数字对讲机越区切换优化方案

汤玲 刘星 罗正华 杨洋

【摘  要】为了提升对讲机越区切换过程中的用户体验，提出了更快速、更可靠的越区切换优化方案。对讲机在待机时越区切换，会依照邻时隙的业务情况采用相应的策略，可在不影响业务漏收情况下更快速查找最优基站进行登记;对讲机在通话中越区切换时，通过更快速锁定空口、选用最佳切换点、丢失语音恢复、重复语音过滤以及预测语音关联性大大减少通话掉字。经测试，待机时越区速度提升达24倍，通话中越区掉字率减少高达85%，可有效提升越区切换的可靠性。

【关键词】通话中越区;待机时越区;邻站扫描检测

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.10.015        中图分类号：TN924

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2020）10-0081-06

引用格式：汤玲，刘星，罗正华，等. 数字对讲机越区切换优化方案[J]. 移动通信， 2020，44（10）： 81-86.

0   引言

专网通信在每个关键时刻为用户提供不间断的通讯，保障了用户的高效沟通和快速响应。然而，PDT（Professional Digital Trunking，专业数字集群）集群系统下，对讲机移动位置变化将导致接收的基站信号变差而影响通信，这需要对讲机切换到信号更好的基站下工作，以保证用户通信不间断。这个切换的过程叫作越区切换。

对讲机越区切换一般有两种方式，人为手动切换基站和自动切换基站。手动切换不适用于快速移动的场景，例如隧道、高速公路、地铁、火车等这些场所。自动切换基站的越区策略，可实现智能切换，用户可全天候随意移动执行任务，不用担心通话失败、语音丢失等情况。

对于自动切换基站方案，对讲机从一个基站切换到另外一个基站需要有一个过程。对讲机需要先扫描基站控制信道以搜索可以进行登记的基站，判断基站的信号可以进行登记后，再通过控制信道向基站进行登记。这个切换过程所需要的时间，决定着越区切换中业务的連续情况。我们需要一系列策略来保证自动越区切换通信的连续性，提供给用户更平滑的越区通信体验。自动越区切换分为两种场景：对讲机待机时越区切换和对讲机通话中越区切换（包括接收越区、发射越区和通话保持状态越区）。

目前，PDT标准定义了通话中越区的主要流程，而未明确规定背景扫描的实现流程，各厂家有不同的越区切换方案。在PDT集群系统中，越区切换存在语音丢失、语音重复、切换速度慢、业务漏收的问题，特别是对快速移动过程的重大保障通信影响很大，亟需解决。 所以，本文主要从用户改善用户体验出发，提出待机时越区切换和通话中接收越区优化方案，实现更快速越区切换，增强集群通信的稳定性和可靠性。

1   原有越区切换导致语音或业务丢失

1.1  待机时越区切换

对于待机时的越区切换，PDT没有明确规定实现流程。各个厂商自己实现，现有技术大体分为两种：

（1）技术一

当前基站信号变弱时，切换到其他邻近基站频点下，检测下行信号强度。并基于对多个邻近基站信号强度排序，选择最强基站进行切换。技术一这种方式，对讲机锁定到邻站进行检测，邻站检测过程会漏收当前基站下的业务。

（2）技术二

当前基站信号变弱时，PDT标准的TDMA（Time Division Multiple Access，时分多址）双时隙技术，利用邻时隙时间，切换到其他邻近基站频点检测信号强度。

技术二有两种方案来实现，这两种方案都有不足。

1）方案一：对讲机使用邻时隙连续检测邻站场强，这会导致无法解析邻时隙的信令，影响对讲机解析邻时隙的业务。

2）方案二：对讲机将检测两个邻站的时间间隔延长，以减少对于业务的影响，但是会导致邻站检测效率低，不能及时找到最优的基站。

目前通用的待机时越区切换采用技术一来实现，存在切换速度慢、业务漏收的问题。对讲机移动过程中，如果其所在的基站场强变弱，则会启动检测邻站场强的机制;对讲机检测邻站场强时，需要切换至邻站下行频点检测场强。由于对讲机切换至邻站频点检测，所以在切换频点及检测场强时间段内将无法接收原登记基站邻时隙的下行信令，从而影响业务。并且为了尽量减少对于业务的影响，会延长检测邻站的时间间隔，导致邻站检测时间过长，漏收下行信令影响业务，会导致对讲机漏处理业务、无法及时反馈系统寻呼等问题。邻站检测时间过长会影响用户体验：对讲机切换至邻站过慢，由于时间过长之前检测的场强已变化导致判断不准确等问题。

1.2  通话中越区切换

图1为PDT标准中典型通话中越区切换流程，表示对讲机终端在组呼通话中，越区切换到参与站的流程。对讲机在个呼通话中的切换流程跟组呼类似。

基站在通话业务信道下发该业务的邻近基站的业务信道信息，有下行语音时，通过嵌入信令下发该业务的邻近基站的业务信道信息。

（1）终端处于接收状态。

（2）当终端的信号质量恶化，达到小区重选条件。

（3）终端对相邻基站进行背景监视。

（4）相邻基站满足越区条件，终端自行切换到这个相邻基站。

（5）越区后继续接收语音。

从PDT标准中接收越区切换流程中可以看出，标准未定义越区切换的处理细节，在语音接收中当检测到满足越区切换条件后，则可以进行越区流程和信道切换。然而信道切换完成有多个步骤，需要进行同步字检测，时隙校准锁定。锁定完成后，才能继续接收语音并播放。在语音通话中，每个语音超帧包含A、B、C、D、E、F六个语音帧，每个语音超帧中只有A帧有帧同步字，因此在最恶劣情况下，至少丢失720 ms语音。而且在加密语音情况下，越区切换后，需要重新接收嵌入式PI头加密信息，对加密参数进行初始化，嵌入式加密PI头720 ms才有一个，因此加密语音接收越区掉字都在1 s以上。同时基站间存在网络抖动延时，会增加语音丢失，或语音重复情况。

由上可知，越区切换主要缺点就是，切换过程时间长，语音丢失多，造成用户通话内容丢失，用户体验不好。

2   以尽量减少业务中断为目标的优化思路

2.1  待机时越区切换

对于非通话时的越区切换，考虑对技术二的两种方案进行结合来进行优化。优化思路为：根据邻时隙的业务情况采用相应的邻站检测机制，兼顾当前基站业务不受影响，又能够更快地进行更好信号强度的基站搜索，尽快切换到信号好的基站上。

2.2  通话中越区切换

对于通话中越区，优化思路如下：

在数字专网TDMA系统中通话越区，需执行信道切换、同步检测、时隙锁定、语音同步等多个过程，这些过程需要消耗时间，因此存在语音丢失的情况。要减少通话越区切换过程中语音的丢失，需要从信道切换速度、同步检测速度、时隙锁定速度、语音信息同步策略、语音丢失恢复等多个方面着手，减少语音的丢失，提升用户通话的平滑性，提升用户体验。

（1）快速锁定空口：采用两个时隙均检测同步，减少信道时隙锁定时间，更快速完成越区切换。

（2）确定最佳切换点：在特定的语音帧位置进行切换，确保切换后更快接收到语音帧。

（3）丢失语音恢复：利用声码器恢复丢失的语音帧。

（4）重复语音帧过滤：增加重复帧过滤策略，避免网络延时导致的语音重复播放问题。

（5）预测语音关联性：预测越区前后语音的关联性，保证越区前后语音的连续性。

3   符合优化思路的技术实现手段

3.1  待机时越区切换

为了避免在邻时隙完全进行邻站场强检测而漏收邻时隙的业务，新方案会依据邻站业务的相关性而采用相应的邻站场强检测策略。

对讲机根据记录的所在基站邻时隙下行业务情况，将邻时隙下行业务分为：本对讲机关注的周期性业务、本对讲机不关注的业务、本对讲机无法判定周期的业务。对讲机检测到当前所在基站的下行信息已经不符合停留条件，则启动邻时隙检测邻站信息机制，依据邻时隙业务的情况采用不同的检测机制。

（1）如图2所示，如果邻时隙业务为无法判断周期的业务，则根据用户配置以1：N的时间间隔检测邻站信息。

对讲机待机在控制信道，当前基站场强达到后台扫描启动门限时，开始启动邻站场强检测;对讲机根据监测控制信道邻时隙下行信令无法确定邻时隙支持的业务情况时，则使用系统规划时配置的检测周期进行邻时隙检测邻站场强;如：在不确定邻时隙业务的情况下，按照1：N的方式，即每使用邻时隙检测完邻站场强，在对讲机制定的固定间隔时间后再次使用邻时隙检测下一个邻站的场强，减少邻时隙丢失信令的概率。

1：N由用户配置的邻站扫描间隔时间决定，最快可以配置为1：1，即邻站扫描间隔时间为180 ms。

（1）如图3所示，如果邻时隙业务为本对讲机关注的下行周期性业务，则对讲机需要记录邻时隙业务周期;对讲机在需要使用邻时隙检测邻站场强时，如果当前处于关注的业务周期中，则优先处理周期业务，暂不执行邻站场强检测;如果当前不是处于关注业务周期中，则可以使用邻时隙连续检测邻站场强。

对讲机待机在控制信道，当前基站场强达到后台扫描启动门限时，开始启动邻站场强检测。对讲机根据监测控制信道邻时隙下行信令为本对讲机关注的周期性业务，位置信息辅控上拉等，则记录相关业务周期，本对讲机在处理邻时隙周期业务的时间点，邻时隙不做邻站场强检测处理。其他时间，本对讲机使用邻时隙检测邻站场强。

（2）如图4所示，如果邻时隙业务为非本对讲机关注的业务，则对讲机可以使用邻时隙连续检测邻站信息。

对讲机待机在控制信道，当前基站场强达到后台扫描启动门限时，开始启动邻站场强检测。对讲机根据监测控制信道邻时隙下行信令为非本对讲机关注业务，则认定当前基站环境，本对讲机的业务不需要邻时隙下发信令触发，则全部邻时隙可以用于邻站场强检测。

上述流程极大限度地利用了邻时隙，在不影响自身业务的情况下，尽量连续地使用邻时隙检测邻站信息，大大地缩减了两个邻站间的检测间隔。

3.2  通話中越区优化

以减少通话中越区切换时间和语音恢复与去重为思路，通过5大手段联手来优化通话中越区切换流程。

（1）快速锁定空口

如图5所示，TDMA系统中，首先需要进行时隙锁定，才能进行后续信号的接收解码。新方案在越区信道切换后使用检测到的同步信号的前后两个时隙的CACH进行时隙锁定，可以减少信道时隙锁定时间，从而加快越区切换速度。

1）TC：1 bit，0和1两个值可以分别指示空口时隙1和时隙2。

2）如图6所示。优化前，只在检测到同步的时隙上报数据，上报两帧数据完成锁定最少需要90 ms;如果需要换时隙，则需要再加60 ms，总共需要150 ms。优化后，在检测到同步后，两个时隙都上报数据，上报两帧数据就可完成锁定，只需要60 ms。

（2）确定最佳切换点

选定最佳切换点，可让终端越区切换后以最短的时间锁定目标时隙并进行信号接收解码。

在选择最佳切换点时需要考虑网络延时情况、时隙锁定速度和语音超帧特性。在PDT专网系统下的网络延时预计在120 ms以内，对讲机采用空口快速锁定技术最快只需60 ms。语音超帧包含6帧，其中A帧是超帧起点且有同步信息，可采用在收完语音D帧后进行越区切换，这样确保越区切换后能尽快收到语音帧。

图7为两信道同步无网络延时且通过A帧进行时隙锁定的越区切换场景。终端在D帧进行信道切换，越区切换后终端需要等待自身时隙的A帧同步进行时隙锁定，这个等待过程为120 ms。所以，就算考虑网络延时的情况，终端锁定目标时隙的等待时间也不会超过1个超帧时间。

图8为两信道同步无网络延时且通过邻时隙同步帧进行时隙锁定的越区切换场景。终端在D帧进行信道切换，越区切换后，收到邻时隙同步的情况下，越区后可以马上收到语音F帧，而不需要考虑网络延时。

（3）丢失语音恢复

如图9所示，信道切换、同步检测、时隙锁定，需要耗时，期间会造成语音帧的丢失。当越区切换过程中有语音帧丢失时，则利用声码器丢帧恢复处理，可以恢复丢失的语音，实现信道切换后声音平滑过渡。

（4）重复语音帧过滤

如图10所示，由于基站网络链路会存在抖动，语音数据在基站间传输会有时延，时延有正延时和负延时，所以需要可能存在越区切换后收到重复语音数据，因此要消除网络抖动的影响。为了避免因为网络延时导致的越区后语音重复播放问题，增加重复帧过滤策略。越区切换前保存最近收到的三个语音帧，越区切换后，将第一次收到的语音帧与备份的语音帧进行对比判断（加入一定容错率），如果是重复的语音帧则丢弃该语音帧。

（5）预测语音关联性

PDT语音帧编号为ABCDEF六个帧，六个帧为一个超帧，超帧中嵌入有控制信息，或加密信息。因此越区前收到的帧编号和越区后收到的帧编号做到连续性后，能够实现语音处理过渡更平滑。

根据越区切换时间点（如在语音帧D帧进行切换）、语音超帧特性（语音超帧包含ABCDEF语音帧，每帧60 ms）和LCSS（Link Control Start/Stop，链路控制标识位）的指示，可以预测越区后收到的语音帧与越区前的语音帧的关系，从而可以确保越区切换时不停止语音接收，同时对于加密呼叫，也不需要重新进行加密相关信息同步，从而保证越区前后语音的连续性。

（6）优化后的通话中越区流程

优化后的通话中接收越区流程下：

1）开始接收越区前，先进行越区前参与准备工作（备份等）。

2）在收到D帧语音帧后，进行信道切换。

3）信道切换后，进行时隙锁定。

4）判断是否发生语音帧丢失，是：对丢失语音帧进行语音帧恢复;否：进入下一步。

5）判断接收过程中收到的是否是重复语音帧，是：丢弃;否：进入下一步。

6）正常播放语音，接收越区流程结束。

4   应用效果

（1）待机时越区切换

优化后的待机时越区切换可在不影响当前站业务漏收的情况下，更快速完成邻站扫描检测，快速切换到最优的站点，具体如下。

1）不影响当前时隙业务。原有方案从当前基站切换到邻站检测场强，存在漏收当前基站控制信道信令的风险。新方案只在控制信道邻时隙检测邻站场强，能保证当前时隙的可靠接收，不会影响当前时隙业务。

2）不影响邻时隙业务。原有方案从当前基站邻时隙切换到邻站检测场强，存在漏收当前基站邻时隙信令的风险。新方案采用自适应邻近站检测策略，可以动态地根据邻时隙业务类型调整邻时隙检测邻站的周期，几乎不存在漏收邻时隙信令的风险，降低邻站检测对于邻时隙业务的影响。

3）邻站场强检测间隔更短，可更快速检测到最优邻站。原有方案两个邻站检测时间间隔较长，默认检测间隔为3 s。新方案两个邻站检测时间间隔短，最短间隔只需要120 ms。邻站扫描速度最大可提升24倍（此处的最短间隔时间是指邻时隙无本对讲机关注业务时，使用邻时隙连续扫描邻站）。按照14个邻站全部检测完计算，原有方案按照默认值需要42 s，新方案最快只需要1.68 s。

4）检测到最优邻站的准确性更高。原有方案检测完全部邻站时间长，已检测的场强可能已经变化了，检测结果存在不准确风险。新方案检测完全部邻站时间短，已检测的場强实时性高，检测结果准确。

（2）通话中越区切换

优化后的接收越切方案，加密呼叫掉字明显减少，非加密呼叫也有一定改善。在产品中应用测试数据如表1所示。在用户系统环境下，通过对讲机测试线，连接示波器，获取对讲喇叭输出波形，计算示波器越区前和越区后的声音输出波形差值，等到语音丢失（掉字）时长。以下测试数据为10次测试的平均值。

5   结束语

该方案在广东省深圳市南山区某PDT集群系统下，经城市道路区域和地铁沿线车厢里使用，在快速连续切换基站和多重叠覆盖区，都具有很好的效果。同时，在地下、地面移动，也能够快速无缝进行切换，通话中能够有效减少语音丢失，提升用户的使用体验。经测试，待机时越区速度提升达24倍，通话中越区掉字率减少高达85%。

对讲机越区切换也是一个长期的持续优化的专题，目前技术还未能做到真正的零掉字，未来还需要更多的技术攻关和突破来实现进一步的突破和完善。

参考文献：

[1]    中华人民共和国公安部. 警用数字集群（PDT）通信系统技术规范-空中接口物理层及数据链路层——修订-R1_20191107[R]. 2019-11-07.

[2]   中华人民共和国公安部. 警用数字集群（PDT）通信系统技术规范-空中接口呼叫控制层——修订-R2_20191107a[R]. 2019-11-07.