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第三代移动通讯中的软切换算法分析与仿真 摘要 第三代移动通讯中的软切换算法分析与仿真 摘要 移动终端允许用户在移动中获得服务。这种特性促使移动网络产 业飞速发展，在过去的2 0 年里从一个崭新的技术成为一个具有潜力 的产业。 无线资源管理负责空中接口资源的利用，从确保系统的服务质 量，获得规划的覆盖区域以及提高容量的角度来看它是必不可少的一 环。无线资源管理主要包括切换、功率控制、接纳控制、负载控制和 分组调度等内容。 在以高速无线i n t e r n e t 数据业务和多媒体服务为主要特征的下 一代移动通信系统中，切换被赋予了新的含义。它不仅为移动用户提 供持续性的服务质量，而且与其他无线资源算法相互协调，以适应复 杂环境下的各种业务，并最大限度的使用频谱资源。 软切换是处理移动用户移动能力的关键技术。与传统的g s m 移动 网络中的硬切换相比，软切换在i s 一9 5 中使用，并且在3 g 中提出， 它在链路层和系统层上有更好的性能。 本文主要研究了w c d m a 中的无线资源管理算法。重点分析了软切 换参数的设置对系统容量带来的影响。在理论分析的基础上，针对切 换的资源组织方式，以及分层小区中的切换策略，介绍了一种新的自 调整切换算法。这些算法涵盖了切换需要考虑的主要方面，适用于 w c d m a 系统。另外，文中阐述了算法的分析过程并给出了仿真结果。 关键词：w c d m a 无线资源管理软切换算法仿真 第三代移动通 = f l 中的软切换算法分析与仿真 a b s l l t a c t a b s t r a c t m o b i l et e r m i n a l sa l l o wu s e r st oa c c e s ss e r v i c e sw h i l eo i lt h em o v e t h i su n i q u ef e a t u r eh a sd r i v e nt h er a p i dg r o w t hi nt h em o b i l en e t w o r k i n d u s t r y , c h a n g i n g i tf r o man e wt e c h n o l o g yi n t oam a s s i v ei n d u s t r y w i m i n1 e s st h a nt w od e c a d e s h a n d o v e ri st h ee s s e n t i a lf u n c t i o n a l i t yf o rd e a l i n gw i t ht h em o b i l i t y o ft h em o b i l eu s e r s c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lh a r dh a n d o v e r e m p l o y e di nt h eg s m m o b i l en e t w o r k s t h es o f th a n d o v e ru s e di ni s 一9 5 a n db e i n gp r o p o s e df o r3 gh a sb e t t e rp e r f o r m a n c eo nb o t hl i n ka n d s y s t e m l e v e l t h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l es y s t e mi sc h a r a c t e r i z e db y h i g h s p e e d w i r e l e s si n t e r n e td a t as e r v i c e sa n dm u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s a st h em o s t i m p o r t a n ti s s u ei nm o b i l es y s t e m s h a n d o v e ri se n d o w e d w i t hm a n yn e w c o n c e p t i o n s i t sn o to n l yp r o v i d e sc o n t i n u a lq o s f o rm o v i n g s u b s c r i b e r s ， b u ta l s om e e t st h e r e q u i r e m e n t so fv a r i o u s s e r v i c e s c o o p e r a t i n gw i t h o t h e rr a d i or e s o u r c ea l g o r i t h m su n d e rt h ec o m p l e x p r o p a g a t i o n c o n d i t i o n s a st ou t i l i z et h eb a n d w i d t hm o r e e f f i c i e n t l y t h i st h e s i sp u t st h ee m p h a s i so nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n ta l g o r i t h m si nw c d m a m a n y d e s c r i p t i o n s a r eg i v e nt ot h es o f th a n d o v e r , a n dt h ei m p a c to fd i f f e r e n tp a r a m e t e r s s e t t i n gu p o nt h es y s t e mp e r f o r m a n c ei sw e l li n v e s t i g a t e d t h er e s o u r c e m a n a g e m e n ta s s o c i a t e d w i t hh a n d o v e ra n dt h e i n t e r l a y e rs t r a t e g y i n h i e r a r c h i c a ie e l ls t r u c t u r ea r ec o n s i d e r e d o nt h eb a s i so ft h e s ew o r k a c o m p r e h e n s i v ea l g o r i t h mi sp r o p o s e d ，w h i c hs h o w sg o o dp e r f o r m a n c e u n d e rd i f f e r e n ts y s t e mi o a da n dt r a 伍cc o n d i t i o n s t h e p e r f o n n a n c eo f t h e p r o p o s e d s c h e m e si se v a l u a t e d t h r o u g hs i m u l a t i o n a n dd e s c r i b e di n p a r a g r a p h sr e l a t i v e l y k e y w o r d s ：w c d m a ，r r m ，s o f t h a n d o v e r ，a l g o r i t h m ，s i m u l a t i o n 2 y 5 8 9 4 3 9 苎三垡整垫望塑! 墅竺塑垫苎婆坌蔓兰堕塞 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所里交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我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。 申请学位论文气资料蓑有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 4 j 纽垩 日期；逝：! 丝 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围， 本人签名： 历刎考 导师签名：名翌趸至 适用本授权书。 日期：巡：墨：垡! 日期：查型：! ：竺 第三代移动通讯中的软切换算法分析与仿真 第一章绪论 第一章绪论 i 1 第三代移动通讯系统概述 现代移动通信技术的发展始于二十世纪2 0 年代，近十几年来，移动通信发 展尤为迅速，以数据业务和多媒体业务相结合为特征的第三代移动通信成为发 展的必然趋势。 第三代移动通信系统最初的研究工作始于8 0 年代中期，1 9 8 5 年晚些时候， i t u - r ( c c l r ) 成立临时工作组，提出了未来公共陆地移动通信系统( f p l m t s ) ， 所要达到的目标为实现全球无缝的移动漫游。1 9 9 6 年，f p l m t s 被正式更名为 i m t - 2 0 0 0 ，即国际移动通信系统，工作在2 0 0 0 m h z 频段，2 0 0 0 年左右投入商用。 在欧洲第三代网络被称为通用移动通信系统( u m t s ) 。u m t s 概念的核心是如何 将g s m 发展成为i m t - 2 0 0 0 相兼容的系统。1 9 9 9 年底，国际电联i t u r t g s i 在 芬兰召开会议，通过了“第三代移动通信系统( i m t 2 0 0 0 ) 无线接口技术规范” 建议，为今后全球第三代移动通信产业的发展指明了方向，标志着第三代移动 通信系统的开发和应用将进入实质阶段。 第三代陆地无线接入技术分为c d m a 和t d m a 两大类，具体包括5 种无线传 输技术：w c d a ，c d m a 2 0 0 0 ，t d s c d m a ，u w c l 3 6 和e p d e c t 。u w c 一1 3 6 是个纯 t d m a 技术，是在北美i s 一1 3 6 t d m a ( d _ a m p s ) 技术的基础上提交的，将被i s 1 3 6 运营者继续使用。欧洲d e c t 无线接入标准作为i m t 一2 0 0 0 的微小区微微小区组 成部分，适合无线p b x 等应用。其他传输技术都是基于c d m a 技术，也就是说宽 带c d m a 技术是第三代移动通信的主要技术。w - c d m a 实际上是下面两个独立的 建议的融合：日本无线工业与商业协会( a r i b ) 支持的纯w - c d m a 和欧洲电信标 准协会( e t s i ) 制定的u t r a 。c d m a 2 0 0 0 是基于窄带i s 一9 5 c d m a 技术的宽带c d m a 技术，c d l a 2 0 0 0 和i s 一9 5 采用的基本技术和关键技术如功率控制、软切换、r a k e 接收等是类似的，性能上也没有太大的差异。t d s c d m a 采用了智能天线等先进 技术，非常适合非对称数据业务，特别适合中国市场对第三代移动通信服务的 需求，被公认为能够全面支持第三代业务的技术。这一技术已更进一步受到国 际社会的关注。 第三代移动通信系统( i m t - 2 0 0 0 ) 的主要特征是： 首先和最重要的就是全球统一的标准。i m t 一2 0 0 0 应在世界范围内能够促成 高度共同性的全球标准，能同时容纳各种不同的系统；它可在世界范围内使用 第三代移动通讯中的软切换算法分析与仿真 第章绪论 一个小型袖珍终端，同时也可容纳各种其他终端；它具有世界统一的频段和基 于终端移动性的全球漫游特性。 其次是能够提供多种新业务和新功能。第三代移动通信系统i m t 一2 0 0 0 的第 一阶段的目标是支持用户信息速率低于2 m b i t s 的包括多媒体宽带电信业务在 内的各种业务，涉及到多种无线工作环境、多种无线空中接口和多种无线传输 技术。i m t 一2 0 0 0 目标和框架的要求超出了第二代移动通信系统( i s 一5 4 、i s 一9 5 和g s m ) 的要求，主要表现在： 提供宽范围的业务，支持低速率的话音和数据业务达到2 m b i t s 速 率数据业务，高速率数据业务包括多媒体业务和不对称数据传输业务，在 室内和高速移动工作环境中，用户数据速率最初可从8 k b s 向上达到 3 8 4 k b s 、最后达到2 m b s 。在室内的工作环境中，用户数据速率最初可从 8 k b s 向上达到2 m b s 。 高业务质量要求，语音服务质量达到地面通信网的服务质量要求， 数据业务的b e r 优于1 0 6 。 。 以灵活的混合小区( 宏小区、微小区和微微小区等) 方式工作， i m t 一2 0 0 0 将会在四种无线工作环境中工作，每种工作环境有其要解决的覆 盖和容量问题。但是，为了扩大系统容量和覆盖面积，一定会有混合小区 工作方式的情况，在这种情况下，灵活的接入和切换不同的无线工作环境 ( 小区) 是很必要的。 四种工作环境，室内环境，室9 人行道并进入室内环境、高速移 动环境和卫星环境。 高系统容量和高频谱利用率，采用新技术增强频谱效率，使用户得 到更多的系统容量。i m t 一2 0 0 0 提供先进的宽带业务。它要求更多的频谱资 源，采用先进的编码和调制技术可以提高频谱利用率，降低系统对频谱资 源的需求。i m t 一2 0 0 0 对频谱的需求显然比第二代数字移动通信系统对频谱 的需求要大得多。目前，许多国家开发的i m t 一2 0 0 0 系统占有的频带可达上 下行各1 0 m h z 。 1 2w c d m a 系统整体结构 w c d m a 系统的整体结构如图所示，u e 表示移动终端，u t r a n 表示无线接入 网，c n 是核心网。下面详细描述系统的结构和各接口的作用： 2 第三代移动通讯中的软切换算法分析与仿真 第一章绪论 i n o d eb k ； ：高蕊 l 黼ep 麴岁 i 曲 l e 卜 l n 嘶b p( i _ 一 鼬m 耐雌目t n 岭n 噶 图卜1w c d m a 系统的整体结构 l e 是u s e re q u i p m e n t 缩写，表示移动台，下文将移动台通称为u e ，u e 包 括u s l m 和m e 两部分。u s i m ( u n i v e r s a ls u b s c r i b e ri d e n t i t ym o d u l e 通用用 户识别卡) ，即我们通常所说的s i m 卡，它属于u e 的非接入层( n a s 层) ；m e ( m o b i l e e q u i p m e n t ) 移动设备，属于接入层，是u e 关键的解调和发射部分，接入层与 非接入层之间的接口是c u 接口，属于u e 内部的接口。接入层通过空中接口( u u ) 与u t r a n 端的基站( 以下通称为n o b e b ) 建立无线连接。 u t r a n 是u n i v e r s a lt e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k 的缩写，由n o d e b 和雕c ( 无线网络控制器) 组成。n o d e b 通过空中接口( u u 接口) 与u e 进行数 据交互，n o d e b 与r n c 之间通过i u b 接口相连，一个r n c 控制几个n o b e b ，r n c 与它所控制的n o d e b 组成一个无线网络子系统r n s ( r a d i 0n e t w o r ks u b s y s t e m ) 。 r n c 之间通过i u r 接口相连，正是因为有i u r 接口的存在，才能在不同的r n c 控制的小区之间发生软切换。u t r a n 通过i u 接口与核心网相连。 u t r a n 通过i u 接口与核心网相连。核心网的结构与其他系统下基本相同， 包括本地用户数据存储器h l r ，m s c v l r ( 移动业务交换中心访问寄存器) ，移 动业务交换中心网关g m s c ( 主要支持电路域交换) ，1 支持公共分组业务的s g s n ， 支持分组业务的网关g g s n ( 支持分组域的交换) 。无线业务通过核心网c n 与外 部网相连。 在w c d m a 系统中有5 个接口：c u 接口、u u 接口、i u b 接口、l u r 接口、i u 接口，通过这五个接口将u e 和u t r a n 之间，u t r a n 与c n 之间连接起来，其中 u u 接口是u e 和n o d e b 之间的空中无线接口，其余的接口都是有线连接的。 w c d m a 分层结构包括3 层：l 1 ( 物理层) ，l 2 ( 无线链路控制层r l c ) ，l 3 -；lij-_-lil 第三代移动通讯中的软切换算法垃析与仿襄 第一章绪论 ( 无线资源控制层r r c ) 物理层：p h y s i c sl a y e r 称为l 1 层，由一系列的下行物理信道和上行物理 信道组成。 上行物理信道包含： r a c h 信道上行随机接入信道，发起呼叫和随机接入请求。 d p d c h 和d p c c h 信道专用物理数据信道和专用物理控制信道，d p d c h 和 d p c c h 进行i q 复用。 下行物理信道包括： c p c h 信道公共导频信道，根据c p i c h 信道可以唯一的识别一个小区。 s c h 信道同步信道，根据s c h 信道得到小区的同步信息，同步信道分为主 同步信道( p _ s c h ) 和辅同步信道( s _ s c h 信道) 。 c c p c h 信道公共控制物理信道，分为主公共控制物理信道p _ c c p c h 和辅公 共控制物理信道s c c p c h 。 d p c h 信道专用物理信道，包括d p d c h ( 专用物理数据信道) 和d p c c h ( 专 用控制信道) ，下行d p d c h 和d p c c h 是时分复用，传输数据和控制信息。 从传输信道映射来的数据经过扩频、加扰等一系列过程分配到不同的物理 信道，然后通过天线接收或发射数据。 数据链路层：d a t al i n kl a y e r 称为l 2 层，在w c d m a 中l 2 层分为多个子 层，在控制面l 2 包含两个子层，媒体接入控制层m a c ，无线链路控制层r l c ； 在用户面上，在r l c 和m a c 的基础上，还包括分组转发协议p d c p 和广播多点 传送协议b m c 。对于控制面，主要用于信令业务的传送，用户面主要用于业务 ( 包括各种话音，多媒体业务) 的传送。无论是在控制面还是用户面，r l c 将 高层的数据映射到逻辑信道中，然后通过m a c 层映射到传输信道，最后传输信 道在经过复杂的编码、交织、速率匹配等过程把变速率的实时和非实时的业务， 复用到同样的一个物理信道上。 无线资源控制层：r a d i or e s o u r c ec o n t r o l 称为r r c 层，它属于控制面上 的内容。u e 和网络之间的信令都是由r r c 处理的消息，r r c 消息传递l 1 层，l 2 层实体的建立、修改和释放的所有参数，传递所有的高层信令。u e 在连接态的 各种移动性如测量、切换和小区更新等都由r r c 消息来控制。l 2 层和l 1 层都 是由r r c 的消息来控制的。 对于不同的传输信道，u e 和u t r a n ( u t r a n 包括n o d e b 和r n c ) 层之间的对 应关系不相同，以d c h 信道为例，说明u e 和网络之间的分层对应关系，如图： n o d e b 和r n c 之间的对等层次 u e 侧的数据经过r r c 和r l c 层的控制，映射到逻辑信道d t c h ( 专用传输信 4 道) 和d c c h ( 专用控制信道) ，通过m a c 层的控制功能，将逻辑信道映射到传 输信道，将多个传输信道合并成一个c c t r c h ，然后将其经过扩频，加扰等过程 再通过物理信道发射出去。 n o d e b 与u e 之间是空中接口( u u 接口) ，通过u u 接口，n o d e b 接收u e 上 行的数据，解调后传给高层，然后经过有线连接将数据传给r n c ，n o d e b 和r n c 之间的接口是i u b 接口。 i 3w c d m a 的关键技术 1 3 i 同步技术 w c d m a 是异步系统，这与其它的系统如i s 一9 5 、c d m a 2 0 0 0 等有本质的区别， 它对同步的要求更高。w c d m a 系统的同步包括：小区搜索、码片同步、频率同 步、相位同步。因为是异步系统，所以w c d m a 的小区搜索分为3 步： ( 1 )获得时隙同步，u e 利用p s c h 信道获得n o d e b 的时隙同步。 ( 2 )获得帧同步与确定扰码组，在这一步，u e 要用ss c h 信道找到帧同 步，并确定已经或得时隙同步的下行扰码所在的扰码组号。 ( 3 )确定扰码，利用第二步得到的帧同步信息，用扰码组中的扰码分别 与c p i c h 信道进行相关，从中选出主扰码。 小区搜索获得当前n o d e b 的帧同步，确定扰码后，就可以检测pc c p c h 及 获取超帧同步，系统信息和小区特有的b c c h ( b r o a d c a s tc o n t r o lc h a n n e l 广 播控制信道) 信息就可以读取了。 码片同步是利用跟踪技术，尽可能的使接收端解调的p n 码与发射端的卧 码对齐，可以达到i 2 c h i p 、i 4 c h i p 或更高的同步性能。 频率同步是利用a f c 使接收端的频率与发射端的频率尽可能一致，a f c 将 约3 p p m 的频差矫正在0 i p p m 的频差之内。 相位同步是利用信道估计的平滑、差值等方法，对接收信号的相位做前向 估计，纠正相位偏差。 1 3 2r a k e 接收机 移动通信的主要特征之是多径传播，传播过程中会遇到很多建筑物及起 伏的地形的影响，会引起能量的吸收或电波的反射、散射及绕射等情况。在移 第三代移动通讯中的软切换算法分析与仿真 第一章绪论 动环境中，到接收机的信号是来自许多路径的放射波的合成，由于电波经历的 路径不同，到达接收机的时间和相位也不同，这些信号叠加在一起，接收信号 的幅度发生急剧的变化，即为多径衰落，多径衰落的深度可达2 0 3 0 d b 。同时 在多径传播环境中，由于移动台的运动接收信号还会发生多普勒频移，所以在 多径移动环境中，同时存在时延扩展和多普勒频展，即在时域和频域都发生扩 散，发生频谱的交叠。w c d m a 系统中带宽远远大于信道的平坦衰落带宽，因而 多径信号相互间的时延超过了一个码片周期时，可阱将它们看成不相关的噪声， r a k e 接收机是采用分集接收的思想，将接收到的信号分离成不相关的多路信号， 然后将多路分集信号按照某种规则合并起来，使接收的有用信号能量最大，从 而提高接收端的信噪比。r a k e 接收机根据系统设计不同有不同的接收径，目前 较多的有4 径、6 径、8 径的r a k e 接收机。 r a k e 多径接收技术除了能有效的提高接收机的性能之外，另一个重要的体 现形式是支持宏分集。软切换是c d m a 系统的特色，当u e 处于软切换状态时， 同时有多个n o d e b 为该u e 发送相同的信号，这些信号可以认为是多径信号，u e 使用r a k e 分集接收多径信号，把来自不同的n o d e b 的多径信号进行分集合并， 从而可改善软切换时接收信号的质量。采用r a k e 分集接收使u e 支持软切换的 前提。 1 3 3 软切换技术 移动性是移动通信的另一大特点，现在的移动通信系统采用多蜂窝式结构， 每一个基站都有覆盖范围的限制，当移动台处于两个小区边缘的时候，从一个 小区过渡到另一个小区，就会发生切换。切换可分为两种：硬切换和软切换。 硬切换先中断与原始小区的连接，然后立即建立与新小区的连接，继续通信， g s m 是典型的硬切换系统。软切换是c d m a 技术发展的基础上诞生的，c d m a 系统 是码分多址系统，在一个频点上支持多个下行扰码，即有多个同频工作的小区， 当移动台到达一个小区边缘的时候，该小区提供给移动台的信号较弱，为了使 移动台不掉话，这时将启用同频相邻小区的基站同时为该移动台服务，此时有 多个小区为处于软切换状态移动台服务。采用软切换技术可以降低掉话率，提 高小区边缘的接收解调性能，但是软切换也会降低系统容量，浪费系统资源， 如何对软切换进行控制是本文的重点，其中软切换算法对系统性能有直接的影 响。 1 3 4 功率控制 w c d m a 系统的容量主要受限于系统内的各个用户的相互干扰，如果每个u e 第三代移动通讯中的软切换算法分析与仿真 第一章绪论 都按到达基站的最小所需信噪比的功率发射，且基站也按到达u b 的最小所需信 噪比来发射下行功率，则系统的上行容量和下行容量能够达到最大，所以功率 控制使系统容量能够达到最大。功率控制分为：上行功率控制，下行功率控制。 其中上行功率控制包括： 上行闭环功率控制：目的是调整u e 的发射功率，以保证基站端接 收到的上行链路的s i r 维持在一个给定的s i r 目标值上，一个时隙进行一 次调整。 上行外环功率控制：上行外环功控目的是调整s i r 目标值，该s i r 目标值供上行闭环功率控制使用，目标s i r 的计算由r n c 完成。 上行开环功率控制：用来调整物理随机接入信道的发射功率。u e 根 据测量得出到基站的路径损耗，再根据上行干扰电平、所需接收s i r 值确 定物理随机接入信道的发射功率。 下行功率控制包括： 下行闭环功率控制：调整n o d e b 的发射功率，以保证移动台接收端 的s i r 维持在一个给定的目标s i r 值上，闭环功控一个时隙调整一次，与 上行闭环功控形成一个功率控制环。 下行外环功率控制：下行外环功控目的是调整s i r 目标值，该s i r 目标值供下行闭环功率控制使用，目标s i r 值的计算由u e 完成。 下行开环功率控制：用来设置下行专用物理信道的初始发射功率， n o d e b 根据u e 上报的路径损耗值和所需的目标s i r 值计算出初始功率，或 者直接由r n c 根据系统状态指定一个初始发射值。 1 3 5 智能天线技术 智能天线技术是c d l v l a 系统中的增强技术，它包括两个重要的组成部分；对 来自移动台的多径电波的方向进行到达角估计，并进行空间滤波，抑止其他移 动台的干扰；另一方面是对基站发送的信号进行波束形成，使基站发送信号能 够沿着无线电波得到达方向发送回移动台，从而降低发射功率，减少对其他移 动台的干扰。 i 4 无线资源管理概述 传统意义上，无线资源主要指频率。事实上，由于可提供的通信容量并没 有任何上限( 只要采用足够密集的网络结构) ，扩展无线资源的范畴是很必要的。 这里所说的无线资源包括：信道( 在f d m a 中即频率，在t d m a 中为时隙，在c d m a 中指码字) ，功率( 能量) 和设备，其共同特点是它们都是有限的。因此，进行 第三代移动通讯中的软切换算法分析与仿真 第一章绪论 无线资源管理是非常必要的，它是移动通信中的一项关键技术。无线资源管理 包括：信道分配，功率控制、切换控制和设备管理。有效的无线资源管理可以 提高系统性能，扩展通信容量，同时不增加系统额外开销。由于c d m a 是一个自 干扰系统，因此在c d m a 中，功率( 能量) 是限制系统容量的一个主要因素。所 以，我们重点研究切换和功率控制。 1 4 1 软切换控制 当呼叫中的移动台从一个小区转移到另一个小区，即在两个基站的边缘处， 或由于无线传输、业务负荷量调整、激活操作维护、设备故障等原因，为了使 移动通信不中断，通信网必须启动越区切换过程。 切换包括硬切换和软切换。硬切换是指与新基站连接前必须先断开与旧基 站的连接；软切换则是在于新基站连接时仍保持与旧基站的连接。在c d m a 系统 中这两种越区切换都存在，硬切换发生在两个载频不同的c d m a 系统之间，在使 用统一载频的一个c d m a 系统内部则进行软切换。 软切换只能在同频的c d m a 信道间进行。它相当于在各个基站的交界处起到 了业务信道的分集作用，这样就大大降低了切换过程中的掉话率。因为据以往 f d m ，t d m a 系统的测试统计，无线信道上的9 0 的掉话是在切换过程中发生的。 实现软切换以后，切换引起掉话的概率大大降低，从而保证了系统的服务质量 和可靠性。软切换在给系统带来好处的同时也会引入一些对系统不利的因素， 以下就是对这些因素的简单归纳： 优势： 软切换相对于硬切换减少了“乒乓”效应。所谓“乒乓”效应就当 用户在两小区交界附近运动时，在两小区之间的频繁切换。 不降低服务质量的小区间平滑过渡。 相当于上行链路宏分集，增大上行容量。 保证与最佳( 路径增益最大) 的基站保持连接。 劣势： 由于软切换带来额外的系统资源的占用。 增大了系统的下行干扰水平。 使系统的实现更复杂。 软切换过程中，与该用户相连的所有基站称为激活集( a s a c t i v es e t ) 。 切换的另外一个重要参数是切换门限( h a n d o v e rm a r g i n ) 。最大激活集指的是 一个用户能同时连接的最大的基站数目。切换门限和最大激活集决定了一个系 统中处于软切换状态的用户数。切换门限和最大激活集越大处于软切换状态的 第三代移动通讯中的软切换算法分析与仿真 第一章绪论 用户数越多。 软切换过程中的宏分集能从几个方面提高系统性能。第一，它分配更多的 下行功能给处于恶劣条件下的用户，而这是软切换中经常发生的情况。第二， 它能削弱由于切换延迟所带来的系统信能降低，宏分集有利于消除上、下行链 路的阴影衰弱。第三，宏分集还能消除快衰落。 对于上行链路，软切换总是带来好处。处于软切换状态中的用户越多，系 统上行干扰水平越低。原因是软切换能保证用户与最佳基站保持连接，且用户 总是跟随从最佳基站发来的功控信号，这样用户总是传输尽可能小的上行功率。 然而对于下行链路，处于激活集中的所有基站都对该用户发射下行功率，导致 系统的下行干扰水平增加。因而软切换对下行链路带来的影响是宏分集带来的 好处与干扰水平增加的交换。另一个重要因素是固定接入网的传输负荷。对于 处于软切换状态的用户，所有与它相连的基站都需要有一条与无线网络中心相 连的传输链路。因而，如果处于软切换状态的用户太多的话，就会给固定接入 网带来过多的额外传输负荷。 1 4 2 功率控制 c d m a 数字蜂窝通信系统中，由于信道地址码的互相关作用，将产生两方面 的影响：一是任何一个信道将受到其他不同地址码信道的干扰，即多址干扰； 二是临近基站的用户将严重干扰离基站较远的用户的接收，即近端强信号掩盖 远端弱信号，这就是远近效应。c d m a 系统是自干扰系统，各种干扰积累都将减 损系统的容量和质量。所以，如果每个移动台的信号到达基站时都恰好达到最 小所需的信噪比，系统容量将会达到最大值。c d m a 功率控制的目的就是即维持 高质量通信，又不对占用同一信道的其他用户产生不应有的干扰。 c d m a 系统的功率控制分为反向( 上行) 功率控制和前向( 下行) 功率控制， 而反向功率控制又分为反向开环功率控制和反向闭环功率控制。 ( 1 )反向开环功率控制 c d m a 系统的每个移动台都一直在计算从基站到移动台的路径损耗，当移 动台接收到从基站来的信号很强时，表明要么离基站很近，要么有一个特别好 的传播路径。这时移动台可以降低它的发射功率，而基站依然可以正常接收。 相反，当移动台接收到信号很弱时，它就增加它的发射功率，以抵消损耗，这 就是开环功率控制。 开环功率控制只是对发送电平的粗略估计，因此它的反应时间即不应太快， 也不应太慢。如反应太慢，在开机或遇到阴影、拐弯时，开环起不到应有的作 用；而如果反应太快，将会由于前向链路中的快衰落而浪费功率，因为前，反 第三代移动通讯中的软切换算法分析与仿真 第一章绪论 向衰落是两个相对独立的过程，移动台接收的失峰式功率很有可能是由于干扰 形成的。根据许多测试结果，响应时间常数选择为( 2 0 3 0 ) m s 。 ( 2 )反向闭环功率控制 c d m a 系统的前向、反向信道分别占用不同的频段，收发间隔为4 5 m h ：，大 于移动信道相干带宽。这使得这两个频道衰减的相关性很弱，上行、下行传输 损耗完全不同。移动台的反向开环功率控制室根据由基站到移动台下行传输损 耗而进行的，而上行传输的损耗可能有很大的差别。闭环功率控制的目标是由 基站接收信噪比( 或误码率) 迅速调整移动台发射功率，以保证基站收到的信 号足够强，同时对其它信道干扰尽量小。 功率控制算法会不断拿基站处所得到的信噪比与信噪比目标值进行比较。 如果信嗓比小于目标值，则移动台的输出功率会增加。如果信噪比大于目标值， 则信噪比会减少。移动台输出功率有一个最大值p 。为了迅速跟踪上行传输的 瑞利衰落，功率控制命令的速率必须足够高，并且确定功率控制比特的等待时 间必须足够短。经测试表明，每1 2 5 m s 一次控制命令( 即8 0 0 次秒) ，对跟踪 衰落来说是足够的。反向闭环功率控制是由基站协助移动台来完成的，是对反 向开环功率控制的补充手段。 对于前向业务信道，基站下行输出功率初始值的确定方法与对应的上行功 率初始值确定方法相似。而且前向业务信道所采用的闭环功率控制算法也与反 向闭环功率控制算法相似，都是比较所得的s i r 与s i r 。则把基站下行输出功 率增加( 减少) 。但对于处于软切换状态的移动台，如何与之相连的各个基站间 合理分配下行功率是很重要的。因为如果下行功率分配不合理的话，会导致整 个系统的下行功率有多种分配方案。 1 5 切换的地位和作用 切换是为保证移动用户通信的连续性，或基于网络负载和操作维护等其他 原因，而将用户当前的通信链路转移到其他小区的过程。切换是移动通信系统 必须具备的最基本功能，也是移动通信系统的极为复杂和关键的技术。 为了提高频谱利用率，在第三代移动通信系统采用了分集接收、高效信道 编译码、智能天线、多用户检测、功率控制等多种先进技术，无线资源管理( r r m ) 的范畴更为广泛。切换作为无线资源管理r r m 的重要组成部分，必须与其他功 能控制、接纳控制、负载控制和动态信道分配等r r m 算法协调，刊情做到网络 的整体优化。随着切换技术的发展，切换不再仅仅是用户移动性的需要，它也 是有化网络质量的重要手段。 在网络结构、资源管理方式和各种先进技术的组合日趋复杂的情况下，如 第三代移动通讯中的软切换算法分析与仿真 第一章绪论 何分配和调整无线资源，在不同的系统负载和移动环境下能保证系统的服务质 量q o s ，维持系统的覆盖并达到最大的资源利用率，逐渐成为设计切换算法需 要重点考虑的内容。 1 6 本文的主要贡献和章节安排 本文的主要贡献在于介绍了无线资源管理算法，重点分析了软切换参数与 系统容量之间的关系，得出了在不同系统负载下可以通过调整切换门限来优化 系统性能的结论。介绍切换资源预留方案和分层小区切换方案，并结合软切换 理论分析，利用仿真软件对于适合于w c d m a 的自调整切换算法进行仿真分析。 全文的章节安排如下： 第二章主要介绍切换的原因、切换的准则、算法参数的一些评估算法的方 法，概要的介绍了w c d m a 的软切换过程。为后面的理论分析和算法设计提供了 指导。 第三章为软切换理论分析。借助最基本的c d m a 容量公式和路径衰减模型， 分析出软切换参数与系统容量之间的关系，并得出了在不同系统负载下可以通 过调整切换门限来优化系统性能的结论。 第四章切换算法设计。针对切换信道预留和分层小区中的切换提出了不同 的策略。结合这些策略和第三章的理论分析，提出了一种综合性的切换算法。 仿真结果表明该算法能在系统容量下行受限、业务分布不均匀、切换到达率具 有突发性以及移动台速度过快等均具有较好掉话性能和阻塞性能。 最后一章阐述了系统仿真的方法和仿真平台，并给出了切换仿真软件的设 计。其它无线资源管理算法如接纳控制、负载控制等算法的仿真也可以借助该 仿真平台。 第三代移动通讯中的软切换算法分析与仿真第二章切换概述 2 i 概述 第二章切换概述 切换是为保证移动用户通信的连续性，或基于网络负载和操作维护等其他 原因，而将用户当前的通信链路转移到其他小区的过程。切换是移动通信系统 必须具备的最基本功能，切换技术运用的好坏在很大程度上决定了系统的性能。 图2 一】切换示意图 切换主要分为三个过程：测量过程、决策过程和执行过程。 测量过程根据不同的切换准则，为切换判决提供必要的参数：切换算法根 据无线环境和网络测量参数进行切换判决；网络根据切换决策结果新建或重配 置资源，并执行与切换相关的无线链路增加、删除等流程。 引起切换的原因很多，主要分为无线环境原因、网络管理原因和业务变化 原因。 一般通信无线链路的传输质量和信号强度，在不同的时间内，会随着移动 台所处的位置、移动台的速度以及当前的传播信道特性的改变而发生变化，当 移动台发现更好的小区或者当前通信无线链路无法满足一定服务质量时，就会 要求切换。无线环境原因切换测量的主要参数是接收信号强度r s s i ( 或接收信 号码片功率r s c p ) 、信噪比s i r ( 或归一化信噪比e c n o ) 等，也可以附加测量 移动台的速度、与基站的距离等其他参数。 除了无线环境引起的切换外，网络也可以根据系统的负载情况实时进行切 换来防止拥塞，也可以由操作维护o & m 直接干预来进行切换。网络根据当前系 统的资源使用情况，运用各种资源管理策略和算法综合考虑介入、切换、信道 分配和拥塞控制等，从而优化系统性能。网络原因的切换跟网络优化密切相关， 也是复杂的系统工程。 业务原因的切换主要是最复杂的，也是一般切换算法考虑的重点。现有的 一些切换算法在一定限制的环境下具有较好的性能，但很少有一种算法较为全 面的考虑切换各种因素。其中最主要的原因是切换本身的复杂性，和综合考虑 一t 盛一 s 窜 一t 凰一 第三代移动通讯中的软切换算法分析与仿真 第二章切换概述 后给分析和仿真带来的诸多不便。切换的复杂性主要体现在： 小区结构：不同的小区结构和规划对切换算法提出的新的要求。随着业务 量的增加，小区半径越来越小，导致切换次数增加，对信好强度、信噪比和误 比特率等参数的测量以及切换判决的处理时间也相应减少。另外，多扇区和分 层小区等技术的引入，切换所要求的测量的量和资源分配更为复杂。 业务：业务分布是时间和空间的随机函数，在第三代中因为面对的是变化 量很大的多媒体业务，具有更多的不可预测性。这要求系统能适应非均匀分布 业务，并能及时调整传输速率，相应的切换策略应能充分考虑邻近小区的资源 利用情况，动态预留和分配资源。 传播环境：地表形状和植被以及人为建筑对无线传播都有很大的影响，加 上个移动台移动特性的不同，给钡4 量的参数带来很大的随机性。测量结果的平 滑可以在一定程度上减轻这种随机性，但会引入时延。切换算法应在测量平滑 和切换时延之间折中考虑。 考虑当前第二代和三代并存，以及f d d 和t d d 的不同模式，切换可分为3 g 系统之间的切换和3 g 和2 g 之间的切换。3 g 系统之间的切换可以细分为f d d 、 t d d 不同模式之间的切换，包括软切换、更软切换、硬切换、接力切换等等。 如何兼容不同的系统，实现全球范围的无缝覆盖，这给切换算法提出了更高的 要求。 总之，一种高效的切换算法应能适应不同的传播环境，为不同系统的多种 业务请求提供可靠的、高质量的、灵活的服务。 2 2 切换的准则 切换算法都有其不同的切换准则，这些算法根据不同的准则来选择各种参 数作为切换判决的输入，判决参数主要包括接收信号强度、信噪比、业务负载、 移动台速度、新呼叫和切换的到达特性等。 2 2 1 基于信号强度 基于信号强度的切换准则简单、直接，以被许多的算法广泛的采用。许多 系统，包括w c d m a 都是干扰受限，信号强度在一定程度上体现了通信质量，并 且能大致估计基站与移动台的距离，这就是基于信号强度切换算法的依据所在。 该准则的缺点是没有考虑信道干扰，尽管导频信号强度好，但切换到目标小区 后增加系统资干扰容易造成掉话，这在负载t e 较重的微小区中尤为突出。另外， 由于地表因子、传播多径和阴影效应等原因，基于信号强度的切换算法往往带 来许多不必要切换。 第三代移动通讯中的软切换算法分析与仿真 第= 章切换概述 基于信号强度的准则可以细分为相对信号强度、具有门限规定的相对信号 强度、具有滞后余量的相对信号强度等多种准则，如下所述： 1 ) 相对信号强度准则：移动台总是选择具有最强接收信号的基站。这 种准则的缺点是：在原基站的信号强度仍满足要求的情况下，会引发太多的 切换。 2 ) 具有门限的相对信号强度准则：只有在移动台当前基站的信号足够 弱且新基站的信号强于本基站的信号情况下，才进行切换。这种方法可减少 一些不必要切换，但门限值设置