（通信与信息系统专业论文）tdscdma系统中新型接力切换算法研究.pdf

摘要 中文摘要 摘要：t d s c d m a 标准是我国提出的第一个拥有自主知识产权的国际通信体 制标准，目前已在中国1 0 个城市铺设网络并进入试商用阶段，接力切换是 t d s c d m a 系统中的一项关键技术，它直接影响t d s c d m a 系统的性能。当前 t d s c d m a 试验网络测试中存在掉话严重的现象，统计表明t d s c d m a 系统中有 6 0 的掉话是由于切换失败引起的。因而，对接力切换的优化能够显著提高 t d s c d m a 网络性能，为推动t d s c d m a 网络商用进程提供有力的技术保障。 本文首先论述了t d s c d m a 系统中现行接力切换的基本原理及切换算法，对 影响接力切换性能的参数( 如滤波系数、切换迟滞、小区个性偏置等) 进行了理论分 析，并根据实际测试结果，验证了切换参数对切换性能的影响，同时分析了目前 接力切换中存在的问题，如街角效应、高速用户切换时掉话严重等。针对以上存 在的问题，利用t d s c d m a 系统自身先进的技术特性( 如智能天线技术和上行同步 技术) 对接力切换的过程进行详细分析和优化，并且提出了新型接力切换算法。其 中接力切换过程的优化方案主要包括：利用智能天线计算的d o a ( d i r e c t i o no f a r r i v a l ) 对候选小区列表的改进、对测量过程中平均处理过程的改进以及为解决不 同业务不同优先级对接纳控制过程的改进。所提新型接力切换算法以导频信号强 度为主导，以移动台速度、移动方向、移动台距基站距离等因素作为切换参数自 适应因子，使得切换参数能够自适应于移动台速度和位置的变化。该算法能够解 决高速用户掉话严重、街角效应等问题，使高速用户优先于低速用户进行切换， 同时也能够使处在街角小区间重叠位置的移动台进行快速切换，从而提高系统的 切换性能。本文最后系统地阐述了接力切换仿真系统的设计思想和建立过程，并 利用仿真系统将切换参数对切换性能的影响进行仿真分析，对新型接力切换算法 进行仿真，验证系统切换性能。实验仿真及理论分析表明，新型接力切换算法能 够有效地降低系统切换失败率，减少切换延迟，改善系统服务质量，对t d s c d m a 网络优化及发展有重要的现实意义和参考价值。 关键词：t d s c d m a ；接力切换；切换算法 分类号：t n 9 2 9 5 3 北京交通大学硕士学位论文 a bs t r a c t a b s t r a c t ：t d s c d m ai st h ef i r s ti n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do fc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，w i t hi n d e p e n d e n t i n t e l l e c t u a l p r o p e r t yr i g h t sp r o p o s e db y c h i n a t h e t d s c d m an e t w o r kh a sb e e nl a i di n10c i t i e so fc h i n a ，a n dn o wi ti si nt h et r i a l c o m m e r c i a ls t a g e b a t o nh a n d o v e ri sak e yt e c h n o l o g yo ft d s c d m as y s t e mw h i c h a f f e c t st h ep e r f o r m a n c eo ft d - s c d m as y s t e md i r e c t l y a tp r e s e n t ，t h ei n t e r r u p t i o n e x i s t i n gi nt h et r a i ln e t w o r ki ss e r i o u s ，a n dt h ei n v e s t i g a t i o ns h o w st h a t6 0 o f t h e c o m m u n i c a t i o ni n t e r r u p t i o ni sc a u s e db yu n s u c c e s s f u lh a n d o v e r t oi m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo ft d s c d m an e t w o r ks i g n i f i c a n t l y , t h eo p t i m i z a t i o no nb a t o nh a n d o v e r i sn e c e s s a r y , a n dt h er e s e a r c ho no p t i m i z a t i o nc a np r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r tf o ri t s i m p e l l i n gi nt h ec o m m e r c i a ls t a g e i nt h i sp a p e r , t h ep r o c e s s e sa n dt h ea l g o r i t h m so fb a t o nh a n d o v e ra r ei n t r o d u c e d a n dt h ep a r a m e t e r sw h i c ha f f e c tt h eh a n d o v e rp e r f o r m a n c ea r ea n a l y z e d ( s u c ha sf i l t e r c o e f f i c i e n t t h eh y s t e r e s i so fb a t o nh a n d o v e r ，e e l li n d i v i d u a lo f f s e t ) i nd e t a i lf i r s t l y t h e n b a s e do nt h et e s te x p e r i e n c eo ft d s c d m at r i a ln e t w o r k ，t h ep r o b l e m so nb a t o n h a n d o v e ri nt d s c d m as y s t e ma r ea n a l y z e d ，s u c ha st h ee f f e c to ft h ec o m e r , t h e c o m m u n i c a t i o ni n t e r r u p t i o nf o rh i g h - s p e e du s e r s t h i r d l y , a c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c so ft d s c d m as y s t e m ( s u c ha ss m a r ta n t e n n a a n d u p l i n k s y n c h r o n i z a t i o n ) ，t h ep r o c e s s e sa n da l g o r i t h m s o fb a t o nh a n d o v e ra r eo p t i m i z e d ， i n c l u d i n gt h ec a n d i d a t el i s ti m p r o v e m e n tb a s e do nd o a c a l c u l a t e db ys m a r ta n t e n n a ， m e a s u r e m e n ti m p r o v e m e n t ，a n da d m i s s i o nc o n t r o li m p r o v e m e n tf o rd i f f e r e n ts e r v i c e s f o u r t h l y , an e wh a n d o v e ra l g o r i t h mi sp r o p o s e dt od e a lw i t ht h ep r o b l e m se x i s t i n gi n t h et r i a ln e t w o r k t h i sn e wa l g o r i t h mi sb a s e do nt h ep i l o ts i g n a ls t r e n g t ha n dt a k e su s e r e q u i p m e n t ss p e e d ，d i r e c t i o no fm o v e m e n t ，d i s t a n c eb e t w e e nt h eb a s es t a t i o na n du s e r e q u i p m e n ta st h ea d a p t i v ef a c t o r so fh a n d o v e rp a r a m e t e r s t h i sa l g o r i t h mc a l ls o l v e h a n d o v e ri s s u e sf o rt h eh i 曲一s p e e du s e r sa n dc a na l s oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t d s c d m as y s t e m ，f i n a l l y , as i m u l a t i o ns y s t e mo nb a t o nh a n d o v e ri ss e tu p u s i n g t h i ss i m u l a t i o ns y s t e m ，t h ei n f l u e n c eo fp a r a m e t e r so nh a n d o v e rp e r f o r m a n c ei s a n a l y z e d a n dt h en e wa l g o r i t h mf o rb a t o nh a n d o v e ri ss i m u l a t e da n dv e r i f i e d t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en e wa l g o r i t h mc a nd e c r e a s et h ep r o b a b i l i t yo f u n s u c c e s s f u lh a n d o v e r , r e d u c et h ed e l a yo fh a n d o v e r , a n di m p r o v et h es y s t e m p e r f o r m a n c e i tw i l lb eo fg r e a ti m p o r t a n c ef o rn e t w o r ko p t i m i z a t i o na n dd e v e l o p m e n t a b s t r a c t o f t d s c d m a s y s t e m k e y w o r d s ：t d s c d m a ：b a t o nh a n d o v e r ；h a n d o v e ra l g o r i t h m s c l a s s n o ：t n 9 2 9 5 3 v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：壹弧骡 导师签名： 签字日期：0 8 年月f 口日 侏刮 签字日期：加部年名月卜日 北京交通人学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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交通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。 学位论文作者签名：黉丽聪、 签字日期： dg 年 月刁日 致谢 本论文的工作是在我的导师朱刚教授的悉心指导下完成的。朱刚教授严谨的 治学态度、科学的工作方法、精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。两 年来，朱刚老师不仅在学业上对我精心指导，同时还在思想上、生活上给我以无 微不至的关怀，在道德情操和为人处事上给我树立了光辉的榜样。从课题的选择 到论文的最终完成，朱刚老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持，在此谨向 朱刚老师致以诚挚的感谢和崇高的敬意。 无线通信实验室的钟章队老师、李旭老师、金晓军老师、张小津老师、吴昊 老师、蒋文怡老师、丁建文老师、何建军老师、武贵君老师在我学习期间给予我 热心的帮助，对我在实验室的学习和科研给予了极大的支持，他们孜孜不倦、尽 心尽力的敬业精神时刻影响着我，在此表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，王永亮等同学对我论文中仿真系统的调试过 程给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的论文 研究工作。 北京交通大学硕士学位论文 序 t d s c d m a 系统标准是我国第一个拥有自主知识产权的国际通信体制标准， 其t d d 双工方式是未来无线通信的发展趋势，当前中国已有1 0 个城市部署了 t d s c d m a 试验网络，已有1 1 家终端企业取得了t d s c d m a 系统入网许可证， 网络和终端都已具备规模商用的条件。2 0 0 8 年4 月1 日，中国移动同时在北京、 上海、天津、沈阳、广州、深圳、厦门和秦皇岛等8 个城市放号，同步推进t d s c d m a 的社会化业务测试和试商用工作，为服务2 0 0 8 北京奥运会，展现科技奥运做准备。 但是，在目前已进行的网络测试及优化过程中，t d s c d m a 系统还存在着许 多的问题，为推动t d s c d m a 网络的商用进程，t d s c d m a 网络优化工作势在 必行，而在t d s c d m a 网络优化中，对接力切换性能的优化是重中之重。本人曾 在轨道交通控制与安全国家重点实验室重点研究g s m r 系统越区切换性能的优化 工作，对越区切换研究有着浓厚的兴趣和理论基础，曾经于2 0 0 6 年1 1 月申请了 软件著作权专利g s m r 越区切换性能仿真系统( 专利号：2 0 0 6 s r b j 2 2 4 2 ) ，并 于2 0 0 7 年8 月移动通信中发表论文( ( g s m - r 越区切换分析与优化。本文是 在己完成的g s m r 越区切换性能研究工作的基础上，基于t d s c d m a 怀柔试验 网络实际测试中遇到的问题，提出了t d s c d m a 网络的优化方案和新型接力切换 算法，并设计仿真系统对新型切换算法进行仿真分析与验证。 综述 1 综述 1 1t d s c d m a 和接力切换的发展历程及现状 t d s c d m a ( 时分一同步码分多址接入，t i m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 第三代移动通信系统标准是信息产业部电信科学技术研 究院( 现大唐集团) 在国家主管部门的支持下，经过多年的研究而提出的具有一定特 色的第三代移动通信( 3 g ，3 r dg e n e r a t i o n ) 系统标准，是中国百年通信史上第一个具 有自主知识产权的国际通信标准，在我国通信发展史上具有里程碑意义并将产生 深远影响。 t d s c d m a 系统的发展历程如下： ( 1 ) t d s c d m a 标准文件在我国原无线通信标准组( c w t s ，c h i n e s ew i r e l e s s t e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r dg r o u p ) 最终修改完成后，经原邮电部批准，于1 9 9 8 年6 月代表我国提交到国际电信联盟( i t u ，i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) s 1 相 关国际标准组织。t d s c d m a 标准公开之后，在国际上引起强烈的反响，得到西 门子等许多著名公司和众多运营商的重视和支持【1 , 2 】。 ( 2 ) 1 9 9 9 年1 1 月在芬兰赫尔辛基召开的国际电信联盟会议上，t d s c d m a 被 列入i t u 建议i t u rm 1 4 5 7 中，成为i t u 认可的第三代移动通信无线传输技术 ( r t t ，r a d i ot r a n s m i s s i o nt e c h n 0 1 0 9 y ) 的主流技术之一【1 捌。 一 ( 3 ) l9 9 9 年12 月3 g p pr a n ( t h et h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ，r a d i o a c c e s sn e t w o r k ) 第7 次全会上j 下式确定了t d s c d m a 和u t r at d d 标准的融合 原则。由国际标准组织( 3 g p p ) 完成t d s c d m a 标准的技术细节，包括智能天线、 联合检测、同步c d m a 、接力切换等关键的无线技术【l 捌。 ( 4 ) 2 0 0 0 年5 月世界无线电行政大会正式接纳t d s c d m a 为第三代移动通信 系统国际标准，从而t d s c d m a 成为与w c d m a ( 由欧洲、日本提出) 以及 c d m a 2 0 0 0 ( k i ：i 美国提出) 并列的三大主流3 g 标准之一。这是百年来中国电信史上 的重大突破，标志着我国在移动通信技术方面进入世界先进行列【l 捌。 ( 5 ) 2 0 0 1 年3 月在美国 a l 少h 举行的3 g p pr a n 第1 1 次全会上，t d s c d m a 被 正式列入3 g p p 关于第三代移动通信系统的技术规范，包含在3 g p pr 4 版本中， 这表明t d s c d m a 作为一个国际标准，被众多的业界通信制造商和运营商所接 受，并为以后的市场化打开了局面。从此，t d s c d m a 进入了稳定发展和逐步完 善的阶段【1 , 2 j 。 北京交通大学硕士学位论文 ( 6 ) 在我国的标准化组织中国通信标准协会( c c s a ) 的第五技术委员会 ( t c 5 ) 中，t d s c d m a 的标准化工作也在稳步进行，目前c c s a 已经制定了 t d s c d m a 的一整套行业标准，包括系统体系、空中接口和网元接口的详细技术 规范，为t d s c d m a 的产业发展和商用化奠定了良好的基础【l 捌。 ( 7 ) 2 0 0 2 年1 0 月2 3 日，信息产业部公布t d s c d m a 频谱规划，为t d s c d m a 标准划分了总计1 5 5 m h z ( 18 8 0 - - - 19 2 0 m h z 、20 1 0 - - 20 2 5 m h z 及补充频段23 0 0 - - 24 0 0 m h z ) 的非对称频段。 ( 8 ) 2 0 0 6 年1 月2 0 日，信息产业部正式颁布t d s c d m a 为我国通信行业标准 【1 刁 。 接力切换( b a t o nh a n d o v e r ) 是t d s c d m a 移动通信系统的核心技术之一，是 介于硬切换和软切换之间的一种新切换方法，其设计思想是利用t d d ( t i m e d i v i s i o nd u p l e x ) 系统特点和上行同步技术，在切换测量期间，移动台( u e ，u s e r e q u i p m e n t ) 禾l j 用开环技术进行并保持上行预同步，u e 可提前获取切换后的上行信 道发送时间、功率信息；在切换期间，可以不中断业务数据的传输，从而达到减 少切换时间，提高切换的成功率、降低切换掉话率的目的。 接力切换技术是t d s c d m a 系统的关键技术，它的发展有着与t d s c d m a 同样的历程。 接力切换的实现历程分为三个过程：首先，实现同一r n c ( r a d i on e t w o r k c o n t r o l l e r ) 内的接力切换；其次，实现r n c 间的接力切换；最后，实现t d s c d m a 系统与其它移动通信系统之间的切换。目前t d s c d m a 网络的接力切换还处于第 一阶段，即只在同一r n c 内进行接力切换。 现阶段中国已经在1 0 个城市铺设t d s c d m a 网络，且中国移动已经在8 个 城市放号运营，t d s c d m a 网络正处于试商用阶段。到现在为止对t d s c d m a 无线网络的优化主要集中在国内的一些设备制造商以及研究规划院，这些工作是 在现有试验网中进行的，也取得了一定的进展。大唐和中兴等网络设备制造商对 接力切换的研究虽然取得一定成果，但是对接力切换的网络优化研究仍处于空白 阶段，特别是对移动台在高速运动的情况下接力切换性能的优化。因此，本文对 这些方面进行的分析和研究对t d s c d m a 网络优化就显得十分有必要。 1 2 接力切换的应用 t d s c d m a 网络是一种c d m a 系统，软切换是c d m a 系统的一个显著特点， 为什么在t d s c d m a 中采用了接力切换却没有采用软切换呢? 一般认为软切换技 术用在重负荷小区中可以提高系统容量，在轻负荷小区中可以增加覆盖面积。这 2 综述 是由于处于软切换中移动台的反向信道同时被多个基站接收，并通过选择器进行 宏分集，在功率控制的作用下，移动台发送功率降低，从而使相邻小区干扰降低， 增加系统的容量。同时，在前向信道，移动台从多个基站接收前向信道信号并进 行合并，减小了切换中掉话的概率。 在t d s c d m a 系统中要求所有反向链路在基站基带处理时同步，从而降低反 向链路的多址干扰。由于移动台处于移动过程中，为了补偿路径时延的变化， t d s c d m a 系统采用了一种闭环控制机制，用来控制移动台调整反向链路发送的 时间提前量，使处于位置不断变化中的移动台的反向链路到达基站( 基带处理) 的 时间与u e 和基站之问的距离保持同步【3 】。如果要在t d s c d m a 系统中实现软切换， 首先在软切换阶段，包含在有效导频集中的所有小区都要向移动台发送数据，移 动台解出信息。为了使信息得到加强，各小区需要在前向信道同时发送相同的数 据。但是，由于移动台相对有效导频集中小区的移动方向并不一致，也可能完全 相反，所以各小区发送给移动台的提前量各不相同。如果移动台接收的各小区的 前向信道的功率相近，则收到的发送提前量调整比特绝大部分都是误码，则移动 台不能与任何基站同步，这是最差的情况。当然可以采取一些措施，使移动台与 某一个( 一般是选择信号最强) 基站同步，此时其他基站的信号将产生较强烈的干扰 【3 。其次，软切换时要求软切换的各支路都处于同一时隙，t d s c d m a 系统中同 一个时隙可分配的信道化码( 1 6 个) 较w c d m a 或c d m a 2 0 0 0 系统要少( 如 c d m a 2 0 0 0 系统中为1 2 8 个) ，在相同负荷下这将降低切换目标小区分配资源的成功 率，而且如果存在交叉时隙干扰的情况，即使目标小区有可分配的信道化码，也 会由于可能存在交叉时隙干扰而不能分配，进而进一步降低了目标小区的分配资 源的成功率p j 。 综上所述，在t d s c d m a 系统中实现软切换是很困难的，而且即使实现了软 切换也很难获得其他系统中获得的增益。因此，t d s c d m a 移动通信系统提出了 接力切换的概念，它与传统意义上的硬切换有着相同之处，但是由于t d s c d m a 系统的切换结合了上行同步和智能天线技术对移动用户进行周期的精确测定，得 出用户的大体位置进行波束赋形，在手机辅助下，服务r n c 根据周围的空中传播 条件和信号质量，要求移动终端切换到信号更好的基站。整个切换过程如同田径 比赛中的接力赛一样，因而形象地称之为“接力切换”。 在接力切换的过程中，同频的两个小区的基站都将接收同一个终端的信号并 对其定位，将确定可能切换区域的定位结果向基站控制器报告，完成向目标基站 的切换。接力切换不仅具有上述的软切换功能，而且可以使用在不同载波频率的 t d s c d m a 基站之间，甚至能够在t d s c d m a 系统与其他移动通信系统( 如 g s m ，c d m a 等) 的基站之间应用，实现不丢失信息、不中断通信的理想越区切换。 3 北京交通大学硕士学位论文 1 3 接力切换与其他切换类型的比较 在t d s c d m a 网络中，硬切换和接力切换是网络允许的两种切换方式，其中 接力切换是基于t d d 系统和上行同步等技术提出的新切换方式，这种类型的切换 是在切换测量期间，使用上行预同步的技术，提前获取切换后上行信道发送时间、 功率信息，从而达到减少切换时间、提高切换成功率、降低切换掉话率的目的。 软切换和硬切换是基于c d m a 和g s m 两种不同系统提出的。g s m 系统中的 切换是“先断后连”的硬切换方式，在硬切换过程中，一个终端在切换中只占用一个 信道，而不会同时占用多个小区的信道，这种切换方式的好处是信道利用率相对 较高，但是很容易造成切换掉话。c d m a 网络中应用的软切换，则是一个终端可 以同时接收多个小区的信号，从而减少切换掉话。但是，这种方式对无线资源的 浪费较大，会增加系统负荷，而且当终端在不同频点间进行切换时，仍然只能采 用硬切换的方式，无法避免硬切换的缺陷。 为了便于理解不同切换方式的特点，图1 1 、图1 2 和图1 3 分别给出了硬切 换、软切换和接力切换的切换过程示意图。 硬切换整个过程如图1 1 所示： ( b ) ( c ) 图i - 1 硬切换过程示意图 f i g u r e1 - 1t h ep r o c e s so f h a r dh a n d o v e r 第一步：u e 与b t s 一1 在进行正常通信( 如图l l ( a ) ) ； 第二步：当u e 运动n d , 区边晃需要切换并且网络通过对u e 候选小区的测量找 到了切换目标小区时，网络向u e 发送切换命令，u e 断开与b t s 1 的信令和业务链 4 综述 路，然后与b t s 2 建立信令链路( 如图1 1 ( b ) ) ； 第三步：当u e 与b t s 2 建立信令连接之后，尝试与b t s 2 建立业务连接，一旦 u e 与b t s 2 建立起业务链接，切换完成( 如图l 一1 ( c ) ) 。 由此可见，硬切换是“先断后通”模式，终端先断开与原基站的所有通信链路， 再与目标基站建立连接，在硬切换过程中存在终端与网络中断通信的时间，因此 丢包是不可避免的，也会影响用户的通信质量和业务质量。 软切换过程如图1 2 所示： ( c ) 图1 - 2 软切换过程示意图 f i g u r e1 - 2t h ep r o c e s so f s o f lh a n d o v e r 第一步：u e 与n o d e b 1 进行正常通信( 如图1 2 ( a ) ) ； 第二步：当u e 处于小区边缘，网络通过对u e 候选小区导频信号的测量，确定 了几个导频信号较强的候选小区，加入到有效导频集中，j t l n o d e b 2 ，网络向u e 发送切换指示，u e 保持与n o d e b 1 的信令和业务链路，同时与n o d e b 2 建立信令和 业务链路( 如图1 2 ( b ) ) ； 第三步：当网络得知u e 检测到n o d e b 一1 的导频信号已经低于门限且持续一段时 间后，再次发送切换指示，这时u e 删除与n o d e b 1 业务和信令链路，此时，u e 只 与n o d e b 一2 进行信令和业务通信，切换完成( 如图1 2 ( c ) ) 。 由此可知，软切换与硬切换相反，是“先通后断”模式，即终端先与目标基站建 立连接，并保持相当长的一段时间，再断开与原基站的通信链路。在软切换过程 中不存在终端与网络中断通信的时间，因此不会产生丢包，而且同时与多个基站 5 北京交通大学硕+ 学位论文 保持通信还有可能带来一些分集增益；但是一个用户重复占用多条通信信道造成 了无线资源的浪费，而且终端配置多个接收装置，也会带来终端成本的提高。 接力切换整个过程如图1 3 所示： ( b ) ( d ) ( e ) 图l - 3 接力切换过程示意图 f i g u r e1 - 3t h ep r o c e s so fb a t o nh a n d o v e r 第一步：u e 与n o d e b 1 进行正常通信( 如图1 3 ( a ) ) ； 第二步：当u e 处于小区边缘需要切换并且网络通过u e 对监测集内小区的测量 结果找到了可能的切换目标小区n o d e b 2 时，将n o d e b 一2 加入到候选小区集中，同 时，u e 与n o d e b 。2 建立上行同步，当满足切换条件时网络向u e 发送切换命令，u e 在与n o d e b 1 保持信令和业务连接的同时，与n o d e b 一2 建立信令连接( 如图l 一3 ( b ) ) ； 第三步：当u e 与n o d e b 2 信令连接建立之后，u e 断开与n o d e b 一1 的业务连接 ( 如图l 一3 ( c ) ) ； 第四步：u e 尝试建立与n o d e b 一2 的业务连接，一旦u e 与n o d e b 2 的业务连接 建立( 如图l 一3 ( d ) ) 之后进行第五步； 第五步：u e 删除与n o d e b 1 的信令连接，这时u e 与n o d e b 1 之间的业务和信 6 综述 令连接全部断开了，而只保持与n o d e b 2 的信令和业务连接，切换完成【5 ( 如图 1 - 3 ( e ) ) 。 由图1 3 可知，接力切换与硬切换和软切换两种切换方式均不相同。它利用开 环预同步和功率控制，在切换过程中首先将上行链路转移到目标小区，而下行链 路仍与原服务小区保持通信，经过短暂时间的分别收发过程后，再将下行链路转 移到目标小区，完成接力切换。需要指出的是，在图1 3 ( b ) 中，基站n o d e b 一2 ( 目标 基站) 和基站n o d e b 一1 ( 原服务基站) 在各自的下行链路上发送相同的数据，可确 保不会出现数据丢包，保证用户的业务质量；而且终端在原服务基站和目标基站 分别收发的时间相当短，只有几十毫秒，不会引起系统资源的浪费，也没有给系 统带来额外的干扰；同时，t d s c d m a 系统特有的帧结构和同步技术，保证了u e 简单地实现在两个基站问的分别收发过程，没有增加终端设备的成本。 t d s c d m a 系统既存在接力切换又存在硬切换，这两种切换在具体的执行过 程中也有着不同点，具体见表1 1 。 表1 - 1接力切换过程和硬切换过程之间的区别 t a b l e1 1t h ed i f f e r e n c eb e t w e e nb a t o nh a n d o v e ra n dh a r dh a n d o v e r 接力切换硬切换 切换前是否有同步预同步无 物理重配后是否需要同步不需要需要 数据丢失无有 由原基站接收下行信令激活时间到达后，上下行 切换顺序和数据，在目标基站发送信令和数据一起到目标 上行信令和数据。 基站。 1 4 接力切换研究的意义 t d s c d m a 标准是我国第一个拥有自主知识产权的国际通信体制标准，当前 中国已在1 0 个城市部署了1 5 0 0 0 个基站的t d s c d m a 网络，经多方和多地测试 表明通讯质量良好；现已有“家t d s c d m a 终端企业取得了入网许可证， t d s c d m a 网络和终端都具备了大规模商用的条件。2 0 0 8 年4 月1 日，中国移动 将中国人自己研制出的t d s c d m a3 g 手机同时在北京、上海、天津、沈阳、广 州、深圳、厦门和秦皇岛等8 个城市放号，同步推进t d s c d m a 的社会化业务测 试和试商用工作，准备为即将到来的2 0 0 8 北京奥运会提供服务，展现科技奥运。 但是，在已进行的网络测试及优化过程中，t d s c d m a 系统还存在着许多的 7 北京交通人学硕士学位论文 问题，接力切换作为网络性能的重要指标，也存在着不少问题。例如：在非立交 桥的十字路口，当用户通过十字路口时，原有信号迅速下降；当用户又以较快速 度移动时，可能由于来不及完成切换而掉话。不同的切换参数，如事件延迟触发 时间、切换迟滞、滤波系数、切换延迟触发时间等，会对用户切换的成功率造成 很大影响。对于高速移动用户，在小区边界由于切换时延过大也容易产生掉话现 象。小区边界重叠区域设置不合理，也将导致切换的掉话或者乒乓效应。针对以 上这些问题，本文提出优化方案，力争为推动t d s c d m a 系统商用的进程提供有 力的技术支撑。 越区切换是移动性管理的重要内容，对越区切换的处理和提升整个系统的有 效性和可靠性有很大的关联。越区切换成功率在服务质量中被认为是一个敏感指 标，这关系到对用户提供的服务质量，切换过程必须快和准确。在移动通信的发 展过程中，越区切换一直是科研人员的研究重点，而t d s c d m a 系统也不例外。 t d s c d m a 系统是一个新的标准，到目前为止，这个系统仍处于试验阶段，对接 力切换理论及实际应用的研究还处于初级阶段，对接力切换算法优化是一个富有 挑战和至关重要的课题。 1 5 本文的主要内容 本论文在深入分析了目前接力切换中存在问题的基础上，根据t d s c d m a 系 统自身的技术特性，如智能天线技术和上行同步技术等，对接力切换的过程和切 换算法进行优化，提出新型接力切换算法，并建立接力切换仿真系统对新型切换 算法进行仿真分析。论文的主要内容如下： 第一章介绍了接力切换的发展历程及现状、与其他切换类型相比的优缺点以 及本文研究的重要意义。 第二章论述了接力切换的整个过程，并且针对不同业务、不同情况，阐述了 接力切换的信令流程。 第三章系统地描述了接力切换算法，其中介绍了预同步算法、切换测量启动 算法和切换判决算法。然后，详细论述了影响接力切换性能的参数，如滤波系数、 切换迟滞、事件延迟触发时间等，并通过实际的测试，分析了切换参数对街角效 应的影响和接力切换中存在的问题。接着，根据t d s c d m a 系统自身的特性，提 出对接力切换过程优化方案：利用d o a 对候选小区列表的改进、对测量过程中平 均处理的改进以及为解决不同业务不同切换时延需求的接纳控制过程的改进。最 后，针对试验网络接力切换存在的问题，提出了以导频信号强度为主导，以移动 台速度、移动方向、移动台距基站距离等因素作为切换参数自适应因子的新型接 8 综述 力切换算法。这种切换算法能够解决高速用户掉话严重、街角效应等问题，使高 速用户优先于低速用户进行切换，也能够使处在街角小区间重叠位置的u e 快速切 换，从而提高了系统的切换性能。 第四章系统地论述了接力切换仿真系统的建立过程。本文利用仿真系统将切 换参数对切换性能的影响做了仿真分析，并应用新型切换算法分析其切换性能。 仿真结果表明新型切换算法能够解决高速用户掉话严重的问题，使高速用户在小 区边界快速的切换到目标小区，提高了系统的切换性能。 第五章对全文内容进行总结，并提出未来的工作内容。 9 北京交通人学硕士学位论文 2t d s c d m a 系统接力切换基本原理 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它 原因而将用户当前的通信链路转移到其它小区的过程。目前，接力切换属于 t d s c d m a 系统内切换。接力切换是利用智能天线和上行同步等技术，对u e 的 方位和u e 距基站的距离进行测定，根据u e 方位和距离信息进行波束赋形。如果 u e 进入切换区，则r n c 通知目标基站做好切换准备，从而达到可靠和高效切换 的目的。因此说，接力切换利用自身技术特性巧妙地将软切换的高成功率和硬切 换的高信道利用率结合起来，是一种具有较好系统性能的切换方式【6 】。 在进行接力切换时，系统所必备的条件是：网络要准确获得u e 的位置信息， 包括u e 的信号到达方向( d o a ，d i r e c t i o no fa r r i v a l ) 和u e 与基站之间的距离， 使目标基站能够快速预同步和切换后的波束赋形。在t d s c d m a 系统中，由于采 用了智能天线和上行同步技术，因此系统可以较为容易地获得u e 的位置信息。 t d s c d m a 系统中获取u e 位置信息的具体过程如下： ( 1 ) 利用智能天线和基带数字信号处理技术，可以使天线阵根据每个u e 的 d o a 为其进行自适应的波束赋形。对每个u e 来讲，仿佛始终都有一个高增益的 天线在自动地跟踪它1 2 j 。 ( 2 ) 在t d s c d m a 系统中，有一个专门用于上行同步的时隙u p p t s 。利用上 行同步技术，系统可以获得u e 信号传输的时间偏移，进而可以计算得到u e 与基 站之问的距离【2 j 。 因此，上行同步、智能天线和数字信号处理等是t d s c d m a 移动通信系统 实现接力切换的关键技术基础。 t d s c d m a 系统可以执行多种切换方式，如执行小区内切换、小区间切换、 频率内切换、频率间切换、系统内切换、系统间切换等。因为不同的切换方式有 不同的切换性能和复杂性，如切换率、切换成功率、切换延时和网络负荷等，一 般按照小区内、小区间、r n c 内、r n c 间、系统内、系统间的顺序安排切换优先 级，可以减少接口间的信令交互，减轻r n c 的处理负担，并加快切换的执行过程。 在执行上述切换类型时，一般是频内切换的优先级高于频间切换的优先级【7 】。 2 1 接力切换的过程 接力切换是t d s c d m a 系统内u e 处于c e l ld c h 状态8 1 时进行的一种越 区切换方式。接力切换主要是利用预同步技术( 包括u e 自主预同步和网络触发预 l o t d s c d m a 系统接力切换基本原理 同步) ，预先取得与目标小区的同步参数，并通过开环方式保持与目标小区的同步， 一旦网络判决切换，u e 可迅速地由原服务小区的d c h ( d e d i c a t e dc h a n n e l ) 状态 切换到目标小区的d c h 状态，从而提高切换效率。对于严格同步( 即同步偏差固 定) 的小区，无论是同频还是异频都可以进行接力切换；接力切换可以在n o d e b 内间、r n c 内间进行，但是目前暂不实现r n c 间的接力切换。接力切换可适用 于实时业务和非实时数据业务。 接力切换分四个过程，即测量过程、预同步过程、判决过程和执行过程。典 型的切换过程如图2 1 所示。 2 1 1 测量过程 图2 - 1接力切换全过程 f i g u r e2 - 1t h ew h o l ep r o c e s so f b a t o nh a n d o v e r 在u e 和基站通信过程中，u e 需要对当前服务小区和相邻小区的主公共控制 信道( p c c p c h ，p r i m a r yc o m m o nc o n t r o lp h y s i c a lc h a n n e l ) 信号码功率( r s c p , r e c e i v e ds i g n a lc o d ep o w e r ) 进行测量。u e 的测量可以是周期性地进行，也可以由 事件触发进行测量。由于接力切换也是一种“先断后通 的切换方式，因此，接 力切换的判决相对于软切换来说要求较严格。也就是说，在满足正常通信质量的 情况下，要尽可能降低系统的切换率。 首先，接力切换主要是根据当前服务小区信号强度能否满足移动台的通信要 求。因此，对当前服务小区的p c c p c hr s c p 测量和信号质量测量特别重要，而 对相邻小区的测量结果的要求相对稍低一些。切换测量启动门限值的设置基本上 是以满足业务质量为基准，并有一定的滞后。当当前服务小区的p c c p c hr s c p 在一段时间t 1 内持续低于切换测量启动门限r s c pd r o p 时，u e 向r n c 发送 由接收信号强度下降事件触发的测量报告，从而可启动接力切换测量过程。 接力切换测量开始