉話和乒乓效應(yīng)[19-20]。

這里引入相對信號強(qiáng)度x(d)的概念，假設(shè)當(dāng)前小區(qū)的信號強(qiáng)度為a(d)，目的小區(qū)的信號強(qiáng)度為b(d)，那相對信號強(qiáng)度值為：

x(d)=a(d)-b(d)。

將越區(qū)門限值RT和相對信號強(qiáng)度門限值RST同時(shí)作為越區(qū)的參考條件，如果滿足以下條件，終端將開始越區(qū)切換：

當(dāng)參數(shù)值RT和RST的值發(fā)生變化時(shí)，越區(qū)切換次數(shù)和延時(shí)都會(huì)隨之改變，一方面越區(qū)次數(shù)應(yīng)盡量??；另一方面，越區(qū)時(shí)延不能太大，否則無法保證終端的切換速度?；诜抡鎸?shí)驗(yàn)，在RT=-85 dB，RST=4 dB的情況下，實(shí)際使用過程中體驗(yàn)最優(yōu)。

3.4 擴(kuò)展異系統(tǒng)互聯(lián)的支持

越區(qū)到新小區(qū)后，需要盡快獲取新小區(qū)色碼，才能與新小區(qū)進(jìn)行正常的信令交互。色碼通過基站的廣播下發(fā)，在剛越區(qū)到新小區(qū)時(shí)，接收到的色碼值通常不準(zhǔn)確，這樣會(huì)造成色碼更新錯(cuò)誤，影響之后的信令交互。

本設(shè)計(jì)采用快速比較提取的方式來更新色碼，設(shè)計(jì)流程如下：

判斷當(dāng)前時(shí)隙的同步狀態(tài)，若狀態(tài)為不同步，則丟棄該時(shí)隙時(shí)序；若連續(xù)3個(gè)同步時(shí)隙解析的色碼值都相等，則確認(rèn)此色碼值正確，進(jìn)行更新；若第2或第3個(gè)色碼值出現(xiàn)和之前不一致的情況，則拋棄之前記錄的結(jié)果，以此時(shí)的色碼值為基準(zhǔn)，重新開始3個(gè)同步時(shí)隙的色碼解析，直到連續(xù)同步時(shí)隙色碼相同為止。

色碼更新算法流程如圖3所示。

圖3 色碼更新算法流程

通過該設(shè)計(jì)方法，在終端完成越區(qū)切換之后，可以快速獲取和更新當(dāng)前無線信道下的色碼信息，保證終端和基站的正常交互不受影響。

4 測試驗(yàn)證及結(jié)果分析

目前，經(jīng)過優(yōu)化改進(jìn)的終端越區(qū)已經(jīng)應(yīng)用在某型號的PDT手持終端上，為確保其實(shí)際應(yīng)用性能，進(jìn)行如下測試驗(yàn)證工作：

① PDT手持終端掃描時(shí)間驗(yàn)證

通過調(diào)整終端在掃描信道的測量時(shí)間，整體的背景掃描時(shí)間有了明顯的減小。實(shí)驗(yàn)環(huán)境中使用3套基站，某一固定地點(diǎn)處，信號強(qiáng)度分別為-80，-80，-70 dBm。終端A設(shè)置在掃描信道的測量時(shí)間為3個(gè)時(shí)隙，終端B設(shè)置在掃描信道的測量時(shí)間為1個(gè)時(shí)隙，2部終端均在基站bs1注冊。

使用可調(diào)衰減器減弱基站bs1的信號強(qiáng)度，到達(dá)掃描門限后，開始背景掃描，圖4和圖5分別為終端A和終端B的掃描時(shí)間圖，x軸為掃描時(shí)間，y軸為基站頻點(diǎn)。

圖4 終端A掃描時(shí)間圖

圖5 終端B掃描時(shí)間圖

終端A和B最終均正確越區(qū)到基站3，由圖5可看出，終端B的掃描時(shí)間遠(yuǎn)低于終端A。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，終端B采用了極短的掃描時(shí)間就可以準(zhǔn)確測量到業(yè)務(wù)信道的信號強(qiáng)度。

② PDT手持終端寧波地鐵測試

切換容錯(cuò)和乒乓抑制2個(gè)方面的修正，使終端在復(fù)雜環(huán)境下的越區(qū)性能有了很大提升。

在地鐵上使用PDT終端時(shí)，由于列車行進(jìn)速度快，基站信號強(qiáng)度變化迅速，終端需要進(jìn)行頻繁的越區(qū)，對終端的越區(qū)性能要求較高。

在寧波地鐵一號線和二號線對終端進(jìn)行了地鐵行進(jìn)過程中的通話測試。在絕大部分站點(diǎn)，終端能夠順利完成越區(qū)，同時(shí)保證通話良好、話音清晰的使用效果。在個(gè)別站點(diǎn)出現(xiàn)了掉字、掉線的情況，分析為地鐵間無線信號覆蓋較弱導(dǎo)致。測試統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 寧波地鐵終端越區(qū)測試結(jié)果

Tab.1 Ningbo subway terminal handover test results

測試結(jié)果修改越區(qū)算法前修改越區(qū)算法后測試站點(diǎn)數(shù)2525掉字站點(diǎn)數(shù)72掉線站點(diǎn)數(shù)31越區(qū)成功率/%6088

終端的實(shí)際越區(qū)切換性能整體優(yōu)于國際終端廠家的性能，證明了該優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性。

5 結(jié)束語

越區(qū)性能是衡量PDT手持終端整機(jī)性能的重要指標(biāo)，在實(shí)際使用環(huán)境中具有重要意義。從實(shí)時(shí)性、容錯(cuò)性、穩(wěn)定性和兼容性幾個(gè)方面對傳統(tǒng)越區(qū)切換算法進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，解決了越區(qū)切換中存在的切換時(shí)間長、容錯(cuò)性差、乒乓切換嚴(yán)重等問題，提升了終端的越區(qū)性能和用戶體驗(yàn)，并且該設(shè)計(jì)已經(jīng)成功應(yīng)用于某型號警用手持終端，用戶現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。