（电磁场与微波技术专业论文）wcdma与gsm系统间3g终端互切换性能测试及其改进分析.pdf

摘要 随着社会经济及技术的发展，全球性的联络更加密切，因此，相应地要求提供综合化 的信息业务，如：话音、图像、数据等具有多媒体特征的3 g 移动通信业务。中国拥有世 界上最大的g s m 移动通信网络，如何实现2 g 和3 g 网络共存，最大限度的利用已有投资 成为迫切需要解决的问题。本文基于w c d m a 与g s m 间互切换测试数据对系统间互切换 性能做出了优化和改进。 本文详细阐述了w c d m a 和g s m 系统间切换的形式、过程和原理。分析了切换过程 中可能发生的掉话原因。从c s 切换、p s 切换、并发业务切换和g p r s 业务切换四个方面 对系统间切换进行了详细的分析，每种切换分边缘覆盖、街头拐角、出入建筑物三种场景 进行切换测试。最终对w c d m a 与g s m 系统间切换测试过程中出现的开始切换失败问题 提出了解决方案，并对系统间a m r 切换和数据切换提出了优化建议。 关键词：w c d m ag s m系统间切换网络优化 a b s t r a c t 鼢t h ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m ya n dt e c h n o l o g y , g l o b a lc o n n e c t i o n sb e c o m em o r e o s c u l a t i n g t h e r ei san e e dt op r o v i d ei n t e g r a t e di n f o r m a t i o ns e r v i c e s ，s u c ha sv o i c e ，i m a g e ，d a t a ， w h i c hh a v eac h a r a c t e ro fm u l t i m e d i a c h i n ah a st h ew o r l d sl a r g e s tg s m n e t w o r k t h e r e f o r e ， h o wt oa c h i e v ec o e x i s t e n c eo f2 ga n d3 gn e t w o r k sa n dm a x i m i z e 也eu s eo fa v a i l a b l e i n v e s t m e n th a v eb e c o m eu r g e n t 1 1 1 ep e r f o r m a n c eo fi s h oa r eo p t i m i z e da n di m p r o v e do nt h e b a s i so fd a t ao fi s h 0t e s t n l em o d a l i t y , p r o c e s sa n dp r i n c i p l eo fh a n d o f fb e t w e e ng s ma n dw c d m a s y s t e mi s d e s c r i b e di nt h i sp a p e r i ta n a l y z e st h ec a u s e so fd i s c o n n e c t i o n ，w h i c hm a yo c c u ri nt h ep r o c e s s o fh a n d o f f n l i sp a p e rc o n d u c t e dad e t a i l e da n a l y s i so fi s h of r o mf o u ra s p e c t ss u c ha s ：c s h a n d o f f , p sh a n d o f f , a m ra n dp sh a n d o f f , g p r sh a n d o f f e a c hh a n d o f fi st e s t e df r o mt h r e e s c e n e ss u c ha s ：s u b e d g ec o v e r a g e ，s t r e e tc o m e ra n da c c e s st ob u i l d i n g t l l i sp a p e rp r o p o s e sa s o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo fi s h of a i l u r ea n dg i v e ss o m eo p t i m i z a t i o na d v i c e sa b o u ta m r h a n d o 行a n dd a t ah a n d o f rb e t w e e ns y s t e m s k e yw o r d s ：w c d m a g s m i s h o n e t w o r k o p t i m i z a t i o n i i 南京邮电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 含为获得南京邮电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：望星日期：三! 乙丝竺 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、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 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：嚼岳导师始贮飙一 南敷l l l l j 电入学颁+ = 研究生学位论文第一激绪论 第一章绪论 薹。量移动通信技术的发展和现状 移动通信是从2 0 世纪8 0 年代开始蓬勃发展起来的，其发展速度远远超过固定网络， 已得到相当的普及。人们对移动通信的需求推动了移动通信发展，至今移动通信走过了二 代的经历，即8 0 年代的第一代模拟技术和9 0 年代的第二代窄带数字技术【心】。近年来，随 着无线通信宽带化技术的突破，移动通信正在向以码分多址为基础，以宽带化通信为特征 的3 g 技术发展1 3 。 第一代模拟通信系统采用的接入技术是频分多址技术f d m a ，它仅能提供9 6 k b i t s 通信速率。其典型系统有英国的全接入通信系统t a c s 、北欧的移动电话系统n m t 4 5 0 和 n m t 9 0 0 、美国的模拟电话系统a m p s 。第二代窄带数字通信系统的接入技术主要采用时 分多垃技术t d m a 和码分多址技术c d m a 两种，它可以提供9 6 - - 2 8 。8 k b i t s 的通信速率。 其典型系统有欧洲的全球移动通信系统g s m 、北美的i s 9 5 c d m a 、日本的个人数字蜂窝 系统p d c 等。与第一代模拟蜂窝移动通信系统提比，第二代移动通信系统具有保密性强、 频谱利用率商、能提供丰富的业务、标准化程度高等特点，使不同厂家的设备能够互相连 接1 2 1 。 随着用户对移动多媒体业务需求的快速增长以及频谱资源越来越紧张，运营商引入 了第三代移动通信系统，其传输速率在高速移动环境下支持1 4 4 k b s ，步行慢速移动环境下 支持3 8 4 k b s ，静止状态下支持2 m b s 。其设计舅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。 目前，国际电联接受的第三代移动通信系统标准主要有三个，即美国提出的 c d m a 2 0 ，欧洲提出的w c d m a 和我国提出的t d s c d m a 。 w c d m a 系统的核心网是基于g s m - m a p ，同时通过网络扩展方式提供在基于 a n s h l 的核心网上运行的能力，可以从第二代g s m 系统逐步演进；支持一条连线上传 输多条并行业务，支持高速率的分组接入；采用更加灵活的系统操作，包括支持基站间的 异步操作、支持自适廒天线阵技术与多用户检测的技术、支持非平衡频带下采用时分双工 的模式，采用单信元频率复用等。 c d m a 2 0 0 0 韵核心瘸是基于a n s i - 4 1 ，采用壹接扩频码分多蛙技术的无线接叠，符合 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 甚至超过了i t u 的全部规范要求。具备先进的媒体接入控制，从而有效地支持高速分组数 据业务；具有先进的多媒体业务质量控制能力，支持不同业务相应不同质量要求的控制， 处理竞争业务间的优先权问题等；可以根据环境和需要灵活的选择语音、语音数据和数 据模式，支持分布式和集中式的分组数据业务，可选择采用独立的分组控制与信令传送话 音；支持频分数字双工f d d 和时分数字双工t d d ；支持前向多载波结构和正交直接扩频。 具有较好的灵活性与可伸缩性，可非常容易地从现有的窄带c d m a 平滑过渡，还可采用 辅助导频、正交分集、多载波分集等技术来提高系统的性能。 t d s c d m a 基于g s m 系统，采用智能天线和低码速率技术，频谱利用率很高，能够 解决人口密度地区频率资源紧张的问题，并在互联网浏览等非对称移动数据和视频点播等 多媒体业务方面具有突出优势。系统的基站天线是一个智能化的天线阵，能够自动确定并 跟踪手机的方位，发射波束始终对准手机方向，可降低基站的发射功率。上行同步c d m a 技术可使上行信号与基站解调器完全同步，降低了码首间的干扰，使硬件得到简化，成本 降低。t d s c d m a 技术采用软件无线电技术，使运营商在增加业务时，可在同一硬件平台 上利用软件处理基带信号，通过加载不同的软件就可实现不同的业务。同时，系统基站采 用高集成度、低成本设计。此外，t d s c d m a 系统可与第二代移动通信系统g s m 兼容。 1 2 论文的背景和主要内容 中国移动是目前全球最大的g s m 运营商，拥有接近3 亿用户容量的g s m 网络资源及 完善的覆盖，3 g 网络建设初期，3 g 网络可能只限于城区的连续覆盖，如何利用中国移动 现有的g s m 网络为3 g 用户提供无缝的业务覆盖、如何解决好两网的互联互通协调发展， 为用户提供优秀的业务质量是3 g 网络建设的一个关键性问题。由于3 g 是一个漫长的过程， 在这个过程中，运营商怎样最大限度地利用现有网络资源来解决3 g 建网初期网络覆盖范 围小的问题，最大限度地保护投资，同时满足用户对3 g 业务的需求，这就涉及到同一运 营商所运营的不同通信系统之间的互切换问题。为此通过对两个系统的分析，论证在wc dma 网络逐步完善的过程中依托已有的g s m 网络提供服务的可行性，最大限度的保护 已有的投资。 本论文的主要内容如下： 第一章简要介绍了移动通信的发展和现状，w c d m a 和g s m 系统间切换的必要性。 第二章介绍了w c d m a 和g s m 系统间切换的基本原理，分析了两种系统共存的情况 下可能发生的切换种类，并详细介绍了切换测量报告。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 第三章对系统间切换做了具体的测试，从c s 、p s 、并发业务以及g p r s 业务切换四 个方面进行了实验。 第四章对测试结果进行分析，并对测试中出现的问题给出解决方案。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章g s m 和w c d m a 系统间切换基本原理 第二章g s m 和w c d m a 系统间切换基本原理 2 1 切换概述 切换是指在蜂窝系统中，移动用户在呼叫接续过程中或在通话状态时，从一个区域漫 游至另一个区域时能保持连续不中断的过程。这种切换操作过程不仅要识别新基站，还要 将话音和信令信号分派到新基站的信道上。在小区内分配空闲信道时，用户的切换请求优 于用户初始呼叫请求。切换是在不被用户察觉的情况下实现这个过程的，且一旦切换完成， 移动台不应立即再切换。切换发生的门限值是在系统安装时进行初调的，且初始参数设置 取决于系统性能要求，不能随意改变。切换的目的就是维持高质量的信号质量、平衡小区 之间业务量及恢复出现故障的控制信道。触发切换的原因、切换的准备和判决及切换的执 行等是一个复杂的过程f 2 1 。 w c d m a 的陆地无线接入网( u t r a n ) 的切换支持各种不通类型的切换和切换过程。切 换可以大致分为以下几种切换类型。 ( 1 ) 系统内切换，发生在w c d m a 系统内。该切换可以进一步划分为： 频率内切换，发生在属于同一w c d m a 载波的小区间； 频率间切换，发生在运行于不同w c d m a 载波的小区间。 ( 2 ) 系统间切换，发生在属于两种不同无线接入技术( r a t ) 或不同无线接入模式( r a m ) 的小区间。在w c d m a 和g s m e d g e 系统之间最经常发生的是第一种类型。但是同时我 们可以想象系统间切换到其他c d m a 系统的情况。u t r af d d 和u t r a t d m a 模式之间 的切换就是一个r a m 之间切换的例子。 切换过程也可以分为如下几种： 硬切换( h h o ) ，这种切换过程可以定义为：在一条新链路建立起来之前，释放移动台 的旧链路的过程。对实时载体来说，这意味载体的短暂的断开；对非实时载体来说，这是 无损失的。 软切换( s i l o ) 和更软切换，在该过程中移动台与u t r a n 保持至少一条无线链接。在 软切换过程中移动台将同时被两个或多个小区控制，而这些小区属于同一无线网络控制器 ( i n t r a - r n cs h o ) 或不同无线网络控制器( i n t e r - r n cs h o ) 的不同的基站收发器( n o d e b ) 。在 更软切换中，移动台至少由一个n o d e b 下的两个小区同时控制。软切换和更软切换只可能 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章g s m 和w c d m a 系统问切换基本原理 在同一载频的情况下发生。 根据软切换的划分，w c d m a 系统中的小区可以划分为如下两组： 响应组( 激活组) ，包括所有参与终端的软切换连接的小区。 相邻组监控组，这两个术语的含义相同。在该组中包括所有被u e 连续地监控或 测量地小区，而且这些小区当前不属于响应组【5 1 。 2 2 切换分类 2 2 1 系统内一频率内软切换 在像w c d m a 这样的系统中软切换是一个很普遍的概念，而且临近小区工作在同一频 率。当处于连接模式时，移动台不停地在当前载波频率测量服务小区和临近小区( 小区由无 线网络控制标识) 。移动台把测量结果与由无线网络控制器提供的切换门限值比较，当达到 了报告标准后，移动台将发送一个测量报告给无线网络控制器。因此软切换是一个移动台 估计的切换( m e h o ) 。然而，软切换的判决算法由无线网络控制器完成。在从基站接收到 的测量报告基础上( 要么是周期性的，要么是由某个特定事件引起的) ，无线网络控制设备 将发出一个指令给移动台，命令移动台增加或者减少当前的小区数目( 响应组的更新) 。全 球移动通信服务陆地无线接入网的切换控制支持所有类型的软切换，不管是实时的还是非 实时的无线接入载体。 在w c d m a 系统中最常出现的是频率内切换。不同类型的频率内切换可能同时发生。 比如，无线接入网可以同时进行软切换( 无线网络控制器内和无线网络控制器之间) 和更软 切换。软切换和更软切换的主要目标如下： 优化快速闭环功率控制，因为终端往往与发射功率最强的小区进行链接。 无线接入载体的连接不中断下的无缝切换。 当移动台移动到小区的边缘且无法从一个小区获得足够的可接受的电平时，通过在符 号级合并来自多个小区的接收信号( 宏分集) 保证一个足够的可接受的电平来维持通信的进 行。 通过将接收到的信号在基站( 更软切换) 或无线网络控制器( 软切换) 中进行合并而得到 的宏分集增益可以提高上行链路的信号质量，同时可以降低移动台所需的传输功率。 在软切换过程中用到了全部的无线资源管理的功能。切换控制将处理从终端接收到的 测量报告，并且在这个信息的基础上做出最后判决。切换控制同时不断更新传输功率的参 考值，该参考值在防止软切换过程的功率漂移的算法中被具体运用到。在下列情况下允许 5 雨京邮电大学硕士研究生学位论文第二章g s m 和w c d m a 系统间切换基本原理 控s u ( a c ) 首先用于对实时无线接入载体下行链路的接入允许判决和出现拥塞对小区的切 换支路的排队。当新的支路建立后，下行链路在为切换支路分配功率时需要用到允许控制。 当分配了新的支路时，a c 用于下行链路的功率分配。如果切换支路的加入请求被拒绝， 允许控制将促使放弃呼叫，或者进行频率间切换或者进行系统间切换。资源管理( 砌哪为新 切换的支路在下行链路分配一个扩频码并且当切换支路从小区中删除后释放该扩频码。资 源管理的主要任务是为新的切换支路激活无线链路，同时当该切换支路从小区中被删除后 释放该无线链路。负载控制( l c ) 的作用是：当一个新的实时无线接入载体( 软切换过程中的 切换支路) 被容许使用后，或者当一个实时无线接入载体( 老切换支路) 从小区中删除后，及 时更新小区下行链路的负载信息。对于分组业务，分组方案( p s ) 为非实时无线接入载体的 切换支路释放下行链路的扩频码，同时用最高级的优先权来为非实时无线接入载体规划切 换支路的加入请求【4 】旧。 2 2 2 系统内一频率内硬切换 当参与切换的小区由不同的无线网络控制器控制时，而且无线网络控制器之间的切换 不能被作为一个软切换执行或者是软切换不被允许时，就需要进行频率内硬切换。频率内 硬切换可能引起短暂的实时无线接入载体的断开，但对于非实时无线接入载体来说却是无 损失的。进行频率内切换的的判决是由无线网络控制器根据频率内的测量结果和相应的控 制参数完成的，当u e 报告了一个频率内的触发事件，且a s ( 响应组) 不能被更新时，u e 会周期性地发送该测量结果。在软切换过程中常常用到这个报告，因此频率内硬切换是移 动台估计的切换( m e h o ) 。硬切换的一个简单算法是基于服务小区和临近小区的首要公共 导频信道的e j r 。的平均值和为了防止在小区间发生反复切换而被用做门限值的切换余量 来进行。在可能进行频率内硬切换之前，临近小区的测量结果必须满足下列等式： a v e e c l o d o w n l i n k + e c l o m a r g i n ( n ) 3 g 。 3 2 2 切换参数 3 g = 2 g 切换参数 主要相关参数： p a r a m e t e ra b b r e v i a t e dn a m ev r a l u el e v e lr e m a r k h a n d o v e ro fa m r s e r v i c et og s mg s m h a n d o v e r a m ry e sr n c h a n d o v e ro fc s s e r v i c et og s mg s m h a n d o v e r c sy e sr n c h a n d o v e ro fn r tp s s e r v i c et og s mg s m h a n d o v e r n r t p sy e sr n c h a n d o v e ro fl 玎p s支持w c d m a 到 s e r v i c et og s mg s m h a n d o v e r r c p sy e sr n cg s m 的硬切换 c p i c hr s c ph h 0 c a n c e l l a t i o n h h o r s c p c a n c e l 7 0 d b mf m c s c p i c hl 峪c ph h o c a n c e l l a t i o nt i m e h h o r s c p c a n c e l t i m e 1 2 8 0 m sf m c s c p i c hr s c ph h o f i l t e rc o e f f i c i e n t h h o r s c p f i l t e r c o e f f i c i e n t 2 0 0 m sf m c s c p i c hr s c ph h 0 恤s h o l d h h o r s c p t h r e s h o i d 7 5 d b mf m c s触发硬切换测量 c p i c hr s c ph h o t i m eh y s t e r e s i s h h o r s c p t i m e h y s t e r e s i s 6 4 0 m sf m c s g s mh oc a u s e d b y 支持r s c p 触发的硬 c p i c hr s c p g s m c a u s e c p i c h r s e p u s e d f m c g切换 m i n i m u mi l a v e if o r相邻g s m 小区的最 c o v e r a g eh oa d j g r x l e v m i n h o 1 0 0 d b mh o p g低接入电平 表3 73 g 一 2 g 切换时主要参数 c s 语音切换和并发业务切换流程：首先当u e 接收的r s c p 小于c p i c hr s c p h h ot h r e s h o l d 定义的门限时，就启动压缩模式，对g s m 的相邻小区的测量，主要测量 南京邮电大学颞士研究生学位论文第三鬻g s m 与w c d m a 网络间切换参数设置与数攒测试 接牧邀平r s s ! ；当找到合适蕊搁邻小区( a d j g r x l m i n h o ) 对，裁对捐邻小区麴b s i c 进行解析；完成解析后，然后触发3 g 到2 g 的硬切换。如下图所示： i s h ot r i g g e r t a r g e to a if o u n d l s c o n n a n d 豳3 53 g 到2 g 硬切换示意鹜 p s 切换流程与c s 类叛，只是p s 落换时，般不需要对穗邻小区的b s i c 进行解析， 找到合适的相邻小区后，就触发小区变更信令