PDT终端越区切换算法设计与优化

冀 峰，李新国，王旭康

(1.河北远东通信系统工程有限公司，河北 石家庄 050200;2.中国电子科技集团公司第五十三研究所，天津 300000)

0 引言

警用数字集群(Police Digital Trunking，PDT)标准是由中国公安部倡导的数字集群技术体制、具有中国自主知识产权的数字集群通信标准[1]，可满足公安等关键领域用户对高效、专业无线调度指挥业务的迫切需求[2-3]。

在无线通信过程中，为保证正在进行业务的连续性，通过将当前连接的信道转移到另一个信道，进一步提高通信质量，以继续保持通信的过程，称为越区切换[4-5]。

越区切换技术在地铁、公安等需要快速移动的使用环境中具有重要意义，是衡量终端性能的重要指标[6]，良好的越区性能能够保证终端正常的登记和通话等功能，具有重要的现实意义[7-8]。因此，越区切换是PDT数字集群移动性管理功能的重要组成部分。

为满足PDT终端的移动性使用要求，越区切换一般是通过用户监视和扫描基站下行的信号强度，利用预设的网络重选参数，根据响应的门限值，进行判断并最终实现越区切换[9-10]。但是由于越区切换过程中链路测量、切换速度和信令容错等各种因素，导致终端在越区切换过程中存在切换速度慢、话音中断，甚至掉话等现象，严重影响了用户的体验及实际场景下的通信效果[11-13]。

为了满足用户实际使用中对越区切换快速、准确和稳定的需求，对传统的越区算法进行了改进和优化。采用延时提取扫描结果的方法，将扫描时间缩短2/3；增加容错处理环节，显著提高了一次越区成功率；同时引入相对信号强度判决机制，抑制了越区过程中的乒乓切换。

1 越区切换的典型流程

1.1 越区切换的基本过程

越区切换的基本过程分为以下4个阶段：

① 测量阶段。终端进行下行链路的测量，测量终端所在的小区及相邻小区的无线信号强度。

② 触发阶段。包括预处理过程和门限比较过程。对数据的预处理是指基站对上行链路和终端对下行链路的测量报告进行处理的过程。门限比较过程是在一定时间内处理模块把每个预处理后的测量结果与其相关的门限做比较以判决是否触发切换过程。

③ 选择阶段。根据对相邻小区无线信号强度的测量及比较结果，结合小区的判决准则，选取出最优切换小区。

④ 执行阶段。进行越区切换过程,包括新小区链路的建立和旧小区链路的拆除。

1.2 越区切换的分类

越区切换根据业务过程中无线基站转发业务数据的不同分为话间越区切换和话中越区切换2种[14]。

1.2.1 话间越区切换

在终端越区切换过程中，根据基站业务参与度的不同，可以分为参与站和非参与站。话间越区切换的流程如下：

① 话间越区切换到参与站

组呼越区切换：此情况下可直接切换到目的小区，业务完成后，需向新小区发起注册和附属。

单呼越区切换：终端在满足越区条件后，向所在小区发送P_RESELECT请求，收到所在小区的P_BCAST响应之后切换到目的小区，待呼叫业务完成后，向新小区发起手台注册和附属。

② 话间越区切换到非参与站

终端在满足越区条件后，均需向所在小区发送P_RESELECT请求，收到所在小区的P_BCAST响应之后切换到目的小区，待呼叫业务完成后，向新小区发起手台注册和组附属。

1.2.2 话中越区切换

相比话间越区切换，话中越区切换的流程要相对复杂。针对不同的基站类型，话中越区切换的流程分别如下：

① 话中越区切换到参与站

组呼越区切换：此情况下越区同组呼话间越区到参与站，直接切换到目的小区，业务完成后，向新小区发起注册。

单呼越区切换：此情况类似于单呼话间越区到参与站，终端在满足越区条件后，向所在小区发送P_RESELECT请求，收到所在小区的P_BCAST响应之后切换到目的小区，并继续保持已参与呼叫，待呼叫业务完成后，向新小区发起手台注册和组附属。

② 话中越区切换到非参与站

本站无人讲话：终端在满足越区条件后，向所在小区发送P_RESELECT请求，收到所在小区的P_BCAST响应之后切换到目的小区，并继续保持已参与呼叫，待呼叫业务完成后，向新小区发起手台注册和组附属。

本站有人讲话：当本基站有人讲话时，终端无法向所在小区发送P_RESELECT请求，此时终端直接切换到目的小区，向新小区发起RESTORE请求，等到终端收到来自新小区的HO_GRANT响应后，越区完成，并继续保持已参与呼叫，等到呼叫业务完成后，向新小区发起手台注册和组附属。

2 传统的越区切换算法

2.1 越区切换算法描述

根据PDT技术标准及越区切换的典型处理流程，传统的越区切换算法包含以下部分：

① 启动扫描：当信号强度低于设定门限时，启动背景扫描。

② 背景扫描：终端保持与当前小区的通信，同时进行扫描，将呼叫中广播的业务信道进行扫描，针对每一个信道将终端切频到该业务信道，驻留3个时隙，测量该业务信道的信号强度，取3次结果平均值，即为扫描到的业务信道的信号强度，扫描不引起业务中断[15-16]。

③ 目标小区判决：在背景扫描完成后，对各业务信道的信号强度进行判决，取其信号强度最优的业务信道，作为切换的目的小区。

④ 启动切换流程：执行切换操作，并将旧小区呼叫信息进行清除，完成整个越区切换。

越区切换算法流程如图1所示。

图1 越区切换算法流程

2.2 存在的问题

根据实际场景的测试，传统的越区切换算法有如下问题：

① 扫描时间较长

为保证扫描结果的准确性，背景扫描过程中信道的测量时间为3个时隙，此时间段内，终端无法处理工作信道下发的信令，容易引发终端漏呼的现象。这就需要终端在保证扫描结果准确的情况下快速完成扫描，不影响正在执行的业务。

② 业务容错性不足

实际应用场景中，向背景扫描后判决出的最优小区进行越区切换时，目标小区有可能会拒绝。此时终端跳出越区流程，等待再一次触发。这种方式会导致越区时间较长，在小区信号强度快速变化的使用场景中，容易引发掉话、掉线，影响用户体验。

③ 乒乓切换频繁

在2个小区的覆盖边界，当终端当前的驻留小区和邻小区的信号强度均处于切换临界值时，会频繁触发越区切换流程，导致终端在2个小区之间出现乒乓切换，一方面浪费基站信道资源，另一方面终端的业务性能也会显著下降。

3 越区切换优化方法

采用精准的背景扫描时间控制、切换容错和乒乓抑制等方法对传统越区算法进行改进，提升了传统越区切换算法的实时性和容错性。

3.1 精准的背景扫描时间控制

背景扫描是越区切换的基础，快速准确的扫描能够提高越区速度，保证终端能够始终工作在良好的基站环境中，对终端业务的连续性、稳定性有重大的意义[17-18]。

为了加快背景扫描的时间，将终端在扫描信道的测量时间调整为1个时隙。由于快速地在扫描信道和工作信道之间切换会导致切换时隙中提取的扫描信道的RSSI(n)不准确。经过反复测试发现，切换回工作信道后的下一个时隙提取的RSSI(n+1)的值能够准确反映扫描信道的信号强度值，于是将此RSSI值作为扫描结果存储在扫描结果列表中。

经过调整扫描结果的提取方法，将扫描时间压缩到将近原来的1/3，为信号强度快速变化的复杂使用环境下的越区提供了良好的测量基础。

3.2 切换容错

实际应用场景中，由于目标小区的拒绝，会出现越区切换失败的情况。为保证用户体验、降低掉话率，采取如下策略。

假设背景扫描结束后，扫描临小区信号强度的结果按照从大到小依次为：bs1，bs2，bs3，bs4，…。

启动越区后，终端开始尝试向bs1切换，若返回结果失败，进行标记后并同步检查bs2是否满足越区切换条件，若满足，则尝试向bs2切换，若仍旧失败，则检测bs3是否满足越区条件。若满足越区条件的基站全部尝试切换，结果仍旧失败时，则重新触发小区重选流程，开始新一轮的背景扫描。

切换容错算法流程如图2所示。

图2 切换容错算法流程

通过增加容错处理环节，提高了终端一次越区切换的成功率，并在流程中对于切换失败的小区予以标记，更新小区的筛选和判决准则，便于终端更加准确、快速地完成越区切换。

3.3 兵乓抑制

小区选择的目的是保持终端一直登记在一个信号良好的基站上，以保证提供良好的通信服务。

相比当前小区，如果相邻小区的信号强度没有超出一定程度，认为就可以延迟进行小区重选，否则容易引发掉话和乒乓效应[19-20]。

这里引入相对信号强度x(d)的概念，假设当前小区的信号强度为a(d)，目的小区的信号强度为b(d)，那相对信号强度值为：

x(d)=a(d)-b(d)。

将越区门限值RT和相对信号强度门限值RST同时作为越区的参考条件，如果满足以下条件，终端将开始越区切换：

当参数值RT和RST的值发生变化时，越区切换次数和延时都会随之改变，一方面越区次数应尽量小；另一方面，越区时延不能太大，否则无法保证终端的切换速度。基于仿真实验，在RT=-85 dB，RST=4 dB的情况下，实际使用过程中体验最优。

3.4 扩展异系统互联的支持

越区到新小区后，需要尽快获取新小区色码，才能与新小区进行正常的信令交互。色码通过基站的广播下发，在刚越区到新小区时，接收到的色码值通常不准确，这样会造成色码更新错误，影响之后的信令交互。

本设计采用快速比较提取的方式来更新色码，设计流程如下：

判断当前时隙的同步状态，若状态为不同步，则丢弃该时隙时序；若连续3个同步时隙解析的色码值都相等，则确认此色码值正确，进行更新；若第2或第3个色码值出现和之前不一致的情况，则抛弃之前记录的结果，以此时的色码值为基准，重新开始3个同步时隙的色码解析，直到连续同步时隙色码相同为止。

色码更新算法流程如图3所示。

图3 色码更新算法流程

通过该设计方法，在终端完成越区切换之后，可以快速获取和更新当前无线信道下的色码信息，保证终端和基站的正常交互不受影响。

4 测试验证及结果分析

目前，经过优化改进的终端越区已经应用在某型号的PDT手持终端上，为确保其实际应用性能，进行如下测试验证工作：

① PDT手持终端扫描时间验证

通过调整终端在扫描信道的测量时间，整体的背景扫描时间有了明显的减小。实验环境中使用3套基站，某一固定地点处，信号强度分别为-80，-80，-70 dBm。终端A设置在扫描信道的测量时间为3个时隙，终端B设置在扫描信道的测量时间为1个时隙，2部终端均在基站bs1注册。

使用可调衰减器减弱基站bs1的信号强度，到达扫描门限后，开始背景扫描，图4和图5分别为终端A和终端B的扫描时间图，x轴为扫描时间，y轴为基站频点。

图4 终端A扫描时间图

图5 终端B扫描时间图

终端A和B最终均正确越区到基站3，由图5可看出，终端B的扫描时间远低于终端A。通过优化设计，终端B采用了极短的扫描时间就可以准确测量到业务信道的信号强度。

② PDT手持终端宁波地铁测试

切换容错和乒乓抑制2个方面的修正，使终端在复杂环境下的越区性能有了很大提升。

在地铁上使用PDT终端时，由于列车行进速度快，基站信号强度变化迅速，终端需要进行频繁的越区，对终端的越区性能要求较高。

在宁波地铁一号线和二号线对终端进行了地铁行进过程中的通话测试。在绝大部分站点，终端能够顺利完成越区，同时保证通话良好、话音清晰的使用效果。在个别站点出现了掉字、掉线的情况，分析为地铁间无线信号覆盖较弱导致。测试统计结果如表1所示。

表1 宁波地铁终端越区测试结果

Tab.1 Ningbo subway terminal handover test results

测试结果修改越区算法前修改越区算法后测试站点数2525掉字站点数72掉线站点数31越区成功率/%6088

终端的实际越区切换性能整体优于国际终端厂家的性能，证明了该优化设计的有效性。

5 结束语

越区性能是衡量PDT手持终端整机性能的重要指标，在实际使用环境中具有重要意义。从实时性、容错性、稳定性和兼容性几个方面对传统越区切换算法进行了优化和改进，解决了越区切换中存在的切换时间长、容错性差、乒乓切换严重等问题，提升了终端的越区性能和用户体验，并且该设计已经成功应用于某型号警用手持终端，用户现场应用效果良好。