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前基站的鏈路，當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備進行切換的相關(guān)信息，例如對于LTE通信標準[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標準[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)的部分數(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標準，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)終端的當前主基站信息和周邊基站信息。AT+CCED是AT指令標準中用于獲取小區(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)定或靜止狀態(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??；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P1=5時，表示之前在以最高速率頻繁切換基站，認為未來發(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)測準確率?？梢钥闯?，預(yù)測準確率基本超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，準確率超90%。

圖2 預(yù)測準確率

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確性、易用性與實用性。