毕业论文-移动通信中的切换技术研究.doc

江苏信息职业技术学院毕业设计（论文） 毕业设计论文 移动通信中的切换技术研究移动通信中的切换技术研究 系 电子信息工程系 专业 移动通信 姓名 班级 通信 122 学号 1201223211 指导教师 职称 设计时间 2013.9.232014.1.3 江苏信息职业技术学院毕业设计（论文） 摘摘 要要 自从移动通信领域中引入的蜂窝概念，切换技术就开始出现，并成为了移 动通信系统中的重要技术之一。切换技术是蜂窝系统所独有的功能，也是移动 通信系统的一个关键特征，它直接影响整个系统的性能。当移动台的一个基站 的覆盖范围移动到另一个基站的覆盖范围，通过切换移动台保持与基站的通信。 切换从本质上说是为了实现移动环境中数据业务的小区间连续覆盖而存在的， 从现象上来看是把接入点从一个区换到另一个区。 本文研究的重点是移动通信系统中的切换技术，主要分析了 CDMA、GSM、WCDMA 系统中的切换算法，切换基本可以分为硬切换、软切换、更 软切换。由于第二代移动通信系统的巨大成功，用户的高速增长与有限的系统 容量和有限的业务之间的矛盾渐趋明显，第三代移动通信的标准化工作开始逐 渐进入实质阶段。3G 通信技术已经在慢慢成熟，新的 4G 技术也在不断的演变， 要做到通信技术的完善和更前的发展，切换技术作为移动通信中的关键技术， 起着重要的作用。因此，我们研究切换技术是为了更好的发展未来通信技术， 提高网络的服务能力和运行质量。 关键词关键词:切换,硬切换,软切换,切换算法 江苏信息职业技术学院毕业设计（论文） 目 录 摘 要.I 目 录 .II Abstract 第一章 绪论.1 1.1 移动通信系统 .1 IV 1.1.1 移动通信特点 .1 1.1.2 移动通信工作方式 .1 1.2 移动通信的发展 .2 1.2.1 全球移动通信发展历程 .2 1.2.2 我国移动通信的发展历程 .3 1.3 切换技术的发展 .4 第二章 切换技术6 2.1 切换的定义及分类 .6 2.2 切换的原因 .7 2.3 切换的控制方式 .8 第三章 移动通信系统中的切换.9 3.1 CDMA 系统中的切换.9 3.1.1 CDMA 系统概述.9 3.1.2 CDMA 系统中的软切换10 3.1.3 CDMA 系统中的硬切换13 3.2 GSM 系统中的切换.15 3.2.1 GSM 系统概述.15 3.2.2 GSM 数字移动通信的主要技术.16 3.2.3 GSM 切换.17 3.3 WCDMA 系统中的切换.19 3.3.1 WCDMA 系统概述.19 江苏信息职业技术学院毕业设计（论文） 3.3.2 WCDMA 中的切换.19 3.3.3 WCDMA 中的软切换.23 第四章 中国 3G 的切换.26 4.1 3G 的简述26 4.2 中国 3G 的发展驱动力 .27 4.3 我国 TD-SCDMA 的切换过程 .28 4.4 我国 TD-SCDMA 系统接力切换性能简要分析 .31 第五章 结论与展望33 参考文献35 致 谢.36 江苏信息职业技术学院毕业设计（论文） 第一章 绪论 1.1 移动通信系统 移动通信是指移动用户之间，或移动用户与固定用户之间进行的通信。随 着社会的发展，科学技术的进步，人们希望能随时随地、迅速可靠地与通信的 另一方进行信息交流。这就是我们要介绍的移动通信。这里所说的“信息交流” ，不仅指双方的通话，还包括数据、传真和图像等通信业务。 1.1.1 移动通信特点 1.移动通信的传输信道必须使用无线电波，电波的传播条件恶劣。在陆地 上，移动体往来于建筑和障碍物之间。 2.干扰严重。由于移动通信网络是无线电台、多波道通信系统，通信设备 除受城市噪声影响干扰外，无线电台同屏干扰、互调干扰较为突出。因此，抗 干扰措施在移动通信系统设计中显得尤为重要。 3.所用的无线电频率有限，接收戒备动态范围大。由于移动台的位置不断 的变化，接收机和基站之间的距离也在不断的变化，导致接收信号不断的变化。 4.移动通信综合了各种通信技术。移动通信综合了交换技术，计算机技术 和传输技术等。 5.对设备要求苛刻。移动用户常在野外，环境条件相对较差，因此对其设 备要求相当的苛刻。 1.1.2 移动通信工作方式 移动通信按照用户的通话状态和频率使用的方法分，有三种工作方式：单 工制、半双工制和双工制。 1.单工通信 （1）单工通信概念：所谓单工通信是指通信双方的电台交替地进行收信和 发信，某一方收发信不能同时进行。 （2）单工通信分类 根据发射频率的异同又可以分为同频单工和异频单工不同的两类。 （3）单工通信的特点 优点：设备简单、省电、成本低。 江苏信息职业技术学院毕业设计（论文） 缺点：由于使用 PTT 按讲开关使用不方便。 2.双工通信 （1）双工通信概念：所谓双工通信是指通信双方同时进行信息传输进行收 信和发信，某一方收发信机能同时的工作方式，区别于后面的半双工通信，这 种方式也称为全双工通信。 （2）双工通信分类：双工通信可分为频分双工和时分双工两类。 （3）双工通信的特点 优点：使用方便。 缺点：设备较复杂、耗电大。 3.半双工通信 （1）半双工通信的概念：半双工通信是指通信一端采用双工制，而移动台 采用单工制。 （2）半双工通信的特点 优点：移动台设备简单，价格低，耗电少。收发采用不同频率，提高 了频谱利用率。移动台受临近电台干扰小。 缺点：移动台仍需按键发话，松键受话，使用不方便。 1.2 移动通信的发展 1.2.1 全球移动通信发展历程 全球移动通信的发展大致经历了以下几个阶段： 20 世纪 2030 年代：警车无线电调度电话（AM 调幅），使用频率为 2MHz。 20 世纪 4050 年代：人工接续的移动电话（FM 调频）。单工工作方式， 使用频段为 150MHz 及 450MHz。 20 世纪 60 年代：自动拨号移动电话。全双工工作方式，使用频段为 150MHz 及 450MHz。1964 年美国开始研究更新的移动电话系统。 20 世纪 7080 年代：AMPS、TACS 分别在美国、英国投入使用。 20 世纪 90 年代：GSM 数字移动通信系统和窄带 CDMA 数字移动通信系 统及卫星移动通信。 21 世纪初：基于窄带 IS-95 CDMA 技术的宽带 CDMA 技术的 cdma2000、 江苏信息职业技术学院毕业设计（论文） 基于日本无线工业广播协会支持的纯 WCDMA 和欧洲电信标准协会定制的 UTRA 两个独立建议的 WCDMA、由我们国家提出的 TD-SCDMA 等 3G 系统 陆续开始投入使用，其中第三代（3G）系统使用的频段 18852025MHz，21102200MHz，全球统一标准。 20 世纪 80 年代发展起来的模拟蜂窝移动电话系统，被称为第一代移动通 信系统。其主要技术是模拟调频、频分多址，主要业务是话音。代表这一系统 的有美国的 AMPS，英国的 TACS，北欧的 NMT-900 及日本 HCNTS 等。第一 代通信系统采用 FDMA 方式的模拟蜂窝系统。其缺点是容量小，不能满足飞速 发展的移动通信业务种类的需要。 第二代移动通信采用 TDMA 或 CDMA 数字蜂窝系统，如 GSM/DCS1800，D-AMPS(IS-136)、CDMA 等。其容量和功能都比模拟系统有 了很大的提高，但其业务种类主要限与话音和低速数据。 移动通信继续以前所未有的速度向前发展，用户数量的急剧增加、新业务 的需求使人们已不再满足于第二代移动通信系统，因此人们不断进行系统改进。 改进后的系统可称为 2.5 代（2.5G），并朝着第三代移动通信系统（3G）的方 向发展。第三代移动通信系统（3G）目前也已从原来的标准的讨论渐渐进入商 用。从 2G 向 3G 发展是移动通信历史发展的必然趋势。 1.2.2 我国移动通信的发展历程 我国移动通信时从军事移动通信起步的。民用移动通信发展比较的晚，最 初阶段大致可分为早期、74 系列、80 系列三个阶段，20 世纪 50 年代末到 70 年代中主要用于公安、邮电、交通等少数部门作为专用。我国公众移动通信起 步于 20 世纪 80 年代，1987 年在广州、上海率先采用 900MHz TACS 标准的模 拟蜂窝移动通信系统，开通了蜂窝移动通信业务。它一经面世，就受到广大用 户的欢迎，并迅速发展到全省全国。 在发展 GSM 的同时，我国积极跟踪 CDMA 技术的发展。CDMA 数字蜂窝 试验网率先由长城电信在北京、上海、广州、西安四大城市建成并开通，使用 效果不错。美国的 TIA 的 IS-95 的双模式 CDMA 标准以 Qualcomm 的方案为基 础，系统带宽为 1.25MHz。随着中国电信改革的深入，1994 年 4 月，信息产业 部确定由中国联通在全国范围经营 CDMA 数字蜂窝系统。 江苏信息职业技术学院毕业设计（论文） 2000 年 4 月 20 日，从中国电信分离的移动业务有新成立的中国移动通信 集团公司运行。目前中国国内最主要的移动运营商是中国移动和中国联通，为 了改变我国以往在制定技术标准方面跟着国外标准跑的局面，我国的政府主管 部门高度重视第三代移动通信发展，积极制定具有我国自己知识产权的 3G 标 准。 1.3 课题研究的目的及内容 随着通信技术的发展理论、通信科技技术的不断提高，移动通信技术已经 成为人们生活必须，并不断的被发展。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，或者由于外界干扰造成通话质量下降时，必须改变 原有的话音信道而转接到一条新的空闲话音信道上，以继续保持通话的过程。 正确认识和理解切换对我们的日常维护及网络优化有重要作用。由于移动通信 系统采用蜂窝结构，所以，移动台在跨越空间划分的小区时，必然要进行切换， 即完成移动台到基站的空中接口的转移。因此切换技术成为无线资源管理中的 重要研究内容之一。切换技术是移动终端在众多通信系统、移动小区之间建立 可靠移动通信的基础和重要技术，适用于移动终端在不同移动小区之间、不同 频率之间通信或者信号降低信道选择等情况。在移动通信系统中，切换的目的 有 2 种可能，一种是实现漫游，另一种是为了提高网络服务质量，即降低掉话 率，降低拥塞率。 移动设备与对端通信点之间的通信会由于切换需要一定的时延，这可能造 成数据丢失等问题，甚至通信连接的中断，影响我们的正常通信。研究切换的 目的就是要减少切换的延迟和丢包率，这样我们才能更好的运用于实际的通信 中。 1.4 课题研究的意义 切换是数字蜂窝移动通信的一个主要特点，它保证移动用户从一个小区移 动到另一个小区时通话的可靠性。在任何移动网中，切换是相当重要的，这是 因为在蜂窝结构中，最大限度地使用了频谱利用率。由于在系统中切换的存在， 有可能导致数据分组的丢失，以及在两个基站间来回产生几次切换，导致“乒 乓”效应。因此好的切换机制，可以保证呼叫的数据分组正常传输，而不会丢 失分组。由于软切换无中断时间，可有效限制“乒乓”效应，进而提高通信质 江苏信息职业技术学院毕业设计（论文） 量。因此在移动网中软切换机制得到了大力发展和应用。但有关切换的问题是 一个十分复杂的问题。不仅涉及小区的大小，小区内移动终端数目和可用信道 数目，发射功率，天线高度，无线电波传播特性等因素，还涉及门限和容限等 参数的选择。虽在研究和应用中己经实现了切换的功能，但还存在有待于进一 步完善的必要性。因此有关切换的问题，不但涉及对现有问题的进一步的研究， 还涉及到对在应用中出现的一些新问题的优化，如对微小区的重迭及阴影区域 的处理等等。 江苏信息职业技术学院毕业设计（论文） 第二章 切换技术 2.1 切换技术的发展 自从移动通信领域中引入的蜂窝概念，切换技术就开始出现，并成为了移 动通信系统中的重要技术之一。切换技术是蜂窝系统所独有的功能，也是移动 通信系统的一个关键特征，它直接影响整个系统的性能。 我国目前是 TACS、GSM 及 CDMA 多网络并存的结构。在 TACS 系统中， 由于采用网络控制切换方式，由基站检测，交换中心控制完成，放信道监视和 测量功能集中在基站，当基站判决要切换时，必须请求和等待相邻基站的测量 结果才能确定切换的目标小区；而在 GSM 和 CDMA 系统中，由于采用移动台 辅助切换方式，切换是由移动台负责测量，网络负责判决的，故需要切换时， 目标小区可立即确定，因此 GSM、CDMA 切换速度比 TACS 快。另外，由于 网络控制切换需要传递大量信令用以搜集信息，而基站可用的无线资源是有限 的，切换又经常要花费数秒钟，为减少网络的信令负担，周围基站并非持续向 MSC 传递测量报告，即测量次数由于资源的限制而降低，因此 MSC 用作切换 判决的依据并非精确可靠。 2.2 切换的定义及分类 切换的定义：当移动台一个基站的覆盖范围移动到另一个基站的覆盖范围， 通过切换移动台保持与基站的通信。切换从本质上说是为了实现移动环境中数 据业务的小区间连续覆盖而存在的，从现象上来看是把接入点从一个区换到另 一个区。 切换的目的：保证移动用户通话的连续性，恰当的切换算法有利于降低系 统掉话率，增加网络容量。接入期间采用切换主要是为了减少主被叫接入失败， 提高接入信道工作的可靠性。 切换的分类：空闲切换，硬切换，软切换，更软切换. 江苏信息职业技术学院毕业设计（论文） 2.3 切换的原因 为什么会产生切换？有很多原因产生切换，其最主要的原因是空中接口的 连接不适合要求，为了能正常的保持移动用户顺利的进行通话。就要进行切换， 触发切换的原因有： 1.由功率的预算造成的切换 GSM 通信系统中，为了让用户通话建立在接收电平最高的地方，在移动台 穿过两小区的边界是，如果 BSC 报告某个小区能接收到的电平满足要求，这样 就要造成小区功率预算的切换，正常情况下，功率预算切换与切换总数的比是 1:2。在 CDMA 系统中，因为系统干扰受到限制的，使得系统的容量与整个网 络的干扰情况紧紧地联系在一起。为了减少整个 PLMN 中干扰电平的平均值， 把链路切换到最小路径损耗的信道上。 2.由信号的强弱造成的切换 在移动台接收到的信号很弱时，并有移动台到别的小区，或者同一小区但 是不同的频率有更好的链路情况，可能会产生切换。这种类型的切换，相邻的 小区的接收电平值要大于服务小区的电平值，该值被称为教授性电平切换容限， 采用这种算法的目的也是为了避免不必要的救援切换而产生乒乓效应。 3.由信号的质量造成的切换 信道遭受到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 量水平有时候信道遭受到干扰可能引起信道质量较大的衰减，使信道的纠错功 能不可以保证信号的质量成为可以接受的水平，这时就需要切换到质量较好的 信道，就算原信道信号的电平足够。 比如在 GSM 系统中，当 BSC 从移动台和基站上(下)行检测报告中发觉上 (下)行误码率过高，超过质量切换的门限值，就会触发救援性质量切换。 4.移动台到基站的距离引起的切换 各服务小区里移动台到基站的距离限制和网络规划中规定的该小区半径将 被存入基站数据库中，系统将不断地检查比较移动台至基站的距离和规定距离， 超过规定距离就产生切换。 5.话务切换 如果一个小区的话务量将大于该小区容量的极限，而附近小区话务量非常 江苏信息职业技术学院毕业设计（论文） 下，这时可以将高话务小区的链路切换到低话务小区中，以此来平衡话务分布。 这种由话务量引起的切换一般是由 MSC 或基站控制器来控制。另外一种基于 话务量的切换是在微观蜂窝和宏观蜂窝的双层网中，通过微观蜂窝和宏观蜂窝 之间的切换来平衡的话务量。 2.4 切换的控制方式 切换控制的三种主要方式 1.移动节点控制的越区切换（MCHO）。MCHO 是低层无线系统最流行的 技术，欧洲 DECT 和北美 PACS 都采用这种方式。在这种方式中，MS 持续监 督来自所接入的 BS 和几个切换候选 BS 的强度和质量。当满足条件时，MS 选 择一个最好的切换候选项并发起切换的请求。 2.网络控制的越区切换（NCHO）。网络控制决定了 NCHO 切换过程，而 MS 完全处于被动状态。首先由 BS 检测 MS 的主要参数，如标志无线链路质量 的接收信号强度指标 RSSI，当它小于某个给定的值时，则向 MSC 发出切换请 求。MSC 命令其周围的 BS 将检测到的该 MS 的参数的结果上报、汇总到 MSC，MSC 根据汇总结果，比较、分析并选择被切换的目标小区的 BS，一切 又 MSC 决定。 3.移动节点辅助的越区切换（MAHO）。在 MAHO 切换中，检测信号强度 RSSI 和误码率 BER，即移动台将邻近基站的 RSSI 测量结果报告给当前基站， 被测参数由网络交给 BSC 和 MSC 进行评估。 这类切换已广泛应用于第二代移动通信中,它既允许小区内，也允许小区间 进行切换。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 和 CDMA 系统均采用这种切换控制方式。 江苏信息职业技术学院毕业设计（论文） 第三章 移动通信系统中的切换 3.1 CDMA 系统中的切换 3.1.1 CDMA 系统概述 1.CDMA 系统的主要优点 (1)大容量和软容量 根据理论计算以及现场试验表明，CDMA 系统的信道容量是模拟系统的 1020 倍，是 TDMA 系统的 4 倍。CDMA 系统的高容量很大一部分因素是由 于它的频率复用系数远远超过其它制式的蜂窝系统，另外一个主要因素是它使 用了话音激活和扇区化等技术。 (2)软切换 软切换是指当移动台需要切换时，先与新的基站连通再与原基站切断联系， 而不是先切断与原基站的联系再与新的基站连通。软切换只能在同一频率的信 道间进行，因此，模拟系统、TDMA 系统不具备这种功能。 (3)高质量和低功率 由于 CDMA 系统中采用有效的功率控制和强纠错能力的信道编码，以及多 种形式的分集技术，从而使基站和移动台以非常节约的功率发射信号，延长手 机电池使用时间，同时获得了优良的话音质量。 2.CDMA 系统的主要原理 在 CDMA 系统中，不同用户传输的信息是靠各自不同的编码序列来区分的。 CDMA 的示意图如图 3.1 所示，可以看出信号在时间域和频率域是重叠的，用 户信号是靠各自不同的编码序列 m 来区分的。 江苏信息职业技术学院毕业设计（论文） 图图 3.13.1： CDMACDMA 示意图示意图 3.1.2 CDMA 系统中的软切换 1.软切换概述 软切换是 CDMA 中最有价值讨论的特性，因为它增大分集增强了性能，还 有用于避免小区过量的干扰。 在软切换中，很多基站与移动台连接在一起，小区决定了功率的控制，当 临近小区信号强度超过一个值，但小于现在基站的信号强度时，移动台就进入 软切换状态。软切换可以使移动台与它接收到的信号最强的那个基站保持着连 接，这是硬切换不能完成的。 2.软切换的过程 软切换分为三个阶段:切换测量阶段，切换决策阶段和激活集更新阶段。 CDMA 系统采用移动台辅助切换方式实现软切换。移动台搜索、检测导频 并报告结果，为 MSC 进行切换决策提供依据。导频信道可以通过导频序列偏 移和频率分配来识别。为了有效的对导频信道进行搜索，系统中导频信道被分 为四个集合: 激活集:由在软切换中具有足够强度、并正在参与 MS 接收的导频组成。此 时 MS 同时与这些导频所在的小区保持无线连接，对来自这些小区的信号同时 解调合并。如果激活集改变，即发生激活集的更新操作。 候选集:由满足激活集准则，或是强度超过 T_ADD(导频加入门限)，但还没 有包括在激活集中的有关导频组成。 江苏信息职业技术学院毕业设计（论文） 相邻集:由不在激活集与候选集中，但有可能参与软切换操作的导频组成， 通常包括 MS 搜索到的不在测量控制中，但地理覆盖区与 MS 接近的 BS 的导 频。 剩余集:由其它的导频构成。 导频对各集合的归属关系随着移动台在服务区内的移动引起所接收导频强 度的变化而动态变化。导频在这些集合中的移动是由移动台对导频强度的估计 以及一组可调整的门限值(软切换参数)来确定，通过服务扇区来协调这种移动。 软切换的过程实质上就是控制导频在各导频集合中的移动过程。 3.软切换算法78 图 3.2 显示 CDMA/IS-95 系统算法中导频 PO 在导频集中的位置随其强度变 化的过程。 图图 3.23.2：CDMA/IS-95CDMA/IS-95 系统的切换算法系统的切换算法 软切换算法采用了四个基本的控制参数，分别为: T_ADD(导频加入门限) 当 Ec/I0 大于 T_ADD 时，MS 发送导频强度测 量消息(PSMM)，将导频由相邻集加到候选集。 T_DROP(导频去掉门限) 导频信号去掉门限，移动台需要对在有效导 频信号集和候选导频信号集里的每一个导频信号保留一个切换去掉定时器。每 江苏信息职业技术学院毕业设计（论文） 当与之相对应的导频信号强度小于 T_DROP 时，移动台需要打开定时器。如果 与之相对应的导频信号强度超过 T_DROP，移动台复位该定时器。如果达到 T_DROP，移动台复位该定时器，并向基站发送 PSMM 消息。如果 T_DROP 等 于 0，移动台认为起动它后 100ms 内逾时，否则，移动台必须认为超过定时器 值的 10内定时器逾时。如果 T_DROPs 改变，移动台必须在 100ms 内开始使 用新值，推荐值为 28 至 32(对应的 Ec/Io 的 dB 值为 14 至-16dB)。 T_TDROP(T_DROP 定时器) 基站将此值设置为移动台导频信号监测定 时器的预置定时值。若该定时器超时，若该定时器所对应的导频信号是有效导 频信号集的一个导频信号，就发送导频信号强度测量消息。如果这一导频信号 是候选导频信号集中的导频信号，它将被移至相邻导频信号集。 T_COMP(导频替换门限) 有效导频信号集与候选导频信号集比较门限，当 移动台发现候选集中某个导频信号强度超过了当前活动集中导频强度的 T_COMP*O5dB 时，移动台发射一个导频信号强度测量报告消息，并开始越 区切换。 软切换算法涉及以下 4 种信令消息5 1.导频强度测量消息(PSMM，pilot strength measurement message)，它由移 动台发往基站，包含该移动台所有的激活集、候选集以及信号强度超过导频加 入门限 T_ADD 的基站的 Ec/Io 估计值、到达时间以及切换结束计时器等，基站 通过这些信息便可以确定该移动台新的激活集的基站列表，并通过 HDM 消息 指示移动台是否进行软切换。 2.切换指示消息(HDM，handoff direction message)，它是由基站发往移动台， 指示移动台更新激活集的基站列表用以实现切换，它包含以下信息:HDM 序列 号、CDMA 信道频率分配、激活集总表、与激活集中每一个导频相关的 PN 码 相位、用于激活集和候选集的搜索窗口尺寸、切换参数 (T_ADD、T_DROP、T_COMP、T_TDROP)。 3.切换完成消息(HCM, handoff completion message)，它由移动台发往基站， 通知基站移动台已经完成软切换。包括以下信息:肯定确认、激活集中的每个导 频的 PN 序列相位偏移，基站收到该消息后如果自己已经不在该移动台的激活 集中，便停止发送前向话音信道，结束对该移动台业务信道的操作。 江苏信息职业技术学院毕业设计（论文） 4.相邻集列表更新消息困(NLUM, neighbor list update message)，它是由基站 发送给移动台，包含激活集中导频的最新组合相邻集的列表，当移动台收到此 消息后，移动台连续不断的跟踪系统中的所有导频信号的强度，每个导频的信 号强度与各个不同的门限值进行比较，根据比较的结果将导频从一个集合转移 到另一个集合。 以下是图 3.2 中导频强度变化时在各时间点触发的事件详细过程。 1.P0 的导频强度在 A 点超过软切换导频加入门限值 T_ADD, MS 认为该导 频的强度足够大，就向原 BS 发送导频强度测量消息 (PSMM)，同时将 PO 移入 候选集； 2.原 BS 将 MS 的报告送往 MSC，MSC 发送消息通知 BSO 为 MS 安排前向 业务信道。在 B 点，原 BS 向 MS 发送切换指示消息(HDM)，希望将 PO 移入 激活集； 3.接收到来自原 BS 的切换指示消息后，MS 在 C 点将 PO 移入激活集，之 后再向原 BS 发送切换完成消息(HCM)； 4.PO 的导频强度在 D 点降到 T_DROP 门限以下，MS 启动 T_TDROP； 5.在 E 点，T_TDROP 超时(在T 期间，该导频强度始终低于门限值 T_DROP)，MS 向 BSO 发送导频强度测量消息; 6.BSO 将此消息送往 MSC，并在 F 点将 MSC 返回的切换指示消息发送给 MS; 7.MS 在 G 点将 PO 移入相邻集，同时发送切换完成消息给 BSO。 8.MS 接收切换完成消息和邻域列表更新消息。 以上为导频增加和删除的过程。另外，如果有候选集中的导频强度超过 T_ADD，但是激活集已满，当候选集中最强导频的强度与激活集中最弱导频的 强度之差超过 T_COMP 时，这两个导频就会对换在导频集中的位置，这个过程 是导频替换过程。 3.1.3 CDMA 系统中的硬切换 1.硬切换的概述： 硬切换是在业务信道使用过程中，由于跨越边界，空中接口在短时间内先 断开再重新连接的过程。硬切换发生在不同系统的小区或同一系统不同频点的 江苏信息职业技术学院毕业设计（论文） 小区之间。MS(移动台)在硬切换时必须改变收发频率，在任何时刻都只有一个 业务信道可用，也就是说 MS 先要断开与原服务小区的连接，然后再立即与新 小区建立连接，将通信业务转移到新信道上来。这样，在切换过程存在一定的 时延，不可避免的就会出现短暂的通信中断。硬切换的缺点就是在切换过程中 如果系统响应时间太长容易引起掉话;在切换区域面积狭窄时，BS 间还会出现 “乒乓效应”，增加信令系统的负担，影响业务信道的传输。其优点是切换操 作简单，不占用额外的系统资源。 CDMA 系统中的硬切换是指 CDMA 工作模式下系统间的硬切换，或是不 同系统间的硬切换。 CDMA 工作模式下的系统硬切换有： （1）不同 CDMA 运营商管理下的 BS 之间的切换； （2）不同激活集之间的切换； （3）不同频点之间的切换； （4）不同帧偏置间的切换。 这种硬切换的主要目的在于充分利用频率资源，平衡不同频点间的业务负 荷。其操作过程如下：当 BS 决定让 MS 搜索新的激活集时，MS 停止原业务信 道的操作，保存现有配置，开始搜索新的导频，并将搜索结果通过原信道报告 给 BS。当 BS 经原信道向 MS 发出切换命令之后，MS 保持现有配置，尝试用 新的信道和 BS 连接，如果成功，切换完成，否则 MS 还要回到原信道与 BS 通 信。 2.CDMA 异频硬切换的实现： 目前市场上拥有多个 CDMA 载波的商用系统中，载波间的硬切换是相当普 遍的。保证载波间切换健壮性的策略和过程本质上是软切换所使用的策略的扩 展，只是通过适当调整来解决由于多载波产生的问题。 CDMA 支持两种基本类型的载波间切换：hand-down 和 hand-over 切换。 hand-down 定义为同一小区两个载波间的硬切换，而 hand-over 则定义为两个不 同小区内的两个不同载波间的硬切换。在联通 CDMA 一期的网络中，由于仅使 用了基本频点 283 频点，故相邻的覆盖区均为同频硬切换。随着容量的增加， 将会采用第二载频，对于散布于整个地区的热点区域中靠增加第二载波来缓解 江苏信息职业技术学院毕业设计（论文） 局部话务的孤立小块区域，实现载波间切换的最健壮的方法是引导移动台在离 开孤立小块区域前切换到第一载波。经过孤立小块区域边界的切换就变成在同 一载波上的正常软切换。由于第一载频的存在，当手机从 A 覆盖区的第二载频 异频切换到相邻 B 覆盖区的第一载频时可以由系统先将手机指定到 A 覆盖区 的第一载频，再同频切换到 B 覆盖区的第一载频，实现同频软切换。 仅在 A 覆盖区第一载频容量已满的情况下。才由 A 覆盖区的第二载频直接 切换到 B 覆盖区的第一载频，发生异频硬切换。这种情况发生的概率较小，因 为 CDMA 具有系统重定向功能，可以将话务量在两个载频之间均衡分配，故不 易发生某一载频容量已满的情况。但对于在高度强调局部话务的热点区域创建 的较小孤立小块区域的情况下，这时从第二载波切换到第一载波可能将大量的 第二载波业务正好放回第一载波，使用第二载波的几个小区中可能没有一个有 足够大的第一载波容量来容纳切换，将由此产生最初的过载情况。为了避免这 种过载情况发生，不同厂家提出了不同的解决办法，主要有多目标小区着陆、 环路时延等算法，这些算法从一定程度上提高了硬切换的成功率。 其中多目标小区着陆技术的工作原理是：在进行硬切换时，移动台所接受 到的扩展切换指示消息中包含两个或两个以上的目标小区，因此在进行 MSC 硬切换后移动台马上转换为软切换或更软切换状态，这种方式提高了切换之后 的通话质量，从而提高了切换成功率。这种方式如发生在不同设备供应商之间， 则需要双方设备都可以发送并接收基于 IS-41C 接口协议的多导频信息，共同支 持此功能才能实施。这种方式在不同频率间硬切换时会有效地提高切换成功率， 而在相同频率配置下的效果还有待检验。 环路时延算法由于在遇到阴影衰落时将不够准确，尤其是当移动台绕到建 筑物背后时其阴影衰落将更为明显，因此一般在系统中配合其它算法来实现对 系统的切换控制。环路时延算法比较适合在郊区和农村使用。 3.2 GSM 系统中的切换 3.2.1 GSM 系统概述 GSM：是 Global System for Mobile communication（全球移动通信系统）的 简称。它是由欧洲的标准化委员会设计的。80 年代到 90 年代初，TACS 系统是 欧洲最普遍的模拟蜂窝系统。 江苏信息职业技术学院毕业设计（论文） 数字蜂窝网络系统由三部分组成：移动台、基站系统、交换系统，如图 3.3 图图 3.33.3：GSMGSM 系统的组成系统的组成 3.2.2 GSM 数字移动通信的主要技术 1.多址技术： 在数字蜂窝移动通信中，采用的多址技术有两种：频分多址(FDMA)、时分 多址(TDMA)。在工作频带内，它以载波间隔 200KHz 进行频分，这样在收、发 各为 25MHz 的频带内，可得到 124 对信道。然后在每个信道（帧）中又进行时 分，分成 8 个时隙，每个时隙对应的信道称为物理信道。在每个时隙（物理信 道）中传输不同的逻辑信道。 2.调制技术： 在选择数字调制解调技术时，要考虑到两方面的因数：功率的有效性和频 谱的有效性。对于功率有效的技术，它要求在相对低的载噪比(8.4dB 或 12dB) 的情况下具有低的差错概率（对应于 10-4 或 10-8）。对于频谱有效性，它应能 在单位频带内具有高的比特率(2bit/s Hz)。 GSM 数字移动通信系统采用了 GMSK 调制方式。 3.编码技术： 根据目的不同，编码可分为信源编码和信道编码两大类： (1)信源编码 (2)信道编码 江苏信息职业技术学院毕业设计（论文） 4.交织技术： 交织技术就是把信息码在发端加以排列组合，使信息码相互穿插交织后再 发送到信道中去。交织技术的目的就是使成片或突发差错转换成随机差错。 5.跳帧技术： 跳频就是发射信号时载波频率不是固定的，而是不停地跳变。在接收端， 本地振荡的频率也必须同步地跳变才能正确接收和解调出有用信号。 6.均衡技术： 自适应均衡技术也是一种有效的抗多径干扰的方法。所谓均衡，指的是信 道均衡，也就是在接收端的信道均衡器中产生与信道特性相反的特性，抵消信 道产生的干扰，从而正确的判决和恢复有用信号。 3.2.3 GSM 切换 为了能够清楚的了解 GSM 的切换过程，我们将把切换分为三个部分：预 切换过程、切换执行过程和切换以后的过程。 1.预切换过程 在 GSM 中的切换过程是移动台辅助的切换（MAHO）。在切换过程中移 动台起到主要的作用。为切换算法提供了信息，执行切换的决定和新的最合适 的基站收发机 BTS 的选取均建立在又 MS 和 BTS 完成的几种不同的测量上。 描述 MS 和 BTS 能力的参数同样形成切换算法输入的一部分。 2.移动测量 为了在切换过程中提供帮助，MS 对当前的服务小区进行接收信号强度和 质量的测量，对相邻小区进行接收信号强度的测量，并将它们报告给 BTS。质 量测量是将当前下行信道的比特误码率转换成 07 中的一个值，接收信号强度 转换成 6bit 的数值。对附近小区的接收信号强度测量可以使用同样的做法，这 种做法是在上行发送和下行接收时隙中完成。在这一时隙中，MS 转到相邻的 小区广播控制信道 BCCH 信道测量下行接收信号的强度，这些包括 BCCH 频率 的详细内容的测量被送往服务 BTS，一个 MS 可以报告多达 6 个相邻小区的情 况，一个 MS 必须报告的相邻小区 BCCH 载波频率包括在 BCCH 和慢相关控制 信道 SACCH 的发射信息中。由 MS 完成的下行信道测量报告给 BTS。SACCH 被用来携带这一信息。一个 SACCH 帧，每 120ms 发送一次，但由于交织，在 江苏信息职业技术学院毕业设计（论文） BTS 收到的一个完整的帧要 480ms 延时。同样为了克服短期影响，瞬时无线链 路使测量的降级在 MS、BTS 和 BSC 被平均化。由服务 BTS 完成上行信道测量， 它包括质量和接收信号强度测量。服务 BTS 把以上测量值和接收到的 MS 结果 一起送给 BSC。 3.切换执行 图 3.4 给出了 MSC 之间的切换过程。当切换启动，最适合的新的小区应该 得到认定，MS 和网络进入切换执行，与 BTS 中断连接，在新小区与新的 BTS 建立新连接。新小区的选择决定了切换执行的过程，如果新小区还是以前的 BSC 控制，那么我们称之为 BSC 内部切换，信令限制在 BSC 内部而不包含 MSC。如果新的 BTS 属于 MSC 内不同的 BSC。那么切换被我认为是 MSC 内 部切换。如果两个 BSC 由不同的 MSC 控制，我们称为 MSC 之间切换。 图图 3.43.4：MSCMSC 之间切换过程之间切换过程 上述三种不同情况的切换对信令的要求是不同。MSC 之前切换用 MAP 的 消息来完成。切换阶段的由 BSC 将其切换请求通知新 BSC。新旧 BTS 由同一 个 BSC 控制，并且请求信息均通过 MSC 到达新的 BSC。 4.切换后处理 如果 MS 与新网络一致。当他送出一个切换完成的消息给新的 BTS。BSC 江苏信息职业技术学院毕业设计（论文） 就会收到来至网络的新消息，占有的无线资源将被 BSC 释放以及所有在 A 和 A-bit 接口安排给 MS 的资源。 3.3 WCDMA 系统中的切换 3.3.1 WCDMA 系统概述 WCDMA 是以第二代移动通信系统 GSM 为基础进行演进的，所以 WCDMA 网络系统基本保持着和 GSM 相似的网络拓扑结构，是由无线接入网 （UTRAN：Universal Terrestrial Radio Access），IU 接口（Interface Unit，连接 RAN 与 CN 之间的标准接口）和核心网(CN：Core Network)三部分组3， Node B 相当于 GSM 中的基站，UE（User Equipment）表示移动台， GSN（Gigabyte System Network）是千兆字节系统网络，HLR（Home Location Register）表示归属位置寄存器，MSC（Mobile Switching Center）为移动交换中 心。 3.3.2 WCDMA 中的切换 WCDMA 系统中，根据切换发生时移动台与源基站和目标基站连接方式的 不同，切换基本可以分为硬切换（Hard Handoff）、软切换（Softer Handoff）、 更软切换（Softer handoff）。 1.硬切换 硬切换是指移动台在载波频率不同的基站覆盖小区之间信道的切换。硬切 换过程中，移动用户仅与新旧基站的其中一个链接，任一时刻只有一个业务信 道被激活，移动台一般先中断与原基站的链接，再建立与新基站之间的链接， 简单的说，即“先断后连”。从一个基站切换到另一个基站过程中，通信链路 有短暂的中断时间。当切换时间较长时，将影响用户通话7。 一般来说，硬切换在非常狭窄的切换区域，当用户在切换区域活动时很容 易发生频繁的硬切换现象，这就是“乒乓效应”，而且信道衰落效应会使“乒 乓效应”更严重，所以在硬切换执行时有一个滞后参数来控制执行的时间，降 低切换的频度，但这样的代价是需要小区边缘有一个比较高的发射功率以保持 通话质量的要求，而且提高发射功率也给系统中其他用户带来了更大的干扰， 导致系统容量的下降。 江苏信息职业技术学院毕业设计（论文） 图图 3.53.5： 硬切换执行过程硬切换执行过程 在 WCDMA 系统中，硬切换有同频、异频和异系统之间情况。如果目标小 区与原小区同频率，但是属于不同的 RNC，而且 RNC 之间没有 IU 接口，就会 发生同频硬切换，而且同一小区内部的码字切换也属于硬切换。异系统硬切换 包括 FDD 模式和 TDD 模式之间的切换，在 R99 标准中包括 WCDMA 系统和 GSM 系统之间的切换，在 Realease2000 标准中包括 WCDMA 系统和 CDMA 2000 系统之间的切换。异频和异系统之间的硬切换需要应用压缩模式进行异频 测试和异系统的测试。 硬切换的执行过程分为：测量（包括测量滤波、切换算法触发测量报告）、 判决（切换算法）和执行阶段三个部分。 硬切换测量过程对移动台设备要求比较复杂。如果进行不同频率的硬切换， 需要在切换前测量多个小区的导频信号强度。WCDMA 采用压缩模式（在发送 帧中插入压缩帧，压缩帧中空出一段时隙用于进行对其他频率的操作（测量） 的方式来实现频间小区信号的测量，这样可以减少系统的设备复杂度。 江苏信息职业技术学院毕业设计（论文） 图图 3.63.6：硬切换原理说明：硬切换原理说明 图 3.6 中移动用户从小区 1 向小区 2 移动时，由于移动台和小区 1 的基站 之间距离增大，移动用户接收到的信号减弱，当这个信号强度减弱到一定程度 时，会启动硬切换过程。切断移动用户与基站 1 的连接，启动与基站 2 的无线 连接，完成硬切换操作。 2.软切换 软切换指移动台在载波频率相同的基站覆盖小区之间的信道切换。在软切 换过程中，移动用户可能同时与两个或多个基站进行通信，从一个基站到另一 个基站的软切换过程中，不需要改变收发频率，没有通信暂时中断的现象。软 切换根据具体实现上的一些区别又可分为软切换和更软切换两种类型。 （1）软切换 在该切换过程中，当移动台开始与一个新的基站联系时，并不立即中断与 原来基站之间的通信。同硬切换类似，当用户在小区边缘地区活动时，由于是 处于切换区域，也可能导致频繁的软切换操作，产生“乒乓效应”，但由于软 切换过程是先连后断，不管切换有多么频繁，都很少会出现硬切换中频繁掉话 江苏信息职业技术学院毕业设计（论文） 的现象；另外，软切换采用分集接收，所以不需提高发射功率就能保证或提高 通话质量。图 3.7 所示为软切换执行过程。 图图 3.73.7：软切换执行过程：软切换执行过程 （2）更软切换 更软切换是软切换的一种特殊情况。这种切换方式发生在同一基站具有相 同频率的不同扇区之间。更软切换是 CDMA 的特色，在基站扇区间同频工作时 可以方便地进行。 软切换和更软切换的区别在于：更软切换发生在同一个 Node-B 范围内， 分集信号在 Node-B 中做最大的增益组合，而软切换发生在两个 Node-B 之间， 分集信号在 RNC 中进行合并处理。图 3.8 为两种切换方法的比较。 图图 3.83.8：软切换与更软切换：软切换与更软切换 江苏信息职业技术学院毕业设计（论文） 3.3.3 WCDMA 中的软切换 WCDMA 软切换过程中小区分为激活集、相邻监测集、检测集三类。 图图 3.93.9：WCDMAWCDMA 软切换策略软切换策略 WCDMA 软切换具体步骤如下： 1.事件（event）1a：小区 2 的信号强度逐渐增强，当小区 2 的导频强度 Ec/No 达到激活集最强的 1 小区导频 Ec/No 与激活集增加门限 T_ADD 的差值， 并维持 T 时间，而此时激活集没有满，小区 2 此时被加入到激活集里，无线链 路增加。 2.事件（event）1c：小区 3 的信号强度逐渐增加并开始超过最早的小区 1 的信号强度，在小区 3 的导频（最好候选导频）强度 Ec/No 达到最弱的 1 小区 导频 Ec/No 与替换滞后门限 T_Replace 之和，并维持 T 时间，而此时激活集的 数目已满，小区 3（候选集中最强的信号）此时替代小区 1（激活集里最弱的信 号）被加入到激活集里，小区 1 同时被移出激活集，混合无线链路得到增加和 释放。 江苏信息职业技术学院毕业设计（论文） 3.事件（event）1b：激活集中小区 3 的信号强度逐渐减弱，当小区 3 的导 频强度 Ec/No 弱到激活集最强的 2 小区导频 Ec/No 与激活集删除门限 T_Delete 的差值，并维持 T 时间，小区 3（激活集里最弱的信号）此时被移出激活集， 无线链路释放。 软切换的判决要基于下行链路公共导频信号的强度，根据有效集增加门限、 有效集删除门限等参数来触发不同的事件决定 UE 激活集内导频的更新和替换 9。以下将根据不同触发事件的判决条件和事件 1a、1b、1c 的具体计算公式， 对小区切换算法进行分析9： 设定移动台激活集中所有小区测量值的合并为 MA=ieACPICHEcj/IO，最 佳测量值为 Mbest，权重参数为 W。如果件事集中的小区测量值 M 满足并持续 时间 T，移动台发送测量报告事件 Event la；如果监视集中的小区测量值 M 满 足并持续时间 T，移动台发送测量报告请求事件 Event 1b；同理有事件 Event1c 的发生9。 (1)Event 1a (3-1) Event 1a 是对激活集以外的某个强导频进行测量，如果满足以上准入条件， 就将该导频加入激活集中。而准入门限 M 的确定就是由以上(3-1)公式决定。基 本原理是 UE 激活集内的所有导频依照不同的权重进行计算，得到准入门限的 参考值。此公式可与中频内测量事件 1A 的触发条件公式相比较，R1a-H1a/2 由 T_ADD 替换，其他形式是一致的，这是为了便于在后面的参数优化