（通信与信息系统专业论文）cdma移动通信系统中多业务软切换的研究.pdf

北京邮电大学硕士学位论文 c d m a 移动通信系统中多业务软切换的研究 摘要 移动通信领域的迅速发展以及3 g 时代的全面到来都反映出个人 通信系统的重要性。随着各种新业务的不断出现，十分有限的无线资 源更加显得尤为珍贵。无线资源管理也因此而倍受重视。从本质上讲， 无线资源管理是各种最优化算法的组合，在各个模块协调工作下，系 统性能得到不断提升，并且系统的资源也得到了最优化的利用。 由于移动通信系统采用蜂窝结构，所以移动台在跨越空间划分小 区时必然要进行越区切换，而切换算法的优劣直接决定了系统掉话率 的高低，追本溯源，掉话率的高低也是系统所能容纳用户数的一个关 键因素。因此切换技术的研究是无线资源管理研究的一个重要组成部 分。 码分多址( c d m a ) 移动通信系统的最重要特性之一是由宏分集提 供的软切换能力，当处于软切换区域时，移动台通常通过多条路径( 典 型为2 个) 与当前基站及目标基站同时保持联系，保证了软切换的顺 利完成，从而避免了在硬切换中出现的呼叫被中断的情况，改善了系 统性能。 特性之二是能为不同的用户提供多种的通信业务，同时不同业务 有着不同的服务质量要求。如何在恶劣的无线传播环境里以及用户运 动且相互干扰的情况下为各类用户提供q o s 保证，同时充分利用无线 频谱资源，是第三代移动通信系统必须解决的问题。 本文正是基于c d m a 移动通信系统的两个特性，研究了不同多业 务下的软切换算法，通过系统仿真比较了各个算法的优劣，并提出了 一些自己的见解。 关键词：码分多址，无线资源管理，切换控制，软切换，多业务 北京邮电大学硕士学位论文 s o f th a n d o f fi nm u l t i s e r v i c ec d m am o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o na n dt h ec o m i n go f3 g i n d i c a t et h e g r e a ti m p o r t a n c e o fp e r s o n a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m w i t ht h e a p p l i c a t i o no fs e v e r a ln e ws e r v i c e s ，t h ev e r yl i m i t e dw i r e l e s sr e s o u r c ei sp a r t i c u l a r l y p r e c i o u s ，a n dj u s tf o rt h i sr e a s o n ，r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ( r r m ) h a sb e e np u t o nag r e a ti m p o r t a n c e e s s e n t i a ll ys p e a k i n g ，r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n ti sag r o u p o fo p t i m u ma l g o r i t h m s ，i nw h i c hc o o r d i n a t e dw o r k i n gh e l p st h eo v e r a l lp e r f o r m a n c e o fs y s t e mi m p r o v es om u c h b e c a u s em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sas t r u c t u r eo fc e l l ，h a n d o v e ri sa n e c e s s a r yp r o c e s so fu s e re q u i p m e n tw h e ni tc o m e st ot h ev e r g eo fc e l l u l a r 。w h e t h e r t h ep e r f o r m a n c eo ft h eh a n d o v e r a l g o r i t h mi sg o o do rb a dd i r e c t l yd e c i d e st h e p e r f o r m a n c eo fd r o pr a t ei ns y s t e m 。u l t i m a t e l y ，t h ed r o pr a t ei sak e yf a c t o ro ft h e n u m b e ro fc u s t o m e r st h es y s t e mc a na c c e p t ，t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho f h a n d o v e ri sa n i m p o r t a n tp a r ti nt h er e s e a r c ho f w i r e l e s sr e s o u r c em a n a g e m e n t 。 o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf e a t u r e so fc d m am o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m i st h ec a p a b i l i t yo fs o f th a n d o v e ro f f e r e db ym a c r od i v e r s i t y ，w h e ni nt h ea r e ao fs o f t h a n d o v e r ，u s e re q u i p m e n tc o n n e c t sw i t ht h eb a s es t a t i o nb ym u l t i - p a t h ( 2i nt y p i c a l i n s t a n c e ) ，t h i sc a na v o i dt h et e r m i n a t i o na n dm a k es u r et h ep e r f o r m a n c eo fh a n d o v e r 。 t h es e c o n df e a t u r ei st h a tc d m ac a ns u p p l ym u l t i s e r v i c ew i t hd i f f e r e n tq o s ，a n e c e s s a r yp r o b l e mt ob es o l v e di sh o wt og u a r a n t e et h i sq o si nt h ec o n d i t i o no fb a d w i r e l e s st r a n s p o r te n v i r o n m e n t ，m o b i l i t ya n di n t e r i n t e r f e r e ，m e a n w h i l em a k ef u l lu s e o f f r e q u e n c yr e s o u r c e 。 b a s e do nt h et w of e a t u r e so fc d m am o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ，t h i st h e s i sn o to n l yf o c u s e s o ns o m er e s e a r c ho ns o f th a n d o v e ro fm u l t i s e r v i c e sb u ta l s oc o m p a r e st h ep e r f o r m a n c eo f 北京邮电大学硕士学位论文 d i f f e r e n ta l g o r i t h m s 。a tl a s t ，ip u tf o r w a r ds o m em yo w no p i n i o n s 。 k e yw o r d s ：c d m a ，r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ，h a n d o v e rc o n t r o l ， s o f th a n d o v e r ，m u l t i s e r v i c e 北京邮电大学硕士学位论文 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谓十意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期：丕! ! 查：羔兰! ： 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一年解密后适用本授权书。非保密论 文注柔人囊茎? 论文稿酽密范围本人签名：型坠旦 导师签名： 适用本授权书。 日期：丝幺! ! 堕 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 第三代移动通信系统发展历程 第三代移动通信系统i m t - - 2 0 0 0 是国际电信联盟( i t u ) 在1 9 8 5 年提出的 工作在2 0 0 0 m h z 的频段、预期在2 0 0 2 年左右商用的系统，当时称为陆地移动通 信系统，即：f p l m t s 。1 9 9 6 年正式更名为i m t - - 2 0 0 0 。1 9 9 2 年世界无线大会 也为i m t - - 2 0 0 0 分配了2 3 0 m h z 的频段。从1 9 9 6 年开始第三代移动通信系统逐 渐成为移动通信领域的研究热点，各国对第三代移动通信的研究都进入了实质性 的阶段，特别是i t u 在1 9 9 7 年4 月向全世界发出了征集i m t 一2 0 0 0 无线传输技 术规范的通函，并制定了详细的i m t - - 2 0 0 0i 盯t 步骤和时间表。按照i t u 的原 有时间表，1 9 9 3 年3 月将完成第三代移动通信标准i m t - - 2 0 0 0 的选定，1 9 9 9 年 底完成i m t - - 2 0 0 0 的无线技术规范，2 0 0 0 年完成包括上层协议在内的完整的标 准的制定工作。所以i m t - - 2 0 0 0 的工作已经到了最关键的时期：由于移动通信 在未来的信息产业中占有举足轻重的地位，发达国家的政府部门及电信运营商和 制造商均不遗余力，积极参与有关第三代移动通信标准制定及其科研开发工作， 以期在未来的竞争中占据有力地位。 第三代数字移动通信系统i m t - - 2 0 0 0 主要采用宽带c d m a 技术，这一点各 国已达成共识，目前，国际上最具竞争力的i m t - - 2 0 0 0 无线传输技术主要有两 种：即日本和欧洲一些厂家提出的w c d m a 技术和北美提出的基于i s 一 9 5 c d m a 系统的c d m a 2 0 0 0 技术。另外，我国也提出了具有自己知识产权的 t d - s c d m a 系统。下面对这三种系统作简要的介绍。 a 、w c d m a 技术 在欧洲，爱立信公司在c o d i t 计划中作为主要厂家最先对w c d m a 技术进 行研究，后来在f r a m e 计划中继续研究开发。日本则是于1 9 9 4 年开始i m t 一 2 0 0 0 无线传输技术的研究，在对国内征集到的无线传输方案进行了两轮筛选的 基础上，最后确定将n t td o c o m o 公司的w c d m a 综合f d d t d d 方式作为日 本的方案。如今这两家公司达成一致协议，将各自的w c d m a 技术进行融合， 最终形成了现在的技术。它的主要关键技术是建立在窄带c d m a 的基础上的， 但从避开i p r 和技术改进的角度在原有的基础上又前进了一步。w c d m a 的技 术特点有： 可适应于多种速率的传输，灵活地提供多种业务； b t s 之间无需同步： 令优化的分组数据传输方式； 支持不同载频之间的切换； 北京邮电大学硕士学位论文 令上、下行快速功率控制； 令反向采用导频辅助的相干检测( 提高反向解调增益，提高功率控制准确 性) ； 充分考虑了信号设计对e m c 的影响。 b 、c d m a 2 0 0 0 技术 它是北美的l u c e n t ，m o t o r o l a ，n o r t e l ，q u a l c o m m 公司以及韩国s a m s u n g 等 公司联合提出来的基于i s 一9 5 的候选系统。因为在北美和韩国，i s 一9 5c d m a 系统正走向大规模商用，考虑其大量的用户和系统设备，为能与其充分地后向兼 容，故提出了c d m a 2 0 0 0 的概念。它沿用了i s 一9 5 的主要技术和基本技术思路， 如帧长为2 0 m s ，采用i s 一9 5 的软切换和功率控制技术，需要g p s 同步等。但 也做了一些实质性的改进，主要有：反向信道采用连续导频 令反向信道采用连续导频； 令反向信道相干接收； 夺前向发送分集； 全部速率采用c r c 方式； 充分考虑了信号设计对e m c 的影响。 由于北美地区的第二代系统尚未完全开展，而且第二代系统本身已经能够 满足相当长时间用户对数据业务的要求，所以最初参加c d m a 2 0 0 0 开发研制的公 司对i m t - - 2 0 0 0 技术的研究并不十分的紧迫，但是目前他们已意识到抓紧研究 步伐的重要性。为了与i s 一9 5 反向兼容，c d m a 2 0 0 0 在前向信道上有两种实现方 式，一种是多载波方式，一种是直接扩频方式。虽然c d m a 2 0 0 0 在试验系统方面 稍微落后了一些，但凭借在i s 一9 5 方面的经验，估计有可能会很快拿出比较成 熟的试验系统。 c 、t d s c d m a 现在，第三代移动通信技术和标准的竞争已经进入白热化，产品和市场的 竞争也已经开始。上面介绍的c d m a 2 0 0 0 和w c d m a 系统都是属于f d d 方式， 而现在国际上对t d d 方式的c d m a 系统正日益关注。如德、法、英等国运营商 都表示了首先选用t d d 系统德愿望；美、韩等国德标准化组织都要求在其向i t u 提出的i 汀t 建议中增加t d d 系统。 很多人预测第三代移动通信网络的前景是一个共同的网络，f d d 技术的无 线基站用来完成全球无线覆盖，t d d 技术的基站用于在城市人口集中地区，实 现大容量的话音、数据及多媒体业务。 我国的原邮电部电信科学研究院在1 9 9 7 年成功开发出基于s c d m a 技术的 w l l 系统的基础上，于1 9 9 8 年6 月代表中国向i t u 提交了第三代r 1 r t 建议t d ：i b 京邮电大学硕士学位论文 - - s c d m a ，后来北京邮电大学等一些高校和公司也加入了此标准的撰写和制订 工作，在1 9 9 9 年1 0 月向i t u 提交了全部的t d s c d m a 标准文件，并积极和 欧洲的u t r a t d d 方案进行融合，终于在1 9 9 9 年1 1 月5 日i t u r t g 8 1 赫尔 辛基会议上获得了批准，被列为i m t - - 2 0 0 0c d m a t d d 的两种方案之一。 它能够满足未来对第三代移动通信系统的要求，在室内、室内j b 环境下进 行话音、传真及各种数据业务。t d s c d m a 中使用了直接序列扩频的码分多 址技术( t d s c d m a ) ，它的传输带宽为1 6 m h z ，码片速率为1 2 8 c h i p s 。t d s c d m a 采用了时分双工( t d d ) 的方式，因而前向和反向链路可以使用相同 的无线频率的同步时间间隔，前向和反向链路的信息在物理信道的不同时隙相互 发送。t d d 系统在满足i m t - - 2 0 0 0 要求的前提下，同时具有如下特点： t d d 能使用各种频率资源，不需要成对的频率； 夺t d d 适用于不对称的上下行数据产生速率，特别适用于i p 型的数据业 务； t d d 上下行工作于同一频率，对称的电波传播特性使之便于使用诸如智 能天线等新技术，达到提高性能、降低成本的目的； 令t d d 系统设备成本较低，将可能比f d d 系统低2 0 5 0 t d d 系统的主要缺陷在于终端的移动速度和覆盖距离： 采用多时隙不连续传输方式，抗快衰落和多普勒效应能力比连续传输的 f d d 方式差。 夺t d d 系统平均功率与峰值功率之比随时隙数增加而增加，考虑到耗电和 成本因素，用户终端的发射功率不可能很大，故通信距离( 小区半径) 较小，一般不超过1 0 k m ，而f d d 系统的小区半径可达到数1 0 k m 。t 1 2 第三代移动通信系统的特点和关键技术 第三代移动通信系统要将各种业务结合起来，用一个单一的全功能网络来实 现，与现有的第一代和第二代移动通信系统相比，其主要特点可以概括为： 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。 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 信系统主要提供话音业务为主，随着发展，一般也仅提供1 0 0 - - 一2 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提高。它应能支持从话音到分组数据到多媒体业务，能根 据需要提供带宽。i t 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 北京邮电大学硕士学位论文 满足以下三种，即： a 快速移动环境，最高速率达1 4 4 k b p s ； b 室外到室内或步行环境，最高速率达3 8 4 k b p s ； c 室内环境，最高速率达2 m b p s 。 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基础上逐渐灵活演进而成，并应 与固定网兼容。 高频谱效率。 高服务质量。 低成本。 高保密性。 各国学者针对3 g 系统进行了广泛而深入的研究，发展并创新了许多关键技 术，如1 ) 初始同步与r a k e 多经分集技术；2 ) 高效信道编译码技术；3 ) 智能 天线技术；4 ) 多用户检测技术；5 ) 功率控制技术；6 ) 多载波技术；7 ) 软件无 线电技术等。这些技术已被3 g 系统采用，有的还在进一步研究之中。 1 3 无线资源管理技术概述 移动通信技术经历了第一代和第二代地长足发展，移动用户数量急剧增长， 移动业务逐渐走向多元化，用户对服务质量( q o s ) 的要求进一步提高，如何有 效地管理和使用无线资源已经成为运营商最为关心的个问题，因而在第三代移 动通信系统中，无线资源管理( r r m ) 作为一个专门的课题被提了出来，而且 成为衡量一台设备、一套系统以及一个运营商服务质量优劣的一个重要的性能指 标。无线资源管理主要负责对系统可以使用的无线资源进行分配和管理，其核心 问题是在保证网络服务质量的前提下，提高频谱利用率。无线资源管理的基本出 发点是在网络业务量分布不均匀或信道状况因衰落和干扰而起伏变化的状况下 设法灵活地分配，并及时调整可用资源。 在g s m 系统中，由于用户之间有较好地隔离度( 频分或时分) ，因此各用 户之间的互干扰比较容易控制，某个用户增加或减少功率都不会给使用不同无线 资源的用户造成很大影响，无线资源管理比较简单，系统主要采用固定资源分配 的方式，而这种资源分配方式带来的问题主要是无线资源的利用率比较低。在i s 一9 5 等c d m a 系统中，不同的用户具有不同的特征码，频率规划比较简单，但 c d m a 系统覆盖和容量需要很好的协调。 第三代移动通信系统主要采用c d m a 技术，要求支持高速率及可变速率业务 和多媒体业务，无线资源管理就更为复杂了。目前，无线资源管理正在向通用化 北京邮电大学硕士学位论文 ( 兼容不同的无线接入技术) 和智能化( 根据通信网络的变化进行调整) 方向发 展。第三代移动通信系统中的无线资源管理主要包括切换控制、功率控制、呼叫 接纳控制、负载控制和分组调度等内容。第一和第二代系统中的相邻小区之间使 用不同的载波频率，因而当移动台在小区边界需要切换到新的目标小区时，必须 中断业务信道，这被称之为硬切换。在c d m a 系统中，由于相邻小区之间共用相 同的频率，移动台可以不中断原有连接，而同时与新的目标基站建立连接。这就 是所谓的软切换( s o rh a n d o f f ) 。由于处于软切换状态的移动台同时与多个基站保 持连接，m s c 可以从多个基站接收到的相同帧中选出质量最好的一个，从而提高 了通信链路的健壮性，产生了宏分集增益。但是软切换也占用了更多的下行信道 资源，增加了系统内的信令开销。 1 4 软切换概述 公用移动通信系统，无论是第二代还是第三代，都是蜂窝系统。采用蜂窝小 区制主要是为了尽可能地充分利用频带，以得到尽可能大地容量。这样，移动台 j 在通话过程中就会出现从一个小区移动到另一个小区的情况，因此，在蜂窝系统 中，一个必不可少的功能就是要能够进行切换。切换是指移动台在通话过程中改 变所用的话音信道，改变的原因通常是由于移动台远离基站或接近无线盲区，或 者由于外界干扰而造成在原有话音信道上通话质量下降，这时必须转接到一条新 的空闲话音信道上去，以保证通话不被中断，从而实现“无缝覆盖”。二 切换可分为两种：硬切换和软切换。硬切换先中断与原小区的连接，然后立 + 即建立与新小区的连接，继续通信，g s m 是典型的硬切换系统。软切换是c d m a 技术发展的基础上诞生的，c d m a 系统是码分多址系统，在一个频点上支持多 个下行扰码，即有多个同频工作的小区，当移动台到达一个小区边缘的时候，该 小区提供给移动台的信号较弱，为了使移动台不掉话，这时将启动同频相邻小区 的基站同时为该移动台服务，此时有多个小区为处于软切换状态移动台服务。采 用软切换技术可以降低掉话率，提高小区边缘的接收解调性能，但是软切换也会 降低系统容量，浪费系统资源，如何对软切换进行控制是本文的重点，其中软切 换算法对系统性能有直接的影响。 随着通信技术和移动通信的发展，移动通信的频带利用率越来越高，而能够 实现的业务种类也越来越多样化。这样切换时的呼叫就会既有话音呼叫也有数 据、图像等呼叫。虽然对数字移动通信系统而言，在无线传输前都要将各种业务 变为数字数据，但业务不同，对时延的要求不同，对掉话和阻塞等的敏感程度也 不同，因而对这种多业务类型的呼叫进行切换时就要选定优先权。另外，考虑到 高速数据用户例如：一个2 m b i t s 业务的数据用户在快速移向另一个小区时，如 北京邮电大学硕士学位论文 果没有很快地将该小区加入有效集，其2 m b i t s 业务产生的干扰( 特别是由于此 时目标小区不能对该用户进行功率控制) 将很快对目标小区的很多用户的信躁比 造成影响，从而引起掉话。因而有必要将高速率业务与低速率业务综合来进行考 虑，提出可行有效的多业务系统中的切换方案。 切换是为了保证移动用户通信的连续性，或基于网络负载和操作维护等其他 原因，而将用户当前的通信链路转移到其他小区的过程。切换是移动通信系统必 须具备的最基本功能，切换技术运用的好坏在很大程度上决定了系统的性能。 1 4 1 软切换的类型 有两种软切换的类型： 扇区间更软切换：移动台与同一个小区的两个扇区保持通信，基站的 r a k e 接收机将来自两个扇区分集式天线的话音帧中最好的帧合并为一 个业务帧。 小区间软切换：移动台与不同小区的两个或三个扇区同时保持通信( 如 图3 一l 所示) ，在切换过程中对呼叫处理进行直接控制的基站称为主基 站。主基站能够发出前向控制消息。对呼叫处理没有控制功能的基站称 为辅助基站。当主基站或辅助基站断开之后，软切换终止。如果主基站 断开，辅助基站称为该呼叫的新的主基站。通过首先断开一个基站变为 双方软切换的方式可以终止三方软切换。 1 4 2 软切换的控制 图1 一l 双方软切换 切换的控制包括参数控制和过程控制，算法负责参数控制，而过程控制由网 络和移动台执行切换流程来得到体现。个人通信系统中的过程控制主要由三种： a ) 移动台控制的切换m c h c ： 在该方式下，移动台连续监测当前基站和邻小区基站的信号强度和质量。当 满足某切换准则后，移动台选择具有空闲业务信道的最佳基站，并发送切换请求。 北京邮电大学硕士学位论文 b ) 网络控制的切换n c h c ： 在该方式下，基站检测来自移动台的信号强度和质量，当信号低于某门限值 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基站都监视该移 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作为切换的 目标基站，并把结果通过原基站告诉移动台和新的基站。 c ) 移动台辅助的切换m a h c ： 在该方式下，网络要求移动台测量其周围基站的信号并把结果报告给原来的 基站，网络根据测量结果决定切换的时问和切换的目标基站。以往的p a c s 和 d e c t 采用了移动台控制的切换。第二代的i s 9 5 和g s m 和第三代系统均采用移 动台辅助的切换。 协议移动台( m s )基站( b s )移动交换中切换信令类 心( m s c ) 时间负荷型 n c h o 被动监测当前连接的质做出切换决几秒局小 量；将结果报告 定；区 m s c通知m s 间 m a h o对当前信道和监测当前连接质 监测切换过一秒呙小 邻近小区的信量；做出切换的决程并通知新区 道进行周期性定并通知m s c 和 基站； 间 的测量；将结果m s 或将测量结果内 报告基站； ：送m s c m c h o监测信道质量； 监测信道质量，将 监测切换过1 0 0 m低小 选择新基站；做结果送m s ，将切换程并通知新 s区 出切换的决定的决定送m s c基站间 并通知基站 内 表1 1 切换的三种控制方式 1 4 3 软切换性能的衡量标准 蜂窝移动通信中的切换方案有很多种，评价一种切换性能优劣的标准有以下 几种： 切换次数：即通话期间内发生切换的次数。对用户而言，由于切换时一般都 会对话音质量有较大的影响，所以切换次数越少，通信质量也就越高。同时，切 换次数越少基站与移动台之间切换时的信令传输少了，负担也会减小。 切换时延：即切换实际发生时刻相对于理想发生时刻的时延。切换时延太大， 9 北京邮电大学硕士学位论文 会使话音质量恶化，严重时会导致掉话。 不必要切换概率：即当前信道仍能提供满足通信质量要求时，发生切换的概 率这个概率越大，越容易给移动通信系统造成信令信道动作时间的浪费，对频 道资源的利用率也会下降。 切换阻塞概率：即移动台的切换要求被阻塞的概率。这个概率越小越好，如 若过大，移动台只能在原有的通信质量不高的信道上继续通话。这样，一则通话 质量会在很大程度上恶化，二则很有可能造成掉话。 掉话概率：由于切换失败而造成的通话中断的概率。对用户而言，掉话是最 不可接受的。 呼叫阻塞概率：即小区内初始呼叫被阻塞的概率。如果切换呼叫的优先权高 于本小区初始呼叫的优先权，就会使得小区的呼叫阻塞概率增大。对用户而言， 在一定范围内宁可接受呼叫阻塞也不愿意掉话。 1 4 4 软切换的建立和终止 婊软切换的建立 c d m a 系统的一个主要优点是移动台在一个呼叫中能够同时与多个基站保 持通信。这种功能保证了c d m a 网络能够完成软切换。在软切换中主基站与其 他基站协同工作，这些基站根据呼叫需要进行增加或删除。这样在一个呼叫中基 站( 最多总共3 个) 可以向一个移动台接收发送话音分组。 每个基站向b s c m s c 传送接收到的移动台的话音分组。b s c m s c 从这三 个基站中选择最好的话音帧。这样就提供给p s t n 方质量最好的话音。 图1 2 软切换的建立 图1 2 表示了在呼叫中与两个基站进行通信的移动台，这就是所谓的双方 l o 北京邮电大学硕士学位论文 软切换。软切换的建立如下： 移动台检测来自新的小区的导频信号并通知主基站a 令建立从基站b 到初始帧选择器的通信路径 冷初始帧从这两个数据流选择帧 冷移动台检测到基站a 的导频不符合要求并请求断开该路径 令断开从初始基站a 到帧选择器的路径 基站b 将其分配的w a l s h 编码传送给基站a 。基站a 将b 的w a l s h 编码作 为h d m 的一部分传送给移动台。这样移动台就可以接听基站b 。基站a 将用户 的长代码掩码发送给基站b 。此时基站b 能够接听移动台。基站a 和b 都能接 收到从移动台返回来的前向链路功率控制信息并采取行动。移动台接收来自a 和b 独立的击穿比特。如果指令有冲突，移动台降低功率；否则移动台服从指 令。 溶软切换的终止 图1 3 软切换的终止 图l 一3 表示了与两个基站a 和b 保持通信的移动台在来自基站a 的信号 不够强时终止切换的过程。当移动台进入与基站a 和b 进行软切换的状态时， 主基站为a 。但是当移动台与a 断开，并且单独与基站b 保持通信时，b 变成 主基站。 1 5 本文主要工作及论文结构 本文的研究工作主要可以分为两大部分：( 1 ) 对切换技术的研究现状作了总 结描述，具体到各种切换算法详细分析比较，包括本文第二章的全部内容。( 2 ) 建立了蜂窝移动通信系统模型，研究目前常用的与软切换相关的算法，详细到切 换排队、资源预留、二者相结合三种主要切换方式中的一些算法，包括本文第三 北京邮电大学硕士学位论文 章到第五章的全部内容。具体如下： 第二章：首先介绍了信道分配策略，然后结合信道分配策略介绍了单业务下 的切换算法并进行比较，以及分层小区切换方案的介绍。 第三章：在限定的业务模型下，基于小区边界、负载与切换率的介绍，比较 了软切换与硬切换两种切换方式下的一些性能指标。 第四章：首先对多业务系统中的切换算法进行了总体性的介绍，包括保留优 先级方案、抢占优先权方案、带优先级资源分配方案，以及保留优先级与抢占优 先权相结合的方案。并在智能运输系统的模型下对几种方案的性能进行了比较。 第五章：模拟了实际的c d m a 蜂窝移动通信系统，对几种多媒体业务进行 优先级设置，在资源预留与保护信道相结合的算法下，比较系统的性能。 1 6 参考文献 【l 】张平，第三代蜂窝移动通信系统一w c d m a ，北京邮电大学出版社， 2 0 0 0 年。 【2 】常永宏，第三代移动通信系统与技术，人民邮电出版社，2 0 0 2 年。 【3 】啜钢，c d m a 无线网络规划和优化，机械工业出版社，2 0 0 4 年。 【4 】糜正琨，移动通信一交换与信令，人民邮电出版社，1 9 9 6 年。 【5 】付景兴，w c d m a 技术与系统设计，机械工业出版社，2 0 0 4 年。 【6 】常永宏，第三代移动通信系统技术，人民邮电出版社，2 0 0 2 年 1 2 北京邮电大学硕= 仁学位论文 第二章c d m a 通信系统切换算法比较 2 1 信道分配策略介绍 分配给移动通信网络的无线频谱资源通常是固定的，并且是不够的，因此必 须对它进行优化。考虑到有限的频谱资源，移动通信系统采用蜂窝结构来有效地 增加系统的用户数量，这样存在一个“信道分配策略( c a c ) ”问题。所谓“信道 分配”是指在固定信道分配或动态信道分配的基础上，以最有效地利用可用地无 线频谱资源方式，把信道分配到系统地小区级或分层级上。 蜂窝系统的一个关键特征是在相隔足够远的小区中，允许复用频率完全相同 的信道。如何把同频信道分配到不同小区中同时使用，将直接影响到整个系统的 性能。不同的分配方案可以得到不同程度的同频干扰，因而得到不同的接收信号 质量，在数字移动通信系统中就是不同误比特率( b e r ) 的接收信号。只有那些质 量达到规范所要求的信道才是有效分配的信道，因此决定有效信道数的最重要的 因素是频率复用产生的同频干扰。同频信号和信号质量是影响整个系统容量的关 键。 根据不同特点和应用方式，可对信道分配策略进行不同的分类。最普通的就 是根据信道与小区的关系，可以分为固定信道分配( f c a ) 策略，动态信道分配 ( d c a ) 策略和混和信道分配( h c a ) 策略。 在固定信道分配策略中，服务区域被分成许多小区，信道根据一定的复用模 式分配给每个小区，也就是分配一个可用信道子集给每个小区，到达小区的呼叫 请求由分配给那个小区的信道子集中的信道来服务。f c a 非常简单，但是它不 能随着小区业务量和用户分布的变化而变化。为了克服f c a 的这些弱点，于是 人们提出了d c a 策略。 在d c a 策略中，所有信道被放置在一个中央信道池内，根据各个小区的需 要进行分配，通常用第一个空闲信道为来局呼叫服务。中央信道池中的所有信道， 原则上可以在每个小区使用。d c a 以高复杂度的代价换取信道分配的灵活性和 小区业务变化的自适应性。然而在较高业务负载条件下，d c a 策略其有效性低 于f c a 。为了克服这个缺点，人们又提出了结合f c a 和d c a 两种策略的h c a 技术。 2 1 1 固定信道分配( f c a ) 策略 对于简单f c a 策略，每个小区分配相同数目的标称信道。当系统的业务也 是平均分布时，均匀信道分配是有效的。在f c a 中，新呼叫只能被标称信道所 服务，因此当所有信道都忙时，呼叫将受到阻塞。若话务量均匀，则蜂窝系统总 北京邮电大学硕士学位论文 平均阻塞率与每小区的呼叫阻塞率相同，因为每个小区拥有相同的信道数，且承 担相同数量的话务。 在新系统和话务量均匀分布的情况下通常采用f c a 策略，而且在高话务量 情况下性能也是非常好的。但移动系统中话务量分布多数情况是不均匀的，随空 面间和时间而变化，因此对每个小区也是非均匀地分配信道，以便使每个小区所 拥有的信道数与所承担的话务量相匹配。f c a 的主要缺点是当它对在时间和空 间变化不均匀话务分布时，均匀的信道分配会导致在话务量高的小区有很高的阻 塞率，而在话务量低的相邻小区却有可能存在空闲信道，明虾缺乏灵活性，导致 信道利用率很低。克服这个缺点的方法之一就是利用f c a 策略进行非均匀信道 分配。 2 1 2 信道借用方案( c b s ) 克服非均匀话务分布影响的另一个办法是从相邻小区中借用空闲信道。严格 的说，信道借用方案就是当一个小区内没有空闲的标称信道时，如果满足干扰约 束条件的话，可以从邻小区借用一个信道来接纳新的呼叫。信道借用的基础是它 只对相邻小区产生最小的影响。当一个信道被借用时，则在其他一些小区将禁止 使用它，这被称之为“信道锁定( c h a n n e ll o c k i n g ) ”。由于信道的借用而禁止使用 该信道的小区数，取决于所采用的小复用模式、小区结构类型以及信道初始分配 类型。信道借用是临时的，仅仅在呼叫通话过程中持续，一旦呼叫结束，被借用 的信道将返还给它原来的小区，并且将锁定信道释放。 简单信道借用方案 在简单信道借用方案中，相邻小区中的任何标称信道在任何时间都可以被 借用，只要信道是空闲的并且借用后不对相邻小区中已经在进行中的呼叫产生干 扰。几种简单的信道借用策略己被提出： 1 ) 从最富裕的小区借用( s b r ) 2 ) 基本算法( b a ) 3 ) 能再分配的基本算法( b a r ) 4 ) 借用首先可得到的信道( b f a ) 混和信道借用方案 在混和信道借用方案中，每个小区的标称信道被分成两个信道子集a 和b ， 子集a 内的标称信道只能被本小区使用，子集b 内的信道可以被相邻小区借用。 当子集a 与b 内信道数比值固定不变时，能借用信道的小区将随小区数变大而 增加，但是每小区内可借用的候选信道数则将减少。通过把信道再分配引入到这 些策略中，可以得到最大的信道组合，因此提高了信道利用率。有如下集中混和 1 4 北京邮电大学硕士学位论文 信道借用方案： 简单的混和信道借用( s h c b ) ； 具有信道排序的借用( b c o ) ； 夺采用定向信道锁定的借用( b d c l ) ； 采用借用和再分配的信道分配( c a r _ b ) ； 夺具有重新调整的信道排序分配方案( o d c a ) ； 图2 - 1 信道借用和方向锁定 在s h c b 中，a 和b 绝对值的比值( 标称信道数和可借用信道数的比值) 优先根据对话务测量值的评估来确定，并且可以根据已确定的原则或根据话务预 测的方式动态地调整。b c o 根据话务量条件的变化动态地改变标称信道和可借 用信道数之比，因此比s h c o 性能更好。b c o 对所有标称信道进行排序，第一 个信道有最高的优先权被分配给下一个本地呼叫，而最后一个信道最先被相邻小 区借用。在b d c l 策略中，同频小区的信道锁定被限制在受信道借用影响的方 向上的那些同频信道小区，因此可借用的信道数将多于b c o 策略。如图2 1 所示，蜂窝p 从邻小区a 3 借用了一个信道，在b d c l 策略中，共道蜂窝a 1 、 a 2 和a 4 就只锁定被借用所影响的方向的信道。在c a r b 中，信道借用是使相 邻小区未来的呼叫阻塞率最小的基础上进行。o d c a 是c a r b 和b c o 的结合， 它具有更好的性能。 2 1 3 动态信道分配( d c a ) 策略 d c a 通过采用动态方式分配信道，来克服f c a 策略对话务量的时间和空间 变化缺乏自适应性的缺点。在d c a 中，信道和小区没有固定的联系，只要同频 信道复用距离和干扰约束条件得到满足，每个信道都能在任何小区中使用，并且 只在通话期间小区才拥有信道。所有信道都被放在一个中央信道池中，并且随着 系统中呼叫的到达，中央信道池负责搜索具有对系统费用最小的信道分配给小 区。一旦呼叫结束，信道就返回给中心池。d c a 策略的主要特征： 北京邮电大学硕士学位论文 对干扰的白适应性； 对话务变化的自适应性； 信道的重新利用性。 目前的研究表明，在低、中等话务负荷条件下比f c a 策略有更好的性能。 可是，当系统出现高话务量时，d c a 策略并不优于f c a 策略，尤其是当话务量 分布是非均匀时。原因是d c a 策略中分配信道的随意性。 2 2 固定信道分配下单业务切换方案的比较 最初移动通信系统对于移动用户的越区切换没有加以特殊的处理，将越区切 换呼叫与用户初始呼叫同样对待，不对两种呼叫加以区别。显然这种方案中因为 不成功的切换所导致的正在进行中通话的中断概率等同于初始呼叫的阻塞率。为 了提高系统的服务质量，人们又研究出对越区切换进行优先处理的信道分配方案 ( g c s ) 、切换排队方案、初始呼叫排队方案和半速率信道分配方案( s r c ) 几中。 切换排队方案又分为先进先出方案( f i f o ) 、基于信号测量方案( m b p s ) 、最小逗 留时间方案( m d t ) 年h 信号预测优先级排队方案( s p p q ) 等。这些方案只能用于单业 务即基本话音业务的移动通信网中，而在第三代以及更未来的移动通信系统中需 要为用户提供多种多样的业务，这将在以后的章节中介绍。 图2 2 固定信道分配下单业务切换方案 1 6 北京邮电大学硕士学位论文 2 2 1 无优先权的越区切换方案 这是一种最简单的切换方案，当移动用户到达小区边界时，初始呼叫用户和 切换呼叫用户平等的争夺目标小区资源。在这种切换机制里，目标小区并不预留 资源给切换用户，也不对切换用户进行排队等候，因此切换掉话率很高。 2 2 2 切换呼叫排队方案 当切换呼叫到达时本小区没有足够的资源接纳该切换呼叫，可以推迟该呼叫 的切换动作，并排队等候其他用户资源的释放。队列中切换呼叫的优先级按照不 同的切换算法进行不同的排队顺序。这样也可以降低切换呼叫的掉话率，这种方 案中，也可以同时使用保护信道。当小区基站的接收功率到达切换门限时，如有 空闲信道，基站立即分配信道给切换呼叫，否则将呼叫排入队列。切换呼叫在队 列中等待分配信道，直到有可用信道或者接收功率低于接收门限，如果呼叫到达 接收门限时仍然没有可用信道，该呼叫被强制结束，造成掉话。由于切换呼叫排 队方案中切换的推迟会造成用户信号质量的下降，因此可供排队的等待时问非常 有限，因此对于切换呼叫进行保护的作用很难提高。 目前，切换排队策略主要集中在以下几个方案： f i f o 先进先出方案 f i f o 方案就是先来先服务的原则，哪个切换呼叫最先进入队列，它就最先 分配信道给这个呼叫，队列中呼叫的优先级是固定不变的。单f i f o 排队算 法的做法是，让对时延要求最严格的切换话音呼叫进入设置的排队队列，等待信 道的释放，而其它进入系统的呼叫则被立即阻塞。这个队列遵从f i f o 法则，即 最先进入队列的切换话音呼叫最先出队，释放的信道将最先分配给排队等待的切 换话音呼叫，这样可以保证用户正在进行的呼叫不会掉