基于AT指令的基站切換預(yù)測算法

涂巖愷，黃朝陽

（廈門雅迅網(wǎng)絡(luò)股份有限公司，福建 廈門 361008）

0 引 言

基站切換包括軟切換[1]和硬切換[2]，硬切換中需完全切斷與當(dāng)前基站的鏈路，當(dāng)切換失敗或切換頻率過快等異常情況出現(xiàn)時，容易出現(xiàn)無線鏈路失效及乒乓效應(yīng)[3]，導(dǎo)致遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信掉線或通信QoS下降，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中有可能對終端設(shè)備的業(yè)務(wù)造成影響。提前預(yù)測基站切換的發(fā)生，為業(yè)務(wù)可能出現(xiàn)的異常做好準(zhǔn)備，采取異步緩存[4]等預(yù)防容錯機制。

傳統(tǒng)方法可以從移動通信模塊到基站間的信令交互中獲得基站準(zhǔn)備進行切換的相關(guān)信息，例如對于LTE通信標(biāo)準(zhǔn)[5]，基站切換涉及PDCP、RLC、MAC、PHY等通信協(xié)議層信令，通過抓取這些信令即可得知基站是否正在切換。但在實際產(chǎn)業(yè)鏈中用于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的無線通信模塊一般只對終端用戶開放滿足GSM07.07標(biāo)準(zhǔn)[6]的AT指令接口[7]，其通信信令處理封裝在模塊內(nèi)部不對外開放，因此傳統(tǒng)利用底層信令的方法對物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備集成商來說無法使用。

本文研究利用AT指令提供的信息進行基站切換預(yù)測，通過AT指令提取手機上的基站數(shù)據(jù)特征，預(yù)測在未來一小段時間窗內(nèi)是否有可能發(fā)生基站切換。通過分析我們發(fā)現(xiàn)，基站切換前一小段時間窗內(nèi)的部分?jǐn)?shù)據(jù)特征與是否發(fā)生基站切換有一定的相關(guān)性，能夠以較高的準(zhǔn)確率判斷是否有可能發(fā)生基站切換。物聯(lián)網(wǎng)終端集成開發(fā)者在數(shù)據(jù)應(yīng)用層也可進行較準(zhǔn)確的通信基站切換預(yù)測，實用價值較好。

1 基于AT指令的信息獲取

AT指令是應(yīng)用于終端設(shè)備與PC應(yīng)用之間進行連接與通信的指令，其符合GSM07.07標(biāo)準(zhǔn)，最多可以接收1 056個字符長度的正文內(nèi)容。本文進行基站預(yù)測，需要通過AT+CCED指令獲得物聯(lián)網(wǎng)終端的當(dāng)前主基站信息和周邊基站信息。AT+CCED是AT指令標(biāo)準(zhǔn)中用于獲取小區(qū)環(huán)境描述的指令，其指令格式為 ：AT+CCED = ＜mode＞[，＜requested dump＞]，其中 ＜mode＞參數(shù)為請求模式，0代表立刻響應(yīng)一次；1代表自動輸出；2代表停止自動輸出。＜requested dump＞參數(shù)為請求數(shù)據(jù)導(dǎo)入類型，1代表主小區(qū)信源信息，包括MCC， MNC， LAC， CI， BSIC， BCCH Freq， RxLev，RxLev Full， RxLev Sub， RxQual， RxQual Full， RxQual Sub， Idle TS ；2代表1到6個鄰近小區(qū)信源信息，包括MCC， MNC， LAC，CI， BSIC， BCCH Freq， RxLev ；8 代表主小區(qū)的信號量指示，即信號強度RSSI。該信息也可以通過AT+CSQ指令得到；15代表全部信息輸出。命令響應(yīng)格式為：[+CCED：＜小區(qū)信息＞]，AT指令字符串一般通過串口與通信模塊交互[8-9]，可從串口響應(yīng)中獲得相關(guān)信息。例如：向通信模塊串口發(fā)送字符串“AT+CCED=0， 2”，等待通信模塊響應(yīng)，并從串口獲取所請求的周邊基站信息字符串：460，00，311a，3011，55，86，37；460，00，311a，038b，51，90，39。其分別表示：MCC，MNC，LAC，CI，BSIC，BCCH Freq，RxLev。

2 算法設(shè)計

基站切換預(yù)測方法的流程如圖1所示。對提取的AT指令信息進行特征計算，計算特征包括：過去時間窗的基站切換率、有效基站集合大小、有效基站集更新率、主基站信號強度波動率。對一個時間窗內(nèi)的AT指令數(shù)據(jù)提取以上4種數(shù)據(jù)特征，并依據(jù)特征值大小與切換的相關(guān)性關(guān)系，轉(zhuǎn)換為模糊概率。將4個模糊概率值加權(quán)，依據(jù)加權(quán)值預(yù)測在接下來的時間窗內(nèi)是否會發(fā)生基站切換。

圖1 基站切換預(yù)測方法的流程

2.1 過去時間窗的基站切換率

根據(jù)AT指令查詢得到主基站LAC值的變化，判斷基站切換，統(tǒng)計時間窗Tw內(nèi)基站切換次數(shù)N與Tw的比值，基站切換率P1=N/Tw。P1與未來是否有可能發(fā)生切換具有一定的相關(guān)性，P1為0，表明用戶手機在過去一段時間不發(fā)生基站切換，可能處于一個基站信號強且穩(wěn)定的區(qū)域，未來切換的概率也較低；P1越高表明用戶過去頻繁切換基站，可能處于多基站信號相交地帶，未來切換的概率較高。

2.2 有效基站集大小

將AT指令查詢的周邊相鄰基站個數(shù)信息緩存為一個有效基站集，統(tǒng)計在過去時間窗Tw內(nèi)平均有效基站集的大小P2。P2越大，表明用戶處于基站密集區(qū)，未來發(fā)生基站切換的概率越大；反之，表明用戶處于基站稀疏區(qū)，未來發(fā)生基站切換的概率越小。

2.3 有效基站集更新率

統(tǒng)計手機在過去時間窗Tw內(nèi)有效基站集的變化次數(shù)M。計算有效基站集的更新率P3=M/Tw。有效基站集變化包括有效基站集中任一基站的新增、減少。P3越大，表明用戶所處區(qū)域信號越不穩(wěn)定或用戶處于移動狀態(tài)，未來發(fā)生基站切換的概率越大；反之，表明用戶處于信號相對穩(wěn)定或靜止?fàn)顟B(tài)，未來發(fā)生基站切換的概率越小。

2.4 主基站信號強度波動率

根據(jù)AT指令得到主基站信號強度信息變化次數(shù)K，統(tǒng)計過去時間窗內(nèi)波動率P4=K/Tw。P4越小，表明用戶所處主基站信號穩(wěn)定，未來發(fā)生基站切換的概率越小；反之，表明用戶所處主基站信號不穩(wěn)定，未來發(fā)生基站切換的概率越大。

2.5 模糊概率計算

由于P1，P2，P3，P4的值閾不同，因此只有歸一化處理后[10]才能進行后續(xù)的模糊概率加權(quán)。

P1的模糊概率轉(zhuǎn)化：若P1為0，表示之前從未發(fā)生過基站切換，未來發(fā)生基站切換的模糊概率為0；乒乓效應(yīng)每秒可切換到5次，當(dāng)P1=5時，表示之前在以最高速率頻繁切換基站，認(rèn)為未來發(fā)生基站切換的模糊概率為1。因此將P1轉(zhuǎn)化為模糊概率p1：p1=P1/5。

P2的模糊概率轉(zhuǎn)化：若有效集大小P2=1，表示手機周邊只有一個基站，因此未來發(fā)生基站切換的模糊概率為0；由于模塊最多輸出6個周邊基站信息，因此將P2轉(zhuǎn)化為模糊概率 p2：p2=（P2-1）/6。

P3的模糊概率轉(zhuǎn)化：若P3=0，表示手機信號穩(wěn)定，周邊基站狀態(tài)不變，因此未來發(fā)生基站切換的模糊概率為0；由于乒乓效應(yīng)每秒可切換到5次，有效集最多有6個基站，因此理論上最多每秒能變化5×6=30次，P3=30表示手機有效基站集變化頻繁，未來發(fā)生基站切換的模糊概率為1。因此將P3轉(zhuǎn)化為模糊概率p3：p3=P3/30。

P4的模糊概率轉(zhuǎn)化：若P4=0，表示手機主基站信號穩(wěn)定未發(fā)生波動，未來發(fā)生基站切換的模糊概率為0；由數(shù)據(jù)統(tǒng)計經(jīng)驗可知，手機主基站信號每秒波動10次，發(fā)生基站切換概率較高，因此將P4轉(zhuǎn)化為模糊概率p4：p4=P4/10。計算最終的模糊概率加權(quán)值X：X=0.15p1+0.2p2+0.35p3+0.3p4。

2.6 基站切換預(yù)測

根據(jù)模糊概率值X判斷下一個時間窗內(nèi)是否會發(fā)生基站切換。若X＞0.9，則認(rèn)為下一個時間窗Tw內(nèi)會發(fā)生1次以上的基站切換；反之，認(rèn)為下一個時間窗Tw內(nèi)不會發(fā)生基站切換，由此完成對下一個時間窗基站切換的預(yù)測。

3 實驗與小結(jié)

將含通信模塊的物聯(lián)網(wǎng)終端安裝于車輛上。根據(jù)本文所述方法進行基站切換預(yù)測，并在下一個時間窗觀察是否發(fā)生基站切換，比對基站切換預(yù)測的準(zhǔn)確性。10臺終端的數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖2所示，橫軸為終端編號，縱軸為預(yù)測準(zhǔn)確率。可以看出，預(yù)測準(zhǔn)確率基本超85%，車輛行駛在基站密度較高區(qū)域的終端預(yù)測效果更好，準(zhǔn)確率超90%。

圖2 預(yù)測準(zhǔn)確率

4 結(jié) 語

本文基于無線通信模塊的AT指令信息，提出了在應(yīng)用層利用AT指令數(shù)據(jù)進行特征得取，并預(yù)測物聯(lián)網(wǎng)終端發(fā)生基站切換的可能性。若采用底層信令不開放的無線通信模塊，依舊可在應(yīng)用層進行基站切換預(yù)測。實踐證明，該算法具有比較好的準(zhǔn)確性、易用性與實用性。