TD-SCDMA集群通信系統中一種基于系統負荷的切換策略*

謝靜 唐宏

（重慶郵電大學移動通信重點實驗室 重慶 400065）

1 引言

隨著國內外信息化建設步伐的加快，數字集群移動通信系統作為專用移動通信的最新發展，在國內外得到了越來越廣泛的應用。集群通信經歷了簡單對講系統到單基站小系統，再到大容量多區域系統的發展歷程[1]，而后又經歷了從模擬集群到數字集群的飛躍。

集群系統的小區化以及人們對集群業務需求的不斷提高，使得切換成為集群通信系統提供可靠服務的必要條件。切換是指移動終端與當前基站連接斷開，與新的基站重新建立連接的過程。移動臺移動到原基站覆蓋范圍以外、原有通信鏈路質量變差以至于無法繼續維持通信或者系統負荷過重都有可能觸發切換。一般來說切換分為3個階段：測量階段、判決階段和執行階段，整個過程不會瞬間完成，所以可能出現各種錯誤，導致通信質量下降，嚴重的甚至造成通信中斷。現有的對切換策略的改進思路大多是從減少切換延遲角度進行考慮，而且多采用接收信號的信噪比（SNR）作為切換依據，基本上忽略了系統負荷的影響[2]。為了提供更多的服務、更高的質量，如何將系統負荷與接收信號的SNR結合起來，作為切換的依據之一成為當前的研究熱點。

2 TD-SCDMA集群通信系統

集群無線通信系統是近幾年來發展起來的一種較經濟、較靈活的指揮調度通信系統，廣泛應用在政府機關、能源交通、機場碼頭、工礦企業、消防警察、水利和軍事等單位，用以滿足各單位內部通信聯絡的需要。目前的集群通信系統是基于第二代移動通信技術發展起來的，即GSM技術，實現了將集群通信技術融入到公用移動通信網絡，將PTT業務集成到手機上。隨著第三代移動通信技術的發展，集群通信系統也將演進到采用3G技術的系統，采用TDSCDMA技術是集群的演進方向。

TD-SCDMA集群通信系統[1]基于現有的TD-SCDMA技術，在TD-SCDMA公用移動通信系統的網絡結構基礎上增加相應的集群業務處理部分，即集群核心網或集群業務節點，并相應增加支持集群業務的接口與相應協議。所述無線集群通信系統，既能提供公用移動通信業務，也可以提供集群業務的功能。

3 基于系統負荷的切換

對于無線移動通信系統，雖然在新呼到達時，系統會執行相應的呼叫接納控制算法，以保證系統的穩定性和已有連接的服務質量，但還是難免出現系統負荷過高，超過系統規定的負荷閾值，導致服務質量下降的情況，此時必須實施由網絡側觸發的基于系統負荷的強制切換，以保證系統的整體性能。

觸發基于系統負荷的切換需要滿足以下條件：

（1）系統信令流量小于允許負荷切換系統流量級別門限；

（2）需要切換的小區負荷高于負荷切換啟動門限；（3）接受切換的小區的負荷低于負荷切換接收門限。

在滿足上述條件的基礎上還應保證目標小區與服務小區之間存在一定的負荷差，以避免產生乒乓效應，對網絡造成不必要的負擔。

在TD-SCDMA集群通信系統中業務的一個特點是突發性比較強[3]，由于系統負荷等原因，需要小區切換策略調整業務在小區間的分布來降低高負荷小區中的話務量。在系統負荷較高的情況下，可以考慮由系統側觸發部分業務的提前切換，以緩解網絡負荷等相關的策略，例如，將邊緣聽用戶提前切換到相鄰小區，從而減少當前小區的下行功率，降低系統負荷。在切換過程中，必須保證業務連接不中斷，并滿足業務QoS。

3.1 切換測量啟動門限的設置

對于基于系統負荷的切換，首先必須確定切換的觸發門限值，這也是整個切換過程中十分關鍵的環節，關系到切換對網絡性能的影響。觸發系統負荷切換的閾值的設置需要綜合考慮多方面的因素：

若其值設置的過低，可能造成在系統還能保證所承載的各類業務的服務質量時就觸發基于系統負荷的切換，這不僅會造成系統資源的浪費，還會增大切換概率，從而增加切換失敗的可能性，對業務的服務質量造成消極影響；

相反地，若該閾值設置的過高，就有可能在系統負荷已經很高時系統還沒有做出切換判決，在做出判決后又不能保證在規定的時間內成功完成切換，某些業務的服務質量會因為過高的系統負荷而受到影響，甚至造成業務的中斷。

因此觸發基于系統負荷切換的閾值應該根據多種因素進行折中考慮，如系統當前的負荷狀況、系統規定的負荷閾值、系統所承載的各類業務對系統所造成的負荷量等。

3.2 需要切換的TT及目標Node B的選擇

基于系統負荷的切換策略的重點在于對將要進行切換的TT及其目標Node B的選擇。執行該過程時需要綜合考慮鄰近Node B的負載情況和移動臺從可視Node B處接收到得SNR。如果僅考慮移動臺從候選小區接收到的SNR，則有可能因為該小區的負荷太重而無法為切換用戶分配所需的資源；若僅考慮鄰近基站的負荷狀況，又有可能因為無線信道的傳輸狀況不好或者干擾過強而無法保證切換用戶的服務質量。所以在選擇切換的目標小區時應綜合考慮該小區的負載狀況及TT從該小區接收到的SNR兩個方面。

另外TD-SCDMA集群業務是一種半雙工業務。在TD-SCDMA集群組呼業務中，主叫用戶占用上行業務信道，且一次僅有一個主叫群用戶；而被叫群用戶共享下行業務信道，這種情況下，組呼業務中的說用戶具有最高的優先級別，說用戶的通信質量下降或者在切換過程中發生中斷是無法忍受的，所以在系統強制切換中應避免組呼中說用戶的切換，從而減少組呼說用戶斷話的可能性。

基于以上思想[4,5]，構造了下面的函數：

式中：1≤i≤n，n 是與Node Bi相鄰的Node B的個數；1≤j≤m，m是反饋Node B列表的TT的個數；i，j，m，n均為整數。SNRNodeBi-TTj(t)表示t時刻TTj探測Node Bi所得的SNR值；lNodeBi表示當前Node Bi的負載值。

Sα和Sβ是SNR的兩個閾值。當SNR>Sβ時，表示信號質量很好，此時，從其他Node B接收到得的SNR值肯定小于原Node B的SNR值，沒有必要對其進行切換，所以在啟動主動探測時，應預先排除SNR>Sβ的TT；當SNR

f(l)是Node B負載的函數，l0為Node B可承受的最大負載閾值。可以通過f(l)根據需求靈活地調節負載所占的比例，其中k1，k2都是可調參數。由f(l)得表達式可知，f(l)的值隨著l的不斷增加而呈指數遞減。當某Node B的負載l大于等于l0時，f(l)等于零。

Q是一個布爾變量，取值由用戶類型決定，若該用戶為組呼業務中的說用戶，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用戶因為切換而產生掉話的可能。

在t時刻，對每個TT-Node B對進行SLP函數計算，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，對應的Node Bu和TTv即為被選擇的TT及其目標Node B，這樣既保證了服務質量，也能夠起到均衡系統負載的作用；若經過判斷TTv是除組呼業務說用戶以外的其他用戶，則把與原Node B相連的TTv強制切換到Node Bu上。若Node Bu拒絕接收TTv，則在排除Node Bu和TTv后，再進行SLP函數的計算，取其中的最大值，直至找到符合條件的強制切換結果為止。

TD-SCDMA集群系統中基于系統負荷的切換過程可以總結如圖1所示。

圖1 TD-SCDMA集群系統中基于系統負荷的切換流程圖

綜上所述本文提出的基于系統負荷的強制切換策略，綜合考慮了集群終端接收到的信號強度和基站端的負載信息，從負載過重的基站處選擇一個或者多個集群終端切換到最佳的基站上，同時考慮集群系統的組呼業務中說用戶和聽用戶的區別，對組呼說用戶給予了特殊考慮，避免了集群組呼業務中說用戶的無謂切換，能夠降低說用戶的切換中斷率，從而提高系統的整體性能。

4 結論

隨著公眾移動通信系統的快速發展及人們對于集群系統調度功能需求的逐步增強，集群系統出現了與公眾移動通信系統融合的發展趨勢。這種情況下，為了構建服務質量更高、覆蓋范圍更廣的集群通信系統，基于我國自主提出的第三代移動通信系統標準TD-SCDMA技術的集群系統成為現階段的研究熱點。

集群業務的一個重要特點是突發性比較強，可能造成網絡的負載較重，甚至超過系統規定的負載閾值，從而影響到系統的性能和服務質量。本文所述的基于系統負荷的強制切換策略，綜合考慮了TT接收的SNR和Node B的負載信息，從超過負載閾值的Node B處選擇一個或者多個TT切換到最佳的Node B上，同時避免了集群組呼業務中說用戶的無謂切換，能夠降低說用戶的切換中斷率，從而提高系統的整體穩定性。

[1]柳光，陳德. 在TD-SCDMA系統中實現集群業務的方法. 中國專利：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，熊衛剛. 一種數字集群終端跨調度客戶端的切換方法. 中國專利：200610011126.4，2009-07-22

[4]彭蔓蔓，寧晨，李仁發. WLAN中一種基于負載平衡的AP切換機制.湖南大學學報，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. 數字集群移動通信系統原理與應用. 北京: 人民郵電出版社，2008