（信号与信息处理专业论文）wcdma中的切换研究.pdf

w c d m a 中的切换研究 摘要 w c d m a 已经成为了被广泛采纳的第三代空中接口。软切换是 移动性管理的重要组成部分，高效的软切换算法可以在很大程度上提 高系统性能。本文重点研究w c d m a 中的切换技术。 在w c d m a 系统中，切换是无线资源管理的重要方面。而软切 换是w c d m a 最广泛使用的切换方法，它给系统带来了很多好处， 如：提高系统的容量，减少了切换过程的掉话率，消除了“乒乓效应 等，因而它在增加w c d m a 系统容量的同时，也保持了呼叫的完整 性，但是软切换又会给系统带来额外的负担，消耗网络资源。因而合 理控制软切换对于系统性能至关重要。本文重点讨论了软切换的核心 软切换算法。针对传统软切换算法对负载不敏感的缺点，提出了 能够对系统负载进行均衡的改进算法。 改进的软切换算法将小区负载和公共导频信号载干比一起考虑， 使得在保证通信质量的同时也兼顾系统的容量。为了比较传统软切换 算法和改进软切换算法，先研究软切换算法参数的设置对系统性能的 影响，通过仿真分别给出了两种算法的各个参数对系统软切换容量增 益性能的影响，并对其进行优化，然后对优化后的算法进行仿真比较。 从仿真结果可以看出，当网络负载较重时，改进的算法在软切换容量 增益和中断概率等性能都有一定改观，提高了系统的性能。 关键词：w c d m a 无线资源管理软切换算法 r e s e a r c h0 n h a n d o v e ri nw c d m a a b s t r a c t w c d m ah a sb e e nw i d e l ya d o p t e da st h e3 r dg e n e r a t i o na i r i n t e r f a c e h a n d o v e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta s p e c t si nm o b i l e m a n a g e m e n t ，a n de f f i c i e n ts o f th a n d o v e ra l g o r i t h mc a ng r e a t l yi m p r o v e s y s t e mp e r f o r m a n c e t h i sp a p e rf o c u s e so nt h eh a n d o v e rt e c h n o l o g yi n w c d m a i nw c d m a s y s t e m ，h a n d o v e ri s a ni m p o r t a n ta s p e c to fw i r e l e s s r e s o u r c e m a n a g e m e n t s o f t h a n d o v e ri st h em o s t w i d e l y u s e di n w c d m a , w h i c hh a sm a n ya d v a n t a g e s ，f o re x a m p l e ，e n h a n c et h e c a p a c i t yo fs y s t e m ，d e c r e a s et h ec u t o f fr a t e ，a n de l i m i n a t et h ep i n gp o n g e f f e c ta n ds oo n s oi tn o to n l yi n c r e a s e st h ec a p a c i t yo fw c d m a s y s t e m ， b u ta l s om a i n t a i n st h ei n t e g r i t yo ft h ec a l l h o w e v e r ，s o f th a n d o v e ra l s o h a si t sd i s a d v a n t a g e i tw i l lc a u s ee x t r ab u r d e nt ot h es y s t e ma n dc o n s u m e s y s t e m sr e s o u r c e s oi ti sv i t a lt oc o n t r o lt h er a t i oo fh a n d o v e rr a t ef o r t h es y s t e m t h i sp a p e rf o c u s e do nt h ec o r eo fs o f th a n d o v e r ，w h i c hi ss o f t h a n d o v e ra l g o r i t h m b e c a u s et h ec l a s s i cs o f th a n d o v e ra l g o r i t h mi sn o t s e n s i t i v et ol o a db a l a n c eo ft h es y s t e m ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sa ni m p r o v e d a l g o r i t h mf o rb a l a n c el o a do ft h es y s t e m t og u a r a n t e et h eq u a l i t yo fc o m m u n i c a t i o na n da s s u r et h es y s t e m c a p a c i t 5t h ei m p r o v e da l g o r i t h mn o to n l yc o n s i d e r st h er a t i oo fr e c e i p t s i g n a lp o w e ri nc p i c ht ot h en o i s eb u ta l s oc e l ll o a d t oc o m p a r et h e p e r f o r m a n c eo ft h ei m p r o v e ds o f th a n d o v e ra l g o r i t h ma n dt h ec l a s s i co n e ， w ef i r s t l ya n a l y z et h ee f f e c to ft h ep a r a m e t e ro ft h ea l g o r i t h m st ot h e s y s t e mp e r f o r m a n c e ，g i v et h er e l a t i o n s h i po f t h e ma n do p t i m i z et h e p a r a m e t e r si ne a c ha l g o r i t h m ，a n dt h e nc o m p a r et h ep e r f o r m a n c eo ft h e t w oo p t i m i z e da l g o r i t h mi ns i m u l a t i o n f r o mt h er e s u l t ，i ts h o w st h a tt h e i m p r o v e d s o f th a n d o v e r a l g o r i t h mh a sb e t t e rp e r f o r m a n c ei n s o f t h a n d o v e rc a p a c i t yg a i na n db l o c k i n gp r o b a b i l i t y , s ot h ei m p r o v e do n e s e n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m k e yw o r d s ：w c d m a , w i r e l e s sr e s o u r c em a n a g e m e n t ，s o f th a n d o v e r , a l g o r i t h m 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，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邮电大学或其他教育机 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。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：互乙区趔) 本人承担一切相关责任。 日期：巡= ：主之 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅 和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印 或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保窜范围，适用本授权书。 本人签名：差乙趔 日期： z o 盆翌：3 。呈立 导师签名：喜矢峙斋# 日期： 已岫名二二；址 北京邮电大学硕士学位论文 1 1 移动通信发展概述 第一章绪论 早在1 8 9 7 年马可尼就在移动体和固定体之间进行并完成了无线通信的试验， 标志着无线电通信的诞生。但真正的移动通信技术的发展应从二十世纪7 0 年代 开始，在过去的3 0 年间，移动通信技术经历了翻天覆地的变化。 第一代蜂窝移动通信系统： 1 9 4 7 年美国贝尔研究所提出蜂窝移动通信的概念； 1 9 7 1 年“蜂窝网 的概念被提出； 1 9 7 8 年在美国进行了先进移动电话系统( a m p s ) 的试验； 1 9 8 3 年a m p s 正式投入运营。 七十年代中期至八十年代中期，移动通信得到迅速发展。 此时的蜂窝移动通信系统，由于空中传输的信号是模拟信号，故被称为“模 拟蜂窝移动通信。模拟蜂窝移动通信存在着设备复杂，成本高，频谱利用率低， 容量小的缺点。 第二代移动通信系统： 为了解决第一代系统存在的不足，在2 0 世纪8 0 年代末引入的第二代移动通 信系统中，数字信号代替了原确的模拟信号被采用来传输，从而使第二代移动通 信系统不仅能提供传统的语音业务，还可以提供低比特率的数据业务。与第一代 移动通信系统相比，第二移动通信系统能够获得更高的频率利用率、更好的数据 服务和更完善的漫游功能。 欧洲邮政电信行政大会( c e e r ) 于1 9 8 2 年成立了g s m ( 行动特别小组) 的专 题小组，开始制订适合欧洲各国的数字移动通信系统的技术规范。于1 9 8 7 年提 出了基于t d m a ( 时分多址) 的移动通信系统，并将g s m 重新命名为“全球移动 通信系统 ，简称为g s m 。在原有的g s m 系统上发展了许多新技术，产生了更 高级的2 5 代系统( 2 5 g ) 在美国，第二代数字移动通信系统的发展也经历了复杂的发展过程。首先是 1 9 9 1 年i s 5 4 ( n o r t ha m e r i c at d m ad i g i t a lc e l l u l a r ，北美t d m a 数字移动通信 系统) 的引入，该标准将f d m a 的模拟a m p s 标准与t d m a 的美国数字蜂窝标 准兼容在一起：与此同时，美国q u a l c o m m ( 高通) 公司在美国蜂窝通信工业协会 北京邮电大学硕十学位论文 的支持下，开发出完全符合c t i a 要求的c d m a ( 码分多址) 系统。1 9 9 2 年美国 电信工业协会( t i a ) 根据高通公司的建议，发御了踟l s 9 5 ，简称i s 9 5 ，并 于1 9 9 5 年5 月颁布了i s 9 5 a 版的修订本。其通信带宽为1 2 5m h z ，又称为窄 带码分多址( n c d m a ) ；同时，美国联邦通信委员会( f c c ，f e d e r a l c o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ) 也将1 9 0 0 m h z 频段( p c s ) 拍卖，准许g s m l 9 0 0 进 入美国市场。 第二代主要的不足是美，欧等国的移动系统相互间不能漫游而且不能适应数 据业务的迅速发展。 第三代移动通信系统： 第二代移动通信技术的巨大成功推动移动通信网络迅速向前发展，而同时日 益增加的移动用户也给无线网络容量造成巨大压力。此外，无线i n t e r n e t 接入， 视频电话和国际漫游等的迫切需要也促使更高用户速率的全球标准3 g 的产生。 1 9 8 5 年国际电信联盟( u ) 提出了未来公众陆地移动通信网络系统 ( f p l m t s ) 的概念，开始研究3 g 。3 g 网络的典型代表是国际电联u 开发的 f p l m t s ，以及欧洲e t s i 开发的u m t s ( 通用移动通信系统) ，同时将c d m a 技 术做为第三代移动通信系统的重要技术之一。 第三代移动通信系统主要为多媒体通信而设计，用户之间可以通过高质量的 图像和视频提高通信质量。另外，通过使用公众和个人网络的信息服务使用户可 以获得更高速率的数据业务，同时系统也有更灵活的容量。第三代移动通信系统 可提供并发混合业务，并且不同业务可以有不同的q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ，业务 质量) 。 第三代移动通信区别于现有的第一代和第二代移动通信系统，其主要特点概 括为 1 ： 1 ) 全球普及和全球无缝漫游的系统。第二代移动通信系统一般为区域或国 家标准，而第三代移动通信系统将是一个在全球范围内覆盖和使用的系 统。它将使用共同的频段，全球统一标准。 2 ) 具有支持多媒体业务的能力，特别是支持i n t e m e t 业务。现有的移动通 信系统主要以提供话音业务为主，随着发展一般也仅能提供1 0 0 2 0 0 k b p s 的数据业务，g s m 演进到最高阶段的速率能力为3 8 4 k b p s 。而第三代移 动通信的业务能力将比第二代有明显的改进。它应能支持从话音分组数 据到多媒体业务：应能根据需要，提供带宽。u 规定的第三代移动通 信无线传输技术的最低要求中，必须满足在以下三个环境的三种要求。 即：快速移动环境，最高速率达1 4 4 k b p s ：室内环境，最高速率达2 m b p s ； 2 北京邮电大学硕士学位论文 室外到室内或步行环境，最高速率达3 8 4 k b p s 。 3 ) 便于过渡、演进。由于第三代移动通信引入时，第二代网络已具有相当 规模，所以第三代的网络一定要能在第二代网络的基础上逐渐灵活演进 而成，并应与固定网兼容。 4 ) 高频谱效率、高服务质量、低成本、高保密性。 5 ) 比第二代移动通信系统有更好的性能。包括更大的系统容量和更大的覆 盖区域。 第二代演进而来的c d m a 2 0 0 0 技术，它是i t u 确定3 g 地面无线接入网5 大标准之一，这是由窄带c d m a ( i s 9 5 ) 向上演进的技术。又分为两个阶段：即 c d m a1x r t r 和c d m a3 x r t 。在前一个阶段现在又有了新的标准，即i x e v - d o 和d 匝v 二d v 。 由第二代g s m 标准发展而来的w c d m a 技术，它也是u 确定3 g 地面无 线接入网5 大标准之一，又称为u m t sf d d 。它是由g s m 向上发展的一种技术， 由于现在g s m 用户占全球移动用户总数的8 0 左右。因此在3 g 的无线接入标 准中，该标准起着举足轻重的作用。w c d m a 方案包括f d d 与t d d 两种工作 方式。前者工作在覆盖面积较大的范围内，提供中、低速业务：后者主要侧重在 业务繁重的小范围内，提供高至2 m b p s 的业务。 信息社会的到来对通信手段提出了越来越高的要求，w c d m a 是应运而生 的全新第三代移动通信系统方案，与前两代系统相比有较多的优点，主要概括为 以下几方面： 1 ) w c d m a 由于自身的带宽较宽，因而由多径效应引起的信号衰落较小， 上下行链路发射时分复用导频信号，从而实现相干解调，能大幅度提高 链路容量。w c d m a 中采用快速功率控制技术，使发射机的发射功率总 是处于最小的水平，从而减少了多址干扰另外，在下行链路发送用户 专用导频信号而不是公共导频信号，能使下行链路使用自适应天线成为 可能，从而减少小区的多用户干扰，这些技术都提高了系统容量，对一 般话音服务，系统容量至少提高两倍。 2 ) 提供更加灵活的服务。包括：支持更宽范围的服务，最高可支持2 m b p s 的高速数据业务：支持一条连线上传输多条并行业务：支持高速率的分 组接入。 3 ) w c d m a 最重要的一个特点是功率对用户来说是共享资源。在下行链路 上，基站中码分复用的用户分享总的功率，上行链路中，基站有一个最 大干扰容限，这个功率在小区中产生干扰的移动台之间分配。共享功率 使w c d m a 能灵活地处理多个有不向速率的业务。当数据速率变化时，无 3 北京邮电人学硕士学位论文 须对码字、时隙等重新分配，也即无须重新分配物理信道，只要调整功 率分配即可保证业务传输质量不受影响。w c d m a 中使用正交变扩频增 益扩频码( o v s f ) ，这种码字保证了下行链路不同用户信道或同一用户 不同业务信道的正交性，对于不同的数据速率，这种正交性仍然存在。 这一措施也保证了w c d m a 适应多种业务的要求。 4 ) w c d m a 方案中采用了对不同q o s 要求的业务进行不同的信道编码的 策略。标准业务仅采用卷积编码，高质量业务在卷积编码的基础上增加 r s 编码或采用t u r b oc o d e 的编码方法，而对特定业务则在第一层不采 用纠错编码而完全由高层来采取差错控制，这样处理的结果使得各种业 务变化为同一种数据。此外，w c d m a 中电路和分组交换业务能以创新 方式在同一信道组合，使一个终端能处理多项业务。带宽不同的电路和 分组交换业务可自由组合，同时向同一个用户投送。 5 ) 采用更加灵活的系统操作。包括：支持基站间的异步操作：支持自适应天 线阵技术与多用户检测的技术：支持非平衡频带下采用时分双工的模 式，采用单信元频率复用等 1 。 第四代移动通信系统： 到目前为止，3 g 各种标准和规范已达成协议，并已开始商用。但也应该看 到3 g 系统尚有很多需要改进的地方，如：3 g 缺乏全球统一标准；3 g 所采用的 语音交换架构仍承袭了第二代( 2 g ) 的电路交换，而不是纯i p 方式；流媒体( 视频) 的应用不尽如人意；数据传输率也只接近于普通拨号接入的水平，更赶不上x d s l 等。所以，在第三代移动通信还没有完全铺开，距离完全实用化还有一段时间的 时候，已经有不少国家开始了对下一代移动通信系统( 4 g ) 的研究。相对于3 g 而 言，4 g 在技术和应用上将有质的飞跃，而不仅仅是在第三代移动通信的基础上 再加上某些新的改进技术。 2 第四代移动通信系统可称为广带( b r o a d b a n d ) 接入和分布网络，具有非对 称的超过2 m b p s 的数据传输能力。 1 2w c d m a 无线资源管理 1 2 1 无线资源管理概述 第三代移动通信系统中的无线资源管理( r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ，简称 r r m ) 负责空中接口资源的利用。它保障各类业务满足服务质量( q o s ) 的要求， 确保达到规划的覆盖区域，尽可能地提高系统容量和资源利用率。 4 北京邮电大学硕上学位论文 传统意义上，无线资源主要指频率。事实上，由于可提供的通信容量并没有 任何上限( 只要采用足够密集的网络结构) ，扩展无线资源的范畴是很必要的。这 里所说的无线资源包括：信道( 在f d m a 中即频率，在t d m a 中为时隙，在c d m a 中指码字) ，功率( 能量) 和设备，其共同特点是它们都是有限的。因此，进行无 线资源管理是非常必要的，它是移动通信中的一项关键技术。无线资源管理包括： 信道分配，功率控制、切换控制和设备管理。有效的无线资源管理可以提高系统 性能，扩展通信容量，同时不增加系统额外开销。 1 2 2w c d m a 系统的无线资源管理 w c d m a 系统的无线资源包括频率( 载频、频段) 、码字( 信道化码和扰码) 、 时隙、用户终端( u e ) 和基站( n o d eb ) 的发射和接收功率等。无线资源管理( r r m ) 的目的就是合理有效地分配和使用有限的无线资源，在保证系统稳定运行并提供 一定通信服务质量的前提下，维护规划的覆盖区域并最大浪度地提高系统容量。 r r m 功能是通过相应的算法来实现的。r r m 算法包括功率控制、切换控制、接 纳控制、负载控制、码资源分配、分组调度，它们在w c d m a 网络中的典型位 置为：l i e 处功率控制：n o d eb 处快速功率控制、切换控制、快速负载 控制：无线网络控制器( r n c ) 处外环功率控制、切换控制、接纳控制、负载 控制、码资源分配、分组调度。r r m 的各项操作不是各自独立的，而是相辅相成 的一个统一整体。 令 功率控制 功率控制技术是w c d m a 系统物理层的关键技术之一，它用于控制发射功 率电平以降低系统干扰，保持连接质量。上行链路的功控使基站接收到的所有移 动台的功率电平相同，可以克服“远近效应 ；下行链路的功控使移动台接收到 的下行链路信干比保持一定水平，可以补偿移动台的邻小区干扰。w c d m a 系 统中有三种功控：开环功控、闭环功控和外环功控。 开环功控用于粗略地设置移动台的初始发射功率。移动台根据本次发起呼叫 的业务类型和基站到移动台的路径损耗，估计需要的初始发射功率。在f d d 模 式下，上下行链路的频率相差1 9 0 m h z ，比相关带宽( 2 0 0 k h z 左右) 大的多。上 下行链路的快衰落在本质上是不相关的，因此开环功控根据下行信号所得到的路 径损耗的估计对于上行情况来说是很不准确的，需要引入快速闭环功控来解决这 个问题。 闭环功控是对通信期问的上下行链路进行快速功率调整，以使链路的质量收 5 北京邮电大学硕十学位论文 敛于目标信干比。它是一个“测量指示反应 的过程，频率为1 5 1 d - l z ， 在物理层进行。在上下行专用物理信道上，基站或移动台测量接收信号的信干比 并将它与目标值相比较，每个时隙( 0 6 6 6 m s ) 向对端发送功率控制( t p c ) 命令， 要求对端增加功率、降低功率或保持功率，功率增减步长一般为l d b 。闭环功控 用于补偿快衰落和慢衰落。 外环功控根据各个独立的无线链路的需求调整闭环功控的信干比目标值，以 取得由误比特率( b e r ) 或者误块率( b l e r ) 定义的稳定质量，其频率一般为 1 旺1 0 0 h z 。上行外环功控的典型实现是给上行链路中的每一个用户数据帧加 上“帧可靠指示 标签，例如解码后检测某个用户帧的c r c 校验结果。若“帧 可靠指示 标签显示传输质量下降，那么r n c 将命令基站提高信干比目标值。 在r n c 中采用外环功率控制的原因是，在可能的软切换合并后需要执行这个功 能。 切换控制 切换是一个重要的移动性管理功能。在移动蜂窝通信系统中，当用户穿越小 区边界时，需要使用切换控制来处理用户的跨小区移动。切换对支持个人通信业 务的全球漫游至关重要，因为它直接影响整个系统的性能。切换功能将在下一章 中进行详细分析。 接纳控制 w c d m a 系统是一个干扰受限的系统。它具有软容量，服务质量与同时接 入的用户数量之间存在着平衡与折衷的关系。如果允许空中接口负荷过度增长， 那么小区的覆盖面积将低于规划值，而且已有连接的服务质量也无法得到保证。 因此，在接受一个新的连接之前，接纳控制必须检查该接入是否会破坏规划好的 覆盖区域或己有连接的服务质量。接纳控制判断是否接受无线接入负载的请求， 在建立或修改无线负载时，要执行接纳控制。 接纳控制功能体位于r n c 中，在该处可获得来自几个小区的负载信息。接 纳控制算法将评估建立这些负载所导致的无线网络负载的增加，必须分别进行上 下行链路的评估。只有当上下行链路的接纳控制均可以接受这个无线负载时，才 可接纳所请求的负载，否则就拒绝该负载，以避免网络中的干扰过量。接纳控制 的限制条件由无线网络规划来设置。 接纳控制算法可分为基于宽带功率的接纳控制和基于吞吐量的接纳控制两 种。在上下行链路中可以使用不同的接纳控制算法。 6 北京邮电大学硕上学位论文 负载控制( 拥塞控制) r r m 的一个重要任务是确保系统不过载并维持稳定。恰当的规划、合理的 接纳控制和分组调度工作可以消除过载。如果发生过载，负载控制功能将使系统 负载迅速并可控地返回到天线网络规划定义的目标负载值。为了降低或平衡负 载，可以采用的负载控制方法如下： 1 ) 下行链路快速负载控n - 拒绝执行来自u e 的下行链路功率升高指令； 2 ) 上行链路快速负载控n - 降低上行链路快速功控使用的上行啪的目 标值； 3 ) 改变软切换区的大小以接纳更多的用户； 4 ) 切换到其它的w c d m a 载频( 频率间切换) ； 5 ) 切换到g s m 网络( 系统间切换) ： 6 ) 降低实时用户的比特速率，例如采用a m r 声码器； 7 ) 降低分组数据业务( 非实时业务) 的吞吐量( 降低传输速率) ； 8 ) 以控制方式停止低优先级的呼叫( 掉话操作) 。 以上所列的前两种方法是在基站内执行的快速操作，它们可以在一个时隙内 进行，频率为1 5 k h z ，并为不同业务提供优先级。第三种方法特别适用于下行 受限的网络。其它方法一般比较慢。w c d m a 系统的空中接口技术和非实时业 务流量给处理过载提供了许多可选择的方法，因此必须通过停止实时用户的呼叫 来降低负载的方法将很少使用。 夺 码资源分配 w c d m a 系统的码字资源包括上下行链路的扰码和信道化码。上行链路使用 扰码来区分用户，一个用户一个码树；下行链路使用信道化码来区分同一小区中 不同用户的连接，所有用户共用一个码树。扰码和上行链路信道化码的规划都比 较简单，码资源分配主要针对下行链路的信道化码。码字分配由r n c 完成，在 呼叫接入时进行，其目标是用尽可能小的复杂度支持尽可能多的用户，并尽可能 满足用户的带宽需求。 w c d m a 系统采用正交可变扩频因子( o v s f1 码作为信道化码。o v s f 码的 可变长特性可以满足用户的多种业务速率要求，正交性可以保证信道之间互不干 扰。下行o v s f 码树是一个典型的二叉树，扩频因子范围是4 5 1 2 ，o v s f 码分 配的基本原则是保证已分配码字的正交性，即：对于分配的码字，要保证其到树 根路径上和其子树上没有其它码被占用。为了保证正交性，就会阻塞已分配码字 子树上的所有低速扩频码和其根路径上的高速扩频码。因此，在码分配时还需要 综合考虑利用率和复杂度，选用“密切相关码或最相宜的码”。 7 北京邮电大学硕上学位论文 分组调度 w c d m a 系统中的分组数据接入由分组调度器控制，其功能包括： 1 ) 在分组数据用户之间分配可用的空中接口资源； 2 ) 为每个用户的分组数据传输分配传输信道( 公共、专用、共享传输信道) ； 3 ) 监视分组数据比特速率分配和系统负载。【4 】 8 北京邮电大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章w c d m a 中的切换技术 当一个移动台正在通话的时候，从一个基站移动到另一个基站，无线网络控 制器( r n c ) 自动地将呼叫转移到新基站的信道上，这个过程叫做切换。切换处 理在任何蜂窝无线系统中都是一项重要的任务，切换操作不仅要识别一个新基 站，而且要求将话音和信令信号分派到新基站的信道上。切换是移动通信系统最 主要的特征，是保证移动用户能够正常通信的非常重要的技术。但是切换提高小 区边界呼叫质量的同时，也会占用系统的资源，增加网络的负载。如果切换处理 得不好或者切换比例不当的话，很可能造成小区的过载或移动台的“掉话”，使网 络服务质量大大下降。w c d m a 系统由于频率复用，并采用分集接收技术，允 许移动台同时和两个或者两个以上的小区基站进行通信，极大的改善了切换的性 能，实现了系统的无缝覆盖，提供高质量的服务。w c d m a 中的切换可分为系 统内切换和系统间切换。系统内切换包括频内软切换、更软切换和频间硬切换等， 系统间切换包括与3 g 系统( 如t d s c d m a 之间的切换和与2 g ( 如g s m ) 系统之 间的切换。f 5 1 2 2 切换原则 系统中的切换一般基于以下一些原则： 1 ) 在小区分配空闲信道时，切换请求优先于呼叫初始请求； 2 ) 为了使切换顺利完成而不使用户察觉，系统设计者要指定一个启动切换 的最恰当的信号强度； 3 ) 保证所检测到的信号电平的下降不是因为瞬时的衰减，而是由于移动台 正在离开当前服务的基站； 4 ) 驻留时间( 呼叫在一个小区内没有经过切换的通话时间) 受传播、干扰、 用户与基站之间的距离、用户移动速度和无线覆盖等因素影响，避免切 换过于频繁，应在切换设计中对驻留时间进行统计估计。 2 3 切换类型 在w c d m a 系统，切换主要可以分为硬切换、软切换和更软切换。 9 北京邮电人学硕 ：学位论文 硬切换 硬切换是t d m a 和f d m a 系统广泛使用的切换技术。硬切换是指在不同的 基站覆盖小区之间的信道切换，在切换过程中只有一个业务信道是处于激活状 态。移动台先中断与原基站的无线链路，再与新的基站建立新的无线链路。如果 新的链路不能很顺利建立的话，往往会产生通信中断。而且如果移动台在两个小 区边界来回移动时，有可能造成新基站与原基站来回切换的“乒乓效应”。切换可 以是频率内切换也可以是频率间切换。 软切换和更软切换 c d m a 系统由于频率复用，并且使用分集接收技术，软切换和更软切换成 为c d m a 系统采用的切换技术。软切换是指用户终端在开始与一个或几个新的 基站联系时，并不立即中断与原来基站的通信，直到业务信道完全转换到新基站 后才断开与原基站的无线链路。包括同一无线网络控制器的不同基站之间或者不 同网络控制器的基站间的切换。在下行方向，移动台接收到的两路信号按最大比 合并：在上行方向，移动台的信号经两个基站检测，并按一定路线送到r n c 进行 选择合并。更软切换是指同一基站的不同扇区间的切换，并不需要r n c 的参与。 软切换和更软切换都属于频率内切换。【6 】 2 4 切换准则 切换算法都有其不同的切换准则，这些算法根据不同的准则来选择各种参数 作为切换判决的输入，判决参数主要包括接收信号强度、信噪比、业务负载和移 动台速度等。 夺基于信号强度 基于信号强度的切换准则简单、直接，以被许多的算法广泛的采用。许多系 统，包括w c d m a 都是于扰受限，信号强度在一定程度上体现了通信质量，并 且能大致估计基站与移动台的距离，这就是基于信号强度切换算法的依据所在。 该准则的缺点是没有考虑信道干扰，尽管导频信号强度好，但切换到目标小区后 增加系统资干扰容易造成掉话，这在负载比较重的微小区中尤为突出。另外，由 于地表因子、传播多径和阴影效应等原因，基于信号强度的切换算法往往带来许 多不必要切换。 基于信号强度的准则可以细分为相对信号强度、具有门限规定的相对信号强 度、具有滞后余量的相对信号强度等多种准则，如下所述： 1 ) 相对信号强度准则：移动台总是选择具有最强接收信号的基站。这种准 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 则的缺点是：在原基站的信号强度仍满足要求的情况下，会引发太多的切 换。 2 _ ) 具有门限的相对信号强度准则：只有在移动台当前基站的信号足够弱且 新基站的信号强于本基站的信号情况下，才进行切换。这种方法可减少 一些不必要切换，但门限值设置不当，则可能引起因链路质量较差而导 致的通信中断，同时会增加邻小区的额外干扰。 3 ) 具有滞后余量的相对信号强度准则：仅允许移动台在新基站的信号强度 比原基站信号强度强很多( 即大于滞后余量) 的情况下才进行切换( 乒乓 效应) 。 4 ) 具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则：仅允许移动台在当前服 务基站的信号低于规定门限，并且新基站的信号强度高于当前基站给定 的滞后余量时，才进行切换。 5 ) 信号概率统计准则：预测两个基站下一次信号强度小于指定闭值的概 率，当服务基站下一次信号测量数据小于指定的闺值的概率比新基站相 应的概率大很多时，进行切换。 准则1 和准则2 比较简单，没有预防乒乓切换的措施，很少被采用。准则3 既有其简单性，又能很好的抑制不必要的切换，可操作性和适应性比较强，因此 获得最广泛的应用。准则4 进一步的抑制了不必要切换，但它要求比较精确的调 整两个小区之间的门限，协调好各个邻区之间的关系，网络操作维护的复杂度提 高了。准则4 比较适合于比较成熟的网络中，以进一步提高网络的性能。准则5 是不必要切换概率最低的，但其处理复杂度最高，其实用性尚待验证。 还可以引入定时器，与上述准则中得滞后余量、门限值配合使用，在定时到 达后才允许切换，以减少不必要的切换。事实上，采用滞后余量或定时器方法都 减少了不必要的切换数，但同事也增加了切换时延和通信中断的概率。 基于信噪比 在通信系统中信噪比是评价通信质量、系统容量和业务特性等方面的重要参 数，基于信噪比更能体现切换的连续性q o s 保证。一般根据误码率或误块率来确 定目标信噪比，可由外环功控来实现。该准则缺点是信噪比有可能随着无线环境 的改变而来回抖动，造成不必要的切换。另外，在服务小区中新区域，信噪比也 有可能很差，但这时并不适合进行小区切换。 夺 基于网络负载 基于网络负载的切换能平衡小区之间的业务，与负载控制等算法防止小区出 北京邮电人学硕士学位论文 现过载，这在小区出现热点时很有效。 夺 基于距离、速度等 基于距离的切换能维持小区的边界特性，能快速准确的把移动台切换到目标 小区，大大提高了切换性能。可以根据信号衰减和信号时延估算距离，但这要求 基站之间保持同步，并且在微蜂窝环境下保证一定的计算精度也很困难。 t d s c d m a 引入智能天线等多种技术有助于移动台的定位，有可能实现这种( 接 力) 切换。速度是切换中很重要的一个参数。在分层小区系统中移动台利用速度 驻留合适的层，在一些参数自调整算法中利用速度来修改切换算法的变量，如修 改测量量的平滑指数、改变测量间隔等等。 以上是传统的切换准则。目前移动通信的网络结构越来越复杂，无线资源的 范畴也越来越广泛，各种新的切换标准不断涌现，诸如动态编程、模式识别、神 经网络、模糊逻辑等技术不断被运用到多种切换算法。通过算法动态控制参数， 系统将具有更好的适应性和智能化程度。【7 】 2 5 切换的控制策略 在个人通信中，切换的控制方式主要有三种： 移动台控制的越区切换 在该方式中，移动台连续监测当前基站和几个候选基站的信号强度和质量， 当满足某种切换准则后，移动台选择具有可用业务信道的最佳侯选基站，并发送 切换请求。 网络控制的越区切换 在该方式中，基站监测来自移动台的信号强度和质量，当信号低于某个门限 后，网络开始安排向另一个基站的切换。网络要求移动台周围的所有基站都监测 该移动台的信号，并把测量结果报告给网络。网络从这些基站中选择一个基站作 为切换的新基站，并把结果通过旧基站通知移动台和新基站。 移动台辅助的越区切换 在该方式中，网络要求移动台测量其周围基站的信号并把结果报告给旧基 站，网络根据测试结果决定何时进行切换以及切换到哪一个基站。这几种控制方 式各有优缺点，其中移动台辅助的越区切换易于实现，是各种无线通信系统比较 侧重的方式。 1 2 北京邮电大学硕士学位论文 2 6 切换过程 在移动台辅助的越区切换方式中，切换的实现是通过无线网络控制器根据 移动台的切换测量报告做出判断和处理而实现的移动台将根据不同类型的切换， 进行频率内测量、频率间测量、系统间测量，移动台不停地测量服务小区和邻近 小区的当前载波频率移动台将把测量结果与由无线网络控制器提供的门限进行 比较，当执行了报告标准后，移动台将发送一个测量报告给无线网络控制器，无线 网络控制器将根据这些结果做出是否切换和如何切换的指示与处理，按业务类 型不同，可以将切换分为话音业务软切换和数据业务硬切换两种形式。 2 7 软切换 2 7 1 软切换的作用 在通信系统中，软切换的目的是： 1 ) 保证通信质量，实现无间断切换； 2 ) 当移动台处于小区边缘时，可以将不同小区接收到的信号合并成足够高 的接收电平保证通信； 3 ) 通过将接收信号合并而获得宏分集增益，提高上行链路信号质量，同时 降低移动台的传输功率； 4 ) 由于终端往往与发射功率最强的小区进行链接，所以可以得到一个最佳 快速闭环功率控制 8 2 7 2 软切换的协议描述 在软切换过程中，需要考虑以下三种情况 9 ：无线链路的增加：无线链路 的删除；无线链路的增加和删除同时进行。 无线链路的增加 样例说明了移动台与n o d eb 建立新的无线链路的过程。该n o d eb 受控于 有别于在服务无线网络控制器( r n c ) 的另外一个r n c ，这个r n c 称为目标 r n c 。该链路是移动台与目标r n c 的第一条链路，所以不存在与已建链路间宏 分集作用。如图2 - 1 所示： 1 3 北京邮电人学硕_ 上学位论文 图2 - 1 无线链路增加 1 ) 在服务r n c 决定与另外一个r n c 控制的小区建立新的无线链路。在服 务r n c 向目标r n c 发送“无线链路建立请求”信息，以向目标r n c 申 请资源。如果该链路是移动台与目标r n c 之间建立的第一条无线链路， 1 4 北京邮电大学硕士学位论文 则在在服务r n c 与目标r n c 之间建立新的信令通路。这条信令通路将 用来传送所有无线网络子系统应用部分的信令。参数：小区识别号，每 个专用信道的传输格式集合，传输格式合并集合，频率，上行扰码。 2 1 如果申请的资源可用，目标r n c 将发送n o d eb 应用协议信息“无线链 路建立请求”给n o d eb 。参数：小区识别号，每个专用信道的传输格式 集合，传输格式合并集合，频率，上行扰码。 3 ) n o d eb 分配所申请的资源。链路建立成功，将发送n o d eb 应用协议信 息“无线链路建立响应”。参数：信令链路终端，用于数据传输的传输层 地址信息( 删适配层2 类地址，a t m 适配层2 类一致约束) 。 钔目标r n c 向在服务r n c 发送无线网络子系统应用部分信息“无线链路 建立响应”。参数：用于数据传输的传输层地址信息( a t m 适配层2 类 地址，a t m 适配层2 类一致约束) ，邻小区信息。 5 1 在服务r n c 运用接入链路控制应用协议，初始化r n c 之间接1 ：3 ( i u r ) 和r n c 与n o d eb 之间接口( i u b ) 的数据传输约束。这种请求包括将 a a l 2 约束与专用物理信道的i u b 接口的数据传输约束一致化。每次 l u 以u b 接口数据传输约束建立时，都要重复进行这种一致化操作。 6 ) n o d eb 获得移动台与n o d eb 之间接e l ( u u ) 上行同步信息，发送n o d e b 应用协议信息“无线链路存储指示”通知目标r n c 。然后目标r n c 发 送无线网络子系统应用部分信息“无线链路存储指示”通知在服务r n c 。 刀n o d eb 和在服务r n c 通过在符合专用物理信道格式协议的合适格式中 交换“上行同步”和“下行同步”信息，为数据传输约束建立了与已存在无 线链路间的同步机制。然后，n o d eb 开始下行传输。 8 ) 在服务r n c 在下行共享信道中发送无线资源控制信息“激活集更新”( 无 线链路增加) 给移动台。参数：更新类型，小区识别号，下行扰码，功 率控制信息，邻小区信息 9 1 移动台发送无线资源控制信息“激活集更新完成”，通知在服务r n c 。 1 0 1 备注：传输“无线链路存储指示”信息( 步骤6 ) 时机并不一定要与样例 一致。这些信息可以在接入链路控制应用协议约束建立( 步骤5 ) 之前 发送，也可以在传输约束同步( 步骤7 ) 之后发送。 夺 无线链路的删除 这个样例说明了删除移动台与受控于目标r n c 的n o d eb 之间的无线链路 过程。如图2 2 所示： 1 5 北京邮电大学硕十学位论文 图2 2 无线链路删除 1 ) 在服务r n c 决定删除与受控于目标r n c 的旧小区之间的链路。在服务 r n c 在下行共享信道中发送无线资源控制信息“激活集更新”( 无线链路 删除) 给移动台。参数：更新类型，小区识别号。 2 1 移动台冻结下行无线链路的接收，并用无线资源控制信息“激活集更新 完成”报告在服务r n c 。 3 ) 在服务r n c 向目标r n c 发送无线网络子系统应用部分信息“无线链路 删除请求”，申请目标r n c 释放无线资源。参数：小区识别号，传输层 地址信息。 钔目标r n c 发送n o d eb 应用协议信息“无线链路删除请求”给n o d eb 。参 数：小区识别号，传输层地址信息 5 1n o d eb 释放无线资源，向在服务r n c 发送n o d eb 应用协议信息“无线 链路删除响应”，报告操作成功。 6