（通信与信息系统专业论文）cdma系统基于多业务的软切换优化技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 移动通信以其特有的灵活和便捷的优点符合了现代社会人们对 通信技术的要求，在c d m a 移动通信系统中，软切换技术已成为追 求最大系统容量和提高通信质量的关键技术。软切换使得移动台进 行越区切换时，在中断与旧基站的连接之前，采用先连后断策略， 实现移动过程中的无缝通信，它具有降低通话中断率、获得分集增 益、增加系统容量等优点。 本文重点研究c d m a 系统软切换技术的优化。在以往对软切换 技术的研究中，大多数针对参数设置和资源分配问题，而对于软切 换的判决准则问题则研究得非常少，而且也只是针对单业务而言。 在传统软切换算法中，当链路质量变差需要切换时，由于相邻 小区存在同频的情况，移动台可以通过多条无线链路与网络进行通 信，通过比较：选取导频信号最强的一个作为目的小区。而导频信 号最强的基站也就是路径损耗最小( 即路径增益最大) 的基站。传 统软切换判决算法只是单纯考虑了路径损耗，没有考虑到现实情况 中业务分布不均衡的情况。而在切换请求发生时，基站当前负载对 于切换能否成功、系统资源的分配利用以及系统性能都非常重要。 未来无线通信系统要求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。为了更好地利用无线网络 特征，在充分利用无线系统有限带宽资源的基础上，尽可能的保证 用户数据的传输质量，需要对无线系统各类资源进行合理的管理与 分配。因此在选择移动台切换的目的小区时，应该将小区的负载也 考虑进去，综合考虑路径损耗和小区负载两个因素。 本文在多业务的基础上，针对传统软切换算法的缺点，提出了 基于多业务的软切换优化算法，并且将其应用到分层蜂窝系统。优 化算法不是简单的将满足切换条件的候选基站中导频信号强度最大 的基站加入激活集，而是在考虑了业务的传播损耗下，兼顾小区负 载平衡，达到各小区之间负载平衡和资源的合理利用的目的。在各 小区负载相等的情况下，该准则就退化为传统的软切换算法。仿真 结果表明，软切换优化算法显著降低了切换中断率，提高了系统性 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 能，显示出较大的优越性，有一定的理论价值和工程实践意义。 最后，对全文进行了总结： 关键词：c d m a ：软切换；多业务 西南交通大学硕士研究生学位论文第| ii 页 a b s t r a c t m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ss a t i s f yt h ed e m a n do fh u m a nb e i n g si nt h em o d e m s o c i e t yo nc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , d u et ot h e i rf l e x i b i l i t ya n dc o n v e n i e n c e i n c d m am o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，s o f th a n d o f ft e c h n o l o g yh a sb e c o m et h ek e y t e c h n o l o g yw h i c hc a np u r s u et h el a r g e s ts y s t e mc a p a c i t ya n di m p r o v et h eq u a l i t yo f c o m m u n i c a t i o n s 砌l e nt h em o b i l es t a t i o nm a k e ss o f th a n d o f f , i tc o n n e c t sw i t ht h e n e wb a s es t a t i o n sb e f o r eb r e a k i n gt h ec o n n e c t i o no ft h eo l db a s es t a t i o n s o f th a n d o f f c o u l da c h i e v es e a m l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，r e d u c ec a l lb l o c k i n gr a t e ，g e tg a i no f d i v e r s i t y , i n c r e a s es y s t e mc a p a c i t y , a n ds oo n t h i st h e s i sf o c u s e so ns o f th a n d o f fa l g o r i t h mo p t i m i z a t i o nf o rc d m a s y s t e m i nt h ep a s t ，t h er e s e a r c ho 五s o f th a n d o f fa l g o r i t h mf o c u s e so np a r a m e t e rs e t t i n ga n d r e s o u r c ea l l o c a t i o n t h er e s e a r c ho ns o f th a n d o f fc r i t e r i ai sl i t t l e ，a n di so n l yf o r s i n g l et r a f f i c 。 i nt h et r a d i t i o n a ls o f th a n d o f fa l g o r i t h m ，w h e nt h el i n kq u a l i t yd e t e r i o r a t e sa n d n e e d st ob eh a n d e do f f , t h em o b i l es t a t i o nc o u l dc o m m u n i c a t cw i t hn e t w o r k sw i t h m a n yw i r e l e s sl i n k sa n ds e l e c tt h es t r o n g e s ts i g n a lp i l o ta sag o a l t h eb a s es t a t i o n w h o s ep i l o ts i g n a li st h es t r o n g e s th a st h es m a l l e s tp a t hl o s s t h et r a d i t i o n a ls o f t h a n d o f fa l g o r i t h mj u s tc o n s i d e r sp a t hl o s sw i t h o u tc o n s i d e r i n gt h eb a l a n c eo fr e a l i s t i c t r a f f i c t h el o a db a l a n c eo ft h eb a s es t a t i o n s ，u t i l i z a t i o no fs y s t e mr e s o u r c e sa n d s y s t e mp e r f o r m a n c ea r ev e r yi m p o r t a n td u r i n gh a n d o f fw h e nt h eh a n d o f fr e q u e s t h a p p e n s f u t u r ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sr e q u i r e dt op r o v i d em a n yk i n d so f c o m m u n i c a t i o ns e r v i c e sf o rd i f f e r e n tu s e r d i f f e r e n ts e r v i c e sh a v ed i f f e r e n t r e q u i r e m e n t so fs e r v i c eq u a l i t y i no r d e rt om a k eb e t t e ru s eo fw i r e l e s sn e t w o r k i n g f e a t u r e s ，a l lk i n d so fr e s o u r c e so fw i r e l e s ss y s t e m sn e e dt ob em a n a g e da n d d i s t r i b u t e dr e a s o n a b l y w ec o u l dg u a r a n t e ed a t a st r a n s m i s s i o nq u a l i t ya sf a ra s p o s s i b l ew h i l em a k i n gf u l lu s eo ft h el i m i t e db a n d w i d t ho fw i r e l e s ss y s t e m s s oi n t h ec h o i c eo ft h ec e l lt a r g e tt ob eh a n d e do f f , p a t hl o s sa n dl o a ds h o u l db o t hb e c o n s i d e r e d i nt h i st h e s i s ，o p t i m i z e ds o f th a n d o f fa l g o r i t h mf o rm u l t i t r a f f i ci sp r o p o s e da n d u s e di nh i e r a r c h i c a lc e l l u l a rs y s t e m s t h i sa l g o r i t h mc o u l da c h i e v el o a db a l a n c ea n d r e a s o n a b l eu s eo fr e s o u r c e s ，r a t h e rt h a na d d i n gt h eb a s es t a t i o nw h o s ep i l o ts i g n a li s 西南交通大学硕士研究生学位论文第l v 页 t h es t r o n g e s t w h e nt h el o a do fe a c hc e l li ss a m e ，t h i sa l g o r i t h mi sj u s ta st h e t r a d i t i o n a la l g o r i t h m n es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h eo p t i m i z e da l g o r i t h m c o u l d r e d u c et h et r a n s i t i o n i n t e r r u p t i o n a n d i m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e s i g n i f i c a n t l y n ea l g o r i t h mh a ss o m et h e o r e t i c a l v a l u ea n d s i g n i f i c a n c e o f e n g i n e e r i n gp r a c t i c e f i n a l l y ，f u l lt h e s i si ss u m m a r i z e d k e yw o r d s ：c d m a , s o f th a n d o f f , m u l t i t r a f f i c 西南交通大学曲南父通大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密0 ，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：孤丽 日期：加& 占j z 指导老师签名广_ 二勿垒妒2 日期： 。，扩f ia 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行 研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 在多业务的基础上，分析了传统软切换算法的缺陷，利用无线多 媒体通信网络中剩余容量的概念，提出了一种新的基于多业务的 软切换优化算法。 2 介绍了分层蜂窝系统的概念，并将上述优化算法应用到分层蜂窝 系统。 3 为了更贴近实际情况，在仿真的时候，考虑了业务均匀分布和非 均匀分布两种情况，每种情况下，又分别讨论了三种业务按相同 比例到达和按比例到达，使得仿真场景更加趋于现实。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文背景与国内外现状 3 g ( 3 r dg e n e r a t i o n ) 指第三代移动通信技术，与前两代系统相比， 第三代移动通信系统的主要特征是可提供丰富多彩的移动多媒体业 务。其设计目标是为了提供比第二代系统更大的系统容量、更好的 通信质量，而且要能在全球范围内更好地实现无缝漫游及为用户提供 包括话音、数据及多媒体等在内的多种业务，同时也要考虑与已有第 二代系统的良好兼容性。 3 g 的主要制式标准有w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 。 c d m a 技术是一种先进的数字通信技术，现已发展成为第三代移动 通信系统的实际应用技术1 1 】。 3 g 系统预期提供的业务是非常丰富的。用户可以通过3 g 系统 钓无线终端，享受到普通级、宽带级话音业务、多媒体业务、可视 电话和视频会议业务，同时还可以实现移动网上的i n t e r n e t ：收发 e m a i l 、w w w 浏览、电子商务和电子贺卡等服务。移动办公室类业 务也是一个新的发展方向。3 g 的综合业务会朝着i p 化、分组化、个 性化、生成简单化方向发展。 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： 1 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。 2 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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 3 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提供话音业务为主，随着发展，一般也仅提 供1 0 0 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，必须满足以 下三种，即： 1 ) 快速移动环境，最高速率达1 4 4 k b p s ； 2 】室外到室内或步行环境，最高速率达3 8 4 k b p s ； 3 ) 室内环境，最高速率达2 m b p s 。 4 容量大。在理论上c d m a 移动网比f d m a 和t d m a 移动网 具有更大的容量。在相同的频谱资源条件下，c d m a 移动网为模拟 移动网容量的2 0 倍，c d m a 移动网为t d m a 移动网的1 0 倍。 5 频谱利用率高，规划简单，容量配置灵活。 6 高服务质量。由手采用了较先进的声码器技术，c d m a 移动 网为可以动态的调整码速率及门限值，在背景噪声较大的情况下， 也能获得较好的通话质量，所采用的软切换技术也减少了掉话率。 7 低成本。 8 高保密性。 网络的发展必然会带来一些问题，无论是网络规划阶段、过渡 阶段还是稳定的运营阶段，都离不开网络优化【2 】。因此，如何实现网 络资源的合理配置，提高网络的服务质量，如何解决网络中出现的 各种问题，改善网络的运营环境，解决网络的安全问题，使网络运 行在最佳状态，是网络优化工程的关键问题。无线网络优化就是指 按照一定的准则及需要，对通信网络进行合理的调整，使网络服务 质量更高，资源利用率更高，提升网络运营品牌。网络优化在追求 网络资源的最大利用、最大限度的提高服务质量的同时也为今后网 络扩建积累经验、创造条件【3 1 。网络优化既是对网络规划的完善与补 充，也是解决实际网络突发需求的常用手段。 在基于现有网络的优化之外，广义上的，技术优化即对c d m a 系统自身技术的改进也属于无线网络优化的一部分，随着新技术的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 不断涌现，它更能从根本上使系统各方面的性能有一个质的飞跃。 c d m a 系统的关键技术包括智能天线技术、多用户检测技术、 码分多址技术、软切换技术、功率控制技术等。其中切换技术是一 个重要的移动性管理功能，它是蜂窝系统所独有的功能，也是移动通 信系统的一个关键特征，特别是对支持个人通信业务的全球漫游至 关重要，它直接影响整个系统的性能。切换控制负责处理用户的移 动性。当移动用户从一个小区进入另一个小区时，必然发生切换。 切换控制就是运用一定的策略，保证用户越区切换或系统间切换时 通话的连续性，并且使通信质量达到预定的q o s 要求。 软切换是c d m a 移动通信系统所特有的，已成功应用于i s 9 5 系统，并被第三代移动系统所采纳。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 f th 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。软切换可以有效地提高切换的可靠性， 大大减少因切换造成的掉话。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。传统软切换判决算法只是单纯的 考虑了路径损耗，没有考虑到现实情况中业务分布不均衡的情况。 在切换请求发生时，基站当前负载对于切换能否成功、系统资源的 分配利用以及系统性能都非常重要。所以应该将小区的负载也考虑 进去，综合考虑路径损耗和小区负载两个因素，以提高系统性能。 为了满足无线通信飞速增长的需求，要从根本上增加业务容量 和服务区域的全球覆盖【4 】。增加容量和扩展覆盖的一种方法是降低蜂 窝的大小。通过重复使用资源，这些微蜂窝极大地提高了系统的容 量，特别适用于有大业务量需求的区域。进一步分裂蜂窝可以获得 更大的频率重用，但它也增加了与切换有关的问题。用户移动时所 经过的蜂窝越多，切换的次数及引起的问题就越多。另外一种更有 效的增加系统容量和扩展覆盖的解决方法是将分层蜂窝结构( 多层蜂 窝结构) 引入无线网络，它可让运营商选择合适的容量来满足业务流 量的需求，同时可以更有效地使用可用频谱。分层蜂窝结构是一种 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 最有效的用于调整无线环境来提供更大容量、减小无线干扰和改善 业务质量的技术。然而这种系统的网络控制显然非常复杂，需要更 高级和灵活的移动性管理机制，它特别强调切换的设计。 1 2 论文研究的内容与实际意义 切换技术是无线蜂窝网络中一项十分关键的技术，切换策略的 好坏直接影响到网络的性能。移动台在不同小区及不同扇区间位置 的变化，就要求要采用一种良好的切换技术，运用合理的算法为移 动用户提供高质量服务的同时，为网络提供有效的资源利用。切换 不仅是用户移动性的需要，也是优化网络质量的重要手段，必须与 功率控制、接纳控制、负载控制等无线资源管理算法协调，才能做 到网络的整体优化。 在以往对软切换技术的研究中，大多数针对参数设置和资源分 配问题，而对于软切换的判决准则问题则研究的非常少，而且也只 是针对单业务而言。由于传统的软切换算法只是单一的考虑了传播 衰耗，而没有考虑小区的负载情况，因此有可能造成业务负载不均 衡，从而影响网络整体性能。为了适应未来多媒体网络的发展要求， 为不同的用户提供多种通信业务，同时在充分利用无线系统有限带 宽资源的基础上，尽可能的保证用户数据的传输质量，需要对无线 系统各类资源进行合理的管理与分配。所以本文提出了基于多业务 的软切换优化判决算法，并且将其应用到分层蜂窝系统，该算法重 点考虑了当前小区无线资源利用情况以及软切换呼叫到来时如何分 配信道的问题。算法不仅提高了切换成功率，而且充分利用了系统 资源。 由此可知，在考虑多媒体业务的基础上研究c d m a 系统中软切 换技术的优化问题，是十分有意义的。 1 3 论文主要研究方法及结构安排 本文基于c d m a 系统，介绍了一些已有的切换算法，并对一些 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 切换算法进行了分析和性能优化方面的研究。论文的主要内容安排 如下： 第1 章介绍了本文的研究背景和第三代移动通信系统的特点。 第2 章介绍了第三代移动通信系统的关键技术，切换的控制方 式、性能衡量标准和主要的切换策略。 第3 章针对目前无线多媒体网络的特点，对网络中的业务进行 了建模。 第4 章在分析传统软切换算法缺陷的基础上，提出了一种新的 基于多业务的软切换优化算法，并进行了仿真，分析和比较了它与 传统软切换算法的性能。 第5 章首先介绍了分层蜂窝系统的概念，。分析了它的切换流程， 最后在此基础上应用第4 章的软切换优化算法，并进行仿真。 第6 章结合实际情况对软切换失败和掉话进行了具体的分析。 最后总结了全文，并对未来的工作方向进行了展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章第三代移动通信系统中的相关技术分析 2 1 相关技术概述 移动通信业务从话音逐步扩展到数据、图像、视频等多媒体业 务，因此对服务质量和传输速率的要求越来越高。这对移动通信系 统的性能提出了更高的要求，必须采用先进的技术有效的利用宝贵 的频率资源，以满足高速率、大容量的业务需求，同时克服无线信 道的多径衰落，降低噪声和多径干扰，达到改善系统性能的目的。 以下是c d m a 系统的与本文相关的一些关键技术分析，c d m a 系统的技术优化也从这些主要技术入手，主要考虑的伺题在于：新 技术与现有系统如何很好的结合、新技术本身的性能提高、技术优 化给现有系统带来的性能提高。 2 1 1 智能天线技术 智能天线也叫自适应阵列天线，它由天线阵列、波束形成网络、 波束形成算法等三部分组成。智能天线通常有较窄的主瓣，较灵活 的主、副瓣大小、位置关系，和较大的天线增益。智能天线包括两 个重要组成部分，一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达 角( d o a ) 估计，并进行空间滤波，抑制其它移动台的干扰。二是对基 站发送信号进行波束形成，使基站发送信号能够沿着移动台电波的 到达方向发送回移动台，从而降低发射功率，减少对其它移动台的 干扰。智能天线与传统的天线概念有本质的区别，它通过满足某种 准则的算法去调节各阵元信号的加权幅度和相位，从而调节天线阵 列的方向图，达到增强所需信号、拟制干扰信号的目的。最直观的 是可以将主瓣对准有用信号的入射方向，而将方向图中的最低增益 点( 被称之为零陷) 对准干扰信号方向1 5 1 。它的理论支撑是信号统计检 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 测和估计理论、信号处理及最优化控制理论，其技术基础是自适应 天线和高分辨阵列信号处理。智能天线的基本思想是：天线以多个 高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户，在接收模式下，来自窄波 束以外的信号被抑制；而在发射模式下，能使期望用户接收的信号 功率最大，同时使窄波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最 小。采用智能天线技术的主要目的是为了更有效地对抗移动通信信 道，而时分、码分多址系统的信道传输环境从本质上讲是一样的， 所以除了具体算法上的差异外，智能天线可广泛应用于各种时分、 码分多址系统【6 。 智能天线是利用用户空间位置的不同来区分不同的用户。与传统 的频分多址、耐分多址和码分多址方式不同，智能天线引入了第四 种多址方式：空分多址( s d m a ) ，即在相同时隙、相同频率或相同地 址码的情况下，仍然可以根据信号不同的空间传输路径而区分。 s d m a 是一种信道增容方式，与其他多址方式完全兼容，从而可实 现组合的多址方式，如空分码分多址( s d c d m a ) 。 智能天线是一种伸缩性较好的技术，实现较大增益比单天线容 易，利用智能天线可以更大比例地降低频率复用因子，同时支持更 多用户，提高系统容量。智能天线的又一个好处是可减小多径效应， c d m a 中利用r a k e 接收机可对时延差大于一个码片的多径信号进行 分离和相干合并，而借助智能天线可以对时延不可分离但角度可分 离的多径信号进行进一步分离，从而更有效减小多径效应，降低系 统干扰，提高信噪比。而且基站数目能减少约5 0 ，覆盖更好更远， 基站和手机的发射功率降低，更符合绿色手机概念。其困难在于由 于存在多径效应，每个天线均需一个r a k e 接收机，从而使基带处理 单元复杂度明显提高。 2 1 2 码分多址技术 在c d m a 系统中，移动台与基站之间采用码分多址方式进行连 接，这种多址方式完全区别于传统的信号调制方式，信号在频率、 时间和空间上互相重叠。采用码分多址接入技术和扩频技术，加上 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 丰富的码字资源，使得3 g 系统具有极高的频率利用率，而且同一频 率还可以在相邻小区中复用，这使频率规划简单，容量大i7 1 。在相同 的频段内提供的系统容量比模拟t d m a 系统大1 0 2 0 倍，比t d m a 数字系统大4 6 倍。扩频通信的主要特征是扩频前的信息码元带宽远 小于扩频后的扩频码序列的带宽。扩频通信具有抗干扰能力强、保 密性能好、大容量等优点。3 g 系统用码字区分信道；码字长度不同， 信道提供的速率就不同，所需要的功率也不同，这为3 g 系统有效支 持多种业务、提供不同等级的服务质量奠定了基础。 因为3 g 系统采用码分多址技术，所以扩频码的选择至关重要。 i s 9 5 系统中采用了6 4 位w a l s h 函数作为扩频码，前向信道的性能 可以得到保证，但反向信道性能还不尽如人意。在第三代移动通信 中，业务已由单一速率的话音拓广为不同速率的话音、数据与图像 的多媒体业务。这样，在第三代系统中不同业务信源给出的信息速 率是不同的，而信道传输带宽是固定的，在扩频过程中不同业务、 不同信息速率要采用不同的扩频比，才能达到同一信道传送的码率。 2 1 3 软切换技术 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 【引。 切换实现了小区( 或扇区) 间的信道转换，保证了一个正在处理或 者进行中的呼叫的连续性。在模拟f d m a 系统和数字t d m a 系统中i 移动用户在切换到另一个小区时，需要在另一个小区( 或扇区) 寻找空 闲信道，只有当该小区有空闲信道时才能切换，这时移动台的收发 信道都要做相应的调整，称之为硬切换。：这种切换的过程是首先切 断原有通话链路，然后建立与新基站间的通话链路。硬切换先断后 通的切换方式势必引起通信的短暂中断，同时还会由于通信环境的 影响，在两个小区的重叠区域内，移动台接收到的两个基站发送信 号强度有时会出现大小交替的变化，即电磁波在空间产生驻波，导 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 致越区切换的“乒乓”效应，影响正常的通信。 3 g 系统将在使用相同载波频率的小区间实现软切换，即移动用 户在越区切换时可以与两个小区的基站同时接通，只相应地改变扩 频码，即可实现“先接通再断开 的交换功能，从而大大改善切换 时的通话质量。软切换的优势是克服了其他体制的“乒乓”效应， 提高小区边缘的接收解调性能，降低掉话率。另一方面，由于c d m a 系统软容量的特点，越区切换的成功率远大于模拟f d m a 系统和数字 t d m a 系统，尤其是在通信的高峰期【9 1 。并且它具有上下行链路分集 的功能，因此还可以提高上行链路的容量【l o 】。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。 切换是一个重要的移动性管理功能，直接影响整个系统的性能 【1 1 】。切换不仅要保证用户在穿越边界时仍能进行正常的通话，而且 还要做到快速、有效，这样才有利于降低整个系统干扰，减少掉话， 提高系统容量。频率复用和r a k e 接收技术是软切换得以实现的前 提。伴随着未来移动通信系统的载波频率的增高，小区的覆盖范围 将进一步缩小，切换也会相应地变得较以往频繁，在这种情况下， 快速、有效的切换变得更加需要关注。同时，第三代移动通信容量 更大，数据速率更高，业务种类更多，在切换中将要考虑更多的因 素，以满足不同业务的q o s 要求 1 2 - 1 4 j 。 2 1 4 功率控制技术 功率控制是蜂窝移动通信，尤其是基于c d m a 的蜂窝系统中资 源分配和干扰管理的关键技术之一。在多媒体c d m a 网络中，需要 对移动终端的功率进行控制，既保证每个用户的q o s 要求，又不增 加对其它用户的干扰，增加系统容量；对于移动用户而言，还能延 长手机的待机时间：同时还要对用户的数据速率进行控制，以避免 出现拥塞，因此围绕这一问题展开的研究一直以来是无线通信领域 中一个十分活跃的分支。 一个优化的功率控制算法可以使得系统的容量大大增加，因而 提高了系统频谱使用效率。功率控制的目标是：在为每个用户提供 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 可以接受的q o s 的同时减少其对其他用户的干扰。每个移动台保持 在绝对最小功率级，并确保可接受的服务质量。理想情况，在基站 从每个移动台接收到的信号功率应该是相同的( 干扰最小) 。功率控制 所要解决的基本问题是：在业务q o s 要求确定的情况下，如何有效 地为移动用户分配发射功率，使系统能为更多用户服务；或者从另 一个角度讲，在系统内用户数和业务q o s 要求确定的情况下，如何 有效地为移动用户分配发射功率，使所有用户的总发射功率最小。 c d m a 系统之所以具有较大的容量，是因为它较为有效地控制 了小区内和小区间的干扰。 多速率、多媒体c d m a 系统的功率控制，可以归结为一个有限 制的优化问题i ”】。系统的用户可以分为两类，一类是对时延敏感的 用户，另一类是能容忍时延的用户。对于能容忍时延的用户，目标 是使其有效数据速率达到最大；对于时延敏感的用户，目标是在保 证低时延的前提下，使信干比达到目标值。 功率控制算法在实际系统中是由开环功控、闭环功控和外环功 控来实现的，其中开环功控主要用于补偿距离损耗和阴影衰落，闭 环功控主要补偿f d d 传输模式中上行与下行链路非对称的多径衰 落，外环功控进一步补偿开环和闭环功控的残余误差造成的不良影 响。在w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 系统中，上行信道采用了开环、闭环和 外环功率控制技术，下行信道则采用了闭环和外环功率控制技术。 2 2c d m a 系统的切换技术分析 2 2 1 切换的控制方式 。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。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【1 6 】： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 1 移动台控制切换( m c h o ) 移动台控制切换是通过移动台持续监视通信端口的信号强度和 质量，当满足切换条件时，移动台选择一个最好的切换侯选项并发 起切换请求。欧洲数字无绳电信系统( d e c t ) 和个人接入通信系统 ( p a l s ) 采用的就是这种控制方式。 2 网络控制切换( n c h o ) 网络控制切换是通过通信端口监视信号强度和质量，当信号恶 化到低于某阈值时，网络就安排切换到新的通信端口。在此过程中， 网络要求所有端口监视由移动台来的信号，并将结果报告给网络， 当网络选择新端口后，它同时通知旧端口和新端口完成切换，移动 台在切换过程中是被动的。这种切换控制方式被全接入通信系统 ( t a g s ) 和高级移动电话系统( a m p s ) 采用。即由基站检测，由交换中 心控制完成，当前基站监视并测量所有通信链路，移动交换中心( m s c ) 命令周围基站不时地测量各自的通信链路，基于这些测量，m s c 决 定何时何地发生切换。 3 移动台辅助切换( m a h o ) 移动台辅助切换( m a h o ) 可以说是网络控制切换( n c h o ) 的一种 演化，它要求移动台测量周围端口的信号强度并报告给旧端口，然 后由网络来判断是否切换和切换到哪个端口。因此m a h o 是通过移 动台测量通信链路，而由网络控制切换，在切换过程中移动台和网 络同时参与切换，移动台负责测量，网络负责判决。目前的g s m 及 c d m a 系统均采用这种切换控制方式。 2 2 2 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i 评价一种切换性能优劣 的标准有以下两类： 1 服务质量类 1 ) 切换失败率：当切换呼叫到达目的蜂窝时，蜂窝内的所有信道 都忙的概率。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 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 度上恶化，二则很有可能造成掉话。 2 ) 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。 3 ) 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，会使话音质量恶化，严重时会导致掉话。 4 ) 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。 5 ) 软切换率：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。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，虽然会在二定程度上提 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 左右【1 7 】。 6 ) 掉话概率：系统开始接受了呼叫，在进行过程中由于切换失 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。 7 ) 新呼叫阻塞概率：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。 2 系统资源效率类 1 ) 平均激活集小区数目：指某一时刻每个用户连接的激活集小 区数目的平均值，它反映了软切换过程中硬件资源的利用效率。 2 ) 激活集更新速率：指单位时间内( 每秒) 一个用户激活集更 新的平均次数，它反映了软切换过程中系统的信令开销。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 2 3 主要的切换策略 1 基于优先权的切换策略 1 ) 非优先权的切换策略 1 s - 2 0 】 针对话音业务而言，具有切换请求的话音呼叫与新产生的话音呼 叫被等同对待。也就是说，具有切换请求的话音呼叫相对于新呼叫 来说不具有任何优先权。 2 ) 切换优先的切换策略 2 1 , 2 2 】 从移动用户的角度来说，系统对具有切换请求的话音呼叫的阻 塞相对于对新呼叫的阻塞更为令人讨厌。于是，在切换算法中为了 体现切换呼叫的优先级，通常需要为切换呼叫预留一定的资源 2 3 - 2 5 】， 或者对切换呼叫进行排队等候 2 6 , 2 7 】。 2 基于多业务的切换策略 多业务切换问题与单业务切换问题的最大不同点是系统中有不 同业务，不同业务有不同优先级。现有文献中有三种包括话音和数 据的移动通信中的切换方案：保留优先级方案( r e s e r v a t i o np r i o r i t y s c h e m e ) 1 2 8 3 0 1 、抢占优先级方案( p r e e m p t i v ep r i o r i t ys c h e m e ) t 3 1 1 ，还 有一种考虑多业务和多种资源切换的方案：带优先级资源分配方案 ( p r i o r i t i z e dr e s o u r c ea s s i g n m e n t ) 3 2 , 3 3 】。 资源预留策略是与切换算法密切相关的，常用于改善切换呼叫 的掉话率。在以往的文献中常见的预留策略主要有三种。第一种就 是固定信道分配策略，其中心思想就是从目标小区的全部资源中选 出一定比例的信道作为切换专用信道，新接入的呼叫禁止使用这一 部分信道。第二种是动态信道分配策略，它的思想是根据网络中的 实际情况，按照某一参数对预留信道进行动态的分配。当网络中新 呼叫数多于切换呼叫时预留的信道( 或资源) 相对要少一些，这样 系统的信道利用率就会高一些。当网络中切换呼叫多于新呼叫时， 预留的资源就会相对多一些，这样可以保证系统中有比较低的切换 掉话率，但是这种方案增加了网络的信令负荷。由此第三种方案混合 信道分配策略h c a ( h y b r i dc h a n n e la s s i g n m e n t ) 应运而生。这种分 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 配策略即为上面两种策略的结合，在小区预留的信道中有一小部分 用于固定分配，其余的预留信道则遵循动态信道分配策略。 由于不同业务有不同的带宽要求，要动态估计不同业务的切换 呼叫所需带宽，从而在切换呼叫的目标相邻小区预留相应数量的信 道【19 1 。用户可以利用局部信息预测未来切换呼叫的资源需求，为切 换呼叫预留一定数量的资源【23 1 。切换呼叫还可以采用排队的策略 【34 1 ，切换呼叫的排队优先级根据信号强度及其变化率而动态调整， 呼叫的服务顺序不仅依赖于排队优先级，还依赖于排队等待时间。 在多媒体通信系统中，为了满足各种业务不同q o s 的要求，各种基 于q o s 的切换算法被用于改善系统的性能 3 5 , 3 6 】。对于微小区1 4 小区 结构的移动多媒体网络，采用自适应q o s 切换方案【3 7 】，移动多媒体 业务的q o s 随系统己用带宽的变化而自适应调整，可以减小切换失 败概率。 保证制的切换策略：针对某一类特定的用户，人们提出了保证制 的切换策略。该策略认为可能存在某一类业务，它的服务质量是高 要求的，不容许切换失败的发生，于是称之为保证切换业务，并发 展了一种特定的信道保留机制即信道锁存机制。理论上，保证切换 业务由于切换失败引起的呼叫中断概率为零，这是保证制的切换策 略的最大优点。 3 基于分层蜂窝系统的切换策略【3 8 j 4 2 1 【4 3 中就双层小区结构中的切换算法进行了研究和总结。 层间切换策略：与单层小区系统相比，分层蜂窝系统存在层间切 换。当低速移动台在微小区层没有空闲信道可用时，可切换到宏小 区层占用宏小区层的空闲信道；而宏小区服务的呼叫业务不能切换 到微小区层。对于嵌入式分层小区( 较小的小区嵌入较大的小区) ， 当移动台进入不被同层小区覆盖的区域时也会发生层间切换。 带返回机制的层间切换策略：不同于层间切换策略的是，当呼叫 从微小区层切换到宏小沤后，可能返回微小区层，提高信道的利用 率。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 2 3 多业务无线通信系统的发展趋势 i n t e r n e t 的飞速发展以及社会信息化的不断推进，移动用户对信 息服务的需求日益丰富，要求移动通信系统能够提供话音、传真、 宽带数据、图像、视频等多媒体业务，并能在任何移动环境下进行 通信，即实现“任何时间、任何地点、任何人之间能进行多种信息 的传递”，要满足这个要求，需要采用宽带无线接入技术，终端可以 有多种工作模式，可以工作在多个频段。 下一代移动通信系统的核心网将演变成全l p 方式，并且能在高 速传输的前提下保证服务质量。业务i p 化，多媒体化，个性化是总 的发展趋势，宽带多媒体业务、对称或非对称传输业务都将得到广 泛的应用。未来网络将提供开放的业务结构，并做到业务开发和网 络运营分离。终端向多种无线配置演化，可以选择多种接入技术， 工作在不同的网络。无线接入技术有将各种制式的接入系统灵活无 缝的连接在一起的趋势，而网络结构也趋于分层结构。 西南交通