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移动通信中的切换技术研究
摘要
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。
切换技术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。
当移动台的一个基站的覆盖范围移动到另一个基站的覆盖范围，通过切换移动台保持与基站的通信。
切换从本质上说是为了实现移动环境中数据业务的小区间连续覆盖而存在的，从现象上来看是把接入点从一个区换到另一个区。
本文研究的重点是移动通信系统中的切换技术，主要分析了CDMA、GSM、WCDMA系统中的切换算法，切换基本可以分为硬切换、软切换、更软切换。
由于第二代移动通信系统的巨大成功，用户的高速增长与有限的系统容量和有限的业务之间的矛盾渐趋明显，第三代移动通信的标准化工作开始逐渐进入实质阶段。
3G通信技术已经在慢慢成熟，新的4G技术也在不断的演变，要做到通信技术的完善和更前的发展，切换技术作为移动通信中的关键技术，起着重要的作用。
因此，我们研究切换技术是为了更好的发展未来通信技术，提高网络的服务能力和运行质量。
关键词:
切换,硬切换,软切换,切换算法
目录
摘要I
目录II
Abstract第一章绪论1
1.1移动通信系统1
IV
1.1.1移动通信特点1
1.1.2移动通信工作方式1
1.2移动通信的发展2
1.2.1全球移动通信发展历程2
1.2.2我国移动通信的发展历程3
1.3切换技术的发展4
第二章切换技术6
2.1切换的定义及分类6
2.2切换的原因7
2.3切换的控制方式8
第三章移动通信系统中的切换9
3.1CDMA系统中的切换9
3.1.1CDMA系统概述9
3.1.2CDMA系统中的软切换10
3.1.3CDMA系统中的硬切换13
3.2GSM系统中的切换15
3.2.1GSM系统概述15
3.2.2GSM数字移动通信的主要技术16
3.2.3GSM切换17
3.3WCDMA系统中的切换19
3.3.1WCDMA系统概述19
3.3.2WCDMA中的切换19
3.3.3WCDMA中的软切换23
第四章中国3G的切换26
4.13G的简述26
4.2中国3G的发展驱动力27
4.3我国TD-SCDMA的切换过程28
4.4我国TD-SCDMA系统接力切换性能简要分析31
第五章结论与展望33
参考文献35
致谢36
第一章绪论
1.1移动通信系统
移动通信是指移动用户之间，或移动用户与固定用户之间进行的通信。
随着社会的发展，科学技术的进步，人们希望能随时随地、迅速可靠地与通信的另一方进行信息交流。
这就是我们要介绍的移动通信。
这里所说的“信息交流”，不仅指双方的通话，还包括数据、传真和图像等通信业务。
1.1.1移动通信特点
1.移动通信的传输信道必须使用无线电波，电波的传播条件恶劣。
在陆地上，移动体往来于建筑和障碍物之间。
2.干扰严重。
由于移动通信网络是无线电台、多波道通信系统，通信设备除受城市噪声影响干扰外，无线电台同屏干扰、互调干扰较为突出。
因此，抗干扰措施在移动通信系统设计中显得尤为重要。
3.所用的无线电频率有限，接收戒备动态范围大。
由于移动台的位置不断的变化，接收机和基站之间的距离也在不断的变化，导致接收信号不断的变化。
4.移动通信综合了各种通信技术。
移动通信综合了交换技术，计算机技术和传输技术等。
5.对设备要求苛刻。
移动用户常在野外，环境条件相对较差，因此对其设备要求相当的苛刻。
1.1.2移动通信工作方式
移动通信按照用户的通话状态和频率使用的方法分，有三种工作方式：
单工制、半双工制和双工制。
1.单工通信
（1）单工通信概念：
所谓单工通信是指通信双方的电台交替地进行收信和发信，某一方收发信不能同时进行。
（2）单工通信分类
根据发射频率的异同又可以分为同频单工和异频单工不同的两类。
（3）单工通信的特点
优点：
设备简单、省电、成本低。
缺点：
由于使用PTT按讲开关使用不方便。
2.双工通信
（1）双工通信概念：
所谓双工通信是指通信双方同时进行信息传输进行收信和发信，某一方收发信机能同时的工作方式，区别于后面的半双工通信，这种方式也称为全双工通信。
（2）双工通信分类：
双工通信可分为频分双工和时分双工两类。
（3）双工通信的特点
优点：
使用方便。
缺点：
设备较复杂、耗电大。
3.半双工通信
（1）半双工通信的概念：
半双工通信是指通信一端采用双工制，而移动台采用单工制。
（2）半双工通信的特点
优点：
①移动台设备简单，价格低，耗电少。
②收发采用不同频率，提高了频谱利用率。
③移动台受临近电台干扰小。
缺点：
移动台仍需按键发话，松键受话，使用不方便。
1.2移动通信的发展
1.2.1全球移动通信发展历程
全球移动通信的发展大致经历了以下几个阶段：
20世纪20～30年代：
警车无线电调度电话（AM调幅），使用频率为2MHz。
20世纪40～50年代：
人工接续的移动电话（FM调频）。
单工工作方式，使用频段为150MHz及450MHz。
20世纪60年代：
自动拨号移动电话。
全双工工作方式，使用频段为150MHz及450MHz。
1964年美国开始研究更新的移动电话系统。
20世纪70～80年代：
AMPS、TACS分别在美国、英国投入使用。
20世纪90年代：
GSM数字移动通信系统和窄带CDMA数字移动通信系统及卫星移动通信。
21世纪初：
基于窄带IS-95CDMA技术的宽带CDMA技术的cdma2000、基于日本无线工业广播协会支持的纯WCDMA和欧洲电信标准协会定制的UTRA两个独立建议的WCDMA、由我们国家提出的TD-SCDMA等3G系统陆续开始投入使用，其中第三代（3G）系统使用的频段1885～2025MHz，2110～2200MHz，全球统一标准。
20世纪80年代发展起来的模拟蜂窝移动电话系统，被称为第一代移动通信系统。
其主要技术是模拟调频、频分多址，主要业务是话音。
代表这一系统的有美国的AMPS，英国的TACS，北欧的NMT-900及日本HCNTS等。
第一代通信系统采用FDMA方式的模拟蜂窝系统。
其缺点是容量小，不能满足飞速发展的移动通信业务种类的需要。
第二代移动通信采用TDMA或CDMA数字蜂窝系统，如GSM/DCS1800，D-AMPS（IS-136）、CDMA等。
其容量和功能都比模拟系统有了很大的提高，但其业务种类主要限与话音和低速数据。
移动通信继续以前所未有的速度向前发展，用户数量的急剧增加、新业务的需求使人们已不再满足于第二代移动通信系统，因此人们不断进行系统改进。
改进后的系统可称为2.5代（2.5G），并朝着第三代移动通信系统（3G）的方向发展。
第三代移动通信系统（3G）目前也已从原来的标准的讨论渐渐进入商用。
从2G向3G发展是移动通信历史发展的必然趋势。
1.2.2我国移动通信的发展历程
我国移动通信时从军事移动通信起步的。
民用移动通信发展比较的晚，最初阶段大致可分为早期、74系列、80系列三个阶段，20世纪50年代末到70年代中主要用于公安、邮电、交通等少数部门作为专用。
我国公众移动通信起步于20世纪80年代，1987年在广州、上海率先采用900MHzTACS标准的模拟蜂窝移动通信系统，开通了蜂窝移动通信业务。
它一经面世，就受到广大用户的欢迎，并迅速发展到全省全国。
在发展GSM的同时，我国积极跟踪CDMA技术的发展。
CDMA数字蜂窝试验网率先由长城电信在北京、上海、广州、西安四大城市建成并开通，使用效果不错。
美国的TIA的IS-95的双模式CDMA标准以Qualcomm的方案为基础，系统带宽为1.25MHz。
随着中国电信改革的深入，1994年4月，信息产业部确定由中国联通在全国范围经营CDMA数字蜂窝系统。
2000年4月20日，从中国电信分离的移动业务有新成立的中国移动通信集团公司运行。
目前中国国内最主要的移动运营商是中国移动和中国联通，为了改变我国以往在制定技术标准方面跟着国外标准跑的局面，我国的政府主管部门高度重视第三代移动通信发展，积极制定具有我国自己知识产权的3G标准。
1.3课题研究的目的及内容
随着通信技术的发展理论、通信科技技术的不断提高，移动通信技术已经成为人们生活必须，并不断的被发展。
移动台在通话过程中从一个基站覆盖区移动到另一个基站覆盖区，或者由于外界干扰造成通话质量下降时，必须改变原有的话音信道而转接到一条新的空闲话音信道上，以继续保持通话的过程。
正确认识和理解切换对我们的日常维护及网络优化有重要作用。
由于移动通信系统采用蜂窝结构，所以，移动台在跨越空间划分的小区时，必然要进行切换，即完成移动台到基站的空中接口的转移。
因此切换技术成为无线资源管理中的重要研究内容之一。
切换技术是移动终端在众多通信系统、移动小区之间建立可靠移动通信的基础和重要技术，适用于移动终端在不同移动小区之间、不同频率之间通信或者信号降低信道选择等情况。
在移动通信系统中，切换的目的有2种可能，一种是实现漫游，另一种是为了提高网络服务质量，即降低掉话率，降低拥塞率。
移动设备与对端通信点之间的通信会由于切换需要一定的时延，这可能造成数据丢失等问题，甚至通信连接的中断，影响我们的正常通信。
研究切换的目的就是要减少切换的延迟和丢包率，这样我们才能更好的运用于实际的通信中。
1.4课题研究的意义
切换是数字蜂窝移动通信的一个主要特点，它保证移动用户从一个小区移动到另一个小区时通话的可靠性。
在任何移动网中，切换是相当重要的，这是因为在蜂窝结构中，最大限度地使用了频谱利用率。
由于在系统中切换的存在，有可能导致数据分组的丢失，以及在两个基站间来回产生几次切换，导致“乒乓”效应。
因此好的切换机制，可以保证呼叫的数据分组正常传输，而不会丢失分组。
由于软切换无中断时间，可有效限制“乒乓”效应，进而提高通信质量。
因此在移动网中软切换机制得到了大力发展和应用。
但有关切换的问题是一个十分复杂的问题。
不仅涉及小区的大小，小区内移动终端数目和可用信道数目，发射功率，天线高度，无线电波传播特性等因素，还涉及门限和容限等参数的选择。
虽在研究和应用中己经实现了切换的功能，但还存在有待于进一步完善的必要性。
因此有关切换的问题，不但涉及对现有问题的进一步的研究，还涉及到对在应用中出现的一些新问题的优化，如对微小区的重迭及阴影区域的处理等等。
第二章切换技术
2.1切换技术的发展
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。
切换技术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。
我国目前是TACS、GSM及CDMA多网络并存的结构。
在TACS系统中，由于采用网络控制切换方式，由基站检测，交换中心控制完成，放信道监视和测量功能集中在基站，当基站判决要切换时，必须请求和等待相邻基站的测量结果才能确定切换的目标小区；而在GSM和CDMA系统中，由于采用移动台辅助切换方式，切换是由移动台负责测量，网络负责判决的，故需要切换时，目标小区可立即确定，因此GSM、CDMA切换速度比TACS快。
另外，由于网络控制切换需要传递大量信令用以搜集信息，而基站可用的无线资源是有限的，切换又经常要花费数秒钟，为减少网络的信令负担，周围基站并非持续向MSC传递测量报告，即测量次数由于资源的限制而降低，因此MSC用作切换判决的依据并非精确可靠。
2.2切换的定义及分类
切换的定义：
当移动台一个基站的覆盖范围移动到另一个基站的覆盖范围，通过切换移动台保持与基站的通信。
切换从本质上说是为了实现移动环境中数据业务的小区间连续覆盖而存在的，从现象上来看是把接入点从一个区换到另一个区。
切换的目的：
保证移动用户通话的连续性，恰当的切换算法有利于降低系统掉话率，增加网络容量。
接入期间采用切换主要是为了减少主被叫接入失败，提高接入信道工作的可靠性。
切换的分类：
空闲切换，硬切换，软切换，更软切换.
2.3切换的原因
为什么会产生切换？
有很多原因产生切换，其最主要的原因是空中接口的连接不适合要求，为了能正常的保持移动用户顺利的进行通话。
就要进行切换，触发切换的原因有：
1.由功率的预算造成的切换
GSM通信系统中，为了让用户通话建立在接收电平最高的地方，在移动台穿过两小区的边界是，如果BSC报告某个小区能接收到的电平满足要求，这样就要造成小区功率预算的切换，正常情况下，功率预算切换与切换总数的比是1:
2。
在CDMA系统中，因为系统干扰受到限制的，使得系统的容量与整个网络的干扰情况紧紧地联系在一起。
为了减少整个PLMN中干扰电平的平均值，把链路切换到最小路径损耗的信道上。
2.由信号的强弱造成的切换
在移动台接收到的信号很弱时，并有移动台到别的小区，或者同一小区但是不同的频率有更好的链路情况，可能会产生切换。
这种类型的切换，相邻的小区的接收电平值要大于服务小区的电平值，该值被称为教授性电平切换容限，采用这种算法的目的也是为了避免不必要的救援切换而产生乒乓效应。
3.由信号的质量造成的切换
信道遭受到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可以保证信号的质量成为可以接受的水平，这时就需要切换到质量较好的信道，就算原信道信号的电平足够。
比如在GSM系统中，当BSC从移动台和基站上（下）行检测报告中发觉上（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。
4.移动台到基站的距离引起的切换
各服务小区里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至基站的距离和规定距离，超过规定距离就产生切换。
5.话务切换
如果一个小区的话务量将大于该小区容量的极限，而附近小区话务量非常下，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是在微观蜂窝和宏观蜂窝的双层网中，通过微观蜂窝和宏观蜂窝之间的切换来平衡的话务量。
2.4切换的控制方式
切换控制的三种主要方式
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，欧洲DECT和北美PACS都采用这种方式。
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的强度和质量。
当满足条件时，MS选择一个最好的切换候选项并发起切换的请求。
2.网络控制的越区切换（NCHO）。
网络控制决定了NCHO切换过程，而MS完全处于被动状态。
首先由BS检测MS的主要参数，如标志无线链路质量的接收信号强度指标RSSI，当它小于某个给定的值时，则向MSC发出切换请求。
MSC命令其周围的BS将检测到的该MS的参数的结果上报、汇总到MSC，MSC根据汇总结果，比较、分析并选择被切换的目标小区的BS，一切又MSC决定。
3.移动节点辅助的越区切换（MAHO）。
在MAHO切换中，检测信号强度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。
这类切换已广泛应用于第二代移动通信中,它既允许小区内，也允许小区间进行切换。
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和CDMA系统均采用这种切换控制方式。
第三章移动通信系统中的切换
3.1CDMA系统中的切换
3.1.1CDMA系统概述
1.CDMA系统的主要优点
（1）大容量和软容量
根据理论计算以及现场试验表明，CDMA系统的信道容量是模拟系统的10～20倍，是TDMA系统的4倍。
CDMA系统的高容量很大一部分因素是由于它的频率复用系数远远超过其它制式的蜂窝系统，另外一个主要因素是它使用了话音激活和扇区化等技术。
（2）软切换
软切换是指当移动台需要切换时，先与新的基站连通再与原基站切断联系，而不是先切断与原基站的联系再与新的基站连通。
软切换只能在同一频率的信道间进行，因此，模拟系统、TDMA系统不具备这种功能。
（3）高质量和低功率
由于CDMA系统中采用有效的功率控制和强纠错能力的信道编码，以及多种形式的分集技术，从而使基站和移动台以非常节约的功率发射信号，延长手机电池使用时间，同时获得了优良的话音质量。
2.CDMA系统的主要原理
在CDMA系统中，不同用户传输的信息是靠各自不同的编码序列来区分的。
CDMA的示意图如图3.1所示，可以看出信号在时间域和频率域是重叠的，用户信号是靠各自不同的编码序列m来区分的。
图3.1：
CDMA示意图
3.1.2CDMA系统中的软切换
1.软切换概述
软切换是CDMA中最有价值讨论的特性，因为它增大分集增强了性能，还有用于避免小区过量的干扰。
在软切换中，很多基站与移动台连接在一起，小区决定了功率的控制，当临近小区信号强度超过一个值，但小于现在基站的信号强度时，移动台就进入软切换状态。
软切换可以使移动台与它接收到的信号最强的那个基站保持着连接，这是硬切换不能完成的。
2.软切换的过程
软切换分为三个阶段:
切换测量阶段，切换决策阶段和激活集更新阶段。
CDMA系统采用移动台辅助切换方式实现软切换。
移动台搜索、检测导频并报告结果，为MSC进行切换决策提供依据。
导频信道可以通过导频序列偏移和频率分配来识别。
为了有效的对导频信道进行搜索，系统中导频信道被分为四个集合:
激活集:
由在软切换中具有足够强度、并正在参与MS接收的导频组成。
此时MS同时与这些导频所在的小区保持无线连接，对来自这些小区的信号同时解调合并。
如果激活集改变，即发生激活集的更新操作。
候选集:
由满足激活集准则，或是强度超过T_ADD（导频加入门限），但还没有包括在激活集中的有关导频组成。
相邻集:
由不在激活集与候选集中，但有可能参与软切换操作的导频组成，通常包括MS搜索到的不在测量控制中，但地理覆盖区与MS接近的BS的导频。
剩余集:
由其它的导频构成。
导频对各集合的归属关系随着移动台在服务区内的移动引起所接收导频强度的变化而动态变化。
导频在这些集合中的移动是由移动台对导频强度的估计以及一组可调整的门限值（软切换参数）来确定，通过服务扇区来协调这种移动。
软切换的过程实质上就是控制导频在各导频集合中的移动过程。
3.软切换算法[7][8]
图3.2显示CDMA/IS-95系统算法中导频PO在导频集中的位置随其强度变化的过程。
图3.2：
CDMA/IS-95系统的切换算法
软切换算法采用了四个基本的控制参数，分别为:
T_ADD（导频加入门限）当Ec/I0大于T_ADD时，MS发送导频强度测量消息（PSMM），将导频由相邻集加到候选集。
T_DROP（导频去掉门限）导频信号去掉门限，移动台需要对在有效导频信号集和候选导频信号集里的每一个导频信号保留一个切换去掉定时器。
每当与之相对应的导频信号强度小于T_DROP时，移动台需要打开定时器。
如果与之相对应的导频信号强度超过T_DROP，移动台复位该定时器。
如果达到T_DROP，移动台复位该定时器，并向基站发送PSMM消息。
如果T_DROP等于0，移动台认为起动它后100ms内逾时，否则，移动台必须认为超过定时器值的10％内定时器逾时。
如果T_DROPs改变，移动台必须在100ms内开始使用新值，推荐值为28至32（对应的Ec/Io的dB值为14至-16dB）。
T_TDROP（T_DROP定时器）基站将此值设置为移动台导频信号监测定时器的预置定时值。
若该定时器超时，若该定时器所对应的导频信号是有效导频信号集的一个导频信号，就发送导频信号强度测量消息。
如果这一导频信号是候选导频信号集中的导频信号，它将被移至相邻导频信号集。
T_COMP（导频替换门限）有效导频信号集与候选导频信号集比较门限，当移动台发现候选集中某个导频信号强度超过了当前活动集中导频强度的T_COMP*O．5dB时，移动台发射一个导频信号强度测量报告消息，并开始越区切换。
软切换算法涉及以下4种信令消息[5]
1.导频强度测量消息（PSMM，pilotstrengthmeasurementmessage），它由移动台发往基站，包含该移动台所有的激活集、候选集以及信号强度超过导频加入门限T_ADD的基站的Ec/Io估计值、到达时间以及切换结束计时器等，基站通过这些信息便可以确定该移动台新的激活集的基站列表，并通过HDM消息指示移动台是否进行软切换。
2.切换指示消息（HDM，handoffdirectionmessage），它是由基站发往移动台，指示移动台更新激活集的基站列表用以实现切换，它包含以下信息:
HDM序列号、CDMA信道频率分配、激活集总表、与激活集中每一个导频相关的PN码相位、用于激活集和候选集的搜索窗口尺寸、切换参数（T_ADD、T_DROP、T_COMP、T_TDROP）。
3.切换完成消息（HCM,handoffcompletionmessage），它由移动台发往基站，通知基站移动台已经完成软切换。
包括以下信息:
肯定确认、激活集中的每个导频的PN序列相位偏移，基站收到该消息后如果自己已经不在该移动台的激活集中，便停止发送前向话音信道，结束对该移动台业务信道的操作。
4.相邻集列表更新消息困（NLUM,neighborlistupdatemessage），它是由基站发送给移动台，包含激活集中导频的最新组合相邻集的列表，当移动台收到此消息后，移动台连续不断的跟踪系统中的所有导频信号的强度，每个导频的信号强度与各个不同的门限值进行比较，根据比较的结果将导频从一个集合转移到另一个集合。
以下是图3.2中导频强度变化时在各时间点触发的事件详细过程。
1.P0的导频强度在A点超过软切换导频加入门限值T_ADD,MS认为该导频的强度足够大，就向原BS发送导频强度测量消息（PSMM），同时将PO移入候选集；
2.原BS将MS的报告送往MSC，MSC发送消息通知BSO为MS安排前向业务信道。
在B点，原BS向MS发送切换指示消息（HDM），希望将PO移入激活集；
3.接收到来自原BS的切换指示消息后，MS在C点将PO移入激活集，之后再向原BS发送切换完成消息（HCM）；
4.PO的导频强度在D点降到T_DROP门限以下，MS启动T_TDROP；
5.在E点，T_TDROP超时（在△T期间，该导频强度始终低于门限值T_DROP），MS向BSO发送导频强度测量消息;
6.BSO将此消息送往MSC，并在F点将MSC返回的切换指示消息发送给MS;
7.MS在G点将PO移入相邻集，同时发送切换完成消息给BSO。
8.MS接收切换完成消息和邻域列表更新消息。
以上为导频增加和删除的过程。
另外，如果有候选集中的导频强度超过T_ADD，但是激活集已满，当候选集中最强导频的强度与激活集中最弱导频的强度之差超过T_COMP时，这两个导频就会对换在导频集中的位置，这个过程是导频替换过程。
3.1.3CDMA系统中的硬切换
1.硬切换的概述：
硬切换是在业务信道使用过程中，由于跨越边界，空中接口在短时间内先断开再重新连接的过程。
硬切换发生在不同系统的小区或同一系统不同频点的小区之间。
MS（移动台）在硬切换时必须改变收发频率，在任何时刻都只有一个业务信道可用，也就是说MS先要断开与原服务小区的连接，然后再立即与新小区建立连接，将通信业务转移到新信道上来。
这样，在切换过程存在一定的时延，不可避免的就会出现短暂的通信中断。
硬切换的缺点就是在切换过程中如果系统响应时间太长容易引
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