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2 0 0 5年 7月 第2 7 卷第7 期 台州学院学报 J o u r n a l o fT a i z h o u Un i v e r s i ty V0 1 2 7 N o 7 J u n 2 0 0 5 浅论移动通信系统中的切换 张永 炬，(1 杭州电子科技大学，浙江 杭州3 1 0 0 1 8；2 台州学院 信息与电子工程学院，浙江 临海3 1 7 0 0 0)摘要：讨论了 C D M A系统软切换的参数设置对系统性能的影响，并根据工程上的 F E R、R X功率和 E c I o 三项“指示值”分析了软切换失败的原因，指出了可能的解决途径。关键词：移动通信系统；切换技术；软切换 中图分类号：T N 9 1 4 文献标识码：A C,8 9 8 文章编号：1 6 7 2 3 7 0 8(2 0 0 5)0 3一 O O 4 80 4 1 引言 切换是蜂窝移动通信系统的关键技术和难点之一。引入切换技术使移动终端可以在任何时候、任何地方都能得到在线连接。当一个移动台正在通话的时候，从一个基站移动到另一个基站，切换操 作不仅要识别一个新基站，而且要求将话音和信令信号分派到新基站的信道上，实现移动用户的无缝 漫游。由于移动用户数量的飞速增长和多种业务的要求，需要从根本上增加业务参量和服务区域的全 球覆盖。一种较为有效的方法是降低蜂窝的大小，利用微蜂窝和分层蜂窝结构，通过调整无线环境来 提供更大容量，同时减小无线干扰和改善服务质量 J。因此，这种系统的网络控制显然非常复杂，需 要高级而且灵活的移动性管理机制，特别强调切换的设计 切换机制必须满足下列基本要求：(1)实现切换所需时间必须适应终端移动速度；(2)切换程序应能支持同一小区内切换、不同基站之间或者不同网络之间切换；(3)最小急速下降和快速恢复；(4)尽可能小的系统开销和无线侧的负荷；(5)最小附加信令；(6)保证服务质量。切换需要移动台、基站和移动交换中心三方面的彼此配合，互相协调来实现。而上述切换的基本 要求又相互制约，导致切换次数、切换时延、不必要切换概率、切换阻塞概率、掉话概率、呼叫阻塞概率 等一系列参量不能同时达到最小值 J。因此，在实际系统中，只能折中考虑，寻求最佳的切换方案。在 C D M A系统中，软切换的参数设置和降低软切换失败概率非常关键，值得深入研究。2 切换类型 现行的移动通信系统主要有 G S M系统、C D M A系统和 U M T S系统。对于不同的移动通信系统所 包含的切换类 型有所不同。2 1 G S M系统的切换 G S M系统包含内部切换和外部切换两种基本切换类型。在内部切换中又有两种情形：一种是小区内切换，即在同一小区内，呼叫从一个信道转移到另一 收稿 日期：2 0 0 5-0 30 6 作者简介：张永炬(1 9 6 4一)，男，浙江临海人，工程硕士(在读)。维普资讯 第 7期 张永炬：浅论移动通信系统中的切换 4 9 个信道；另一种是小区间切换，即呼叫从一个小区转移到另一个小区，两个小区在同一基站控制器(B B S)的控制之下。外部切换同样有两种情形：一种为移动服务交换中心(M S C)内切换，即呼叫在不 同基站控制器之间转移，但属于同一 M S C；另一种为 M S C间切换，即呼叫在不同的M S C之间转移。G S M系统的切换采用了F D M A和 T D M A技术，切换是在不同的频率之间和在不同的时隙之间进 行的，切换过程均会使通信发生瞬间的中断，所以一般称之为硬切换。2 2 C D MA系统的切换 C D M A系统支持多种类型切换，主要有硬切换、软切换和更软切换。在 C D M A系统中，独特的分 离多径接收机(R A K E)允许移动台同时和两个或多个小区基站保持通信。在更软切换中，同-A 区 的多个扇区同时支持移动台呼叫。C D M A 2 0 0 0可支持现存 I s _ _ 9 5 B系统的业务标准(如语音、数据、激活业务和空中准备)；在下列 情况下，C D M A 2 0 0 0 支持语音、数据等业务从 I s _ _ 9 5 B系统到 C D M A 2 0 0 0系统的切换：(1)在切换边 界与单个频带内；(2)支持多频带工作的移动台在切 边界频带间；(3)在同-d,区和同一频带内；(4)在同-d,区内和不 同频带间。C D MA 2 0 0 0还支持从 C D MA 2 0 0 0系统到 I S _ _ 9 5 B系统的切换。2 3 U MT S系统的切换 通用移动电信系统(U M T S)是基于第三代宽带码分多址(3 G _wc D M A)技术的通信系统。在 U M T S中硬切换和软切换都得到了应用。应用哪种技术与 U M T S的系统容量等实时状态有关 J。U M T S支持系统内切换和系统间切换。系统内切换可进一步细分为频率内切换(在属于同一 W C D M A载波的小区上操作)和频率间切换(在属于不同WC D M A载波的小区上操作)；系统间切换可在属 于两个不同无线接人技术(如 U M T S和 G S M E D G E)或两个不同无线接人方式(如 F D D WC D M A和 T D D T D-C D MA)的小区上操作。3 软切换策略 3 1 软切换 的发起 为了支持软切换，小区将划分成活动集和邻域集，活动集包括参加一个终端软切换连接的所有相 关小区；邻域集包括终端当前检测的所有小区。移动终端始终监测当前正在服务的小区及邻域小区，并将测量结果报告 R N C(无线网络控制器)，由R N C确定软切换，指令移动终端从活动集中移出小区 或把小区加入到活动集中。若切换到一个不同的 R N C，则不能执行软切换，而采取频率内硬切换。频率间切换在不同的WC D M A载波间进行，应用于使用不同载波的两个小区之间，对多层系统非常有 用。在一般情况下，移动 台在同一 WC D MA载波上至少监测 3 2个小 区，除服务小区外，至少在两个 WC D M A载波上监测3 2个小区，最多支持 3 2 个系统相邻节点。切换的发起一般基于下列三种情形：(1)移动台位于小区边界，信号恶化到一定程度；(2)移动台在小区中进入信号的阴影区；(3)小区拥挤。一般地，一个移动台是否需要发起切换请求的判决参数主要有接收信号强度指标(R S S I)、载波 比(C I)、数字系统中的误码率(B E R)等。C D M A软切换的标准主要为导频信号的强度，移动台连续 扫描每个小区 扇区传输的导频信号，当导频功率超过给定主门限时，就与相应的小 扇区(最多 3 个)建立通信。在使用相同频率的小区的 1 2 5 M H z 信道上，这些切换不需要中断通信链路。软切换 可以提高系统的 Q O S 和系统容量【6 3 2 软切换参数的设置 C D M A软切换的过程从移动台开始。在 I s 9 5 A中，导频信道被划分为活动集、候补集、邻近集 和剩余集4个集合】，切换参数也有相应的4个，分别为导频加入门限 T _a d d、导频加入比较门限 1 0 m p、导频丢弃门限T _d r 0 p、导频丢弃定时器门限 T _t d r o p【】引。这 4个参数的不同设置对 C D 维普资讯 台州学院学报 第 2 7卷 M A系统切换 的影响分析如下。(1)r a d d的设置 对 C D M A系统来说，任何不在切换指示消息中的导频都是干扰源。较强的导频应立即转移到活 动集进行切换，避免降低话音质量或呼叫中断。r-a d d的设置一方面应能迅速增加导频(要低一 些)；另一方面又要高一些，避免由于噪声误报。如果 r-a d d 设置过小，将发生大量导频强度测量消 息，占用过多的移动台和基站的资源，更多移动台进人软切换，-J,区软切换比例会显著提高；同时造 成移动台到达远端小区的功率过低，甚至被忽略，失去分集接收意义。若 卜一 a d d 设置过大，将使话音 质量变差，容易造成掉话；同时将减小基站的覆盖范围，软切换状态下的移动台数目下降。(2)r c o m p的设置 r-c o m p 设置过小时，虽然导频进人活动集较容易，保证了活动集包含最强的导频；但导频互换 的增多同样会产生大量的导频测量消息，使系统负担增大。当 r-c o m p设置过大时，将造成软切换 延迟，易掉话，本应进人活动集的导频而被忽略，成为 了强干扰源，导致 Q O S较差。(3)r-d mp的设置 卜一 d m p 的设置一方面应足够低，能避免损失掉短衰落较好的导频，同时又要足够高，阻止活动 集或候补集中有用的导频被很快删除。对系统而言，r-d r 0 p设置过小会增大基站 的覆盖半径，导致 移动台的发射功率增大，处于切换状态的移动台数增多，参与切换的基站数量也增多，占用了更多的 T C H(业务信道)，信号与干扰的比值变小，也使分集失去意义，导致通信质量下降。若 r-d r o p 设置 过大，减小了切换区域，掉话率和“乒乓切换”将增加。(4)r t d r 0 p的设置 r td r 0 p 应大于建立切换所需要的时间。在弱覆盖区内可以用较大的 r t d r 0 p 来强制移动台保 持处于切换状态。一般地，若 r-t d r o p 设置过小，将增加“乒乓切换”；若 r-t d r 0 p设置过大，系统将 产生大量的三小区软切换。由此可见，C D M A系统软切换参数设置是否合理对移动切换性能有极为重要的影响。合理的参 数设置不但资源利用率低，而且会大大增加切换失败的概率。3 3工程软切换失败分析 3 3 1衡量切换性能的三个工程指示值 合理的软切换参数设置是 C D M A网络业务的 Q O S、切换数量、容量、覆盖等具有 良好指标的前 提，并且我们可以利用预测模拟进行分析。但就工程实际而言，由于诸多因素的影响，软切换失败现 象时有发生。在工程实际中可以通过考察三个测量“指示值”来寻找原因，进而找到解决问题的途 径，这三个“指示值”分别是：(1)F E R(误帧率)：包括前向F E R和后向 F E R，是链路话音质量的统计测量值。标识链路的传送 质量。(2)R X功率(移动台收到的功率)：是移动台在其所有接收频段内收到的功率。该值过低，表示 移动台收到信号太弱。(3)E c I o(每个导频的功率与接收到的前向链路的总功率之比)：移动台利用该值作为各导频强 度的衡量值，与门限值比较以确定导频在集合间的转移。3 3 2软切换失败分析 在分析软切换失败的原因时，考察上述三项“指标值”，并结合软切换过程中的信令信息，一般能 找到问题的原因，下面分三种现象加以讨论。(1)R x 功率好，正在服务导频的 E c I。导频较低，但存在其它较高的E c I。导频 分析：首先可以确认有强导频可以用。然后考察移动台发送的导频测量报告(P S M M)：若 P S M M 消息 中包含 了多于 4个导频，这是软切换链路过多所致；若 P S MM消息中正确包含了可用强导频，而 基站未给移动台发送 H D M(切换指示消息)，则原因一般有三种：一是软切换方法有误，可通过测试 维普资讯 第 7期 张永炬：浅论移动通信系统中的切换 5 1 软切换算法进一步定位错误原因；二是资源分配不当，造成软切换率高，软切换 占用过高资源使系统 资源不足而不再支持软切换。如 Td r o p过低或 T t d r o p 过高等原因。可以通过调整相应参数解 决；三是资源分配不当造成软切换率过低，新呼叫占用过多资源。需要在接纳控制算法中解决软切换 预留资源与新呼叫资源分配问题。若移动台未向基站发送包含可用强导频的P S M M消息，一般属于 导频检测问题。一是导频检测门限T a d d 设置过高，二是搜索窗参数过高所致。应作相应调整。(2)R x功率好，前向F E R高，E c I。很低 在此指示特征下出现切换失败的重要原因有以下几种：一是存在前向干扰，基站发送的 H D M消 息未能正确传到移动台；二是存在“拐角”环境，移动台仅在拐角处突然收到其它强导频，若移动台不 能尽快切换到强导频，则可能会因此强导频的干扰而掉话。这种情况可通过缩小搜索窗来加快搜索 速度解决。三是无线网络存在覆盖漏洞或产生了白干扰区域，解决的方法是进行覆盖优化。(3)反向 F E R很高，E c 1 0 很低 这种情况一般是移动台已发出 P S M M消息，但基站未收到，无线链路反向衰落过快，导致切换失 败。4 结束语 切换不仅仅是简单解决蜂窝移动通信系统的“无缝覆盖问题”，更是提高移动通信系统整体性能 的关键技术之一。讨论 C D M A系统中软切换参数设置对系统性能的影响及软切换失败的原因分析，对 C D M A网络建设有着重要意义。随着基于 W C D M A的第三代移动通信系统的迅速发展，业务中 的分组交换和分层网络结构的采用，对切换策略和切换算法等提出了更高要求。在实际系统中，应综 合考虑系统负担、空间业务分布以及无线传播环境等各种因素，合理设计有效的切换方案。参考文献：1 G r i ml u n d 0，G u d m u n d s o n B H a n d o ffS t r a t e g i e s i n Mi c r oce ll ula r S y s t e m s J I E E E V T C 9 1，1 9 9 1：5 0 5 5 1 0 2 C h i a S T S T h e C o n t r o l o f H a n d o ff i n Mi c r oce ll s J I E E E T V C 9 1，1 9 9 1：5 3 1 5 3 6 3 L e e W C Y S mal l e r C e l l s f o r G r e a t e r P e rf o r m a n c e J I E E E C o m m u n i c a t i o n s Ma g a z i n e 1 9 9 1：1 9 2 3 4 M e n d W R E v a l u a ti o n o f a P r o p o s e d H a n d o v e r A 3 s o r i t h m F o r t h e G S M C e l l u l a r S y s t e m J I E E E V T C 9 0，1 9 9 0：2 6 4-2 6 9 5 黄俊钦，谢新梅，宋荣分 移动通信网络切换技术简述 J 电信快报，2 0 0 3，(3)：2 3 2 5 6 A b a w a M，S t a r k W WO p ti m al S c h e d uli n g o f s o f t Ha n d o ff s i n D S C D MA C o m mu n i c a t i o n S y s t e m s J I E E E I N F O C O M 9 5，1 9 9 5：1 0 5l l 2 7 T I A E I A I S一 9 5 I n t e ri m S t and a r d M o b i l e S t a t i o nB a s e s t a t i o n C o mp a t i b i l i t y S t and a r d for D u al Mo b i l e S t a t i o n B a s e s p e c t r u m c e ll ular S y s t e m S T e l e c o mm uni c a t i o n I n d u s t r y A s s o c i a t i o n，J uly 1 9 9 3 8 L e e J S，M i ll e r L E C D M A S y s t e m E n gi n e e ri n g H and b o o k S A r t ech H o u s e P u b li s h e rs，1 9 9 8 9 杨大成 c d ma 2 0 0 1 x移动通信系统 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 3 1 0 魏晓春，孙晓颖 C D M A中切换参数的设置及其对系统的影响 J 长春邮电学报，2 0 0 1，(3)Ha n d o ff i n t h e Mo b i l e C o mmu n i c a t i o n S y s t e m Z H AN G Y o n g-j u (1 H ang z h u o E l e c t r o n i c s，s c i e n c eT ech n o l o g y U niv e rs i ty，H ang z h o u 3 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