（计算机应用技术专业论文）cdma系统的软切换技术的研究与改进.pdf

硕十论文 c 0 t 0 系统的软切换技术的研究和改进 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晟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，先用相同颓率与 新基站建立连接( m a k eb e f o r eb r e a k ) ，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 系统的软切换技术。首先分析了c d m a 系统原理和软切换过 程，运用马尔可夫链讨论四种不同机制的切换策略：无优先级的切换、先进先出的排队 切换、信道预留的切换、信道预留和排队相结合的切换：然后分析系统容量、系统负载 以及中断概率之间的相互关系，深入研究软切换传统算法，并在此基础上提出改进的软 切换算法，新的算法结合基于剩余容量的接纳控制机制，在考虑路径损耗的同时也考虑 了小区的剩余容量，与传统算法相比，改进算法在移动台进行软切换时选择了更优的目 的摹站，使得信道资源得到合理分配和利用；最后使用m a t l a b 工具对软切换算法进行仿 真，采取六边形的小区模型，将中断概率、阻塞概率以及软切换成功概率作为衡量系统 性能的指标，仿真结果表明：改进算法町以提高系统的服务质量，改善系统性能。 关键诃：c d m a ，软切换，剩余容量，中断概率，阻塞概率 硕士论文 c d 姒系统的软切换技术的研究和改进 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 nm a t c h e st h ed e m a n do fm o d e ms o c i e t yi nc o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u ew i t hi t sf l e x i b i l i t ya n dc o n v e n i e n t ，s o f th a n d o f fi st h ek e yt e c h n i q u ew i t hw h i c ht o p u r s u et h ec a p a c i t ym a x i m u ma n dt oi m p r o v et h eq u a l i t yo fs e r v i c ei nc d m am o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s o f th a n d o f fm a k et h ec h a n n e lo fm o b i l es m t i o nc a nb es w i t c h e dt o a n o t h e rb a s es t a t i o nw i t hn e wl i n kb e f o r eb r e a k i n gt h eo l dl i n k , t h i st a c t i cm a k e sh a n d o f f s m o o t h l ya n dw i t h o u ti n t e r r u p t i o n s o f th a n d o f ft e c h n i q u em a k e ss y s t e mh a v eag r e a tn u m b e r o f a d v a n t a g e ss u c ha sl o w e ro u t a g ep r o b a b i l i t y , h i g hd i v e r s i t yg a i na n dl a r g e rs y s t e mc a p a c i t y t h i sp a p e rf o c u s e so nt h es o f th a n d o f fo fc d m as y s t e m f i r s t l y , t h ep r i n c i p l eo fc d m a a n dt h ep r o c e s so f s o t th a n d o f f a r eb r i e f l yi n t r o d u c e d ，a l s om a r k o vc h a i ni sa p p l i e dt oa n a l y z e f o u rt y p i c a lh a n d o f fs c h e m e s ，s u c h 笛n o n - p r i o r i t y , f i f oq u e u i n g ，c h a n n e lr e s e r v e d ，i n t e g r a t e d c h a n n e lr e s e r v e d f i f o q u e u i n g s e c o n d l y , m a k et h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c ho ft h em u m a l r e l a t i o n s h i pa m o n gc a p a c i t y , l o a da n do u t a g ep r o b a b i l i t yo f t h es y s t e m ，s o f th a n d o f f w i l lh a v e ad i r e c ti m p a c to nt h eq u a l i t yo fs e r v i c e s ，a sw e l la so nt h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m a f t e rs t u d y i n gt 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 ，p u t t i n gf o r w a r da ni m p r o v e da l g o r i t h m ， a n dt h en e wa l g o r i t h ma d o p tt h es t r a t e g yo fc a l la d m i s s i o nc o n t r o lw h i c hi sb a s e do nr e s i d u a l c a p a c i t y ，i tn o to n l yc o n s i d e rp a t hl o s so fm o b i l eb u s i n e s sb u ta l s or e s i d u a lc a p a c i t yo fs y s t e m c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a la l g o r i t h m ，t h ei m p r o v e da l g o r i t h ms e l e c t st h eb e t t e rt a r g e tb a s e s t a t i o ni nt h ep r o c e s so fs o f th a n d o 最s ot h a tm a k et h ea l l o c a t i o na n du t i l i z a t i o no fc h a n n e l r e s o u r c e sm o r er e a s o n a b l e f i n a l l y ，m a k et h es i m u l a t i o nb yt h em e a n so fm a t l a bt o o l ，a d o p t e d h e x a g o ns o f th a n d o f fm o d e l ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s s u c ha so u t a g ep r o b a b i l i t y , b l o c k i n gp r o b a b i l i t ya n ds u c c e s s f u lp r o b a b i l i t yo fs o f th a n d o f fc a n b ei m p r o v e di nt h en e wa l g o r i t h ma sw e l la sq u a l i t yo f s e r v i c e k e yw o r d s ：c d m a ，s o f th a n d o f f , r e s i d u a lc a p a c i t y , o u t a g ep r o b a b i l i t y , b l o c k i n gp r o b a b i l i t y u 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 娜年月猡日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。一 碱生躲雄，唧年苫月劈日 硕士论文c d 姒系统的软切换技术的研究和改进 1 绪论 1 1 引言 随着计算机技术和通信技术的蓬勃发展，人们对通信需求日益增长，移动通信在+ 全球范围内得到前所未有的发展。通信的移动化被公认为通信的主要目标和形式，因 此移动通信正在成为世界电信业中发展最快、前景最广的技术之一，成为信息时代的 一个重要标志。其中，c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 移动通信技术因其独特 的软容量、软切换、宏分集、同频覆盖以及灵活的变速率等优点，已经成为移动通信 系统的主流技术。在移动通信技术飞速发展的今天，涌现出了诸如移动电话和移动计 算等全新的通信业务，对原有紧张的无线频谱资源提出了更高的要求。因此，如何提 高有限的无线频谱资源的利用率，使系统容纳更多的用户，即增大系统的容量，成为 目前研究的热点之一。无线通信系统的研究涉及了诸如功率控制、软切换、负载控制、 接纳控制、多用户检测、信源编码和调制技术等课题。本论文集中精力研究c d m a 通信系统中的软切换技术，确保移动通信网业务的无缝通信。 切换是指将当前正在进行通话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【l 】。切换分为两大类：硬切换和软切换。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。 软切换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 l 的导频信号强度大于导频力n a f 3 限( ta d d ) 时，保持现存的通信链路并和新基站 建立新的通信链路。c d m a 系统中移动用户使用同一频率，这个特点给c d m a 系统 支持软切换提供了必要条件。 在移动通信系统中，切换已成为追求最大系统容量和提高通信质量的关键技术， 也是无线资源管理的一个重要组成部分，对管理和优化系统资源有着极其重要的作 用。研究软切换对容量、小区负载及业务质量的影响对未来c d m a 系统无线资源规 划有相当大的指导意义。本文重点对c d m a 系统中的软切换技术进行研究，论述切 换的概念、切换过程和切换的典型策略，研究软切换传统算法，在此基础上考虑资源 利用，结合基于剩余容量的接纳控制机制提出一种改进的算法，并进行数值分析和仿 真，体现改进算法的优势。 1 2 移动通信系统演变概述 自从1 9 7 9 年第一个移动通信网络建立以来，移动通信系统经历了翻天覆地的变 顾上论文c d 姒系统的软切换技术的研究和改进 化【1 1 1 2 1 。 1 2 1 第一代移动通信系统( 1 g ) 第一代移动通信系统属于模拟蜂窝移动通信系统，采用模拟信号处理话音和频分 多j a i ：( f d m a ) 技术，工作频段为4 0 0 8 0 0m h z ，采用了频率复用和多信道共用技术。 它的缺点是频谱利用率低、通信容量小、保密性差，无法提供非语音业务。第一代以 模拟制式为代表的空中无线接口的应用主要有：n m t ( f l e 欧) 、t a c s ( 英国) 、a m p s o g 美) 等。多种标准的存在使得彼此不兼容，不能互联互通。尽管如此，它的出现为现 代移动通信奠定了发展的基础。1 9 8 3 年美国在芝加哥开通的a m p s ( a d v a n c em o b i l e p h o n es e r v i c e ) 蜂窝系统是第一代移动通信产品的代表。模拟蜂窝移动通信系统很快就 显现出了阻塞率高、呼叫中断率高以及蜂窝系统的干扰大等缺点，系统的容量根本无 法满足实际需求，系统迫切需要增加系统容量。因此需要新的技术来适应市场的需求， 很快模拟移动通信系统就被第二代移动通信系统取而代之。 1 2 2 第二代移动通信系统( 2 g ) 第二代移动通信系统属于数字蜂窝移动通信系统，主要有两大类，一类是采用 t d m a 即时分多址技术的系统，如美国的d a m p s 、欧洲的g s m 及日本的p d c 等。 第二类是采用c d m a 即码分多址技术的系统，主要技术代表有美国的窄带c d m a 。 采用数字技术的蜂窝系统相比模拟蜂窝系统来说具有很多优点：频谱利用率高、系统 容量大、保密性能好等。如今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 n ) 已发展 成为全球最重要的第二代移动通信标准之一。美国q u a l e o m m ( 高通) 公司的倡导者提 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，被美国 电信工业协会正式确定为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2 g 系统提供比1 g 系统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，虽然可以传输低速的数据业务，但有限 的带宽限制了数据业务的应用，因此语音业务仍是其主要的承载业务。在i n t e m 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2 g 系 统发展的障碍，因而必然向第三代系统演进。 ， 在通往第三代系统的过程中，g s m 移动通信系统和i 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 取决 于技术难度、投资规模以及未来通信系统发展的趋势和市场需求等多方面的因素。 g p r s 是在g s m 系统上发展出来的一种新的承载业务，以目前广泛使用的g s m 系 2 硕士论文c d 姒系统的软切换技术的研究和改进 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，适于现有网络的建设和升级。c d m a 标准的发展，已 走过了i s 9 5 a 、i s 一9 5 b 和e d m a 2 0 0 0l x ，并正向e d m ae v - d o 、c d m ae v - d v 阶段发 展。c d m a 技术的优势在于它的容量大，对于高速数据业务的升级比较容易，建网 成本较低。 1 2 3 第三代移动通信系统o g l 国际电信联盟0 t u ，简称国际电联) ，在2 g 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 ) ，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。 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 、e 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的先进移动通信网，基本实现个人通信系统。 i m t - 2 0 0 0 系统主要目标可以概括为以下几个方面：保证1 4 4 k b i t s 移动通信业务 和全面覆盖，最好能达到3 8 4 k b i t s ；在一定覆盖区域内提供2 m b i t s 移动通信业务： 提供对称和非对称两种数据业务；提供电路交换和包交换两种连接；执行i p 协议负 载能力：全球漫游能力；比现存移动通信系统更高的频谱效率；更加灵活地引用新业 务。 从运营商和用户的角度来看，3 g 能够提供用户高速的多媒体、虚拟居家环境等 业务。运营商希望能提供标准开放的接口、减少投资、提供统一平台增强网络和用户 的管理工具和业务质量的区分。因此，u m t s = 数据+ 话音+ 附加业务+ q o s + 低花 费+ 高容量+ 。 1 2 4 第四代移动通信系统的问世( 4 g ) 当3 g 已经开始全面商用化的时候，4 g 技术已经悄然问世。a t & t 公司研究4 ( 3 技术的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。 硕| 。论文c 眦 系统的软切换技术的研究和改进 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 e r n 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 s 1 4 m b p s 。 1 3 软切换概况和发展现状 c d m a 系统的软切换是移动台辅助的切换，由移动台发起。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，然后由基站向移动交换 中一l , ( m s c ) 报告并记录下来。m s c 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同时从移动台收发相同的信息。对于前向信道，移动台 r a k e 解调器同时解出两基站发出的信号，然后加上一定的时延进行相干合成。对于 反向信道，通常两个基站对每帧或每个信息包独立进行解调与解码，分别将自己的解 码信息交给m s c 去仲裁。在移动台从一个小区穿越进入邻近小区之前，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链路。当原始基站的信号比新基站 信号弱了许多而不能正确的解调和解码时，移动台就会断开与原始基站的连接或者由 原始小区基站采取行动来使移动台脱离此小区d 】。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等。软切换是在相同c d m a 频道上进行的切 换，它无需改变收发频率，只需要调整和引导码的相位，保证了切换的无缝性。另外， 软切换不是对所分配的信道在物理上改变，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三方之间的切换。 软切换概念提出之后，国内外学者对其展开了大量研究。文献【】对软切换进 行一些基本的研究，介绍了软切换的基本概念、实现过程、软切换模型及参数定义等。 文献 1 0 1 4 在无优先切换策略下对软切换模型及算法进行研究。文献 1 5 1 7 】根据切 换请求比新呼请求优先级高的原则，提出了为切换“预留信道”的策略来达到减少软 切换失败率的目的。为了进一步提高信道利用率，文献 1 8 2 0 提出了动态预留信道 策略，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，使软切换性能有 更好的改善。预留信道虽然降低了切换呼叫的失败率，但也降低了信道利用率。文献 f 2 l 2 4 】中提出了对切换呼叫进行排队的策略，即当没有可用信道时，对切换呼叫进 行排队。这些对软切换算法的优化，提高了系统资源的使用效率。随着业务多元化的 发展，文献 2 5 - 2 s 针对不同的业务呼叫进行不同的排队优先处理的策略以及排队和 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。尽管这些算法的侧重 点和适用范围不同，但是各有各的特点和优势。另外，在软切换中，系统的性能随着 4 硕士论文c d 卧系统的软切换技术的研究和改进 软切换相关参数的改变而变化，例如：t _ a d d ，t _ d r o p ，还有无线传播环境及接收 导频信号强度毛肌值等参数。文献 2 9 , - - 3 3 1 1 集中研究软切换参数的设置对于系统性 能影响。 1 4 软切换的地位和研究意义 c d m a 系统由于同频的特点支持软切换技术。切换是移动通信系统必须具备的 最基本功能，它作为无线资源管理饵r m ) 的重要组成部分：必须与功率控制、接纳控 制、负载控制等r r m 算法协调，才能做到网络的整体优化。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。 在网络结构、资源管理方式和各种先进技术的组合日趋复杂的情况下，如何在不 同的系统负载和移动环境下保证系统的服务质量、维持系统的覆盖并达到最大的资源 利用率，逐渐成为设计切换算法重点需要考虑的内容。软切换保证移动用户在穿越小 区时通话的连续性。好的切换机制可以减少乒乓效应，保证呼叫的数据分组正常传输 而不会丢失，提高通信质量因此软切换机制应进行大力研究和发展应用。 软切换是一个非常复杂的问题。它不仅涉及小区的结构和大小、业务类型、小区 内移动台数目和可用信道数目、发射功率、天线高度以及无线电波传播特性等因素， 还涉及门限和容限等参数的选择。虽然在研究和应用中已经实现了切换的功能，但还 存在有待于进一步完善的必要性。因此有关切换的问题，不但涉及对现有问题的进一 步研究，还涉及到对应用中出现的一些新问题的优化，如对微小区的重迭及阴影区域 的处理，等等。 1 5 本文主要研究内容及结构 通过阅读大量文献可知在软切换传统算法中，移动台进行软切换时从激活集中选 择传播路径损耗最小的基站为最佳目的基站，它忽略了基站所在小区当前的负载这个 重要因素。可以想象在移动台向收到导频信号最强的基站进行软切换时，假如这个基 站没有空闲信道，即此时该基站已经无法容纳更多用户，那么通话就可能被强制中断， 不能保证移动台在移动过程中通信的连续性。用户难以忍受通话过程中的中断，它明 显地降低了系统的服务质量。本文通过对干扰受限的c d m a 系统进行容量分析，得 出了系统在高负载时接纳新用户需付出更大代价的结论，由此启发，在改进软切换算 法时额外地考虑小区的负载，预测小区剩余容量和路径损耗并计算比值，选取比值最 大的基站作为软切换的最佳目的基站，从而降低因软切换失败而导致的掉话概率，平 衡各小区的负荷，保证移动台软切换过程的平滑性。 从结构上来看，本文由六个章节组成。 硕士论文 c w 系统的软切换技术的研究和改进 第一章介绍了课题研究背景、回顾了移动通信系统的发展，综述了软切换概况、 国内外研究现状和研究意义，给出了论文的研究内容及结构。 第二章简要介绍c d m a 系统扩频通信原理及其无线资源管理等关键技术，分析 了系统掉话概率和仿真技术，为深入研究软切换技术提供理论基础。 第三章对c d m a 系统中切换的概念、切换类型、软切换算法及过程进行系统地 研究，分析软切换的性能和导致失败的因素，并用马尔可夫链( m a r k o v ) 针对四种典型 的切换策略进行详细地研究和分析。 第四章重点研究c d m a 系统软切换算法。通过对无线信道模型、多小区间存 在的干扰、系统容量以及中断概率的分析，考虑小区负载，研究基于传输负载的动态 软切换算法，并且在传统算法的基础上结合对基于剩余容量的接纳控制技术的研究， 提出改进的软切换算法。 第五章选取六边形蜂窝模型，对算法进行数值分析和仿真，并得出结论。 第六章对全文作了总结，指出本文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，文中不足之处，敬请批评和指正。 6 硕士论文c 蹦 系统的软切换技术的研究和改进 2c d m a 通信系统原理 众所周知，时分多址( t d m a ) 、码分多址( c d m a ) 和全球移动通信系统( g s m ) 是蜂 窝移动通信市场的三大标准。其中c d m a 因其技术上的优势以及作为第三代移动通 信基础的独特地位，又被称为2 5 g 技术，并在全球范围内日益受到广大运营商和消 费者的青睐，显示出广阔的发展前景。c d m a 技术利用数字传输方式和扩频通信技 术，大幅度地提高了频谱利用率，具有容量大、覆盖范围广、手机功耗低、话音质量 高等突出优点，它以独特的魅力在全球得到了快速发展。在通信走向个人化的时代背 景下，c d m a 网络更是呈现出高速稳步发展的态势。亚太市场被认为是潜力巨大的 c d m a 市场，而中国联通c d m a 网络的建设更将促迸全球c d m a 网络的大发展。 可见掌握c d m a 移动通信系统的基本原理和关键技术1 3 4 1 1 3 5 1 是非常重要的。 2 1c d m a 概念及原理 2 1 1 多址接入技术 在蜂窝移动通信系统中，小区内许多用户需要同时通过基站进行通信，为了使基 站能从众多移动台的信号中区分出是哪个移动台发出的信号，各移动台能识别出基站 发出的信号中哪个是发给自己的信号，必须对不同移动台和基站发出的信号赋予不同 的特征，因此产生了多址接入技术。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 p ，f ，f ) = c ( t ) s ( f ，f ) ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中c ( f ) 是码型函数，s ( f ，) 是时间t 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阃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 ) 。 2 1 2c d m a 的基本原理 c d m a 是码分多址的英文缩写( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ，它是在数字技术 的分支扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。c d m a 技 术的原理是扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽远大 于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并 7 硕士论文 c d i i a 系统的软切换技术的研究和改进 发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽作相关处理，把带宽信号 换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信。具体实现过程如图2 1 2 1 。 图2 1 2 1 扩频通信原理图 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 得出，增大信道带宽可以增加信道容量，如式( 2 2 ) 。 c = b o l 0 9 2 ( + 争 ( 2 2 ) 其中：b ：传输带宽( h z ) ：c ：信道容量( b i f f s ) ：s ：信号功率；n ：噪声功率； 由式( 2 2 ) 看出可以通过加大带宽b 或提高信噪比s n 来提高信道容量c 。换句 话说，当信道的容量c 一定时，增加信号带宽可以降低对信噪比的要求。通过用宽 带传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。扩频技 术是一种鲁棒性很强的通信机制，可以在恶劣的干扰下通信。c d m a 网络中的每个 用户占有相同的带宽，都可以在整个可用公共信道上传输信息，使用的是对于每个用 户来说唯一的伪随机码，即p n 码，它具有准正交性，在频率、时间和空间上都可能 重叠。由于扩频信号扩展了信号的频谱，所以它具有一系列不同于窄带信号的性能， 如：多址能力、抗多径干扰能力、抗人为干扰能力、抗窄带干扰能力、具有隐私性能 和低载获概率的性能。 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g 。，也称之为扩频因子。 b ib u p2 言 或者g p 。一r ( 2 3 ) 其中：目：信号传输带宽( 1 - l z ) ；b ，：信息带宽( 1 - i z ) , b ：射频带宽；r ：信息速率； 8 硕 论文c d i l a 系统的软切换技术的研究和改进 与此相关的是信噪比s n 和信干比如f o ，其中岛是单位比特的能量，“是噪声 功率谱密度，可以推出： 羔：兰世：旦上 一= 一= 一x 一 ，o 舢，og p ) ， 因此，对于特定的要求磊如，处理增益越高需要的信噪比就越小。 采用c d m a 扩频通信技术的系统具有系统容量大、软容量、通话质量好、频率 规划简单、建网成本低以及通话保密性强的特点。 2 2 无线资源管理( r r m l 无线资源管理p 6 】负责空中接口资源的利用，确保系统的服务质量( q o s ) ，从获得 规划的覆盖区域以及提高容量的角度来看它是必不可少的一环。 c d m a 系统无线资源管理技术主要包括功率控制、软切换、负载控制、接纳控 制和分组调度等。由于c d m a 系统是自干扰系统，因此系统中所有无线资源管理和 控制策略都是以系统中基站和移动台的发射功率与总干扰电平为中心的，其根本目的 就是尽可能地减少基站和移动台的发射功率，降低系统中干扰电平，在保证系统运行 稳定并提供一定通信服务质量的前提下，最大限度地提高系统容量。 图2 2 i 中所示为c d m a 网络无线资源管理功能的典型配置。 图2 2 ic d m a 网络中r r m 功能的典型配置 ( 一) 功率控制 在c d m a 系统中，功率控制是项重要的无线资源管理控制方法。由于c d m a 系统是干扰受限系统，为了达到最大的容量，在反向链路需要减少由每个移动台引起 的干扰功率，避免所谓的远近效应。如果反向链路不进行功率控制，一个离基站较近 的移动台可能会阻塞整个小区，引起小区内部通信障碍。而在前向链路，通过对基站 发射功率的调整，使其能够满足前向链路的q o s 值，达到顺畅通信所要求的信干比 值。主要的功率控制方法分三种：开环功控、闭环功控和外环功控。 9 顾士论文c d 姒系统的软切换技术的研究和改进 ( 二) 软切换 t 软切换指的是同一个频率下，不同小区之间的切换。在进行切换的时候移动台与 激活集中两个或两个以上的基站同时保持通信，选择两者之问通信条件最好的基站为 该移动台的所属基站，在断开移动台与原始基站连接之前已经建立了与新基站的连 接，这样既保证了通信的无缝性，也达到了系统所要求的q o s 值。软切换减少了“乒 乓效应”的产生，为前向信道提供了宏分集增益，并且能够有效的改善系统的覆盖。 如何选择目标基站关系到软切换算法的性能。 ( 三)接纳控制 c d m a 系统是个干扰受限系统，当空中接口的承载增加，为了保持小区的性能， 小区的覆盖范围会比规划的范围小，这就是所谓的“小区呼吸”概念。小区呼吸的存 在使得系统在接入一个新的用户之前必须对它的性能进行检测，确保它不会牺牲规划 的覆盖范围和当前网络的q o s 值。通过接纳控制，系统会评估是否建立这些承载或 拒绝建立无线接入承载的请求。一股来说，接纳控制分为三类：基于宽带功率的接纳 控制策略、基于吞吐量的接纳控制策略和基于连接数的接纳控制。 ( 四) 负载控制 无线资源管理的一个重要作用是保证系统不过载并保持稳定。即使接纳控制方法 运行得很好，系统也可能发生过载。当过载发生时r 无线资源管理中的负载控制策略 将指导系统的各项参数，来保持系统的稳定，使得系统能够迅速回到网络初始规划时 期所要求达到的性能。负载控制有许多方法，主要有以下几种： 前向链路快速负载控制：拒绝移动台的功率提升命令； 反向链路快速控制：降低基站目标e 。z 。值； 以控制方式断话； 减少数据包的吞吐量； 切换到另一个载频； 启用扩大负载控制策略：通过这个策略，基站减少其发射功率，迫使在小区 边缘的用户选择邻小区作为其目标小区进行切换，降低对原先小区的负载。 2 3c d m a 通信网络掉话分析 在庞大的c d m a 移动通信系统中，网络优化甚为重要。c d m a 系统的干扰受限 特性带来了软容量的优点，网络优化不仅能改善网络的性能和服务质量，还能增加系 统的容量。c d m a ，网络的性能通常由语音质量、掉话率、起呼失败率、系统容量、 误帧率以及软切换比率等确定。很多用户认为掉话比起呼失败更难以忍受，因此通过 对掉话的分析，可以加强网络优化，提高网络运行效率，提高服务水平和服务质量。 0 硕士论文c d 姒系统的软切换技术的研究和改进 在c d m a 网络中要求通话时在移动台和基站之间保持良好的反向链路连接，如 果这个链路由于任何原因被中断，那么移动台就失去了精确的功率控制，移动台将调 整自己的发射功率，可能造成以自己的最大功率发射，对整个系统造成很大的干扰， 迫使通话中断。 掉话原因分析： 1 接入切换冲突引起的掉话； 2 切换失败引起的掉话：切换准许算法引起的软切换失败、切换信令引起的软 切换失败、资源分配引起的软切换失败等。 3 前向链路干扰掉话： 4 前反向链路功率不平衡掉话； 5 覆盖掉话； 6 业务信道发射功率设置不合理造成掉话； 由此可见，切换失败是引起掉话的一个重要因素，研究和改进软切换算法有利于 提高通话质量，为移动用户提供更好的服务。 2 4c d m a 系统仿真技术 目前计算机仿真【3 7 1 在社会各方面都有很好的应用，它在如今的航天技术、经 济发展预测、生物医学的研究等领域发挥着不可替代的作用。随着通信技术的同新月 异的发展，新技术和新成果不断出现，如何经济有效地验证新技术和新系统的性能成 为所有通信研究人员必须面对的问题。直接在硬件上实现一个新系统来测试其性能是 不现实的，因为会消耗大量的人力、财力和物力，导致投资庞大，收效甚微，因此计 算机仿真就成了一种比较好的选择。一般来说，任何新的通信技术总要经过多次计算 机仿真确认其良好性能之后，才会被投入商用。 c d m a 技术的仿真一般分为链路级仿真和系统级仿真两类。 ，。 c d m a 的链路级仿真主要是对c d m a 物理层的无线传输技术( 如编码、调制和扩 频等) 进行仿真。链路级仿真既可以对某项单独的无线传输技术( 如卷积编码和t u r b o 编码) 进行仿真，得到该技术在不同无线信道下的性能；也可以对c d m a 通信系统中 物理链路进行仿真。链路级仿真得到的结果一般是在不同无线环境下的误比特率 ( b e r ) 、误块率或误帧率与信噪比( s n r ) 的关系曲线。链路级仿真主要有两个用途， 一个用于检验无线传输的技术性能，二是检验无线系统的端到端性能，并为系统级仿 真提供数据支持。 c d m a 系统级仿真主要是针对c d m a 无线接入系统进行仿真。系统仿真既可以 对整个无线接入系统进行仿真，得到其在不同无线环境、系统负载以及外界干扰下的 硕t 论文c d 系统的软切换技术的研究和改进 系统性能( 如容量等) ：也可以对无线接入系统的某项技术( 如软切换技术、无线资源分 配技术) 单独进行仿真，得到该技术在不同情况下的性能( 如软切换中断概率、系统资 源利用率等) 。系统级仿真一般需要部分链路级仿真的结果。它的输出往往是系统性 能的参数，如话音容量、数据业务吞吐量、覆盖、呼叫中断概率等。系统级仿真有两 个主要用途，一是用于检验无线接入系统的性能，二是用于系统规划和优化。系统级 仿真主要有静态仿真和动态仿真两种。图2 4 1 给出了动态仿真的流程图。 2 5 本章小结 图2 4 1 动态仿真的流程示意图 本章主要介绍了c d m a 扩频通信的基本原理和特点，简述了c d m a 系统无线 资源管理的关键技术，分析了引起掉话的多种因素，为后面章节的展开讨论做铺挚， 最后介绍了仿真技术，强调了仿真技术对于c d m a 网络的性能分析和规划的重要作 用。c d m a 系统中软切换技术是用于改善和提高移动通信可靠性和安全性的关键技 术，本文将在下面章节详细研究软切换技术。 颈士论文c d 姒系统的软切换技术的研究和改进 3c d m a 系统的软切换技术 c d m a 是由多个码分信道共享载波频道的多址连接方式，c d m a 移动通信系统 结合了多址连接、扩频通信和蜂窝网等典型技术，在移动通信领域显示出了独特的性 能。c d m a 系统一般分为窄带c d m a 系统和宽带c d m a 系统，其中系统带宽分别 为1 2 5 m h z 和5 m h z ( 或更宽) ，、第三代系统建议的标准带宽为5 m h z 。下面给出本章 涉及的概念： 切换：指一个正在进行通信的移动终端当从一个小区进入相邻小区时，为保持通 信的连续性而进行的快速信道转换。 前向信道：是基站到移动终端的信道，各基站利用不同的引导p i n 序列码连接相 应的移动终端。 反向信道：是移动终端到基站的信道，它利用每个移动终端具有不同的p n 序列 码作为连接地址，接入到基站系统。 前向链路：是基站到移动终端的链路，包括基站发送和移动终端接收两部分。 反向链路：是移动终端到基站的链路，它提供移动终端随机发射信号和基站接 收信号的通路。 3 1 切换的概念 切换( h a n d o f f ) 也叫做自动链路转移( a l l 3 ，是为了保证移动台通信的连续性，或 基于网络负载和操作维护等其他原因，将移动台当前的通信链路转移到其他小区的过 程，从而达到改善和提高移动通信可靠性和安全性的目的。 图3 1 1 中，m s 为移动台，b s 为基站系统，m s c 为移动交换中心，p s t n 为公 共交换电话网。从图中可以看出，在移动环境下，当其中一个m s 从一个b s 的覆盖 区域内移动到另一个b s 的覆盖区域时，将触发越区的切换。在c d m a 系统中，这 些不同小区内的用户使用相同的频段，因此在越区切换时支持软切换，图右下方显示 了m s 在移动过程中软切换时同时与两个b s 之问存在链路。 硕十论文 c 0 1 1 0 t 系统的软切换技术的研究和改进 图3 1 1 蜂莴移动通信图 切换过程通常包括两个阶段：切换的起始阶段和切换的执行阶段。在起始阶段， 系统将不断地监测对某一移动用户的服务质量，从而决定何时触发切换过程。在切换 的执行阶段，系统将新的资源分配给需要切换的呼叫。 c d m a 系统采用多蜂窝结构，每个b s 都有覆盖范围的限制，以下三种情况将触 发切换： 1 ) 由于信道传输特性的恶化造成移动台接收到的信号下降时； 2 ) 当移动用户从一个小区运动到另一个小区时： 3 ) 当系统为了容纳新的业务丽对系统资源进行重新分配时； 3 2 切换的类型 在c d m a 系统中，切换一般分为1 l ：硬切换、软切换、更软切换、频率问切换 和系统间切换。 图3 2 1 为硬切换和软切换的对比图。 4 颐| ：论文 c d 姒系统的软切换技术的研究和改进 图( a ) 硬切换 。 图( b ) 软切换 图3 2 i 硬切换、软切换对比 硬切换( h a r dh a n d o f f ) 硬切换发生在不同系统的小区或同一系统不同频率的小区之间。m s 在硬切换时 必须改变收发频率，在任何时刻都只有一个业务信道可用，也就是说m s 先要断开与 原服务基站的连接，然后再立即与新基站建立连接，将通信业务转移到新信道上来， 这个过程很快，用户通常感觉不到，但是瞬间的中断也将导致切换时话音质量下降， 若新基站与移动台不能建立连接时则出现掉话。 在c d m a 系统中，硬切换可能发生在以下情况： ( 1 ) 不同频率间的切换； ( 2 ) 不同运营商的基站或扇区间的切换： ( 3 ) 不同系统间的切换( 例如c d m a 切换到g s m ，或a m p s 切换到c d m a 等) ； ( 4 ) 不同帧偏置的信道之间的切换。 软切换( s o f th a n d o f 0 软切换的概念是基于i s 9 5 的c d m a 系统中首先提出并应用的。软切换是指在 切换过程中，在中断与旧基站的连接之前先用相同频率建立与新基站的连接，它只 改变引导信道的p n 序列码，而不改变载波频率。m s 在两个或多个基站的覆盖边缘