（信号与信息处理专业论文）蜂窝移动通信系统中越区切换算法的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t m o b i l ec e l l u l a rr a d i os y s t e m sh a v eb e e na t t r a c t i n gg r e a ti n t e r e s t so fi n d u s t r ya n d r e s e a r c h e r s t h i st h e s i sd e a l sw i t ha m a j o r i s s u ei nt h es y s t e m s ，n a m e l yh a n d o f fs c h e m e s e v e r a ln e wh a n d o f fs c h e m e sf o rt h ei n t e g r a t e dv o i c e d a t am o b i l ec e l l u l a r s y s t e m s ， h i e r a r c h i c a lm o b i l ec e l l u l a r s y s t e m s a n di n t e g r a t e dm u l t i s e r v i c em o b i l ec e l l u l a r s y s t e m s a r ep r o p o s e d ，a n dt h e i rp e r f o r m a n c em e a s u r e sa r ea n a l y z e d a f t e rb r i e fi n t r o d u c t i o no fm o b i l ec e l l u l a rs y s t e m s ，s e v e r a lc o n v e n t i o n a lh a n d o f f s c h e m e s ，n a m e l y , n o n - p r i o r i t yr e s e r v a t i o n ，p r i o r i t yr e s e r v a t i o n ，a n dq u e u i n gp r i o r i t y r e s e r v a t i o ns c h e m e s ，a r es u m m a r i z e di nc h a p t e r2 s e v e r a le x i s t i n gt r a f f i cm o d e l sa r e a l s od i s c u s s e di nt h i sc h a p t e r w ef i r s ts t u d yt h ep e r f o r m a n c eo fa p r e e m p t i v ep r i o r i t yh a n d o f f s c h e m ei nv o i c e d a t a i n t e g r a t e d m o b i l ec e l l u l a r s y s t e m si nc h a p t e r3 at w o d i m e n s i o n a lm a r k o vc h a i n m o d e l st h es y s t e m i ti ss h o w nt h a t ，w h e nt h ed a t at r a f f i ci sn o tv e r yl i # t ，t h en e w s c h e m ec a np r o v i d el o w e rb l o c k i n gp r o b a b i l i t yf o ro r i g i n a t i n gv o i c ec a l l s ，l o w e rf o r c e d t e r m i n a t i o np r o b a b i l i t yf o ro n g o i n gv o i c ec a l l s ，a n ds h o r t e ra v e r a g eq u e u el e n g t ha n d l e s sa v e r a g et r a n s m i s s i o nd e l a yf o rd a t ac a l l s n e x t ，i nc h a p t e r4 ，w ep r o p o s ea b a n d w i d t he f f i c i e n th a n d o f fs c h e m ei nh i e r a r c h i c a l m o b i l ec e l l u l a r s y s t e m s i t i ss h o w nt h r o u l g he x t e n s i v e c o m p a r i s o n s w i t ho t h e r c a n d i d a t eh a n d o f f s t r a t e g i e st h a ti ft h et o t a lt r a f f i c - l o a do f t h es y s t e mi sn o tv e r yh e a v y , o u rs c h e m eh a st h eb e s tb a n d w i d t he f f i c i e n c ya n dc a np r o v i d eb e t t e rq u a l i t yo fs e r v i c e f o rm o b i l es u b s c r i b e r sw i t h o u tb r i n g i n ga b o u tt o om u c hp r o c e s s i n ge x p e n s e st ot h e s y s t e m i nc h a p t e r5 ，ac h a n n e la s s i g n m e n ta n dh a n d o f fs t r a t e g yf o rm u l t i m e d i am o b i l e c e l l u l a rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m si sp r o p o s e d 1 1 1 es t r a t e g yi sm o d e l e da n da n a l y z e d u s i n g am u l t i d i m e n s i o n a lm a r k o v c h a i n i m p o r t a n tp e r f o r m a n c em e a s u r e s a r eo b t a i n e d n u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tb e a e rq o sc a nb eo b t a i n e du s i n gt h ec h a n n e la l l o c a t i o na n d h a n d o f f s t r a t e g yp r o p o s e d f i n a l l y ，i nc h a p t e r6 ，c o n c l u s i o n so ft h e 咖d ya r eb r i e f l y s u m m a r i z e d f u t u r e d i r e c t i o n sf o rt h es t u d ya r ea l s oi n d i c a t e d k e y w o r d s ：p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o n s m o b i l ec e l l u l a rs y s t e m s h a n d o f f s t r a t e g i e s 第一章绪论 第一章绪论 随着移动通信技术的不断进步，涌现出了许多如移动电话和移动计算等全新 的通信业务。新业务的出现，对已经就很紧张的无线频谱资源提出了更高的要求。 在有线网络中，我们可以通过铺设新的通信线路来不断地增加系统的容量。而在 无线通信系统中，频谱资源是有限的，扩大系统容量的主要方法就是提高对无线 频谱资源的利用率。因此，如何提高对有限的无线频谱资源的利用率，从而使得 系统可容纳更多的用户，即增大系统的容量，成为目前研究的热点之一。 我们可以将一个蜂窝无线移动通信网视为有线网( 如p s t n ) 和移动终端之 间的接口。从无线通信的术语上讲，移动通信终端是一些低功耗的通信设备。基 站则是负责联络移动通信终端和无线交换网络的通信设备。基站的覆盏范围是有 限的，通常其覆盖半径从几十米( p i c o c e l l ) 到几百米( m i c r o c e l l ) 到几公里 ( m a c r o c e l l ) 。在蜂窝移动通信系统中，整个服务区域被划分为很多小区域，每 个小区域由一个基站覆盖。当一个移动用户发出了呼叫，那么该移动用户将通过 距离其最近的基站( 或接受信号质量最好的基站) 和被叫用户间建立起一条虚拟 的通信链路。 无线通信的研究涉及了诸如移动性管理、多址接入、纠错编码的设计、信源 编码以及调制技术等非常广泛的课题。本论文将集中讨论无线蜂窝通信系统中的 越区切换技术。 1 1 蜂窝移动通信系统概述 过去的几年中，无线通信技术取得了突飞猛进地发展。技术的不断更新、第 一代蜂窝移动通信系统的运行以及第二代蜂窝移动通信系统的成功运做，使得人 们对蜂窝移动通信技术的兴趣越来越大，从而促进着无线通信市场的迅猛发展。 随着人们越来越意识到无线通信给人类社会的发展所带来的好处，人们对无线通 信系统所提供的服务提出了更高的要求。这些新的服务较以往的服务将具有明显 的优越性。最突出的优越性就是：终端到终端的通信方式将被个人对个人的通信 方式所取代。无线通信的最终目标就是：通过低成本的手持通信终端，将各种信 息( 如话音、数据、图象以及视频等) 及时地传送给任何地方的任何个人。这一 目标激励着人们对研究和开发下一代蜂窝移动通信系统( 即，第三代移动通信系 统) 的极大兴趣。以下，我们将简单地介绍一下蜂窝移动通信系统的发展历史， 并且简单介绍一下有关的基本概念。 蜂窝移动通信系统中越区切换算法的研究 1 1 1蜂窝无线通信系统的发展历史 移动电话已经问世几十年了，但是由于系统的容量非常有限，因此移动电话 的应用并末得到普及。随着蜂窝通信系统概念的出现”1 1 2 1 1 3 1 ，人们在解决容量匮乏 的问题上才取得了重大的突破。蜂窝系统的实质是引入了空间频率复用的概念。 从此以后，无线通信便得到了长足的发展。无线通信系统的发展可被划分为几个 主要的阶段：盛行前期、模拟系统时期、数字系统时期以及目前的第三代移动通 信系统时期f 4 j 。最近三个发展阶段示于图1 1 中。表1 1 中说明了各系统承载的业 务、要求的技术以及演进的时问表。 表1 1 无线通信系统的发展 时间业务技术 第一代模拟蜂窝与无绳技术 无线话音业务 ( 1 9 7 0 1 9 8 0 )采用宏小区 第二代 数字蜂窝与无绳技术 无线话音和数据业务微小区和微微小区 ( 1 9 8 0 1 9 9 0 ) 智能基站技术 集成的无线话音、数据和图 更宽的无线信道 第三代象传输业务 更高的频谱利用率 ( 2 0 0 0 + )先进的无线数据业务，如活 先进的智能网络 动视频业务 盛行前的发展阶段大概是从五十年代到六十年代。出现了一些专用的陆地移 动通信系统( l a n dm o b i l er a d i os y s t e m s ，l m r ) ，如警察专用的无线通信系统， 以及出租车调度系统中所采用的无线通信系统口l 。其他的应用包括用于飞机轮船 导航的导航无线电系统，以及战地便携无线通信系统等。在这一阶段，接收与发 射设备均是即贵重又笨重的。 第一代无线通信系统是基于模拟技术的。其发展经历了七十年代到八十年代 的过程。第一代无线通信系统是针对公众用户而开发的。在这一时期，一方面， 随着硬件技术的发展，硬件设备的成本大大降低；另一方面，人们对无线通信的 需求越来越强烈。技术上由于蜂窝技术的提出，以及信道空间复用、小区分裂、 动态频率分配等技术的出现，进一步提高了无线通信系统的容量。这一阶段，出 现了多种系统，例如e r i c s s o n 公司的n m t ( n o r d i cm o b i l et e l e p h o n e ) 系统、a t & t 第一章绪论 的a m p s ( a d v a n c e d m o b i l ep h o n es e r v i c e ) 系统以及n t t 的m c s - l 1 ( m o b i l ec e l l u l a r s e r v i c el 1 ) 系统等【4 j 。 第三代 1 9 9 01 9 9 52 0 0 0 图1 1 个人无线通信系统的演进 随着无线通信的发展，人们对系统所提供的业务提出了更高的要求。这时， 蜂窝移动通信系统中越区切换算法的研究 由于第一代系统的容量较小，而无法满足人们的需求。与此同时，数字技术得到 了很大的发展，于是从八十年代起，第一代系统便过渡到以数字技术为主的第二 代无线通信系统。第二代无线通信系统的主要特点是应用了以t d m a 或c d m a 多址接入方式为主的数字技术t 6 l 【7 1 。由于采用了新技术，系统容量比第一代无线通 信系统增加了几倍。在第二代系统中提供了更多的业务种类，而且在系统服务质 量大幅度提高的同时，服务的开销进一步减小。在这一阶段，人们分别开发出蜂 窝移动通信系统和无绳通信系统，供具有不同移动特性和不同业务需求的移动用 户使用。典型的无线通信系统有：欧洲的g s m ( g l o b a ls y s t e m f o rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ) 系统、北美的数字a m p s 系统、日本的j d c ( j a p a n e s ed i g i t a lc e l l u l a t ) 和欧洲的c t - 2 无绳通信系统。这些系统之间的比较可以在文献【4 】中找到。 从1 9 8 9 年起，全球范围内便展开了对个人无线通信系统的研究工作。个人无 线通信系统旨在将现代p s t n 网的智能性与先进的现代信号处理技术和射频技术 有机地结合在起。个人通信( p e r s o n a lc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e ) 的概念起源于英 国。当时，有三家公司建议开辟1 8 0 0 m h z 的频段作为在全国开发个人通信网络 之用【8 1 。目前，世界各国都积极投入到个人通信系统的研究与开发中，并且已经 出现了多种试验平台。目前，国际电信联盟( i t u ) 和各大电信公司正在制定世 界范围的第三代无线通信系统的标准，该标准统称i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n2 0 0 0 ) 。i m t - 2 0 0 0 是第三代通用的、多功能的、全球兼容的数 字无线通信系统，在该系统中将集成有寻呼、无绳、蜂窝以及卫星通信系统。该 无线通信系统的最终目标是：实现通过低成本的手持通信终端，将各种信息( 如 话音、数据、图象以及视频等) 及时地传送给任何地方的任何个人h 】f l o l 。 随着个人通信技术的飞速发展，在许多技术( 如：c d m a 和t d m a 系统的 容量、信道分配技术、设计的复杂性和系统性能的折中等) 问题上，都产生了激 烈的争论。通过这些争论，国际上已就无线个人通信的近期目标等问题取得了共 识j ：为实现个人通信系统，需要这样一些合适的无线电系统。这些系统能给工 作在规定频率上的、低功率的、低成本的、重量轻的、衬衣口袋大小的个人通信 终端提供最佳的话音和中速数据业务。不同组织提出的具体系统目标不尽相同。 例如：i t u - r 提出的i m t - 2 0 0 0 系统的特征如下1 ”】： 1 采用1 8 - 2 2 g h z 频带的数字系统； 2 在多种无线环境下工作( 包括：蜂窝系统、无绳系统、卫星系统和固定 无线系统环境) ； 3 使用多模式终端，提供漫游能力： 4 具有和固定网络业务可比的高质量和完整性； 5 具有国际漫游和越区切换的能力； 6 使用智能网技术进行移动性管理和业务控制； 第一章绪论 7 具有高水平的安全和保密能力 8 具有灵活开放的网络结构。 1 1 2蜂窝系统的概念 在早期移动通信系统中，基站的发射机和接收机都安装在地势较高的地方 ( 如，山上) 。基站的电波覆盖范围通常都很大( 大约在2 0 2 5 k i n ) ，而基站中的 信道数却很少。另外，在早期的移动通信系统中，话音业务的接续控制是由接线 员完成的。到了六十年代，接续自动控制的系统出现了，然而，当移动用户从一 个服务区进入另一个服务区时，正在进行的通话必须中断。这样，移动用户只能 在新的服务区内重新发出话音呼叫。 蜂窝移动通信系统被认为是最早的无线个人通信系统。起初蜂窝系统是为了 市区里的车载移动用户而设计的f 1 3 】。美国贝尔实验室在蜂窝移动通信系统的研究 工作中起着开拓者的作用。美国的a m p s 系统是最早的蜂窝移动通信系统。紧接 着，出现了多种与a m p s 相类似的系统，这些系统被统称为“第一代移动通信系 统”。第一代系统使用了模拟调制技术。同时通话的不同的移动用户使用不同的 频率，这种频谱复用方式叫做频分复用( f d m a ) 。目前的第二代移动通信系统则 广泛使用时分复用( t d m a ) 和码分复用( c d m a ) 技术。 蜂窝移动通信系统是基于频率复用的基本概念而提出的。蜂窝系统与先前的 移动通信系统的最大区别是：系统使用了很多覆盖半径很小的基站。每一个频率 均能被多对基站移动台同时使用。频率的复用技术极大地提高了系统的容量，而 且系统容量还可以通过进一步减小基站地覆盖范围而加大。另外，由于小区半径 的减小，使得移动通信终端的发射功率大大降低，从而进一步减小了移动通信终 端的体积。在蜂窝系统中，用户通信的不间断性是由越区切换过程( 即无缝隙地 将用户的通话从一个小区切换到另一个小区的过程) 来保证的。越区切换过程要 求移动用户在系统的控制之下进行频率切换。 蜂窝小区的大小一般是由该地区业务量的大小和分布而决定。一个地区的业 务越集中，该区域的小区覆盖半径就越小，因为只有这样才能将该小区内的话音 呼叫的阻塞概率控制在一定的程度上。另一方面，小区半径越小，整个系统所需 的设备就越多，这是因为每个小区都需要一套完整的收发设备( 即基站子系统) 。 频率在整个系统复用的程度的大小指示了系统的频谱利用率。由于数字调制解调 系统与模拟系统相比可工作于更低的信噪比下，所以在数字系统中，频率的复用 距离可以更小，从而提高了系统的频谱利用率。这便是数字系统较以前的模拟系 统的一个很大的优越性之所在。关于蜂窝系统的更详细的介绍，请参阅文献 2 】。 第一章绪论 7 具有高水平的安全和保密能力 8 具有灵活开放的网络结构。 1 1 2蜂窝系统的概念 在早期移动通信系统中，基站的发射机和接收机都安装在地势较高的地方 ( 如，山上) 。基站的电波覆盖范围通常都很大( 大约在2 0 2 5 k i n ) ，而基站中的 信道数却很少。另外，在早期的移动通信系统中，话音业务的接续控制是由接线 员完成的。到了六十年代，接续自动控制的系统出现了，然而，当移动用户从一 个服务区进入另一个服务区时，正在进行的通话必须中断。这样，移动用户只能 在新的服务区内重新发出话音呼叫。 蜂窝移动通信系统被认为是最早的无线个人通信系统。起初蜂窝系统是为了 市区里的车载移动用户而设计的f 1 3 】。美国贝尔实验室在蜂窝移动通信系统的研究 工作中起着开拓者的作用。美国的a m p s 系统是最早的蜂窝移动通信系统。紧接 着，出现了多种与a m p s 相类似的系统，这些系统被统称为“第一代移动通信系 统”。第一代系统使用了模拟调制技术。同时通话的不同的移动用户使用不同的 频率，这种频谱复用方式叫做频分复用( f d m a ) 。目前的第二代移动通信系统则 广泛使用时分复用( t d m a ) 和码分复用( c d m a ) 技术。 蜂窝移动通信系统是基于频率复用的基本概念而提出的。蜂窝系统与先前的 移动通信系统的最大区别是：系统使用了很多覆盖半径很小的基站。每一个频率 均能被多对基站移动台同时使用。频率的复用技术极大地提高了系统的容量，而 且系统容量还可以通过进一步减小基站地覆盖范围而加大。另外，由于小区半径 的减小，使得移动通信终端的发射功率大大降低，从而进一步减小了移动通信终 端的体积。在蜂窝系统中，用户通信的不间断性是由越区切换过程( 即无缝隙地 将用户的通话从一个小区切换到另一个小区的过程) 来保证的。越区切换过程要 求移动用户在系统的控制之下进行频率切换。 蜂窝小区的大小一般是由该地区业务量的大小和分布而决定。一个地区的业 务越集中，该区域的小区覆盖半径就越小，因为只有这样才能将该小区内的话音 呼叫的阻塞概率控制在一定的程度上。另一方面，小区半径越小，整个系统所需 的设备就越多，这是因为每个小区都需要一套完整的收发设备( 即基站子系统) 。 频率在整个系统复用的程度的大小指示了系统的频谱利用率。由于数字调制解调 系统与模拟系统相比可工作于更低的信噪比下，所以在数字系统中，频率的复用 距离可以更小，从而提高了系统的频谱利用率。这便是数字系统较以前的模拟系 统的一个很大的优越性之所在。关于蜂窝系统的更详细的介绍，请参阅文献 2 】。 蜂窝移动通信系统中越区切换算法的研究 一个基本的蜂窝系统包括以下四个组成部分： 1 移动台( m s ) 。 2 基站系统( b s ) 。 3 移动交换中心( m s c ) 。 4 公众交换电话网( p s t n ) 或和综合业务数字网( i s d n ) 等。 一个典型的蜂窝移动通信网示于图1 2 中。移动台指安装在机动车辆上或用 户手持的用于接收或发送信息的通信设备。基站是用于连接移动用户和移动交换 中心的通信设备。基站与移动台之间的通信遵从于相应的无线电接口协议。基站 与移动交换中心的通信可通过有线或无线的方式进行。移动交换中心的主要任务 是完成电话业务的交换和移动通信网的控制。移动交换中心将和有线网络以及其 他的移动交换中心相连。 图1 2 蜂窝移动通信系统 1 2 蜂窝移动通信系统中的越区切换 1 2 1什么是越区切换 越区切换是为了保证通信质量或进一步提高通信质量，将当前连接的信道( 这 里的信道根据所采用的多址接入方式不同指特定的频率、特定的时隙、特定的扩 蜂窝移动通信系统中越区切换算法的研究 一个基本的蜂窝系统包括以下四个组成部分： 1 移动台( m s ) 。 2 基站系统( b s ) 。 3 移动交换中心( m s c ) 。 4 公众交换电话网( p s t n ) 或和综合业务数字网( i s d n ) 等。 一个典型的蜂窝移动通信网示于图1 2 中。移动台指安装在机动车辆上或用 户手持的用于接收或发送信息的通信设备。基站是用于连接移动用户和移动交换 中心的通信设备。基站与移动台之间的通信遵从于相应的无线电接口协议。基站 与移动交换中心的通信可通过有线或无线的方式进行。移动交换中心的主要任务 是完成电话业务的交换和移动通信网的控制。移动交换中心将和有线网络以及其 他的移动交换中心相连。 图1 2 蜂窝移动通信系统 1 2 蜂窝移动通信系统中的越区切换 1 2 1什么是越区切换 越区切换是为了保证通信质量或进一步提高通信质量，将当前连接的信道( 这 里的信道根据所采用的多址接入方式不同指特定的频率、特定的时隙、特定的扩 蜂窝移动通信系统中越区切换算法的研究 一个基本的蜂窝系统包括以下四个组成部分： 1 移动台( m s ) 。 2 基站系统( b s ) 。 3 移动交换中心( m s c ) 。 4 公众交换电话网( p s t n ) 或和综合业务数字网( i s d n ) 等。 一个典型的蜂窝移动通信网示于图1 2 中。移动台指安装在机动车辆上或用 户手持的用于接收或发送信息的通信设备。基站是用于连接移动用户和移动交换 中心的通信设备。基站与移动台之间的通信遵从于相应的无线电接口协议。基站 与移动交换中心的通信可通过有线或无线的方式进行。移动交换中心的主要任务 是完成电话业务的交换和移动通信网的控制。移动交换中心将和有线网络以及其 他的移动交换中心相连。 图1 2 蜂窝移动通信系统 1 2 蜂窝移动通信系统中的越区切换 1 2 1什么是越区切换 越区切换是为了保证通信质量或进一步提高通信质量，将当前连接的信道( 这 里的信道根据所采用的多址接入方式不同指特定的频率、特定的时隙、特定的扩 第一章绪论 频码或它们的某种组合) 切换至另外个信道的过程。 1 2 2越区切换的过程 越区切换过程通常包括两个阶段：越区切换的启始阶段和越区切换的执行阶 段。在启始阶段，系统将不断地监测对某一移动用户的服务质量，从而决定何时 触发越区切换过程。在越区切换的执行阶段，系统将新的资源分配给越区切换的 呼叫【“1 。 越区切换将在以下三种情况下被触发【5 】【1 5 】- 【2 1 】： ( 1 ) 由于信道传输特性的恶化造成移动台接收到的信号有所下降； ( 2 ) 当移动用户从一个小区运动到另一个小区时； ( 3 ) 当系统为了容纳新的业务而对系统资源进行重新分配时皿2 i ； 实际中，在目前的蜂窝系统中主要有以下几种越区切换发生的准则【1 7 啦3 】_ 【2 9 】： ( 1 )接收到的信号强度准则( r s s ) r s s 是最为常用的切换准则。当从当前小区接收到的r s s 低于某一预 设门限值时，切换过程将被启动。为了防止过早地启动切换过程，可以采取 加窗平均和滞后门限相结合的切换准则【2 3 l 。在这种准则里，当系统做出切换 的决策前，系统将对接收到的若干r s s 采样值进行平均，只有当从当前小 区接收到的平均r s s 低于从目标小区接收到的平均r s s 一个预先设定的滞 后门限时，系统才启动切换过程。如何适当地选择平均窗的长度以及滞后门 限将直接影响到该准则的实际性能。在实际系统中，将针对不同类型的切换 而选择不同平均窗长度以及滞后门限m 】。 ( 2 )载波与干扰比准则( c i r ) 尽管r s s 准则在实际系统中易于实现，但是它不太适用于干扰受限的系 统中。这是因为，r s s 准则并未将系统中的c i r 考虑进去【2 6 i 。为了克服r s s 准则的不足，在文献 2 5 】中提出了将c i r 和相应的比特差错概率( b e r ) 作 为切换的准则。c i r 和b e r 给当前信道的服务质量提供了更为准确的指示。 由于c i r 和b e r 也将受到无线信道衰落和阴影的影响而有所波动，因此， 为了提供准确的切换指示，还需用到加窗平均和滞后门限的方法。 ( 3 )移动台和基站之间的距离准则 由于无线信道的多变性以及移动用户所处环境的不同，在蜂窝系统中完 全可能出现这样一种现象，即从离用户近的基站接收到的信号质量反而不如 从离用户较远的基站接收到的信号质量。因此，实际系统中经常将距离准则 作为c i r 或r s s 准则的一种辅助参考。 第一章绪论 频码或它们的某种组合) 切换至另外个信道的过程。 1 2 2越区切换的过程 越区切换过程通常包括两个阶段：越区切换的启始阶段和越区切换的执行阶 段。在启始阶段，系统将不断地监测对某一移动用户的服务质量，从而决定何时 触发越区切换过程。在越区切换的执行阶段，系统将新的资源分配给越区切换的 呼叫【“1 。 越区切换将在以下三种情况下被触发【5 】【1 5 】- 【2 1 】： ( 1 ) 由于信道传输特性的恶化造成移动台接收到的信号有所下降； ( 2 ) 当移动用户从一个小区运动到另一个小区时； ( 3 ) 当系统为了容纳新的业务而对系统资源进行重新分配时皿2 i ； 实际中，在目前的蜂窝系统中主要有以下几种越区切换发生的准则【1 7 啦3 】_ 【2 9 】： ( 1 )接收到的信号强度准则( r s s ) r s s 是最为常用的切换准则。当从当前小区接收到的r s s 低于某一预 设门限值时，切换过程将被启动。为了防止过早地启动切换过程，可以采取 加窗平均和滞后门限相结合的切换准则【2 3 l 。在这种准则里，当系统做出切换 的决策前，系统将对接收到的若干r s s 采样值进行平均，只有当从当前小 区接收到的平均r s s 低于从目标小区接收到的平均r s s 一个预先设定的滞 后门限时，系统才启动切换过程。如何适当地选择平均窗的长度以及滞后门 限将直接影响到该准则的实际性能。在实际系统中，将针对不同类型的切换 而选择不同平均窗长度以及滞后门限m 】。 ( 2 )载波与干扰比准则( c i r ) 尽管r s s 准则在实际系统中易于实现，但是它不太适用于干扰受限的系 统中。这是因为，r s s 准则并未将系统中的c i r 考虑进去【2 6 i 。为了克服r s s 准则的不足，在文献 2 5 】中提出了将c i r 和相应的比特差错概率( b e r ) 作 为切换的准则。c i r 和b e r 给当前信道的服务质量提供了更为准确的指示。 由于c i r 和b e r 也将受到无线信道衰落和阴影的影响而有所波动，因此， 为了提供准确的切换指示，还需用到加窗平均和滞后门限的方法。 ( 3 )移动台和基站之间的距离准则 由于无线信道的多变性以及移动用户所处环境的不同，在蜂窝系统中完 全可能出现这样一种现象，即从离用户近的基站接收到的信号质量反而不如 从离用户较远的基站接收到的信号质量。因此，实际系统中经常将距离准则 作为c i r 或r s s 准则的一种辅助参考。 蜂窝移动通信系统中越区切换算法的研究 ( 4 )网络准则 系统服务质量的下降并不是发生越区切换的唯一原因。有时，系统为了 容纳更多的用户或为了均衡不同小区间的业务量，将重新安排信道的分配。 这时的切换是由系统引起的1 2 7 】【2 ”。 系统在做出越区切换的决策后，将为移动台在新的小区分配新的资源，这便 是越区切换的执行过程。 1 2 3越区切换过程的类型 大致来讲，为了不同的目的，越区切换过程为两大类：小区内切换( i n t r a c e l l h a n d o i f ) 和小区间切换( i n t e r c e l lh a n d o f f ) 。在小区内切换中，用户占用的信道被 切换到一个新的信道，但是用户仍然在当前小区接收服务。这种切换通常是由于 当前信道的服务质量下降引起系统资源的重新分配所导致。小区间的越区切换则 发生在移动用户从一个小区运动到另一个小区的情况下。 值得注意的是：尽管在实际系统中存在小区内切换，但是在本论文中我们只 研究小区间的越区切换策略。当一个正在通话的移动用户从一个小区运动至另一 个小区时，如果他从目标小区接收到的信号强度强于从当前小区接收到的信号强 度，那么将发生小区间的越区切换。也就是说，这里假设越区切换所采用的准则 是接收到的信号强度准则。 1 2 4越区切换的控制类型 依据谁发起并执行了切换过程，我们可以将越区切换过程分为以下三种类型： ( 1 )网络控制的越区切换( n c h 0 ) ( 2 )移动台辅助的越区切换( m a h o ) ( 3 )移动台控制的越区切换( m c h o ) 其各自的特点总结在表1 2 中口o 】p o l 【”l 。 以上三种控制方式各有所长。然而，m a h o 和m c h o 在今后的无线通信系 统中将更有优势。这是因为在m a h o 和m c h o 中，系统的控制任务被分布在网 络、基站系统和移动台之间，从而减小了信令开销缩短了切换延迟。另外，在表 1 2 中还给出了“软切换”的特点。在软切换中，移动台在切换区内利用宏分集 技术同时保持着与多个基站的通信联系。只有当目标小区的信号强度明显大于其 蜂窝移动通信系统中越区切换算法的研究 ( 4 )网络准则 系统服务质量的下降并不是发生越区切换的唯一原因。有时，系统为了 容纳更多的用户或为了均衡不同小区间的业务量，将重新安排信道的分配。 这时的切换是由系统引起的1 2 7 】【2 ”。 系统在做出越区切换的决策后，将为移动台在新的小区分配新的资源，这便 是越区切换的执行过程。 1 2 3越区切换过程的类型 大致来讲，为了不同的目的，越区切换过程为两大类：小区内切换( i n t r a c e l l h a n d o i f ) 和小区间切换( i n t e r c e l lh a n d o f f ) 。在小区内切换中，用户占用的信道被 切换到一个新的信道，但是用户仍然在当前小区接收服务。这种切换通常是由于 当前信道的服务质量下降引起系统资源的重新分配所导致。小区间的越区切换则 发生在移动用户从一个小区运动到另一个小区的情况下。 值得注意的是：尽管在实际系统中存在小区内切换，但是在本论文中我们只 研究小区间的越区切换策略。当一个正在通话的移动用户从一个小区运动至另一 个小区时，如果他从目标小区接收到的信号强度强于从当前小区接收到的信号强 度，那么将发生小区间的越区切换。也就是说，这里假设越区切换所采用的准则 是接收到的信号强度准则。 1 2 4越区切换的控制类型 依据谁发起并执行了切换过程，我们可以将越区切换过程分为以下三种类型： ( 1 )网络控制的越区切换( n c h 0 ) ( 2 )移动台辅助的越区切换( m a h o ) ( 3 )移动台控制的越区切换( m c h o ) 其各自的特点总结在表1 2 中口o 】p o l 【”l 。 以上三种控制方式各有所长。然而，m a h o 和m c h o 在今后的无线通信系 统中将更有优势。这是因为在m a h o 和m c h o 中，系统的控制任务被分布在网 络、基站系统和移动台之间，从而减小了信令开销缩短了切换延迟。另外，在表 1 2 中还给出了“软切换”的特点。在软切换中，移动台在切换区内利用宏分集 技术同时保持着与多个基站的通信联系。只有当目标小区的信号强度明显大于其 蜂窝移动通信系统中越区切换算法的研究 ( 4 )网络准则 系统服务质量的下降并不是发生越区切换的唯一原因。有时，系统为了 容纳更多的用户或为了均衡不同小区间的业务量，将重新安排信道的分配。 这时的切换是由系统引起的1 2 7 】【2 ”。 系统在做出越区切换的决策后，将为移动台在新的小区分配新的资源，这便 是越区切换的执行过程。 1 2 3越区切换过程的类型 大致来讲，为了不同的目的，越区切换过程为两大类：小区内切换( i n t r a c e l l h a n d o i f ) 和小区间切换( i n t e r c e l lh a n d o f f ) 。在小区内切换中，用户占用的信道被 切换到一个新的信道，但是用户仍然在当前小区接收服务。这种切换通常是由于 当前信道的服务质量下降引起系统资源的重新分配所导致。小区间的越区切换则 发生在移动用户从一个小区运动到另一个小区的情况下。 值得注意的是：尽管在实际系统中存在小区内切换，但是在本论文中我们只 研究小区间的越区切换策略。当一个正在通话的移动用户从一个小区运动至另一 个小区时，如果他从目标小区接收到的信号强度强于从当前小区接收到的信号强 度，那么将发生小区间的越区切换。也就是说，这里假设越区切换所采用的准则 是接收到的信号强度准则。 1 2 4越区切换的控制类型 依据谁发起并执行了切换过程，我们可以将越区切换过程分为以下三种类型： ( 1 )网络控制的越区切换( n c h 0 ) ( 2 )移动台辅助的越区切换( m a h o ) ( 3 )移动台控制的越区切换( m c h o ) 其各自的特点总结在表1 2 中口o 】p o l 【”l 。 以上三种控制方式各有所长。然而，m a h o 和m c h o 在今后的无线通信系 统中将更有优势。这是因为在m a h o 和m c h o 中，系统的控制任务被分布在网 络、基站系统和移动台之间，从而减小了信令开销缩短了切换延迟。另外，在表 1 2 中还给出了“软切换”的特点。在软切换中，移动台在切换区内利用宏分集 技术同时保持着与多个基站的通信联系。只有当目标小区的信号强度明显大于其 第一章绪论 他小区的信号强度时，移动台才会断开与其他基站的通信联系。这种切换方式也 就是所谓的“m a k eb e f o r eb r e a k ”的概念【3 2 j 。软切换有效地改善了移动台在切换区 域内的接收质量，当然这是以增加系统造价和复杂度为代价的。因此，在实际系 统的设计中，在越区切换算法的复杂度、切换过程的稳定性、系统的服务质量、 系统的容量以及共信道干扰等诸多因素间存在着折中。关于软切换的更多信息可 参阅文献 3 3 1 。 表1 2 越区切换的控制类型 移动台基站 移动交换 协议中心切换时间信令负荷类型典型系统 ( m s )( b s ) ( m s c ) 监测当前 连接的质做出切换a m p s n c h 0 被动量：决定：几秒高小区间 1 a c s 将结果报通知m s ； n m t 告m s c ； 对当前信 监测当前 道和临近 连接的质 监测切换 小区的信 量： 过程并通 道进行周 做出切换 知新基站： 小区间 一秒 高g s mm a h o的决定并 或做出切( g s m ) 期性的测 通知m s c 换的决定 小区内 量： 和m s 或 将结果报 并通知新 告基站： 将测量结 基站： 果送m s c ； 监测信道 监测信道 质量： 质量： 小区间 选择新基 将结果送 监测切换 1 0 0 毫秒 低 d e c tm c h o 站：m s ：过程并通 ( d e c t ) 做出切换将切换的知新基站： 小区内 的决定并决定送 通知基站：m s c ； 监测信道 监测信道 监测切换 质量： 质量： 过程并通 发起切换 做出切换 知新基站： 小区间 q u a l c o - 软切换决定并通无关高 m m 请求：或做出切 c d m a 系 选择新基 知m s c 或 换的决定 小区内 统 将测量结 站：并通知新 果送m s c ； 基站： 1 2 5术语和性能评价准则 我们先澄清一些可能用到的术语： ( 1 )越区切换区( h a n d o f fa r e a ) 一指在该区域内一个呼叫可以被位于 临近小区中的基站所接管。 第一章绪论 他小区的信号强度时，移动台才会断开与其他基站的通信联系。这种切换方式也 就是所谓的“m a k eb e f o r eb r e a k ”的概念【3 2 j 。软切换有效地改善了移动台在切换区 域内的接收质量，当然这是以增加系统造价和复杂度为代价的。因此，在实际系 统的设计中，在越区切换算法的复杂度、切换过程的稳定性、系统的服务质量、 系统的容量以及共信道干扰等诸多因素间存在着折中。关于软切换的更多信息可 参阅文献 3 3 1 。 表1 2 越区切换的控制类型 移动台基站 移动交换 协议中心切换时间信令负荷类型典型系统 ( m s )( b s ) ( m s c ) 监测当前 连接的质做出切换a m p s n c h 0 被动量：决定：几秒高小区间 1 a c s 将结果报通知m s ； n m t 告m s c ； 对当前信 监测当前 道和临近 连接的质 监测切换 小区的信 量： 过程并通 道进行周 做出切换 知新基站： 小区间 一秒 高g s mm a h o的决定并 或做出切( g s m ) 期性的测 通知m s c 换的决定 小区内 量： 和m s 或 将结果报 并通知新 告基站： 将测量结 基站： 果送m s c ； 监测信道 监测信道 质量： 质量： 小区间 选择新基 将结果送 监测切换 1 0 0 毫秒 低 d e c tm c h o 站：m s ：过程并通 ( d e c t ) 做出切换将切换的知新基站： 小区内 的决定并决定送 通知基站：m s c ； 监测信道 监测信道 监测切换 质量： 质量： 过程并通 发起切换 做出切换 知新基站： 小区间 q u a l c o - 软切换决定并通无关高 m m 请求：或做出切 c d m a 系 选择新基 知m s c 或 换的决定 小区内 统 将测量结 站：并通知新 果送m s c ； 基站： 1 2 5术语和性能评价准则 我们先澄清一些可能用到的术语： ( 1 )越区切换区( h a n d o f fa r e a ) 一指在该区域内一个呼叫可以被位于 临近小区中的基站所接管。 1 0蜂窝移动通信系统中越区切换算法的研究 ( 2 )在越区切换区内的驻留时间( d w e l lt i m ei nt h eh a n d o f fa r e a ) 一越 区切换的呼叫在越区切换区内的驻留时间。 ( 3 )越区切换门限( h a n d o f ft h r e s h o l d ) 一从当前小区接收的信号低于 该值时，移动用户将发起一次切换请求。 ( 4 ) 接收机门限( r e c e i v e rt h r e s h o l d ) 一当接收到的信号强度低于该门 限时，通话将中断。 另外，为了评估切换算法的性能，还经常用到以下些性能参数： ( 1 ) 新呼被阻塞的概率( b l o c k i n gp r o b a b i l i t yo f a i lo r i g i n a t i n gc a l l ) 一即 新近产生的呼叫请求被系统阻塞的概率。 ( 2 ) 越区切换请求被阻塞的概率( b l o c k i n gp r o b a b i l i t yo f ah a n d o f f r e q u e s t )