第三代移动通信系统WCDMA中的软切换技术_图文

通信技术
Communications Technologies

第三代移动通信系统 W C D M A 中的软切换技术
雒艳,史浩山,李强 (西北工业大学,陕西 西安 710072)
【摘  要】W C D M A 是第三代移动通信系统中的一种主流无线接入技术。论文介绍了 W C D M A 网络中软切换的分类, 分析了软切换的执行策略和其中的重要参数,用系统级仿真的研究方法探讨了软切换门限和软切换比例,软切换门限 和掉话率、阻塞率之间的关系,最后得出合适的软切换增加门限应该在 3db~6db,软切换删除门限在 5db~8db,为 实际应用中进行参数设置提供了参考。 【关键词】W C D M A 系统;软切换;软切换比例;阻塞率;掉话率 【中图分类号】TN911     【文献标识码】A    【文章编号】1009-8054(2008) 03-0040-03

Study on Soft Handover in WCDMA System
LUO Yan, SHI Hao-shan, LI Qiang (Northwest Polytechnical University, Xian Shaanxi 710072, China) 【Abstract】WCDMA is the main wireless access techniqe in Third Generation Mobile Communication System. In this paper, various types of soft handover are described first. Then soft handover strategy and relative important parameters are comprehensively analyzed Finally, the influence of parameters settings on soft handover rate, block rate and drop rate is discussed, and proper parameter setting ranges are given, including a soft add range of 3db~6db and a soft drop range of 5db~8db, thus providing a reference for parameters setting in real network. 【Keywords】WCDMA(Wideband Code Division multiple Access) System; soft handover; soft handover rate; block rate; drop rate 仅能运用于相同频率的信道之间。软切换可分为:

0  引言
软切换是 W C D M A 的核心技术之一,用于保证无线资 源在小区间变换时的连续性,是保证 W C D M A 系统移动性的 重要组成部分。软切换发生在相邻小区的覆盖重叠区,当 UE 开始与一新小区建立联系时不立即中断与原小区的联系,在 软切换状态下,U E 与多个小区建立多条无线链路。软切换

(1) Node B 内不同小区之间。也叫更软切换,UE 处于同 一个 N o d e   B 下不同小区的覆盖重叠区域。在下行链路 U E 通过多径接收器来处理接收这几路信号, 并进行最大比合并。 上行链路方向,由 Node B 对多路信号进行多径接收和最大 比例合并。 (2) 同一 RNC 内不同 Node B 之间。不同 Node B 软切换 时,U E 处于不同 N o d e   B 下不同小区的覆盖重叠区域。下 行链路方向和更软切换类似。在上行链路方向,由不同的

收稿日期:2007-09-03 作者简介:雒艳,1983 年生,女,硕士研究生,研究方向: 移动通信、计算机网络;史浩山,1956 年生,男,教授、博 士生导师,研究方向:通信网、计算机网络、无线传感器网 络和多媒体技术;李强,1981 年生,男,硕士研究生,研究 方向:无线通信。

N o d e   B 分别接收多路信号,送往 R N C 进行选择性合并。 (3)  不同 RNC 之间[1] 。不同 RNC 的软切换,UE 处于不 同 R N C 下小区的覆盖重叠区域,S R N C ( 服务 R N C ) 和 D R N C (漂移 RNC)之间必须要有 Iur 口。在这种情况下,DRNC 与 D N O D E B 共同形成 D - I U B 口,即相当于 S R N C 的一个大 N o d e   B ,D R N C 只起到一个转发的作用,所有的判决和数

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据的选择性合并都在 S R N C 中进行。 在软切换过程中存在多个无线连接,实现从一个小区到 另一个小区的平滑过渡,在两个基站覆盖区域的交界处起到 了业务信道的分集作用,可以提高 U E 在小区边缘处的接收 效果,带来更好的通信质量和减少切换造成的掉话。处于宏 分集下的 U E 可以以更小的功率发射,减少了上行的功率损 耗,从而增大上行系统容量。

(2) Event 1b 定义为一个导频信号质量离开报告范围 : ; 判决公式如下:10·LogM Old+CIOOld ≥ W·10· +

(1-W) ·10·LogMBest-(R1b+H1b/2)。如图 1 示,现在激活集中 只有小区 2 和小区 3 两个小区,小区 3 的信号强度逐渐减弱, 当小区 3 的导频强度 Ec/No 弱到当激活集最强小区 2 的导频 值减去小区 3 的导频值大于等于激活集删除门限 R1b+H1b, 并维持△ T  时间,UE 触发 1b 事件上报,进行软删操作。

1  软切换的事件判决算法和相关切换参数
在软切换策略的说明过程中,我们要使用如下几个导 频集 :
[2]

(3) Event 1c 定义为一个非激活集导频信号质量比激 : 活集里某小区的导频信号质量好;判决公式如下:1 0 · LogM New +CIO New ≥ 10·LogMworst+CIO InAS+H 1 c /2)。如图 1 所示,小区 3 的信号强度逐渐增加并开始超过小区 1 的信 号强度,在小区 3 的导频强度 E c / N o 达到最弱的 1 小区导 频 E c / N o 与替换滞后门限 H 1 c 之和,并维持△ T 时间,这 时 U E 会上报 1 c 事件,U T R A N 将让小区 3 替代小区 1 ( 激 活集里最弱的小区)的判决。 1.2 软切换中的重要切换参数 为了获得理想的软切换效果,控制软切换的比例,保证 切换过程中业务的质量、防止掉话、兵乓切换等影响网络质 量的事件发生,必须合理地设置软切换的参数。这些参数通 常是根据经验在网络规划阶段设置的,然后在网络运营过程 中根据实际情况对这些参数进行调整。这些参数包括: : (1) 测量滤波系数[4] 滤波主要是为了消除快衰落的影响。

—激活集(active set) 指与某个移动台建立连接的 : 小区的集合。 —监测集(monitor set):不在激活集中,但根据 U T R A N 分配的邻区列表而被监测的小区的集合。 —检测集(detected set) :既不在激活集中, 也不在 监测集中。检测集的频率内测量的报告只能由 U E 在 C E L L _ D C H 状态提出请求。 1.1 软切换的事件判决算法 基于事件触发的软切换算法相关的同频测量事件有 1a、 1b、1c,下面分别介绍这几个事件的判决算法[3]。 (1) Event 1a 定义为一个导频信号质量进入报告范围 : ; 判决公式如下:10·LogM New +CIO New ≥ W·10· +

该参数越大,对信号平滑作用越强,抗快衰落能力越强,但对 信号变化的跟踪能力越弱;该值设置过大,可能会切换不及 时, 设置过小会增加不必要的系统切换。 对于低速运动的移动 台,快衰落的速度较慢,可以设置较大的滤波长度,增加测量 的准确性;而对于高速移动的移动台,快衰落的速度很快,较 短的滤波长度就可以提供很好的准确性和较小的切换时延。 (2) 软切换报告范围和迟滞的设置。 软切换的报告范围包 含 1a 和 1b 事件的报告范围 R1a 和 R1b,使用的是相对门限。 报告范围常量 R1a 值设定越大,软切换增加门限 R1a-H1a 越 大,监测导频的导频质量强度要求越低,小区越容易进入激 活集。R1b 越大软切换删除门限 R1b+H1b 越大,离开激活集 的小区就需要具备更低的导频强度, 小区越难离开激活集。 协 议规定报告范围在 0db~14.5db 之间,步长为 0.5。 迟滞参数是为了有效防止兵乓切换和抵抗信号波动而引 入的。 迟滞如果越大抵抗信号波动的能力越强, 乒乓效应会得 到抑制,但同时也减弱切换算法对信号变化的响应速度。因 此, 迟滞的取值既要考虑无线传播环境的慢衰落特点, 又要考 虑实际的切换距离和用户的移动速度。 与软切换相关的迟滞参

·10·LogM Best-(R 1a-H 1a/2)。如图 1 所示,现在激活 (1-W) 集中只有小区 1,这时小区 2 的导频信号强度不断增强,当 激活集最强小区 1 的导频值减去小区 2 的导频值小于等于激 活集加入门限 R 1 a - H 1 a ,并维持△ T 时间,U E 触发 1 a 事 件上报,如果此时激活集没有满,进行软加操作。

图 1  软切换事件触发算法

数有 H1a、H1b 和 H1c。H1a 越大软切换增加门限越小,进入

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激活集的就要求较高的导频强度,小区越难进入激活集;H1b 越大软切换删除门限 R1b+H1b 越大,离开激活集的小区就需 要具备更低的导频强度,小区越难离开激活集;H1c 越大 1c 事 件越难触发。迟滞参数在 0db~7.5db 之间,步长为 0.5。 (3) 延迟触发时间。 延迟触发时间, 是为了保证切换真正 是由于移动台在离开服务基站, 所以准备切换之前先对信号监 视一段时间。Δ T 的选择除了要避免不必要的切换,同时还要 保证在信号太弱而通话中断之前完成必要的切换。 延迟触发时 间越大, 平均切换次数越小, 但延迟触发时间的增大会增加掉 话的风险。延迟触发事件一般取值范围为 200ms 到 2s 之间。 (4) 激活集最大小区数目。激活集内允许容纳的小区数 越多,移动台收到的信号能量就越高,但激活集尺寸过大也 势必会造成对其他移动台的干扰增加。激活集内允许的小区 数偏低,可能会导致有足够强度的候选集内的小区不能进入 激活集,用来改善整体通信质量,反而成为强干扰信号,同 时也使软切换率偏低。3GPP25.942 协议中的仿真结果表明, 绝大部分情况下,U E 支持的激活集大于 4 。

动,移动速度为 1 k m / 小时~10km/ 小时,支 持的业务包含会话类、 流类、交互类和背景 类。固定小区补偿因子 CIO 为 0,激活集大小为 3,Δ T 固定为 200ms。 固定软切换删除门 限为 7 d b ,得出激活集 中2rl和3rl的软切换比 例如图 2 所示;固定软 切换增加门限为 4 d b , 得出激活集中2rl和3rl 的软切换比例如图 3 所 示。可以看出,随着软 切换增加门限的增大, 激活集中处于二径和三 径的比例增大;随着删 图 2   加入门限对软切换比例的影响

2  软切换对 WCDMA 系统性能的影响
软切换本身是一个比较有争议的 C D M A 特征,一方面, 软切换在两个基站覆盖区域的交界处起到了业务信道的分集作 用, 确实会带来更好的通信质量和减少切换造成的掉话,而且 处于宏分集下的移动台可以以更低的功率进行发射, 可以明显 提高上行链路的覆盖率和上行容量。 但另一方面, 它由于同时 占用多个信道资源这会增加了设备投资和开销, 增加了无线资 源、 信令和码字等系统资源的开销,并且还会增加下行系统干 扰, 有可能对系统性能造成不利的影响。 因此需要在软切换带 来的优点和缺点之间找到一个平衡, 过多的软切换和过少的软 切换对系统都是不利的。一般软切换比例保持在 30%-40% 是 比较合理的,在建网初期这个比例可以适当进行放大。 系统的软切换比例、呼叫阻塞率和掉话率可以从一定程 度上体现系统的性能。掉话是指由于空口无线质量等原因通 话发生异常后,RNC 通过向核心网发起无线接入承载(Radio Access Bearer,简称 RAB)释放请求,请求释放一个或多个 R A B ,掉话率 = ( R N C 请求释放的分组域 R A B 数目 + R N C 请求释放的电路域 RAB 数目)/(分组域 RAB 指派建立成功的 R A B 数目 + 电路域 R A B 指派建立成功的 R A B 数目) * 1 0 0 % 。 阻塞率是指用户到达时,蜂窝内的所有信道都忙,导致呼叫 不能被接入的概率。下面我们探讨软切换门限与软切换比列 的关系、软切换门限与掉话率和阻塞率的关系。 :10 个 3 扇区 65°天线的小区排成六 采用仿真场景为[5] 边形,小区半径为 1000m,手机在小区内均匀分布且随机移

除门限的减小,激活集 中处于二径和三径的比 例也在增大,但是软切 换删除门限对软切换比 例的影响没有软切换增 加门限明显。 由于软切换删除 门限对于软切换比例的 影响不是很明显,所以 我们固定软切换删除门 图 4  加入门限对掉话率和阻塞率的影响 图 3   删除门限对软切换比例的影响

限为 7 d b ,讨论软切换加入门限与呼叫掉话率和呼叫阻塞 率之间的关系,如图 4 所示。可以看出,随着软切换加入门 限的增大,激活集外的小区可以及时加入激活集中,避免 了不能及时加入导致的掉话和在激活集外成为强干扰导致 掉话,阻塞率在 6 d b 左右最小,但如再增加,一些信号质 量不是很强的导频被加入激活集, 软切换增益改善很小, 反 而占用了很多的系统资源,导致掉话率增大。随着软切换 加入门限的增大,软切换的比例越来越大,冗余信道也越 来越多,更多的资源被分配给了因软切换而增加的冗余信 道,新的呼叫可能因为分配不到资源而被拒绝,导致呼叫 的阻塞率增大。综合上述分析,结合软切换比例和阻塞率、 掉话率合适的软切换增加门限应该在 3db~6db,软切换删

(下转第 45 页)

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个网络的可靠性了。 第一步 我们根据公式(1)、 : 公式(2)和公式(3)将R01 和R02 转化为两个对称矩阵。

公式(1)、 公式(2)和公式(3), 完全能将算法应用到节点间数据 流量不固定的情况。 表 1  计算结果数据表

3  结语
本文在郭伟提出的可靠性指标算法上做了扩充,使之能 适用于不相关不对称概率网的抗毁性与生存性的分析。 但是, 现实中的网络绝大多数都是相关网络,怎样对相关的不对称 概率网做分析将是我们下一步关注的重点。

第二步:我们根据公式(8)求得在 G 1 (5,7)对于节点 1, rl0=0.999496,rl1=0.992;再由公式(6)和公式(7)我们可以求 得 =0.749622,r12 ≈ 0.165333;再由公式(5)

参考文献 [1] 潘勇.通信网可靠性指标研究[J].电子产品可靠性与环 境实验,2006,24(1) :1~5. [2] 郭伟. 野战地域通信网可靠性的评价方法[J]. 电子学报, 2000,28(1) :3~6. [3] Frank H.Vulnerability of Communication Networks [J].IEEE Trans on Com.1967,15(6). [4] Newport K T,et al.Network Survivability through Connectivity Optimization[C].In:proc ICC,1987. [5] Newport K T,et al.Techniques for Evaluating the Nodal Survivability of Large Networks.In:proc Milcom.1990. [6] Newport K T,et al.Design of Survivable Communication Networks under Performance Constraints[J]. IEEE Trans on Reliability. 1991, 40 (4) 433~440.  :

可得 r11 =r 01 =0.749622,r12 =r 01 ·r 12 =0.123938。 同理我们可以求出在 G 2 ( 5 ,7 ) 中 r 2 1 = 0 . 7 4 9 7 6 3 7 5, r 22 =0.123938,r 31 =0.74976,r 32 ≈ 0.187305,r 41 =0.496, r 42 ≈ 0.247993,r 51 =0.74946,r 52 =0.187305。在 G 2 (5,7) 中的 r 11 =0.49685,r 12 ≈ 0.186244,r 21 =0.9999776,r 31 = 0.498,r 32 ≈ 0.186645,r 41 =0.74952,r 42 ≈ 0.124133, r 51 =0.74946,r 52 ≈ 0.124410。 第三步:我们根据公式(4)计算出,如表 1 所示。 由以上表格数据我们可以看到, 通过R 我们能即时地把
` G

握网络拓扑改变给网络抗毁性和生存性性能带来的改变;通 过 R G 我们能看到整个网络运行期间的抗毁性和生存性指标。 在本实例中,我们默认节点间的数据流量是固定不变 的,即信道可靠性加权系数 kij 为常量。而实际上,我们通过

参考文献 (上接第 42 页) [1] 3GPP TR 25.832.Manifestations of Handover and SRNS Relocation[S]. V4.0.0,March 2001,03. 除门限在 5db~8db。 [2] 3GPP TS 25.331 V5.12.1(2005-03). Radio Resource Control(RRC) Protocol Specification (Release 5)[S].

3  结语
本文对软切换门限设置与软切换比例之间的关系、软切 换门限与阻塞率和掉话率的关系进行了仿真,得到了一个比 较合适的门限值,为移动运营商提供了一些参考。在实际网 络中,影响网络性能的因素很多,可以对更多的参数进行仿 真优化,获得一个比较好的软切换性能。

[3] 3GPP TR 25.922 V6.3.0(2006-03). Radio resource management strategies(Release 6)[S]. [4]  张新程,关向凯,刁兆坤. WCDMA 切换技术原理与优 化[M].北京:机械工业出版社,2006. [5] 3GPP TR 25.942 V5.3.0(2004-06). Radio Frequency (RF) system scenarios(Release 5)[S]. 

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