移动通信系统中的切换技术研究 要点.docx

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移动通信系统中的切换技术研究要点

毕业设计

（2014届）

题目移动通信系统中的切换技术研究

学院物理电气信息学院

专业电子信息工程

年级2010级

学生学号12010245352

学生姓名张洋

指导教师朱瑜红

2014年4月29日

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系统中的切换过程，切换基本可以分为硬切换、软切换和更软切换。

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，第三代移动通信的标准化工作已经进入实质阶段。

3G通信技术已经成熟，新的4G技术也在不断的发展，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

Abstract

Sincetheintroductionofmobilecommunicationinthefieldofcellularconcepts,switchtechnologybegantoappearasmobilecommunicationssysteminoneoftheimportanttechnology.Switchingtechnologyisacellularsystemfunctionuniquetothemobilecommunicationisalsoakeyfeatureofthesystem,itdirectlyaffectstheperformanceoftheentiresystem.Whenamobilebasecoveragemovingtoanotherstationcoverage,throughtheswitchandmobilecommunicationstations.Switchessentiallyforthemobileenvironmentdatabetweenthebusinesscommunityandthecontinuouscoveragefromthephenomenonexists,itistheaccesspointfromoneregiontoanotherregion.

Thispaperfocusesonmobilecommunicationsystemswitchingtechnology,focusedontheCDMA,GSM,WCDMAsystemswitchingalgorithm,switchBasiccanbedividedintohardswitching,soft-switch,moresoftswitch.Becausethesecondgenerationofmobilecommunicationsystemswithgreatsuccessin,theuser'shigh-growthandlimitedsystemcapacityandlimitedbusinessconflictsbetweenbecomingobvious,thirdgenerationmobilecommunicationsstandardworkbegantograduallyintothesubstantivephase.3Gcommunicationtechnologyhasslowlymatured,thenew4gtechnologyevolutioncontinues,inordertoachievetheperfectionofcommunicationtechnologyandthedevelopmentofmore,beforeswitchingtechnologyasthekeyinmobilecommunicationtechnology,playsakeyrole.Therefore,westudyswitchingtechnologyinordertobetterdevelopfuturecommunicationtechnology,increasenetworkcapacityandquality.

KEYWORDS：

Handover,Hard-handover,Soft-handover,Handover-algorithms

目录

第一章绪论1

1.1移动通信系统1

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4

1.3研究的内容及意义4

第二章切换技术5

2.1切换技术的发展5

2.2切换的定义及分类5

2.3切换的原因5

2.4切换的控制方式7

第三章移动通信系统中的切换8

3.1CDMA系统中的切换8

3.1.1CDMA系统概述8

3.1.2CDMA系统中的软切换9

3.1.3CDMA系统中的硬切换12

3.2GSM系统中的切换14

3.2.1GSM系统概述14

3.2.2GSM数字移动通信的主要技术15

3.2.3GSM切换16

3.3WCDMA系统中的切换18

3.3.1WCDMA系统概述18

3.3.2WCDMA中的切换18

3.3.3WCDMA中的软切换21

第四章中国3G的切换24

4.13G的简述24

4.2中国3G的发展驱动力24

4.3我国TD-SCDMA的切换过程26

4.3.1接力切换基本概念26

4.3.2接力切换过程26

4.4我国TD-SCDMA系统接力切换性能简要分析29

第五章结论与展望31

参考文献33

致谢34

第1章绪论

1.1移动通信系统

移动通信是指移动用户之间，或者移动用户和固定用户之间进行的通讯。

由于社会的发展，科学技术的提高，人们希望能无论何时、快速安全地与通讯的另一方进行信息交换。

这就是移动通信。

这里的“信息交换”，不仅指双方的语音，还包括数据、传真、图像等。

1.1.1移动通信特点

1.移动通信的传输信道要利用无线电波，电波的传输条件差。

在地面上，移动终端穿梭于障碍物之间。

2.有严重的干扰。

因为移动通信网络是无线电台、多波道通信系统，通信设备不仅受城市噪声干扰，还有无线电台同屏干扰和互调干扰。

所以，抗干扰措施在移动通信系统设计中就显得很重要。

3.无线电频率有限，接收设备动态范围比较大。

移动台的位置的变化，接收机和基站之间的距离也在变化，这就导致了接收信号的不断变化。

4.设备要求苛刻。

移动用户经常处于野外，环境较差，所以对其设备要求很苛刻。

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

移动通信技术可以说从无线电通信发明之日就产生了。

1897年，M·G·马可尼所完成的无线通信试验就是在固定站与一艘拖船之间进行的，距离为18海里。

而现代移动通信技术的发展始于上世纪20年代，大致经历了五个发展阶段。

第一阶段从上世纪20年代至40年代，为早期发展阶段。

在这期间，首先在短波几个频段上开发出专用移动通信系统，其代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统。

第二阶段从上世纪40年代中期至60年代初期。

在此期间内，公用移动通信业务开始问世。

1946年，根据美国联邦通信委员会（FCC）的计划，贝尔系统在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网，称为“城市系统”。

第三阶段从上世纪60年代中期至70年代中期。

在此期间，美国推出了改进型移动电话系统（IMTS），使用150MHz和450MHz频段，采用大区制、中小容量，实现了无线频道自动选择并能够自动接续到公用电话网。

德国也推出了具有相同技术水准的B网。

第四阶段从上世纪70年代中期至80年代中期。

这是移动通信蓬勃发展时期。

1978年底，美国贝尔试验室研制成功先进的移动电话系统（AMPS），建成了蜂窝状移动通信网，大大提高了系统容量。

该阶段称为1G（第一代移动通讯技术），主要采用的是模拟技术和频分多址（FDMA）技术。

这一阶段的特点是蜂窝状移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展。

第五阶段从上世纪80年代中期开始。

这是数码移动通信系统发展和成熟时期。

该阶段可以再分为2G、2.5G、3G、4G等。

2G是第二代手机通信技术规格的简称，一般定义为以数码语音传输技术为核心，无法直接传送如电子邮件、软件等信息。

主要采用的是数码的时分多址（TDMA）技术和码分多址（CDMA）技术，与之对应的是全球主要有GSM和CDMA两种体制。

2.5G是从2G迈向3G的衔接性技术，由于3G是个相当浩大的工程，所以2.5G手机牵扯的层面多且复杂，要从2G迈向3G不可能一下就衔接得上，因此出现了介于2G和3G之间的2.5G。

HSCSD、WAP、EDGE、蓝牙（Bluetooth）、EPOC等技术都是2.5G技术。

3G是英文3rdGeneration的缩写，是指支持高速数据传输的第三代移动通信技术。

与从前以模拟技术为代表的第一代和目前正在使用的第二代移动通信技术相比，3G将有更宽的带宽，其传输速度最低为384K，最高为2M，带宽可达5MHz以上。

不仅能传输话音，还能传输数据，从而提供快捷、方便的无线应用，如无线接入Internet。

能够实现高速数据传输和宽带多媒体服务是第三代移动通信的另一个主要特点。

4G是第四代移动通信及其技术的简称，是集3G与WLAN于一体并能够传输高质量视频图像以及图像传输质量与高清晰度电视不相上下的技术产品。

4G系统能够以100Mbps的速度下载，比拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mbps，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。

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由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研究的内容及意义

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。

第二章切换技术

2.1切换技术的发展

移动通信的发展已经经历了三代。

从第一代模拟移动通信系统，到第二代数字移动通信系统，再到第三代多媒体移动通信系统，以及目前第四代宽带移动通信系统的到来！

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。

2.2切换的定义及分类

切换的定义：

当移动台从一个基站的覆盖范围移动到另一个基站的覆盖范围，通过切换来保持移动台与基站的通信。

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

产生切换有很多原因，其中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时，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统（TAGS）和高级移动电话系统（AMPS）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CDM人系统均采用这种切换控制方式。

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n来区分的。

图3-1CDMA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，且大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。

为了有效地对导频信道进行搜索，系统中的导频信道被分为活动集（activeset）、候选集（candidateset）、邻近集（neighborset）和剩余集（remainingset）四个集合。

活动集（active set）：

当前手机正在保持连接的业务信道所对应的导频的集合。

候选集（candidate set）：

导频信号强度足够，手机可以成功解调，随时可以接入。

相邻集（neighbor set）：

当前不在有效或候选集里，但可能会进入候选集的导频的集合

剩余集（residual set）：

属于CDMA系统但未包含在其他3组中的小区导频

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3-2CDMA/IS-95系统的切换算法

CDMA2000系统中有4个重要的切换参数：

T-ADD、T_DROP、T_COMP、T_TDROP。

T_ADD（导频检测门限）：

当Ec/Io>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（导频丢弃门限）：

当导频的Ec/Io下降低于T_DROP触发计时器T_TDROP；如果导频Ec/Io超过T_DROP，计数器中止；计数器满时导频从激活集或候选集中去除到相邻集。

T_TDROP（定时器衰减门限）：

当激活集和候选集中导频降低时间超过了T_TDROP计数器，导频将被去除到相邻集；如果候选集满了，但是有新的导频满足T_ADD要求需要增加，那么就去除一个最接近T_DROP门限的导频。

在此过程中手机只向位于激活集中的导频小区发送功率强度测量消息，在候选集中的导频直接被去除到相邻集中，不需要手机发送功率强度测量消息。

T_COMP（门限比较）：

T-COMP参数控制导频从候选集移动到激活集。

如果候选集中某导频的强度超过激活集中某个导频的强度至少T-COMP×0.5dB，MS则将此导频