适合于TD―LTE公网集群系统的切换算法

摘要：在多数的公网集群通信系统中，对切换的时延要求很高，如何减小切换时延变得相当重要。在公网集群通信系统中引入TDLTE技术，使切换时延得到一定的减小，但切换过程中，基站和eMME间的频繁通信仍然增大了延时。基于背景扫描的切换算法，其思想是让eMME将其控制的所有基站下的小区的信息缓存起来，在进行切换时，eMME只需要查询自己的信息列表，从中获取目标小区的切换门限值、载频、预留的信道资源等信息，无需与目标基站通信，这样就减少基站和eMME间的频繁通信，整个切换过程主要在源基站和eMME侧完成，从而获得更低的时延。

关键词：公网集群系统；TDLTE；切换算法；背景扫描

中图分类号：TN915.81文献标识码：A文章编号：10053824（2014）06004404

0引言

宽带无线集群通信系统以半双工方式通信，信道利用率高，呼叫接续快；组内用户共享下行信道，资源利用率高。而且，宽带无线集群通信系统可以为高优先级用户或业务优先分配信道；通过故障弱化功能保证紧急状态下的通信；通过动态重组实现灵活的多级别分组调度指挥功能，因此宽带无线集群通信系统获得了越来越多的支持，作为高效应急指挥调度系统发挥的作用也越来越大。但宽带无线集群通信系统还应该具有更大的信道容量、更高的频谱利用率、更好的传输性能，更低的时延。一直以来，越区切换问题一直是影响各种系统性能的重要因素，获得低时延和高可靠的越区切换在宽带无线集群系统中尤为重要。本文提出的切换算法旨在减少eMME与基站间的通信，从而减小时延[13]。

1系统架构

1.1基于TDLTE的宽带集群系统

系统架构如图1所示。

由图1可见，基于TDLTE技术的宽带数字集群通信系统包括终端、宽带无线接入子系统、网络子系统、信息应用子系统和操作维护子系统5个主要组成部分。由图1可见，该系统是在TDLTE系统的基础上增加了集群业务。

1.2宽带无线接入子系统

宽带无线接入子系统主要由增强型基站（EeNodeB）组成。EeNodeB在TDLTE系统基站（eNodeB）基础上增加了无线集群调度功能（RTDF）模块以支持集群业务，即负责集群业务的相关处理，包括从增强型移动管理实体（eMME）接收集群控制信令，为终端分配无线资源（如，为接收业务数据流的终端所在小区分配下行共享无线资源）以及将从服务网关（SGW）接收到的业务数据流传送到接收业务的终端等。EeNodeB支持故障弱化功能，用于当网络侧不能正常工作时，为用户提供基本的集群业务（如组呼、单呼、紧急呼叫等）。此外，宽带无线接入子系统支持大规模同频组网，以提高频谱利用率。

1.3网络子系统

网络子系统主要由增强型移动管理实体（eMME）、增强型归属签约用户服务器（eHSS）、服务网关（SGW）、策略和计费规则功能（PCRF）设备、分组数据网络网关（PGW）以及调度网关（DGW）等组成，用于完成集群用户的呼叫控制、集群调度、业务数据流的映射、复制和传送以及集群用户的数据管理等功能。

1） eMME是实现集群业务的核心设备，通过在TDLTE系统原有移动管理实体（MME）的基础上增加集群控制功能（TCF）模块来实现集群控制功能。具体来说，TCF作为集群呼叫的控制中心，负责建立、维护和释放各种集群业务，进行话权管理和调度。此外，eMME还负责对用户终端和无线调度台的鉴权以及集群业务的授权，并为鉴权成功的终端发起业务承载的建立。

2） SGW是连接宽带无线接入子系统的分组数据接口的终点，主要负责数据包的路由和转发。

3） PGW是连接DGW和外部数据网络的网关，用于完成集群业务数据流的映射、复制和分发。

4） eHSS在TDLTE系统原有归属签约用户服务器（HSS）的基础上增加集群用户服务器（TSS）模块，用于存储和管理与集群业务相关的组用户信息[13]。

2原切换流程

基于TDLTE技术的宽带数字集群通信系统中，为了实现小区间干扰协调，各个小区采用了独立分配无线资源的方法，即针对同一个组呼，相邻小区的无线资源分配是不一致的。因此，当UE跨越小区移动时，必须执行切换过程。

切换时，为了保持处于RRC连接状态下的小区边缘用户业务的连续性、实时性，系统采用基于UE测量的切换过程，即，当处于小区边缘的用户测量到源小区的链路质量与目标小区的链路质量的差值达到设定门限时，在源小区发送测量报告，由源EeNodeB根据无线资源管理决策确定是否发生切换。

由于本文的切换算法主要通过减少eMME与基站间的频繁通信来获得低的时延，所以本文只针对不同基站覆盖下的小区切换做出讨论。

当正在进行组呼的用户终端跨EeNodeB移动时，需要执行EeNodeB间的组呼切换过程，基于TDLTE技术的宽带集群系统中，EeNodeB间的组呼切换将通过S1接口实现。

基于TDLTE公网宽带集群系统的不同基站下的跨小区切换流程如下图2[45]所示。

3.1问题描述

在基于TDLTE的公网集群系统中，在切换过程中，有频繁的源基站、目标基站同eMME 间的相互通信，如上图2所示。这些通信，是为了从目标基站获取其覆盖下的目标小区的信息，比如获取目标小区的切换门限值、载频、预留的信道资源等，再将这些信息下发到源基站，用来执行切换过程资源等的配置。切换过程中，基站与 eMME之间频繁地通信必定会增加切换时延，同时也会耗费系统资源。要减少这部分时延，关键在于减少基站与eMME间的通信次数。

3.2解决方案

本文引入了背景扫描的思想，在此基础上可以对上述图2的切换过程进行有效的改进―― 在源基站发起切换决策之前，利用网络的空闲进行预扫描，eMME通过自己控制下的所有基站，获取基站覆盖下的小区信息，并将获取的信息缓存。这些信息包括小区的切换门限值、载频、预留的信道资源等，从而避免在切换发起后为了得到目标基站覆盖下的小区的信息所带来的巨大延时。当工作站决定发起切换时，只需要从eMME缓存中提取其缓存的目标小区的信息即可。省略了上图2中第7步集群切换请求、第8步切换接纳控制、第9步集群切换请求确认过程，直接进行第10步集群切换指示，将从缓存列表中读取的目标小区信息下发给源小区。

在扫描方式的选择上，采用了主动扫描和被动扫描相结合的方式。主动扫描方式由eMME向其控制下的所有基站发送请求信息，基站再将此信息转发给其覆盖下的所有小区。小区返回应答信息，通过基站传递给eMME。一般情况下耗时小，但是需要基站和小区之间的互动。如果网络状况不好，源基站请求信息或小区的应答信息在信道上可能会与别的信号发生碰撞，此时主动扫描就难以很好地获取每个小区的信息，从而影响整个切换过程。被动扫描是指由每个小区周期性地向其所在基站发送自己信息的更新报告，基站收到更新信息后再转发给eMME，eMME将自己缓存中的信息进行更新[6]。

3.3算法描述

本文中，首先预设最大扫描次数MaxScan―Number和预留小区门限值handoff_threshold，用于扫描过程中的判定。然后进行预扫描获取eMME控制下的小区（包括同一基站下和邻居基站下的小区）的信息列表，并结合扫描的次数，对每次扫描获得的小区信号强度的均值再求均值，以此来作为判断当前小区信号强度优劣的门限值handoff_threshold，对于信号强度低于此门限值的小区，认为基本不可用，从信息列表中剔除；对列表中剩余的小区，要进行监测并实时更新。同时，由于其他因素导致所处无线环境发生变化时，这个门限值能够实时地调整，保证对小区信号判断的准确性。

在本文的切换决策方案中，除了设定扫描门限和预留小区门限，还设置了判决次数Decision_Number和2个计数器：扫描计数器和监视计数器。每次扫描都将触发扫描计数器计数，若扫描到的某个小区信号强度低于预留门限，eMME并不立刻从缓存中删除该小区，而是启动计数器，间隔一段时间后再次监测该小区信号强度。在预先设定的扫描次数MaxScan― Number内，若该小区信号强度低于此门限值的次数达到预先设定的数值Decision_Number，可以认为该小区的信号强度有较明显的持续衰弱趋势，此时eMME就会将该小区从其缓存信息列表中剔除[78]。

背景扫描的算法流程如下：

1） 扫描，更新eMME信息列表，扫描计数器scancount加1。

2） 求出单次扫描小区的接收信号强度均值RSSI―Average，储存。

3） 结合扫描次数求出RSSI_Average的均值，设为handoff_ threshold。

4） 判读当前信号强度RSSI_Current

5） 当decisioncount=Decision_Number时，跳出扫描，从缓存信息列表剔除该小区；若不足则进行下一步。

6） 判断扫描计数器scancount，若scancount=MaxScan_Number，清零，结束扫描，不执行剔除操作；否则等待一定时间后转至1）。

背景扫描算法的切换流程图如下图3所示。

通过此方法，eMME会记录下其控制下的所有基站下的小区的信息，这些信息包括小区的切换门限值、载频、预留的信道资源等。当群组用户请求切换发生时，源基站向eMME发出请求，eMME首先去查看自己的缓存信息列表，找到目标小区的信息，获得目标小区的载频、预留的信道资源等，若目标小区满足切换的条件就允许执行切换，否则eMME就会将该切换转到其他满足条件的小区。同时，eMME根据自己缓存信息列表中的目标小区的预留信道资源情况，给群组用户分配切入后的信道资源。这样就减少了传统切换过程中基站与eMME之间频繁的信息交互，从而减少了切换时延，降低了对系统资源的耗费。

4结束语

本文提出的基于背景扫描的切换算法，带有预留小区门限、扫描门限和计数器，有效地减少了切换过程中基站与eMME之间频繁的信息交互，减小了切换时延，并保证切换决策的可靠性和切换过程的有效性。对基于TDLTE的公网集群系统有了进一步优化，使系统减小了切换时延、获得了切换的可靠性。

参考文献：

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[4]张长青.TDLTE小区切换技术分析和建议[J].移动通信，2013（2）：4552.

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[7]郑宏东，周亚枫，毛敏.TDSCDMA 基于UE移动速度的小区切换算法[J]. 计算机与现代化，2010（6）：126129.

[8]顾正宜. 一种基于WiFi的无线切换技术[J].移动通信.20109（2）：3134.

作者简介：

杨文文（1990），女，山东省济宁人，硕士研究生，主要研究方向为TDLTE公网集群；陈佳斌（1990），男，山东省临沂人，硕士研究生，主要研究方向为TDLTE公网集群。