（电磁场与微波技术专业论文）cdma蜂窝网络中的一种软切换算法.pdf

摘要 移动通信以其特有的灵活、便捷的优点符合了现代社会人们对通信技术的要 求，成为2 0 世纪8 0 年代中期以来发展最为迅速的通信方式。而c d m a 技术则 是移动通信的“宠儿”，在短短的几年时间里，己经在技术上获得了巨大的突破。 软切换是c d m a 系统的关键技术之，己成功应用于i s 9 5 、w c d m a 系统，并 被第三代移动通信系统所采纳。 本文首先介绍了切换的不同类型，重点放在c d m a 系统中的软切换上，然 后讨论了蜂窝通信系统中的一种切换算法。我们为切换过程建立了一个混合系统 模型，基于这样一个模型提出了优化切换算法的方法。提出了三项指标作为衡量 的标准：信号质量、激活集中基站数和激活集更新次数。在考虑移动台的移动性 和阴影衰落的情况下，讨论了不同的信号合并技术，分别是选择合并、等增益合 并以及取不同信号加权值的两种优化方法，其中我们用维尔金森提出的方法来估 算加权合并后信号的均值和方差。最后用m a t l a b 对混合系统模型进行了仿真， 得到了不同合并技术各项指标的曲线图，并对仿真结果作了分析，得出了本文的 结论。 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 yo n c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ew i t hi t sf l e x i b i l i t ya n dn i m b l e ，i th a sd e v e l o p e d r a p i d l ys i n c e8 0 s i n2 0 mc e n t u r y c d m ai st h e c o s s e t o fm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ，i nf e wy e a r s ，i sh a sm a d eg r e a tp r o g r e s si nt e c h n i q u e s o f th a n d o f fi sak e yt e c h n i q u eo fc d m as y s t e m ，i th a sb e e na p p l i e di n i s 9 5 、w c d m as y s t e m ，a n dh a sa d o p t e db y3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h i sp a p e ri n t r o d u c e sv a r i o u st y p e so fh a n d o f fa n dp u te m p h a s i so n s o f th a n d o f fi nc d m as y s t e m s t h e nw ed i s c u s st h ed e s i g no fs o f t h a n d o f fa l g o r i t h m sf o rc e l l u l a rm o b i l es y s t e m s t h eh a n d o f fp r o c e s si s m o d e l e da sah y b r i ds y s t e ma n dh a n d o f fd e s i g ni sc a s ta sa no p t i m i z a t i o n p r o b l e mb a s e do ns u c ham o d e l t h r e e c r i t e r i aa r ea d v a n c e d ：s i g n a l q u a l i t y 、n u m b e ro fb a s e s t a t i o n si na c t i v es e t 、n u m b e ro fa c t i v es e t u p d a t e s t a k i n gm o b i l i t y o fm o b i l es t a t i o na n ds h a d o wf a d i n gi n t o c o n s i d e lw ed i s c u s sd i f f e r e n tt e c h n i q u e s o fs i g n a lc o m b i n i n g ：s e l e c t c o m b i n e 、e q u a lg a i nc o m b i n ea n da n o t h e rt w oc o m b i n i n gt e c h n i q u e s u s i n gd i f f e r e n tw e i g hc o m p o n e n t w e u s ew i l k i n s o n sm e t h o dt oe s t i m a t e m e a na n dv a r i a n c eo fc o m b i n e ds i g n a l a tl a s tw es i m u l a t eo nt h eh y b r i d s y s t e mb ym a t l a ba n dg e tf i g u r e so fd i f f e r e n tc r i t e r i o n ，f r o mw h i c hw e d r a wo u tc o n c l u s i o n s 南京邮电学院学位论文独创性声明 v7 6 5 1 1 2 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 含为获得南京邮电学院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：臻劾 日期：研究生签名：；条：钳日期： 南京邮电学院学位论文使用授权声明 南京邮电学院、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 南京邮电学院研究生部办理。 研究生签名：垃导师签名；鎏叁皇隰丛丑 南京邮电学院硕1 = 研究生学位论文 第一章绪论 1 1 移动通信系统的发展 第一章绪论 无线通信的诞生可以追溯到1 8 9 7 年m g 马可尼在一个固定站与一艘拖船之间完成的 了无线通信试验。本世纪2 0 年代，现代移动通信技术的发展宣告开始。2 0 世纪2 0 年代 至4 0 年代是现代移动通信的起步阶段。在这段时间里，美国底特律市警察开始使用一种 车载无线电系统，这是一种专用移动通信系统。起初系统工作频率为2 m h z ，到4 0 年代提 高到3 0 - 4 0 m h z 。2 0 世纪4 0 年代中期至6 0 年代初期是从专用移动网向公用移动网的过渡 阶段。在这一阶段，公用移动通信业务开始问世。1 9 4 6 年，根据美国联邦通信委员会( f c c ) 的计划，贝尔系统在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网。这个系统使用三个 频道，间隔为1 2 0 k h z ，通信方式为单工。随后，西德( 1 9 5 0 年) 、法国( 1 9 5 6 年) 、英国( 1 9 5 9 年) 等国相继研制了公用移动电话系统。这一阶段的特点是采用人工接续，通信网的容量 较小。2 0 世纪6 0 年代中期至7 0 年代中期是移动通信系统改进与完善的阶段。在此期间， 美国推出了改进型移动电话系统1 m t s ，使用1 5 0 m l l z 和4 5 0 m h z 频段，采用大区制、中小容 量，实现了无线频道自动选择并能够自动接续到公用电话网。不久，德国也推出了具有相 同技术水平的b 网。2 0 世纪7 0 年代中期至8 0 年代中期是移动通信蓬勃发展时期。1 9 7 8 年底，美国贝尔试验室研制成功先进移动电话系统a m p s ( 先进的移动电话业务) 1 1 ，建 成了蜂窝状移动通信网( 蜂窝网，即所谓小区制，由于实现了频率再用，大大提高了系统 容量) 。1 9 8 3 年，a m p s 首次在芝加哥投入商用。之后，服务区域在美国逐渐扩大普及。其 它工业化国家也相继开发出蜂窝式公用移动通信网，如西德的c 网( 4 5 0 y d 4 z ) 、英国的全 地址通信系统t a c s ( 全接入通信系统) 1 2 ( 9 0 0 m h z ) 、法国的4 5 0 系统( 4 j 0 蚵z ) 。 1 9 8 7 年n 月1 8 同中国第一个t a c s 模拟蜂窝移动电话系统在广东省建成并投入商用。这一 时期的系统主要是依赖第一代移动通信技术( 1 g ) ，采用的是模拟技术和频分多址( f d m a ) 技术。第一代移动通信有很多不足之处。比如频谱利用率低，容量有限、制式太多且互不 兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务、不能提供自动漫游等。2 0 世纪8 0 年代中期丌始是数字移动通信系统发展和成熟时期。解决第一代移动通信技术不足的方法 是开发新一代数字蜂窝移动通信系统。第二代移动通信( 2 6 ) 主要采用的是数字的时分多 址( t d 雌) 技术和码分多址( c d m a ) 技术，频谱利用率高，可大大提高系统容量。数字网 能提供数字化的话音业务及低速数据业务。8 0 年代中期，欧洲首先推出了泛欧数字移动通 壹塞堂皇堂堕堕主堕窒圭兰垡堡兰 釜二兰堕堡 信网( g s m ) 的体系。随后，美国和日本也制定了各自的数字移动通信体制。 由于2 g 系统采用不同的制式( 使用频率包括4 5 0 m 、8 0 0 m 、1 7 0 0 m 、1 9 0 0 m 、8 0 0 9 0 0 m 、 8 0 0 2 1 0 0 m ) ，移动通信标准不统一用户只能在同一制式覆盖的范围内进行漫游，因而无 法进行全球漫游，同时由于2 g 系统带宽有限，限制了数据业务的应用，无法实现高速率 的业务( 如多媒体业务) 。面对用户对于应用的需求和技术的发展，第三代移动通信技术( 3 g ) 网络应运而生，与从前以模拟技术为代表的第一代和目前正在使用的第二代移动通信技术 相比，3 g 将高速移动接入和基于互联网协议的服务结合起来，提高了无线频率利用效率， 能提供快捷、方便的无线应用，能实现高速数据传输和宽带多媒体服务( 传输速度最低为 3 8 4 k ，最高为2 m ，带宽可达5 m h z 以上，使用频率1 8 8 5 m h z 2 0 2 5 m h z ，2 1 i o m h z 2 2 0 0 m h z ) ， 提供全球覆盖，实现有线和无线以及不同无线网络之间业务的无缝连接，满足多媒体业务 的要求。主要技术有w c d m a ( 宽带码分多址) 、c d m a 2 0 0 0 、t d s c d m a 。在亚洲，已有日本、 韩国、中国香港等国家地区应用了3 g 网络。 1 2 切换简介 c d m a 系统支持多种类型的切换，主要类型有硬切换、软切换和更软切换。改进切换 过程和调整切换参数是为了在增强c d m a 功能的同时保持呼叫的完整性。硬切换是时间离 散的事件，当呼叫从一个小区交换到另一个小区或者从一个载波交换到另一个载波时发 生。软切换是一种状态，由多个基站同时支持一个呼叫。硬切换事件必然是短暂的：相反， 移动台经常在相当长的呼叫时间内处于软切换状态。在所有接入技术中都有硬切换( 例如 a m p s 、t d m a 、g s m 和c d m a ) ，而软切换是c d m a 系统所特有的。 i s 一9 j 系统对软切换作了一下的规定：软切换的过程从移动台开始它必须不断测量 系统内导频( p i l o t ) 信道的信号强度。为了有效地对导频信道进行搜索，i s 一9 5 a 系统 中的导频信道被分为激活集( a c t i v es e t ) 、候选集( c a n d i d a t es e t ) 、邻集( n e i g h b o rs e t ) 和剩余集( r e m a i n i n gs e t ) 四个集合。活动集由具有足够信号强度，正在支持移动台呼 叫的导频组成；候选集是由导频强度能够支持移动台呼叫的导频组成；邻近集是由不属于 活动集或候选集，但是有可能参与软切换的导频组成( 例如这些小区可能在已知的邻近区 域内) ；剩余集是由属于c d m a 系统但未包含在其他3 组中的小区导频组成。当移动台测 得邻近集或剩余集中的一个导频的强度超过导频加入门限t _ a d d ；或者候选集中的一个导 频的强度超过活动集中任意导频强度的0 5 * t c o m p ( d b ) ( t _ c o m p 为导频加入比较门限) ； 堕窒堂皇兰堕堡主竺丝圭堂垡堡兰釜二兰笪丝 或者活动集中的导频低于导频丢弃门限t _ d r o p ，并且持续时间达到导频丢弃定时器门限 tt d r o p ，移动台会向基站发送“导频强度测量消息”，报告导频搜索的结果以及切换跌落 定时器的状态。同时“导频强度测量消息”中还应报告有关导频信道相对于移动台时间基 准的相对时间间隔p i l o t a r r i v a l 。基站子系统( b s s ) 通过发送“切换指示消息”( 即分 配给移动台的新的前向业务信道) 来响应“导频强度测量消息”。另外“切换指示消息” 也用来标识从活动集中去掉的导频，移动台将停止使用已从活动集中去掉的导频，并发送 出“切换完成消息”。 一般情况下，处于切换状态下的移动台的数量应该控制在系统用户总数的3 0 左右。 当系统资源不够时，即前向业务信道透支时，可能会造成用户接入某小区不畅( 如延迟或 失败) 。在不改变网络现有设备的情况下，可适当降低系统软切换的百分比，以释放业务 信道来提供正常通信。 1 3 论文的提出及研究内容 作为c d m a 系统中的一项关键技术，有许多论文对软切换进行了各个方面的讨论。参 考文献 1 3 1 4 全面的介绍了软切换，参考文献 1 5 1 1 6 1 7 【1 8 】讨论了软切换的算法， 参考文献 1 9 】 1 1 0 1 1 1 u 1 2 分析了切换参数对软切换的影响，参考文献1 1 1 3 1 1 4 1 1 5 】 讨论了软切换和覆盖、容量的关系，而参考文献 1 1 6 1 1 7 1 1 8 】则对各门限值做出了分析。 本论文并没有把导频信号强度作为判决的唯一条件，而是综合考虑了软切换对系统资 源造成的影响，结合几项指标的加权和作为判决条件，分析了不同的信号合并技术在基于 本论文提出的切换算法条件下，各项指标的表现。还对不同的指标加权系数的变化对系统 指标造成的影响进行了仿真和分析。 1 4 本文的结构 第二章对各种不同的切换类型进行了介绍，包括系统内切换( 又分为频率间切换和频率 内切换) 和系统间切换。重点介绍了软切换的一般算法以及切换测量，还介绍了切换增益、 开销等指标。 第三章对软切换和覆盖、容量的相互关系进行了介绍和分析推导。首先介绍了采用的 传播模型，然后分别讨论了软切换和容量、软切换和覆盖的关系，并进行了公式的推导。 3 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第一章绪论 第四章提出了一种改进后的软切换算法，并对不同的信号合并技术在该算法下的各项 指标进行了仿真和分析，最后做出了结论。 d 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第二章切换 第二章切换 c d m a 系统区别于其它系统的一个重要特点是支持多种类型的切换，切换大致分为 以下几种切换类型。 ( 1 ) 系统内切换：发生在w c d t , l a 系统内。该切换还可以进一步划分为： 频率内切换：发生在同一w c d m a 载波的小区间： 频率问切换：发生在不同w c d m a 载波的小区间。 ( 2 ) 系统间切换：发生在属于两个不同无线接入技术或者不同无线接入模式的小区 间。在w c d m a 和g s m e d g e 系统中最经常发生的是第一种切换。两种不同的c d m a 系统( w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 系统) 之间的切换也属于这种类型。而u t r a ( 通用移动 通信系统) f d d ( 频分双工) 和u t r at d d ( 时分双工) 之间的切换是不同接入模式之 间切换的例子。 2 1 系统内一频率内硬切换 当参与切换的小区受不同的r n c 控制，而且r n c 间切换不能被作为一个软切换执行时 或者软切换不被允许时那么系统内就引入硬切换。系统内硬切换会引起实时无线接入用户 的连接暂时中断，但是它对于非实时用户来说是无损的。切换的判决是由r n c 来完成的， 其前提条件是：要有频率内切换测量结果报告( 该结果由移动台周期性的发送到r n c ，发 送的前提条件是移动台已经报告了一个频率内触发事件且激活集不能被更新) 和相关的控 制参数。测量报告一般都用于整个软切换过程中，因此系统内硬切换是一种移动台估算切 换( m e h o ) 。硬切换的一种简单算法可以基于服务小区和邻小区的主公共导频信道的 e ，。( 接收的码片能量与总的功率谱密度之比) 的平均值以及一个防止小区间发生反复切 换而被用作门限的切换余量。邻小区的测量结果必须满足以下等式才会发生频率内硬切 换： a v e e c i o d o w n l i n k + e c l o m a r g i n ( n ) b e s t p i l o t t i o r e p o r t i n g r a n g e + 1 0 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第二章切换 h y s t e r e s i se v e n t i a ，且激活集未满，则被观察小区加入u e 的激活集列表中， 此事件称为e v e n t i a ( 事件i a ) 或者无线链路增加： 如果在r 期间，p i l o t e 。i o w o r s t o l d p i l o t e i o + h y s t e r e s i s e v e n t i c ，则将激活集中的最弱小区由 最强候选小区( 监测集中最强的小区) 替换。此事件被称为e v e n t i c ( 事件i c ) 或者无线链路加入和删除的组合。假定图( 2 5 ) 中的激活集最大可以容纳2 个小 区。 其中 一- - r e p o r t i n g r a n g e ( 报告范围) 是软切换的门限值； 一- - h y s t e r e s i s e v e n t l a ( 滞后事件l a ) 是加入滞后： 一- - h y s t e r e s is e v e n t i b ( 滞后事件l b ) 是删除滞后： 一- - h y s t e r e s i s e v e n t l c ( 滞后事件1 c ) 是替换滞后； 一- - r e p o r t i n g r a n g e h y s t e r e s i s e v e n t i a 称为增加窗口； 一- - r e p o r t i n g r a n g e + h y s t e r e s i s _ e v e n t i b 称为删除窗口； 一一r 是触发时间； 一- - b e s t p i l o t e c i o ( 最佳导频e c i o ) 是激活集中测量的各 小区导频e c i o 的最强值： 一- - w o r s t o l d p i o t e c i o ( 先前最差的导频e e i o ) 是激 活集中测量的各小区导频e c i o 的最弱值： 一- - b e s t e a n d i d a t e p i l o t e c i o ( 最佳候选导频e c i o ) 是 监测集中测量的各小区导频e c i o 的最强值； 一- - p i l o t e 。，o ( 导频一e 。，o ) 是测量与过滤的量。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第二章切换 小区l 导频 的e c i o 小区2 导频 的e c i o 报告范围一 滞后事件l a = w i n d o w _ a d d 小区3 导频的e c i o 报告范围+ 滞后事件l b = w i n d o w _ d r o p 滞后事件l c 与小区1 相连 事件l a ： a g e c l c = 事件1 b ： 自! ：h k d , 9 2n d , e 3 代替移出小区3 _ _ _ - 卜_ _ _ - 龄一 连接到小区l 2 4 2 软切换增益 软切换连接n d , 区2 首先连接到小区1 和2 然后连接到小区2 和3 图2 5w c d m a 软切换算法的一般方案 软切换的主要目的是提供无缝切换，增加系统抗干扰能力。为实现这个目标，软切换 机制主要提供三种增益，即： 宏分集增益：对抗慢衰落和由于u e 在拐角移动而导致信号强度突然下降的分集增 益； 微分集增益：对抗快速衰落的分集增益： 下行链路负载分担：软切换中的u e 接收来自多个n o d eb 的功率，这样，如果软 切换连接为x 路，u e 得到的最大网络传输功率就为平常的x 倍( 即提高覆盖) 。 这3 种软切换增益可以增加w c d 淞网络的覆盖和容量。微分集增益是相对于理想硬切 1 ， 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章切换 换情况而言的，理想硬切换时u e 被连接到导频e c i 。为最高的n o d e b 。 q ：旭 霉 斟 冒 ：蔷 海 涩 “ 3 ll _ _ 一 1 06 3o 到基站1 和基站2 的相对路径损耗d b n 2 - 6 上行链路发射功率中的软切换增益( 正值为增益，负值为损耗) 图2 - 6 和图2 7 显示了8 k b i t s 话音仿真结果 2 8 ，仿真条件是i t u 步行a 信道， u e 速度为3 k m h ，并且假设u e 和两个n o d eb 进行软切换。考虑u e 到n o d eb # 1 与到n o d e b 菩2 的路径损耗的差值分别是0 ，- 3 ，一6 和一l o d b 的情况。当到两个n o d eb 路径损耗相 同，即路径损耗差值为o d b 时，可以达到最大软切换增益。图2 - 9 显示的是n o d eb 采用 两分支接收天线分集时，上行链路发射功率获得的软切换增益。图2 一l o 给出了没有采用 收或者发天线分集时下行链路发射功率获得的软切换增益。图2 9 和图2 1 0 的增益是软 切换增益与硬切换情况获得的增益的相对值( 差值) ，在硬切换时，u e 只和最好的n o d eb 单链路连接。应当注意的是，i t u 步行a 信道环境仅有少量多径分集，因而软切换增益相 对高一些，当多径分集增多时，切换增益就会降低。 如图2 6 所示，如果u e 与两个n o d eb 之间的路径损耗相同，可以达到最大软切换增 益，由软切换带来的移动台发射功率最多可以降低1 8 d b 。如果u e 与两个n o d eb 之间的 路径损耗相差特别大时，从理论上说，如果这个n o d eb 到u e 的路径损耗与激活集中信号 另一个最强的n o d eb 到u e 的路径损耗相比高出3 6 d b 时，就不会将此n o d eb 加入到激 活集中。此时移动台仅仅和路径损耗最小的n o d eb 建立链路，其它的n o d eb 仅仅试图去 检测u e 的发射信号，所以上行链路的软切换永远不会增加移动台发射功率。但是实际上， 当u e 与两个n o d eb 之间的路径损耗相差特别大的时候，软切换会引起u e 的发射功率增 里室堕皇堂堕堡主竺堑兰兰垡笙兰至三皇塑堡 加。发射功率的增加是由于下行链路传送的上行链路功率控制命令差错引起的。 下行链路最大软切换增益是2 3 d b ( 如图2 7 ) ，比上行链路略高( 如图2 6 ) 。原因是 我们假设下行链路没有天线分集，因而在下行链路中更需要软切换中的微分集。 q 涮 磐 社 盘 拉 划 留 型 1 k 。 j l 一1 0630 到基站l 和基站2 的相对路径损耗d b 图2 - 7 下行链路发射功率中的软切换增益( 正值为增益，负值为损耗) 对于下行链路如果本例中两个n o d eb 到u e 的路径损耗差值大于4 s d b 的话，那 么软切换就会引起所需的下行链路发射功率提高。在这种情况下，从该n o d eb 发送到u e 的信号只能增加整个网络的干扰，u e 不能从路径损耗最大的n o d eb 发射的信号中获得增 益。 这些仿真结果也是图2 5 中两参数w i n d o w a d d 和w i n d o w _ d t o p 的建议值。w i n d o w a d d 和w i n d o w d r o p 的典型值参见表2 一l 。 表2 一l 软切换的典型参数 w i n d o wa d d w i n d o wd r o p jl 3 d b2 5 d b 一 2 4 3 软切换开销 软切换开销是公共计量值，用来测量网络中的发生软切换的频度。软切换开销( 口) 定义为： 1 4 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第二章切换 = n 只一1 式中，n 是激活集的长度，只是u e 处于n 路软切换的平均概率。在这里，如图2 _ 8 所示， 1 路软切换是指u e 只和一个n o d e b 连接，2 路软切换表示u e 和2 个n o d e b 连接。因为 u e 和n o d e b 间的每个连接都需要逻辑基带资源、在i u b 接口( 基站一r n c ) 上预留传输容量、 r n c 资源，所以软切换开销代表对实现软切换所需要的额外硬件传输资源的估计值。无 线网络规划负责软切换参数集设置和基站站址规划，以便软切换开销占3 扇区的标准六边 形小区资源的2 0 4 0 。过高的软切换丌销会降低下行链路容量。下行链路中每个软切 换连接都增加对网络的干扰。如果增加的干扰超过获得的分集增益，软切换就不能给系统 性能提供任何增益。 基站 每路软切换都要从 下面占用资源 n o d e b 基带 信道化码 i u b 接口传输 r n c 1 路软切换 ( 无软切换) 概率p l 图2 8 软切换的开销 基站 v 2 路软切换 概率p 2 基站 在很大程度上，可以通过合理选择w i n d o w a d d 、w i n d o w _ d r o p 和激活集长度这些参 数来控制软切换开销。但是其他一些因素也影响实际的软切换开销，这些因素不能通过软 切换参数的设置来控制。其中一些因素如下： 1 5 。 路径损耗和阴影衰落特性： 霎：垂主塞量三兰薹荸荔一罢曼：j。耋?!真结果是通过动 锄麟絮嚣畿黧鬻姗 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第二章切换 2 4 4 软切换的网络容量增益 软切换的潜在容量增益主要取决于软切换开销( 即小区内处于软切换状态的u e 所占 的比例) 、软切换链路增益和所选用的功率控制算法。软切换中的u e 可以采用两种下行链 路功率控制算法： 一一常规功率控制： 一- - s s d t ( 站址选择分集技术) 方案。 u e 的反馈信息决定s s d t 功率的分配方式控制，激活集中只有1 个n o d e b 发送数据， 其他n o d eb 只发送物理层控制信令。因此s s d t 等效于选择发射分集，切换中u e 的常规 功率控制等效于等增益发射分集。s s d t 的潜在增益间接等于由于下行链路干扰降低而获 得的增益，这可以为用户数据补偿下行链路中分集增益的损失。理论上，高速率时得到的 s s d t 增益更大，同时控制信令开销减小。 软切换配合s s d t 的使用得到的容量增益与软切换配合常规功率控制得到的容量增益 等数量级，即采用s s d t 没有获得显著增益，甚至出现损耗。这是因为软切换时手机定时 向激活集中的n o d eb 发送反馈指令，以指示数据在哪些n o d eb 中发射。由于n o d eb 频 繁的打开关闭到u e 的传输，导致不同的n o d eb 产生更大的功率扰动。n o d eb 向u e 的 交替发射不由网络控制，而完全由u e 控制，因此尽管s s d t 减少了n o d eb 的平均发射功 率，但是增加了总体发送功率的方差。这就需要更大的功率控制预留空间。这将降低使用 s s d t 的潜在增益。另外，如果u e 高速移动，u e 的反馈信息不能即时反馈当前实际信道 的状态。如果信道衰落速率与反馈信息的速率相当，u e 可能会选择错误的n o d eb 发送下 行链路信号。 2 5 切换总结 表2 - 2 总结了w c d m a 系统支持的切换类型，最常见的w c d m a 切换是由于用户移 动而触发的频内切换。频内切换由图2 5 所示的参数控制，由事件触发频内切换的测量报 告，根据测量报告由r n c 管理切换。频内切换时，u e 选择最好的n o d eb 以避免远近问 题，r n c 没有选择u e 切换到的目标小区的权力。 南京邮电学院硕士研究生学位论文第二章切换 表2 - 2 w c d m a 切换类型 切换类型切换测量典型的u e 到r n c 切换切换原因 测量报告 w c d m a 频率内用匹配滤波器进行 时间触发报告 正常移动 全时段测量 w c d m a 到g s m需要时才测量，使用在压缩模式期间覆盖、负载、业务 系统间压缩模式周期性报告 w c d m a 频率间 需要时才测量，使用在压缩模式期间覆盖、负载、业务 压缩模式周期性报告 为降低压缩模式的使用频率，只有u e 需要进行系统间和频间切换时才触发系统间和 频率间测量。频闻切换可以在w c d m a 载频和小区层次平衡负载，当其他频率不能提供连 续覆盖的时候，利用频问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，切换到g s m 系统。 图2 1 0 给出切换通用机制。u e 首先连接到频率，：上的小区1 。随着位置的移动，u e 频内切换n 4 , 区2 。但是小区2 恰好有高负载，r n c 指示u e 切换到频率厶上的小区5 。 u e 停留在频率 上并且继续移动到小区6 。当它离开频率工覆盖的区域，频间切换到z 频 率上的小区，切换只能在c e l ld c h 状态下进行。c e l lf a c h 、c e l lp c h 和u r ap c h 状 态的切换动作，由u e 根据空闲模式参数在频率和系统间进行小区再选择。 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第二章切换 广一、 频率内 2 1 0 切换通用机制的示例 1 9 南京邮电学院硕士研究生学位论文 第三章切换、覆盖和容量 第三章切换、覆盖和容量 c d m a 扩频系统采用了r a k e 接收技术，因此在前向链路中，可以通过分集接收来增加 信号质量。而在反向链路中，移动交换中心必须能够判断哪个基站接收到的信号比较强。 基于相应的信号强度，做出判决，如：何时进入软切换、何时释放信号较弱的基站。相关 的算法和协议已经在c d m a 标准中被讨论，如文献 3 1 。很多的实验数据 3 2 3 3 也表 明了软切换算法的优越性。本章中，我们将基于一种最常用的传播模式e 3 4 来进行我们 的讨论。 3 1 传播模型 功率控制的目的是使给定小区基站接收到的来自各个由此基站控制的用户的信号功 率相等。但是仍有来自其他小区基站控制的用户的干扰。由于软切换已经保证在所有时间， 移动台均是与最好的基站联系在一起，这个最好意味着其间传播损耗最低，故干扰总比信 号电平低。 通常，传播损耗的模型考虑路径损耗和地物地形引起的阴影遮挡损耗，路径损耗是随 距离的m 次幂衰减，阴影遮挡损耗具有慢变化衰落特性，服从对数正态分布。这里没有考 虑快变化的瑞利衰落损耗。这样，当用户离基站距离为r 时，损耗j 下比于 a ( r ，f ) = r “1 0 0 1 0 ( 3 1 ) 其中 为遮挡引起的正态分布变量，其均值为0 ，标准方差为盯。换句话说，用分贝表示 的衰落可以写为： l o l o g c t ( r ，f ) = 1 0 m l o g r + y ) ：q ( 7 - l o m l o g r )( 3 7 ) o - 因而，对中断概率厶= o 1 ，而盯= 8 d b 时所需门限为 y = 1 0 m l o g r + 1 0 3 d b ( 3 8 ) 在表3 - 1 的头两行表明了当传播法则中m = 4 并为r 的函数时所需的门限，硬切换在穿 过小区边界的一个相对距离r 才发生。这样，为了保证硬切换在穿过小区边界的一段相对 小的附d n t i i 离才进行，此门限必须增加2 4 拈。 表3 - 1 相对门限及覆盖( = 4 ，口2 = 1 2 ) 超出小区边界硬切换所需门限 相对门限相对覆盖面积 以外的相对距离r y h a r a ( d b ) y h 。d 一7 s o f t ( d b 、 11 0 3 4 1 1 6 1 0 51 1 14 91 8 1 11 2 05 82 0 、 1 1 5 1 2 76 52 1 1 21 3 5 7 32 3 1 - 2 51 4 2 8 02 ，5 3 2 2 软切换与覆盖 软切换将在激活集中的两基站间一段距离范围内进行。软切换期间，在任意给定时间， 或者对任意给定的帧或数据包，两个基站接收到的较好值将送至r n c 。为简单起见，我们 2 2 壹塞塑皇堂堕堡主堡壅生堂堡丝兰蔓三兰塑堡：堡重翌查呈 假设它只与传播损耗有关。因此就要求移动台的最小发射功率必须超过传播损耗。由于考 虑了阴影遮挡后，传播损耗只是随机变量，因此我们就要考虑在大多数时间内达到这一要 求，没有达到要求的这部分时间只。，称为中断概率。必须将发射功率增大到超过门限y 搬， 即只要传播损耗口( 招) y ) ( 3 9 ) 其中m ( x ，y ) = 1 0 m l o g l o ( x ，y ) 但是根据定义式( 3 3 ) ，与乞是相干的，我们可以用独立变量手、轰和岛来描述这 些项，并得到： 只。= p r m i n m t + 蟛，m 2 + 嵫 ，一口f ) 2 赢毫e 2 4 一蟛l e - 6 , 2 e , 2 d 卣 e 一，。：，j 。e 一岛2 j 2 f 2 d 乞 3 t 1 。 = 击ee - x = , 2 q ( 上毪等) 9 ( 上毪等) 出 由于假定移动终端可以在小区i ：也可以在小区2 ，并将小区半径归一化为i ，因此不 是1 兰l ，疋1 就是1 ，吒1 ，并很容易确认 = 乞= 1 ( 此时移动台在边界上) 是最坏情况， 并导致m l = m 2 = 0 ，且 祭忑1e e - x z , 2 【9 ( 罨竽) l a x ( 3 1 1 ) x c a 2 = 6 2 = 1 2 及盯= 8 d b ，要实现中断概率e o 。，= o 1 的门限为6 2 d b 。上述过程的详细推 导见附录。 这样，软切换所需门限为6 8 d b ，它小于硬切换所需值。小区面积与半径平方成正比 而传播损耗与其4 次幂成正比。由此可得：门限的降低表示软切换能将小区面积扩大一倍 以上，或者减少小区及相应的基站数目至原来的4 0 至5 0 。这方法亦可推广至小区有 负荷的情况。在此情况下，覆盖将同样与每扇区的用户数有关，可用的小区大小最终决定 于用户数量及其在一特定地区内的分布。 南京邮电学院硕上研究生学位论文 第三章切换、覆盖和容量 3 3 切换与下行链路容量 对前向链路和反向链路来说，覆盖本质上是对称的，而容量是非对称的。本节只对反 向链路的容量进行讨论。软切换对反向链路容量的影响是和快速闭环功率控制技术紧密结 合在一起的，关于快速闭环功率控制在文献 3 5 3 6 3 7 有详细的讨论。 3 3 1 单小区接收硬切换 首先，假设在任何一个时候只跟踪单一的小区的导频信号，并且在正六边形小区边界 进行小区间的切换。即使边界是已知的，这也是一种理想情况，由于此过程将导致在小区 边界或其附近的用户不停的切换。其解决方法是要求只有当第- - , j , l 叉的导频信号强度比第 - - 4 , 区的足够高时才发生切换。我们将利用此理想的硬切换模型来与具有软切换的结果进 行比较。 将每小区的半径归一化，并定义小区半径为从小区中心处的基站到本小区内离中心最 远点的距离。再假设在所有小区内用户密度是均匀的。 令置。为每小区内的平均用户数，p h 于归一化小区是六边形，其密度为 k = 焘怒3 3 单位向积 ( 3 1 2 ) 然后，设位于坐标( z ，_ y ) 处的用户离给定基站的距离为r o ( x ，_ y ) ，并与其他任意小区基站的 距离为r d x ，y ) 。由于在( 工，y ) 处用户是通过最近的基站进行通信的，其发射功率受此基站 控制。用户的发射功率增益将等于式( 3 1 ) 中的该小区内的传播损耗。照此类推，由所有在 其他小区内的用户在给定小区内产生的相对平均干扰为 铲鬻耩h w ， b 功 下标0 表示给定小区，所以r o ( x ，y ) 是用户到给定小区基站的距离。下标1 表示用户所在的 小区，所以( y ) 表示用户( 工，y ) 到最近基站的距离。磊及分别表示式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 中所 定义的用分贝表示的随机传播分量。这样，在式( 3 1 3 ) 积分方括号中的分母为给定基站的传 南京邮电学院硕_ 上研究生学位论文 第三章切换、覆盖和容量 图3 1s 。区域及相对距离 播损耗，而分子则为最近基站功率控制的增益调整量。s o 为给定( 第o ) 小区外的整个区域， 它包括所有其他小区。对i 内每个小区，( y ) 表示到不同最近基站的距离。结论为：式 ( 3 1 3 ) 中所有参数都是正数，且除氛与缶外都是确定的，而氛和磊是随机量，但和位置无 关。由此，定义 r 1 ( x ，y ) = ( x ，y ) r o ( x ，y ) = i n ( 1 0 ) 1 0 ( 3 1 4 ) 可以将式( 3 1 3 ) 改写为 k = e e 4 一靠i i r l ( x , y ) r d a ( x , y ) ( 3 1 5 ) ； 但是由式( 3 3 ) 可知 缶一彘= 6 ( 备一彘) 它是均值为0 的高斯随机变量，而且，由于氢和缶是独立变量，妇r ( 六一氏) = 2 盯2 令x = 毒一昴，可得 蹦一岛= 胁= 簪= ( 胁， ( 3 1 6 ) 式( 3 1 6 ) 的详细推导见附录。 再由式( 3 1 3 ) 、( 3 1 4 ) 署1 1 (