（通信与信息系统专业论文）cdma系统越区切换技术研究.pdf

硕士学位论文 摘要 在c d m a 系统中，随着移动用户数量的增加，用户服务质量( q o s ) 的保证变 得至关重要。越区切换技术是保证0 0 s 的重要环节。越区切换是指将当前正在进 行的移动用户与基站之间的通信链路从当前基站转移到另一基站而维持通信不中 断的过程。越区切换能有效地提高系统性能，是c d m a 系统中最复杂和最重要的 一项关键技术。 本文重点研究了c d m a 系统越区切换技术。首先介绍了c d m a 系统中越区切 换技术研究背景和研究现状。然后对c d m a 系统越区切换的概念、过程和类型进 行研究，并用马尔可夫( m a r k o v ) 链对典型越区切换策略进行了分析。最后重点对 c d m a 系统中不同移动速度条件下的软切换性能进行分析。 c d m a 系统中用户的移动速度己成为影响系统切换性能的重要因素。本文重 点研究了c d m a 系统中不同移动速度条件下的软切换性能，导出了简化正方形软 切换模型中软切换区域大小、用户移动速度与软切换业务模型参数的关系，并对 不同速度条件下的软切换性能参数进行了数值分析和仿真。本文得出了c d m a 系 统性能完全可以通过改变软切换区域大小以达到优化的结论。本文的研究不仅具 有理论价值，也为工程实践提供了一定的参考和借鉴。 关键词：c d m a ；软切换；硬切换；阻塞率 c d m a 系统越区切换技术研究 a b s t r a c t i nc d m as y s t e m ，t h eq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s )o fe a c hm sb e c o m e sm o r e i m p o r t a n tw i t ht h ei n c r e a s eo ft h en u m b e ro fm s t bg u a r a n t e ew e l lq o s ，h a n d o f fi s t h ek e y1 i n k ，w h i c hi sa l s oa ni m p o n a n tp a r to fm o b i l em a n a g e m e n t t h eh a n d o f f t e c h n i q u e ，t h ec h a n n e lo fm sc a nb es w i t c h e dt oa n o t h e rb a s es t a t i o n ，w h i c hp r e v e n t s t h ec o m m u n i c a t i o nf r o mi m e r r u p t i o nw h e nm o b 订ec u s t o m e rs t r i d e sa c r o s so n eb s h a n d o f fc a ni m p r o v eu t i l i z a t i o nr a t i oo fs y s t e mr e s o u r c e s ，a l s oo b t a i n i n gh i 曲e r p e r f o r m a l l c eo fs y s t e m h a n d o f fi s t h em o s tc o m p l i c a t e da n dv i t a l t e c h n i q u ei n c d m as y s t e m t h ep a p e rf o c u s e so nt h eh a n d o f fo fc d m as y s t e m s f i r s t l y ，t h ep r i n c i p l eo f c d m aa n di t sk e yt e c h n i q u e sa r eb r i e n yi n t r o d u c e d s e c o n d l y ，t h ec o n c e p t i o n ，t y p e s a n ds e v e r a lt y p i c a ls c h e m e so fh a n d o f fa r eb r i e n yo u t l i n e d a l s o ，m a r k o vc h a i ni s a p p l i e dt oa n a l y z ea n ds i m u l a t es e 、，e f a lt y p i c a lh a n d o f fs c h e m e s a tl a s t ，t h i sp a p e r c o n c e n t r a t e so ns o f th a n d o f ft e c h n i q u e ，a n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo fs o f th a n d o f fu n d e r d i f 兜r e n tc o n d i t i o n so fm o b i l ec u s t o m e r s v a r i o u ss p e e di nc d m a s y s t e m i nc d m a s y s t e m ，t h em s s p e e di so n ei m p o r t a n tf a c t o ro fp e r f o r m a n c eo fs o f t h a n d o f f t h ep a p e ri sm a i n l ya b o u tr e s e a r c ha n da n a l y s i so fh a n d o f fi nc d m a - 町s t e m a n ds p e c i f i c a l l ya n a l y z e st h ei n n u e n c eo fm o b i l ec u s t o m e r s p e e d o nv a r i o u s p a r a m e t e r so fs o f th a n d o f f b a s e do ns q u a r em a t h e m a t i c a ls o f th a n d o f fm o d e l ，t h e p a p e rl e a ds o f th a n d o f ft r a f n cp a r a m e t e r s ，a n da n a l y z e st h ei n l p a c to ft h es i 2 eo fs o f t h a n d o f fa r e aa n dm o b i l ec u s t o m e t s s p e e do nt h ep a r a m e t e r so fs o f th a n d o f f ，m a k i n g n u m e r i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i n gp a r a m e t e r so fs o f th a n d o f fu n d e rd i f f e r e n tm o b i l e c u s t o m e r s s p e e d i ti s f o u n dt h a tt h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e mc a nb eo p t i m i z e db y c h a n g i n gt h es ri nc d m as y s t e m t h er e s e a r c ho fp a p e ri sn o to n l yp r o v i d e st h e o r y v a l u a b l e ，b u ta l s oo f f e rc e r t a i nr e f e r e n c ef o rp r a c t i c a lp r a c t i c ei m p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：c d m a ； s o f th a n d o 仃；h a r dh a n d o f f ：b l o c k i n gp r o b a b i l i t y 硕士学位论文 插图索引 图2 1c d m a 系统发收端实现框图1 0 图2 2 扩频和解扩1 1 图2 3 简化的c d m a 系统的正向链路组成图1 2 图2 4 简化的c d m a 系统的反向链路组成图1 3 图3 1 蜂窝移动通信圈2 0 图3 2 无优先级切换系统框图2 7 图3 3 无优先级切换系统状态转移图2 7 圈3 4 信道预留切换系统框图2 8 图3 5 信道预留切换系统状态转移图2 9 图3 6f i f o 排队切换系统框图3 0 图3 7f i f 0 排队切换系统状态转移图一3 l 图3 _ 8 信道预留和f i f o 相结合切换系统框图3 2 图3 9 信道预留和f i f o 相结合切换状态转移图3 2 图4 1c d m a i s 9 5 系统的软切换算法3 5 图4 2 移动台从小区a 切换到小区b 的呼叫处理过程3 6 图4 - 3c d m a 系统中开始软切换指令流程示意图3 7 图4 4c d m a 系统中中断软切换指令流程示意图3 8 图4 5c d m a 系统蜂窝结构3 9 图4 6 不同平均速度下的平均信道占用时间4 4 图4 7 不同平均速度下的呼叫阻塞率4 4 图4 8 不同平均速度下的呼叫阻塞率4 5 l i c d m a 系统越区切换技术研究 附表索引 表4 1 容量增加系数4 3 v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所里交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： n 碾日期：滩弘月 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。本人授权湖南大学可以将本学位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、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密留。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：i 弋依日期：沙；年q 月) 日 导师签名：妻i 叫日期：2 哪年中月j 日 堡圭堂垡堕苎 1 1 课题背景 第1 章绪论 自从2 0 世纪7 0 年代末第一代移动通信系统面世以来，移动通信技术一直以 惊人的速度迅猛发展。其中，c d m a ( 码分多址，c o d ed i v i s i o nm u l t i 口l ea c c e s s ) 蜂窝移动通信技术在系统容量、业务质量、安全性和可靠性上有诸多优点，因此， c d m a 蜂窝移动通信技术已经成为现在移动通信系统的主流技术。 在c d m a 系统中，随着移动用户数量的增加，移动通信系统的每个用户的服 务质量( q o s ) 就变得尤为重要。其中，越区切换技术是保证服务质量的重要环节， 是c d m a 系统中最复杂和最重要的技术。因此，越区切换技术就成为了c d m a 系统的一项关键技术。 越区切换是指将当前正在进行的移动用户与基站之间的通信链路从当前基站 转移到另一基站而维持通信不中断的过程。越区切换技术主要分为两大类：硬切 换和软切换技术。硬切换是先释放旧信道再建立新信道，t d m a ，f d m a 和c d m a 系统都支持硬切换技术。由于c d m a 系统中同一小区的用户和其它小区的用户都 使用同一频率，给c d m a 系统支持软切换技术提供了必要条件。软切换技术是先 建立新信道再释放旧信道，即：当移动台在小区边缘测量到的一个新基站( b s ) 的 导频信号强度大于导频加入门限( t a d d ) ，保持现存的通信链路并跟新基站建立 新的通信链路。 为了保证移动用户的服务质量，对c d m a 系统越区切换技术的研究就变得尤 为重要。本文重点就是对c d m a 系统中的越区切换技术进行了研究，研究了越区 切换的概念、过程和典型的越区切换策略，并对c d m a 系统软切换进行分析，具 体分析了软切换区域的大小和移动用户的速度对软切换性能参数的影响，在不同 速度条件下对软切换性能参数进行了数值分析和仿真。 下面，我们首先简单回顾一下移动通信系统的发展历程【l 2 l 。 1 2 移动通信系统的发展 移动通信系统的发展可以追溯到上世纪4 0 年代，1 9 4 6 年a t & t 公司推出了 第一个移动电话系统，采用f m 调制方式。1 9 7 8 年，美国推出了a m p s f a d v a n c e d m o b i l e p h o n es y s t e m ) 系统，正式拉丌了第一代移动通信系统发展的序幕，此后， 半导体技术和微处理器技术的快速发展，大大推动了移动通信技术的发展。现在， c d m a 系统越区：切换技术研究 移动通信技术已发展到第三代，以c d m a 技术为特征的第三代移动通信系统正在 逐步进入商用化，而基于正交频分复用( o f d m ) 技术的第四代移动通信系统的相 关技术的研究也己展开。 1 2 1 第一代移动通信系统 我们今天所说的移动通信系统实际上开始于上世纪7 0 年代，以1 9 7 8 年美国 推出的a m p s 系统为标志。第一代移动通信系统采用模拟移动通信技术，以美国 的高级移动电话系统a m p s ( i s 5 4 ) 、英国的全接入通信系统t a c s ( t o t a la c c e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 和北欧的北欧移动电话n m t ( n o r d i c m o b i l et e l e p h o n y ) 为 代表，其特点是以模拟电话为主，多址方式采用频分多址f d m a ( f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术。其后，很多国家也开始发展移动通信系统技术， 移动通信业务在全球范围内迅速拓展开来。 第一代移动通信系统的发展取得了超乎人们想象的成功，但由于它是模拟移 动通信系统，具有很多不足之处，如：频谱利用率低、通信容量有限；通话质量 一般：保密性差：制式太多、标准不统一，互不兼容；不能提供自动漫游；不能 提供数据业务等，鉴于模拟蜂窝技术本身的局限性，上述问题不能得到很好的解 决。因此，人们开始致力于发展第二代移动通信系统。 1 2 2 第二代移动通信系统 第二代移动通信系统属于数字蜂窝移动通信系统，它主要采用时分多址 t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术或窄带码分多址c d m a 技术。采用数 字技术的蜂窝系统比模拟蜂窝系统具有很多优点：频谱利用率提高、系统容量增 大、保密性能好等。对移动通信来说，数字传输比模拟传输有以下优点：第一， 话音、数据业务可集成在一个系统中；第二，采用语音信号压缩算法，每信道所 需的带宽会变得越来越窄；第三，可采用数字纠错编码技术提高通信的质量；第 四，可对数字信号进行加密处理，以确保数据的安全传输。 目前采用t d m a 体制的数字蜂窝移动通信系统主要有三种：即欧洲的 g s m 、美国的d a m p s 和日本的p d c ：采用c d m a 技术体制的主要为美国的 c d m a ( 1 s 9 5 ) 。 欧洲g s m 系统的研究丌始于1 9 8 2 年，欧洲邮电委员会( c e p t ) 专门成立- 个移动通信特别小组( g s m ，g r o u ps p e c i a lm o b i i e ) ，负责新一代数字移动通信系 统所涉及的各项技术的研究工作。1 9 8 9 年，新成市的欧洲电信标准协会( e t s l ) 接替了g s m 的工作，并最终确定了以最初研究它的小组的名字命名的第- 套技 术规范，称之为g s m 。g s m 数字移动通信系统j - | 1 9 9 0 年在欧洲丌始投入商用， 硕士学位论文 随后获得了巨大的成功，开始向欧洲以外的国家扩展，成为一个全球性的移动通 信系统。因此，g s m 这个词后来具有了新的含义，即全球移动通信系统 g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o ) 。如今g s m 已发展成为全球最重 要的第二代移动通信标准之一。 美国的d a m p s ( 数字a m p s ) 系统是在原模拟a m p s 系统的基础上改造而成 的，采用数字技术改造a m p s 系统的第一步是引入数字话音信道。d a m p s 的标 准称为i s 5 4 b ，由美国电信工业协会( t e l e c o m m u n i c a t i o ni n d u s t r ya s s o c i a t i o n ，t i a ) 于1 9 8 9 年完成该标准的制定工作。d a m p s 系统于1 9 9 3 年正式投入商用，进一 步的改造工作于1 9 9 4 年完成，并提出了i s 1 3 6 的标准。 由于t d m a 标准不能完全满足美国c t l a ( 蜂窝通信工业协会) 对下一代数字 蜂窝通信技术所设想的要求，以美国q u a l c o m m ( 高通) 公司为首的倡导者提出了在 数字蜂窝移动通信系统中采用码分多址( c d m a ) 技术的系统实现方案。1 9 9 3 年， 美国电信工业协会将q u a l c o m m 公司提出的c d m a 技术正式确定为i s 9 5 标准。 此后，很多国家开始部署c d m a i s 9 5 系统，特别是在美国和韩国。 虽然第二代数字移动通信系统比第一代通信系统提供更大的通信容量和更多 的呼叫业务，但由于其核心网仍然以电路交换为基础，因此，语音业务仍然是其 主要的承载业务。虽然随着各种增值业务的不断推出，第二代系统也可以传输低 速的数据业务，但由于第二代数字移动通信系统带宽有限，限制了数据业务的应 用。在i n t e r n e t 、电子商务和多媒体通信飞速发展的今天，不能为用户提供高速数 据业务已成为第二代数字移动通信系统发展的障碍，因而，第二代系统向第三代 系统演进便成为必然。 在通往3 g 的过程中，现有的g s m 移动通信系统和l s 9 5 窄带c d m a 移动通 信系统采用不同的过渡方案。目前，2 5 g 主要有g p r s ( 通用分组无线业务通用分 组无线业务，g e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c e ) 和c d m a 两种通信制式，在实现过渡时， 是选择g p r s 还是c d m a ? 要取决于多方面的因素，如技术难度、投资规模以及 未来通信系统发展的趋势和市场需求等。 g s m 系统在向第三代移动通信系统演进的过程中，其无线接入网部分将采用 基于w c d m a 标准的技术，而核心网部分则采用演进的方式，一般认为可采用两 个阶段进行，第一阶段采用g p r s 技术，第二阶段采用e d g e 技术，最后过渡到 w c d m a 。g p r s 是在现有g s m 系统上发展出来的一种新的承载业务，是一种从 第二代移动通信系统向第三代移动通信系统过渡的2 5 g 技术。以目前广泛使用的 g s m 系统为基础平台，采用g p r s 技术作为向3 g 系统过渡的技术道路能够充分 利用现有的无线资源，减少基站投资，适丁现有网络的建设和升级。 而窄带c d m a 系统无论足无线接入嘲还是核心网部分，都将采用演进的方式 过渡到第：_ ；_ 三代系统。c d m a 标准的发展，已止过了l s 一9 5 a 、i s 一9 5 b 和c d m a 2 0 0 01 x ， c m 舱系统越区切换技术研究 并正向c d m ae v _ d 0 、c d m ae v - d v 阶段发展。从演迸角度看，1 s 9 5 b 被广泛宣称 为2 5 g 技术，但实际上只得到了有限的实现。c d m a 2 0 0 0 的第一阶段c d m a 2 0 0 0l x 由于到目前为止只是实现了部分i m t 2 0 0 0 的技术规范要求，最初也被认为是一 种2 5 g 技术，后来经过国际上的争论，最后确定为属于第三代通信技术。c d m a 技术的优势在于它的容量大，在现有的频段上可以容纳更多的用户，并且对于高 速数据业务的升级也比较容易。由于c d m a 网络覆盖范围大，系统容量高，所需 基站数量将大幅度减少，因此c d m a 系统的建网成本将大大降低。但是由于g s m 已在世界范围内广泛使用，c d m a 系统将如何克服这种劣势将是它主要的问题。 1 2 3 第三代移动通信系统 目前使用的第二代数字移动通信系统可以提供语音及低速数据业务，能够基 本满足当前人们信息交流的需要。但是由于人们的需求的改变，还有互联网技术 的发展，带动了移动多媒体和高速数据业务的迅速发展，推动了第三代移动通信 的产生。 国际电信联盟( i t u ，i n t e m 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 ，简称国际电联) ， 在第二代数字蜂窝移动通信系统的基础上提出了实现全球统一标准、建设一套系 统网络、让手机在全球任何地方都能通信的未来公共陆地移动通信系统 ( f p l m t s ，f u t u r ep u b l i cl a n dm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ，在19 9 6 年，国 际电联将其更名为i m t 2 0 0 0 标准，统称为3 g 标准。该标准确定了包括业务需求、 工作频带、数据传输能力、网络过渡要求、频谱利用效率等方面的技术标准，基 本上建立了第三代移动通信系统的框架。 为了建立一个真正的全球第三代移动通信标准，国际电联发出关于征求 i m t 2 0 0 0 各种解决方案的征稿通知，不同标准组织提出了基于时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) 以及频分双工( f d d ) 和时分双工( t d d ) 技术的不同解决方 案。 第三代移动通信系统多址方式的主流为宽带c d m a 技术。现在国际电联通过 了三种基于c d m a 技术的标准，分别是：w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 标 准。 第三代移动通信系统由卫星移动通信网和地面移动通信网所组成，将形成一 个对全球无缝覆盖的立体通信网络，满足城市和偏远地区各种用户密度需求，支 持高速移动环境，提供语音、数据和多媒体等多种业务( 最高速率可达2 m b i t s ) 的先进移动通信网，基本实现个人通信系统。 4 硕士学位论文 1 2 4 第四代移动通信系统( 4 g ) 的问世 今天3 g 已经开始全面商用化的时候，4 g 技术已经悄然闷世。a t & t 公司正在 其实验室中研究一种被称为第四代移动通信的技术，其研究目的是提高蜂窝电话 和其他移动装置无线访问i n t e m e t 的速率。 目前，移动电话上网的连接速率大约为拨号调制解调器的1 ，4 ，而采用4 g 技术 的系统的连接速率一开始就能达到拨号调制解调器的9 0 倍，并且还能随着发展而 提高得更快。只不过目前这种技术尚未进入实用阶段。a t & t 的执行官说，大约 还需要5 年这项技术才能发布。 第四代移动通信技术将以几项突破性技术为基础，例如一些光纤产品公司用 来提高i n t c l m e t 主干带宽的技术。由于第四代移动通信技术利用了几项不同的技 术，因此其对无线频率的使用效率比第二代和第三代系统都高得多。按照专家们 估计，第四代移动通信技术可以让更多的人使用与以前相同数量的无线频谱做更 多的事情，而且做这些事情的时候速度相当快。专家们认为其下载速率有望高达 5 m b p p l 4 m b p s 。 1 3 越区切换技术发展概况 在第一代模拟蜂窝系统中，信号能量的检测是由基站来完成、由移动交换中 心( m s c ) 进行管理的，每个基站都在不断地监视着所有反向话音信道的信号能 量，以决定每个移动台对于基站发射台的相对位置。同时，每个基站也都有备用 接收机，由m s c 进行控制，用以监视相邻基站中有切换可能的移动用户的信号能 量，并将所有的信息传送给m s c ，然后由m s c 根据每个基站备用接收机收到的信 号能量数据来决定是否进行切换。 第二代数字移动通信系统与第一代模拟蜂窝系统不同，越区切换是由移动台 辅助完成的。在移动台参与辅助切换的过程中，检测从周围基站中收到的信号能 量，并且将这些检测数据连续地回送给当前为它服务的基站。当移动台从原基站 接收到的信号比从相邻基站接收到的信号低出一定电平值时，就准备进行切换。 这种切换算法使得基站间的切换呼叫比第一代模拟系统要快得多，因为切换检测 是由每个移动台来完成的，即由移动台来确定候选切换基站，而不再需要出m s c 连续不断的监视信号的能量。这种方法一般应用于g s m 系统中，在切换频繁的微 蜂窝环境下也特别适用。 在c d m a 系统中使用的是软切换技术。在这种技术中，移动台可以利用多个 无线链路同时和多个基站进行通信。软切换由移动台发起，移动台在通信过程中 动态扫描各信道的场强值，如果检测到一条比当前通话基站更强的基站信号，就 c d 舱系统越区切换技术研究 在新的信道上向新的基站发出连接建立请求，同时保持原话路的通信，直到新的 话路完全建立，才切换到新的信道，并释放旧信道。在小区的覆盖区内，移动台 可以同时与多个基站( 这些基站被称为候选基站) 进行通信，某个链路若有故障时， 移动台可以使用别的链路。影响软切换性能的因素包括网络的响应时间、用户的 移动性以及覆盖时间( o v e r l a y t i m e ) 等。软切换是相同载频之间的切换，保证了切 换的无缝性p 】。 软切换是在相同c d m a 频率信道上进行的切换，它不需要改变收发频率，而 只需要调整和引导码的相位。另外，软切换也不是对所分配的信道在物理上的改 变，而是将无线通信业务交由其它基站进行处理。因此软切换可应用于不同基站 小区和扇区之间的切换。当移动台搜寻到一个新的有足够强度的导频信号时，移 动台将向原始基站报告，然后由基站向交换中心报告并记录下来，由交换中心启 动移动台检测到的有足够强度的导频信号的基站，使这个基站与原始基站一样同 时从移动台收发相同的信息。对于向移动台的前向传输，移动台的r a l 【e 解调器 同时解出两个小区发出的信号，然后加上一定的时延进行相干合成，与处理时延 不同的多径参数完全一样。而对于反向信道，通常两个基站对每帧或每个信息包 独立地进行解调与解码，然后分别将自己的解码信息交给m s c 去仲裁两个基站 解出的帧。这一过程完全体现了软切换的特点与优点，移动台利用r a k e 接收机 的多个单路径接收支路后，即开始与新的基站建立链路。当移动台在小区之间平 滑地穿越及在移动台从一个小区进入邻近的小区之前，第二个小区就开始逐渐接 入，此时移动台同时与两个基站建立了链路。当原始小区基站的信号比新接入的 基站信号弱了许多，而不能正确的解调和解码时，移动台就会根据收到的导引信 号的强度或者由原始小区基站采取行动来使移动台脱离此小区【4 1 。 1 4 越区切换技术研究现状 越区切换概念提出之后，许多研究人员对其展开了大量研究，主要的研究包 括：提出改进的越区切换算法、越区切换算法的优化和越区切换参数设置对系统 的影响。下面对越区切换的研究做个简要介绍。 越区切换是移动通信系统的一项关键技术，越区切换主要分为两类：硬切换 和软切换。对硬切换的研究主要是在第二代移动通信系统g s m 上【5 8 l 。而c d m a 系统支持软切换技术，对软切换进行一些基本的研究【弘1 4 l ，介绍了软切换的基本 概念、实现过程及参数定义与测量，之后人们对于软切换算法做了大量研究i ” 2 ”， 这些研究都是在无优先切换策略下的分析。后束，根据切换尝试率比新呼叫尝试 率的优先级高的原则，人们提出了许多切换优先策略的算法，其中，最具代表性 的策略是引入了“保护信道”的概念【2 3 2 4 l ，即专门预留出一些信道供切换呼叫使 硕十学f 证论文 用。该切换策略可以减少切换失败率和呼叫阻塞率。为了进一步提高信道利用率， 又提出了动态预留信道策略1 25 ，2 6 】，根据移动台软切换尝试数的变化来控制预留信 道容量的大小，使软切换成功率有更好的改善和提高。预留信道方式虽然降低了 切换呼叫的失败概率，但也降低了信道利用率。同时，又提出了对切换呼口q 进行 排队的切换策略的算法【2 7 q 2 1 ，即当没有可用信道时，对切换呼叫进行排队。在排 队的切换策略算法的研究中，提出了最小逗留时间排队和双门限的混合算法、基 于测量的优先级算法( m b p s ) 及基于信号预测优先级算法( s p p o ) 等，这些软切换 排队算法都是对软切换优先级进行优化，以提高系统资源的使用效率。由于未来 的通信系统要求能够提供多种业务，出现了针对不同的业务呼叫进行不同的排队 优先处理的策略1 33 ，”】，同时，还出现了切换呼叫排队和信道预留相结合的混合算 法”，使移动通信系统性能进一步提高。 在软切换中，移动通信系统的性能随着软切换相关参数的改变而变化，例如： t a d d 、t d r o p ，还有无线传输特性和接收导频信号强度e ，。值等参数。因此， 大量的研究集中在软切换参数设置对于系统的影响【3 6 州】，例如：导频加入门限 t a d d ，导频去掉门限t d r o p 等参数的设置对c d m a 系统的性能影响。为了更 好的对c d m a 系统软切换进行分析，把蜂窝区域划分成软切换区域和非软切换区 域1 4 ，详细分析切换过程，并对c d m a 系统的性能参数进行了数值分析。 过去的研究都没有考虑移动用户的移动性和软切换区域的大小对软切换性能 的影响，本文针对软切换中移动用户的移动性，研究了信道占用时间和呼叫到达 率等参数与移动速度和软切换区域的大小的数学关系，并对不同速度条件下的软 切换性能参数进行了数值分析和仿真。 1 5 本文主要研究内容及结构 本文研究了c d m a 系统的越区切换技术，重点分析了在软切换中移动用户的 速度与业务量参数的关系，对不同速度下的软切换性能参数进行了数值分析和仿 真。 从结构上来看，本文由四个章节组成。 第一章介绍了越区切换技术研究背景、发展概况和研究现状，回顾了移动通 信系统的发展，给出了论文的研究内容及结构。 第二章简要介绍了c d m a 系统通信原理及其关键技术，为越区切换技术的 展开作铺垫。 第三章对c d m a 系统越区切换的概念、过程和类型进行简要研究，并用马 尔可夫( m a r k o v ) 链对几种典型越区切换策略进行了分析。 第四章重点介绍c d m a 系统软切换技术，包括软切换过程、算法和信令流 7 c d m a 系统越i 蔓切换投术研究 程，分析了不同速度条件fc d m a 系统的软切换性能。在软切换性能分析中，采 用了正方形软切换模型，在此模型上分析了软切换区域的大小和移动用户的速度 对软切换性能参数的影响，对不同速度条件下的软切换性能参数进行了数值分析 和仿真。 最后对全文作了总结，并指出本文的研究工作的不足之处和进一步的研究方 向。 由于本人的能力有限，本文有不足之处，敬请批评和指正。 第2 章c d m a 通信原理 近年来，c d m a 技术已经广泛应用于数字移动通信领域，由于其频率利用效 率高，抗干扰能力强，已经成为蜂窝移动通信系统的主流技术。第三代移动通信 系统( 3 g ) 的主要制式就是建立在c d m a 技术上。本论文重点c d m a 移动通信系统 的越区切换技术。因此掌握c d m a 系统的通信基本原理、特点和关键技术是比较 重要的4 5 “”l 。 2 1 c d m a 基本原理 2 1 1 多址接入技术 在蜂窝移动通信系统中，许多用户要同时通过基站与用户通信，因而必须对 不同移动台和基站发出的信号赋予不同的特征，使基站能从众多移动台的信号中 区分出是哪个移动台发出来的信号，而各移动台又能识别出基站发出的信号中哪 个是发给自己的信号，解决这个问题的办法称为多址接入技术。 多址接入技术的数学基础是信号的正交分割原理。无线电信号可以表达为时 间、频率和码型的函数，即可以写作： s ( c ，f ) = “f ) j ( ，) ( 2 1 ) 其中c ( f ) 是码型函数，日( ，f ) 是时间f 和频率，的函数。 当以传输信号载波频率的不同划分来建立多址接入时，称为频分多址方式 ( f d m a ) ；当以传输信号存在时间的不同划分来建立多址接入时，称为时分多址 方式( t d m a ) ：当以传输信号码型的不同划分来建立多址接入时，称为码分多址 方式( c d m a ) 。下面主要介绍c d m a 的基本原理。 c d m a 系统利用码序列正交性和准正交性来区分不同用户，在同频、同时的 条件下，各个接收机根据不同信号码型之间的差异分离出需要的信号。c d m a 系 统为每个用户分配了各自特定的地址码，利用公共信道来传输信息。c d m a 系统 的地址码相互具有准正交性，在频率、时间和空间上都可能重叠。也就是说，每 个用户有自己的地址码，地址码之间互相独立，用于区别每个用户，码分多址系 统工作示意图如图2 ，1 所示。 统工作示意图如图2 ，1 所示。 c d m a 系统越区切换技术研究 发送端 接收端 圈2 1c d m a 系统发、收端实现框图 1 c d m a 扩频和解扩原理 数字通信系统是为了获得最大容量利用率而设计的。根据香农信道容量理论 可以明显可以得出，增大信道带宽可以增加信道容量，如式( 2 2 ) 所示： c = 引0 9 2 ( 1 + 嵩) ( 2 - 2 ) 式中 口一一传输带宽( h z ) ； c - 一一信道容量( b i t s ) ； 卜一信号功率； 一一噪声功率： 因此，对于特定的信噪比( 卧值) ，如果用来传输信息的带宽增加，信道容量 也将随之增大。c d m a 是一种将原始信号在发送之前扩展成宽带信号的技术， c d m a 也往往被称为直接扩频多址接入( s s m a ) 。 发送载频带宽与信道带宽之比称为处理增益佛，也称之为扩频因子。 q = 鲁或锦= 妄 ( 2 3 ) 式中：e 一一信号传输带宽( h z ) ； 且一一信息带宽( h z ) ； 曰一一射频带宽； r 一一信息速率： 与此相关的是信噪比剐和磊l ，其中毛是单位比特的能量，l 是噪声功 率谱密度，可以推出： i o 硕t “学何论义 羔：盟坚：墨。上( 2 4 ) nio x b l j ? g 口 因此，对于特定的嚣j 。要求，处理增益越高则需要的信噪比就越小。第一个 c d m a 系统i s 一9 5 的传输带宽为1 2 5 m h z ，w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 系统 的传输带宽都是5 m h z 。 在c d m a 中，每个用户分配一个独立的码序列( 扩频码) 用来将信息信号扩展 到宽带信号再进行发送。接收机知道用户的码序列，就可以解码恢复出原数据。 扩频和解扩是c d m a 系统最基本的功能操作，如图2 2 所示，假设用户数据经 过b p s k 调制，比特速率为月。扩频操作是每一个用户数据比特和一个n 比特的扩 频码序列相乘，得到一个码片。在这里n = 8 ，因此扩频因子就为8 。也因为这里是 假设的b p s k 扩频调制，结果扩频数据速率为8 r ，而且和扩频码( 伪随机序列) 一样以相同随机方式出现。数据速率经过扩频因子为8 的扩频，与此相对应，用户 数据信号占用频谱乘以扩频因子进彳亍扩展。这个宽带信号就可以通过无线信道进 行发送。 s y m b o l 图2 2 扩频和解扩 在解扩的时候，接收到的扩频后的用户数据也是和8 比特的码片逐比特进行相 乘。如图2 2 ，原始用户数据就可以正确地恢复过来。 2 c d m a 通信的基本原理 c d m a 通信与传统的通信系统相比较，发送端多了扩频调制，接收端多了扩 频解调。c d m a 通信在发送端将待传的话音，通过模数( d ) 转换将模拟语音转 变成二进制数据信息，通过高速率的伪随机扩频调制，从原理上讲，两者相乘， 扩展到一个很宽的频带，因而在信道中传输信号的带宽远远大于信息带宽。在接 收端，接收机不仅接收到有用信号，同时还接收到各种干扰和噪声。利用本地产 生的伪随机序列进行相关解扩。本地伪码与接收到的扩频信号中伪码一致，通过 相关运算可还原成原始窄带信号，顺利通过窄带滤波器，恢复语音数据，再通过 数模( d ，a ) 转换，恢复原始语音。接收机接收到的干扰和噪声，由于和本地伪随 c d m a 系统越【置切换技术训咒 机序列不相关，经过接收解扩，将干扰和噪声频谱大大扩展，频谱功率密度大大 f 降，落入窄带滤波器的干扰和噪声分量大大下降，因此在窄带滤波器输出端的 信嗓比( 或信干比) 得到了极大改善，其改善程度就是扩频的处理增益。 2 1 2c d m a 系统的正向链路 c d m a 移动通信系统中。基站和移动台之间的通信即空中接口尤为关键，其 中基站发往移动台的信号线路称为正向链路( 下行连路或前向链路) 。同理，由移 动台发往基站的信号线路，称为反向链路( 上行链路) 。 为了简要地说明c d m a 空中接口的通信原理，我们仅以3 个移动用户为例。 图2 3 给出了正向链路组成方框图。 g ( f ) s ( ，+ 仍) q o 一) 图2 ，3 简化的c d m a 系统的正向链路组成图 由图2 3 可知，基站待发送的二进制数据分别为岛o ) 、吃) 和毛( f ) ，其中魏( f ) 发往移动用户a 、也( f ) 发往移动用户b 和岛( f ) 发往移动用户c 。各路信息数据分 别经过伪随机码扩频。6 l ( f ) 、6 2 ( r ) 和屯( ，) 分别由伪随机码q ( f ) 、乞( r ) 和c 3 ( r ) 扩频 后信号分别记作m ( f ) 、儿( f ) 和乃o ) 。将咒( f ) 、儿( f ) 和弘( r ) 合路求和为y o ) ，然后 通过射频调制送往天线发射出去。 将m ( f ) 、儿( f ) 和乃( d 进行相加，注意这里是电平信号，故是普通加法，不是 模2 相加。设合路器输出为y “) ，即有： 33 “f ) = 乃( f ) = 屯( f ) 勺( f ) ( 2 5 ) j ；ij = 1 合路后是一个多电平的信号y o ) ，合路器输出的信号y ( f ) 经射频调制，即 _ y o ) c o s 由，其中国。= 2 万互，z 为载波频率。 移动台接收过程为解调、解扩和积分判决( 即比特检测) 来恢复数据。由于 筹 母 一 弩9 再 坝十。i ? 位论文 移动台a 、b 和c 处于不同的地方， i ；| 此基站发送的合路信号到达不同移动台的传 输损耗和传输时间都是不同的。对于某 个移动台( f ) 而言，其接收机输入端是 z ( f ) ，即： 3 0 ( f ) = 4 【0 ( f f ，) o ( f 一0 ) 】c o s ( 国。f 识) ( 2 6 ) j = l 上式包含了所需的信号和其他用户的信号。 下面先讨论移动用户a 的接收过程： 接收机核心部件是相干解调、解扩。薯( f ) 通过解调器，与c o s ( 纹r + 识) 相乘， 即得发端的合路信号“r ) ，然后与本地伪码q 0 一f i ) 相乘，因为c 。o 一 ) c l ( f f ) = p ， 所以y ( f ) 与本地伪码相乘( 实质是解扩) 可恢复出6 l ( f ) a 同样道理，移动用户b 和c 接收信号的过程与上述过程是相似的，只不过本地 伪码分别是c 2 ( r ) 和c 3 ( r ) 。 2 1 3c d m a 系统的反向链路 在c d m a 系统中，由移动台发往基站的无线线路，称为反向链路( 也称为上 行链路) 。图2 4 给出了c d m a 系统反向链路组成方框图。 q ( ，)