第三代移动通信系统WCDMA中的切换

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1、 第三代移动通信系统WCDMA中的切换 一、概述 近些年，城市蜂窝无线移动通信发展非常迅速, 尤其从第一代的模拟电话网过渡到第二代的数字电话网后, 使用移动终端的用户更是逐年激增。如今,在世界各地流行广泛的第二代移动通信GSM900/1800, 也在积极计划准备向全球统一通用的第三代移动通信IMT-2000(International Mobile Telecommunications)进化。 关于第三代移动通信网, 很多人认为移动通信不能停留在电话通信和仅仅连通传统公用交换电话网(PSTN)上, 应容许个人便携式膝上计算机在半移动期间(即步行休止时间)接入Internet, 并能

2、进行数据通信或索取WWW信息, 同时还应允许便携式计算机适当配备简单的摄像和显示、话筒和喇叭以及手写板等必要的装置后, 能够实现无线多媒体通信。 IMT-2000的基本设想是把无线接入网功能与移动核心网功能分开。无线接入网使一定地区范围内所有用户的移动终端能够经过其功能连通核心网, 并使用各种通信业务；而移动核心网则一方面由移动交换中心(MSC)在需要时连往市内公用通信网(PSTN/ISDN), 另一方面又可按移动用户的需要连往Internet或其它以IP为基础的分组网, 因而设置“通用分组无线业务(GPRS------General Packet Radio Services)”。

3、WCDMA是在1998年1月由ETSI制定的宽带无线接入技术。WCDMA可以提供十分丰富的业务服务，用户除了享受传统的语音业务外，还可以在无线环境下接入互联网和享受多媒体业务，并在移动情况下通过该网络进行会议电视等业务。在室内环境下，它提供的接入速率达2Mbit/s，在大范围内高速移动时支持的速率为384kbit/s。同窄带的GSM系统（其带宽为200kHz）相比，WCDMA可用载频为5MHz，这就是它支持高速率的原因。WCDMA系统协议主要由欧洲厂商提议制定，上层的协议和GSM十分相似，可以实现二代设备向三代设备演进时的平滑过渡。 无论是在已大范围应用的二代系统中, 还是在正处于研究开发

4、阶段的三代系统中, 切换管理都是十分重要的。越区切换(handoff或handover)指的是信道(可以指频率、时隙或扩展码) 的切换过程。通过越区切换可保证当通话中的MS (移动台) 越出其当前蜂窝小区时, 现有通话不中断; 另外, 当通话中的MS改变小区时能够明显避开强干扰, 以及当MS“优选小区”拥塞时, MS可切换到临近小区, 从而取得或维持较好的通信质量。 为了便于理解,下面给出UTRAN (全球陆地无线接入网络) 的结构图。由图1可见, 与CN (核心网) 通过Iu接口相连的一组RNS (无线网络子系统) 构成了UTRAN。一个RNS由一个RNC (无线网络控制器) 和一个或多

5、个Node B组成。Node B通过Iub接口与RNC相连, 它可支持FDD模式, TDD模式或双模式。 Node B包括一个或多个小区。在UTRAN内部, RNS中的RNC之间可通过Iur接口相连。 图1 UTRAN结构图 二、切换分类 在现代的个人通信系统中,由于采用混合小区结构,可发生多种类型的越区切换。例如:相同基站不同扇区间的切换;不同基站小区间的切换;不同移动交换中心控制的基站小区的切换; 不同运营者网络之间的切换; 微微小区与微小区、微小区与宏小区之间的切换; 宏小区与卫星小区之间的切换等等。在第三代移动通信系统WCDMA中可能进行的切换有： ● 3G

6、（第三代移动通信系统)到3G的切换；● FDD软切换/更软切换；● FDD频间硬切换；● FDD/TDD切换；● TDD/FDD切换；● TDD/TDD切换；● 3G到2G(第二代移动通信系统)的切换（如切换到GSM）； ● 2G到3G的切换（如从GSM切换）。 上述中的硬切换是指一个时间只有一个业务信道可用时发生的切换。在这一切换里，移动台先中断与原基站的联系，再与新基站取得联系。硬切换一般发生在不同频率的CDMA信道间。软切换指维持旧的连接,同时建立新的连接,并利用新旧链路的分集合并来改善通信质量,当与新基站建立可靠连接之后再中断旧链路的连接。更软切换指在同一小区的不同扇区间发生的软切

7、换。当移动台在一个小区中从一个扇区移动到另一个扇区时，发生更软切换。更软切换时，在基站和基站控制器之间不需要事务处理。因此，扇区之间的更软切换可以比软切换建立得更快，因为不需要固定网络的信令。 三、切换原因及其性能指标 (1) 引发一个切换过程的可能因素有： ●上行链路传输质量；●上行链路信号测量；●下行链路传输质量；●下行链路信号测量；● 距离因素；●业务变化；●有更好的小区出现；● O&M干预；● 重试导引；● 业务流量；● 预留容量。 (2)切换过程中的主要性能指标有: ● 切换失败率；● 因切换失败而导致的通信中断概率；● 切换发生的速率。 四、切换策略

8、 针对无线链路控制采用的切换策略决定了具体的切换方案，该方案基于来自用户设备(UE)/无线网络控制器(RNC)的测量报告和每个小区的参数集。一些非无线链路控制的因素会引起网络侧主导切换的发生，例如：为控制小区间的业务（均衡）分配。网络运营商将最终决定确切的切换策略。 切换策略研究的问题包括: 切换准则、切换的控制方式、切换时信道分配策略。 1．越区切换的准则 在决定何时需要进行切换时,通常是根据移动台处接收的平均信号强度确定的。也可以根据移动台处的信噪比(或信号干扰比)、误比特率等参数来确定。主要有以下几类切换准则: （1）相对信号强度准则 在任何时

9、候都选择具有最强接收信号的基站。该准则的缺点是: 在原基站的信号强度仍满足要求的情况下, 会引起太多不必要的越区切换。 （2）具有门限规定的相对信号强度准则 仅允许移动用户在当前基站的信号足够弱(低于某一门限)时, 且新基站的信号强于本基站的信号情况下, 才可以进行越区切换。该准则中, 切换门限的选择非常重要。 （3）具有滞后余量的相对信号强度准则 只允许移动用户在新基站的信号强度比原基站信号强度强很多(即大于滞后余量)的情况下进行切换。该技术可改善防止切换的 “乒乓效应”的发生。 （4）具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则 仅允许移动用户在当前基站的信号

10、电平低于规定门限并且新基站的信号强度高于当前基站一个给定滞后余量时进行切换。 （5）其他准则 如采用预测技术通过预测未来信号电平来决定是否需要越区；引入定时器，即在上述准则中引入定时器, 在定时器到以后才允许切换，从而防止不必要的频繁切换；各种准则有机结合。 2．越区切换的控制方式 （1）网络控制的越区切换 在该控制方式中, 基站监测来自移动台的信号强度和质量,当信号低于某一门限后,网络开始安排向另一基站的越区切换。网络要求移动台周围的所有基站都监测该移动台的信号,并把测量结果报告给网络。网络从这些基站中选择一个作为切换的新基站,并把结果通过旧基站通知移动台和

11、新基站。 （2）移动台辅助的越区切换 在该方式中,网络要求移动台测量其周围基站的信号,并把结果报告给旧基站,网络根据测试结果决定何时进行越区切换以及切换到哪一个基站。 （3）移动台控制的越区切换 在该方式中,移动台连续监测当前基站和几个越区时的候选基站的信号强度和质量。当满足某种切换准则后,移动台选择具有可用业务的最佳候选基站,并发送越区切换请求。 3．信道分配策略 在系统做出越区切换的决定后,便需将新基站中的信道资源分配给越区切换的移动台。从移动用户的角度来看,由于越区切换的失败而导致的通信中断远比新呼叫请求被系统阻塞更为令人讨厌。因此,对越区切换请求

12、的接入,移动通信系统都采用某种优先策略,以保证通信被中断的概率降至最小。 五、几种主要的切换 1．硬切换 硬切换的主要目的是: ·改变UE与UTRAN之间连接的频率; ·改变不支持宏分集的网络中的小区； ·在TDD和FDD之间改变模式。 是否需启动硬切换的两种依据是: RNC收到来自UE的测量报告或负荷控制。 网络启动硬切换通常通过物理信道配置来实现, 但也可通过无线承载的建立、无线承载的重配置、无线承载的释放或传输信道重配置来实现。 2．软切换 软切换是这样的一种切换：UE在同一载频上改变信道码,开始与新的Node B进行通信；或者在同一基站的不同扇区之间进行

13、切换（更软切换）。因此，软切换很容易提供宏分集传输功能。术语上倾向于用其宏分集技术来识别不同的软切换方法。基于此特性，在CDMA中，通过将同一频率分配给相邻的多个小区来实现软切换。 软切换中的常见概念有: （1）UE作用区 在此区域中，UE同时连接到多个Node B，亦即同时通过多个Node B和SRNC通信， 在UE和SRNC之间同时存在多个无线链路通道。它们映射到唯一的UE/SRNC连接中。 （2） 激活集 是针对软切换时的一个概念。把在软切换期间和UE同时建立连接的Node B所构成的集合叫做激活集。亦即给UE分配了下行DPCH信道的那些UTRA信道的小区构

14、成了激活集。 软切换过程由若干单独的功能模块构成，这些模块是测量模块、测量结果过滤模块、测量报告模块、软切换算法模块、切换判决模块。 对监控小区的测量经适当过滤后，发报告事件，该事件构成软切换算法的基本输入。根据对监控小区的测量，软切换功能模块评估是否有哪个Node B应该加入激活集，或从激活集中删除，或被替代，此即所谓的“激活集更新”过程。 软切换算法举例： 所举例子使用了如下报告事件：1A (一个基本CPICH进入报告范围); 1B（ 一个基本CPICH离开报告范围）; 1C（ 一个非激活的CPICH‘公共导频信道’比一个激活的CPICH好）

15、。另外，该例中还用到了滞后机制和触发时段机制。 软切换在RNC中执行，因此，在激活集更新过程中也要考虑负荷控制策略。此处的软切换算法用到如下参数: AS_Th: 宏分集门限值(报告范围) AS_Th_Hyst: 上述门限的滞后时间 AS_Rep_Hyst: (激活集)代替滞后 ΔT: 触发时间 AS_Max_Size: 激活集最大容量 图2示出了软切换算法的过程（见下页）。 图2 软切换算法举例   从图2可知: (1)如果在一个ΔT时段内Meas_Sign（经测量和过滤的小区数量）的值

16、持续低于(Best_Ss-As_Th- As_Th_Hyst)的值,则从激活集中删除链路质量最差的小区（注:Best_Ss表示激活集中测量值最佳的小区）。 (2)如果在一个ΔT时段内Meas_Sign的值持续大于(Best_Ss-As_Th- As_Th_Hyst)的值,且激活集未满,则将原本处于激活集外的链路质量最好的小区添加到激活集中来。 (3)如果激活集已满,而此时如果在一个ΔT时段内Best_Cand_Ss（监控小区集合中测量值最佳的小区）又持续大于(Worst_Old_Ss+As_Rep_Hyst),则先把激活集中链路质量最差的小区去掉,再将激活集外边的链路质

17、量最好的小区添加进来（注：Worst_Old_Ss表示激活集中测量值最差的小区）。 3．系统间切换 （1） 3G到2G的切换 提供UTRA(Universal Terrestrial Radio Access, 全球陆地无线接入)到GSM的全球切换能力， 是UTRA帧计时定义要考虑的一个主要设计准则。从UTRA/FDD到GSM的切换不必同时用两个接收链就能实现。即使两者帧长度不同，但GSM业务信道和UTRA FDD信道使用相似的多帧结构。 UE可以在下行传输时的空闲时段内进行测量工作，这些空闲时段是利用下行压缩模式创建的。压缩模式受UTRAN的控制，并且UTRAN应当告知

18、UE哪个帧被时隙化了。不依赖于压缩模式，而采用双路接收的二选一独立测量方法也可以达到系统间切换的目的。此时GSM接收分支和UTRA接收分支各自独立进行。 (2) 2G到3G的切换 在UMTS(Universal Mobile Telecommunication System,全球移动电信系统)中，为了减少关键消息的消息块大小,网络会将一些无线配置下载或预定义到UE中，这些预定义的无线配置主要包括无线承载参数和传输信道参数。网络在给UE传送消息时，如果知道UE存储有合适的预定义配置，网络就会参考该配置，而只在消息中传送配置中没有定义的其它参数。 当执行从其它无线接入系统

19、到UTRAN的切换时，就可能会用到预定义配置。在从GSM到UTRAN的切换中，若能将切换命令完整的放在一个不分段的GSM空中接口消息中传送，则切换性能会得到很大改善。 另外，需要注意的是，用不用预配置只是网络的一个可选项，并非是必选项；到UTRAN的切换过程也支持传送完整的，包含全部参数的切换命令。 注意：如果传送消息时使用了分段方式,则后续分段只能在收到前面已发分段的确认应答后才能发送。但在切换过程中,上行链路的无线质量可能会很差,以至于在发送确认应答时失败。这意味着，有时候快速传送一个分段切换消息是不可能的。分段时，如果将一个切换命令分到多于两个GSM空中接口消息上

20、，将会对切换性能造成严重损害。 UE将能够存储近16个不同的预定义配置,其中每个配置都用一个单独的预配置标识符加以区别。UE不必等到所有预定义配置都收到之后才开始接入网络。网络可能会对不同的业务使用不同的配置，如话音业务、电路交换数据业务。 UE中存储的预定义配置在PLMN服务范围内是有效的；UE应该考虑到这些配置在进行PLMN重选择时就会无效。另外，一个值标号（value tag）用来与每一个单独的预定义配置相对应，这个值标号可以取16个值，被UE和网络用来保证存储的预定义配置总是最新或所要求的版本。   六、切换过程中的测量 1． FDD模式下同频小区测量

21、 在同频小区的测量过程中，通过主、次同步信道, UE寻求与待测小区间必要的同步，同时获取相邻小区所用的扰码信息。 2． 对不同频率小区的测量(仅讨论FDD模式的情况) 高层可能要求FDD模式下的UE为执行从FDD到FDD的频间切换做准备。 此时，UTRAN向UE发送信令, 通知它切换监控小区集合，以及完成所需测量要用到的压缩模式参数(如果需要的话)。 为从UTRA FDD到UTRA FDD频间切换做准备,压缩参数集的设置如下: 在传输间隙里, UE进行测量工作, 以便能够向UTRAN报告其帧计时信息、扰码和切换监控集合中FDD小区的上行主CCPCH信道的Ec/Io值。当UTR

22、AN要求UE监测频间FDD小区时,UTRAN可能采用传输间隙长度为5、7、10和14个时隙的传输间隙模式序列。UE完成UTRAN所要求的频间测量所需的时间取决于传输间隙模式序列特性。 3． GSM小区测量 高层可能要求双模FDD/GSM UE为FDD到GSM的频间切换做准备。此时，UTRAN向UE发送信令, 通知它切换监控小区集合，以及完成所需测量要用到的压缩模式参数(如果需要的话)。 涉及到的测量具有以下三个测量目的:“GSM RSSI (RSSI为接受信号强度指示)”,“GSM BSIC identification”和“GSM BSIC reconfirmation”

23、。每一种测量目的有不同的传输间隙模式序列支持。这表明当UE测量GSM时, UTRAN可激活3个以上传输间隙模式序列。   七、 结束语 完成切换各项功能所需的参数繁多,与网络层、物理层的关系紧密。要想实现切换,对各层协议均要有一定的理解认识,了解各层功能模型,针对具体的应用实现进行设计。 当然第三代移动通信系统具有新的结构、新的技术、新的规范，但是并不是孤立的系统，可以借鉴先前的较为成熟的网络（GSM、IS95窄带CDMA、Internet）的系统结构及实现方案，尤其在屏蔽了物理层特性的数据链路层体现得更加突出。例如，三代的安全体系与GSM是十分相似的。 移动通信是当代通信领域内发展最快, 市场前景最好的部分。 预计从2002年开始, 第三代移动通信技术和设备将在全世界使用。到2005年, 第三代移动通信设备将占通信市场容量的2/3, 仅我国每年这种设备的市场容量将超过2000亿元人民币。面对如此巨大的市场前景, 全世界各大公司都投入了巨额基金和大量的人力、物力, 从标准制定开始, 力争取得主动, 占领尽可能多的市场份额。同时第三代移动通信系统的研究开发浪潮为通信技术的研究者、产品的开发者提供了极好的施展才智的机遇, 更让我们深感面临严峻的形势和激烈的挑战。