压缩模式在WCDMA向GSM切换时的应用

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在WCDMA网络建网初期，考虑到WCDMA网络的建设成本和业务连续性，运营商必须依托现有GSM网络。因此，实现WCDMA和GSM在电路域的切换和分组域的重选是非常有必要的。
    一、系统间的切换过程
    通常我们通过使用WCDMA/GSM双模终端来实现WCDMA和GSM两网的切换和重选。从GSM网络向WCDMA切换时，双模终端在GSM的空闲时隙完成对WCDMA网络的测量和搜索；而在WCDMA向GSM切换时，由于WCDMA为码分系统，在进行电路域业务时独占收发信机，UE不能调谐到GSM的频率对GSM系统进行测量和搜索。分组域业务对时延和业务连续性的要求较低，因此采用重选的方式，即UE在连接状态下先断开与源服务网络的连接，进入空闲模式，再搜索目标网络并重新建立连接。电路域业务对时延和业务的连续性有严格要求，不能采用断开连接的方式进行切换。
    图1给出了在WCDMA和GSM系统间切换的过程。在系统切换前，首先需要进行系统间测量，具体的测量算法由RNC（无线网络控制器）制造商基于传输质量（BER）和所需的发射功率指定。测量一旦触发，UE测量临区列表中GSM频率的信号功率。RNC接收到测量报告后，命令UE对最适合的候选GSM基站的BSIC（基站识别码）解码。RNC根据接收到的BSIC信息向UE发送切换指令。

图1 WCDMA和GSM系统间切换过程

    在WCDMA向GSM切换时，由于WCDMA为码分系统，它在进行电路域业务时独占收发信机，UE不能调谐到GSM的频率对GSM系统进行测量和搜索。WCDMA引入了压缩模式，压缩模式用于解决在连接状态下跨频率或跨系统的测量，从而能够很好地解决在WCDMA连接状态下对GSM系统的测量。
    压缩模式的实现可以通过3种方法：降低来自高层的数据速率；通过改变扩频因子来提高数据速率；通过物理层复用过程中的打孔来降低符号速率。
    对于话音和实时的流媒体业务，高层无法降低速率，因此第一种方法不适合于上述业务。由于打孔操作存在一些实际的限制，因此第三种方法只限于相当短的传输间隔长度。实际压缩模式主要通过第二种方法实现。
    二、触发参数测量
    WCDMA中压缩模式由2d事件触发，RNC中的测量触发器触发测量事件时，在BCCH信道下发送TUsed2d和H2d两个参数。TUsed2d定义为2d事件的绝对门限，H2d定义为2d事件的迟滞参量，图2给出了2d事件的触发场景。图中QUsed为测量的当前使用频率的质量。当QUsed≥TUsed2d-H2d/2时，UE向RNC上报2d事件，RNC发送信令在UE中启动压缩模式测量。当QUsed＜TUsed 2d-H2d/2时，RNC发送信令在UE中关闭压缩模式测量。

图2 WCDMA到GSM的触发场景

    绝对门限TUsed2d对于2d事件的触发起主要作用，系统通过该门限控制处于压缩模式测量状态下的UE的数量。如果TUsed2d设置得过小，压缩模式在WCDMA网络覆盖边缘进行，UE接近满功率发射，掉话和切换失败的概率增加。如果TUsed2d设置得过大，小区中大量UE在WCDMA信号良好时就启动压缩模式，这时UE的功率提升会造成系统干扰的增加，从而影响系统容量。H2d用于控制压缩模式启动或关闭的频度,当H2d增大时，UE由2d事件的开启向关闭转换或由2d事件的关闭向开启转换的条件更加难以满足，这将降低压缩模式启动和关闭的频度。反之，如果H2d减小，压缩模式启动和关闭的频度就会增加。
    三、压缩模式测量
    RNC中的测量触发器在触发系统间切换测量事件时，会同时通过BCCH（广播控制信道）下发用于相关测量的压缩模式参数。在测量控制条件满足时，UE启动压缩模式对GSM邻小区进行测量。
    UE执行测量，定时向UTRAN报告BSIC（基本识别码）和监测集中GSM小区的信号强度。测量涉及到GSMBCCH功率测量、GSMSCH（同步信道）或FCCH（频率校准信道）捕获初始化、当UTRA服务小区和目标GSM小区的定时信息可捕获/跟踪GSMSCH或FCCH及BSIC再确认等环节。
    压缩模式中有TGL、TGD、TGP和PD四个参数，图3给出了压缩模式各参数的示意图，表1给出了压缩模式各参数的参数说明。

图3 压缩模式参数示意图

图4 传输间隙的位置

    WCDMA的帧长为10ms，分为15个时隙。TGL可以为3、4、5、7、10或14个时隙。TGL可以选择在一个帧中（单帧）或者在两个帧中（双帧），选择单帧或双帧的原则是每个帧中至少有8个时隙在发射，也就是说在一个帧中传输间隙必须小于7时隙。
    （1）单帧方式
    长度为3、4、5、和7的TGL可以选择单帧的压缩方式，而对于长度为10或14的TGL，由于传输间隙大于7时隙，必须选择双帧方式。
    （2）双帧方式
    长度为3、4、5、7、10和14的TGL可以用双帧的方式。
    四、压缩模式对WCDMA系统的影响
    为了完成从WCDMA到GSM的切换，需要搜索解调目标GSM小区FCCH和SCH信道，这个工作也是在压缩模式下WCDMA帧中的传输间隙中完成。在搜索GSM小区的FCCH和SCH时，业务信道容量的损失是不可避免的，引入压缩模式的一个目的是把这种容量损失降到最低。因此，压缩帧模式的定义必须考虑使用尽可能少的时隙来进行GSM小区的测量。在压缩模式中，另一个目标就是将对GSM小区的搜索时间最小化，尽快完成切换。当源服务小区的信号快速削弱时必须立即执行切换以维持连接，这时最小化搜索时间尤为重要。
    压缩模式对系统性能的影响主要体现在以下几个方面。
    （1）相关仿真表明，TGL越大，平均搜索时间和最大搜索时间就越小，压缩模式的效率越高。
    （2）压缩模式的传输间隙不支持快速功率控制，且会损失部分交织增益，因此要求更高的Eb/No才能达到BER要求。相关仿真表明，Eb/No的提升在1～3dB间，通常随着压缩因子的增加而单调增加。
    （3）在较短的时间内发送相同数量的数据，这要求系统提高发射功率。设某压缩帧中的传输间隙为γ，提升量可通过下面的公式计算：

    这里分析引入压缩模式对WCDMA链路性能、系统容量和反向链路覆盖几个方面的影响。为了定量分析的需要，在分析对系统容量和反向链路的影响时我们采用表2给出的压缩模式参数。这里选择压缩模式参数配置中的一组为例分析压缩模式分别对系统容量和覆盖的影响。

    TGL为14时隙时，需要采用双帧（7，7）压缩模式实现，如图5所示。

图5 TGL为14时隙的压缩模式实现

    （1）链路性能影响
    如果终端不在小区的边界，可以用快速功率控制补偿瞬时的性能损失，因此链路性能不会明显恶化。如果系统功控余量为4dB左右，压缩模式和非压缩模式在上行链路的性能差别不大，而当功控余量为0dB时（此值对应于终端在小区边界处于最大功率发射状态，无法进行快速功率控制），链路性能与正常的传输状态相比将会有明显恶化，其具体值依赖于压缩帧TGL的长度。实际上，0dB的功控余量很少出现，因为典型规划时小区的覆盖范围会出现重叠，系统中的软切换将会降低移动台所需的发射功率，从而为系统提供足够的功控余量。0dB功控余量的情况通常只有在终端离开覆盖区才会出现。因此，压缩模式对单个链路的性能影响是可以控制的。
    （2）压缩模式对容量的影响
    假设系统中所有UE在每帧中都采用压缩模式，通过下面给出的公式可以得到系统干扰提升量，其中压缩因子为47%，Eb/No的提升取2.2dB。
    计算得到干扰电平提升66%，按照例中给出的参数，每3帧中有2帧处于压缩模式，根据统计原理，干扰提升量的均值为44%。压缩模式只在异频或系统间切换时才适用。假设小区内10%的UE同时进入压缩模式，干扰提升4.4%，可知系统的干扰电平提升为0.19dB，这相当于系统工作点提高了0.19dB，仍然可以保持系统负荷处于线性区域。可见引入压缩模式对容量的影响不大。
    （3）压缩模式对覆盖的影响
    主要考虑两方面的影响：通过公式1计算可得发射功率的提高为2.7dB；Eb/No的提升取2.2dB。这样压缩模式对系统覆盖的影响为4.9dB。
    压缩模式主要用于解决WCDMA向GSM切换和频间切换时实时业务的连续性问题，主要有语音及视频电话等业务，这里只考虑前者。由于GSM只能支持语音业务，如果正在进行视频电话，在向GSM切换时，应先执行视频回落操作，再进行WCDMA向GSM语音业务的切换。UE采用AMR，当AMR语音业务采用20ms的交织时，可以获得更高的交织增益。而通过AMR将速率从12.2kbit/s减小到4.75kbit/s获得的覆盖增益为2.3dB，这样压缩模式对覆盖性能的影响可以通过交织增益和降速率带来的增益来弥补。
    五、总结
    在进行WCDMA和GSM测量时，需要对触发测量的绝对门限TUsed2d和相对门限H2d两个参数进行不断优化，获得容量和切换性能之间的平衡。
    压缩模式中TGL的长度会影响系统容量和覆盖，相关仿真表明压缩模式的TGL越长，完成GSM搜索和测量所需的时间越短，对GSM网络的搜索效率也更高，但同时给WCDMA系统带来的容量和覆盖的影响也越大。因此，需要在TGL和搜索时间之间进行平衡，以保证系统性能和搜索时间。
    在TGL长度相同时，采用双帧压缩模式可以减少一个帧中传输间隙的时隙数，由公式1可知，减少一帧中的传输间隙时隙数可以减小发射功率提升量。因此，在压缩模式测量中应尽量采用双帧压缩模式，这样可以降低压缩帧的干扰提升和功率提升，提高压缩模式性能。