移动通信系统中的越区切换专业技术分析与研究.doc

摘摘 要要 由于移动通信系统采用蜂窝结构 所以移动终端在跨越地理空间划分的小 区时 必然要进行越区切换 在蜂窝移动通信网中 切换是保证移动用户在移 动状态下实现不间断通信 切换也是为了在移动台与网络之间保持一个可以接 受的通信质量 防止通信中 断这是适应移动衰落信道特性的必不可少的措施 本文介绍越区切换很多方面的知识 有越区切换目标 判决条件 基本分类 越区切换在实际生活中的应用等等 切换是一个重要的移动管理功能 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技术 因为它直接影响到 整个系统的性能优劣 所以越区切换是非常重要的也是必要的 关键词关键词 蜂窝 不间断通信 越区切换 软切换 更软切换 AbstractAbstract Due to the mobile communication system using cellular structure so the mobile terminal in across geographic space partition area handoff will inevitably In a cellular mobile communication network switching is the guarantee of mobile users realize the uninterrupted communication in mobile condition switching is to maintain an acceptable quality of communication between the mobile station and the network preventing communication interrupt which is adapted to the channel characteristics of Mobile Fading indispensable measures This paper introduces the handoff of a lot of knowledge a handover target the decision condition basic classification switching the application in real life Switch is one of the most important mobile management function it is the particular function of the cell system as well as a key technique of the mobile communication system because it directly affects the performance of the whole system So the handover is very important and necessary 目目 录录 摘摘 要要 2 ABSTRACT 3 第一章第一章 越区切换的基本概述越区切换的基本概述 5 1 1 越区切换的概念 5 1 2 越区切换的作用 5 第二章第二章 越区切换的目标及准则越区切换的目标及准则 6 2 1 越区切换的目标 6 2 2 越区切换的准则 6 第三章第三章 越区切换的判决条件越区切换的判决条件 7 3 1 相对信号强度 7 3 2 有门限的相对信号强度 7 3 3 有滞后的相对信号强度 7 3 4 有滞后和门限的相对信号强度 7 3 5 有滞后时间的相对信号强度 7 第四章第四章 越区切换中的业务系统分类越区切换中的业务系统分类 8 4 1 单业务系统 8 4 1 1 无优先级策略 8 4 1 2 排队优先权策略 8 4 1 3 基于测量的优先级策略 8 4 1 4 预留信道策略 8 4 1 5 半速策略 8 4 2 多业务系统 8 4 2 1 对不同呼叫给予不同的优先权 9 4 2 2 起源借用方案 9 第五章第五章 越区切换的基本分类越区切换的基本分类 9 5 1 硬切换 10 5 2 软切换 10 5 3 更软切换 12 5 4 接力切换 12 5 5 垂直切换 13 第六章第六章 越区切换在现实中的实际应用越区切换在现实中的实际应用 14 6 1 WCDMA 中的软切换 14 6 1 1 WCDMA 切换策略 14 6 1 2 无线链路增加和释放过程 14 6 1 3 滞后门限分类 15 6 2 CDMA2000 中的软切换 15 6 3 TD SCDMA 中的接力切换 16 第七章第七章 总结与展望总结与展望 17 致谢致谢 18 参考文献参考文献 19 第第 1 1 章章 越区切换的基本概述越区切换的基本概述 1 1 越区切越区切换换的概念的概念 切换 又称越区切换 过区切换 英语 handover handoff 是指移动台 在通话过程中从一个基站覆盖区移动到另一个基站覆盖区 或是由于外界干扰 而切换到另一条话音信道上的过程 1 2 越区切越区切换换的作用的作用 在蜂窝移动通信网中 切换是保证移动用户在移动状态下实现不间断通信 切换也是为了在移动台与网络之间保持一个可以接受的通信质量 防止通信 中断 这是适应移动衰落信道特性的必不可少的措施 特别是由网络发起的切 换 其目的是为了平衡服务区内各小区的业务量 降低高用户小区的呼损率的 有力措施 切换可以优化无线资源 频率 时隙 码 的使用 还可以及时减 小移动台的功率消耗和对全局的干扰电平的限制 第二章第二章 越区切换的目标及准则越区切换的目标及准则 2 1 越区切越区切换换的目的目标标 越区切换的出现有很多原因的 大致包括以下几种 1 在一个正在通话或有数据连接 例如 正在通过 GPRS 上网 的手机从一 个 小区进入另一个小区时 为避免掉话或数据断开 做 一个切换是必要的 2 在一个小区中 当连接一个新的通话的能力达到上限时 并且发起这个新 的通话的手机在另一个小区的覆盖范围时 将这个通话转移到那个小区将是明 智之举 这样不但有利于均衡负载 对那些只能接入到第一个小区的手机 绝 对是个好消息 3 在非码分多址接入系统中 某一手机使用的信道可能会与相仿小区的某一 手机使用的信道相干扰 在这种情况下 将该手机的通信信道切换到同一小区 的不同信道或相邻小区的不同信道 会降低干扰的可能 4 同样在非码分多址接入系统中 当用户行为发生变化 比如 当某一 高 速运动的 连接到一个大的 伞状类型 umbrella type 小区的用户突然停下 来 这时 通话通常会被转移到一个宏小区或微小区 这样做能够让伞状类型 小区有更多能力处理快速运动用户 并且减小干扰 反之亦然 宏小区到巨小 区 5 在码分多址接入系统中 软切换 见下 可以被采用以减小对邻小区的干 扰 见远近问题 甚至在有良好连接的时候 6 最基本的切换 软切换 是当一个通话中的手机从当前小区 称为源小区 和当前使用的信道转移到另一个可用的小区 称为目的小区 和信道 源小区 和目的小区可以是不同的小区 也可以是同一小区的不同扇区 这个切换过程 可称之为小区间切换 另一个特别的例子是源和目的小区是同一个 甚至同一 个扇区 但转移仅仅是在使用的信道间进行 这种切换称之为小区内切换 2 2 越区切越区切换换的准的准则则 判定移动台是否需要越区切换一般都有一定的准则和条件 通常有以下三 种情况 1 依靠接收信号载波电平判定 当信号载波电平低于门限电平 例如 100dBm 则进行切换 2 依接收信号载 干比判定 当载 干比低于给定值时 则进行切换 3 依移动台到基站的距离判定 当距离大于给定值时 则进行切换 实际上 在通话过程中测量接收信号载 干比有一定的困难 而用距离判定 时 则距精度有时很难保证 所以 一般常用的时第一种 第三章第三章 越区切换的判决条件越区切换的判决条件 在移动通信系统中 一般可以根据射频信号强度 载干比 移动台到基站 的相对位置以及数字系统中的误码率来判断切换与否 实际应用中 可以选取 其中一种或几种作为参数 切换方式有以下几种 3 1 相相对对信号信号强强度度 切换判决基于从基站接收的信号平均值 移动台连续监测各个小区的信号强 度 当某个相邻小区基站的信号强度超过当前基站是 就发起切换 此方式的 缺点是当服务基站还能提供所要求的业务质量时就迸行了许多不必要的切换 3 2 有有门门限的相限的相对对信号信号强强度度 移动台连续监测各个小区的信号强度 当某个相邻小区基站的信号强度超过 当前小区基站 并且当前小区基站的信号强度低于某一门限时 发起切换 在 此方法中需要恰当地选择门限值 如果选择的门限值高于两基站等信号强度 就会出现类似相对信号强度的效果 如果选择的门限值低于此信号强度 移动 台将推迟切换 直到服务基站的信号强度经过此门限值 如果选择的门限值远 低于此信号强度 将会造成过大的时延 这将降低通信链路的质量甚至导致呼 叫中断 3 3 有滞后的相有滞后的相对对信号信号强强度度 移动台同样连续监测各个小区的信号强度 当某相邻小区基站的信号强度大 于当前小区基站信号强度超过一个滞后范围时 就发起切换 这种方案可以有 效地避免由于信号的起伏造成的 乒乓效应 但是当服务基站的信号强度足够 强时 它也产生不必要的切换 3 4 有滞后和有滞后和门门限的相限的相对对信号信号强强度度 在这种方式中 当某个相邻小区基站的信号强度超过当前小区基站高于一个 滞后范围 并且当前小区基站的信号强度低于某一个门限时 就发起切换 当 当前基站的信号强度能够提供所需的质量要求时 使用此方式可以进一步降低 不必要的切换 3 5 有滞后有滞后时间时间的相的相对对信号信号强强度度 在这种方式中 当某个相邻小区基站的信号强度比当前小区基站的信号强度 高 而且在此后的一段时间里都保持比当前基站的信号强度高 此时才开始切 换 此方式降低了频繁的切换次数 若以切换次数和切换时延为标准设计切换方案 理想的切换方案要求为 尽 可能少的切换次数 以减轻信令负担 尽可能短的时延 以避免切换的迟钝 显然 切换次数和切换时延不可能同时达到最小 应考虑折中的方案 第四章第四章 越区切换中的业务系统分类越区切换中的业务系统分类 4 1 单业务单业务系系统统 虽然第三代移动通信系统已经得到了迅猛的发展 但当今世界使用最广泛 的还是第二代移动通信系统 它的业务比较单一 主要是话音业务 所以其切 换也是针对单业务系统的 而与第二代系统相比 第三代系统最明显的特点就 是支持高速的数据业务 能承载多种业务 使用微蜂窝技术 使系统容量大大 增加 其切换策略也有相应的改变 4 1 1 无无优优先先级级策略策略 基站不区别新的呼叫请求和切换呼叫请求 若没有空闲信道 就将其清除 4 1 2 排排队优队优先先权权策略策略 如果没有空闲信道 切换呼叫可以排队等候信道释放 而且排队等候信道 的释放可以是多种多样的 4 1 3 基于基于测测量的量的优优先先级级策略策略 切换请求根据呼叫接近接收机的速度来进行排队 而不是按照先入先服务 的原则给这些呼叫分配信道 4 1 4 预预留信道策略留信道策略 为了降低切换呼叫的失败率 每个小区都预留出固定数量的信道 专用于 切换呼叫 如果空闲信道数大于保留信道数 则新呼叫到达不形成呼损 而对 于切换呼叫只要有空闲信道就不会形成呼损 4 1 5 半速策略半速策略 将每个小区定义一些信道 当该小区信道繁忙时 可以暂时将这些信道一 分为二 即半速信道 一个用于正在进行的呼叫 另一个用于切换呼叫 以使 切换呼叫继续进行从而减少强制中断率 当一个半速信道释放后 可以与其他 空闲的半速率信道结合成一个全速率信道 但这种方法实现起来需要空中接口 的结构能够支持将全速信道分成两个子速率信道的功能 4 2 多多业务业务系系统统 对于多业务切换来说 这些策略将不能很好的满足不同业务的要求 需要 综合单业务切换策略的优点 形成对多业务的切换策略 4 2 1 对对不同呼叫不同呼叫给给予不同的予不同的优优先先权权 不同业务的新呼叫具有相同的优先权 优先级别最低 切换呼叫比新呼叫具 有更高的优先权 数据业务由于是非实时业务 其切换呼叫给予次优先权 语 音业务由于有实时要求 对时延要求高 其切换呼叫的优先权最高 当呼叫到达时 首先判断其业务类型 即判断是语音还是数据业务 然后判 断是新呼叫还是切换呼叫 并给出相应的优先级别 各类业务的新呼叫具有相 同的优先级别 且级别最低 按先来先服务 FIFO 的规则接受服务 切换呼 叫比新呼叫具有更高的优先权 而不同业务的切换呼叫具有不同的优先权 数 据业务的切换呼叫具有次优先权 语音的切换呼叫具有最高优先权 同样按 FIFO 规则接受服务 4 2 2 起源借用方案起源借用方案 多业务切换问题与单业务切换问题的最大不同是系统中有不同业务 不同业 务有不同的优先级 不同业务使用不同数量的各类资源 而且各种业务对时延 敏感性不一 因此可以考虑 当需要时将前者呼叫的业务信道暂时借给后者切 换呼叫 前者呼叫用信令信道保持与基站的联系 在业务信道够用时 再进行 业务通信 如前所述 第三代移动通信系统通过降低蜂窝的大小 大大地提高了系统的 容量 但这也带来了一些问题 用户移动时经过的蜂窝越来越多 导致切换速 率和信令负载的增加 当有高速移动的用户时 很容易掉线 为了解决这个问 题 我们将分层蜂窝结构引入无线网络 并同时使用软切换技术 使用垂直切 换的策略 第五章第五章 越区切换的基本分类越区切换的基本分类 当一次切换被触发后 一个新的信道将被建立 通信将转接到新的链路 同时 原来的信道被释放 切换处理过程可以根据新链路的建立途径 旧链路的 释放是发生在新链路的建立之前 之中或之后 来分类 5 1 硬切硬切换换 硬切换基本原理硬切换基本原理 硬切换最主要的特点就是移动台在硬切换情况下 同一时刻只占用一个无线信道 它 必须在一个指定时间内 先中断与原基站的联系 调谐到新的频率上 再与新基站取得联 系 在切换过程中可能会发生通信短时中断 硬切换主要是不同频率的基站和扇区之间的 切换 在硬切换中 为了使中断时间尽量短 在网络中要预先建立新的链路 硬切换的一 个主要优点是在同一时刻 移动台只占用一个无线信道 硬切换的缺点是通信过程会出现 短时的传输中断 因此硬切换在一定程度上会影响通话质量 而且如果在中断时间内受到 干扰或切换参数设置不合理等因素的影响 会导致切换失败 引起掉话 当硬切换区域面 积狭窄时 会出现新基站与原基站之间来回切换的 乒乓效应 影响业务信道的传输 硬切 换主要用于 GSM 系统中 5 2 软软切切换换 由于移动通信系统采用蜂窝结构移动台在跨越空间划分的小区时必然要进行 越区切换 即完成移动台到基站的空中接口的转移以及基站到网人口和网人口 到交换中心的相应的转移 在第一和第二代移动通信系统中都采用迫使通信容 易中断的越区硬切换方式 3G 系统将在使用相同载波频率的小区间实现软切换 即移动用户在越区时可以与两个小区的基站同时接通只相应改变扩频码 即可 做到 先接通再断开 的交换功能从而大大改善了切换时的通话质量 软切换基本原理软切换基本原理 在软切换过程中 两条链路及相对应的两个数据流在一个相对较长的时间内同 时被激活 一直到进入新基站并测量到新基站的传输质量满足指标要求后 才 断开与原基站的连接 软切换是同一频率下不同基站之间的切换 不管是从移 动台的角度还是从网络的角度看 两条链路传输的是同一个数据流 保证了通 信不会发生中断 在软切换中 移动台只有在取得了与新基站的链接之后 才 会中断与原基站的联系 因此在切换过程中没有中断 不会影响通话质量 软 切换由于是在频率相同的基站交界处 移动台同时与多个基站通信 起前向业 务信道和反向业务信道的路径分集的作用 因而可大大减少切换造成的掉话 而且在软切换中移动台和基站均采用分集技术和反向功率控制 能很好的提高 系统的性能 但是软切换同时也存在需要占用的信道资源较多 信令复杂导致 系统负荷加重 增加下行链路干扰 增加设备投资和系统背板的复杂性等的缺 点 软切换主要用于 CDMA 系统中 下图为硬软切换的对比 5 3 更更软软切切换换 在 CDMA 系统中 移动台在扇区化小区的同一小区的不同扇区之间进行的软切换 称为更软切换 实际上是相同信道板上的导频之间的切换 这种切换是由 BSC 完成的 并不通知 MSC 5 4 接力切接力切换换 接力切换是一种基于智能天线的切换方案 接力切换是利用精确的定位技 术 在对移动台的距离和方位进行定位的基础上 根据移动台方位和距离作为 辅助信息来判断移动台是否移动到了可进行切换的相邻基站临近区域 如果移 动台进入这个切换区 则 RNC 无线网络控制器 通知该基站做好切换的准备 从而实现快速 可靠和高效切换 这样既节省信道资源 简化信令 减少系统 负荷 也适应不同频率小区之间的切换 在第三代移动通信标准中 TD SCDMA 中 采用了接力切换 实现接力切换的必要条件是 网络要准备获得移动台的位置 信息 包括移动台的信号到达方向以及移动台与基站的距离 接力切换流程接力切换流程 5 5 垂直切垂直切换换 上面介绍的几种切换方式按照切换的方向来分都可以归为水平切换 而与 此相对应 还存在一种切换方式 即垂直切换 可以这样来概括水平切换和垂 直切换 移动台在相同系统的基站 扇区 信道 之间的切换称为水平切换 而移动台在不同系统的基站 扇区 信道 之间的切换就称为垂直切换 在移动通信系统中 通过在宏蜂窝下引入微蜂窝从而形成分级小区结构 从而 解决网络内的 盲点 和 热点 同时也针对用户的不同运动状态 用不同级 别的小区提供通信能力 宏蜂窝主要满足以高速移动的移动终端或由于缺乏信 道而不能由微蜂窝服务的移动终端 因此可以降低切换的速率并同时增加系统 的容量 移动终端通话时 它同时保持与宏蜂窝 信号最强的相邻微蜂窝的连 接 并不断地测量宏蜂窝和相邻的微蜂窝的信号强度 报告基站系统控制器 基站系统控制器调整移动台与它自己相邻的微蜂窝的连接 当移动终端低速移 动发生切换时 基站根据移动终端测量的信号强度 优先把移动终端切换到信 号最强的微蜂窝 由于移动终端一直都保持与信号最强的微蜂窝的连接 所以 切换速度很快 切换完成后才调整移动终端与微蜂窝的连接 当然移动终端快 速移动发生切换时 基站根据移动终端的速度 优先把移动终端切换到宏蜂窝 这样移动终端连续经过微蜂窝的时候都不会发生切换 减少了切换的发生 当 移动终端速度降低到一定程度时 基站又把移动终端切换到信号最强的微蜂窝 保证用户得到最好的通信质量与提高系统的容量 第六章第六章 越区切换在现实中的实际应用越区切换在现实中的实际应用 6 1 WCDMA 中的中的软软切切换换 WCDMAWCDMA 中的切换策略中的切换策略 6 1 1 WCDMA 切切换换策略策略 WCDMA 的软切算法使用了相同导频信道的 Ec Io 作为切换测量数值 它有四 个至关重要的导频集分别如下 1 激活集 与分配给移动台的前向业务信道相对应的导频 2 候选集 当前不在激活集里 但是已经有足够的强度表明 与该导频相对应 基站的前向业务信道可以被成功解调的导频集合 3 邻近集 当前不在激活集里和候选导频集中 但可以进入候选集的导频集合 4 剩余集 在当前的系统中 除上述三种导频集以外的其他导频 6 1 2 无无线链线链路增加和路增加和释释放放过过程程 1 小区2的导频信号强度逐渐增强 当小区2的导频强度 Ec Io 达到 最好导 频 Ec Io 报告门限 增加滞后门限 并维持 T 时间 而此时候选集没有满 小区2此时被加入到候选集里 该项动作也称为无线链路增加 2 小区3的导频信号强度逐渐增加并开始超过最早的小区1的导频信号强度 在小区3的导频 最好候选导频 强度 Ec Io 达到 最弱导频 Ec Io 替换滞后 门限 并维持 T 时间 而此时候选集的数目已满 假设此时系统设置的候选集 最大数目是两个 小区3 候选集中最强的信号 此时替代小区2 候选集里最 弱的信号 被加入到候选集里 小区1同时被移出候选集 该项动作也被称为无 线链路增加和释放 3 此时候选集中小区3的导频信号强度逐渐减弱 当小区3的导频强度 Ec Io 弱到 最好导频 Ec Io 报告门限 删除滞后门限 并维持 T 时间 小区3 候选集里最弱的信号 此时被移出候选集 该项动作也称无线链路的释 放 其中 报告门限是软切换中要增加或删除候选集中的小区的门限 T 是留给动 作触发的时间 导频 Ec Io 是指经测量后导频的强度 最好候选导频是指候选 集里信号最强的导频 6 1 3 滞后滞后门门限分限分类类 1 增加滞后门限是要增加无线链路的滞后门限 2 删除滞后门限的要删除无线链路的滞后门限 3 替换滞后门限是要同时增加并释放一条无线连路的滞后门限 6 2 CDMA2000 中的中的软软切切换换 CDMA2000CDMA2000中的切换策略中的切换策略 CDMA2000 中的切换策略如图所示 移动台不断地搜索着激活类 候选类 邻近类 剩余类各个导频的强度 并且根据导频强度维护各个类 当移动台靠 近切换区时 移动台开始以下操作过程 1 导频 p2强度超过了 T Add 但尚未到达动态门限 移动台将这个导频移到候 选集 2 导频 p2强度超过了 SOFT SLOP 8 10 log10 PS1 ADD IN TERCEPT 2 移动台发送导频强度测量消息 3 移动台收到扩展切换指示消息 DROP INTERCEPT 2 将 p2移入激活集 开始宏 分集 而后发送切换完成消息 4 导频 p1的强度下降低于动态门限 SOFT SLOPE 8 10 log10 PS2 DROP INTERCEPT 2 移动台开始启动发送切换定时器 其中 DROP INTERCEPT 2是计算去掉导频 p1时动态门限的一个参数 和 ADD INTERCEPT 2相对应 5 切换下降定时器超时 移动台发送导频强度测量消息给基站 6 移动台收到切换指示消息 将 p1移入候选类 而后发送切换完成消息 7 导频 p1的强度下降低于 T drop 移动台开始启动发送切换定时器 8 切换下降定时器超时 移动台将 p1从候选类移到邻近集 这就是移动台进出切换区的全过程 由此看出对于移动台 切换的关键就是在 复杂的无线信道条件下不断地 较为准确地测量各导频的强度 以及支持在切 换区的宏分集 6 3 TD SCDMA 中的接力切中的接力切换换 接力切换是利用精确的定位技术 在对移动台的距离和方位进行定位的基 础上 根据移动台方位和距离作为辅助信息 来判断移动台是否移动到了可进 行切换的相邻基站临近区域 如果移动台进入这个切换区 则 RNC 通知该基站 作好切换的准备 从而实现快速 可靠和高效切换 这样既节省信道资源 简 化信令 减少系统负荷 也适应不同频率小区之间的切换 实现接力切换的必要条件是 网络要准备获得移动台的位置信息 包括移动台 的信号到达方向 DOA 以及移动台与基站的距离 在 TD SCDMA 系统中 由于采 用了智能天线和上行同步技术 系统较容易获得移动台的 DOA 从而获得移动台 的位置信息 具体过程是 1 利用智能天线和基带数字信号处理技术 可以使天线根据每个移动台的 DOA 为其进行自适应的波形赋形 对每个移动台来讲 仿佛始终都有一个高增益的 天线在自动跟踪它 基站根据智能天线的计算结果就能确定移动台的 DOA 从而 获得移动台的方向信息 2 利用上行同步技术 系统可以获得移动台信号传输的时间偏移 进而计算得 到移动台与基站之间的距离 3 经过前两步之后 系统就可准确获得移动台的位置信息 因此 上行同步 智能天线和数字信号处理等技术 是 TD SCDMA 移动通信系统 实现接力切换的关键技术基础 接力切换执行过程如图所示 1 移动台与 nodeB1进行正常通信 2 当移动台需要切换并且网络通过对移动台对候选小区的测量找到了切换目标 小区时 网络向移动台发送切换命令 移动台就与目标小区建立上行同步 然 后移动台在与 nodeB