2022年移动通信系统中的切换研究分析 .pdf

数字移动通信技术结课论文论文题目：移动通信系统中的切换技术研究专业： 09 电科本学号： 2009171117 姓名：甄飞名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 10 页 - - - - - - - - - 1 摘要文中讨论了移动通信系统中切换技术提出的背景及其基本概念，然后分别介绍了三代移动通信系统中所采用的切换技术。最后详细分析了TD-SCDMA 移动通信系统中所采用的接力切换技术和WiMAX 系统的切换技术的原理及其实现， 对系统地学习和研究移动通信系统中切换技术具有重大意义。关键词 : 移动通信网络切换技术硬切换 软切换名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 10 页 - - - - - - - - - 2 目录引言 . 31 切换技术概述. 31.1 引起切换的原因. 31.2 切换控制的方式. 41.3 切换技术的分类. 41.3.1 水平切换技术. 41.3.2 垂直切换技术. 52 第一代移动通信系统的切换技术. 53 第二代移动通信系统的切换技术. 53.1 GSM 系统的切换 . 53.2 IS95 窄带CDMA 系统的切换 . 64 第三代移动通信系统的切换技术. 65 TDSCDMA 系统的接力切换技术 . 75.1 接力切换技术基本概念. 75.2 接力切换的实现. 76 WiMAX 系统的切换技术 . 87 结语 . 9参考文献 . 9名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 10 页 - - - - - - - - - 3 引言目前的移动通信系统都是属于蜂窝移动通信系统，它把服务区划分为若干小的区域，称为小区 (Cell)，然后在各小区用小功率发射机覆盖，由若干小区构成区群(Cluster)，实现频率复用。当移动台在服务区中从一个小区快速移动到邻近小区时，这时， 移动台和原来小区基站的通信链路必须转换到新小区基站上来，这个转换过程就称为越区切换(Handoff)1。 切换是指将一个正在进行中的通信从一个信道、 小区过渡至另一个信道、 小区，并且保证通信不产生中断的一项技术，切换允许在不同的无线信道之间进行，也允许在不同的小区之间进行。广义来说，根据切换在载频、 时隙、地址码、小区及 BSC 和MSC 等不同实体之间产生，可以分为不同类型的切换。1 切换技术概述在蜂窝移动通信网中，切换是保证移动用户在移动状态下实现不间断通信；切换也是为了在移动台与网络之间保持一个可以接受的通信质量，防止通信中断，这是适应移动衰落信道特性的必不可少的措施。特别是由网络发起的切换，其目的是为了平衡服务区内各小区的业务量，降低高用户小区的呼损率的有力措施。切换可以优化无线资源（频率、时隙、码）的使用；还可以及时减小移动台的功率消耗和对全局的干扰电平的限制。1.1 引起切换的原因切换可以认为是蜂窝通信中最复杂和最重要的过程之一。 引起切换的原因主要有如下几种。（1）信号强度。当基站或移动台处接收到的信号很弱时，并出现移动台到另一个小区，或同一小区但不同频率有更好的链路的情形，可能导致切换。（2）信号质量。信道遭受到的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。（3）移动台到基站的距离。各服务小区中移动台到基站间的距离限制和网络无线规划中规定的该小区大小有关。（4）功率预算。在改善网络的整个性能中最重要的是使发射功率最小，因为这可以使 PLMN 中干扰电平的统计平均值减少。（5）没有被分配的时隙中的干扰。为了在一个新载频中，或者在同一载频上的空闲信道中选择新的最佳信道，基站对空闲时隙中的噪声电平进行测量。这个信息被用在同一小区或同一基站的载频之间切换情况中，目的是选择目标信道，这也可用在呼叫建立时信道分配过程中。（6）话务量原因。小区可以通过把正在通信的时间提前量较大的移动台切名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 10 页 - - - - - - - - - 4 换到相邻小区来减轻拥塞。 这样的移动台都是处在小区边缘，因此它既在服务小区的覆盖范围内，也在相邻小区的覆盖范围内。 移动台的运动或附近环境的变化，导致了由衰落、障碍物和干扰引起的信号变化，这是启动切换的主要原因2 。1.2 切换控制的方式切换过程控制的方式主要有三种。（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，它同时用于欧洲 DECT 和北美 PACS 空中接口协议。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 的信号强度和质量。当满足某些切换准则时，MS 检查一个可用业务信道的“最佳”候选BS ，并发出切换请求。 MS 完成自动链路转换（ ALT 、两个BS 之间的切换）和时隙转换（ TST 、同一个BS 中两个信道之间的切换）的组合控制。（2）网络控制的越区切换 （NCHO）。NCHO 切换过程完全由网络控制来决定，而移动台完全处于被动状态。 首先由基站检测移动台的一些主要参数，如标志无线链路质量的接收信号强度指标RSSI ，当它低于某个给定的门限值时，则向MSC 发出切换请求。 MSC 命令其周围的基站将检测到的该移动台的参数的结果上报、汇总到 MSC ，MSC 根据汇总结果，分析、比较并选择被切换的目标小区的基站。一般它仅允许在小区间切换，且每次切换需要较长的时间。（3）移动节点辅助的越区切换（ MAHO）。在MAHO 切换中，移动台、基站都参与检测接收信号强度 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。这种以移动台为辅助、网络为主的切换过程和算法更有利于随着业务量增长和网络需求而进行调整和优化，更具有灵活性。这类切换所需的时间约为1 s ，它介于以上两种切换所需时间之间。这类切换已广泛应用于第二代移动通信中（GSM 、IS-95 ）, 它既允许小区内，也允许小区间进行切换3 。1.3 切换技术的分类当用户接入时，系统根据所测量得的信号强度和各小区的容量为某一呼叫选择最恰当的小区（宏小区、微小区或微微小区）。发生切换时有两种切换方式：相同层次小区之间的水平切换和不同层次小区之间的垂直切换。1.3.1 水平切换技术水平切换就是普通的小区切换（包括：硬切换、软切换、更软切换）。通常情况下，移动速率没有较大的改变、 相同小区的容量未饱和都只需要水平切换即可。可以这样来概括水平切换：移动节点在相同系统的基站（扇区、信道）之间的切换称为水平切换。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 10 页 - - - - - - - - - 5 1.3.2 垂直切换技术垂直切换是移动节点在不同系统的基站（扇区、信道）之间的切换。2 第一代移动通信系统的切换技术第一代移动通信系统是指以 FDMA 频分多址为基础的模拟蜂窝网。 采用的切换是基站或网络控制切换技术，具有自动过境切换技术。移动台在进行通话时，系统始终监测着通话质量。 当测得的 SAT 监测音信噪比低于 SNH （请求切换的信噪比）或测得的信号强度值低于SSH （切换强度）时，话音信道就向 MSC 发送越区切换请求，从中得出两类切换：(1) 根据信号的强度；(2) 根据信噪比。3 第二代移动通信系统的切换技术第二代移动通信系统是指数字蜂窝移动通信系统，其典型系统为以 GSM 为代表的 TDMA 时分多址数字蜂窝网和 IS 95 窄带 CDMA 码分多址数字蜂窝网。3.1 GSM 系统的切换GSM 系统采用移动台辅助越区切换MAHO。 其主要思想是把切换的检测和处理等功能部分地分散到各个移动台，由移动台来测量本基站和周围基站的信号强度，把测量结果送给 MSC 分析处理， 做出有关切换的决策。 信息的传递在慢速辅助控制信道 SACCH 中完成。 GSM 系统采用了 MAHO 技术，能明显加快切换速度。其小区半径可以减小至 0. 5 km ，因而系统容量可以得到提高，设置多种控制信道增强系统控制能力， 不会在通信中中断话音， 较之第一代大大改善了通话质量。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 10 页 - - - - - - - - - 6 但由于采用硬切换， 仍会产生“乒乓效应”，通信高峰期还会出现掉话。 图1 为GSM 系统所采用的硬切换基本原理图4 。其特点是在 A、B 小区分界线上“先断后切”，状态 A 和B 的转换过程中出现暂时中断。3.2 IS 95 窄带 CDMA 系统的切换以往的系统都采用硬切换，而CDMA 系统采用软切换。在硬切换中，切换与否有一个明确的选择。 对于软切换来说， 是否进行切换是一个有条件的选择。根据来自两个或多个基站导频信号强度的变化，最终确定与其中一个进行通信。 在过渡期间，用户与所有候选基站保持业务信道的通信。软切换只能在同频率的 CDMA 信道间进行，因此切换只改变地址码，不改变频率。它在两个基站覆盖区的交界处起到了分集作用，这样减少了由于切换造成的掉话。据统计，模拟系统、 TDMA 系统中无线信道上的 90掉话是在切换过程中发生的，采用软切换保证了通信的可靠性。图2 为IS95 窄带 CDMA 系统所采用的软切换基本原理图 4 。其特点是“先切后断”，无中断。4 第三代移动通信系统的切换技术第三代移动通信有如下三个标准：欧洲和日本的WCDMA、北美的 CDMA2000、中国大唐电信研制的 TD-SCDMA。 这标志着中国提出的移动通信建议在百年通信史上第一次成为国际电信联盟采用的技术标准。(1) WCDMA 的切换技术。 WCDMA 是基于 GSM 的第三代技术。中国拥有世界上最大的 GSM 网络，运营商只需增添一些软硬件，即可使GSM 升级为 WCDMA，保护已有的 GSM 投资。WCDMA 的切换：在进入软切换之前， 移动台从两个基站测量下行链路 SCH 的时间差，并向服务基站报告时间差。 在利用宏小区、 微小区和微微小区的分层结构时需要频率间切换；当热点地区有高容量的要求时， 也可以采取几个载频间的切换。 为了完成频率间切换， 当在现有的频率上运行时， 就需要一个有效的方法在其他频率上进行测量。测量采用双接收机和划分时隙的两种方法。(2) CDMA2000 的切换技术。 CDMA2000 这一标准由美国提出，是基于IS名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 10 页 - - - - - - - - - 7 95CDMA 的宽带 CDMA 技术，可以保护基于 IS95 窄带CDMA 的投资，其切换与 IS95 中的软切换类似。(3) TD SCDMA 的切换技术。 TD SCDMA 系统在切换方面的技术特色为实行接力切换： 利用移动台的位置信息， 准确地将移动台切换到新小区，避免了频繁的切换，大大提高了系统的容量。 采用接力切换的优点是： 与 CDMA 软切换相比，简化了用户终端设计，克服了软切换长期占用网络资源和基站下行容量资源的缺点。5 TDSCDMA 系统的接力切换技术5.1 接力切换技术基本概念接力切换是介于硬切换和软切换之间的一种新的切换方法。与软切换相比，两者都有较高的切换成功率、 较低的掉话率以及较小的上行干扰等优点。它们的不同之处在于接力切换并不需要同时有多个基站为一个移动台提供服务，因而克服了软切换需要占用的信道资源较多，信令复杂导致系统负荷加重， 以及增加下行链路干扰等缺点。 与硬切换相比， 两者都具有较高的资源利用率，较为简单的算法，以及系统相对较轻的信令负荷等优点。不同之处在于接力切换断开原基站和与目标基站建立通信链路几乎是同时进行的，因而克服了传统硬切换掉话率较高、切换成功率较低的缺点。5.2 接力切换的实现接力切换分为四个步骤：测量过程、预同步过程、判决过程和执行过程。图3 为接力切换流程图。(1) 测量过程。在 UE 和基站通信过程中， UE 需要对本小区基站和相邻小区基站的导频信号强度进行测量。UE 的测量是由 RNC 指定的，可以是周期性的进名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 10 页 - - - - - - - - - 8 行，也可以由事件触发进行。(2) 预同步过程。接力切换的预同步过程属于开环预同步。在UE 对本小区基站和相邻小区基站的导频信号强度进行测量的同时，记录来自各邻近小区基站的信号与来自本小区基站信号的时延差，预先取得与目标小区的同步参数，并通过开环方式保持与目标小区的同步。(3) 判决过程。接力切换的判决过程是根据各种测量信息并综合系统信息，依据一定的准则和算法来判断UE 是否应当切换和如何进行切换。RNC 在收到 UE 的测量报告后，首先对 P_CCPCH_RSCP 最大的候选目标小区进行判断，如果大于设定的门限值 RSCP_DL_ADD（简称 ADD ），则在此小区中进行接纳判决；反之，进入下一个候选目标小区， 直至最后一个候选目标小区。 如果所有目标小区都不满足，则 UE 停留在原小区。目标小区确定后，RNC 根据目标小区的与原小区的关系判决是硬切换（归属不同的RNC ）或者接力切换（归属同一个 RNC ）。仿真中假设所有小区都归属于同一RNC ， 即判决 UE 进行接力切换。 在接纳判决成功后， RNC 通知目标小区为 UE 分配无线资源并且将相关信息通知UE 。(4) 执行过程。 RNC 的切换判决完成后，将执行接力切换。首先对目标小区发送无线链路建立请求。 当RNC 收到目标小区的无线链路建立完成之后，将向原小区和目标小区同时发送业务数据承载（此时目标小区并不向UE 发送下行数据），同时RNC 向UE 发送物理信道重配置消息命令。终端应根据是否携带 FPACH（快速物理接入信道） 信息来判断是否为接力切换。即接到切换命令后， 首先判断切换类型，如果携带 FPACH 信息，则判断为硬切换， 重新在目标小区做接入； 如果没有携带 FPACH 信息，则判断为接力切换。然后，UE 由原小区接收下行承载业务及信令，而由目标小区发射上行的承载业务和信令。 此分别收发的过程持续非常短的一段时间后，将接收来自目标小区的智能天线下行波束赋形数据，实现闭环功率和同步控制， 中断和原基站的通信，完成切换过程。6 WiMAX 系统的切换技术WiMAX802.16e 标准规定了一种必选的切换模式，在协议中简称为HO（handoff ），实际上就是通常所说的硬切换。除此以外，还提供了两种可选的切换模式： MDHO（宏分集切换）和 FBSS （快速 BS 切换）。WiMAX802.16e 中规定必须支持的是硬切换。移动台可以通过当前的服务BS 广播的消息获得相邻小区的信息，或者通过请求分配扫描间隔或者是睡眠间隔来对邻近的基站进行扫描和测距的方式获得相邻小区信息，对其评估， 寻找潜在的目标小区。 切换既可以由MS 决策发起，也可以由 BS 决策发起。在进行快速基站切换（FBSS ）时， MS 只与AnchorBS 进行通信。所谓快速是指不用执行HO 过程中的步骤，就可以完成从一个AnchorBS 到另一个 AnchorBS 的切换。支持 FBSS 对于MS 和BS 来说是可选的。进行宏分集切换（ MDHO）时， MS 可以同时在多个 BS 之间发送和接收数据，这样可以获得分集合并增益以改善信号质量。支持MDHO 对于MS 和BS 来说是可选的。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 10 页 - - - - - - - - - 9 7 结语文章通过对越区切换技术进行了全面的归纳和总结，并对各代移动通信系统的切换进行详细分析， 对系统地研究移动通信系统中的切换技术具有重要参考价值。参考文献1 胡泊. 蜂窝移动通信系统越区切换技术J. 常州信息职业技术学院学报,2005,(01):43-45. 2 王冠英 , 宋华俐 .IEEE 802 16e 系统中的切换技术分析 J. 中央民族大学学报 ( 自然科学版 ),2006,15(03):259-265. 3 谢显中 . 基于TDD 的第四代移动通信技术 M. 第1 版，北京 : 电子工业出版社， 2005:315-326. 4 吴伟陵 , 刘凯. 移动通信原理 M. 第1 版, 北京: 电子工业出版社,2005:447-457. 5 谢显中 .TD-SCDMA 第三代移动通信系统技术与实现M. 第1 版，北京 : 电子工业出版社， 2004:152-154. 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 10 页 - - - - - - - - -