第三代移動通信系統(tǒng)WCDMA中的切換

第三代移動通信系統(tǒng) WCDMA 中的切換一、概述近些年，城市蜂窩無線移動通信發(fā)展非常迅速, 尤其從第一代的模擬電話網(wǎng)過渡到 第二代的數(shù)字電話網(wǎng)后, 使用移動終端的用戶更是逐年激增如今,在世界各地流行廣 泛的第二代移動通信GSM900/1800,也在積極計劃準備向全球統(tǒng)一通用的第三代移動 通信 IMT-2000（International Mobile Telecommunications）進化關(guān)于第三代移動通信網(wǎng), 很多人認為移動通信不能停留在電話通信和僅僅連通傳統(tǒng) 公用交換電話網(wǎng)（PSTN）上,應(yīng)容許個人便攜式膝上計算機在半移動期間（即步行休止時 間）接入 Internet, 并能進行數(shù)據(jù)通信或索取 WWW 信息, 同時還應(yīng)允許便攜式計算機適 當配備簡單的攝像和顯示、話筒和喇叭以及手寫板等必要的裝置后, 能夠?qū)崿F(xiàn)無線多媒 體通信IMT-2000的基本設(shè)想是把無線接入網(wǎng)功能與移動核心網(wǎng)功能分開無線接入網(wǎng)使 一定地區(qū)范圍內(nèi)所有用戶的移動終端能夠經(jīng)過其功能連通核心網(wǎng), 并使用各種通信業(yè) 務(wù)；而移動核心網(wǎng)則一方面由移動交換中心（MSC ）在需要時連往市內(nèi)公用通信網(wǎng) （PSTN/ISDN）,另一方面又可按移動用戶的需要連往Internet或其它以IP為基礎(chǔ)的分組 網(wǎng)，因而設(shè)置“通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS General Packet Radio Services）”。

WCDMA是在1998年1月由ETSI制定的寬帶無線接入技術(shù)WCDMA可以提供 十分豐富的業(yè)務(wù)服務(wù)，用戶除了享受傳統(tǒng)的語音業(yè)務(wù)外，還可以在無線環(huán)境下接入互 聯(lián)網(wǎng)和享受多媒體業(yè)務(wù)，并在移動情況下通過該網(wǎng)絡(luò)進行會議電視等業(yè)務(wù)在室內(nèi)環(huán) 境下，它提供的接入速率達2Mbit/s,在大范圍內(nèi)高速移動時支持的速率為384kbit/s 同窄帶的GSM系統(tǒng)（其帶寬為200kHz）相比，WCDMA可用載頻為5MHz，這就是 它支持高速率的原因WCDMA系統(tǒng)協(xié)議主要由歐洲廠商提議制定，上層的協(xié)議和 GSM十分相似，可以實現(xiàn)二代設(shè)備向三代設(shè)備演進時的平滑過渡無論是在已大范圍應(yīng)用的二代系統(tǒng)中, 還是在正處于研究開發(fā)階段的三代系統(tǒng)中, 切換管理都是十分重要的越區(qū)切換（handoff或handover）指的是信道（可以指頻率、時 隙或擴展碼） 的切換過程通過越區(qū)切換可保證當通話中的 MS （移動臺） 越出其當前蜂 窩小區(qū)時, 現(xiàn)有通話不中斷;另外, 當通話中的 MS 改變小區(qū)時能夠明顯避開強干擾, 以 及當MS“優(yōu)選小區(qū)”擁塞時,MS可切換到臨近小區(qū),從而取得或維持較好的通信質(zhì)量為了便于理解，下面給出UTRAN （全球陸地無線接入網(wǎng)絡(luò)）的結(jié)構(gòu)圖。

由圖1可見, 與CN （核心網(wǎng)）通過Iu接口相連的一組RNS （無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)）構(gòu)成了 UTRAN一個 RNS由一個RNC （無線網(wǎng)絡(luò)控制器）和一個或多個Node B組成Node B通過Iub接口 與RNC相連，它可支持FDD模式,TDD模式或雙模式Node B包括一個或多個小 區(qū)在UTRAN內(nèi)部，RNS中的RNC之間可通過Iur接口相連圖 1 UTRAN 結(jié)構(gòu)圖、切換分類在現(xiàn)代的個人通信系統(tǒng)中,由于采用混合小區(qū)結(jié)構(gòu),可發(fā)生多種類型的越區(qū)切換例如: 相同基站不同扇區(qū)間的切換;不同基站小區(qū)間的切換;不同移動交換中心控制的基站小 區(qū)的切換; 不同運營者網(wǎng)絡(luò)之間的切換; 微微小區(qū)與微小區(qū)、微小區(qū)與宏小區(qū)之間的切 換;宏小區(qū)與衛(wèi)星小區(qū)之間的切換等等在第三代移動通信系統(tǒng)WCDMA中可能進行 的切換有：? 3G （第三代移動通信系統(tǒng)）到3G的切換；? FDD軟切換/更軟切換；? FDD頻間硬切換；.FDD/TDD切換；.TDD/FDD切換；.TDD/TDD切換；.3G至【」 2G（第二代移動通信系統(tǒng)）的切換（如切換到GSM）； ? 2G到3G的切換（如從GSM 切換）上述中的硬切換是指一個時間只有一個業(yè)務(wù)信道可用時發(fā)生的切換。

在這一切換 里，移動臺先中斷與原基站的聯(lián)系，再與新基站取得聯(lián)系硬切換一般發(fā)生在不同頻 率的CDMA信道間軟切換指維持舊的連接，同時建立新的連接，并利用新舊鏈路的分 集合并來改善通信質(zhì)量,當與新基站建立可靠連接之后再中斷舊鏈路的連接更軟切換 指在同一小區(qū)的不同扇區(qū)間發(fā)生的軟切換當移動臺在一個小區(qū)中從一個扇區(qū)移動到 另一個扇區(qū)時，發(fā)生更軟切換更軟切換時，在基站和基站控制器之間不需要事務(wù)處 理因此，扇區(qū)之間的更軟切換可以比軟切換建立得更快，因為不需要固定網(wǎng)絡(luò)的信 令三、切換原因及其性能指標（1）引發(fā)一個切換過程的可能因素有：?上行鏈路傳輸質(zhì)量；?上行鏈路信號測量； ?下行鏈路傳輸質(zhì)量；?下行鏈路信號測量；?距離因素；?業(yè)務(wù)變化；?有更好的小區(qū) 出現(xiàn)；.0&M干預(yù)；?重試導引；?業(yè)務(wù)流量；?預(yù)留容量2）切換過程中的主要性能指標有：?切換失敗率；?因切換失敗而導致的通信中斷 概率；?切換發(fā)生的速率四、切換策略針對無線鏈路控制采用的切換策略決定了具體的切換方案，該方案基于來自用戶設(shè) 備（UE）/無線網(wǎng)絡(luò)控制器（RNC）的測量報告和每個小區(qū)的參數(shù)集一些非無線鏈路控制 的因素會引起網(wǎng)絡(luò)側(cè)主導切換的發(fā)生，例如：為控制小區(qū)間的業(yè)務(wù)（均衡）分配。

網(wǎng) 絡(luò)運營商將最終決定確切的切換策略切換策略研究的問題包括： 切換準則、切換的控制方式、切換時信道分配策略1．越區(qū)切換的準則在決定何時需要進行切換時,通常是根據(jù)移動臺處接收的平均信號強度確定的也 可以根據(jù)移動臺處的信噪比（或信號干擾比）、誤比特率等參數(shù)來確定主要有以下幾 類切換準則：（1） 相對信號強度準則 在任何時候都選擇具有最強接收信號的基站該準則的缺 點是： 在原基站的信號強度仍滿足要求的情況下, 會引起太多不必要的越區(qū)切換2） 具有門限規(guī)定的相對信號強度準則 僅允許移動用戶在當前基站的信號足夠弱 （低于某一門限）時, 且新基站的信號強于本基站的信號情況下, 才可以進行越區(qū)切換 該準則中, 切換門限的選擇非常重要3） 具有滯后余量的相對信號強度準則 只允許移動用戶在新基站的信號強度比 原基站信號強度強很多（即大于滯后余量）的情況下進行切換該技術(shù)可改善防止切換 的“乒乓效應(yīng)”的發(fā)生4） 具有滯后余量和門限規(guī)定的相對信號強度準則 僅允許移動用戶在當前基站 的信號電平低于規(guī)定門限并且新基站的信號強度高于當前基站一個給定滯后余量時進 行切換5）其他準則 如采用預(yù)測技術(shù)通過預(yù)測未來信號電平來決定是否需要越區(qū)；引入 定時器，即在上述準則中引入定時器, 在定時器到以后才允許切換，從而防止不必要的 頻繁切換；各種準則有機結(jié)合。

2．越區(qū)切換的控制方式（1）網(wǎng)絡(luò)控制的越區(qū)切換 在該控制方式中, 基站監(jiān)測來自移動臺的信號強度和質(zhì)量, 當信號低于某一門限后,網(wǎng)絡(luò)開始安排向另一基站的越區(qū)切換網(wǎng)絡(luò)要求移動臺周圍的所有基站都監(jiān)測該移動臺的信號,并把測量結(jié)果報告給網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)從這些基站中選擇一 個作為切換的新基站,并把結(jié)果通過舊基站通知移動臺和新基站2）移動臺輔助的越區(qū)切換 在該方式中,網(wǎng)絡(luò)要求移動臺測量其周圍基站的信號,并 把結(jié)果報告給舊基站,網(wǎng)絡(luò)根據(jù)測試結(jié)果決定何時進行越區(qū)切換以及切換到哪一個基 站3）移動臺控制的越區(qū)切換 在該方式中,移動臺連續(xù)監(jiān)測當前基站和幾個越區(qū)時的 候選基站的信號強度和質(zhì)量當滿足某種切換準則后,移動臺選擇具有可用業(yè)務(wù)的最佳 候選基站,并發(fā)送越區(qū)切換請求3．信道分配策略在系統(tǒng)做出越區(qū)切換的決定后,便需將新基站中的信道資源分配給越區(qū)切換的移動 臺從移動用戶的角度來看,由于越區(qū)切換的失敗而導致的通信中斷遠比新呼叫請求被 系統(tǒng)阻塞更為令人討厭因此,對越區(qū)切換請求的接入,移動通信系統(tǒng)都采用某種優(yōu)先策 略,以保證通信被中斷的概率降至最小五、幾種主要的切換1．硬切換硬切換的主要目的是：?改變UE與UTRAN之間連接的頻率；?改變不支持宏分集 的網(wǎng)絡(luò)中的小區(qū)；?在TDD和FDD之間改變模式。

是否需啟動硬切換的兩種依據(jù)是:RNC收到來自UE的測量報告或負荷控制 網(wǎng)絡(luò)啟動硬切換通常通過物理信道配置來實現(xiàn), 但也可通過無線承載的建立、無線承載 的重配置、無線承載的釋放或傳輸信道重配置來實現(xiàn)2．軟切換軟切換是這樣的一種切換：UE在同一載頻上改變信道碼，開始與新的Node B進行 通信；或者在同一基站的不同扇區(qū)之間進行切換（更軟切換）因此，軟切換很容易 提供宏分集傳輸功能術(shù)語上傾向于用其宏分集技術(shù)來識別不同的軟切換方法基于 此特性，在CDMA中，通過將同一頻率分配給相鄰的多個小區(qū)來實現(xiàn)軟切換軟切換中的常見概念有:（1） UE作用區(qū) 在此區(qū)域中，UE同時連接到多個Node B,亦即同時通過多個 Node B和SRNC通信，在UE和SRNC之間同時存在多個無線鏈路通道它們映射到 唯一的UE/SRNC連接中2）激活集 是針對軟切換時的一個概念把在軟切換期間和UE同時建立連接的 Node B所構(gòu)成的集合叫做激活集亦即給UE分配了下行DPCH信道的那些UTRA信 道的小區(qū)構(gòu)成了激活集軟切換過程由若干單獨的功能模塊構(gòu)成，這些模塊是測量模塊、測量結(jié)果過濾模 塊、測量報告模塊、軟切換算法模塊、切換判決模塊。

對監(jiān)控小區(qū)的測量經(jīng)適當過濾后，發(fā)報告事件，該事件構(gòu)成軟切換算法的基本輸 入根據(jù)對監(jiān)控小區(qū)的測量，軟切換功能模塊評估是否有哪個Node B應(yīng)該加入激活 集，或從激活集中刪除，或被替代，此即所謂的“激活集更新”過程軟切換算法舉例：所舉例子使用了如下報告事件：1A （—個基本CPICH進入報告范圍）；1B （一個基本 CPICH離開報告范圍）；1C （一個非激活的CPICH ‘公共導頻信道'比一個激活的 CPICH好）另外，該例中還用到了滯后機制和觸發(fā)時段機制軟切換在RNC中執(zhí)行，因此，在激活集更新過程中也要考慮負荷控制策略此處的 軟切換算法用到如下參數(shù):AS_Th: 宏分集門限值（報告范圍）AS_Th_Hyst: 上述門限的滯后時間AS_Rep_Hyst: （激活集）代替滯后AT:觸發(fā)時間AS_Max_Size: 激活集最大容量圖 2 示出了軟切換算法的過程（見下頁）從圖 2可知:(1) 如果在一個△ T時段內(nèi)Meas_Sign (經(jīng)測量和過濾的小區(qū)數(shù)量)的值持續(xù)低于 (Best_Ss-As_Th- As_Th_Hyst)的值，則從激活集中刪除鏈路質(zhì)量最差的小區(qū)(注:Best_Ss 表示激活集中測量值最佳的小區(qū))。

2) 如果在一個△ T時段內(nèi)Meas_Sign的值持續(xù)大于(Best_Ss-As_Th- As_Th_Hyst)的 值，且激活集未滿，則將原本處于激活集外的鏈路質(zhì)量最好的小區(qū)添加到激活集中來3) 如果激活集已滿，而此時如果在一個△ T時段內(nèi)Best_Cand_Ss (監(jiān)控小區(qū)集合中測 量值最佳的小區(qū))又持續(xù)大于(Worst_Old_Ss+As_Rep_Hyst),則先把激活集中鏈路質(zhì)量 最差的小區(qū)去掉,再將激活集外邊的鏈路質(zhì)量最好的小區(qū)添加進來(注：Worst_Old_Ss 表示激活集中測量值最差的小區(qū))3．系統(tǒng)間切換(1) 3G 到 2G 的切換 提供 UTRA(Universal Terrestrial Radio Access,全球陸地無 線接入)到GSM的全球切換能力，是UTRA幀計時定義要考慮的一個主要設(shè)計準則 從UTRA/FDD到GSM的切換不必同時用兩個接收鏈就能實現(xiàn)即使兩者幀長度不 同，但GSM業(yè)務(wù)信道和UTRA FDD信道使用相似的多幀結(jié)構(gòu)UE可以在下行傳輸時的空閑時段內(nèi)進行測量工作，這些空閑時段是利用下行壓縮 模式創(chuàng)建的壓縮模式受UTRAN的控制，并且UTRAN應(yīng)當告知UE哪個幀被時隙 化了。

不依賴于壓縮模式，而采用雙路接收的二選一獨立測量方法也可以達到系統(tǒng)間 切換的目的此時GSM接收分支和UTRA接收分支各自獨立進行2） 2G 到 3G 的切換 在 UMTS（Universal Mobile Telecommunication System，全球移 動電信系統(tǒng)）中，為了減少關(guān)鍵消息的消息塊大小,網(wǎng)絡(luò)會將一些無線配置下載或預(yù)定 義到UE中，這些預(yù)定義的無線配置主要包括無線承載參數(shù)和傳輸信道參數(shù)網(wǎng)絡(luò)在 給UE傳送消息時，如果知道UE存儲有合適的預(yù)定義配置，網(wǎng)絡(luò)就會參考該配置， 而只在消息中傳送配置中沒有定義的其它參數(shù)當執(zhí)行從其它無線接入系統(tǒng)到 UTRAN 的切換時，就可能會用到預(yù)定義配置在從 GSM到UTRAN的切換中，若能將切換命令完整的放在一個不分段的GSM空中接口 消息中傳送，則切換性能會得到很大改善另外，需要注意的是，用不用預(yù)配置只是網(wǎng)絡(luò)的一個可選項，并非是必選項；到 UTRAN的切換過程也支持傳送完整的，包含全部參數(shù)的切換命令注意：如果傳送消息時使用了分段方式，則后續(xù)分段只能在收到前面已發(fā)分段的確認 應(yīng)答后才能發(fā)送但在切換過程中，上行鏈路的無線質(zhì)量可能會很差，以至于在發(fā)送確認 應(yīng)答時失敗。

這意味著，有時候快速傳送一個分段切換消息是不可能的分段時，如 果將一個切換命令分到多于兩個GSM空中接口消息上，將會對切換性能造成嚴重損 害UE將能夠存儲近16個不同的預(yù)定義配置，其中每個配置都用一個單獨的預(yù)配置標識 符加以區(qū)別UE不必等到所有預(yù)定義配置都收到之后才開始接入網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)可能會 對不同的業(yè)務(wù)使用不同的配置，如話音業(yè)務(wù)、電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)UE中存儲的預(yù)定義配置在PLMN服務(wù)范圍內(nèi)是有效的；UE應(yīng)該考慮到這些配置 在進行PLMN重選擇時就會無效另外，一個值標號（value tag）用來與每一個單獨 的預(yù)定義配置相對應(yīng)，這個值標號可以取16個值，被UE和網(wǎng)絡(luò)用來保證存儲的預(yù)定 義配置總是最新或所要求的版本六、切換過程中的測量1． FDD 模式下同頻小區(qū)測量在同頻小區(qū)的測量過程中，通過主、次同步信道,UE尋求與待測小區(qū)間必要的同 步，同時獲取相鄰小區(qū)所用的擾碼信息2． 對不同頻率小區(qū)的測量（僅討論 FDD 模式的情況）高層可能要求FDD模式下的UE為執(zhí)行從FDD到FDD的頻間切換做準備此 時，UTRAN向UE發(fā)送信令，通知它切換監(jiān)控小區(qū)集合，以及完成所需測量要用到的 壓縮模式參數(shù)（如果需要的話）。

為從UTRA FDD到UTRA FDD頻間切換做準備，壓縮參數(shù)集的設(shè)置如下:在傳輸 間隙里,UE進行測量工作，以便能夠向UTRAN報告其幀計時信息、擾碼和切換監(jiān)控集 合中FDD小區(qū)的上行主CCPCH信道的Ec/Io值當UTRAN要求UE監(jiān)測頻間FDD 小區(qū)時,UTRAN可能采用傳輸間隙長度為5、7、10和14個時隙的傳輸間隙模式序 列UE完成UTRAN所要求的頻間測量所需的時間取決于傳輸間隙模式序列特性3． GSM 小區(qū)測量高層可能要求雙模FDD/GSM UE為FDD到GSM的頻間切換做準備此時， UTRAN向UE發(fā)送信令，通知它切換監(jiān)控小區(qū)集合，以及完成所需測量要用到的壓縮 模式參數(shù)（如果需要的話）涉及到的測量具有以下三個測量目的:“GSM RSSI （RSSI為接受信號強度指 示）”,“GSM BSIC identification” 和“ GSM BSIC reconfirmation”每一種測量目的有不同 的傳輸間隙模式序列支持這表明當UE測量GSM時,UTRAN可激活3個以上傳輸間 隙模式序列七、 結(jié)束語完成切換各項功能所需的參數(shù)繁多,與網(wǎng)絡(luò)層、物理層的關(guān)系緊密要想實現(xiàn)切換, 對各層協(xié)議均要有一定的理解認識,了解各層功能模型,針對具體的應(yīng)用實現(xiàn)進行設(shè)計。

當然第三代移動通信系統(tǒng)具有新的結(jié)構(gòu)、新的技術(shù)、新的規(guī)范，但是并不是孤立 的系統(tǒng)，可以借鑒先前的較為成熟的網(wǎng)絡(luò)（GSM、IS95窄帶CDMA、Internet）的系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)方案，尤其在屏蔽了物理層特性的數(shù)據(jù)鏈路層體現(xiàn)得更加突出例如， 三代的安全體系與GSM是十分相似的移動通信是當代通信領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展最快, 市場前景最好的部分 預(yù)計從 2002年開始, 第三代移動通信技術(shù)和設(shè)備將在全世界使用到 2005 年, 第三代移動通信設(shè)備將占通 信市場容量的 2/3, 僅我國每年這種設(shè)備的市場容量將超過 2000億元人民幣面對如此 巨大的市場前景, 全世界各大公司都投入了巨額基金和大量的人力、物力, 從標準制定 開始, 力爭取得主動, 占領(lǐng)盡可能多的市場份額同時第三代移動通信系統(tǒng)的研究開發(fā) 浪潮為通信技術(shù)的研究者、產(chǎn)品的開發(fā)者提供了極好的施展才智的機遇, 更讓我們深感 面臨嚴峻的形勢和激烈的挑戰(zhàn)。