主頁（http://www.by236.com）：警用數字集群PDT專網在地面高速移動應用中的網絡優化
【摘要】本文通過介紹PDT通信原理、PDT網絡優化原理、PDT網絡優化方法等內容，采用實地測試、調研與分析的方法，深入研究PDT終端在高速運行狀態下（如高鐵、高速），實現快速越區切換，保證良好的通話效果，單基站下有較多數量的PDT終端用戶同時入網注冊時，實現所有終端的快速入網，多個交換控制中心的互聯互通及終端在多個交換控制中心之間的快速漫游切換。【關鍵詞】高速鐵路；高速公路；移動網絡；信號覆蓋；優化原則
一、概述隨著高速公路、高速鐵路建設的不斷發展，警用數字集群PDT專網也逐步對高速公路和鐵路進行全面覆蓋。在復雜的無線環境中，高速行進中的移動終端受到的影響越來越大。為了保障公安干警在高速公路和高速列車執勤和重大安保工作，高速移動應用中的PDT網絡質量已成為亟待解決的問題。1.1 警用數字集群PDT專網在高速移動應用中的現狀目前警用數字集群PDT專網主要的高速移動應用的場景為高速鐵路和高速公路。高速鐵路系統的運行速度已經達到350公里/小時，高速公路的行駛速度限制在120公里/小時。要保證高鐵乘客的通信暢通和通信質量，需重點解決高速運行下PDT用戶通信時發生的切換混亂、接通率低和掉話等現象，提出高速鐵路移動網絡質量的總體解決方案。在高速移動通信過程中，由于通信節點處在快速移動中，噪聲干擾較大，造成信號誤差，引起可參與通信的節點距離特征不斷變化，一旦速度過快，最優通信節點的選擇不能與距離特征變化匹配，存在信號延遲錯位，通信效果變差，常常出現無法接通、信號干擾、異常掉話、切換混亂等現象，嚴重影響網絡質量和客戶滿意度。高速行進的列車或汽車車體密封性能好，運行速度快，車內網絡質量較差，高速移動中網絡覆蓋具有以下的特點：1、高速移動運行中，受多普勒頻移影響明顯。多普勒頻移可表示為：頻移大小和運動速度及運動方向相關，速度越快頻偏越大。因信號入射角度關系，頻移具有時變特性，合成頻率在中心頻率上下偏移。當列車駛向基站時，頻偏為正，當列車駛離基站時，頻偏為負。另外，移動的手機終端以下行頻率為基準發送上行信號，因此基站接收機將承受2倍于終端的多普勒頻移。2、高速列車穿透損耗大，車體損耗最大達到12～20dB左右。為了保證車內覆蓋信號強度達到-90dBm，行進中高速公路的汽車車外信號至少需要達到-80dBm左右，而行進中的在高鐵車廂密閉性能更好在車外的信號需達到-70dBm左右。因此高速移動的移動終端必須有較好的信號質量。3、高速列車運行速度快，按照現行高鐵CRH3車型最高時速380km/h計算，列車每秒運行約105.6米。以PDT制式為例，根據切換算法時間的估算，完成2次快速切換的時間為5～6秒，為了保證切換的順利完成，需要足夠大的小區重疊覆蓋距離（切換帶）。為了保障公安干警使用的PTD集群終端在高速移動中具有良好的網絡質量和用戶體驗，需對網絡進行性能優化，網絡優化目標如下：（1）PDT終端在高速運行狀態下（如高鐵），實現快速越區切換，保證良好的通話效果和用戶體驗。（2）單基站下有較多數量的終端用戶同時入網注冊時，實現所有終端的快速入網。（3）多個交換控制中心的互聯互通及終端在多個交換控制中心之間的快速漫游切換。 二、影響PDT網絡高速移動通信質量問題分析2.1 多普勒頻移移動通信電波在空氣中傳播時，受到不同的地形地貌、建筑物、氣候、其它電磁干擾以及通信終端移動速度等情況影響，會呈現不同的衰落特性。主要有：隨傳播距離變化而導致的傳播損耗，也稱為遠近效應；由大型建筑物或其它物體對電磁波傳輸形成阻擋導致的接受區域信號衰落，也稱為陰影效應；傳播環境的復雜多變，移動終端最終接收的信號不僅有發射臺傳播過來的直射波，更有周圍環境中地形地物作用下產生的反射、繞射和散射波，這種來自多個路徑的信號疊加，將導致嚴重的衰落，也稱為多徑效應；當終端高速移動時，會產生信號發射頻率和接收頻率之間的偏差，稱為多普勒效應。高速移動的場景中，前三種信號衰落特性與其它普通場景類似，所以如何克服多普勒效應就成為高鐵場景下保證移動通信質量的重要技術問題之一。終端用戶在信號覆蓋區內移動時從一個小區轉移到另一個小區，從一個市局交換中心管轄的基站切換到另一個市局交換中心管轄的基站，必然出現跨基站跨中心切換。為了保證用戶的通信質量，在用戶終端高速移動的環境中切換過程必須切換時間快且切換成功有效。因此，如何設計一個快速而又可靠的切換策略和算法，是決定高速移動環境下移動網絡性能好壞的一個關鍵因素。 在無線語音通信過程中，參與本次通話的很多移動臺都處于移動狀態，由此可能導致某些基站內沒有移動臺駐留、參與通話，該基站的無線信道資源處于無用戶狀態，如果繼續保持通話狀態，導致無線資源的使用浪費，同時增加系統運行的負荷。因此需要設計一個資源回收策略保障資源的有效利用。 PDT系統最常用的業務是無線語音組呼業務，組呼業務的呼叫范圍根據呼叫發起時組成員的活動范圍進行動態分配，該種分配方式既可以保證有效的呼叫范圍，同時也可以節省無線信道資源。因此設計一種快速分配信道資源是實現快速切換的有效方法。 在移動終端高并發場景下，例如大量移動臺同時登記注冊，在短時間內，大量的呼叫請求產生，多個呼叫請求產生碰撞在所難免，請求數量越多，發生碰撞的概率越大。一旦呼叫請求信令產生碰撞可能導致碰撞的信令都出現錯誤，這些請求可能不能被正確解析，導致呼叫失敗。此后，移動臺將根據ALOHA信令中接入參數隨機延時一定時間后，重新發起呼叫請求，如此反復。如果超過一定重試次數，請求仍然不能成功，則判定本次呼叫失敗。如何能夠避免這些呼叫失敗，需設計一種快速接入機制。 三、高速移動中PDT系統網絡優化方法及優化結果 針對移動終端在高速環境出現的問題，提出PDT系統解決切換、接通率低和掉話等現象的解決方案。本章節根據某高鐵和高速公路項目的實施優化效果，對提供PDT優化技術和優化策略進行論證。 項目要求在鐵路沿線建設PDT基站覆蓋鐵路沿線，解決車內PDT通信、車地之間PDT通信。PDT系統采用萬格VT-3系統設備。 VT-3系統基于IP組網，軟交換架構，采用分布式數據庫技術，單交換中心可支持256個基站聯網，并可擴展。該項目在高速鐵路和高速公路沿線六個地市分別建設了交換控制中心，以及近200座PDT基站，交換中心與基站間采用E1鏈路（2M）。基站覆蓋半徑不小于3km，基站距離平均達到5km。基站呈鏈狀覆蓋，兩基站之間都有重疊切換區。其網絡示意圖如圖6所示。 各個基站設置1個控制信道，1個定位的業務信道。系統開戶2000人，設置2個全線指揮保障組，2個鐵路公安組，若干個本地調度組。憑借VT-3系統優化的越區切換機制，實現動車車內、沿線值勤、安保指揮中心隨時隨地通話。 在項目建設階段對鐵路和公路沿線網絡進行詳細測試，測試線中出現了切換、接通率低和掉話等現象。針對所出現的問題采用以下方法進行了優化。 PDT系統最常用的業務是無線語音組呼業務，組呼業務的呼叫范圍根據呼叫發起時刻組成員的活動范圍進行動態分配，該種分配方式既可以保證有效的呼叫范圍，同時也可以節省無線信道資源。在組呼通話過程中，參與本次通話的每個業務信道需要廣播鄰近基站參與本次通話的業務信道信息。廣播的方式可以是業務信道周期性下發的方式，或者移動臺主動查詢的方式，或者兩者兼而有之。本項目中采用根據參與基站的動態變化進行實時推送的方式。 在組呼通話過程中，交換中心實時、動態地維護每個基站的鄰近基站信息，當某一個基站的鄰近基站信息發生變化時，交換中心自動、實時更新鄰近基站信息，并且立即將更新后的鄰近基站信息推送給該基站。鄰近基站信息無變化的基站將不更新，降低系統的總體負荷。 系統根據當前所有組成員的位置進行智能分配信道，因此當前通話組的參與基站是動態變化的，當有新增基站參與本次通話后，交換中心根據新增基站的位置，推算出該新增基站與現有參與通話的哪些基站是鄰近基站，然后將該新增基站的業務信道信息推送給相關的其他基站，與該新增基站無鄰近關系的基站，系統將不會推送變化的基站信息。 PDT系統無線語音業務建立后，每個參與本次通話的基站如果配置了鄰近基站，并且有鄰近基站參與了本次通話，那么業務信道將按照一定的廣播策略將參與本次通話的鄰近業務信道信息在空口進行廣播。本項目對廣播鄰近基站業務信道信息的策略進行了針對性的優化。 為了適應快速移動場景，系統將提高廣播鄰近基站業務信道信息的頻率。業務信道發送多個鄰近基站信息指令P_BCAST，將所有鄰近基站的業務信道信息廣播完畢，然后再發送P_PROTECT（PK=EN_PTT）指令,允許移動臺申請PTT講話，如此循環往復，以保證移動臺能夠快速獲得參與本次通話的鄰近業務信道信息。獲得鄰近基站的業務信道信息后，移動臺將按照參與站方式進行越區切換，達到最快、最優的越區切換效果。 同時為了確保有移動臺正在講話的時候其他移動臺可以正常接收到鄰近基站的業務信道信息，業務信道將同樣在語音超幀的嵌入式信令中使用P_EMSD_BCAST廣播鄰近基站的業務信道信息。同時如果本次組呼是明文通話，則語音超幀中交替嵌入P_EMSD_BCAST和講話方信息指令P_EMSD_GRPV；如果本次組呼是密文通話，則語音超幀中交替嵌入P_EMSD_BCAST、講話方信息P_EMSD_GRPV和加密控制幀P_EMSD_E2EE。 在無線語音通信過程中，參與本次通話的很多移動臺都處于移動狀態，由此可能導致某些基站內沒有移動臺駐留、參與通話，該基站的無線信道資源處于無用戶狀態，如果繼續保持通話狀態，將導致無線資源的使用浪費。 本項目的系統中加入了無線信道資源智能回收策略，交換中心實時監測參與本次通話的所有移動臺的實時位置，如果發現某一個基站內已經沒有參與本次通話的有效活動用戶，則交換控制中心自動向該基站發出信道回收指令，強制收回該基站的無線信道資源，最大限度地提高無線信道資源的利用率。 PDT系統最常用的業務是無線語音組呼業務，組呼業務的呼叫范圍根據呼叫發起時刻組成員的活動范圍進行動態分配，該種分配方式既可以保證有效的呼叫范圍，同時也可以節省無線信道資源。 越區切換主要包括兩大類場景：一種是越區切換到參與基站，另一種是越區切換到非參與基站。 越區切換到參與站是指移動臺在發起越區切換時，目的基站就是本次通話的參與基站，系統已經在目的基站分配了無線信道資源，當移動臺在當前基站的信道弱到指定門限，并且目的基站的信號強度達到切換要求后，移動臺可以直接切換到目的基站的業務信道載波上繼續本次通話，該場景越區切換速度最快，效果最好。 越區切換到非參與站是指移動臺在發起越區切換時，目的基站并不是本次通話的參與基站，目的基站并沒有為本次通話分配無線信道資源，此時移動臺可以有兩種選擇，其一是在當前業務信道向系統發出申請，申請在目的基站為本次通話分配無線信道資源，然后等待系統分配成功后以廣播信息的形式告知移動臺，移動臺獲得目的基站的無線信道信息后，進行越區切換，其二是移動臺直接切換到目的基站的主控信道，在主控信道發起業務恢復接入，申請分配無線信道資源，系統分配成功后，移動臺轉入目的基站新分配的業務信道，繼續語音通話業務。越區切換到非參與站的場景下，選擇一由于需要移動臺發起申請并等待系統的回復，該交互的時間少則幾百毫秒，多則幾秒鐘，而在高速移動的場景下將直接影響越區切換的效果和成功率；選擇二由于需要切換到目的基站的主控信道，離開通話的業務信道，必將導致當前語音通話中斷。 本項目中為了保證移動臺優先使用越區切換到參與站的方式，使用了無線信道智能預分配策略，該策略是在現有動態分配基站的基礎上，為每個參與基站的鄰近基站自動預分配無線信道資源。 在組呼通話過程中，如果組成員發生越區切換或者有新的組成員開機并加入組呼，或者有新的移動臺組附著到當前組呼，系統實時記錄當前組呼的呼叫范圍，同時檢查當前組呼范圍內每個基站的鄰近基站，如果某一個鄰近基站內沒有組成員活動并且也沒有參與本次呼叫的業務信道，則系統自動在該鄰近基站為本次組呼分配無線信道資源，并通知相關基站的業務信道，更新鄰近基站業務信道信息。但是由于該鄰近基站內暫時沒有組成員活動，因此不再繼續檢查該基站的鄰近基站，避免組呼范圍的無限擴大。當該鄰近基站內有組成員進入后，則系統將繼續檢查該基站的鄰近基站。 該策略保證所有組成員當前所在基站的所有鄰近基站均預先為本次組呼自動預分配無線信道資源，確保移動臺在發生越區切換時，使用越區切換到參與站的方式，保證最優的越區切換效果。 移動臺在待機狀態下，當本基站的主控信道的無線信號場強降到預設的背景掃描臨界值時，將啟動后臺的背景掃描機制，移動臺掃描并記錄每個鄰近基站的主控信道的信號場強。如果主控信道的信號場強繼續降低到越區切換臨界值時，移動臺將進行自動漫游，切換到無線信號最強的基站。 如果移動臺在通話過程中，當本基站的業務信道無線信號場強降到預設的背景掃描臨界值時，將啟動后臺的背景掃描，移動臺掃描并記錄每個鄰近基站的參與本次通話的業務信道的信號場強。如果業務信道的信號場強繼續降低到越區切換臨界值時，移動臺將發生越區切換，自動切換到無線信號最強基站的業務信道繼續通話。 移動臺背景掃描策略的好壞直接影響到漫游和越區切換的速度和效果。 移動終端的掃描臨界值和切換臨界值一般根據工程經驗或實際電測來定，如臨界值設為-85dbm，切換值設為-90dbm。系統也可根據基站的覆蓋情況指定各基站的臨界值，通過鄰近基站的廣播信息發送到終端。 掃描一個鄰近基站一次所需時間為60ms，一般需要多次掃描確認（如連續3次掃描的同一基站信號符合要求），才認為該基站達到切換條件，終端在掃描時，需權衡掃描時間、掃描間隔、如何掃描多個鄰近基站等多方面因素，需要一定的策略確保掃描既快又準。對于鐵路沿線，各基站的鄰近基站一般只有2-4個，通常掃描時間在2秒左右，對時速180km的動車，終端在當前基站臨界值開始啟動掃描，大概行駛100m即能完成掃描。 PDT系統的各種業務呼叫采用邀請/隨機接入機制，PDT系統主控信道周期性下發隨機接入邀請信令（ALOHA），邀請有業務需求的移動臺發送業務請求指令（RAND）。 ALOHA信令中攜帶多個接入參數，可以用于控制移動臺的各種呼叫請求和隨機接入效果，C_ALOHA的PDU結構如下： | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
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其中MASK、SF、WT、Backoff可以用于調整移動臺的隨機接入參數，各參數說明如下： - BackOff：重發退避TDMA幀長。當移動臺的呼叫請求未得到系統的回復，導致呼叫超時后，取1-BackOff之間的一個隨機數作為延時時間，重發呼叫請求。超過一定的重試次數后，移動臺判定本次呼叫失敗。
- WT：隨機接入響應定時等待時隙數。移動臺發起呼叫請求后，在WT時間內，必須得到系統的明確響應結果。如果超過WT時間移動臺仍然沒有收到系統的響應結果，則判定本次呼叫超時，啟動重發機制。
- Taddr/Mask：邀請目的用戶地址和比特地址掩碼。這兩個參數類似與INTERNET網絡中的IP地址和網絡掩碼，只有匹配TADDR和MASK地址的用戶才允許接入當前系統。
在高并發場景下，例如大量移動臺同時登記注冊，在短時間內，大量的呼叫請求產生，多個呼叫請求產生碰撞在所難免，請求數量越多，發生碰撞的概率越大。一旦呼叫請求信令產生碰撞可能導致碰撞的信令都出現錯誤，這些請求可能不能被正確解析，導致呼叫失敗。此后，移動臺將根據ALOHA信令中接入參數隨機延時一定時間后，重新發起呼叫請求，如此反復。如果超過一定重試次數，請求仍然不能成功，則判定本次呼叫失敗。本項目中加入了動態調整隨機接入參數的策略。系統在處理各種呼叫業務的過程中，實時統計系統當前的負載狀態，以主控信道的各種信令作為參考，主要包括：業務發起和呼叫指令C_RAND、短數據業務指令C_UDTHU和恢復接入指令C_RESTORE。根據當前的負載狀態動態調整ALOHA信令中的一個或者多個隨機接入參數，降低系統的負載和信令碰撞的概率。如果系統的負載變高，碰撞的概率也相應的增加，那么系統可以： - 通過調整BACKOFF參數降低呼叫請求碰撞的概率，
- 通過調整WT可以降低移動臺重發請求的間隔時間，給系統更多的業務處理時間，
- 通過調整TADDR/MASK，限制一部分移動臺的呼叫請求，從而降低系統負載和呼叫碰撞的概率，
- 也可以通過SF邀請更少的業務請求，從而也可以降低系統負載和呼叫碰撞的概率。
反之，如果系統的負載在降低，那么系統可以反向調整這四個參數。 通過對路測數據和系統數據分析，網絡的切換成功率、掉話失敗、接通失敗得到了較好的改善。 通過以上優化方法，基站間切換成功率有大幅度的提升。高速公路切換成功率由64.23%提升到98.41%，高鐵由58.55提升到95.95%。路測數據數據分析如下：
 3.2.2掉話優化結果 通過以上優化方法，終端掉話次數有較好的改善。高速公路掉話次數由優化前的27次較低到3次，高鐵由由優化前的42次較低到6次。路測數據數據分析如下：
通過以上優化方法，終端接通失敗有較好的改善。高速公路接通失敗次數由優化前的9次較低到1次，高鐵由由優化前的15次較低到2次。路測數據數據分析如下： 四、全文總結4.1 主要結論項目在六個地市分別建設了交換控制中心，近200座PDT基站，建成的通信系統覆蓋了某鐵路和高速公路沿線及其周邊重點區域，通過不斷對以上6項技術策略的研發和優化，首先，開創了區域合作通信指揮調度的先河：首次實現多地市指揮調度一體化，解決了高速移動中無法多地地統一指揮的難題，滿足跨區域統一調度的通信需求。其次，開創了高速移動專業通信的先河：攻破了高速列車上實時狀態顯示和語音通信的難題，達到列車高速移動時添乘人員與地面指揮中心的實時高質量通話，開創了全國警用數字集群PDT系統高速列車與地面實時通訊的先河。通過對網絡的規劃和優化，網絡質量已經達到了較好效果。目前項目已建設完成正式投入實戰應用，在多次重大保障任務中均發揮了不可替代的作用，并在全國多個地市的地鐵項目中也得到了成功應用，解決了地鐵列車運行中頻繁切換的難題。基于已經取得的技術成果，后期可以將該技術和優化方案推廣到全國的鐵路線路和高速線路上，也可以將該方案應用到其他高速移動的應用場景，尤其包括高速公路、軌道交通等其他高速運行環境和場景。項目成果同樣適用于普通的PDT建設項目，將大大提升PDT系統的性能和使用效果。總的來說，警用數字集群（PDT）通信系統在高速移動中場景的成功應用，將在很大程度上擴展警用數字集群通信的應用范圍，同時將大幅度提升PDT通信系統的系統性能，將為全國公安通信保障提供更有力支撐。
(中國集群通信網 | 責任編輯：陸濤) |
