（通信与信息系统专业论文）wcdma系统的软切换算法的研究.pdf

、 天津大学硕士研究生学位论文 摘要 本文重点研究w c d m a 移动通信系统中软切换技术。论文首先概述了 w c d m a 移动通信系统、w c d m a 系统的结构和关键技术，着重研究了w c d m a 系统软切换的控制流程和u e 侧对软切换的支持，在对普通的软切换算法进行分 析基础上，提出一种优先级控制的软切换算法。 f 移动性是移动通信的最大特点，软切换是移动性管理的重要组成部分，对移 、 、一一 动台实施高效的移动性管理可以提高系统的资源利用率，提高系统的性能。7 论文 中对现有的软切换算法进行分析和仿真，研究普通软切换算法激活集门限控制参 数对掉话率、新呼口q 阻塞率、系统容量的影响，通过仿真给出一般软切换算法的 门限控制参数，及参数设置条件下的系统性能分析。在此基础上提出一种根据优 先级决定软切换状态的算法，经过仿真证明该算法可以有效的提高系统性能和资 源的利用率。本文对普通软切换算法和优先级控制软切换算法进行比较。借通的 软切换算法不考虑处于软切换时移动台状态，用统一的门限控制激活集，新算法 则考虑了软切换时u e 的移动速率和在小区中的状态，并计算其优先级，当小区 的下行干扰或系统资源紧张时，在保持通信质量的前提下，控制优先级较低的软 切换释放本小区资源，切换到其它的小区中，从而降低了当前小区的下行干扰， 提高系统资源利用率。比较普通软切换算法和新算法的性能，在保证通信质量的 、f 7 ” 前提下，下行干扰减小o 5 ，且系统资源的利用率可以提高1 0 0 在论文中给 出详细的仿真结论和分析结果。 关键词：宽带码分多址、软切换、移动台h 导、无线网络控制器跫旷 1 人7 阜人学硕i 研究慢学化论文 a b s t r a c t t h et h e s i sm a k e sas t u d yo fs o f th a n d o v e rt e c h n o l o g yo fw c 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 。a tf i r s t ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo fw c d m a m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dk e yt e c h n o l o g i e so fw c d m a a n dt h et h e s i s r e s e a r c hi n t ot h ec o n t r o l p r o c e s so fs h oa n dh o wt h eu es u p p o r t f o rs h oi n w c d m a s y s t e m t h et h e s i sa n a l y s e st h es i m u l a t i o nr e s u l t so fc o m m o ns h o ，a n d t h e nr a i s e st h e p r i o r i t ys h oa l g o r i t h m t h em o b i l i t yi st h et y p i c a lc h a r a c t e r i s t i co fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n p r o c e s s i n g h a n d o v e ri sa ni m p o r t a n tt a s kf o rm o b i l i t ym a n a g ei ns h o s i g n a l sf r o mm u l t i p l e n o d e ba r es e n dt oo n eu et oi m p r o v eh a n d o v e r p e r f o r m a n c eb yd i v e r s i t ya d v a n t a g e b u tt h ea d d i t i o n a lr e s o u r c e sa r eu s e dd u r i n gs h oa n da d d i t i o n a ld o w nl i n ki n t e r f e r e a r eg e n e r a t e d t h e r ei sat r a d e o f f b e t w e e n d i v e r s i t ya d v a n t a g ea n d r e s o u r c eu t i l i z a t i o n as i m u l a t i o nm o d e li su s e dt o a n a l y s i st h et h r e s h o l dp a r a m e t e r sa n dt h es y s t e m p e r f o r m a n c eo ft h ec o m m o na l g o r i t h m i ti st h ef o u n d a t i o nf o rt h en e wa l g o r i t h m s i m u l a t i o n t h e r ei sap r i o r i t ys h o a l g o r i t h mi sr e s e a r c h e di no r d e rt oi m p r o v et h e r e s o u r c eu t i l i z a t i o na n dr e d u c et h ei n t e r f e r eo fd o w nl i n k t h en e wa l g o r i t h m c o n s i d e r st h es p e e da n dt h es t a t eo f m o v i n gu e ，c a l c u l a t e st h ep r i o r i t y w h e nd o w n l i n ki n t e r f e r er i s e so rr e s o u r c ei s l e s s ，a l g o r i t h mc o m m a n d su eh a v i n gl o wp r i o r i t y r e l e a s i n gt h er e s o u r c e a st h er e s u l t s ，t h ei n t e r f e r eo f d o w n l i n ki sr e d u c ea n dr e s o u r c e u t i l i z a t i o ni si m p r o v e d t h e r ea r ed e t a i l e ds i m u l a t i o na n d a n a l y s i s r e s u l t si nt h e s i s k e y w o r d ：w c d m as o f th a n d o v e ru er n c 人7 # 大学坝 j 研究牛 f _ 沦史 1 概述 1 1 研究背景 移动通信发展的最终目标是实现任何人、任何地点、任何时间的通信，到 目前为止移动通信已经由第一代模拟语音移动通信系统演变到第二代数字移动 通信系统。由于通信技术的发展及用户需求的不断增长，许多新的业务正逐渐 进入移动通信领域，它要求无线通信网络不仅能提供话音业务，还要能提供多 种数据业务及各种多媒体服务。针对这些需求，国际电联提出的第三代移动通 信系统的概念，各国也在加强第三代移动通信系统的研究和标准化工作。第三 代移动通信系统简称为3 g ，它可以提供比2 g 更大的系统容量、更好的通信质 量、实现在全球范围内的无缝漫游。 第三代系统是一个综合系统，包括海、陆、空全球三维服务；包括i s d n 和 多媒体等多种业务：包括地面通信系统和卫星系统通信系统：包括几十米的微 小区和几百公里的卫星小区：包括多种空中接口和接入方式：包括向高速和低 速移动用户提供服务。这是一个高度智能、全球覆盖、具有个人服务特色的移 动通信网，而具有个人服务特色是第三代移动通信系统的本质特征。 1 23 g 的发展状况 卜世纪九十年代以来，欧洲、日本、韩国、美国、中国等对第三代移动通信系 统的研究开发都制定了相应的策略和计划，积极地进行研制，并向国际电联( i t u ) 提交了有关的文件，i t o 也为第三代系统标准积极运作，这些多样化的第三代 系统设计来源于通信界世界性的竞争。 经过几年的技术评估、研究分析和大量的协调和融合的工作之后，在1 9 9 9 q - 底通过了i m t - 2 0 0 0 的无线接口技术规范，这标志着第三代技术的格局已最 终确定，分为c d m a 和t d m a 两大类共5 种无线传输技术： 1 m t 2 0 0 0c d m ad s ( 又称u t i t af d d 或w c d m a ) i m t 2 0 0 0c d m am c ( 包括c d m a 2 0 0 0i x 和3 x ) l 盛；。弛淄豳瞳- 黪l 舔+ i 天津大学硕十研究牛学位论文 i m t 一2 0 0 0c d m at d d ( 包括t d s c d m a 和u t r at d d ) i m t 一2 0 0 0t d m a s c ( 即u w c l 3 6 ) m t 一2 0 0 0t d m al d c ( 即d e c t ) 其中前三种为c d m a 的主流技术，后两种为t d m a 的主流技术。 w c d m a 是第三代系统标准提案中得到支持最多的技术体制。在欧洲，爱 立信公司最先对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。 日本则是将d 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。这 两家公司将各自的w c d m a 技术进行融合，最终形成了e t s i 中成为概念的提 案，本课题主要针对w c d m a 技术进行研究。 图1 1 是w c d m a 的组网结构： 3 g s g s n 图1 - 1w c d m a 的组网结构 如图1 1 所示u e ( u s e re q u i p m e n t 用户设备移动) 和n o d e b ( 基站) 之 间是通过空中接口，无线链接：n o d e b 和r n c ( r a d i on e tc o n t r o l l e r ) 之间是 有线连接；r n c 之间通过a t m 有线连接；接入网通过a t m 有线连接到核心网。 1 3 本文研究的重点 移动性是移动通信的最大特点，在移动台位置变化到特定的区域时会发生 小区间的切换，对移动台实施有效的移动性管理可以提高系统资源利用率，提 高系统性能。本课题主要针对w c d m a 软切换技术进行研究，提出改进的切换算 法，以期对移动台的移动性实施高效的管理。 论文的结构如下： 天津大学坝士研究牛学位沧支 第一章概述，主要介绍3 g 的研究背景。 第二章w c d m a 移动通信系统概述，简要介绍w c d m a 系统结构，作为后文相 关内容的理论基础。 第三章主要包括w c d m a 系统中软切换技术的总体介绍，软切换的研究动 态，现有软切换算法和实现模型的分析。 第四章重点研究软切换的控制流程和u e 侧对软切换的支持。 第五章首先对普通的软切换算法进行分析和仿真，研究普通软切换算法激 活集门限控制参数对掉话率、新呼叫阻塞率、系统容量的影响，通过仿真给出 普通软切换算法的门限控制参数，及参数设置条件下的系统性能分析。在此基 础上提出一种根据优先级决定软切换状态的算法，给出算法的仿真结论，并提 出算法进一步完善的方向 第六章结束语。 致谢和参考文献。 由于本人水平有限，论文中的错误和不足之处望各位老师批评指正。 天津大学颀士研究生学位论文 2w c d m a 系统概述 2 1 w c d m a 系统整体结构 w c d m a 系统的整体结构如图2 1 所示，u e 表示移动终端，u t r a n 表示无线 接入网，c n 是核心网。下面详细描述系统的结构和各接口的作用： n o d e b l 、 厂、 、 n o d e b 卜一 爿竺 。 j 怒、i 峄卜 c 熙 l 巨甸 i u b 电。 、 | | n o d e b 卜 才r n cg - 一1 “l 。n 。hs 高l ( i i ) 所示为s r n s 重选过程的另一种情况，所有的无线链接只 属于唯一的d r n s ，这个d r n s 里的d r n c 就是进行重选的目的r n c ，此时开始 执行s r n s 的重选过程，过程完成后，原来的d r n s 成为当前的s r n s 。以图3 7 的状态( i i i ) 为初始态是图3 9 的一个特殊情况。 c n ( u r r s ) 回 回 u t r n l l l 圈曰 圈目 图3 - 9r n s 重选过程( r e l e a s e 9 9 支持此初始态) 3 4 本章小节 本章对w c d m a 中软切换技术进行概述，介绍了切换的分类和软切换的技术 动态和实现中软切换的系统模型。下一章重点介绍软切换控制流程和u e 侧支持 软切换的实现方案。 人7 | 人。# 坝卜研究牛学位论文 4 软切换的实现流程分析 软切换涉及到整个系统的控制，包括r n c ，n o d e b ，u e 之间信令交互。 因为w c d m a 是异步系统( 区别于i s 9 5 等同步系统) ，没有全系统的定时， 所以在切换时，r n c 受限需要根据u e 上报的两个小区之间相对定时差来进行 两个小区的下行链路的同步，如果需要加入激活集的小区与原激活集中的小区 同属于一个n o d e b ，则在n o d e b 内部可以实现两个小区下行的同步，不需要r n c 发信令进行调整，如果需要加入激活集中的小区与原激活集中的小区属于不同 的n o d e b 下的小区，则由r n c 根据u e 上报的小区之间的定时信息，控制n o d e b 之间的同步。只有当完成两个n o d e b 之间的下行链路的同步才能开始进入软切 换状态。 4 1 软切换在w c d m a 中的实现流程 4 1 1 软切换的总体流程 软切换大体上可分为几个大的功能阶段：切换测量阶段；u t r a n e 的切换 决策阶段：激活集的更新。 切换的测量在u e 端进行，u e 根据s r n c 发给它的m e a s u r e m e n t c o n t r o lm e s s a g e 进行测量，当测量事件满足时，触发测量报告，向s r n c 发 送m e a s u r e m e n tr e p o r tm e s s a g e ，为s r n c 进行切换决策提供依据。 由于u e 接收的信号时刻在变化，为了根据信号的质量进行小区重选或切换， u e 需要对不同的小区进行测量，测量相邻小区c p i c h 信道的e c i o 和r s c p ，作为 小区重选和切换的依据，被测量的小区可以分为3 个集合： 激活集( a c t i v es e t ) ：处于宏分集情况下的小区。此时u e 同时与这些小区 1 ：1 1 持无线连接，对来自这些小区的信息同时解调并合并。 监控集( m o n i t o r e ds e t ) ：是指不在激活集中的，r n c t 发的测量控制中邻 区列表的小区集合。激活集不包括在监控集中。 2 0 大津大学彤! 研究_ 学他论文 检测集( d e t e c t e ds e t ) ：u e 搜索到的不在测量控制中的邻区列表中的其它 小区。 ! 个集合之间是互斥的。当发生a c t i v es e tu p d a t e 激活集更新时，有_ 种更新可能： ( 1 ) 增加一个r l ( r a d i ol i n k 无线链路) 的过程，则原先属于m o n i t o r e d s e t 的一个小区加入到激活集中，u e 对激活集中所有小区的下行信号进行解调 合并。 ( 2 ) 删除一个r l 的过程，则将一个小区从a c t i v es e t 中删除，该小区成 为m o n i t o r e ds e t 中的一个小区。 ( 3 ) 替换一个r l 的过程，则用m o n i t o r e ds e t 的一个小区替换属于a c t i v e s e t 中的一个小区。 三个集合的相互关系如下： 图4 一l a 测量涉及的3 个集合转化图 一般情况下，r n c 只要求u e 对其下发的测量控制列表中的邻小区列表中的 小区( 即监控集) 进行测量。r n c 根据上报的测量结果，采用软切换算法进行 判决，然后执行激活集更新的过程。而检测集是否上报是由信令控制的，d e t e c t e d s e t 并不能直接进入监控集，而是上报给r n c ，r n c 根据上报的测量结果，决 定是否将检测集中的小区加入至t m o n i t o r e ds e t 中。检测集的上报有助于网络规 划的优化。 这三个集合的转化时序关系可以用图4 一l b 表示，图4 一l b 与图4 1 a 相对应： 人津人学坝卜研究譬二学位论文 测量结粜 图4 1 b 测量涉及监控集和澈活集的转化 激活集和监控集相互转化，当监控集中c p i c h 3 标识的小区的能量进入报告 范围，则触发测量事件，r n c 决定将c p i c h 3 n 入到激活集中；当激活集中c p i c h l 标识的小区能量降低到相对门限之下时，则退出激活集，进入到监控集 ( m o l q i t o r e ds e t ) 中。 u t r a n 的切换决策是在r n c 进行的，软切换算法依据测量报告和当前系统 的性能等多种因素，对是否启动软切换和进行何种状态的切换进行决策。 决策结果有3 种：c a s e i 对没有处于软切换状态的u e 启动软切换过程，将新 的无线链路加入到激活集中，或者对于已经处于软切换状态的u e ，在激活集中 再加入一条新的无线链接，然后进入a c t i v es e tu p d a t e 过程。c a s e 2 对于已经处 于软切换状态的u e ，决定删除激活集中的一个无线链接，进入a c t i v es e tu p d a t e 过程。c a s e 3 对于已经处于软切换状态的u e 。决定在激活集中增加一个新的无 线链接同时删除一个旧的无线链接，进入a c t i v es e tu p d a t e 过程。 图4 2 结和图4 3 图4 5 表示软切换的总体流程，图4 3 、图4 4 、图4 5 分别 表示3 种不同的软切换状态。 天津大学硕i = 研究7 e 学位沦文 图4 2 软切换的总体流程 天i p 大学坝j 研究生学位论史 c a s e l l 鍪| 4 - 3 在激活集中增加r l 的流程( 接图4 2 ) 火津人学硕士研究生学位论文 c a s e 2 图4 - 4 从激活集中删除r l 的流程( 接图4 - 2 ) 火津人学坝上聊 究生学位论史 增 图4 - 5 在激活集中同时增加和删除r l 的流程( 接图4 - 2 ) 灭津人学硕 j 研究生学位论文 4 2 软切换的系统过程 结合图4 2 图4 - 5 所示的软切换总体流程，本h 具体描述切换时r n c ，n o d e b 和u e 之间的实现过程。4 2 1 所示为测量和决策阶段的系统过程；4 2 2 是针对 ( c a s e l ) 在激活集中增h i r e 的系统过程；4 2 3 是