（通信与信息系统专业论文）wcdma系统中软切换技术的研究.pdf

摘要 摘要 软切换是w c d m a 系统的关键技术之一，也是无线资源管理与优化的重点。软切换算法和相关参 数的设置直接影响着系统的容量和服务质量。论文按照原理介绍、系统仿真、理论分析的顺序从不同 方面研究w c d m a 系统中的软切换技术。 首先，在概述w c d m a 系统的无线资源管理功能和切换技术的基础上，论文详细介绍了w c d m a 系统中的软切换过程，并比较了w c d m a 、i s 9 5 a 和c d m a 2 0 0 0 系统的软切换策略。 然后，论文采用系统仿真的方法针对四种软切换算法分析软切换参数对切换性能的影响。在简单 的软切换算法中，增大软切换门限将增加用户移动过程中系统的平均专用信道开销和基站的连接概率， 并且系统的平均信令开销在软切换门限值为9 d b 左右时达到最大值。在传统的软切换算法中，宏分集 门限决定了软切换区域的大小，滞后参数和触发时间可以尽量避免乒乓效应和快衰落的影响，激活集 容量限制了激活集小区的数目，这些软切换参数均影响着系统开销和服务质量。论文还讨论了两种改 进的软切换算法。引入参数w 来改善切换性能，参数w 取值0 , 2 可以提高服务质量，取值2 可以降 低系统开销。另外，采用位置信息来辅助进行软切换，可以节省系统资源。 接下来，论文讨论了软切换过程中的闭环功率控制技术。移动台对来自激活集小区的功控指令进 行可靠性检测和合并处理。网络侧通过调整环功率控制和降低功控频率的方法控制功率漂移，选用站 点选择分集发射技术降低软切换中下行链路的干扰。 最后，论文从理论分析的角度研究了软切换对系统容量的影响。一方面，软切换可以扩展小区的 覆盖范围，增加上行链路的容量；另一方面，软切换会增大下行链路的干扰损耗，当宏分集增益不足 以补偿干扰损耗时，下行链路的容量将下降。 关键词：软切换w c d m a 系统无线资源管理功率控制容量 a b s t r a ( ；r a b s t r a c t s o f th a n d o v e ri so r eo ft h ek e yt e c h n i q u e si nw c d m a s y s t e m ni st h ee m p h a s i so fr a d i or e s o u r c e m a n a g e m e n t ( r r m ) a n do p t i m i z a t i o n t h es o f th a n d o v e ra l g o r i t h ma n dc o r r e l a t i v ep a r a m e t e r ss e t t i n gh a v e a l li m m e d i a t ee f f e c to nt h es y s t e mc a p a c 蚵a n dq u a l i t yo f s e r v i c e f i r s t l y , r r i v ia n dh a n d o v e rt e c h n o l o g yi nw c d i v l as y s t e ma r es u m m a r i z g d ap a r t i c u l a rd e s c r i p t i o no f t h es o rh a n d o v e rp r o c e d u r ei nw c d m a s y s t e mi sg i v e n t h es o f ch a n d o v e ra l g o r i t h m si nd i f i e r e n tc d m a b a s e ds y s t e m s , i n c l u d i n gw d m a 。i s - 9 5 aa n dc d m a 2 0 0 0 , a r ec o m p a r e d t h e nf o u rs o rh a n d o v e ra l g o r i t h m sa r ei n v e s t i g a t e db a s e do nas i m u l a d o ns y s t e m i nt h es i m p l e a l g o d t h m ，t h ea v e r a g ed e d i c a t e dc h a n n e lo v e r h e a da n db a s es t a t i o nc o n n e c t i o np r o b a b i l i t yi n c r e a s ea l o n g w i t ht h ea u g m e n to f s o f th a n d o v e rt h r e s h o l d ，a n dm o r e o v e bt h ea v e r a g es i g n a i f m go v e r h e a di sm a x i m a lw h e n t h es o f th a n d o v e rt h r e s h o l de q u a l s9 d ba p p r o x i m a t i v e l y i nt h ec o n v e n f i o n a la l g o r i t h m ，r e p o r t i n gr a n g e d e t e r m i n e st h es o f th a n d o v e rr e g i o n , h y s t e r e s i sp a r a m e t e ra n d 埘g g e rt i m er e d u c et h e “p i n g - p o n g e f f e c ta n d f a s t f a d i n g m a x i m u ms i z eo f a c t i v es e t r e s t r i c t s t h e a c t i v es i f t n u m b e r ，a n da l l t h e p a r a m e t e r sa b o v ea f f e c t t h e s y s t e mp e r f o r m a n c e t w oe n h a n c e da l g o d t h m sa r ei n v e s t i g a t e do nt h eb a s i so ft h ec o n v e n t i o n a la l g o f i t h m p a r a m e t e rw i si n u o d u c e dt oi m p r o v et h eh a n d o v e rp e r f o r m a n c e s i f t h ep a r a m e t e rwi ss e tt oo 2 t h eq u a i l t y o fs e r v i c e i s t h e b e s t i f t h e p a r a m e t e r w i ss e t t o2 ，t h es y s t e mo v e r h e a d sa f e t h e l e a s t f u r t h e r m o r e ，w i t h t h e h e l po f p o s i t i o bi n f o r m a t l o n t 1 1 es t s t e mo v e r h e a d sc 龇a l s ob er e d u c e d n l ei n n e rl o o pp o w e rc o n t r o ls _ 1 a - a t e g l e sf o rs o f th e n d o v e ra r es t u d i e da f t e r w a r d s t h et i b e re q u i p m e n t ( u e ) d e t e c t st h em l i a b i l i t yo f l a a n s m i tp o w e rc o n 仃o l ( t p c ) c o m m a n d sf r o md i f f e r e n tc e l l si nt h ea c t i v es e t a n dc o m b i n e s 也e m a d j u s t m e n tl o o po rt h er e d u c t i o no ft p cf r e q u a n c yc a nb eu s e dt ob a l a n c ed o w n l i n k p o w e ra m o n ga c t i v es e tc e l l sd u r i n gs o f th a n d o v e r s i t es e l e c t i o nd i v e r s i 砂什c ( s s d l ) c a nb eu s e dt or e d u c e t h ed o w n l i n ki n t e r f e r e n c ew h e nt h eu ei si ns o f th a n d o v e n l a s t l y , t h ee f f e c to fs o rh a n d o v e ro rt h es y s t e mc a p a c i t yi sa n a l y z e di nt h e o r y i nt h eu p l i n k , s o f t h a n d o v e re x t e n d sc e l lc o v e r a g ea n di n c r e a s e su p l l n kc a p a c i t y i nt h ed o w n i n k , s o f th a n d o v e ri n , e d u c e s m o r ei n t e r f e r e n c e i ft h em a c r o d i v e r s i t yg a i nc r n tc o m p e n s a t ef o rt h ei n t e r f e r e n c el o s s ，d o w n l i n kc e p a c i t y w i l ld e c r e a s e k e y w o r d ：s o rh a n d o v e r , w c d m as y s t e m ，r r m ，p o w e rc o n t r o l ，c a p a c j 四 东南大学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。 研究生签名： 壅童 e t 期：兰! ! 皇：! ：； 东南大学学位论文使用授权声明 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。 研究生签名：壅童：导师签名： 日期：兰! ! 三：! ： 第一章绪论 第一章绪论 随着移动通信技术的飞速发展和用户对无线业务需求的不断增长变化，支持更高的数据传输速率 和提供更多类型的业务已经成为移动通信系统的发展方向。移动通信系统经历了从模拟到数字、从提 供语音业务到提供多媒体业务的发展过程。目前，全球移动通信系统正处于从第二代到第三代的过渡 阶段。第三代移动通信系统的研究已经成为移动通信领域研究的热点。 1 1 第三代移动通信系统概述 第三代移动通信系统i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e p h o n y2 0 0 0 ) 是国际电信联盟( u l r ) 在 1 9 8 5 年提出的工作于2 g i - l z 频段、最高数据传输速率为2 m b p s 、预期在2 0 0 0 年左右商用的系统p j 。与 现有的第一代和第二代移动通信系统相比，它的主要特点概括如下： 全球无缝漫游。 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。 高带宽、高速率。快速移动环境，最高速率达到1 4 4 k b p s ；室外到室内或步行环境，最高速率 达到3 8 4 k b p s ；室内环境，最高速率达到2 m b p s 。 高频谱效率、大容量。 i m t - 2 0 0 0 无线接口技术标准是一个以宽带c d m a 技术为主体，兼容t d m a 技术，包含频分双工 ( f d d ) 和时分双工( t d d ) 两种双工方式的多元化体系标准。它包括三种主要的无线传输方案：欧 洲和日本提出的w c d m a 、北荚提出的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的t d - s c d m a 。这三种主流技术的主要 技术参数如表1 1 所示。 表1 _ 1 三种主流第三代移动通信系统标准主要技术参数比较 w c d m ae d m a 2 0 0 0t d - s c d m a 多址方式 d s c d m d 洲c - c d m at d m a ，c d m a 双工方式f d d 仰d f d dt d d 基站同步不需要( 同步可选)需要，典型方法是g p s需要 n 1 2 5m h z1 6 h m z 信道带宽 5 m h z n = 1 ，3 ( 可扩展6 ，9 ，1 2 ) 码片速率 3 。8 4 m o p sn t 2 2 8 8 m e p s 1 2 8 m c p s n = 1 ，3 ( 可扩展6 ，9 ，1 2 ) 帧长 1 0 m s 5 ，1 0 ，2 0 ，4 0 ，8 0 m s 1 0 m s 调制方式q p s k b p s k q p s k b p s kq p s k f d d ：开环闭环1 5 蚴h 环 功率控制开环闭环( 8 0 0 h z ) 夕p 环开环闭环( 2 0 0 h z ) t d d ：开环闭环( 不高于8 0 0 h z ) 切换方式 硬，软，更软切换硬，软，更软切换接力切换 频间切换 支持，用压缩模式进行测量 支持 支持，用空闲时隙进行测量 i m t - 2 0 0 0 在欧洲又被称为通用移动通信系统( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ， u m t s ) 。作为u m t s 的无线接入技术，w c d m a 可以在现有的广泛应用的g s m 系统基础上逐步发展 实现，具有良好的发展空间和商用价值。 1 2w c d m a 系统的无线资源管理1 2 1 w c d m a 系统的无线资源包括频率( 载频、频段) 、码字( 信道化码和扰码) 、时隙、用户终端( u e ) 1 东南大学硕士学位论文 阳基站( n o d eb ) 的发射和接收功率等。无线资源管理( r r m ) 的目的就是合理有效地分配和使用有 短的无线资源，在保证系统稳定运行并提供一定通信服务质量的前提下，维护规划的覆盖区域并最大 琨度地提高系统容量。r r m 功能是通过相应的算法来实现的。r r m 算法包括功率控制、切换控制、 凄纳控制、负载控制、码资源分配、分组调度，它们在w c d m a 网络中的典型位置为：u e 处 功率控制；n o d eb 处快速功率控制、切换控制、快速负载控制；无线网络控制器( r n c ) 处 外环功率控制、切换控制、接纳控制、负载控制、码资源分配、分组调度。r r m 的各项操作不是各自 独立的，而是相辅相成的个统一整体。 功率控制 功率控制技术是w c d m a 系统物理层的关键技术之，它用于控制发射功率电平以降低系统干 扰，保持连接质量。上行链路的功控使基站接收到的所有移动台的功率电平相同，可以克服“远近效 应”；f 行链路的功控使移动台接收到的下行链路信干比保持一定水平，可以补偿移动台的邻小区干扰。 w c d m a 系统中有兰种功控：开环功控、闭环功控和外环功控。 开环功控用于粗略地设置移动台的初始发射功率。移动台根据本次发起呼叫的业务类型和基站到 移动台的路径损耗，估计需要的初始发射功率。在f d d 模式下，上下行链路的频率相差1 9 0 m i - t z ，比 相关带宽( 2 0 0 k h z 左右) 大的多上下行链路的快衰落在本质上是不相关的，因此开环功控根据下行 信号所得到的路径损耗的估计对于上行情况来说是很不准确的，需要引入快速闭环功控来解决这个问 题。 闭环功控是对通信期间的上下行链路进行快速功率调整，以使链路的质量收敛于目标信干比。它 是个“测量一指示反应”的过程，频率为1 5 k h z ，在物理层进行。在上下行专用物理信道上， 基站或移动台测量接收信号的信千比并将它与目标值相比较，每个时隙( o 6 6 6 m s ) 向对端发送功率控 制( 丁p c ) 命令，要求对端增加功率、降低功率或保持功率，功率增减步长一般为l d l 3 。闭环功控用 于补偿快衰落和慢衰落。 外环功控根据各个独立的无线链路的需求调整闭环功控的信干比目标值，以取得由误比特率 ( b e r ) 或者误块率( b l e r ) 定义的稳定质量，其频率一般为1 0 1 0 0 h z 。上行外环功控的典型实现 是给上行链路中的每一个用户数据帧加上“帧可靠指示”标签，例如解码后检测某个用户帧的c r c 校验结果。若“帧可靠指示”标签显示传输质量下降，那么r n c 将命令基站提高信干比目标值。在 r n c 中采用外环功率控制的原因是，在可能的软切换合并后需要执行这个功能。 切换控制 切换是一个重要的移动性管理功能。在移动蜂窝通信系统中，当用户穿越小区边界时，需要使用 切换控制来处理用户的跨小区移动。切换对支持个人通信业务的全球漫游至关重要，因为它直接影响 整个系统的性能。切换功能将在下小节中进行详细分析。 接纳控制 w c d m a 系统是一个干扰受限的系统。它具有软容量，服务质量与同时接入的用户数量之间存在 着平衡与折衷的关系。如果允许空中接口负荷过度增长，那么小区的覆盖面积将低于规划值，而且已 有连接的服务质量也无法得到保证。因此，在接受一个新的连接之前，接纳控制必须检查该接入是否 会破坏规划好的覆盖区域或已有连接的服务质量。接纳控制判断是否接受无线接入负载的请求，在建 立或修改无线负载时，耍执行接纳控制。 接纳控制功能体位于r n c 中，在该处可获得来自几个小区的负载信息。接纳控制算法将评估建 立这些负载所导致的无线网络负载的增加，必须分别进行上下行链路的评估。只有当上下行链路的接 纳控制均可以接受这个无线负载时，才可接纳所请求的负载，否则就拒绝该负载，以避免网络中的干 扰过量。接纳控制的限制条件由无线网络规划来设置。 接纳控制算法可分为基于宽带功率的接纳控制和基于吞吐量的接纳控制两种。在上下行链路中可 以使用不同的接纳控制算法。 负载控制( 拥塞控制) r r m 的一个重要任务是确保系统不过载并维持稳定。恰当的规划、合理的接纳控制和分组调度工 作可以消除过载。如果发生过载，负载控制功能将使系统负载迅速并可控地返回到无线网络规划定义 2 第一章绪1 仓 的目标负载值。为了降低或平衡负载，可以采用的负载控制方法如f ： 审下行链路快速负载控制：拒绝执行来自u e 的下行链路功率升高指令： 耷上行链路快速负载控制：降低上行链路陕速功控使用的上行e b i 。的目标值； 夺改变软切换区的大小以接纳更多的用户； 夺切换至其它的w c d m a 载频( 频率间切换) ； 夺切换到g s m 网络( 系统间切换) ： 夺降低实时用户的比特速率，例如采用a m r 声码嚣； 夺降低分组数据业务( 非实时业务) 的吞吐量( 降低传输速率) ： 夺以控制方式停止低优先级的呼叫( 掉话操作) 。 以上所列的前两种方法是在基站内执行的快速操作，它们可以在一个时隙内进行，频率为1 5 k h z ， 并为不同业务提供优先级。第三种方法特别适用于下行受限的网络。其它方法一般比较慢。w c d m a 系统的空中接口技术和非实时业务流量给处理过载提供了许多可选择的方法，因此必须通过停止实时 用户的呼叫来降低负载的方法将很少使用。 码资源分配 w c d m a 系统的码字资源包括上下行链路的扰码和信道化码。上行链路使用扰码来区分用户，一 个用户一个码树；下行链路使用信道化码来区分同一小区中不同用户的连接，所有用户共用一个码树。 扰码和上行链路信道化码的规划都比较简单，码资源分配主要针对下行链路的信道化码。码字分配由 r n c 完成，在呼叫接入时进行，其目标是用尽可能小的复杂度支持尽可能多的用户，并尽可能满足用 户的带宽需求。 w c d m a 系统采用正交可变扩频因子( o v s f ) 码作为信道化码。o v s f 码的可变长特性可以满 足用户的多种业务速率耍求，正交性可以保证信道之间互不干扰。下行o v s f 码树是一个典型的二叉 树，扩频因子范围是4 5 1 2 。o v s f 码分配的基本原则是保证已分配码字的正交性，即：对于分配的 码字，要保证其到树根路径上和其子树上没有其它码被占用。为了保证正交性，就会阻塞已分配码字 子树上的所有低速扩频码和其根路径上的高速扩频码。因此。在码分配时还需要综合考虑利用率和复 杂度，选用“密切相关码或最相宜的码”。 分组调度 w c d m a 系统中的分组数据接入由分组调度器控制，其功能包括： 夺在分组数据用户之间分配可用的空中接口资源： 夺为每个用户的分组数据传输分配传输信遭( 公共、专用、共享传输信道) ； 审监视分组数据比特速率分配和系统负载。 1 3w c d m a 系统中的切换技术 切换是当终端用户在蜂窝的覆盖区域移动时，正在进行的无线业务连接从一个基站覆盖区( 原小 区) 转换到另一个基站覆盖区( 目标小区) 的过程。它是蜂窝系统特有的一个重要的移动性管理功能， 也是移动通信系统的一个关键特征。 根据基站和移动台在链路质量评估和切换初始化过程中所完成的功能来划分，可以将切换算法分 为三类：移动台控制的切换( m c h o ) ，移动台和基站进行链路质量测量，测量结果被传送给移动台并 由移动台做出切换判决，选择最佳基站进行切换；网络控制的切换( n c h o ) ，基站进行测量并将测量 结果报告给r n c ，由r n c 决定是否切换，它可用于小区问的负载分配；移动台辅助的切换( m a h o ) ， 移动台和基站负责测量并将铡量结果上报给r n c ，r n c 根据测量结果对移动台是否切换以及切换的 目标小区做出判决。w c d m a 系统中主要采用m a h o 算法。 w c d m a 系统支持的切换包括频率内切换、频率间切换、系统间切换。频率内切换是指u e 在相 同载频的小区扇区间切换；频率问切换是指u e 在不同w c d m a 载频的小区间切换，应用的典型实 例是在呼叫密集的闹市区安装高容量的多载频基站；系统间切换是指u e 在不同制式的系统间的切换， 乐南 ：学硕上学位论文 应用的典型实例是w c d m a f d d 与t d d 间的切换、w c d m a f d d 与g s m 问的切换。三神切换概述 如表1 2 所示c 2 1 。 表1 2w c d m a 系统的切换 切换类型切换测量典型的u e 到r n c 切换测量报告 切换原因 频率内由匹配滤波器进行全时段测量事件触发报告 正常移动 频率间需要时才测量，使用压缩模式在压缩模式期间周期性报告覆盖、负载、业务 系统间需要时才测量，使用压缩模式在压缩模式期间周期性报告覆盖、负载、业务 u e 需要进行频间切换和系统间切换时才触发相应测量。频间切换可以在w c d m a 载频和小区层次平 衡负载，当其它频率不能提供连续覆盖的时候，利用频间切换还可以扩展覆盖范围。另外，为扩展 w c d m a 的覆盖范围、平衡系统间的负载、指引业务到最合适的系统，需要使用系统间切换。系统中 约3 0 4 0 的用户处于切换状态。 频率内切换又包括硬切换( h a r d h a n d o v e r ) 、软切换( s o f t h a n d o v e r ) 和更软切换( s o f t e rh a n d o v e r ) 。 硬切换是移动台先中断与原小区的连接再建立与新小区连接的过程( b r e a k - b e f o r e m a k e ) ，在此过程中 移动台只和一个基站保持连接。当网络不支持宏分集( 倒如：切换涉及不同厂商的r n c ，r n c 间的 h i r 接口不可用) 时，应用硬切换。硬切换过程中，移动台往往不能立即建立与新基站的连接。从断开 原小区信道到连接上目标小区信道的这段时问内通信是中断的，通常这段时间间隔很短，只是毫秒级。 因此硬切换在一定程度上会影响通信质量。特莉是当用户高速移动时，频繁的硬切换过程会对通信的 连续性造成很大的影响。软( 更软) 切换是移动台先建立与新小区( 扇区) 连接再中断与原小区( 扇 区) 连接的过程( m a k e b e f o r e b r e a k ) ，在此过程中移动台至少和一个基站保持连接，真正实现了无缝 切换。软切换和更软切换仅应用于f d d 模式，它们与硬切换的差别就像田径接力与游泳接力的差别p j 。 当u e 位于不同基站的小区覆盖重叠区域时，发生软切换。当l t e 位于同一个基站的不同扇区的覆盖 重叠区域时，发生更软切换。一般地，5 1 5 的连接发生更软切换。需要注意的是，软切换和更软 切换可能同时发生，当l i e 既位于不同基站的覆盖区又位于同基站不同扇区的覆盖区时，发生软，更 软切换。另外并不是只有移动的u e 才发生软切换或更软切换。当u e 位于小区边界时，即使处于 静止状态也可能发生软切换或更软切换。 频率间切换和系统间切换其实也是硬切换。异频硬切换和异系统硬切换需要启动压缩模式进行异 频测量和异系统测量。硬切换可以应用在f d d 模式和t d d 模式，主要用来完善网络的覆盖。 1 4w c d m a 系统软切换技术概述 软切换是c d m a 系统特有的技术，在i s 9 5 a 标准中首次提出。频率复用和r a k e 接收技术是软 切换得以实现的前提。 在软切换过程中，u e 和多个基站保持连接，参与软切换的基站可以由相同或不同的r n c 控制。 在上行链路上，u e 向参与软切换的多个基站发送数据。基站接收到的数据被发送到目标小区对应的 r n c 中进行合并。r n c 的选择器使用提供给外环功率控制的帧可靠性指示符来选择多个候选帧中最 好的帧。这个选择发生在每一次交织周期完成之后，即每1 0 m s 、2 0 m s 、4 0 m s 或8 0 m s 发生一次。在 基站处理的连接中，约2 0 4 0 的连接发生软切换。在下行链路上，参与软切换的基站发送相同的 数据信息给u e ，但是功率控制命令却不尽相同。u e 采用r a k e 接收机通过最大比合并接收来自不同 基站的信号。 理论分析和现场试验表明，软切换技术具有以下优点1 3 t i 4 。1 可以减少或消除硬切换时的“乒乓效应”( 由于环境的不稳定因素造成的移动台在小区边缘过 于频繁的来回切换) ，从而减少用于切换信令交互的网络开销，提高服务质量和系统可靠性；不会出现 硬切换过程中的瞬时链路中断，可以保证小区边界用户通信的无缝切换。 软切换过程中的宏分集可以有效克服大尺度衰落，宏分集增益改善了小区边界用户上下行链 4 第一章绪论 路的移动业务质量，降低了通信中断的概率。 r n c 的选择性合并与反向功控技术相结合，可以降低移动台的发射功率，从而延跃电池的使 用时问，并且进一步降低了移动台对系统的干扰，提高了上行链路的容量和覆盖范围。 进入软切换区域的移动台即使不能立即得到与新基站的连接，也可以进入切换等待的排队队 列，从而减少了系统的阻塞率和掉话率。 当然，应用软切换技术也会带来以下不足： 在实现上比硬切换更复杂。 软切换过程中需要使用更多的下行链路网络资源( 码资源和功率资源，涉及信道化码、n o d eb 、 r n c 和n o d e b 间的i u b 接口传输、r n c ) ，从总体上增加了下行链路的干扰。如果小区内软切换比例 过高，将阻塞新到来的呼叫，降低下行链路的容量。 软切换率( 比例) 是指系统中处于软切换状态的用户数占激活用户总数的比例，是用来衡量系统 软切换性能的一项重要指标。软切换比例过低会降低宏分集增益，从而降低网络的容量：而软切换比 例过高，虽然会在一定程度上提高宏分集增益，但是系统为此付出的代价却是被占用了更多额外的码 信道和功率资源，并且基站与用户需要频繁的信令交互，因而也会降低系统容量，增大掉话的概率。 基于此，网络规划及优化时要在宏分集增益和资源利用率之间进行折衷，合理选择站址、天线，合理 设置小区的软切换参数，使软切换比例在3 8 2 e 右斟。 目前对于软切换技术的研究可以分为三类i 4 】：链路级的软切换性能，分析独立无线链路上e f t o 和 衰落余量的改善；系统级的软切换性能，分析软切换对于服务质量、系统容量和覆盖的影响；资源利 用级的软切换性能，分析激活集中平均小区数、激活集更新速率、切换时延等。论文试图涉及以上所 有方面的研究。 1 5 论文的主要内容 软切换是w c d m a 系统的基本特征和技术难点。论文研究了3 g p pr e l e a s e9 9 规范中的软切换技 术，共分六章。 第一章为绪论。首先介绍并比较了第三代移动通信系统的三大主流标准，然后概述了w c d m a 系 统中的无线资源管理功能，并且分析了w c d m a 系统的切换技术、软切换技术。 第二章分析比较了3 g 主流标准中的切换过程。首先详细介绍了w c d m a 系统中的软切换过程， 包括软切换的测量、测量结果滤波、软切换算法、软切换执行过程。然后介绍了其它移动通信系统中 的切换，包括i s - 9 5 a 系统的软切换、c d m a 2 0 0 0 系统的软切换和t d 。s c d m a 系统的接力切换。最后 基于以上介绍比较了i s - 9 5 a 、e d m a 2 0 0 0 和w c d m a 系统的软切换策略。 第三章研究w c d m a 系统中的软切换算法，是本文的重点。基于自己设计的仿真程序，分析软切 换参数对于切换性能的影响。首先介绍仿真系统软件，包括信道传播模型、系统模型、业务模型、移 动性模型以及软件的主要模块。然后针对不同的软切换算法进行系统仿真。对于简单的软切换算法， 分析不同软切换门限条件下激活集中的小区数日、激活集更新速率、基站0 的连接概率、基站1 的连 接概率、两基站的连接概率。对于传统的软切换算法，分析不同软切换参数组合条件下的呼叫阻塞率、 中断率、切换失败率、平均激活集小区数目、平均激活集更新速率。对于改进的软切换算法，分析引 入参数w 和位置信息辅助切换后性能参数的改善。最后对有待进一步研究的内容进行了总结。 第四章讨论软切换过程中的闭环功率控制技术。针对上行闭环功控，分析了功控指令的可靠性检 测问题和不同基站功控指令的合并算法。针对下行闭环功控，分析了功率漂移和干扰增大问题。 第五章研究软切换对于覆盖和系统上行链路容量的影响。软切换技术可以减小上行链路的衰落余 量，扩展小区的覆盖面积：增加上行链路的容量。 第六章研究软切换对系统f 行链路容量的影响。分析软切换带来的宏分集增益和干扰损耗、软切 换比例对于容量的影响。 5 末甫大学硕士学位论文 第二章w c d m a 系统中的软切换过程 2 1w c d m a 系统中的软切换过程 u e 的测量小区可以分为三类： 激活集中的小区( 服务小区) ：这些小区发送用户信息，与u e 同时进行通信。在f d d 模式 下，激活集中的小区与移动台之间存在软切换连接，u e 应该具备至少支持6 个激活集小区的能力； 在t d d 模式下，激活集中通常只有个小区。 监测集中的小区：这些小区不在激活集中，但是i r r r a n ( u m t st e r r e m 试r a d i oa c c e s s n e t w o r k ) 明确指示u e 针对它们进行测量。u t r a n 通过系统消息或测量控制消息中的小区列表信息 指定这些小区。 检测集中的小区：这些小区不在激活集和监测集中，但是被u e 检测到。检测集小区的测量 报告只能由c e l ld c h 状态下的u e 为频率内测量提供。 w c d m a 系统的软切换过程属于移动台辅助实现的软切换，它包括测量控制、测量结果报告、软 切换判决、软切换执行这几个独立功能。在测量控制阶段，网络通过发送测量控制消息告诉u b 进行 测量的参数；在测量报告阶段，u e 给网络发送测量报告消息；在切换判决阶段，网络根据测量报告 做出切换的判断；在切换执行阶段，u e 和网络侧通过信令交互完成激活集的更新。 2 。1 1 测量控制和测量报告 在w c d m a 系统中，测量控制和测量报告通过无线资源控制( 耻屺) 信令的交互实现。 u t r a n 可以通过广播系统消息( 系统信息块1 1 或1 2 ) 和或发送“测量控制”消息来建立、修 改或释放u e 的测量过程。消息中包含以下测量控制信息： 测量标识：u r r a n 建立、修改、释放测量和u e 进行测量报告时使用的参考序号，用于标 识不同的测量过程。 测量命令：建立、修改或释放某一测量过程的命令。 测量类型：指定u e 测量的类型。 在w c d m a 系统中，l 厄测量可以分为以下7 神不同的类型： 夺 频率内测量：测量与激活集小区的频率相同的下行物理信道，软切换测量属于此类； 夺 频率间测量：测量与激活集小区的频率不同的下行物理信道； 夺 系统间测量：测量其它无线接入技术的下行物理信道： 夺 业务量测量：测量上行链路的业务量； 耷 质量测量：测量质量参数，如下行传输块错误率等； 夺u e 内部测量：测量u e 的发射功率和接收的信号电平： 夺u e 位置测量：测量u e 的位置。 测量对象：u e 测量的对象以及相关的对象信息。在软切换测量中，这是指在特定的频率内 对小区进行测量得到的u e 所需的小区信息。 测量量：u e 测量的具体量，即钡4 量什么，包括测量滤波系数。 报告量：在测量报告中报告哪些内容。除了必要的测量信息，u t r a n 还可以有选择地在报 告中要求额外的测量信息，以支持u t r a n 的无线网络功能。 测量报告准则：测量报告的触发准则，包括报告事件的参数配置。 测量有效性：规定在何种u e 状态下测量有效。 测量报告模式：规定u e 使用r l c 层的非确认模式或确认模式发送测量报告，以及周期性触 6 第二章w c d 、乱4 系统中的软切换过程 发报告或事件触发报告。 附加的测量标识：附加测量的标识号列表。 在u e 侧，当r r c 层接收到u t r a n 的测量控制信息后，就通过测量原语要求l 1 层进行测量。 l 1 层和r r c 层对测量结果进行平滑滤波，并且r r c 层根据事件触发准则进行事件评估。当u t r a n 要求的测量报告准则满足时，u e 将向u t r a n 发送“测量报告”消息，报告测量结果。 测量控制和报告过程非常灵活。u t r a n 的不同功能或过程，如小区重选、切换、功率控制等可 能会使用相同类型的测量。因此，u e 可以支持多个测量同时进行，也能够对每个测量进行独立控制 并报告。 2 1 2 频率内测量 频率内测量用于u e 获取下行链路的信号功率、干扰功率和路径损耗，需要测量的参数包括下行 链路e 。n o ( 又称e 以o 。接收信号的码片能量频带内总的接收功率谱密度) 、下行链路路径损耗、下行 链路解扩后的接收信号码功率( r s c p ) 和基于时隙的干扰信号码功率( i s c p ) 等。 上一小节列出了测量的7 种类型，每一种测量对应若干报告事件，每一种报告事件对应唯一的标 识码( 例如频率内测量的报告事件1 x ，频率间测量的报告事件2 x ，其中x 代表某一英文字母) 。u t r a n 通过测量控制消息中的测量报告准则信息元素通知u e 哪些报告事件将触发一个铡量报告。测量报告 的触发机制有两种：事件触发和周期触发。事件触发所需的信令开销少于周期触发，但两者的性能相 同。通常情况下u e 不需要报告所有事件，u t r a n 只是将报告事件的集合作为一个工具箱，从中挑 选需要的事件来实现切换判决功能或其它的无线网络功能。 首先介绍一下公共导频信道的帧结构。公共导频信道( c o m a - n o n p i l o t c h a n n e l ：c p i c h ) 是非调制 的码信道，经过小区专用扰码加扰。它的速率固定为3 0 k b p s ，扩频因子为2 5 6 。它承载预定义的比特 码序列，具体的帧结构如图2 - i 所示( 6 i 。 预定义的码元序列 1 = y 蜡= j 时隙0时隙1时隙i 时隙1 4 一个无线帧：t f = 1 0i l l s 图2 1 公共导频信道的帧结构 w c d m a 系统中存在两种c p i c h ：主c p i c h ( p r i m a r yc p i c h ：p c p i c h ) 和辅c p i c h ( s e c o n d a r y c p i c h ：s - c p i c h ) 。p - c p i c h 使用个固定的信道化码( c 5 6o ) 扩频，由本小区的主扰码加扰。每 个小区仅有一个p - c p c h ，它覆盖整个小区。s - c p l c h 使用扩频因子为2 5 6 的任意信道化码扩频，由 主或辅扰码加扰。每个小区可以有0 、1 或多个s - c p i c h ，s - c p i c h 可以覆盖整个小区，也可以仅覆 盖小区的部分区域。 p c p i c h 主要用于切换和小区选择重选时进行测量。u e 根据接收到的c p i c h 功率进行切换，因 此调整基站的c p i c h 发射功率可以平衡相邻小区之间的负荷。例如：减小c p i c h 功率可以使部分u e 切换到其它小区；而增大c p i c h 的功率可以使更多的u e 切换到该小区，就如初始化接入该小区的网 络一般。 频率内测量包括以下9 种测量报告事件： 夺报告事件】a ：一个p c p i c h 进入报告范围； 夺报告事件1 b ：一个p c p i c h 离开报告范围； 夺报告事件1 c ：一个非激活的p c p l c h 优于一个激活的p c p i c h ： 7 彖南大学硕士学位论文 夺报告事件1 d ：最佳小区的改变； 夺报告事件1 e ：一个p c p i c h 优于一个特定的绝对门限； 夺报告事件l f ：一个p c p i c h 低于一个特定的绝对门限； 夺报告事件i g ：最佳小区的改变； 夺报告事件1 h ：时隙i s c p 低于一个特定的绝对门限； 夺报告事件1 1 ：时隙i s q p 高于一个特定的绝对门限。 其中，前6 种报告事件用于f d d 模式的测量，后3 种用于t d d 模式的测量。f d d 模式下的测量 对象是p - c p i c h ，而t d d 模式下的则是主公共控制物理信道( p c c p c h ) 。、由于我们关心的是f d d 模式下的测量过程，以后如果不做特别说明，本文讨论的关于w c d m a 系统的内容仅针对f d d 模式。 2 1 2 1 报告事件的控制参数 频率内测量的每一个报告事件i x 都对应一个报告法则。在事件1 a 和事件1 b 盼报告法则中，我 们将看到报告范围是激活集小区测量结果的函数。当特定区域中的小区测量结果非常不稳定时，网络 侧可以通过在测量报告准则信息元素中明确指定禁止小区信息来禁止这些小区影响报告范围，以保证 报告范围的可靠性。报告范围中存在一个参数w ，它是o 2 0 间的一个实数，而且为o 1 的整数倍。 当w 等于0 时，报告范围仅与激活集中的最佳小区有关。 当报告触发条件满足时，l i e 将向u t r a n 报告测量结果。为了减少事件触发测量报告的发送数 目，u t r a n 在测量控制消息的报告准则域中指定事件1 x 的滞后参数( h y s t e r e s i sp a r a m e t e r ) h l ，和触 发时间( t i m e t o t r i g g e r ) 。滞后参数是o 7 5 间的一个实数，而且为0 5 的整数倍，单位是d b 。触发 时间相当于一个定时器时长，它可能取值0 、1 0 、2 0 、4 0 、6 0 、8 0 、1 0 0 、1 2 0 、1 6 0 、2 0 0 、2 4 0 、3 2 0 、 6 4 0 、1 2 8 0 、2 5 6 0 、5 0 0 0 ，单位是r l l s 。测量量在触发时间期间一直满足报告法则时才认为报告事件 发生。另外，对于每一个被监测的小区，u t r a n 在测量控制