數字對講機越區切換優化方案

湯玲 劉星 羅正華 楊洋

【摘? 要】為了提升對講機越區切換過程中的用戶體驗，提出了更快速、更可靠的越區切換優化方案。對講機在待機時越區切換，會依照鄰時隙的業務情況采用相應的策略，可在不影響業務漏收情況下更快速查找最優基站進行登記;對講機在通話中越區切換時，通過更快速鎖定空口、選用最佳切換點、丟失語音恢復、重復語音過濾以及預測語音關聯性大大減少通話掉字。經測試，待機時越區速度提升達24倍，通話中越區掉字率減少高達85%，可有效提升越區切換的可靠性。

【關鍵詞】通話中越區;待機時越區;鄰站掃描檢測

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.10.015? ? ? ? 中圖分類號：TN924

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）10-0081-06

引用格式：湯玲，劉星，羅正華，等. 數字對講機越區切換優化方案[J]. 移動通信， 2020，44（10）： 81-86.

0? ?引言

專網通信在每個關鍵時刻為用戶提供不間斷的通訊，保障了用戶的高效溝通和快速響應。然而，PDT（Professional Digital Trunking，專業數字集群）集群系統下，對講機移動位置變化將導致接收的基站信號變差而影響通信，這需要對講機切換到信號更好的基站下工作，以保證用戶通信不間斷。這個切換的過程叫作越區切換。

對講機越區切換一般有兩種方式，人為手動切換基站和自動切換基站。手動切換不適用于快速移動的場景，例如隧道、高速公路、地鐵、火車等這些場所。自動切換基站的越區策略，可實現智能切換，用戶可全天候隨意移動執行任務，不用擔心通話失敗、語音丟失等情況。

對于自動切換基站方案，對講機從一個基站切換到另外一個基站需要有一個過程。對講機需要先掃描基站控制信道以搜索可以進行登記的基站，判斷基站的信號可以進行登記后，再通過控制信道向基站進行登記。這個切換過程所需要的時間，決定著越區切換中業務的連續情況。我們需要一系列策略來保證自動越區切換通信的連續性，提供給用戶更平滑的越區通信體驗。自動越區切換分為兩種場景：對講機待機時越區切換和對講機通話中越區切換（包括接收越區、發射越區和通話保持狀態越區）。

目前，PDT標準定義了通話中越區的主要流程，而未明確規定背景掃描的實現流程，各廠家有不同的越區切換方案。在PDT集群系統中，越區切換存在語音丟失、語音重復、切換速度慢、業務漏收的問題，特別是對快速移動過程的重大保障通信影響很大，亟需解決。 所以，本文主要從用戶改善用戶體驗出發，提出待機時越區切換和通話中接收越區優化方案，實現更快速越區切換，增強集群通信的穩定性和可靠性。

1? ?原有越區切換導致語音或業務丟失

1.1? 待機時越區切換

對于待機時的越區切換，PDT沒有明確規定實現流程。各個廠商自己實現，現有技術大體分為兩種：

（1）技術一

當前基站信號變弱時，切換到其他鄰近基站頻點下，檢測下行信號強度。并基于對多個鄰近基站信號強度排序，選擇最強基站進行切換。技術一這種方式，對講機鎖定到鄰站進行檢測，鄰站檢測過程會漏收當前基站下的業務。

（2）技術二

當前基站信號變弱時，PDT標準的TDMA（Time Division Multiple Access，時分多址）雙時隙技術，利用鄰時隙時間，切換到其他鄰近基站頻點檢測信號強度。

技術二有兩種方案來實現，這兩種方案都有不足。

1）方案一：對講機使用鄰時隙連續檢測鄰站場強，這會導致無法解析鄰時隙的信令，影響對講機解析鄰時隙的業務。

2）方案二：對講機將檢測兩個鄰站的時間間隔延長，以減少對于業務的影響，但是會導致鄰站檢測效率低，不能及時找到最優的基站。

目前通用的待機時越區切換采用技術一來實現，存在切換速度慢、業務漏收的問題。對講機移動過程中，如果其所在的基站場強變弱，則會啟動檢測鄰站場強的機制;對講機檢測鄰站場強時，需要切換至鄰站下行頻點檢測場強。由于對講機切換至鄰站頻點檢測，所以在切換頻點及檢測場強時間段內將無法接收原登記基站鄰時隙的下行信令，從而影響業務。并且為了盡量減少對于業務的影響，會延長檢測鄰站的時間間隔，導致鄰站檢測時間過長，漏收下行信令影響業務，會導致對講機漏處理業務、無法及時反饋系統尋呼等問題。鄰站檢測時間過長會影響用戶體驗：對講機切換至鄰站過慢，由于時間過長之前檢測的場強已變化導致判斷不準確等問題。

1.2? 通話中越區切換

圖1為PDT標準中典型通話中越區切換流程，表示對講機終端在組呼通話中，越區切換到參與站的流程。對講機在個呼通話中的切換流程跟組呼類似。

基站在通話業務信道下發該業務的鄰近基站的業務信道信息，有下行語音時，通過嵌入信令下發該業務的鄰近基站的業務信道信息。

（1）終端處于接收狀態。

（2）當終端的信號質量惡化，達到小區重選條件。

（3）終端對相鄰基站進行背景監視。

（4）相鄰基站滿足越區條件，終端自行切換到這個相鄰基站。

（5）越區后繼續接收語音。

從PDT標準中接收越區切換流程中可以看出，標準未定義越區切換的處理細節，在語音接收中當檢測到滿足越區切換條件后，則可以進行越區流程和信道切換。然而信道切換完成有多個步驟，需要進行同步字檢測，時隙校準鎖定。鎖定完成后，才能繼續接收語音并播放。在語音通話中，每個語音超幀包含A、B、C、D、E、F六個語音幀，每個語音超幀中只有A幀有幀同步字，因此在最惡劣情況下，至少丟失720 ms語音。而且在加密語音情況下，越區切換后，需要重新接收嵌入式PI頭加密信息，對加密參數進行初始化，嵌入式加密PI頭720 ms才有一個，因此加密語音接收越區掉字都在1 s以上。同時基站間存在網絡抖動延時，會增加語音丟失，或語音重復情況。

由上可知，越區切換主要缺點就是，切換過程時間長，語音丟失多，造成用戶通話內容丟失，用戶體驗不好。

2? ?以盡量減少業務中斷為目標的優化思路

2.1? 待機時越區切換

對于非通話時的越區切換，考慮對技術二的兩種方案進行結合來進行優化。優化思路為：根據鄰時隙的業務情況采用相應的鄰站檢測機制，兼顧當前基站業務不受影響，又能夠更快地進行更好信號強度的基站搜索，盡快切換到信號好的基站上。

2.2? 通話中越區切換

對于通話中越區，優化思路如下：

在數字專網TDMA系統中通話越區，需執行信道切換、同步檢測、時隙鎖定、語音同步等多個過程，這些過程需要消耗時間，因此存在語音丟失的情況。要減少通話越區切換過程中語音的丟失，需要從信道切換速度、同步檢測速度、時隙鎖定速度、語音信息同步策略、語音丟失恢復等多個方面著手，減少語音的丟失，提升用戶通話的平滑性，提升用戶體驗。

（1）快速鎖定空口：采用兩個時隙均檢測同步，減少信道時隙鎖定時間，更快速完成越區切換。

（2）確定最佳切換點：在特定的語音幀位置進行切換，確保切換后更快接收到語音幀。

（3）丟失語音恢復：利用聲碼器恢復丟失的語音幀。

（4）重復語音幀過濾：增加重復幀過濾策略，避免網絡延時導致的語音重復播放問題。

（5）預測語音關聯性：預測越區前后語音的關聯性，保證越區前后語音的連續性。

3? ?符合優化思路的技術實現手段

3.1? 待機時越區切換

為了避免在鄰時隙完全進行鄰站場強檢測而漏收鄰時隙的業務，新方案會依據鄰站業務的相關性而采用相應的鄰站場強檢測策略。

對講機根據記錄的所在基站鄰時隙下行業務情況，將鄰時隙下行業務分為：本對講機關注的周期性業務、本對講機不關注的業務、本對講機無法判定周期的業務。對講機檢測到當前所在基站的下行信息已經不符合停留條件，則啟動鄰時隙檢測鄰站信息機制，依據鄰時隙業務的情況采用不同的檢測機制。

（1）如圖2所示，如果鄰時隙業務為無法判斷周期的業務，則根據用戶配置以1：N的時間間隔檢測鄰站信息。

對講機待機在控制信道，當前基站場強達到后臺掃描啟動門限時，開始啟動鄰站場強檢測;對講機根據監測控制信道鄰時隙下行信令無法確定鄰時隙支持的業務情況時，則使用系統規劃時配置的檢測周期進行鄰時隙檢測鄰站場強;如：在不確定鄰時隙業務的情況下，按照1：N的方式，即每使用鄰時隙檢測完鄰站場強，在對講機制定的固定間隔時間后再次使用鄰時隙檢測下一個鄰站的場強，減少鄰時隙丟失信令的概率。

1：N由用戶配置的鄰站掃描間隔時間決定，最快可以配置為1：1，即鄰站掃描間隔時間為180 ms。

（1）如圖3所示，如果鄰時隙業務為本對講機關注的下行周期性業務，則對講機需要記錄鄰時隙業務周期;對講機在需要使用鄰時隙檢測鄰站場強時，如果當前處于關注的業務周期中，則優先處理周期業務，暫不執行鄰站場強檢測;如果當前不是處于關注業務周期中，則可以使用鄰時隙連續檢測鄰站場強。

對講機待機在控制信道，當前基站場強達到后臺掃描啟動門限時，開始啟動鄰站場強檢測。對講機根據監測控制信道鄰時隙下行信令為本對講機關注的周期性業務，位置信息輔控上拉等，則記錄相關業務周期，本對講機在處理鄰時隙周期業務的時間點，鄰時隙不做鄰站場強檢測處理。其他時間，本對講機使用鄰時隙檢測鄰站場強。

（2）如圖4所示，如果鄰時隙業務為非本對講機關注的業務，則對講機可以使用鄰時隙連續檢測鄰站信息。

對講機待機在控制信道，當前基站場強達到后臺掃描啟動門限時，開始啟動鄰站場強檢測。對講機根據監測控制信道鄰時隙下行信令為非本對講機關注業務，則認定當前基站環境，本對講機的業務不需要鄰時隙下發信令觸發，則全部鄰時隙可以用于鄰站場強檢測。

上述流程極大限度地利用了鄰時隙，在不影響自身業務的情況下，盡量連續地使用鄰時隙檢測鄰站信息，大大地縮減了兩個鄰站間的檢測間隔。

3.2? 通話中越區優化

以減少通話中越區切換時間和語音恢復與去重為思路，通過5大手段聯手來優化通話中越區切換流程。

（1）快速鎖定空口

如圖5所示，TDMA系統中，首先需要進行時隙鎖定，才能進行后續信號的接收解碼。新方案在越區信道切換后使用檢測到的同步信號的前后兩個時隙的CACH進行時隙鎖定，可以減少信道時隙鎖定時間，從而加快越區切換速度。

1）TC：1 bit，0和1兩個值可以分別指示空口時隙1和時隙2。

2）如圖6所示。優化前，只在檢測到同步的時隙上報數據，上報兩幀數據完成鎖定最少需要90 ms;如果需要換時隙，則需要再加60 ms，總共需要150 ms。優化后，在檢測到同步后，兩個時隙都上報數據，上報兩幀數據就可完成鎖定，只需要60 ms。

（2）確定最佳切換點

選定最佳切換點，可讓終端越區切換后以最短的時間鎖定目標時隙并進行信號接收解碼。

在選擇最佳切換點時需要考慮網絡延時情況、時隙鎖定速度和語音超幀特性。在PDT專網系統下的網絡延時預計在120 ms以內，對講機采用空口快速鎖定技術最快只需60 ms。語音超幀包含6幀，其中A幀是超幀起點且有同步信息，可采用在收完語音D幀后進行越區切換，這樣確保越區切換后能盡快收到語音幀。

圖7為兩信道同步無網絡延時且通過A幀進行時隙鎖定的越區切換場景。終端在D幀進行信道切換，越區切換后終端需要等待自身時隙的A幀同步進行時隙鎖定，這個等待過程為120 ms。所以，就算考慮網絡延時的情況，終端鎖定目標時隙的等待時間也不會超過1個超幀時間。

圖8為兩信道同步無網絡延時且通過鄰時隙同步幀進行時隙鎖定的越區切換場景。終端在D幀進行信道切換，越區切換后，收到鄰時隙同步的情況下，越區后可以馬上收到語音F幀，而不需要考慮網絡延時。

（3）丟失語音恢復

如圖9所示，信道切換、同步檢測、時隙鎖定，需要耗時，期間會造成語音幀的丟失。當越區切換過程中有語音幀丟失時，則利用聲碼器丟幀恢復處理，可以恢復丟失的語音，實現信道切換后聲音平滑過渡。

（4）重復語音幀過濾

如圖10所示，由于基站網絡鏈路會存在抖動，語音數據在基站間傳輸會有時延，時延有正延時和負延時，所以需要可能存在越區切換后收到重復語音數據，因此要消除網絡抖動的影響。為了避免因為網絡延時導致的越區后語音重復播放問題，增加重復幀過濾策略。越區切換前保存最近收到的三個語音幀，越區切換后，將第一次收到的語音幀與備份的語音幀進行對比判斷（加入一定容錯率），如果是重復的語音幀則丟棄該語音幀。

（5）預測語音關聯性

PDT語音幀編號為ABCDEF六個幀，六個幀為一個超幀，超幀中嵌入有控制信息，或加密信息。因此越區前收到的幀編號和越區后收到的幀編號做到連續性后，能夠實現語音處理過渡更平滑。

根據越區切換時間點（如在語音幀D幀進行切換）、語音超幀特性（語音超幀包含ABCDEF語音幀，每幀60 ms）和LCSS（Link Control Start/Stop，鏈路控制標識位）的指示，可以預測越區后收到的語音幀與越區前的語音幀的關系，從而可以確保越區切換時不停止語音接收，同時對于加密呼叫，也不需要重新進行加密相關信息同步，從而保證越區前后語音的連續性。

（6）優化后的通話中越區流程

優化后的通話中接收越區流程下：

1）開始接收越區前，先進行越區前參與準備工作（備份等）。

2）在收到D幀語音幀后，進行信道切換。

3）信道切換后，進行時隙鎖定。

4）判斷是否發生語音幀丟失，是：對丟失語音幀進行語音幀恢復;否：進入下一步。

5）判斷接收過程中收到的是否是重復語音幀，是：丟棄;否：進入下一步。

6）正常播放語音，接收越區流程結束。

4? ?應用效果

（1）待機時越區切換

優化后的待機時越區切換可在不影響當前站業務漏收的情況下，更快速完成鄰站掃描檢測，快速切換到最優的站點，具體如下。

1）不影響當前時隙業務。原有方案從當前基站切換到鄰站檢測場強，存在漏收當前基站控制信道信令的風險。新方案只在控制信道鄰時隙檢測鄰站場強，能保證當前時隙的可靠接收，不會影響當前時隙業務。

2）不影響鄰時隙業務。原有方案從當前基站鄰時隙切換到鄰站檢測場強，存在漏收當前基站鄰時隙信令的風險。新方案采用自適應鄰近站檢測策略，可以動態地根據鄰時隙業務類型調整鄰時隙檢測鄰站的周期，幾乎不存在漏收鄰時隙信令的風險，降低鄰站檢測對于鄰時隙業務的影響。

3）鄰站場強檢測間隔更短，可更快速檢測到最優鄰站。原有方案兩個鄰站檢測時間間隔較長，默認檢測間隔為3 s。新方案兩個鄰站檢測時間間隔短，最短間隔只需要120 ms。鄰站掃描速度最大可提升24倍（此處的最短間隔時間是指鄰時隙無本對講機關注業務時，使用鄰時隙連續掃描鄰站）。按照14個鄰站全部檢測完計算，原有方案按照默認值需要42 s，新方案最快只需要1.68 s。

4）檢測到最優鄰站的準確性更高。原有方案檢測完全部鄰站時間長，已檢測的場強可能已經變化了，檢測結果存在不準確風險。新方案檢測完全部鄰站時間短，已檢測的場強實時性高，檢測結果準確。

（2）通話中越區切換

優化后的接收越切方案，加密呼叫掉字明顯減少，非加密呼叫也有一定改善。在產品中應用測試數據如表1所示。在用戶系統環境下，通過對講機測試線，連接示波器，獲取對講喇叭輸出波形，計算示波器越區前和越區后的聲音輸出波形差值，等到語音丟失（掉字）時長。以下測試數據為10次測試的平均值。

5? ?結束語

該方案在廣東省深圳市南山區某PDT集群系統下，經城市道路區域和地鐵沿線車廂里使用，在快速連續切換基站和多重疊覆蓋區，都具有很好的效果。同時，在地下、地面移動，也能夠快速無縫進行切換，通話中能夠有效減少語音丟失，提升用戶的使用體驗。經測試，待機時越區速度提升達24倍，通話中越區掉字率減少高達85%。

對講機越區切換也是一個長期的持續優化的專題，目前技術還未能做到真正的零掉字，未來還需要更多的技術攻關和突破來實現進一步的突破和完善。

參考文獻：

[1]? ? 中華人民共和國公安部. 警用數字集群（PDT）通信系統技術規范-空中接口物理層及數據鏈路層——修訂-R1_20191107[R]. 2019-11-07.

[2]? ?中華人民共和國公安部. 警用數字集群（PDT）通信系統技術規范-空中接口呼叫控制層——修訂-R2_20191107a[R]. 2019-11-07.