（光学专业论文）移动通信中的切换设计.pdf

摘要 移动通信中的切换是一个重要的移动性管理功能，它是蜂窝系统所独有的功 能，也是移动通信系统的一个关键特征，特别是对支持个人通信业务的全球漫游 至关重要，因为它直接影响整个系统的性能。 切换从用途上主要可分为越区切换、均衡切换、服务切换。由于蜂窝中的移 动性，实际中遇到的切换主要是越区切换。本文介绍了越区切换中遇到的问题， 为解决实际问题而采取的措施、设计的模型和采用的算法。并以g s m 通信系统 为例具体介绍了越区切换需要的条件、切换的过程和使用的算法。由于业务量和 业务种类的增加，以及通信环境越来越复杂，加之通信质量要求越来越高，使得 切换方式及切换算法的要求越来越复杂和严格。 本文在具体介绍和比较当前各移动通信系统中切换算法的基础上，提出了在 多业务环境下基于f c a ( 固定信道分配方案) 上的优先排队算法：系统分别为切换 语音呼叫和切换数据呼叫设置了遵从f i f o 法则的排队空间，并让初始语音呼叫 和初始数据呼叫可以使用小区中所有的空闲信道。该算法改善了系统的性能，更 能适应高业务量小区的需要。 本文进一步对优先排队算法进行了优化，提出了基于双窗口测量的越区切换 算法。该算法使用传统上的窗口概念，其中一个窗口为传统意义上的窄窗口，另 一个窗口为测量误码率的广义窗口。两个窗口同时测量，既节省了测量时间，又 保证了测量质量。为平均切换次数和切换时延之间寻找最佳平衡点。本文对该算 法进行了理论推导，并组建了系统进行实验验证，并根据实验数据，对方案结果 和实验条件进行了总结。 关键词：越区切换；切换算法；双队列；双窗口 a b s t r a c t mh u n d o f fp r o c e s si sa l li m p o r t a n tm e a n sf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n i ti sa p a g t i c u l a ga n dk e yc h a r a c t e rf o rd i g i t a tc e l t u t a gs y s t e mt oe 1 1 $ u l eab e t t e rs e r v i c e q u a l i t yf o rt h em o v i n gs u b s c r i b e r s ，e s p e c i a l l yf o rg l o b a lr a n g eo f p c s a c c o r d i n gt ou s e ，t h eh a n d o f fi sc l a s s i f i e di n t ot h e s ec a t e g o r i e s _ 毛a n d o v c r , b a l a n c eh a n d o f fa n ds e r v i c eh a n d o 正1 1 舱h u n d o v e ri sm a s t e ri nf a c t n i i st h e s i sh a s i n t r o d u c e dt h em e a s u r e sa n dd e s i g n e da n a l y sm o d e l sa n dh a n d o f fa l g o r i t h mf o r s o l v i n gt h e p r o b l e m si nc e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m a n dt h i st h e s i sh a sd e t a i l e d l yi i l 删u dt h e h a n d o f fc o n d i t i o n sa n dh a n d o f fp r o c e s sa n dh a n d o f fa l g o r i t h mb a s e do l l ( i s mc o m m u n i c a t i o n s y s t e m d u et ot h eb u s i n e s si sm o r ea n dm o r e t h ec o m m u n i c a t i n gs u r r o u n d i n g si sm o r e c o m p l e x i t y t h er e q u i r e m e n t so fc o m m u n i c a t i n gq u a l i t , yi sh i g h e ra n dh i g h e r , s ot h e h a n d o f fa l g o r i t h m sa g em o r ea n dm o r ec o m p l e x i t y i nt h i st h e s i s ，an e wt r a d e o f fs c h e m eb a s e do np r i o d t yd u a l q u e u ef i f os c h e m e t 0i m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c ei s g i v e n , w h i c hi sc o m b i n e dw i t hf c f i x i e d c h a n n e la s s i g n m e n t ) a l g o r i t h m t h i ss c h e m ei s s u g g e s t e dw h i c hi sd u a l - q u e u eo f v o i c eh a n d o f fr e q u e s ta n dd a t ah a n d o f fr e q u e s t n l eq u e u eo fv o i c eh a n d o f f r e q u e si sp r e e m p t i v et h a nt h eq u e u eo fd a t ah a n d o f fr e q u e s t a n dt h eo r i g i n a t i n g v o i c ea n dd a t ac a l l sm a yb es e r v e db yt h ea l ja v a i l a b l ec h a n n e l si nc e l l i n m a l t i s e r v i c em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h en c wa l g o r i t h ma c h i e v e sag o o d p e r f o r m a n c ee s p e c i a l l yi nb u s yt i m e f o rm o r ei m p r o v i n gt h e 州o r i t yq u e u e ，t h i st h e s i sp r o p o s e sah a n d o f f a l g o r i t h m u s i n gd u a l - w i n d o wm e a s u r e i i 忙n t s i nc e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m o n e w i n d o w ( n a r r o ww i n d o w ) m g a s m es i g n a ls t r e n g t h a ts a m et i m e ，a n o t h e r w i n d o w ( g e n e r a lw i n d o w ) m c a s a g eb e r ( b i te r r o r ) ss c h e m ec a l lp r o v i d eas u i t a b l e b a l a n t eo fp r o b a b i l i t ya n dd e l a yo fh a n d o f t a na n a l y s i sm o d e lo ft h i sa l g o r i t h mi s g i v e i li nt h i st l l e s i s mp r o p o s e da l g o r i t h mi se s p e c i a l l yf i t t e dt ot h es i t u a t i o nw h i c h m o b i l es t a t i o nn e e d st om e a s a g et h e s i g n a ls t r e n g t hf r o mm a n yb a s es t a t i o n s m o r e o v e rw eh a ss e t t e du pa ne x p e r i m e n t a ls y s t e mf o rc h e c k i n ga n ds u m m a r i z i n gt h e r u l ea n dc o n d i t i o no f e x p e r i m e n ta c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a ld a t a k e y w o r d s ：h a n d o v e r h a n d o f f a l g o r i t h m d u a l - q u e u e d u a l w i n d o w - - 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 繇御吼弦。泓， 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：0 溉导师签名：喷宏氨 日期：驴7 弦 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 移动通信是指通信双方或至少一方是在运动状态中进行信息传递的通信方 式。移动通信不受时间和空间的限制，交流信息灵活迅速，被认为是实现通信理 想目标的重要手段，具有广阔的发展前景。 在无线移动网络中，严重的带宽限制迫使设计者将服务区域分为能够重复 使用的无线频谱。2 0 世纪6 0 年代末，美国贝尔实验室提出了蜂窝组网理论，此 后这种小区制移动电话系统网络结构称为“蜂窝式”。蜂窝系统在空间上实现了 频率复用，妥善地缓解了有限频率资源与众多用户的矛盾，因此该系统便得到了 越来越广泛的应用。 但是，当移动台从一个蜂窝移动到另一个蜂窝时，呼叫需要从一个基站切 换到另一个基站。很显然，这样的切换可能造成通话的中断，从而影响蜂窝系统 的设计和性能。现在对无线通信的需求飞速地增长，为了满足这种需求，增加容 量和扩展覆盖的一种方法是降低蜂窝的大小。通过进一步分裂蜂窝可以获得更大 的频率重用，但同时也增加了越区切换。q u a l c o m m 公司的测试结果表明， 大约有7 5 的通信业务需要越区切换。在数字移动通信系统中，小区半径相对较 小，在一次通话完成前，移动用户穿越一个小区的概率很高，因此切换频繁发生。 在市区，一次通话期间甚至可能会出现几次切换。 因此，切换是一个重要的移动性管理功能，它是蜂窝系统所独有的功能， 也是移动通信系统的一个关键特征，特别是对支持个人通信业务的全球漫游至关 重要，因为它直接影响整个系统的性能。 1 2 切换的类型和功能 从切换的方式上分，切换可以分为硬切换和软切换。硬切换是在与新基站 重新建立连接前中断与旧基站的连接，因而中间会有2 0 0 m s 的中断。而软切换 是当移动台从一个蜂窝移动到另一个蜂窝时不中断呼叫，移动台可以同时与两个 或多个基站连接，所以可以实现无缝连接。还有一种更软切换，它是一种蜂窝内 的切换，发生在两个扇区或三个扇区之间。这种类型的切换只发生在蜂窝内，而 不涉及移动交换中心( m s c ) 。c d m a ( 码分复用) 移动通信系统使用软切换和更 软切换，f d m a ( 频分复用) 和t d m a ( 时分复用) 移动通信系统使用硬切换。 从切换的功能上分，切换可分为下面几类： 1 无线链路类 此类切换主要是由于移动终端的移动而产生的。它基于监测无线链路的参 北京工业大学理学硕士学位论文 数( 信号强度、干扰、误码率) ，并将这些值与预定的门限值进行比较。进行详 细的分析需要涉及给定时间间隔内的许多参数。这是切换的主要用途，如越区切 换。越区切换是当用户在蜂窝的覆盖区域中移动时，正在进行的通信从一个蜂窝 转换到另一个蜂窝的过程。 2 网络管理类 ( 1 ) 单一蜂窝的拥塞控制。对任一移动通信系统来讲，一个非常重要的问 题是如何最优地利用有限的频谱资源。在一天的时间内，业务量的需求是变化的， 这将导致在相邻蜂窝之间业务分布的不平衡。网络可以利用切换来达到业务量在 蜂窝问的均匀分布。为了达到此目的，网络应当采用集中式资源控制方式，负责 收集邻近蜂窝的测量( 用于切换初始判决) 及相应地调节切换判决参数。 ( 2 ) 宏分集。要建立宏分集呼叫，必须在多个基站获得相同的信道，这可 能导致正在进行的呼叫直接进行切换来释放出某些信道。它需要解决三个问题： 1 是否有可用的信道。此问题与所有其他蜂窝的分配机制及处理宏分集的机制有 关。通过近似地计算没有被活动呼叫所占用的信道数来解决。2 宏分集可能需要 蜂窝内信道的重新安排。利用图论的方式可以解决此问题，它属于着色问题。然 而，只要宏分集呼叫的数量与蜂窝总的信道数量相比很小，此现象就不重要，并 且可以忽略。3 宏分集给网络带来的额外信令负载。此负载只能在有详细功能模 型中进行评估，并且只能通过仿真，因为不可能利用分析的方法来分析这么复杂 的系统。 ( 3 ) 动态信道分配( d c a ) 。在第三代移动通信系统中，为了处理业务量 的变化，信道将动态地把业务量分配给基站。因为传播环境的高度复杂性，这在 微蜂窝环境中非常必要。d c a 方式必须适应随着容量的增加而带来的业务量波 动和干扰模式的变化。根据是否由固定网络控制总的干扰分布，可以实现集中式 或分散式d c a 方式，也可以实现混合式的方式。分散式d c a 方式的效率很差， 而集中式的d c a 方式给系统增加了大量的信令负载。 ( 4 ) 混合蜂窝结构上的业务量分布。使用微蜂窝结构导致切换速率和信令 负载的增加，主要原因可能是某些蜂窝发生拥塞，某些区域缺乏服务微蜂窝或有 高速移动的用户为了解决此问题，可以采用混合的蜂窝结构。在这种情况下， 宏蜂窝将迎合在未被微蜂窝覆盖的区域的移动终端、以高速移动的移动终端或由 于缺乏信道而不能由微蜂窝服务的移动终端，因此，可以降低切换的速率。在混 合蜂窝结构的系统中，关键的问题是确定宏蜂窝子系统和微蜂窝子系统的最优信 道分配。众所周知，当呼叫连接到微蜂窝的基站时，可以获得最大的系统容量。 这意味着宏蜂窝将主要用于移动终端在未被微蜂窝覆盖的区域或所有微蜂窝信 道都被占用时，宏蜂窝也临时地作为保护蜂窝来处理宏蜂窝和微蜂窝之间的最优 负载平衡。 第1 苹绪论 ( 5 ) 信息的重新寻找路由。网络发现用于信息传输的路径并不是最短的一 个时，就可以进行切换，以释放冗余的系统资源。如果切换改变了接入点，那么 就可能接着进行第二次切换来优化固定网络资源的利用。当发现系统的某些部分 出现故障，需要重新寻找路由时也可以进行切换。当然，也可以利用仿真来评估 相关的性能参数。在这种情况下，仿真模型必须考虑固定网的寻找路由算法。 为了设计用于因信息重新寻找路由而引起的切换模型，应将问题从一般的 切换性能评估问题中分离出来，在这样的近似模型中，必须建立多个有关系的呼 叫源，每个连接点一个呼叫源。它们的关系是这样的，当一个呼叫结束后，邻近 节点以一定的概率开始一个新的呼叫。必须使用一般的切换模型来仔细地评估此 概率，它依赖于呼叫的持续时间分布、用户的移动性和网络的拓扑结构。由于重 新寻找路由而增加的固定网的信令负载也很重要，必须包括在详细的仿真模型 中。 3 业务类 q o s 的连续性。当发现业务质量下降时，网络可能不得不激活切换来改善 业务质量。 业务提供。在一个活动呼叫期间，移动终端可能请求一个附加的业务，而 当前蜂窝不能提供此业务。为了满足此请求，网络开始将其切换到其他能够提供 所需业务的蜂窝。 计费问题。有可能在某些地方，由不同业务提供商提供的某些业务有不同 的费率。在这种情况下，用户可能切换到较低费率的业务提供商那里。 1 3 需要进一步研究的问题 1 在第三代移动通信系统所提供的业务中，大部分业务是分组交换业务。 在不久的将来，数据通信所需求的业务量将超过话音业务所需求的业务量。因 此在设计切换算法时考虑分组交换业务非常重要，在理论分析和仿真中要加入 i n t e r n e t 浏览和e - m a i l 的模型。它们不再是泊松随机过程。研究中存在着数据 业务是否需要软切换，切换标准与话音切换有何区别等系列问题。特别是排队 技术的使用，数据排队将引入时延，但增加了系统的吞吐量。 2 第三代移动通信系统中的一个主要特点是可以提供多种业务。在一个 提供多种业务的网络中如何设计切换策略和切换算法成为关键的研究问题。 3 未来的移动通信系统为了提高系统容量和扩展覆盖范围，将采用分层 网络结构。需要研究用于此结构的各种切换算法。 4 将呼叫允许控制、网络拥塞控制和切换结合在一起的算法研究。在软 切换中需要功率控制，因此需要进一步研究切换与功率控制的结合，以及与切 换算法有关的业务量模型、移动性模型的建立 北京工业大学理学硕士学位论文 1 4 课题背景及来源 移动通信技术是在2 0 世纪8 0 年代开始发展起来的，移动通信技术的发展 速度远超过固定网络技术，普及的范围相当广泛。人们对移动通信的需求推动了 移动通信技术的发展，至今，移动通信已经历了2 0 世纪8 0 年代的第一代模拟技 术( 1 g ) 和9 0 年代的第二代窄带数字技术( 2 g ) 这两个发展阶段。近些年来，随着 无线通信宽带化技术的突破，移动通信正在向以c d m a 为基础，以宽带化通信 为特征的第三代3 g 技术发展。我国目前的移动通信主要是2 g 和2 5 g 的状况， 包括g s m 系统，c d m a i s 9 5 、c d m a 2 0 0 0 系统，以及p h s 系统( 小灵通) 。尤 其g s m 系统使用最广泛。 当然这些移动系统都离不开切换的问题，前面提到的各种切换策略，目前 应用得并不是很充分，大部分还停留在理论研究阶段。下一章以在我国使用最广 泛的g s m 系统来了解一下当前移动通信中切换过程的一个侧面。 课题就实际中遇到的一些问题进行探讨性研究。 1 5 课题的主要研究内容 本论文主要包括以下五部分： 第一章：简述了移动通信系统中切换的产生及切换的分类，提出了切换中需 要继续研究的问题：课题背景及来源；论文结构安排。 第二章：分析了g s m 移动通信系统的切换方式及切换算法，并对移动通信 系统中切换方式和切换算法进行了深入细致的介绍，包括功能、性 能指标、各种切换方式及算法的优缺点。 第三章：为1 3 节中提到的“在一个提供多种业务的网络中如何设计切换策 略和切换算法”设计了一种采用双f i f 0 的优先排队算法。 第四章：讨论了一种基于双窗口测量的越区切换算法及实验验证。 第二章移动通信系统结构及切换方式介绍 第二章移动通信系统结构及切换方式介绍 2 1g s m 系统的网络结构 g s m 是我国国内目前发展最成熟和市场占有量最大的一种数字蜂窝移动 通信系统。下面以g s m 系统为例介绍一下移动通信系统的网络结构。 图2 - 1 蜂窝通信系统结构 图2 1 蜂窝通信系统结构，从图中可看出，移动通信网由小区组成，收发 信机的无线覆盖范围构成每个小区，各小区间的联络通过移动交换中心( m s c ) 中转，小区中的移动台便可互相通信，并可通过m s c 与其他通信网联络。g s m 数字蜂窝通信系统的主要组成部分可分为移动台、基站分系统和交换分系统，如 图2 - 2 所示。基站分系统由基站收发信台( b t s ) 和基站控制器( b s c ) 组成；交换分 系统由移动交换中心( m s c ) 和操作维护中心( o m c ) 以及原籍位置寄存器( h u t ) 。 拜访位置寄存器( v l r ) 、鉴权中一l * ( a u c ) 和设备识别寄存器( e l 鼬等组成。 北京工业大学理学硕士学位论文 无缝小区： 基婶分系绕 ： 交换分系统：尉定一 ： ： p l t n i s d n 图2 2 g s m 网络结构 2 1 1 交换分系统( s s s ) 交换分系统主要包括移动业务交换中心m s c 以及管理用户数据和用户移 动性所需的数据库：归属位置寄存器( h l r ) 、拜访位置寄存器f v l r ) 。s s s 的主 要作用是管理g s m 系统移动用户之间的通信和g s m 系统移动用户与其他通信 网之间的通信。 移动交换中心( m s c ) 是g s m 系统的核心，通常是一个相当大的数字程控交 换机，能控制若干个基站。移动交换中心负责完成基本的交换功能，主要处理和 协调g s m 系统内部用户的通信接续，不论是主叫还是被叫。移动交换中心一侧 与基站分系统接口，另一侧与外部网络接口。移动交换中心在基站的协助下，可 以从归属位置寄存器、拜访位置寄存器中获得处理用户的位置登记和呼叫请求所 需的全部数据。根据其最新获取的信息，请求更新数据库的部分数据。 归属位置寄存器( h l r ) ，是g s m 系统中的中央数据库，存储着该归属位置 寄存器控制的所有归属移动用户的相关数据、一个归属位置寄存器能够控制若干 个移动交换区域以及整个移动通信网，所有归属移动用户的重要的静态数据都存 储在归属位置寄存器中，这包括移动用户识别号码、访问能力、用户类别和补充 业务等数据。归属位置寄存器中还存储着每个归属移动用户有关的动态数据信 息，如用户现在所在的m s c v l r 地址。 拜访位置寄存器( v l r ) 是服务于其控制区域内的移动用户的，存储着目前 进入其控制区域内的己登记的移动用户的相关信息，为已登记的移动用户提供建 立呼叫续接的必要条件。拜访位置寄存器从该移动用户的归属位置寄存器处获得 第二章移动通信系统结构及切换方式介绍 并存储必要的数据，一旦用户离开该拜访位置寄存器控制的区域，则将在另一个 拜访位置寄存器中登记，原来的拜访位置寄存器将取消该移动用户的临时记录数 据。拜访位置寄存器是一个动态的用户数据库，它的功能总是集成在移动交换中 心m s c 中实现。 2 1 2 基站分系统( b s 鳓 基站分系统b s s 包含了g s m 系统中无线通信部分的所有地面基础设施， 一方面，它通过无线接口直接与移动台实现通信连接。为此，b s s 要完成无线信 道的分配、管理，完成无线信号的发送、接收、调制、解调。另一方面，b s s 又 连接到网络端的交换机，因此，b s s 的角色可视作移动台和交换机之间的桥梁。 按g s m 数字移动通信规范提出的基本结构，b s s 可分为两部分：通过无 线接口与移动台一侧相连的基站收发信台b t s 和另一侧与交换机相连的基站控 制器b s c 。从功能上看，它们之间的分工是b t s 服务于一个无线小区，负责无 线传输，把位于其服务区内的移动台的呼叫，通过b s c 与m s c 连接：而b s c 负责控制和管理。 基站收发信台包括无线发射和接收设备、天线和所有无线接口特有的信号 处理部分，可以看作是一套复杂的无线调制解调器再加上少量其它功能电路。基 站收发信台可以采用全向天线，位于正六边形的中心称为中心激励；或者采用定 向天线，位于正六边形的顶点称为项点激励。每个基站收发信台服务于一个无线 小区( c e l l ) 人们通常所说的基站一般就是指基站收发信台。 基站控制器实际上是一台具有重要计算能力的小型交换机，它通过基站收 发信台和移动台的远端命令，负责所有的无线接口管理，主要是无线信道的分配、 释放以及切换。一个基站控制器可以管理很多个基站收发信台，二者之间的连接 方式有：星型连接、链型连接和环路连接，实际中经常采用星型连接( 图2 - 3 ) 。 图2 3b s c 与b t s 的星型连接 2 2 频率有效利用技术 任何移动通信网都有一定的服务区域，无线电波辐射必须覆盖整个区域。 由v h f 和u h f 的传播特性知道，一个基站只能在其天线高度的覆盖范围内为移 北京工业大学理学硕士学位论文 动用户提供服务。这样的覆盖区域称为一个无线小区，简称小区或蜂窝( 如图 2 1 ) 。小区半径的大小取决于用户的密集程度。 频率复用( f r e q u e n c yr e u s e ) 是建立在无线电波传输的路径损耗特点的基础上 的，即在一个基站所使用的频率可以在距离这一基站不会产生同频干扰的其他基 站重复使用，这就是所谓的频率复用。蜂窝移动通信网就是根据这一概念组成的。 使用相同频率的小区叫做同频小区，同频小区之间的距离称为同频道再用距离 ( 复用距离) ，为了使同信道干扰不至于降低通信质量，复用距离必须足够远。 频率复用技术使得在g s m 系统内只使用有限的频谱资源就能无限地增加 系统容量成为可能，即频率复用技术从空间域上妥善地缓解了有限频率资源与众 多用户的矛盾。 频率复用对各小区的信道分配起非常重要的作用，主要体现在以下三个方 面： 同一个频率必须大于它的复用距离后才能被再次使用。 相邻的频率不能在相邻的小区中使用。 一个小区中使用的频率在频率轴上必须有一定的距离。 现代公众蜂窝移动电话网，通常是先由若干个邻接的无线小区组成一个无 线区群，再由若干无线区群组成一个服务区。为了实现频率复用，而又不产生同 信道干扰，则要求每个区群中的无线小区，不得使用相同频率。只有在不同区群 中的无线小区，并保证同频无线小区之间的距离足够大时，才能进行频率复用。 无线区群的组成应该满足两个基本条件，一是若干个无线区群彼此之间可 以互相邻接，并且无空隙地带组成蜂窝或服务区域；二是邻接之后的区群应保证 同频无线区之间的距离相同。 所以，区群内的无线小区数是有限的，并且无线小区数n 应满足 n = i 2 + i j 十j 2 ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，i ，j 为正整数，其中可以一个为零，但不能同时为零。同频小区之 间的距离d 为： d _ ( 3 n ) 1 ( 2 - 2 ) 式( 2 2 ) 中，n 为区群内小区数，r 为小区的辐射半径( 即正六边形外接圆的半径) 。 可见群内小区数越大，同频小区就越远，抗干扰的性能也就越好，这是小区制组 网需要考虑的一个重要因素。 g s m 系统使用区群的邻接就可以用相同的一组无线信道覆盖比较大的一 片区域。在实际中，区群中的小区数n 的选择应该考虑两个问题：一是如果n 太大，则每个小区中分得的频道数太少，影响了系统的容量；二是如果n 太小， 则每个小区分得的频道数增加，同时同频小区距离减小，从而使同频干扰防护比 减小，影响了通信质量。目前，常用的区群结构即复用模式有n = 1 2 ，9 ，7 和4 。 第二章移动通信系统结构及切换方式介绍 2 3 越区切换 蜂窝结构可以适应很高的用户密度，同时也产生了一个很复杂的问题，那 就是怎样确保用户在小区之间移动时保持通信不中断，这一处理过程叫做越区切 换。越区切换( h a n d o m 是指在蜂窝移动通信网中，当正在通话的移动台从一个小 区移动到另一个小区时，移动交换中，l , ( m s c ) 命令移动台从一个小区的无线频道 上的通话转接到另一小区的无线频道上，以保持继续正常通话。 切换的目的是：在移动台与网络之间保持一个可以接受的通信质量，保证 通信的连续性。由于移动信道的复杂性，诸如衰落、遮挡、干扰以及移动台的运 动或附近物体的运动，会造成接收信号电平发生很大的起伏而成为可能触发切换 的主要因素。因此，在蜂窝通信系统中，切换被看作是最复杂最主要的过程之一。 此外，为了适应用户数量的快速增长，一般要采用小半径小区，而这样无疑增加 了网络中的切换次数。 在一次呼叫期间，m s 不断向正在服务的b s 报告所在小区及相邻小区的信 号强度。当m s 从本小区基站接收到的信号强度低于从相邻小区基站收到的信号 强度时，m s 通过正在服务的b s 向正在服务的m s c 发出越区切换请求。收到请 求后，m s c 将在目标小区中寻找一个空闲信道，将该m s 的通信转移到新的信 道上，同时释放原来的信道。如果目标小区中没有空闲信道，通信会在原来的信 道上继续进行，同时，这种试图切换的过程会周期性地重复进行。 切换一般分为两类：硬切换( 先断开原来的链接，再建立新的链接。如图 2 - 4 ) 和软切换( 先建立新的链接，再断开原来的链接。如图2 5 ) 。通常，硬切 换进一步分为两类内部切换和小区间切换；软切换也进一步分为两类扇 区间更软切换和小区间软切换。 切换前 切换后 图2 4b s 与m s 间的硬切换 9 - 北京丁业人学理学硕十学位论文 的_ 怂_ 登 切换前 2 4 性能准则 切换中 图2 - 5b s 与m s 间的软切换 切换后 为了评价切换方式的效率，定义一些性能测量参数非常重要。在硬切换的 情况下，使用下面的切换参数来评价切换算法：( 1 ) 不必要的切换次数在 以前的链路还能继续提供满意的性能时所进行的切换次数。( 2 ) 未成功的切换次 数将移动台切换到接收信号强度不够的基站的次数。( 3 ) 预期的切换次数一 一在移动台从一个蜂窝移动到另一个蜂窝期间发生的切换次数。( 4 ) 分界点距离 在此距离分配给当前基站的概率降低到o 5 以下时，分配给正在接近的基站 的概率达到o 5 。它用于测量切换的时延。( 5 ) 预期的平均信号强度( e a s s ) 一当移动台从一个蜂窝移动到另一个蜂窝，开始进行切换时基站的信号强度平均 值。它也用于指示切换的时延。 对于软切换，使用下面的切换参数来评价切换算法：( 1 ) 活动组更新的次 数；( 2 ) 预期的活动组中的基站数；( 3 ) 信道的效率。 通用的切换参数：( 1 ) 切换率。( 2 ) 呼叫阻塞的概率p b _ 新用户到达时， 蜂窝内的所有信道都忙的概率。( 3 ) 切换失败的概率p h 厂当切换呼p t t n 达目 的蜂窝时，蜂窝内的所有信道都忙的概率。( 4 ) 强迫中断的概率p f l 一系统开 始接受了呼叫，在进行过程中由于切换失败而被中断的概率。( 5 ) 呼叫未完成的 概率p ，广呼叫由于阻塞( 对新呼叫) 或强迫中断( 对切换呼叫) 而没有完成 的概率。( 6 ) 用户业务的中断间隔( 带内信令) 。 为了推导出上面的参数，要使用一个蜂窝中的下列条件：新呼叫到达速率 o ：一般假定到达蜂窝的新呼叫是泊松过程。 切换呼叫到达速率 h i ：一般假定从邻近蜂窝到达的切换是泊松过程，当 系统中的业务量是均匀分布时，它与从蜂窝切换出去的速率 h o 相等。 驻留时间t 慨i j 如果蜂窝分配给移动台一个信道，移动台在移动出此蜂窝 之前，将在蜂窝的覆盖区域内逗留一段时间，称之为驻留时间。t d 。l l 是一个随 机变量，它可能有均值为1 t l 的一般概率分布函数f d w c ，但是通常假设t d 。 是指数分布的。 呼叫保持时间t c ：没有被迫中断时呼叫所持续的总时间。通常也假设t c 是 第二章移动通信系统结构及切换方式介绍 指数分布的。 信道占用时间k ：如果给移动台分配一个信道，有两种情况释放此信道， 呼叫在蜂窝内完成或将呼叫切换到邻近蜂窝。在这种情况下，信道占用时间等于 呼叫保持时间和驻留时间中较小的一个。 2 5 各种切换方式 对p c s ( 个人通讯服务) 网络，基本上有三种切换策略，它是根据谁发起 和执行切换来划分的。这三种策略是移动台控制的切换( m c h o ) ，网络 控制的切换( n c h 0 ) 和移动台辅助的切换( m a h 0 ) 。 切换过程分为两个阶段，切换判决阶段和切换执行阶段。切换判决阶段是 根据所接收的信号强度或其他准则判决是否进行切换，主要解决传播问题。切换 执行阶段是为切换请求分配网络资源，主要解决有限信道资源问题。要进行切换 首先必须检测经过蜂窝边界的移动用户，可以通过在移动台测量接收基站的信号 强度( r s s ) 来实现。在移动环境中由于信号的多径传播，信号强度的变化很大。 随着移动台的移动，它接收的信号强度发生变化，主要有三个因素影响信号强度 的变化：( 1 ) 与基站的距离；( 2 ) 慢衰落阴影或对数正态衰落：( 3 ) 快衰落 瑞利衰落( 大蜂窝) 或瑞切( 小蜂窝) 。 阴影效应是由于不同的散播和地形变化引起的。将阴影衰落看成为零均值 的高斯过程，自相关函数为指数衰减。与阴影衰落相比，瑞利衰落有非常短的相 关距离，一般认为在对信号进行平均时可以把它消除掉，因此可以忽略。有多径 或阴影衰落的切换过程一般导致太多的切换。这些不必要的切换也使信道资源短 缺，并且有可能导致呼叫掉话。 开始切换的标准基本上基于信号平均的窗口、移动台的速度、门限电平和 滞后范围。在判决过程中一般将由慢衰落和快衰落引起的波动看成为噪声。对信 号强度测量的平均时间间隔要进行折衷，如果时间间隔太短，不能有效地消除衰 落波动：如果时间间隔太长，就要增加切换的时延。根据环境和移动台的速度， 求平均的时间间隔可以变化。可以利用滞后范围和平均的时间间隔在平均切换次 数和切换时延间进行折衷。在具有相对较小路径损失特性的宏蜂窝系统中，平均 的时间间隔应足够大，以便消除由衰落带来的变化。对于微蜂窝系统，就不需要 长的平均时间间隔了，因为拐角效应可以引起突然的路径损失。在此情况下，应 选择足够大的滞后范围来避免突然的掉话。在混合的微蜂窝和宏蜂窝系统，可以 同时使用两种准则。必须根据移动台的速度来调整平均的时间间隔以及接收信号 的抽样时间。可以通过级穿率、零穿率和协方差来估计移动台的速度，也可以根 据信号包络的均方波动估计最大多普勒频率的方法来估计移动台的速度。瑞利衰 落的时间范围依赖于最大多普勒频率，而最大多普勒频率又与移动台的速度成比 例。阴影衰落的相关函数也依赖于距离。快衰落和慢衰落都与移动台速度有关。 北京工业大学理学硕士学位论文 通过估计最大多普勒频率，就可以自适应地调整平均时间间隔。在混合的系统结 构中，将快速移动的用户分配给宏蜂窝，而将慢速移动的用户分配给微蜂窝。这 样可以共同地降低切换次数，增加总的系统容量。相对信号强度中包括共信道干 扰，可以利用绝对和相对信号强度的组合以及有b e r 测量的相对信号强度来优 化性能。其他非标准的切换控制技术包括神经元网络、模糊逻辑和模式识别技术。 切换算法的动态编程处理可以使业务失败率和切换次数最小。 2 5 1 解决传播问题的切换方式 相对信号强度。切换判决基于从基站接收的信号平均值。当从接近的基站 接收的信号强度大于从服务基站接收的信号强度时，就开始进行切换，如图2 - 6 中的t 2 时刻的b 点。此方式的缺点是当服务基站还能提供所要求的业务质量时 就进行了许多不必要的切换。 有门限的相对信号强度。在此方式中，当服务基站的平均信号强度降低到 某门限值以下，并且接近基站的平均信号强度大于它，就开始进行切换。在此方 法中需要恰当地选择门限值。理想情况下，在两个基站的中点从两个基站接收的 信号强度相等。如果选择的门限值高于此信号强度，就会出现类似相对信号强度 的效果。如果选择的门限值低于此信号强度，移动台将推迟切换，直到服务基站 的信号强度经过此门限值。如果选择的门限值远低于此信号强度，切换延时将很 高。这将降低通信链路的质量并导致呼叫中断。 有滞后的相对信号强度。在此方式中，只有新基站的信号强度比服务基站 的信号强度高出一个滞后范围( h ) 时才开始进行切换，如图2 - 6 中的c 点。它 预防了乒乓效应，但当服务基站的信号强度足够强时，它也产生不必要的切换。 有滞后和门限的相对信号强度。在此方式中，只有服务基站的信号强度降 低到门限以下，并且新基站的信号强度比它高出一个滞后范围( h ) 时才开始进 行切换，如图2 - 6 中的t 3 时刻的d 点当服务基站的信号强度能够提供所需的 质量要求时，使用此方式可以进一步降低不必要的切换。 信号强度 信号强度 t 1 l 一1 、 l 1 _ _ 一 一7 一。一一一一 b s l m sab cd b s 2 图2 - 6 可能发生切换的相邻两基站的信号强度和滞后参数间的关系 1 2 - 第二章移动通信系统结构及切换方式介绍 2 5 2 解决有限信道资源的切换方式 在蜂窝移动网络中，必须在没有共信道干扰的条件下有效地重复使用有限 的频谱。共信道干扰的约束限制了更大的可用信道的重复使用。因此，当有切换 请求呼叫时有可能没有可用的信道，呼叫被强迫中断，特别是当网络拥塞时。由 于只有有限的信道资源，许多切换方式给切换呼叫一定的优先级来降低切换的失 败率。主要有下列方式：( 1 ) 无优先级方式；( 2 ) 预留信道方式；( 3 ) f i f o 优先级：( 4 ) 基于测量的优先级方式；( 5 ) 子速率方式。 在没有优先级的方式中，基站对新呼叫请求和切换呼叫请求不做任何区剐。 在这种情况下，若没有空闲信道分配给呼叫，就将其清除。 在有优先级的方式中，如预留信道方式，为了降低切换呼叫的失败率每个 蜂窝都预留出固定数量的信道，专用于切换呼叫。 在排队切换方式中，没有立即获得信道的切换呼叫进行排队，直到它的信 号强度降低到门限值以下。当有信道可用时，按照“先入先服务”的原则给这些 呼叫分配信道。 在基于测量的排队算法中，切换请求是根据呼叫接近接收机的速度来进行 排队，而不是按照“先入先服务”的原则。 对基于定时器的优先级切换方式，在信道分配过程中，当出现蜂窝中只有 一个信道可以分配的情况时，如果切换请求在定时器的范围内，就将此信道分配 给切换呼叫，否则将此信道分配给下一个到达的新呼叫或切换呼叫。通过改变定 时器的值，可以将切换失败概率固定在它的范围内的任意值。通过根据蜂窝中业 务量的模式来动态地改变定时器的设置，此方式可以迸一步地改善性能。 r - ， 在子速率方式中，当有切换呼叫到达而蜂窝中没有可用的信道时，就将一 个占用的全速率信道暂时地分成两个原来速率一半的子信道，一个信道用于正在 进行的呼叫，另一个用于切换呼叫。使用此方式需要空中接口的结构能够支持将 全速率信道分成两个子速率信道的功能。对t d m a 系统，可以很容易地实现子 速率信道，而对f d m a 和t d m a 系统，就不是那么简单了。实际上使用子速率 可以基本上消除强迫中断现象，但在使用子速率期间降低了话音质量，而且支持 子速率的移动终端比较昂贵。 在指示重试( d i r e e t e r r e t r y ) 方式中，蜂窝中的移动台在公共信令信道中向 基站发出呼叫请求。在接收到此请求后，基站将检查蜂窝中是否有空闲的信道。 如果有，基站将此空闲信道分配给请求的移动台：如果没有，基站将给请求的移 动台提供所有邻近蜂窝的公共信令信道的识别码。此移动台检查这些邻近蜂窝的 公共信令信道的质量。如果所有公共信令信道的质量都低于预设的门限值，就将 此呼叫阻塞，否则移动台将在符合条件的公共信令信道发送指示重试消息，请求 新蜂窝分配信道。如果新蜂窝有空闲信道，基站就接受此呼叫请求，否则拒绝此 北京工业大学理学硕士学位论文 请求。指示重试保留了f c a ( 固定信道分配) 的优点，同时又通过增加信道的 利用率来降低蜂窝的阻塞概率。它利用蜂窝之间存在的重迭区域，允许移动蜂窝 系统中的某些用户在多个蜂窝中寻找空闲无线信道。但它增加了切换次数和共信 道干扰电平。 分层优化切换算法( h o 姒) 需要每个基站有一个蜂窝活动性图( c a m ) ， 此图跟踪给定蜂窝和邻近蜂窝的信道使用情况。h o h a 寻找一适当的同步相互 切换路径( a b ，b a ) ，若找到，就进行切换，此路径称为闭合路径。若找 不到这样的路径，就找开放的路径。为了限制c a m 表的复杂性和大小，可以将 邻近微蜂窝分层。h o h a 是移动台发起的切换算法，它有三个门限：登记门限、 切换门限和临界门限。此算法不仅降低了切换失败的概率，而且均衡了相邻微蜂 窝间负载的分配。缺点是稍微增加了新呼叫的阻塞率。 信道借用切换算法是将蜂窝内的信道重新配置：在小区中有一个切换请求， 而小区中的所有信道忙，则将一个在用的信道借给切换请求使用，而被借信道的 业务从邻近小区借用一个信道。当所有信道忙且借不到信道，则在邻近蜂窝的信 道借用组间进行交换。若成功，则有空闲信道使用；若不成功，呼叫中断。 理想的切换是根据移动台的位置在蜂窝边界进行切换，但由于慢衰落和快 衰落使接收的信号电平产生波动，很难实现精确的切换。信号的波动可能使切换 过早或过晚，这将产生不必要的切换或使切换强迫中断。预先知道一些移动终端 的实际位置，将帮助进行更精确的切换。很难得到精确的位置信息是因为涉及许 多参数，如测量精度和差错，还有传送此信息时所产生的差错。可以使用多种方 法估计移动终端与b s s 间的距离。一般假设距离信息的精度是变化的，是一个 静态随机变量。位置辅助的切换算法降低了平均切换次数，改善了切换性能。另 一种位置辅助的多值逻辑切换算法可以响应接收信号强度、移动台位置和时间的 连续变化，自适应地进行调节 无线环境一般变化非常大，预计很高的切换次数和变化非常快的接收信号 电平、c i 测量和估计的