（通信与信息系统专业论文）3g系统中的切换技术研究.pdf

摘要 切换就是移动台释放与原服务小区的连接，并与新的服务小区产生避接的过 程，它的主要功能怒：傈诚正在被服务的移动台从一个小迸移动到另个小区时 的逶僖不会哮l 叛。 切换是属于无线资源篱理技术之一，好的切换方察除了能提高移动台处于小 区边界时的镳路质鬃之外，还要实现较商的系统容薰和系统资源利用率。 嚣蔻的3 g 系绞中，爰霆豹切换技术主要蠢款切换窝曼软凌换、系统悫硬甥 换以及系统间硬切换。其中，软切换应用最为广泛。 本文在前三章主要是对一些基础知识进行介绍。第一章简要介绍3 g 系统和 切换技术。繁二章较为诺缌建分缨3 g 中采嗣的各穆甥换搜零，羔黉笔墨敦在转 统软切换、软切换模式下的s s d t 以及h s d p a ( w c d m a 的进化版本) 中的f c s 技术之上。第三章介绍本文作者滋行仿粪研究所采用的两种仿真方法：静态仿真 秘动态绩奏。 在前面两章的基础之上，第四章和第五章是本文作者对于3 g 中切换技术的 仿真研究工作。 繁匿章镑对“较甥换遥残了系统下行慈予撬黪壤麓帮系统资添裂爱率我辫 低”这个问题，对软切换的下行执行方粜进行研究。先阐述了传统软切换、s s d t 和文献中给出的两种折衷方案的数学模疆，接着提出了另外三种改进方案：“针 对不溺、监务鬈臻不强较甥挨辊测”、“霹变门陵瓣软弱换方案”霸“考虑移动台位 置的软切换方案”，最后用静态仿真的方法对传统软切换、s s d t 、文献中已有的 改进方案以及本文中提出的三种新方案进行了仿真验证和饿能比较。 第五章燕震o p n e t 系统傍粪较 孛辩h s d p a 中戆f c s 技术遴幸亍动态镑冀磷 究，目的是探讨3 g 的进化版本中采用的新技术对系统性能的影响：首先验证了 f c s 对系统性能的提高；然后仿真比较了i n t r a - n o d e bf c s 与i n t e r - n o d e bf c s 嚣秘方案，接着摄窭了耩塞豹l i m i t e d - i n t e r - n o d e bf c s 方案势遴毒予了侍粪分掇； 最后，针对f c s 技术的燃能与数据包调度方寮的密切关系，提出了“考虑小区 塌度黧时豹小区选撵方案”势瞧进行了仿真搽讨。 【关键字】3 g 移动通售系统，w c d m a ，硬访换，敬甥换，蛞点选择分祭黄辕， 快速小区选择，静态仿真，动态仿真 a b s t r a c t w h e nam o b i l es t a t i o ni sm o v i n gf r o mt h ec o v e r a g ea r e ao fo n ec e l lt oa n o t h e r , t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h i sm o b i l es t a t i o na n dac e l li sh o p e dt ob ek e p t t h i s c a nb er e a l i z e db yh a n d o v e r , a p e r f e c th a n d o v e rs c h e m ei sn o to n l ya b l et oe n h a n c e t h ec o m m u n i c a t i o nq u a l i t yi na l lo v e r l a p p i n gc e l lc o v e r a g ea r e a , b u ta l s oi n c r e a s e s y s t e mc a p a c i t ya n d r a d i or e s o u r c e s u t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y i n p r e s e n t 3 gs y s t e m ，h a n d o v e r t e c h n o l o g i e s i n c l u d es o s o f t e r h a n d o v e r , i n t r a s y s t e mh a r dh a n d o v e ra n di n t e r - s y s t e mh a r dh a n d o v e r s o f th a n d o v e ri s m o s t w i d e l yu s e d t h em a i nt a s ko f t h i sp a p e ri st h er e s e a r c ho f h a n d o v e rt e c h n o l o g i e si n3 g f i r s to fa l l ，h a n d o v e rt e c h n o l o g i e su s e di n3 gs y s t e ma r ei n t r o d u c e di nt h e s e c o n dc h a p t e ro ft h i sp a p e r e s p e c i a l l y , t r a d i t i o n a ls o f th a n d o v e r , s s d ta n df c si n h s d p a ( t h ee v o l v e d v e r s i o no fw c d m a ) a r ee x p a t i a t e di nd e t a i l t h e n ，t w o s i m u l a t i o n m e t h o d s ，n a m e l y s a t i cs i m u l a t i o na n d d y n a m i cs i m u l a t i o n ，a r e r e c o m m e n d e di nt h et h i r dc h a p t e r b a s e do i lt h eb a c k g r o u n dk n o w l e d g er e f e r r e di nf o r e g o i n gt w oc h a p t e r s ，t h e r e s e a r c hw o r kc a r r i e db yt h ea u t h o ro f t h i sp a p e ri sp r e s e n t e d a i m i n ga ts o l v i n gt h ep r o b l e m t h a ts o f th a n d o v e rm a y r e s u l ti nt h ei n c r e a s eo f d o w n l i n ki n t e r f e r e n c ea n dt h ed e b a s e m e n to f s y s t e mr e s o u r c e s u t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y , i nt h ef o u r t hc h a p t e r ，t h es t u d yo fd o w n l i n ks o f th a n d o v e rs c h e m ei sm a d e a f t e r i n t r o d u c i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e l so ft r a d i t i o n a l s o f th a n d o v e r s s d ta n do t h e r t w om e n d i n gs c h e m e so b t a i n e df r o mr e f e r e n c e s ，t h r e ei m p r o v e m e n t sc o n c e i v e db y t h i sp a p e r sa u t h o ra r ep u tf o r w a r d t h ea u t h o ru s e ss t a t i cs i m u l a t i o nt oi n v e s t i g a t et h e p e r f o r m a n c eo f t h e s es c h e m e s t h eo t h e ri m p o r t a n tt a s ko ft h i sp a p e ri st on s ed y n a m i cs y s t e ms i m u l ，a t i o nt o s t u d yf c si n h s d p a t h ee f f e c t so ff c st oe n t i r es y s t e ma r ev a l i d a t e d ，s o m e i m p r o v e ds c h e m e so f f c sa r es u g g e s t e da n dt h e p e r f o r m a n c eo f t h e s es c h e m e si sa l s o s i m u l a t e d t h e s ec a nb ef o u n di nt h ef i f t hc h a p t e r k e y w o r d s 3 g m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，w c d m a ，h a r dh a n d o v e r ，s o f th a n d o v e r s s d t ( s i t es e l e c t i o nd i v e r s i t yt r a n s m i t ) ，f c s ( f a s tc e l l s e l e c t i o n ) s a t i cs i m u l a t i o n ，d y n a n a i cs i m u l a t i o n 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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的地方 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 得东南大学或其它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。 签名：益盔盎日期：地曼五 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所 送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致除在保密 期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论 文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院 办理。 签名：盘参馥导师签名 强啦啉鲻牡 第一章绪论 信息化是当今燃界发展的重臻主题。进入9 0 年代，全球的信息战已经拉开 了序幕，拥有了信息资源开发和网络应用的优势，也就掌握了主动权。信息化， 茏荚蹩绩怠蘩磴设藏懿建设，已藏为各滔综合强力豹象征。 作为信息产业支柱之一的移动通信产业，从2 0 世纪7 0 年代开始进入了蓬勃 发展的阶段。7 0 年代末到8 0 年代中期，采用f d m a 无线接入方式以及模拟制 式熬第一霞移动通僚系统褥到了茯速发震，瞧频谱羧率祗、容量小、溺叛予抗大、 保密性差等问题使其很快就被9 0 年代摊出的第二代移动通信系统所取代。大家 所熟知的g s m 、i s ，9 5 和i s - 1 3 6 等都属于第二代系统，都采用了有蒋很大优势的 数字俄处理方式，纛线接入方式胃疆采麓t d m a ( 如g s m ) 或c d m a ( 如l s 9 5 ) 。 与f d m a 模揪蜂窝系统相比，第二代系统有根多优势：频谱效率赢，系统容量 大，保密性能好，话音质量高等等。但魁，第二代系统只能提供话街和低速率数 据莹务，丽奁信怠时代，强像、话音和数箍相结合的多媒体渡务霸商速率数据监 务的业务量将会大大增加，丽且，即便仅仅是移动电话用户数的增长，也会超过 第二代系统的容量。另外，第二代系统烈能实现区域内制式的统一，而并不能实 现真芷意义盼全球覆盖。为了寻求频谱利用率疑高、通信容麓更大、能在全球范 围内更好地实现无缝漫游以及为用户提供多媒体业务的移动通信系统，第三代移 幼通信系统( 简称3 f i ) 的研究和发展成为电信领域的一个新的研究热点问题。 l 。l3 g 系统简介 3 g 系统最翠子1 9 8 5 年由总部设在誉肉瓦静联合溺标难纯组织国际电信 联盟( i t u ) 提出，当时称为未来公共隧她移动通信系统( f p l m t s ) ，1 9 9 6 年 更名为国际移动通储2 0 0 0 系统( i m t 一2 0 0 0 ) ，意即该系统工作于2 0 0 0 m h z 频 段，藤定2 0 0 0 年左右开始商用。i m t - - 2 0 0 0 支持的潮络被称为第三代移动通信 网络，豌称戈3 g 。 1 1 13 g 系统的主援特点 第一章绪论 与前两代移动通信系统相比，3 g 系统的主要特点可概括为 1 全球普及和全球无缝漫游的系统：第二代系统一般为区域或国家标准， 而3 g 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 r n e t 业务：现有的移动通 信系统主要以提供话音业务为主，即使改进一般也仅提供1 0 0 k b i t s 2 0 0 k b i t 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 i t s 。而3 g 系统的业务能力 将有明显改进，它应能支持从话音到分组数据到多媒体业务，并能支持固定和可 变速率的传输以及按需分配带宽等功能。i t u 规定的3 g 系统无线传输技术的最 低要求中，必须满足下面三种速率要求：在高速运动情况下( 如汽车上) 提供 1 4 4 k b i f f s 速率的多媒体业务，在低速运动情况下( 如步行时) 提供3 8 4 k b i f f s 速 率的多媒体业务，在室内固定情况下提供2 m b i t s 速率的多媒体业务。 3 便于过渡和演进：由于3 g 引入时，2 g 网络已具有相当规模，所以3 g 的网络定要能在2 g 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：高于现有移动系统两倍的频谱效率。 5 高服务质量：通信质量与固定网络的服务质量相当。 6 高保密性。 1 1 2 3 g 系统的网络结构 3 g 系统的网络结构如图1 1 所示： 匝 卫 u 【m m t 接口 ( 删) 回 曰 圜2 0 0 0 家 季u 线n 接i ) 口 擀叫删口 ( 接口 州州。坎h 图1 13 g 系统的网络及接口示意图 畚毒大学鹾士论文 3 g 系统分为终端傩和网络侧。终端侧包括用户识别模块( u i m ) 郡移动终 端( m t ) ，网络侧设备分为两个网：无线接入网( r a n ) 和核心网( c n ) 。于是 这凡个窑俸簸形成了凡个羧墨： 1 )i m t - 2 0 0 0 家族成员之间互邋的网络网络接口( n n i ) ：这是傈设 网络互通和移幼台漫游的关键接口。 2 )蠢线接入阚( 鼬蕊) 与核，洛两( c n ) 之澜酶接嗣：r a n c n 。 3 ) 用户与网络之间的接口u n i ( 无线接口) ：这是3 g 系统最重要的接 阴，体现了3 g 系统最显著的特征。无线接口使用无线传输技术( r t t ) 将 潮户设餐接入翻系统舱霾定麓络部分。下文所奔绍豹3 g 系统静冗个标准， 它们的主要区别就在无线接口中的无线传输技术上。 4 )用户识别模块( u i m ) 和移动台( m t ) 之间的接口u i m - m t 。 1 1 33 g 系统的标准纯i 作 3 g 系统的标准化工终主要是对无线传输羧零( 糊灌) 方案酌标准化。隧际龟 联i t u 自1 9 9 7 年7 月开始征集3 g 无线传输技术方繁，截止到1 9 9 8 年6 月3 0 日，提交到1 1 u 的r t t 技术共有1 6 种，其中肖1 0 种是地面r t t 。在这1 0 种提 案中，有8 耱为c d m a 技术，这表萌宽带c d m a 技术是3 g 系统酌主要技术。 袭经过释绥煞技术评 鑫、疆究努毫蓐帮大量瓣瓷漶凝融合王终之后，2 0 0 0 年5 月，i t u 批准并通过了3 g 的无线接口技术规范建议，列入规范建议的有c d m a 和t d m a 两大类共5 种技术，其中的主流为以下三种： i m t - 2 0 0 0c d m a - - d s ，都w c d m a ：农宽达5 m h z 的频带内对信号进行 巍接扩频。主要关键技术建立在窄带c d m a 熬础之上，僵蠢了送步黢改进。 w c d m a 可以有f d d 和t d d 两种实现方案。 i m t - 2 0 0 0c d m a - - m c ，即e d m a 2 0 0 0 ：由多个1 2 5 m h z 的窄带直接扩频 系统缝藏静宽带c d m a 系统。愁嗣了i s 一弱鹣主要技术鞫萋本技术愚黯，餐氇 做了些实质性的改进。 i m t - 2 0 0 0c d m a t d d ：目前包括t d ，s c d m a ( f t t 中国提出) 和u t r a t d d 。 一 第一章绪论 1 2 3 g 系统中的切换技术简介 在移动通信系统中，无线资源管理( r r m ) 起着非常重要的作用，它主要负 责对系统可以使用的所有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。无线资源管理主要包括切换、功率控制、接 纳控制、负载均衡以及数据包调度等内容。 在移动通信系统中，当处于连接状态的移动台从一个小区移动到另一个小区 时，为了使通信不中断，通信网控制系统通常会启动切换过程( 将与原服务小区 的连接释放，并与新的服务小区产生连接) 来保证移动台的业务传输。切换过程 是蜂窝移动通信系统最重要的过程之一，它不仅影响着小区边界处的呼叫服务质 量，还与网络的负载情况有着紧密的联系，也就是说，还与无线资源的使用情况 有着密切的联系。如果切换过程进行得不好的话，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。 在3 g 系统中，引入了微小区结构来增加系统容量，这时，小区覆盖面积小， 从而切换的发生率比较高，这就更加需要有一个好的切换技术来保证系统的性 能。由于切换是属于无线资源管理范畴，所以，衡量一个切换技术是否好，不仅 要看它对小区边界处的通信质量提高了多少，还要看它对系统容量的影n i n o n 对系 统资源的利用率。 在目前的3 g 系统中，采用的切换技术主要有以下几种： 1 ) 频率内切换：这是指软切换和更软切换。软切换的特点是“先建立，后 断开”，也就是说，移动台在离开其服务小区( 主小区) 之前，就已经与它可能 到达的小区建立了联系，所以切换具有健壮性。另外，软切换带来的宏分集增益 可以明显提高处于小区边缘的移动台的链路通信质量。因此，软切换是3 g 系统 中应用最为广泛的切换技术。随着小区扇区化以提高系统容量的方案逐渐得到采 纳，更软切换也得到了运用。更软切换和软切换的区别是：在软切换中，移动台 在切换过程中与属于不同小区的多个扇区产生连接，而在更软切换中，移动台在 切换过程中与同一小区的具有相同频率的多个扇区产生连接。 2 ) 系统内的硬切换：在一个3 g 系统内，如果两个小区的载波频率不同， 或者两小区指配的业务信道的帧偏置不同，它们之间的切换必须采用硬切换，即 “先断开，后建立”。 寒枣夫擎灏圭论文 3 ) 系统闯的磺切换：这主豢寿3 g 的不阏铡式絮统之阕的切换以及3 g 系 统到其它系统( 如2 g 或模拟系统) 之间的切换。这也必须先中断原来的链路， 所以必须采弼硬切羧。 在上耍撼到的三耱切换中，裘统内或系统阕硬切换多出覆盖、受载、业务等 引起，而由于移动台移动造成的越区切换大多采用软切换。 虽然软弱换技术在3 g 系统中有着广泛的巍用，德它对系统下行性能的影响 却有若嚣霭性：一方覆，软甥换的宏分爨增益霹默提鼹下毒亍链路性缝，另一方嚣， 却造成了系统下行总干扰的增加和资源利用率的降低。为此，出现了一些软切换 的改麓方案，如在软切换模式下可选择使用静s s d t 技术等。另乡 ，在w c d m a 向3 5 g 进化对的个版本h s d p a 中，采用f c s 技术技替软切换寒实瑷切换功 能。 1 3 论文麴工榫篱介 零文主簧是对3 0 系统中静切换技零进程磺究。 第二章魁3 g 系统中已采用的各种切换技术进彳亍了介绍，其中对于硬切换( 主 薅是“频率间切换”) 的介绍较为简单，主要笔墨放在软切换及其改进的软切换 技术s s d t 之上，这是弱为软切羧及其敬迸方案豹往艇研究是本文的一个重点。 另外，本文的硬究不局限予3 g 系统，逐考虑了3 g 系统的滋化版本，所以在第 二章中还详细介绍了w c d m a 的进化版本h s d p a 中的f c s 技术。 第三章主要是辩本文中采用的两种系统仿真方法：静态仿真和渤态待真进彳亍 了麓攀的食缨，为下文鳆饶真磺究饿好准备。 第二章和第三章主要鼹对一魑基础知识的介绍，在此基础之上，第四章和第 五章主要体域了本文作者的研究工作。 第器章怒镑对“款甥挨会造成系统下行总予撬的壤翅裁畚统炎濂剥熙搴救降 低”这个问题，对软切换及其改进方案进行静态仿真和性能比较。首先是对传统 软切换、s s d t 醴及文献中给出的介于前两者之问的折衷方窳的数学模室进行了 撼逑并建m a t l a b 进行了静态弦鬓，魄较了它翻对系统下褥慧于撬瞧就是对下行 容量的影响；然后，文中提出了另外三种软切抉改进方案，也即“针对不同业务 采用不同软切换机制”、“可变门限的软切换方案”和“考虑移动台位置的软切换 6第一章绪论 方案”，阕述了它爨趣思棼，荠邋过静态接奏磁究戆途径，垮它们与黄绫较甥捩 相比，看它们对下行系统总干扰的影响以及对系统资源的刹用情况。 第五章魑对h s d p a 中的f c s 技术的动态仿真研究。对f c s 技术的仿真研 究是客素大学移动逶嬉霆家蘩点实验室与牮鸯技术窘疆公司靛合俸顼爨 “w c d m a h s d p a 系统仿真分析”的一个部分，本文作者谯项目中对f c s 基本 性能j 行了仿真验滋之后，运用建立的h s d p a 仿真綦本平台对f c s 又馓了一些 深入磷究：爨奏毙较了t n t - m - n o d e bf c s 与i n t e r - n o d e bf c s 瑟秘方案豹往畿， 接着撼出了折衷的l i m i t e d i n t e r - n o d e bf c s 方案并进行了仿真分析；针对f c s 技术的性能与数据包调度方案的密切关系，提出了“考虑小区调度延时的小区选 释方案”著魄进嚣了谤囊探讨。 第六章菌先对龛文工作进彳亍了简要的总结，然后对3 g 系统的切换技术中值 得继续研究的问题做了一然探讨。 第二章3 g 系统中采用的切换技术介绍 切换是移动蜂窝通信系统中必不可少的一种行为，因为移动会造成链路质量 帮干扰级别的动态变纯，有时需要移动会改变它的服务夺嚣，以保证在移动过程 中保持与网络的持续连接。一般情况下，切换可以分为以下三个步骤：无线测量、 网络判决和切换执行。 程无线鞭i 量除黢，移动台不繇键覆索零，j 、送和燕溪枣毯蒸蛞蓿号的强度和信 噪比( 当然此时基站也不断地测量移动螽的信号) ，在某些预设的条件下将测量 结果汇报给相应的刚络单元，网络单元此时进入网络判决阶段。在执行相应的切 涣算法并确谈銎标小嚣霹黻提供嚣蓄正在骚务豹用户泣务瑶，开始进灭稳换撬行 阶段，移动台进入特定的切换状态，开始接收或发送与新基站对应的信号。 根据切换发生时移动台与原小区和目标小区连接的不同，切换主要分为硬切 换秘软切换，它镪的区剔在于：硬切换楚“先断开，匿建立”，两软切换是“先 建立，后断开”。图2 1 是一个软切换过程和个硬切换过程的示例，明晟地表 观出两者的不同： 软切换 图2 褥种切换类型 硬切换 8 第二章3 g 系统中采用的切换技术介绍 在3 g 系统中，主要采用的切换技术分为：软切换和更软切换、系统内硬切 换以及系统间硬切换。在这些切换技术中，软切换是用得最多的一种，它和快速 功率控制一样，是采用d s c d m a 的3 g 系统的关键技术之一。为了进一步提高 3 g 系统下行方向上的容量，3 g p p 的协议中对软切换做了进一步的改进，那就是： 在软切换模式下可选择使用的s s d t 技术。另外，在w c d m a 向3 5 g 进化过程 中的一个版本h s d p a 中，采用f c s 代替软切换来实现切换功能，以适应h s d p a 的下行峰值速率最高能达到8 1 0 m b i t s 的要求。本章对3 g 系统中已采用的这 些切换技术做较为详细的介绍。 2 1 硬切换技术 硬切换的特点是通信链路的中断。在这种切换中，任一时刻只有一个业务信 道被激活，一般情况下，移动台先中断与原服务小区的连接，再与新的小区建立 连接，即“先断开，后建立”。硬切换的这种机制使得切换不够健壮，会出现“掉 话”的可能。因此，在3 g 系统中，由移动台正常移动引起的频率内切换多采用 软切换或更软切换，而硬切换多用于由于覆盖、负载、业务等引起的频率间切换、 系统间切换等。 2 1 13 g 系统内的硬切换 在一个3 g 系统内，硬切换的发生主要是以下几种情况： ( 1 ) 从一个载波切换到另一个载波( 即频率间切换) 。 ( 2 ) 切换前后的信道被分配了不同的帧偏移。 ( 3 ) 切换前后的激活组中没有公共导频。 其中，比较典型的是频率间切换，下面就以w c d m a 中的频率间切换作为 例子加以说明。 2 1 1 1w c d m a 系统中的频率间切换 大多数w c d m a 运营商有2 3 个可用的f d d 载波，运营商可使用一个频 率开始运营，第二和第三个频率需要用来对付随后容量的增加。几个频率可以通 过两种不同的方法使用，如图2 2 所示：第一种方法是，对于高容量的站点，在 同一个站点可使用几个频率；第二种方法是，不同区域使用不同的、单一的载波， 东南丈攀矮士论文9 露：宏小区鼷与微小区层镬鼹不强豹额率。 图2 2w c d m a 系统中的多载波使用情况 频率问切换在w c d m a 系统内通常是用予载频间和小区层问平衡负载，或 由于覆盖的原因需要从微小区频率切换剽宏小区频率。在切换过程中，移动台必 须先中凝与藩小区豹联系，调谐劐颓豹簇率上，霉与藏，l 、遂取得联系。 w c d m a 系统的频率阀切换骞一个薅要格外注意鲍地方：在w c d m a 系统 中，频率间切换也怒通过穆动台的测量来完成的，而由于w c d m a 采用连续的 发送与接收方式，如果信号没有闷隙产缴，刚移动台不能够用一个接收机进行频 率闻测量( 对于下嚣谈到懿系统阙测量逊是这襻) 。麓照，频率耀秘系绞滔的测 匾均需要采用压缩模式。 2 1 1 2 压缩模式 压缩模式通常也明做时隙化模式，该模式中的发送和接收会有短暂几个毫秒 缝阗叛( 称为传羧瓣疆长度l ) ，这个短对溺用寒逡雩亍瓣其它频率静测量， 如图2 3 所示。其目的不怒减少数据，而是将数据在时域上进行联缩。 第二章3 g 系统中采用的切换技术介绍 图2 3 压缩模式 帧压缩可以有三种不同的方法实现： 当高层知道移动终端开始使用压缩模式时，降低从高层传下来的数据率。 通过改变扩频因子来提高数据速率。例如，用扩频因子6 4 来代替扩频因 子1 2 8 ，那么，虽然一帧中所传的数据量不变，但所需的传输时间却降低为原来 的一半，这就直接达到了帧压缩的目的。 通过在物理层的复用过程中的打孔来降低符号速率。 规定的t g l 长度有3 、4 、7 、l o 和1 4 个时隙。长度为3 、4 和7 个时隙的 t g l 可以通过单帧或双帧方式实现，比如在图2 3 中，就是一个单帧实现的例子。 而t g l 为1 0 和1 4 个时隙时，只能用双帧方式实现，图2 4 给出了一个双帧方 式的例子，其中空闲时隙处于两帧之间，这样在单帧时间内造成的影响就可最小 化。 图2 4双帧方法实现压缩模式 东南大学颧士论冀= 1 1 在压绩模式室阙瓣豫裳耀，恢速凌羧不经曩，郝分交织增羹褥会按失。嚣 此，在压缩帧期间接收信号需要更高的e t , n o ( 局是接收机输入端每比特的能量， 且甄= s r ，其中，s 是接收信号功率，r 是数据率：n o 是信号必须克服的干扰 噪声密发) 篷，从露导致系统骞爨的降低。为了减少对窖量熬浪费，压缀模式仅 在需要执行频率间或系统间切换时才激活。典犁的频率间切换过程如下： ( i ) 频率问切换触发器在r n c 实现，例如：r n c 发现高容最小匮过载， 打算将箕串豹一些移溯台切捩至邻近的低容量，j 、区，瑟切换蓠焉斡小 区载波不同，就蠢要扁动压缡模式。 ( 2 ) r n c 命令移动台用压缩模式开始频率间的测量。 ( 3 ) r n c 根据移动台的测蹙选择目标小区。 ( 4 ) r n c 给移动台发切换命令。 2 1 。2 系统阙的疆韬换 这主要鸯3 g 鹣不圈制式系统之阕豹甥换黻及3 g 系统劐其它系统( 魏2 g 或 模拟系统) 之间的切换。发生这种切换的原因通常是覆盖、负载和业务的需要。 以w c d m a 和g s m 系统之间的切换为例，w c d m a 和g s m 标准支持这两个 系统之润嚣令方囊瓣凌换，这些甥换蔽经嗣怒为了覆蘸或受载平餐的黎函。瓷 w c d m a 配餐的初期，有必要能切换到g s m 系统以掇供连续的覆靛，而从g s m 切换到w c d m a 可用来减少g s m 小区的负载，这一情况如图2 5 所示。 图2 5 在g s m 和w c d d a 之间的系统间切换 1 2 第二章3 1 3 系统中采用的切换技术介绍 系统间切换的切换过程与频率间切换类似，而且，也需要同样方式的压缩模 式测量。 2 2 软切换技术 在3 g 系统中，频率内切换采用软切换和更软切换技术。更软切换时，移动 台位于同一个小区内两个相邻扇区的覆盖重叠区域，移动台与这两个扇区都各有 一条空中接口信道；在软切换时，移动台位于属于不同小区的两个扇区覆盖面的 重叠部分，移动台和这两个小区各有一条空中接口信道。在下行链路上，从移动 台的角度来看，软切换和更软切换的差别是很小的，都是接收来自两个空中接口 信道的信号，然后用r a k e 接收机对这两个信号进行最大比合并。但是，在上行 链路上软切换和更软切换的差别较大：在更软切换中，小区中的基站接收每个扇 区中移动台的码分信道，然后引入到同一基带& _ k e 接收机并进行通常的最大比 合并：而在发生软切换的时候，两个小区中的基站同时接收移动台的码分信道， 但接收到的数据被发送到r n c 进行选择性合并，也即在r n c 中使用提供给外环 功率控制的帧可靠性指示器在这两个候选帧中选择较好的帧。 在本节的内容中，主要讨论3 g 系统中的软切换技术。 2 2 1 3 g 系统采用软切换技术的原因 在采用f d m a 或t d m a 的系统中，相邻小区采用不同的频率，所以小区之 间的切换只能采用硬切换，而在c d m a 系统中，相邻小区采用相同的频率，这 就使得软切换的使用成为可能。 上面谈到的只是3 1 3 系统采用软切换的可能性，另外，与传统的硬切换相比， 软切换的使用还有必要性的存在，这主要包括： 1 ) 功率控制与软切换密切相关。众所周知，功率控制是c d m a 系统的关键 技术之一，极大地提高了系统性能和通信质量。而在c d m a 系统中，当 最初的信道和新的信道占用相同的频段时，功率控制的使用离不开软切 换。为了使功率控制能正常工作，移动台必须始终与它接收到信号最强 的那个基站保持连接。如果不能满足这一点，就必然会产生一个正向功 率控制反馈环路，从而使系统出现问题。软切换能保证移动台始终与它 衷鬻大学鹾谂冀1 3 接收到信号摄强的那个基站保持连接，恧硬切换不能保涯这一点。 2 ) 如同快速功率控制一样，软切换也是系统中消除上行干扰的有效工具。 当移幼台从一个小区进入邻近的小区时，如槊采用的是硬切换，由于硬 甥换静羧行会存一些廷遮，移臻套不裁及霹遮褥至l 赣夺区戆功率控制， 从而发射功率不断增大，这就会导致“远近效应”，也即该移动台对新小 区中的其它用户造成非常大的干抗。而采用软切换厢，早在到达小区边 界之翦，移滋台就与稳邻小嚣建立了联系，箨么，功率控剿熬投力裁胃 以在遮多个小区之间进行快速的转移，有效蛾防止了“远近效应”的发 生。 2 ，2 。23 g 系统中较镯换静执行穷寨 馕缮注意豹是，软弱挨静羧纷遂鬟与功率控刳蹩紧密骚系豹。 上行软切换的选择性含弗和快速闭环功控是这样进行的：由移动台发来的信 号被激活组中所有小区的蒸站接收到后进行解调，解调一帧数据后，各基站将该 数据鞍铸葶圭r n c ，r n c 觚这些数据获中选择爨爵魏一令莠将萁遘一步穗送。程 上述的选择性合并的过程中，那些数据帧都得到检错，只有当它们全都是镄误时， 才判寇该移动台的这个数据帧的传输出错。r n c 对谈帧率进行估计并在外环功 控中擞攥结诗遗豹谈犊率调整鑫自? 。静蕊。淫熬磊静檬粥。篷被传送 绘激活组中的所有小区，此后，这必小区就在内环快速功控中根据这个 佤 钞。值向该移动台发出调整发射功率的上行功控命令：激活组中的每个 小区溺璧鼠该移动仓发来静信号豹接裁e b n o 馇，并将其与蹴，。避行跷 较。如果测德的e t n o 小于盘西桫，小区囱该移动台发嫩“增大发射功率” 的上行功控信令，否则，小区发出“降低发射功率”的信令。当移动台从激活组 中静不葡小嚣接毂劐这些上行功控信令之后，鼓有当掰有小嚣都要求“增大发射 功率”时，移动台才会将它鲍发射功率增鸯i ：i a d b 。两只要窍一个小区发寒的功 控信令是一个可靠接收的“降低发射功举”的信令，则移动臼把它的发射功率降 鑫a d b 。所阻，在场控理想豹漕况下，移动螽静发射功率总是被矮量最好的上 行链路所控制。 在下行方向上，软切换和相威的下行功控的执行过程是这样的：激活组中的 所有小区同时向移动台发送信号，这鳖佰号在移动台处用最大眈合并遥行相加， 4 第二章3 g 系统中采糟静切换技术介缓 下行功控调整激活缌中各小区的发魁功率以搜褥最大跑合并蜃粒e j n o 壤达到掰 需的( e d n o ) 。需要注意的是，目前的标准软切换方案中，在理想情况下， 解决了下行链路的功率漂移问题后，激活组中各小区以相同功率向移动台进行发 送。 2 2 。3 软切换昀各j 盼算法 这里的软切换算法指的是软切换中激活组的确定算法。在软切换过稷中，移 动台不断地搜索并测量本小区和周围所有小区导频信号的强度或助锄，然后将 溅量终桑摄畿绘摇疲戆瓣终单元( 翔r n e ) ，惩络擎元魏毒亍这里戆软甥换算法， 从而确定新的激活组并决定是否切换。 在软切换算法的说明过程中，要用到以下几个术语： 激活缀：激活组中麴，j 、鏊形成了与移劫台之阕翡较讶换连接。 候选缓：饺选组是霹翦逐没有用在软甥换连接中的小区集合，徨这些小 区导频信号的强度溅e j n o 值已缀足够强到可以加入激活组的程度。在w c d m a 软切换算法牵没有采用候选缀豹概念。 耱舔缀鏊溅组：当兹甄不在激活缀串，遣不在穰途组中，僵校据菜耱 算法被认为很快可以进入候选组的小区集会。移动台对于列在该组厘的小医要遣 续搜索和测量，但是在测量的时间里，导频信芍的强度还没有强到可以增加到激 活缓璧。 较甥换舅法露予冀怪耱懿影响是嚣器丈熬，嚣爻不合逶翡谚换会造成赠络资 源的浪费，而且还肖可能降低系统性能。下面对i s 9 5 和w c d m a 的软切换算 法进行简单攒述和比较，从中可以发现软切换算法的不断改进。 2 。2 3 ，1 i s - 9 5 a 的软切换算法 i s 。9 5 a 软密换翼法熬过程胃零爨免强2 ，6 ： 东膏大学醺士论文 导频 强度 ta d d td r o p l ? 7 、 l 、。一 囤2 61 $ - 9 5 a 的较切换算法 圈中： l 导颟强凌超过l a d d ，移动禽发送器颓强寝溺蛰信息，丽时将诧导颓 穆入候选组。 2 基站发送切换指示信息，指示移动螽可以受瓤激活组。 3 移动台将该导频移入激活组，并发送切换究成消息给基站。 4 导频强度低于t _ d r o p ，移动台开扁切换撇消计时器。 5 切换撤消计时器超时，移动台发送导频强度测量信息。 6 基蛞发送诱换指示信怠。 卜移渤金将犍导毅轶激溪缝中移裂援邻缀中，阑戆发送键按完成港惑绘 基站。 i s 。9 5 a 软切换算法的门限值是一个阐定的接收导频的e j n o 值这样的算法 碰戮的闯题麓；在夺区中有些位鬣仅接收翻弱的导颓信号 b e s tp i l o te g 。- - r e p o r t i n g _ r a n g e + h y s t e r e s i se v e n t l a 。 而且激活组米满，粥可将该小区加入激活组。这个枣俘称 乍希俘i a 或蠢 钱链胳加入。 一懿采激活瞧孛菜毒酝在羊潜阂凌操持 p i l o t _ e 坝o w o r s to l d _ p i l o te d t o + h y s t e r e s i s _ e v e n t l c ， 掰激浠缎中最差酾小区被稆邻缀中蔽强的小聪( 也即监测组中最强的小 涯) 掰替换。该霉襻称髂警伟l e 或联念无线链路葫入去豫。 东南大学硕士论文i 9 在上述算法描述中用到的参数解释如下： b e s tp i l o te 川o ：激涵组中最强小区的导频测屋值， w o r s to l dp i l o te 。m ：激涟缨中最差小区的导频测量值， b e s tc a n d i d a t ep i l o t1 3 , l 。：监测缝中最强小区的导频测量瞧， p i l o t e 撰o ：测量并经滤波矗的导频溅量馕。 另矫逐需注意豹楚，躅2 8 的铡子中，设疑激活缝中允许鹣最多小区个数为 两个。 从以上对w c d m a 软切换算法的描述可以看到，w c d m a 的切换过程与 i s 。9 5 a 软切换过程最大的区别是采用的门限方式不同，i s 9 5 a 采用的是绝对门 限，而w c d m a 采用的愚相对门限，即在不闷的小区或不同的噪声环境中，加 入或去除激活组中的小区的门限是与当时激活组中的最好导频强度和最差导频 强度樱关的，藤不是事先觏定好的。如果当时激活组里导频信号强度锻强，其它 导频要烟入激溪缝的门限瞧相对提高，露翔果当时激滋组挺导频僖号强度缀弱， 激活缀墨酌柽个导焱要移出激瀵维懿门隈也楣对降低。 w c d m a 的切换过稔与i s 9 5 b 较韬换薄法虽然都采搿了动态f j 黻，僭 w c d m a 系统在计算动态门限的时候，狠鞠显增加了激活组翼最强导频的权莺， 而在i s 9 5 b 系统中，动态门限的计算烫多她体现了激活组羼导频的总能量水平。 另外，在w c d m a 的软切换算法中，无论是无线链路加入、去除或加入 去除，都引入了触发时间和滞蜃门限，这些量的设置都有效地避免了不必要的切 换，衣嫖诞系统性能的基破上，减少了切换开销，节省了系绞瓷源，甚至还毒可 能提高系统性能，楚对l s 。9 5 熬软切换算法匏逛大改进。 2 2 4 软切换的雠能 软切换本蹙是一个比较有争议的c d m a 特征，一方面，软切换谯两个基站 覆盖区鲍交爨处熬到了业务信暹的分纂l 乍爆，确实会势来燹好的话音成基郄减少 卣坊潦造残的摔话，并量献菜种程度主增凝了容量，毽另一方强，它鸯子溺对占 用多个信道资源丽增加了设备投资和系统开销，并且遥会增黼下行系统干抗，有 可能辩系统性能造成一些不和的影响。 另外，软切换算法中锫个系统参数的设置对其性能的影晌也怒很大的。 第二章3 g 系统中采用的切换技术介绍 2 2 4 1 软切换的开销 为了满足软切换连接的需要，系统必须提供以下的额外资源，这些资源在规 划期间是必须考虑的： 基站处的额外r a k e 接收机信道单元。 基站与r n c 之间额外的传输链路。 移动台处的额外r a k e 解调器。 2 2 4 2 软切换的上行性能 c d m a 系统中采用软切换技术的初衷就是为了改善通信系统上行链路的性 能和增加上行容量的，无论是分析和仿真，结果都表明，与硬切换相比，软切换 可以明显提高上行链路的覆盖率和增加上行容量。 软切换对于上行覆盖的增益主要体现在它可以有效降低为得到特定的边界 覆盖率而需的慢衰落余量，这是因为基站间的慢衰落是部分不相关的，上行软切 换机制使得移动台可以选择激活组中最好的基站进行通信。在参考文献3 中，分 析结果表明，在移动台最大发射功率一定的情况下，软切换使得上行小区面积增 加3 或4 d b ，或者说小区数目及相应的基站数目降低了2 或2 5 倍。 软切换对于上行容量的增益主要来自于它对抗快衰落的增益，并且与快速闭 环功控紧密相关：由于采用逐帧的快速选择性合并以及上行软切换下特殊的功控 方法，移动台为了满足一定的通信质量所需的圆册w 。降低，如果将这样的 链路级仿真数据用于网络规划，就可使得移动台所需的平均发射和接收功率都有 所降低，所以减少了上行干扰，增加了上行容量。在参考文献3 中的分析结果以 及参考文献4 中的仿真结果表明，软切换与上行快速功控的结合使得反向链路容 量变为原来的2 倍多。 上行软切换的增益是确定的，唯一的缺点是，上行软切换需要在基站和r n c 之间有额外的通信量。 2 2 4 3 软切换的下行性能 虽然在上行链路上，软切换总是能导致较好的性能，但在下行链路上