PDT終端越區切換算法設計與優化

冀 峰，李新國，王旭康

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

0 引言

警用數字集群(Police Digital Trunking，PDT)標準是由中國公安部倡導的數字集群技術體制、具有中國自主知識產權的數字集群通信標準[1]，可滿足公安等關鍵領域用戶對高效、專業無線調度指揮業務的迫切需求[2-3]。

在無線通信過程中，為保證正在進行業務的連續性，通過將當前連接的信道轉移到另一個信道，進一步提高通信質量，以繼續保持通信的過程，稱為越區切換[4-5]。

越區切換技術在地鐵、公安等需要快速移動的使用環境中具有重要意義，是衡量終端性能的重要指標[6]，良好的越區性能能夠保證終端正常的登記和通話等功能，具有重要的現實意義[7-8]。因此，越區切換是PDT數字集群移動性管理功能的重要組成部分。

為滿足PDT終端的移動性使用要求，越區切換一般是通過用戶監視和掃描基站下行的信號強度，利用預設的網絡重選參數，根據響應的門限值，進行判斷并最終實現越區切換[9-10]。但是由于越區切換過程中鏈路測量、切換速度和信令容錯等各種因素，導致終端在越區切換過程中存在切換速度慢、話音中斷，甚至掉話等現象，嚴重影響了用戶的體驗及實際場景下的通信效果[11-13]。

為了滿足用戶實際使用中對越區切換快速、準確和穩定的需求，對傳統的越區算法進行了改進和優化。采用延時提取掃描結果的方法，將掃描時間縮短2/3；增加容錯處理環節，顯著提高了一次越區成功率；同時引入相對信號強度判決機制，抑制了越區過程中的乒乓切換。

1 越區切換的典型流程

1.1 越區切換的基本過程

越區切換的基本過程分為以下4個階段：

① 測量階段。終端進行下行鏈路的測量，測量終端所在的小區及相鄰小區的無線信號強度。

② 觸發階段。包括預處理過程和門限比較過程。對數據的預處理是指基站對上行鏈路和終端對下行鏈路的測量報告進行處理的過程。門限比較過程是在一定時間內處理模塊把每個預處理后的測量結果與其相關的門限做比較以判決是否觸發切換過程。

③ 選擇階段。根據對相鄰小區無線信號強度的測量及比較結果，結合小區的判決準則，選取出最優切換小區。

④ 執行階段。進行越區切換過程,包括新小區鏈路的建立和舊小區鏈路的拆除。

1.2 越區切換的分類

越區切換根據業務過程中無線基站轉發業務數據的不同分為話間越區切換和話中越區切換2種[14]。

1.2.1 話間越區切換

在終端越區切換過程中，根據基站業務參與度的不同，可以分為參與站和非參與站。話間越區切換的流程如下：

① 話間越區切換到參與站

組呼越區切換：此情況下可直接切換到目的小區，業務完成后，需向新小區發起注冊和附屬。

單呼越區切換：終端在滿足越區條件后，向所在小區發送P_RESELECT請求，收到所在小區的P_BCAST響應之后切換到目的小區，待呼叫業務完成后，向新小區發起手臺注冊和附屬。

② 話間越區切換到非參與站

終端在滿足越區條件后，均需向所在小區發送P_RESELECT請求，收到所在小區的P_BCAST響應之后切換到目的小區，待呼叫業務完成后，向新小區發起手臺注冊和組附屬。

1.2.2 話中越區切換

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

① 話中越區切換到參與站

組呼越區切換：此情況下越區同組呼話間越區到參與站，直接切換到目的小區，業務完成后，向新小區發起注冊。

單呼越區切換：此情況類似于單呼話間越區到參與站，終端在滿足越區條件后，向所在小區發送P_RESELECT請求，收到所在小區的P_BCAST響應之后切換到目的小區，并繼續保持已參與呼叫，待呼叫業務完成后，向新小區發起手臺注冊和組附屬。

② 話中越區切換到非參與站

本站無人講話：終端在滿足越區條件后，向所在小區發送P_RESELECT請求，收到所在小區的P_BCAST響應之后切換到目的小區，并繼續保持已參與呼叫，待呼叫業務完成后，向新小區發起手臺注冊和組附屬。

本站有人講話：當本基站有人講話時，終端無法向所在小區發送P_RESELECT請求，此時終端直接切換到目的小區，向新小區發起RESTORE請求，等到終端收到來自新小區的HO_GRANT響應后，越區完成，并繼續保持已參與呼叫，等到呼叫業務完成后，向新小區發起手臺注冊和組附屬。

2 傳統的越區切換算法

2.1 越區切換算法描述

根據PDT技術標準及越區切換的典型處理流程，傳統的越區切換算法包含以下部分：

① 啟動掃描：當信號強度低于設定門限時，啟動背景掃描。

② 背景掃描：終端保持與當前小區的通信，同時進行掃描，將呼叫中廣播的業務信道進行掃描，針對每一個信道將終端切頻到該業務信道，駐留3個時隙，測量該業務信道的信號強度，取3次結果平均值，即為掃描到的業務信道的信號強度，掃描不引起業務中斷[15-16]。

③ 目標小區判決：在背景掃描完成后，對各業務信道的信號強度進行判決，取其信號強度最優的業務信道，作為切換的目的小區。

④ 啟動切換流程：執行切換操作，并將舊小區呼叫信息進行清除，完成整個越區切換。

越區切換算法流程如圖1所示。

圖1 越區切換算法流程

2.2 存在的問題

根據實際場景的測試，傳統的越區切換算法有如下問題：

① 掃描時間較長

為保證掃描結果的準確性，背景掃描過程中信道的測量時間為3個時隙，此時間段內，終端無法處理工作信道下發的信令，容易引發終端漏呼的現象。這就需要終端在保證掃描結果準確的情況下快速完成掃描，不影響正在執行的業務。

② 業務容錯性不足

實際應用場景中，向背景掃描后判決出的最優小區進行越區切換時，目標小區有可能會拒絕。此時終端跳出越區流程，等待再一次觸發。這種方式會導致越區時間較長，在小區信號強度快速變化的使用場景中，容易引發掉話、掉線，影響用戶體驗。

③ 乒乓切換頻繁

在2個小區的覆蓋邊界，當終端當前的駐留小區和鄰小區的信號強度均處于切換臨界值時，會頻繁觸發越區切換流程，導致終端在2個小區之間出現乒乓切換，一方面浪費基站信道資源，另一方面終端的業務性能也會顯著下降。

3 越區切換優化方法

采用精準的背景掃描時間控制、切換容錯和乒乓抑制等方法對傳統越區算法進行改進，提升了傳統越區切換算法的實時性和容錯性。

3.1 精準的背景掃描時間控制

背景掃描是越區切換的基礎，快速準確的掃描能夠提高越區速度，保證終端能夠始終工作在良好的基站環境中，對終端業務的連續性、穩定性有重大的意義[17-18]。

為了加快背景掃描的時間，將終端在掃描信道的測量時間調整為1個時隙。由于快速地在掃描信道和工作信道之間切換會導致切換時隙中提取的掃描信道的RSSI(n)不準確。經過反復測試發現，切換回工作信道后的下一個時隙提取的RSSI(n+1)的值能夠準確反映掃描信道的信號強度值，于是將此RSSI值作為掃描結果存儲在掃描結果列表中。

經過調整掃描結果的提取方法，將掃描時間壓縮到將近原來的1/3，為信號強度快速變化的復雜使用環境下的越區提供了良好的測量基礎。

3.2 切換容錯

實際應用場景中，由于目標小區的拒絕，會出現越區切換失敗的情況。為保證用戶體驗、降低掉話率，采取如下策略。

假設背景掃描結束后，掃描臨小區信號強度的結果按照從大到小依次為：bs1，bs2，bs3，bs4，…。

啟動越區后，終端開始嘗試向bs1切換，若返回結果失敗，進行標記后并同步檢查bs2是否滿足越區切換條件，若滿足，則嘗試向bs2切換，若仍舊失敗，則檢測bs3是否滿足越區條件。若滿足越區條件的基站全部嘗試切換，結果仍舊失敗時，則重新觸發小區重選流程，開始新一輪的背景掃描。

切換容錯算法流程如圖2所示。

圖2 切換容錯算法流程

通過增加容錯處理環節，提高了終端一次越區切換的成功率，并在流程中對于切換失敗的小區予以標記，更新小區的篩選和判決準則，便于終端更加準確、快速地完成越區切換。

3.3 兵乓抑制

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

相比當前小區，如果相鄰小區的信號強度沒有超出一定程度，認為就可以延遲進行小區重選，否則容易引發掉話和乒乓效應[19-20]。

這里引入相對信號強度x(d)的概念，假設當前小區的信號強度為a(d)，目的小區的信號強度為b(d)，那相對信號強度值為：

x(d)=a(d)-b(d)。

將越區門限值RT和相對信號強度門限值RST同時作為越區的參考條件，如果滿足以下條件，終端將開始越區切換：

當參數值RT和RST的值發生變化時，越區切換次數和延時都會隨之改變，一方面越區次數應盡量小；另一方面，越區時延不能太大，否則無法保證終端的切換速度。基于仿真實驗，在RT=-85 dB，RST=4 dB的情況下，實際使用過程中體驗最優。

3.4 擴展異系統互聯的支持

越區到新小區后，需要盡快獲取新小區色碼，才能與新小區進行正常的信令交互。色碼通過基站的廣播下發，在剛越區到新小區時，接收到的色碼值通常不準確，這樣會造成色碼更新錯誤，影響之后的信令交互。

本設計采用快速比較提取的方式來更新色碼，設計流程如下：

判斷當前時隙的同步狀態，若狀態為不同步，則丟棄該時隙時序；若連續3個同步時隙解析的色碼值都相等，則確認此色碼值正確，進行更新；若第2或第3個色碼值出現和之前不一致的情況，則拋棄之前記錄的結果，以此時的色碼值為基準，重新開始3個同步時隙的色碼解析，直到連續同步時隙色碼相同為止。

色碼更新算法流程如圖3所示。

圖3 色碼更新算法流程

通過該設計方法，在終端完成越區切換之后，可以快速獲取和更新當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 測試驗證及結果分析

目前，經過優化改進的終端越區已經應用在某型號的PDT手持終端上，為確保其實際應用性能，進行如下測試驗證工作：

① PDT手持終端掃描時間驗證

通過調整終端在掃描信道的測量時間，整體的背景掃描時間有了明顯的減小。實驗環境中使用3套基站，某一固定地點處，信號強度分別為-80，-80，-70 dBm。終端A設置在掃描信道的測量時間為3個時隙，終端B設置在掃描信道的測量時間為1個時隙，2部終端均在基站bs1注冊。

使用可調衰減器減弱基站bs1的信號強度，到達掃描門限后，開始背景掃描，圖4和圖5分別為終端A和終端B的掃描時間圖，x軸為掃描時間，y軸為基站頻點。

圖4 終端A掃描時間圖

圖5 終端B掃描時間圖

終端A和B最終均正確越區到基站3，由圖5可看出，終端B的掃描時間遠低于終端A。通過優化設計，終端B采用了極短的掃描時間就可以準確測量到業務信道的信號強度。

② PDT手持終端寧波地鐵測試

切換容錯和乒乓抑制2個方面的修正，使終端在復雜環境下的越區性能有了很大提升。

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

在寧波地鐵一號線和二號線對終端進行了地鐵行進過程中的通話測試。在絕大部分站點，終端能夠順利完成越區，同時保證通話良好、話音清晰的使用效果。在個別站點出現了掉字、掉線的情況，分析為地鐵間無線信號覆蓋較弱導致。測試統計結果如表1所示。

表1 寧波地鐵終端越區測試結果

Tab.1 Ningbo subway terminal handover test results

測試結果修改越區算法前修改越區算法后測試站點數2525掉字站點數72掉線站點數31越區成功率/%6088

終端的實際越區切換性能整體優于國際終端廠家的性能，證明了該優化設計的有效性。

5 結束語

越區性能是衡量PDT手持終端整機性能的重要指標，在實際使用環境中具有重要意義。從實時性、容錯性、穩定性和兼容性幾個方面對傳統越區切換算法進行了優化和改進，解決了越區切換中存在的切換時間長、容錯性差、乒乓切換嚴重等問題，提升了終端的越區性能和用戶體驗，并且該設計已經成功應用于某型號警用手持終端，用戶現場應用效果良好。