移动通信中切换技术的比较分析

本科生毕业论文题目：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；IIThe Analysis on Comparing Handover Technologies in Mobile CommunicationAbstractFirst, 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 ；WiMAXIII目 录一 切换技术概述 .11.1 移动通信发展简史 .11.1.1 第一代蜂窝移动电话系统(1G) .21.1.2 第二代蜂窝移动电话系统(2G) .21.1.3 第三代蜂窝移动电话系统(3G) .31.2 引起切换的原因 .31.3 切换技术 .41.3.1 切换控制的方式 .41.3.2 切换技术的分类 .5三 第二代移动通信系统的切换技术 .83.1 GSM 系统的切换 .83.2 IS95 窄带 CDMA 系统的切换 .9四 第三代移动通信系统的切换技术 .104.1 WCDMA 的切换技术 .104.2 CDMA2000 的切换技术 .104.3 TDSCDMA 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 .171一 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。41.2 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。 21.3 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。52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MAHO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