越區切換

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更新時間: 2013-09-21

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在目前的無線移動網路中, 嚴重的帶寬限制己經不能滿足人們越來越多的需求, 迫使設計者將服務區域分為能夠重複使用無線頻譜的蜂窩,而且蜂窩還有越來越小的趨勢。當移動台從一個蜂窩移動到另一個蜂窩時, 為保持通話的連續性,呼叫需要從一個基站切換到另一個基站。蜂窩越小, 切換的平均次數將越多。通信系統的不同業務對切換的要求不一樣,切換時要區別對待,這樣也加大切換技術的複雜性。

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1 越區切換 -概述

在蜂窩移動通信網中,切換是保證移動用戶在移動狀態下實現不間斷通信;切換也是為了在移動台與網路之間保持一個可以接受的通信質量,防止通信中斷,這是適應移動衰落通道特性的必不可少的措施。特別是由網路發起的切換,其目的是為了平衡服務區內各小區的業務量,降低高用戶小區的呼損率的有力措施。切換可以優化無線資源(頻率、時隙、碼)的使用;還可以及時減小移動台的功率消耗和對全局的干擾電平的限制。

2 越區切換 -切換判決條件

越區切換切換技術

在移動通信系統中,一般可以根據射頻信號強度、載干比、移動台到基站的相對位置以及數字系統中的誤碼率來判斷切換與否。實際應用中,可以選取其中一種或幾種作為參數。切換方式有以下幾種:
1.相對信號強度
切換判決基於從基站接收的信號平均值。移動台連續監測各個小區的信號強度,當某個相鄰小區基站的信號強度超過當前基站是,就發起切換。此方式的缺點是當服務基站還能提供所要求的業務質量時就迸行了許多不必要的切換
2.有門限的相對信號強度
移動台連續監測各個小區的信號強度,當某個相鄰小區基站的信號強度超過當前小區基站,並且當前小區基站的信號強度低於某一門限時,發起切換。在此方法中需要恰當地選擇門限值。如果選擇的門限值高於兩基站等信號強度,就會出現類似相對信號強度的效果。如果選擇的門限值低於此信號強度, 移動台將推遲切換, 直到服務基站的信號強度經過此門限值。如果選擇的門限值遠低於此信號強度,將會造成過大的時延。這將降低通信鏈路的質量甚至導致呼叫中斷。
3.有滯后的相對信號強度
移動台同樣連續監測各個小區的信號強度,當某相鄰小區基站的信號強度大於當前小區基站信號強度超過一個滯后範圍時,就發起切換。這種方案可以有效地避免由於信號的起伏造成的「乒乓效應」,但是當服務基站的信號強度足夠強時,它也產生不必要的切換。
4.有滯后和門限的相對信號強度
在這種方式中,當某個相鄰小區基站的信號強度超過當前小區基站高於一個滯后範圍,並且當前小區基站的信號強度低於某一個門限時,就發起切換。噹噹前基站的信號強度能夠提供所需的質量要求時,使用此方式可以進一步降低不必要的切換。
5.有滯后時間的相對信號強度
在這種方式中, 當某個相鄰小區基站的信號強度比當前小區基站的信號強度高, 而且在此後的一段時間裡都保持比當前基站的信號強度高,此時才開始切換。此方式降低了頻繁的切換次數。
若以切換次數和切換時延為標準設計切換方案,理想的切換方案要求為:儘可能少的切換次數,以減輕信令負擔;儘可能短的時延,以避免切換的遲鈍。顯然,切換次數和切換時延不可能同時達到最小,應考慮折中的方案。

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3 越區切換 -切換策略 - 單業務系統

雖然第三代移動通信系統已經得到了迅猛的發展,但當今世界使用最廣泛的還是第二代移動通信系統,它的業務比較單一,主要是話音業務,所以其切換也是針對單業務系統的。而與第二代系統相比,第三代系統最明顯的特點就是支持高速的數據業務,能承載多種業務;使用微蜂窩技術,使系統容量大大增加。其切換策略也有相應的改變。
對於單業務系統來說,有以下幾種基本的切換策略:
1.無優先順序策略。基站不區別新的呼叫請求和切換呼叫請求,若沒有空閑通道,就將其清除。
2.排隊優先權策略。如果沒有空閑通道,切換呼叫可以排隊等候通道釋放,而且排隊等候通道的釋放可以是多種多樣的。
3.基於測量的優先順序策略。切換請求根據呼叫接近接收機的速度來進行排隊,而不是按照先入先服務的原則給這些呼叫分配通道。
4.預留通道策略。為了降低切換呼叫的失敗率,每個小區都預留出固定數量的通道,專用於切換呼叫,如果空閑通道數大於保留通道數,則新呼叫到達不形成呼損,而對於切換呼叫只要有空閑通道就不會形成呼損。
5.半速策略。將每個小區定義一些通道,當該小區通道繁忙時,可以暫時將這些通道一分為二,即半速通道,一個用於正在進行的呼叫,另一個用於切換呼叫。以使切換呼叫繼續進行從而減少強制中斷率。當一個半速通道釋放后,可以與其他空閑的半速率通道結合成一個全速率通道,但這種方法實現起來需要空中介面的結構能夠支持將全速通道分成兩個子速率通道的功能。

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4 越區切換 -切換策略 - 多業務系統

對於多業務切換來說,這些策略將不能很好的滿足不同業務的要求,需要綜合單業務切換策略的優點,形成對多業務的切換策略。
1.對不同呼叫給予不同的優先權
不同業務的新呼叫具有相同的優先權,優先順序別最低;切換呼叫比新呼叫具有更高的優先權,數據業務由於是非實時業務,其切換呼叫給予次優先權;語音業務由於有實時要求,對時延要求高,其切換呼叫的優先權最高。
當呼叫到達時,首先判斷其業務類型,即判斷是語音還是數據業務,然後判斷是新呼叫還是切換呼叫,並給出相應的優先順序別。各類業務的新呼叫具有相同的優先順序別,且級別最低,按先來先服務(FIFO) 的規則接受服務。切換呼叫比新呼叫具有更高的優先權,而不同業務的切換呼叫具有不同的優先權。數據業務的切換呼叫具有次優先權;語音的切換呼叫具有最高優先權,同樣按FIFO 規則接受服務。
2.起源借用方案
多業務切換問題與單業務切換問題的最大不同是系統中有不同業務,不同業務有不同的優先順序,不同業務使用不同數量的各類資源,而且各種業務對時延敏感性不一,因此可以考慮,當需要時將前者呼叫的業務通道暫時借給後者切換呼叫,前者呼叫用信令通道保持與基站的聯繫,在業務通道夠用時,再進行業務通信。
如前所述,第三代移動通信系統通過降低蜂窩的大小,大大地提高了系統的容量。但這也帶來了一些問題,用戶移動時經過的蜂窩越來越多,導致切換速率和信令負載的增加,當有高速移動的用戶時,很容易掉線。為了解決這個問題,我們將分層蜂窩結構引入無線網路,並同時使用軟切換技術,使用垂直切換的策略。

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5 越區切換 -切換的分類

當一次切換被觸發后,一個新的通道將被建立,通信將轉接到新的鏈路,同時,原來的通道被釋放。切換處理過程可以根據新鏈路的建立途徑(舊鏈路的釋放是發生在新鏈路的建立之前、之中或之後)來分類。
1.硬切換

越區切換硬切換基本原理
硬切換最主要的特點就是移動台在硬切換情況下,同一時刻只佔用一個無線通道,它必須在一個指定時間內,先中斷與原基站的聯繫,調諧到新的頻率上,再與新基站取得聯繫,在切換過程中可能會發生通信短時中斷。硬切換主要是不同頻率的基站和扇區之間的切換。在硬切換中,為了使中斷時間盡量短,在網路中要預先建立新的鏈路。硬切換的一個主要優點是在同一時刻,移動台只佔用一個無線通道。硬切換的缺點是通信過程會出現短時的傳輸中斷,因此硬切換在一定程度上會影響通話質量。而且如果在中斷時間內受到干擾或切換參數設置不合理等因素的影響,會導致切換失敗,引起掉話;當硬切換區域面積狹窄時,會出現新基站與原基站之間來回切換的「乒乓效應」,影響業務通道的傳輸。硬切換主要用於GSM系統中。
2.軟切換
越區切換軟切換基本原理
在軟切換過程中,兩條鏈路及相對應的兩個數據流在一個相對較長的時間內同時被激活,一直到進入新基站並測量到新基站的傳輸質量滿足指標要求后,才斷開與原基站的連接。軟切換是同一頻率下不同基站之間的切換。不管是從移動台的角度還是從網路的角度看,兩條鏈路傳輸的是同一個數據流,保證了通信不會發生中斷。在軟切換中,移動台只有在取得了與新基站的鏈接之後,才會中斷與原基站的聯繫,因此在切換過程中沒有中斷,不會影響通話質量;軟切換由於是在頻率相同的基站交界處,移動台同時與多個基站通信,起前向業務通道和反向業務通道的路徑分集的作用,因而可大大減少切換造成的掉話。而且在軟切換中移動台和基站均採用分集技術和反向功率控制,能很好的提高系統的性能。但是軟切換同時也存在需要佔用的通道資源較多、信令複雜導致系統負荷加重、增加下行鏈路干擾、增加設備投資和系統背板的複雜性等的缺點。軟切換主要用於CDMA系統中。
3.更軟切換
在CDMA 系統中,移動台在扇區化小區的同一小區的不同扇區之間進行的軟切換稱為更軟切換。實際上是相同通道板上的導頻之間的切換。這種切換是由BSC 完成的,並不通知MSC。
4.接力切換
越區切換接力切換流程
接力切換是一種基於智能天線的切換方案。接力切換是利用精確的定位技術,在對移動台的距離和方位進行定位的基礎上,根據移動台方位和距離作為輔助信息來判斷移動台是否移動到了可進行切換的相鄰基站臨近區域。如果移動台進入這個切換區,則RNC(無線網路控制器)通知該基站做好切換的準備,從而實現快速、可靠和高效切換。這樣既節省通道資源、簡化信令、減少系統負荷,也適應不同頻率小區之間的切換。在第三代移動通信標準中TD-SCDMA中採用了接力切換。實現接力切換的必要條件是:網路要準備獲得移動台的位置信息,包括移動台的信號到達方向以及移動台與基站的距離。
5.垂直切換
上面介紹的幾種切換方式按照切換的方向來分都可以歸為水平切換,而與此相對應,還存在一種切換方式,即垂直切換。可以這樣來概括水平切換和垂直切換:移動台在相同系統的基站(扇區、通道)之間的切換稱為水平切換,而移動台在不同系統的基站(扇區、通道)之間的切換就稱為垂直切換。
在移動通信系統中,通過在宏蜂窩下引入微蜂窩從而形成分級小區結構,從而解決網路內的「盲點」和「熱點」,同時也針對用戶的不同運動狀態,用不同級別的小區提供通信能力。宏蜂窩主要滿足以高速移動的移動終端或由於缺乏通道而不能由微蜂窩服務的移動終端,因此可以降低切換的速率並同時增加系統的容量。移動終端通話時,它同時保持與宏蜂窩、信號最強的相鄰微蜂窩的連接。並不斷地測量宏蜂窩和相鄰的微蜂窩的信號強度,報告基站系統控制器,基站系統控制器調整移動台與它自己相鄰的微蜂窩的連接。當移動終端低速移動發生切換時,基站根據移動終端測量的信號強度,優先把移動終端切換到信號最強的微蜂窩,由於移動終端一直都保持與信號最強的微蜂窩的連接,所以切換速度很快,切換完成後才調整移動終端與微蜂窩的連接。當然移動終端快速移動發生切換時,基站根據移動終端的速度,優先把移動終端切換到宏蜂窩,這樣移動終端連續經過微蜂窩的時候都不會發生切換,減少了切換的發生;當移動終端速度降低到一定程度時,基站又把移動終端切換到信號最強的微蜂窩,保證用戶得到最好的通信質量與提高系統的容量。

6 越區切換 -WCDMA中的軟切換

越區切換WCDMA中的切換策略
WCDMA切換策略(如圖2):WCDMA的軟切演算法使用了相同導頻通道的Ec/Io作為切換測量數值,它有四個至關重要的導頻集分別如下:

⊙激活集:與分配給移動台的前向業務通道相對應的導頻。

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⊙候選集:當前不在激活集里,但是已經有足夠的強度表明,與該導頻相對應基站的前向業務通道可以被成功解調的導頻集合。

⊙鄰近集:當前不在激活集里和候選導頻集中,但可以進入候選集的導頻集合。

⊙剩餘集:在當前的系統中,除上述三種導頻集以外的其他導頻。

無線鏈路增加和釋放過程:

(1)小區2的導頻信號強度逐漸增強,當小區2的導頻強度Ec/Io達到(最好導頻Ec/Io-(報告門限-增加滯後門限))並維持△T時間,而此時候選集沒有滿,小區2此時被加入到候選集里。該項動作也稱為無線鏈路增加。

(2)小區3的導頻信號強度逐漸增加並開始超過最早的小區1的導頻信號強度,在小區3的導頻(最好候選導頻)強度Ec/Io達到(最弱導頻Ec/Io +替換滯後門限)並維持△T時間,而此時候選集的數目已滿(假設此時系統設置的候選集最大數目是兩個),小區3(候選集中最強的信號)此時替代小區2(候選集里最弱的信號)被加入到候選集里,小區1同時被移出候選集。該項動作也被稱為無線鏈路增加和釋放。

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(3)此時候選集中小區3的導頻信號強度逐漸減弱,當小區3的導頻強度Ec/Io弱到(最好導頻Ec/Io-(報告門限+刪除滯後門限))並維持△T時間,小區3(候選集里最弱的信號)此時被移出候選集。該項動作也稱無線鏈路的釋放。

其中,報告門限是軟切換中要增加或刪除候選集中的小區的門限;△T是留給動作觸發的時間;導頻Ec/Io是指經測量后導頻的強度;最好候選導頻是指候選集里信號最強的導頻。

滯後門限分三類:

⊙增加滯後門限是要增加無線鏈路的滯後門限;

⊙刪除滯後門限的要刪除無線鏈路的滯後門限;

⊙替換滯後門限是要同時增加並釋放一條無線連路的滯後門限。

7 越區切換 -CDMA2000中的軟切換

越區切換CDMA2000中的切換策略
CDMA2000中的切換策略如圖3所示。移動台不斷地搜索著激活類、候選類、鄰近類、剩餘類各個導頻的強度,並且根據導頻強度維護各個類,當移動台靠近切換區時,移動台開始以下操作過程:

(1)導頻p2強度超過了T_Add,但尚未到達動態門限,移動台將這個導頻移到候選集。

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(2)導頻p2強度超過了[(SOFT_ SLOP/8)×10×log10(PS1)+ADD_IN TERCEPT/2]。移動台發送導頻強度測量消息。

(3)移動台收到擴展切換指示消息DROP_INTERCEPT/2,將p2移入激活集,開始宏分集。而後發送切換完成消息。

(4)導頻p1的強度下降低於動態門限[(SOFT_SLOPE/8)×10×log10(PS2)+DROP_INTERCEPT/2],移動台開始啟動發送切換定時器。其中DROP_INTERCEPT/2是計算去掉導頻p1時動態門限的一個參數,和ADD_INTERCEPT/2相對應。

(5)切換下降定時器超時,移動台發送導頻強度測量消息給基站。

(6)移動台收到切換指示消息,將p1移入候選類。而後發送切換完成消息。

(7)導頻p1的強度下降低於T_drop。移動台開始啟動發送切換定時器。

(8)切換下降定時器超時,移動台將p1從候選類移到鄰近集。

這就是移動台進出切換區的全過程,由此看出對於移動台,切換的關鍵就是在複雜的無線通道條件下不斷地、較為準確地測量各導頻的強度,以及支持在切換區的宏分集。

8 越區切換 -TD-SCDMA中的接力切換

越區切換接力切換執行過程
接力切換是利用精確的定位技術,在對移動台的距離和方位進行定位的基礎上,根據移動台方位和距離作為輔助信息,來判斷移動台是否移動到了可進行切換的相鄰基站臨近區域。如果移動台進入這個切換區,則RNC通知該基站作好切換的準備,從而實現快速、可靠和高效切換。這樣既節省通道資源、簡化信令、減少系統負荷,也適應不同頻率小區之間的切換。

實現接力切換的必要條件是:網路要準備獲得移動台的位置信息,包括移動台的信號到達方向(DOA)以及移動台與基站的距離。在TD-SCDMA系統中,由於採用了智能天線和上行同步技術,系統較容易獲得移動台的DOA,從而獲得移動台的位置信息。具體過程是:

(1)利用智能天線和基帶數字信號處理技術,可以使天線根據每個移動台的DOA為其進行自適應的波形賦形。對每個移動台來講,彷彿始終都有一個高增益的天線在自動跟蹤它,基站根據智能天線的計算結果就能確定移動台的DOA,從而獲得移動台的方向信息。

(2)利用上行同步技術,系統可以獲得移動台信號傳輸的時間偏移,進而計算得到移動台與基站之間的距離。

(3)經過前兩步之後,系統就可準確獲得移動台的位置信息。

因此,上行同步、智能天線和數字信號處理等技術,是TD-SCDMA移動通信系統實現接力切換的關鍵技術基礎。接力切換執行過程如圖所示。

(1)移動台與nodeB1進行正常通信。

(2)當移動台需要切換並且網路通過對移動台對候選小區的測量找到了切換目標小區時,網路向移動台發送切換命令,移動台就與目標小區建立上行同步。然後移動台在與nodeB1保持信令和業務連接的同時,與nodeB2建立信令連接。

(3)當移動台與nodeB2信令建立之後,移動台就刪除與nodeB1的業務連接。

(4)移動台嘗試建立與nodeB2的業務連接,這時移動台與nodeB1之間的業務和信令連接全部斷開了,而只與nodeB2保持了信令和業務? 通過分析WCDMA,CDMA2000,TD-SCDMA中切換技術的不同,我們可以看出:在測量過程中,軟切換和硬切換都是在不知道移動台準確位置的情況下進行切換、測量的,因此需要對所有的鄰小區進行測量,然後根據給定的切換演算法和準則進行切換判斷和目標小區的選擇。而接力切換是在知道移動台精確位置的情況下進行切換測量,所以它沒有必要對所有鄰小區進行測量,只需對與移動台移動方向一致的、靠近移動台一側少數幾個小區進行測量,然後根據給定的切換演算法和準則進行切換判斷和目標小區的選擇,就可以實現高質量的越區切換。

9 越區切換 -相關詞條

硬切換,軟切換,更軟切換,接力切換,垂直切換,蜂窩

10 越區切換 -參考資料

[1]. 《通信技術》,2007 年第12 期
[2]. 《移動通信原理》,電子工業出版社,2005
[3]. 蜂窩移動通信系統越區切換技術,《常州信息職業技術學院學報》,2005
[4]. http://info.tele.hc360.com/2007/02/13165183927.shtml

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