移动通信中切换技术的比较分析

题目 移动通信中切换技术的比较分析题目 移动通信中切换技术的比较分析 I 移动通信中切换技术的比较分析移动通信中切换技术的比较分析 摘 要 本文讨论了移动通信系统中切换技术提出的背景及其基本概念 然后分别 介绍了三代移动通信系统中所采用的切换技术 最后详细分析了TD SCDMA 移 动通信系统中所采用的接力切换技术和WiMAX系统的 切换技术原理及其实现 对系统地学习和研究移动通信系统中切换技术具有重大意义 关键词 切换 WCDMA CDMA2000 TD SCDMA II The Analysis on Comparing Handover Technologies in Mobile Communication Abstract First the background and the basic conception of handover are introduced in this paper Then handover technologies used in three generations are discussed Finally the theories of Baton Handover used in TD SCDMA and handover technology in WIMAX are analyzed and it will play a major role in studying of handover technologies Keywords handoff TD SCDMA WiMAX III 目 录 一 切换技术概述 1 1 1 移动通信发展简史 1 1 1 1 第一代蜂窝移动电话系统 1G 2 1 1 2 第二代蜂窝移动电话系统 2G 2 1 1 3 第三代蜂窝移动电话系统 3G 3 1 2 引起切换的原因 3 1 3 切换技术 4 1 3 1 切换控制的方式 4 1 3 2 切换技术的分类 5 三 第二代移动通信系统的切换技术 8 3 1 GSM 系统的切换 8 3 2 IS 95 窄带 CDMA 系统的切换 9 四 第三代移动通信系统的切换技术 10 4 1 WCDMA 的切换技术 10 4 2 CDMA2000 的切换技术 10 4 3 TD SCDMA 的切换技术 11 五 三种 3G 标准切换技术的分析比较 14 六 总结与展望 15 参考文献 16 致谢 17 1 一 切换技术概述 目前的移动通信系统都是属于蜂窝移动通信系统 它把服务区划分为若干 小的区域 称为小区 Cell 然后在各小区用小功率发射机覆盖 由若干小区 构成区群 Cluster 实现频率复用 当移动台在服务区中从一个小区快速移动 到邻近小区时 这时 移动台和原来小区基站的通信链路必须转换到新小区基 站上来 这个转换过程就称为越区切换 Handoff 1 切换是指将一个正在进行 中的通信从一个信道 小区过渡至另一个信道 小区 并且保证通信不产生中 断的一项技术 切换允许在不同的无线信道之间进行 也允许在不同的小区之 间进行 广义来说 根据切换在载频 时隙 地址码 小区及BSC 和MSC 等不 同实体之间产生 可以分为不同类型的切换 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 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 1 1 移动通信发展简史 自从 1897 年马可尼的实验证明了运动中无线通信的可应用性 人们就开始 了对未来的移动通信孜孜不倦的探索 早期成功应用的移动通信系统可追溯到 20 世纪 30 年代美国的警用车载系 统 该系统方便快捷到 30 年代中期全美警察部门安装了大约 5000 个无线接收 装置 这一阶段的特点是工作频率较低 工作在短波频段上 第二次世界大战期间使得通信技术及其制造业有了长足的发展 1946 年 贝尔实验室推出了第一种大区制的公众移动电话服务 在美国圣路易斯建立了 世界上第一个公用汽车电话网 被称为 城市系统 从 40 年代中期至 60 年代初期 在西德 法国等国家随后陆续发展了公用移动 电话系统 其间完成了从专用网向公用移动网的过渡 采用人工接续的方式解 2 决了移动电话系统与公用市话之间的接续问题 这时的通信网的容量较小 60 年代中期至 70 年代后期 主要是改进和完善移动通信系统的性能 包括 直接拨号 自动选择无线信道等 同时解决了自动接入公用电话网的问题 这 时的系统都采用大区制 选择的频段和容量都较以往有了很大的提高 随着大规模集成电路技术和计算机技术的迅猛发展 解决了困扰移动通信的 终端小型化和系统设计等关键问题 移动通信系统进入蓬勃发展阶段 1 1 1 第一代蜂窝移动电话系统 1G 美国贝尔实验室 bell lab 提出了小区制的蜂窝式移动通信系统的解决方案 在 1978 年 开发了 AMPS Advance Mobile Phone Service 系统 这是第一种 真正意义上的随时随地通信的大容量的蜂窝移动通信系统 它结合频率复用技 术 可在整个服务覆盖区域内实现自动接入公用电话网 与以前的系统相比确 有更大的容量和更好的话音质量 可以说 蜂窝化的系统设计方案解决了公用 移动通信系统的大容量要求和频谱资源受限的矛盾 到 80 年代中期 欧洲和日本也纷纷建立了自己的蜂窝移动通信网 主要代 表有 英国的 ETACS European Total Access Communication System 系统 法国 的 450 系统 北欧国家的 NMT 450 Nordic Mobile Telephone 450 系统 1987 年 中国首个 TACS 制式模拟移动电话系统建成并投入商用 这些系统都是 FDMA 频分多址接入 频分双工模拟制式系统 被称为第 一代蜂窝移动通信系统 1 1 2 第二代蜂窝移动电话系统 2G 20 世纪 80 年代中期 当模拟蜂窝移动通信系统刚投放市场时 世界上的发 达国家就在研制第二代移动通信系统 其中最有代表性和比较成熟的制式有泛 欧 GSM Global System for Mobile Communication 美国的 ADC D AMPS 和 日本的 JDC 现在改名为 PDC 等数字移动通信系统 在这些数字系统中 GSM 的 发展最引人注目 1991 年 GSM 系统正式在欧洲问世 网络开通运行 GSM Global System for Mobile Communications 全球移动通讯系统 是 一种起源于欧洲的移动通信技术标准 是第二代移动通信技术 其开发目的是 3 让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准 让用户使用一部手机就能行 遍全球 我国于 20 世纪 90 年代初引进采用此项技术标准 此前一直是采用蜂 窝模拟移动技术 即第一代 GSM 技术 2001 年 12 月 31 日我国关闭了模拟移动 网络 目前 中国移动 中国联通各拥有一个 GSM 网 为世界最大的移动通信 网络 GSM 系列主要有 GSM900 DCS1800 和 PCS1900 三部分 三者之间的主要 区别是工作频段的差异 GSM 系统采用数字调制 即把音频数字化处理后再对 其朝廷压缩 但在二进制码流调制之前必须先进行低通滤波 这里采用高斯低通 滤波器 第二代蜂窝移动电话系统主要采用 TDMA time division multiple access 及 CDMA code division multiple access 技术 1 1 3 第三代蜂窝移动电话系统 3G 第三代蜂窝移动电话系统的主要特征是可提供丰富多彩的移动多媒体业务 其传输速率在高速移动环境中支持 144kb s 步行慢速移动环境中支持 384kb s 静止状态下支持 2Mb s 其设计目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 3G 标准主要有以下三种 WCDMA CDMA2000 与 TD SCDMA CDMA 是 Code Division Multiple Access 码分多址 的缩写 是第 三代移动通信系统的技术基础 第一代移动通信系统采用频分多址 FDMA 的模 拟调制方式 这种系统的主要缺点是频谱利用率低 信令干扰话音业务 第二 代移动通信系统主要采用时分多址 TDMA 的数字调制方式 提高了系统容量 并采用独立信道传送信令 使系统性能大为改善 但 TDMA 的系统容量仍然 有限 越区切换性能仍不完善 CDMA 系统以其频率规划简单 系统容量大 频率复用系数高 抗多径能力强 通信质量好 软容量 软切换等特点显示出 巨大的发展潜力 4 1 2 引起切换的原因 切换可以认为是蜂窝通信中最复杂和最重要的过程之一 引起切换的原因 主要有如下几种 1 信号强度 当基站或移动台处接收到的信号很弱时 并出现移动台到 另一个小区 或同一小区但不同频率有更好的链路的情形 可能导致切换 2 信号质量 信道遭受到的干扰将引起信号质量的衰减 使前向纠错不 能产生可接受的质量水平 3 移动台到基站的距离 各服务小区中移动台到基站间的距离限制和网 络无线规划中规定的该小区大小有关 4 功率预算 在改善网络的整个性能中最重要的是使发射功率最小 因 为这可以使 PLMN 中干扰电平的统计平均值减少 5 没有被分配的时隙中的干扰 为了在一个新载频中 或者在同一载频 上的空闲信道中选择新的最佳信道 基站对空闲时隙中的噪声电平进行测量 这个信息被用在同一小区或同一基站的载频之间切换情况中 目的是选择目标 信道 这也可用在呼叫建立时信道分配过程中 6 话务量原因 小区可以通过把正在通信的时间提前量较大的移动台切 换到相邻小区来减轻拥塞 这样的移动台都是处在小区边缘 因此它既在服务 小区的覆盖范围内 也在相邻小区的覆盖范围内 移动台的运动或附近环境的 变化 导致了由衰落 障碍物和干扰引起的信号变化 这是启动切换的主要原 因 2 1 3 切换技术 1 3 1 切换控制的方式 切换过程控制的方式主要有三种 1 移动台控制切换 MCHO 移动台控制切换是通过移动台持续监视通信 端口的信号强度和质量 当满足切换条件时 移动台选择一个最好的切换候选 项并发出切换请求 目前欧洲的增强型数字无绳技术 DECT 和北美的太平洋 地区通信系统 PACS 均采用这种切换控制 5 2 网络控制切换 NCHO 网络控制切换是通过通信端口监视信号强度和 质量 当信号恶化到低于某阈值时 网络就安排切换到新的通信端口 在此过 程中 网络要求所有端口监视由移动台来的信号 并将结果报告结网络 当网 络选择新端口后 它同时通知新 旧端口完成切换 移动台在切换过程中是被 动的 目前的TACS及AMPS系统均采用这种切换控制 即由基站检测 由交换中 心控制完成 当前基站监视并测量所有通信链路 移动交换中心 MSC 命令周 围基站不时地测量各自的通信链路 基于这些测量 MSC决定何时何地发生切换 3 移动台辅助切换 MAHO 移动台辅助切换可以说是网络控制切换 NCHO 的一种演化 网络要求移动台测量周围端口的信号强度并报告给旧端 口 然后由网络来判断是否切换和切换到哪个端口 因此MA HO是通过移动台 测量通信链路 而由网络控制切换 在切换过程中移动台和网络同时参与切换 移动台负责测量 网络负责判决 目前的GSM及CDMA系统均采用这种切换控制 3 1 3 2 切换技术的分类 当用户接入时 系统根据所测量得的信号强度和各小区的容量为某一呼叫 选择最恰当的小区 宏小区 微小区或微微小区 发生切换时有两种切换方 式 相同层次小区之间的水平切换和不同层次小区之间的垂直切换 1 3 1 水平切换技术 水平切换就是普通的小区切换 包括 硬切换 软切换 更软切换 通 常情况下 移动速率没有较大的改变 相同小区的容量未饱和都只需要水平切 换即可 可以这样来概括水平切换 移动节点在相同系统的基站 扇区 信道 之间的切换称为水平切换 1 3 2 垂直切换技术 垂直切换是移动节点在不同系统的基站 扇区 信道 之间的切换 垂直 切换分为两种类型 下行垂直切换和上行垂直切换 下行垂直切换指MT 从覆盖 范围较大的网络切换至较小的网络 相反 上行垂直切换指MT 从覆盖范围较小 的网络切换到较大的网络 通常 下行垂直切换没有严格的时间要求 Time 6 Critical 而上行垂直切换则是时间严格要求的 如果接收信号强度 Received Signal Strength RSS 快速减弱 则MT 必须尽快执行上行垂直 切换 而MT则不必立即执行下行切换 因为MT 可以在短时间内通过无线网络 垂直切换的过程通常分为三步 1 MT 必须知道哪些无线网络是可达的 这一 过程被称为网络发现 2 MT 将评价所有可达的网络 然后做出切换的决定 该过程被称为切换判决 3 MT 垂直切换到新的无线网络 7 二 第一代移动通信系统的切换技术 第一代移动通信系统是指以 FDMA 频分多址为基础的模拟蜂窝网 采用的 切换是基站或网络控制切换技术 具有自动过境切换技术 移动台在进行通话时 系统始终监测着通话质量 当测得的SAT 监测音载 干比低于 SNH 请求切换的信噪比 或测得的信号强度值低于SSH 切换强度 时 话音信道就向 MSC发送越区切换请求 从中得出两类切换 1 根据信号的强度 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 2 根据载干比 载干比是接收机接收到的载波信号与干扰信号的平均功 率的比值 反映了移动通信的通话质量 如在模拟移动通信系统 TACS 系统 中 通话时基站会产生连续的监测音 SAT 和话音一起传送 用于监测无线 信道质量 当接收机接收到的载干比小于规定的门限值时 系统就启动切换过 程 8 图2 1切换过程框图 2 对模拟系统切换优缺点的讨论 1 优点 模拟蜂窝网采用基站控制的越区切换技术 系统性好 易于控 制 统一管理 可实现自动越区切换 切换时间短 不易被用户察觉 2 缺点 1 系统负荷过大 切换的过程需要在基站和 M SC 之间频繁地 传输测量信息和控制信令 不仅增加通信链路负荷 而且要求 M SC 具有很强的 处理能力 2 掉话率高 模拟系统中频谱资源非常紧张 没有空闲信道专门用 于切换 SAT 载干比低于门限时 要求越区切换 这时如果要切换的目标小区 忙而没有空闲信道 没有切换导致通话质量继续恶化 当 SAT 载干比达到了门 限时 该话音信道上的通话就中断 称为掉话 3 易产生 乒乓效应 实际 中两类切换同时使用 如果干扰大 使离基站小区较近的移动台通话中因信噪 比低于门限而引起切换时 目标小区离移动台较远 因而信号强度比较弱 当 切换到目标小区后容易因目标小区测得的信号强度低于门限又切换回原小区 这种在两个小区之问通话来回切换的现象称为 乒乓效应 容易引起通话中断 4 由于各国采用系统的标准不同而无法实现全球漫游 5 切换使话音信道上 产生短时问中断 使双方听到明显的 喀喇 声 对于数据调制解调器来说 会造成数据差错或丢失 9 三 第二代移动通信系统的切换技术 第二代移动通信系统是指数字蜂窝移动通信系统 其典型系统为以 GSM 为 代表的 TDMA 时分多址数字蜂窝网和 IS 95 窄带 CDMA 码分多址数字蜂窝网 3 1 GSM 系统的切换 GSM 系统采用移动台辅助越区切换MAHO 其主要思想是把切换的检测和处 理等功能部分地分散到各个移动台 由移动台来测量本基站和周围基站的信号 强度 把测量结果送给MSC 分析处理 做出有关切换的决策 信息的传递在慢 速辅助控制信道SACCH 中完成 GSM 系统采用了MAHO 技术 能明显加快切换速度 其小区半径可以减小至 0 5 km 因而系统容量可以得到提高 设置多种控制信道增强系统控制能力 不会产生 乒乓效应 通信高峰期还会出现掉话 图1 为GSM系统所采用的 硬切换基本原理图 4 其特点是在A B 小区分界线上 先断后切 状态A 和 B 的转换过程中出现暂时中断 图 3 1 硬切换基本原理 基于 TDMA 时分复用 技术的 GSM 广泛采用的是硬切换 借助于宏分集特性也可 以实现软切换 宏分集就是指使移动终端与两个 或以上 的基站同时保持连接 GSM 中的切换分为 3 种类型 1 援救切换 rescue handoff 可避免由于 MS 离开所在小区而产生掉话 2 边缘切换 confinement handoff 可将呼叫切换到邻近某个小区 减小干 10 扰 3 业务量切换 traffic handoff 是将一些呼叫从业务量拥挤的小区切换到 相对不拥挤的小区 3 2 IS 95 窄带 CDMA 系统的切换 以往的系统都采用硬切换 而CDMA 系统采用软切换 在硬切换中 切换与 否有一个明确的选择 对于软切换来说 是否进行切换是一个有条件的选择 根据来自两个或多个基站导频信号强度的变化 最终确定与其中一个进行通信 在过渡期间 用户与所有候选基站保持业务信道的通信 软切换只能在同频率 的CDMA 信道间进行 因此切换只改变地址码 不改变频率 它在两个基站覆盖 区的交界处起到了分集作用 这样减少了由于切换造成的掉话 据统计 模拟 系统 TDMA 系统中无线信道上的90 掉话是在切换过程中发生的 采用软切换 保证了通信的可靠性 但由于软切换的切换模式使得一个移动台切换的同时需 要几个基站的支持 所以软切换与硬切换相比会占用更多的信道资源 图2 为 IS 95 窄带 CDMA 系统所采用的软切换基本原理图 4 其特点是 先切后断 无中断 图3 2 软切换基本原理 11 四 第三代移动通信系统的切换技术 第三代移动通信有如下三个标准 欧洲和日本的WCDMA 北美的CDMA2000 中国大唐电信研制的TD SCDMA 这标志着中国提出的移动通信建议在百年通信 史上第一次成为国际电信联盟采用的技术标准 4 1 WCDMA 的切换技术 WCDMA 是基于 GSM 的第三代技术 中国拥有世界上最大的 GSM 网络 运营 商只需增添一些软硬件 即可使 GSM 升级为 WCDMA 保护已有的 GSM 投资 WCDMA 的切换 WCDMA 系统中的切换包括硬切换和软切换 可分为 4 类 系统 间硬切换 系统内硬切换 软切换和更软切换 1 WCDMA 系统的硬切换 系统间硬切换主要是 WCDMA 系统和 GSM 系统的小 区间的切换 该切换由移动终端辅助控制切换 从而对 WCDMA 系统和 GSM 系统进 行覆盖及负荷的平衡 系统内的硬切换包括 GSM 系统内小区之间的硬切换 WCDMA 系统内 FDD 异频情况下的硬切换 WCDMA 系统内 TDD 模式与 FDD 模式小区 之间的切换及 TDD 与 TDD 模式之间的切换 2 WCDMA 系统的软切换 WCDMA 系统在 FDD 同频情况下进行软切换或更软 切换 主要有以下几种情况 同一 Node B 3G 网络基站的称呼 内不同小区之间 的切换 如果在 Node B 内部就完成了链路合并功能称为更软切换 同一 RNC 无 线网络控制器 内不同 Node B 间的切换 不同 RNC 之间的切换 4 2 CDMA2000 的切换技术 CDMA2000 这一标准由美国提出 是基于IS 95CDMA 的宽带CDMA 技术 可 以保护基于IS 95 窄带CDMA 的投资 其切换与IS 95 中的软切换类似 CDMA2000系统是从CDMAOne演进而来的的一个体系结构 称为 CDMA2000family 包含一系列子标准 演进途径 CDMAOne IS 95B CDMA20001x 3x CDMA20001xEV CDMA的切换方式包括硬切换和软切换 12 1 硬切换 CDMA系统发生硬切换的情况为 不同频率之间 不同系统之间 不同BSC MSC之间 并且两者之间没有软切换通路 不同CDMA网络运营商的基站 或 扇区之间 2 软切换 CDMA系统的软切换是一个 建立 比较 释放 的过程 可以是 同一基站控制器或不同基站控制下不同基站之间的切换 即MS在两个或多个基 站覆盖的边缘区域进行切换过程中 在中断与旧的小区的联系之前 先用相同频 率建立与新小区的联系 MS同时接收多个基站的信号 几个基站也同时接收MS的 信号 直到满足一定条件后MS才切断与原来基站的联系 在切换过程中 MS同时与 所有的候选基站保持业务信道的通信 CDMA2000软切换是一种移动台辅助的切 换过程 实现过程为 a 移动台不断搜索导频集搜索窗内的所有导频并测量它们的强度 b 当导频信号的强度达到T ADD时 移动台向基站发送PilotStrength Measurement Message PSMM 并将该导频转移到候选导频集 c 基站收到PSMM后进行相应的处理 如果允许切换 则向移动台发送 Handoff Direction Message HDM 指示移动台进行切换 d 移动台收到HDM后 将此导频从候选导频集转移到有效导频集 即更新激 活集 并向基站发送Handoff Completion Message HCM e 当导频信号的强度掉到T DROP以下时 移动台启动切换去掉定时器 T TDROP f 若切换去掉定时器超时 移动台向基站发送Pilot Strength Measurement Message PSMM g 基站收到PSMM后进行相应的处理 如果允许切换 则向移动台发送 Handoff Direction Message HDM 指示移动台进行切换 h 移动台收到HDM后 将 此导频从有效导频集转移到相邻导频集 并向基站发送Handoff Completion Message HCM 4 3 TD SCDMA 的切换技术 TD SCDMA系统采用的是接力切换方式 接力切换是介于硬切换和软切换 之间的一种切换方式 它通过智能天线和上行同步技术准确获得移动台的位置 13 信息 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 即整个过程可分为三个阶段 测量阶段 判决阶段和执行阶段 图4 1接力切换过程示意图 切换过程示意图如图1 5 图 a 为移动台与Node B1进行正常通信 图 b 为当移动台需要切换时 网络通过移动台对候选小区的测量找到切换目 标小区Node B2 网络向移动台发送切换命令 移动台与Node B2建立上行同步 然后移动台在与Node B1保持信令和业务连接的同时 与NodeB2建立信令连接 图 c 为当移动台与Node B2建立信令连接之后 删除与Node B1的业务连接 图 d 为移动台建立与Node B2的业务连接 图 e 为移动台断开与Node B1之间的信令连接 保持与Node B2的信令连接和 14 业务的连接 切换完成 总之 接力切换将软切换的高成功率和硬切换的高信道利用率综合起来 既节 省信道资源 简化信令 减少系统负荷 又适应不同频率小区之间的切换 15 五 三种 3G 标准切换技术的分析比较 WCDMA和CDMA2000系统都是采用软切换技术 除切换参数和切换过程不同之 外 本质上是相同的而TD SCDMA采用的接力切换是介于硬切换和软切换之间的切 换方法 存在了很大的区别 从侧过程来看 传统的软切换是在不知道终端准确位置的情况下进行的 因 此需要对所有相邻小区进行测量 然后根据给定的切换算法和准则进行切换判 决和目标小区的选择 接力切换是在精确知道终端位置的情况下进行切换测算的 这样可减少终 端所需要的切换时间及测里工作量 切换时延 切换掉话率随之下降 另外 由于需要监测的相邻小区数目减少 也减少了设备之间的信令交换 缩短了终 端测算时间 减轻了网络负荷 进而使系统性能得到优化 相对于软切换 接 力切换具有切换成功率高 信道利用率高 较低的掉话率的优点 但是 由于 接力切换的前提是精确定位 准确的DOA测量是需要精确的上行同步 智能天线 和数字信号处理等先进技术为基础的