移动通信系统中的切换技术研究

移动通信系统中的切换技术研究1.切换技术的发展移动通信系统的发展演进经历了三代，从第一代模拟移动通信系统（FirstGeneration,1G),到第二代数字移动通信系统（SecondGeneration,2G),再到第三代多媒体移动通信系统（ThirdGeneration,3G),目前正在向后三代或第四代宽带移动通信系统（B3G/4G）发展。自从移动通信领域中引入的蜂窝概念，切换技术就开始出现并成为了移动通信系统中的重要技术之一。切换是蜂窝系统所独有的功能，也是移动通信系统的一个关键特征，它直接影响整个系统的性能。所谓的切换就是当用户在蜂窝的覆盖区域中移动时，正在进行的呼叫从一个蜂窝转换到另一个蜂窝的过程。在传统通信系统中最典型的切换技术就是硬切换。切换过程中，MS先中断与原基站的联系，再与新基站取得联系，是一个先断开再连接”的过程。在硬切换过程中只有一个业务信道被激活。对实时载体（信道）而言。这意味着载体的短暂断开;对于非实时载体来说，这是无损耗的。这种硬切换包括载波频率和引导信道PN序列偏移的转换。随着第三代移动通信系统的出现，开始出现软切换技术。软切换是指在信道的载波频率相同时的信道切换。软切换只是引导信道PN序列偏移的转换，而载波频率不发生变化。在切换过程中，MS与原基站和新基站都保持着通信链路，在切换结束时才断开与原基站的链路，保持与新基站的通信链路。它是一个“先连接再断开”的过程。软切换中还包含更软切换，更软切换是指在同一小区内的扇区之间的信道切换。因为这种切换只需要通过小区基站NedeB便可完成，不需要通过移动交换中心MSC的处理，故称为更软切换是在小区内的扇区与另一个小区或者是某个小区内的扇区之间进行的信道切换。随着MobileIP和IPv6技术的发展，无线局域网通信系统也引入了切换技术，并引入了快速切换和平滑切换两种不同的切换机制。所谓快速切换即意味着低延时，是对移动IPv6协议的扩展，平滑切换则是减小了数据包的丢失率。而在B3G/4G系统中，切换技术更加复杂，是综合网络特性和用户要求等因素后在不同子网之间的切换，属于垂直切换技术，该技术不但保留了传统切换的基本功能，而且能保证用户在任何时间，任何地点能够获得最佳服务。此处的“最佳”体现在切换过程中用户的毫无觉察。切换后用户进入更为理想的网络享受更好的服务。从网络的角度来看这样的切换还确保了带宽的高效使用，网络负载的平衡。2.切换的原因引起切换有许多原因，最主要的原因是空中接口的连接再也不能满足要求，为了提高连接质量保证移动用户的通话顺利进行，就需要进行切换。触发切换的原因有：2.1功率预算引起的切换在GSM系统中，为了使移动用户将通话永远建立在接收电平最高的小区上，在移动台穿过两小区的边界时，如果BSC根据移动台的测量报告发现某邻小区的接收电平满足一定的要求，就将触发到该小区的功率预算切换。正常的话，功率预算切换应占到切换总数的50%以上。在CDMA系统中，因为它是一个干扰受限系统，其系统容量与整个网络的干扰情况密切相关。为了使整个PLMN中干扰电平的统计平均值减少，将链路切换到最小路径损耗的信道上。2.2信号强度引起的切换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，或者同一小区但不同频率有更好的链路的情况，可能导致切换。当然，服务基站可增加它的发射功率来提高接受电平，或者命令移动台增加它的发射功率，但是如果信号电平持续在门限以下，应该启动切换。比如GSM系统中，在小区切换参数中定义了上下行电平切换门限值，当BSC从移动台和基站上(下)行测量报告中发现上(下)行接收电平值低于参数所定义的上(下)行电平切换门限值(该门限值设置时应比小区的最小接入电平高)，它将从移动台关于邻小区的测量报告中来找一个最合适的邻小区作为目标小区来触发切换，若没有邻小区符合条件，那么就很容易导致掉话现象的出现。在这种类型的切换中，其邻小区的接收电平应满足比服务小区的接收电平大出一定值，该值被称为救援性电平切换容限(HOMARGINRXLEV)，采用该算法的目的也是为了避免不必要的救援切换而引起乒乓效应。在郊区，由于基站比较少，覆盖大，故要降低容限以便救援切换及时发生;相反在基站比较密集的地方，应提高该值，以避免乒乓效应并同时缩短切换的反应时间。2.3信号质量引起的切换有时候信道遭受到干扰可能引起信道质量较大的衰减，使信道的纠错功能不能保证信号质量到可以接受的水平，这时就需要切换到质量较好的信道，即便原信道信号的电平足够强。比如在GSM系统中，当BSC从移动台和基站上(下)行测量报告中发现上(下)行误码率过高，超过质量切换的门限值,就会触发救援性质量切换。针对这种切换，也有一个救援性质量切换容量值(HOMARGINRXQUAL)，对该值的设置应宽松一些，只要目标小区的信号电平不是比当前小区差很多，就应鼓励进行切换，以尽量改善正在进行通话的质量。2.4移动台到基站的距离引起的切换各服务小区中移动台到基站的距离限制和网络规划中规定的该小区半径将被存入基站数据库中，系统将不断地检查比较移动台到基站的距离和极限距离，如果超过极限距离就执行切换。2.5话务切换如果一个小区的话务量即将达到小区容量的极限，而附近小区话务量较小，这时可以将高话务小区的链路切换到低话务小区中，以此来平衡话务分布。这类切换的链路通常都位于小区边缘。这种由话务量引起的切换一般是由MSC或基站控制器来控制。另外一种基于话务量的切换情况是在微蜂窝和宏蜂窝的双层网中，通过微蜂窝和宏蜂窝之间的切换来平衡两者的话务量分布。3.切换控制方式移动通信系统共有三种切换控制方式:1).移动台控制切换(MCHO)移动台控制切换是通过移动台持续监视通信端口的信号强度和质量，当满足切换条件时，移动台选择一个最好的切换侯选项并发起切换请求。欧洲数字无绳电信系统(DECT)和个人接入通信系统(PALS)采用的就是这种控制方式。2）.网络控制切换(NCHO)网络控制切换是通过通信端口监视信号强度和质量，当信号恶化到低于某闽值时，网络就安排切换到新的通信端口。在此过程中，网络要求所有端口监视由移动台来的信号，并将结果报告给网络，当网络选择新端口后，它同时通知旧端口和新端口完成切换，移动台在切换过程中是被动的。这种切换控制方式被全接入通信系（TAGS)和高级移动电话系统(ANPS)采用。即由基站检测，由交换中心控制完成，当前基站监视并测量所有通信链路，移动交换中心(MSC)命令周围基站不时地测量各自的通信链路，基于这些测量，MSC决定何时何地发生切换。3）.移动台辅助切换(MAHO)移动台辅助切换(MAHO)可以说是网络控制切换(NCHO)的一种演化，它要求移动台测量周围端口的信号强度并报告给旧端口，然后由网络来判断是否切换和切换到哪个端口。因此MAHO是通过移动台测量通信链路，而由网络控制切换，在切换过程中移动台和网络同时参与切换，移动台负责测量，网络负责判决。目前的GSM及CDMA系统均采用这种切换控制方式。4.切换的过程不同的移动通信系统的切换方式各有不同，以下是三个典型的移动通信系统的的切换过程描述。4.1.英国的全接入通信系统(TACS)的切换过程TACS系统采用的是网络控制切换方式，即由基站检测,由交换中心控制完成，其切换过程如下：移动台在通话过程中，基站会产生连续的监测音SAT，和话音一起传送，用于监测无线信道质量；当基站监测到移动台的射频信号强度低于所设定的切换门限电平值时，基站便向交换机发出切换请求;交换机根据基站切换关系表，指定相应的目标基站来测量源基站要切换话音信道的信号强度;当某个目标基站的测量值满足设定的比较条件时，该基站便通知系统它测量的信号强度、所用无线等参数，系统便向该目目标基站发出一个执行切换命令,同时系统还会向发出切换请求的源基站发一个切换执行命令;于是源基站在其下行话音信道中向手机发一个包含手机要切换的信道号和所应使用的功率等参数的控制信号;手机收到该信号后向基站发一个释放该信道的应答信号ST，然后立即切换到新的话音信道;基站收到ST后便释放该话音信道;然后向系统报告越区切换成功。整个切换过程便结束了。4.2.GSM的切换过程GSM系统采用的是移动台辅助切换方式，即由移动台监测判决，由交换中心控制完成，在切换过程中基站和移动台均参与切换过程。其切换过程如下：移动台在通话过程中，不断地向所在小区的基站报告小区和相邻小区基站的无线电环境参数；本小区基站依据所接收的该移动用户无线电环境参数来判断是否应该进行越区切换，当满足越区切换条件时，基站便向移动台发出越区切换请求，同时将越区切换请示信道传送给MSC；MSC立即判断此新基站位置码是否属于本MSC辖区。此时有两种情况:若MSC确认新基站是属于本MSC辖区的基站，则通知VLR为其寻找一空闲信道(最佳或次最佳替换信道)，然后将所找信道的信道号经过本区的基站发送给移动台，移动台依据信道号的频率值将工作频率切换到新的频率点上，并进行环路核准，核准信息经MSC核准后，MSC通知基站释放原信道；若MSC发现新基站是属于非本MSC辖区的基站，MSC就将切换请求转送给新MSC，再由新MSC通知它的VLR为其寻找一空闲信道，然后将找到的基站的参数、信道号传送给原MSC，并经由原基站发送给移动台，然后进行移动台的核准和基站的释放过程。4.3CDMA的切换过程CDMA系统采用的是移动台辅助切换方式，即由移动台监测判决，由交换中心控制完成，其切换过程如下:基站在每个工作的前向CDMA信道上不断发射一个引导信号，用于监测无线信道质量。移动台在通话过程中，不断搜索系统内的引导信号并测量其信号强度，当移动台检测到来自相邻小区基站的引导信号大于上门限时，移动台便将该引导信号的强度信息的报告给基站，并将该信号作为候选集；MSC通过原基站向移动台发送一个切换命令消息，移动台据此跟踪新目标基站的引导信号，并将引导信号作为有效集同时向该目标基站发送一个切换完成消息，至此，移动台除与原基站保持联系外，还与新基站取得了链路。当原基站的引导信号强度小于下门限时，移动台的切换计时器开始计时，计时期满，移动台向原基站发送引导信号强度测量消息，然后MSC通知目标基站向移动台发送切换命令消息，移动台据此断开与原基站的联系，并保持与新基站的联系，同时向新基站发送一个切换完成消息，至此，整个软切换过程结束。5.主要移动通信系统中的切换算法•GSM的切换算法•CDMA中的切换算法•WCDMA中的切换算法•TD-SCDMA中的切换算法5.1GSM的切换算法1).切换的准备测量报告在通信过程中，系统对切换和功率控制的判决取决于移动台定期向网络发送的对下行链路的报告(该测量报告是移动台在处于专用模式时通过上行的SACCH信道来向系统报告),以及基站对上行链路测量的报告，这两份报告将同时送到BSC中进行判决。邻小区预同步在通信过程中，移动台为了和其邻小区建立起预同步关系就必须要根据服务小区下行SACCH携带系统消息的指示去收听邻小区的BCCH信道，BCCH信道携带着小区的同步和频率校正信道，移动台验证它接收的信道确实是标频信道的一种办法就是确认这个频率是否携带着FCCH。预同步要求移动台不仅要对其邻小区的FCCH解码而且要对带有TDMA帧号和基站识别码BSIC号的SCH来解码。其寻找FCCH的办法是通过TCH26复帧的空闲帧来解译其邻小区BCCH信道的信息。定时提前定时提前是与切换密切相关的一个过程，其目的是为了补偿不同移动台之间的传播延迟，并提高频谱效率。在建立了一条专用连接后，BTS连续测量它自己的突发脉冲进度表和移动台的突发脉冲进度表之间的时间偏移，并向移动台提供所要求的定时提前。这项工作是在SACCH上以每秒两次的频进行的。时间的提前量可以是0-233us，当切换要求预同步时，移动台能测量来自两个BTS的突发脉冲到达的时间的差别，从而计算出所用的定时提前量。而两个不同步的小区之间进行切换时，没有信息可供移动台或网络来预计一定时提前量，所以必须先由移动台向BTS发送零定时提前的接入突发脉冲。