切换技术

切换技术

由于移动通信系统采用蜂窝结构移动台在跨越空间划分的小区时必然要进行越区切换。即完成移动台到基站的空中接口的转移以及基站到网人口和网人口到交换中心的相应的转移。在第一和第二代移动通信系统中都采用迫使通信容易中断的越区硬切换方式。3G系统将在使用相同载波频率的小区间实现软切换，即移动用户在越区时可以与两个小区的基站同时接通只相应改变扩频码。即可做到”先接通再断开”的交换功能从而大大改善了切换时的通话质量。这种软切换具体的实现方法和步骤仍持研究、并且在使用硬切换实现不同载波的小区间的切换仍有许多需要解决的问题。

浅议3G中的各种切换技术

第三代移动通信（3G）目前是通信业内人士提到频率较高的一个词，其三大标准早为大家所熟知：WCDMA，CDMA2000，TD-SCDMA，它们各有优缺，而作为三大标准共有的关键技术之一——越区切换（HAND OFF）很值得讨论。在移动通信系统中，切换是系统必不可少的过程，用户在蜂窝覆盖区内移动时，其正在进行的呼叫有可能从一个基站转移到另一个基站，切换必须快而有效，否则将会影响用户的通话质量。由于无线频谱资源的限制，3G主要由混合小区组成，因而切换会以较高频率发生。设计快速而可靠的切换机制，是决定3G网络性能优劣的关键因素之一。

在了解WCDMA、CDMA2000中的软切换，以及TD-SCDMA中接力切换之前，先来熟悉、比较两个最为基础的越区切换（HAND OFF）——硬切换和软切换。硬切换是指在新的连接建立以前，先中断旧的连接。软切换是指既维持旧的连接，又同时建立新的连接，并利用新旧链路的分集合并来改善通信质量，当与新基站建立可靠连接之后再中断旧链路。图1表示软、硬切换的切换过程。

图1 软、硬切换的切换过程示意图

软切换只能在同一导频信道间进行，硬切换是发生在两个基站不同步或者是不同载频的时候，语音或者数据通信在硬切换过程中将发生中断。在不同载频间是不可能发生软切换的。任何时候载频改变了，硬切换就发生作用了。在从一个服务链路过渡到另一个服务链路时，硬切换存在着瞬间的通话中断。当载频改变时。移动台需要从当前的频率调整到一个新的频率上，这样就发生了硬切换，而不能发生软切换。

一、WCDMA中的软切换

WCDMA切换策略（如图2）：WCDMA的软切算法使用了相同导频信道的Ec/Io作为切换测量数值，它有四个至关重要的导频集分别如下：

图2 WCDMA中的切换策略

⊙激活集：与分配给移动台的前向业务信道相对应的导频。

⊙候选集：当前不在激活集里，但是已经有足够的强度表明，与该导频相对应基站的前向业务信道可 以被成功解调的导频集合。

⊙邻近集：当前不在激活集里和候选导频集中，但可以进入候选集的导频集合。

⊙剩余集：在当前的系统中，除上述三种导频集以外的其他导频。

无线链路增加和释放过程：

（1）小区2的导频信号强度逐渐增强，当小区2的导频强度Ec/Io达到(最好导频Ec/Io－(报告门限－增加滞后门限))并维持△T时间，而此时候选集没有满，小区2此时被加入到候选集里。该项动作也称为无线链路增加。

（2）小区3的导频信号强度逐渐增加并开始超过最早的小区1的导频信号强度，在小区3的导频（最好候选导频）强度Ec/Io达到（最弱导频Ec/Io +替换滞后门限）并维持△T时间，而此时候选集的数目已满（假设此时系统设置的候选集最大数目是两个），小区3（候选集中最强的信号）此时替代小区2（候选集里最弱的信号）被加入到候选集里，小区1同时被移出候选集。该项动作也被称为无线链路增加和释放。

（3）此时候选集中小区3的导频信号强度逐渐减弱，当小区3的导频强度Ec/Io弱到（最好导频Ec/Io－（报告门限+删除滞后门限））并维持△T时间，小区3（候选集里最弱的信号）此时被移出候选集。该项动作也称无线链路的释放。

其中，报告门限是软切换中要增加或删除候选集中的小区的门限；△T是留给动作触发的时间；导频Ec/Io是指经测量后导频的强度；最好候选导频是指候选集里信号最强的导频。

滞后门限分三类：

⊙增加滞后门限是要增加无线链路的滞后门限；

⊙删除滞后门限的要删除无线链路的滞后门限；

⊙替换滞后门限是要同时增加并释放一条无线连路的滞后门限。

二、CDMA2000中的软切换

图3 CDMA2000中的切换策略

CDMA2000中的切换策略如图3所示。移动台不断地搜索着激活类、候选类、邻近类、剩余类各个导频的强度，并且根据导频强度维护各个类，当移动台靠近切换区时，移动台开始以下操作过程：

（1）导频p2强度超过了T_ADD，但尚未到达动态门限，移动台将这个导频移到候选集。

（2）导频p2强度超过了[(SOFT_ SLOP/8)×10×log10(PS1)+ADD_IN TERCEPT/2]。移动台发送导频强度测量消息。

（3）移动台收到扩展切换指示消息DROP_INTERCEPT/2，将p2移入激活集，开始宏分集。而后发送切换完成消息。

（4）导频p1的强度下降低于动态门限[(SOFT_SLOPE/8)×10×log10(PS2)+DROP_INTERCEPT/2]，移动台开始启动发送切换定时器。其中DROP_INTERCEPT/2是计算去掉导频p1时动态门限的一个参数，和ADD_INTERCEPT/2相对应。

（5）切换下降定时器超时，移动台发送导频强度测量消息给基站。

（6）移动台收到切换指示消息，将p1移入候选类。而后发送切换完成消息。

（7）导频p1的强度下降低于T_DROP。移动台开始启动发送切换定时器。

（8）切换下降定时器超时，移动台将p1从候选类移到邻近集。

这就是移动台进出切换区的全过程，由此看出对于移动台，切换的关键就是在复杂的无线信道条件下不断地、较为准确地测量各导频的强度，以及支持在切换区的宏分集。

三、TD-SCDMA中的接力切换

接力切换是利用精确的定位技术，在对移动台的距离和方位进行定位的基础上，根据移动台方位和距离作为辅助信息，来判断移动台是否移动到了可进行切换的相邻基站临近区域。如果移动台进入这个切换区，则RNC通知该基站作好切换的准备，从而实现快速、可靠和高效切换。这样既节省信道资源、简化信令、减少系统负荷，也适应不同频率小区之间的切换。

实现接力切换的必要条件是：网络要准备获得移动台的位置信息，包括移动台的信号到达方向(DOA)以及移动台与基站的距离。在TD-SCDMA系统中，由于采用了智能天线和上行同步技术，系统较容易获得移动台的DOA，从而获得移动台的位置信息。具体过程是：

（1）利用智能天线和基带数字信号处理技术，可以使天线根据每个移动台的DOA为其进行自适应的波形赋形。对每个移动台来讲，仿佛始终都有一个高增益的天线在自动跟踪它，基站根据智能天线的计算结果就能确定移动台的DOA，从而获得移动台的方向信息。

（2）利用上行同步技术，系统可以获得移动台信号传输的时间偏移，进而计算得到移动台与基站之间的距离。

（3）经过前两步之后，系统就可准确获得移动台的位置信息。

因此，上行同步、智能天线和数字信号处理等技术，是TD-SCDMA移动通信系统实现接力切换的关键技术基础。接力切换执行过程如图4所示。

图4 接力切换执行过程

（1）移动台与nodeB1进行正常通信。

（2）当移动台需要切换并且网络通过对移动台对候选小区的测量找到了切换目标小区时，网络向移动台发送切换命令，移动台就与目标小区建立上行同步。然后移动台在与nodeB1保持信令和业务连接的同时，与nodeB2建立信令连接。

（3）当移动台与nodeB2信令建立之后，移动台就删除与nodeB1的业务连接。

（4）移动台尝试建立与nodeB2的业务连接，这时移动台与nodeB1之间的业务和信令连接全部断开了，而只与nodeB2保持了信令和业务的连接，切换完成。

四、结束语

通过分析WCDMA，CDMA2000，TD-SCDMA中切换技术的不同，我们可以看出：在测量过程中，软切换和硬切换都是在不知道移动台准确位置的情况下进行切换、测量的，因此需要对所有的邻小区进行测量，然后根据给定的切换算法和准则进行切换判断和目标小区的选择。而接力切换是在知道移动台精确位置的情况下进行切换测量，所以它没有必要对所有邻小区进行测量，只需对与移动台移动方向一致的、靠近移动台一侧少数几个小区进行测量，然后根据给定的切换算法和准则进行切换判断和目标小区的选择，就可以实现高质量的越区切换。

移动台所需的切换测量时间减少，测量工作量减少，切换时延也就相应减少，切换掉话率随之下降。另外，由于需要监测的相邻小区数量减少，因而减少了移动台、NodeB和RNC之间的信令交互，缩短了移动台测量时间，减轻了网络负荷，进而使系统性能得到优化。接力切换不仅具备硬切换较低掉话率和较小上行干扰的优点之外，还具有软切换资源利用率高、算法简单、信令负荷轻的优点，更重要的是它大大提高了切换成功率和信道利用率。在实际工作中，可以通过权衡掉话、时延、信道忙闲等因素来确定采用哪种切换方式。