WCDMA的切换参数对系统设计的影响研究

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    0  引言
    WCDMA作为3G标准之一，将提供比GSM系统和窄带CDMA系统更高的带宽、更大的系统容量和更多的业务种类，可以满足用户随时随地的宽带数据需求。
    WCDMA系统中仍沿用了IS-95和CDMA2000中的大部分软切换技术。由于码道资源的增加和系统时间精度的提高，WCDMA系统软切换的速度和稳定性也随之提高，同时还可以支持多种数据业务下的软切换和更软切换。此外，WCDMA系统带宽的增加，带来比IS-95系统更高的扩频增益，使软切换过程对物理信道的信干比（SIR）的要求降低，从而提高了系统容量。
    1  WCDMA的切换分类
    1.1切换方式
    按照切换的方式，WCDMA系统的切换主要分为硬切换、软切换和更软切换。
    硬切换是指移动台在切换过程中，采取“先断开再连接”的方式，即先断开与原小区的联系，再在一定时间内与新小区取得联系，这样会出现瞬时信号中断现象。据测量统计表明，无线信道上90%的掉话都是发生在切换过程中。在频分多址（FDMA）和时分多址（TDMA）的移动通信系统中，所进行的切换都是硬切换；在WCDMA系统中，硬切换主要发生在不同频率的载波之间和不同的系统之间。
    软切换是CDMA系统所特有的，采用的是“先连接再断开”的方式，移动台在中断与原小区的联系之前，先用相同频率建立与新小区的联系，即移动台在切换过程中通过分集技术与原小区和新小区同时保持无线链路，再在一定条件下丢弃一方，从而保证了通信的连续性，降低掉话率。
    更软切换是指同一小区的不同扇区之间的切换，不占系统资源。
    1.2切换模式
    按照切换的模式，WCDMA系统的切换可以分为频率内切换、频率间切换、不同制式间切换和不同系统间切换。
    频率内切换是指不同的无线蜂窝小区处于同一频率，比如WCDMA系统中同一载波下的不同NodeB之间或者同一NodeB的不同扇区之间的切换，它们的切换发生在同一载波内，是时间连续的事件，称为软切换/更软切换，统称为软切换。
    频率间切换发生在同一系统中的不同载波间，比如WCDMA系统中不同载波间的切换，属于硬切换，是时间离散的事件。
    不同制式间切换指的是频分双工（FDD）系统和时分双工（TDD）系统间的切换，也属于硬切换的范畴，如我国将使用的TD-SCDMA系统与WCDMA系统间的切换，这是由于TD-SCDMA系统可以作为WCDMA系统的有效补充。
    不同系统间的切换指的是不同技术体制支持的无线通信系统间的切换，也属于硬切换，如WCDMA系统与GSM系统之间的切换。
    2  WCDMA系统的硬切换
    在WCDMA系统的硬切换中，最常见的是不同频率间的硬切换和不同系统间的硬切换。硬切换可能引起实时无线业务的短暂中断，而对非实时无线业务来说损耗不大，以下分别讨论这两类硬切换。
    2.1不同频率间的硬切换
    对于WCDMA系统，网络中存在以下3种不同频率的使用情况：
    a）由于通话密度高，热点地区有多个载波，周围地区为单载波。
    b）由于频率或运营商的原因，不同的区域使用了不同的载波。
    c）微小区与宏小区层叠覆盖时，微小区使用不同的频率。
    在具体的实现中，通常按照硬切换双方小区的关系将不同频率间的硬切换分为3种：
    a）同一小区不同频率间的硬切换。
    b）同一无线网络控制器（RNC）下不同小区、不同频率间的硬切换。
    c）不同RNC下不同小区、不同频率间的硬切换。
    WCDMA系统引入了基于压缩模式测量的硬切换算法。所谓压缩模式就是在连续发射模式中挤出一定的时间空隙用以测量，这时的传输已不再是连续发射模式。对实时业务来说，产生这种时间空隙通常使用的是降低扩频因子的方式。
    硬切换的具体工作流程如下：
    a）RNC命令用户设备（UE）用压缩模式开始频率间切换测量。
    b）UE发现主同步信道（P-SCH）峰值。UE用匹配滤波器接收的峰值越多，WCDMA小区识别所花时间将越长，这是因为小区识别所花的时间主要取决于多径数目、检测范围内的小区数、已发现的小区数和邻近集的长度。3GPP规范TS25.133中要求在公共导频信道（CPICH）的导频强度（Ec/Io）>-20 dB的条件下，UE进行小区识别的耗费时间为5 s之内。
    c）UE通过辅助同步信道（S-SCH）和CPICH识别了小区，并将测量结果报告给RNC。
    d）RNC给UE发送切换命令。
    e）UE收到命令后切换到目标频率上。
    2.2不同系统间的硬切换
    为了平衡WCDMA系统和GSM系统的覆盖或负载，WCDMA和GSM规范支持二者之间的相互切换。在WCDMA系统部署初期，为提供连续的覆盖，需要支持到GSM系统的硬切换；为了降低GSM小区的负载，也需要支持从GSM系统到WCDMA系统的硬切换。随着WCDMA网络业务量的提高，由负载分配触发的双向切换变得非常重要。系统间的切换由源RNC/BSC触发，从接收系统的角度来看，系统间切换与RNC间或BSC间的不同频率间硬切换相类似。
    典型的WCDMA系统向GSM系统硬切换的工作流程如下：
    a）RNC命令UE用压缩模式开始系统间切换测量。
    b）UE测量接收到邻集中GSM系统有用信号的功率。
    c）RNC命令UE解码最终候选GSM系统的基站识别码（BSIC），这平均也要花费1s。
    d）RNC给UE发送切换指令。
    e）UE收到命令后切换到GSM系统。
    2.3硬切换的性能分析
    不同频率间和不同系统间的硬切换都要使用压缩模式，从而UE可以利用产生的时间空隙来测量其他频点的导频信号，或测量其他系统（如GSM系统）的控制信道的信号强度，以帮助系统确定最佳目标小区，这使得硬切换的成功率得到提高。但产生时间空隙要对帧进行压缩，压缩帧的扩频因子便会降低，相应的扩频增益也跟着降低，解调该帧所需的信干比要相应地升高，因而影响了系统的容量和覆盖，表1和表2分别给出了压缩模式对容量和覆盖的影响。
    因此，为了尽量减少使用压缩模式，在硬切换的边界区要尽可能地使切换小区与目标小区的关系简单化，也就是让需要测量的目标小区列表越短越好，这样可以减少测量所需的时间，使用较少的压缩帧，从而降低对系统容量的影响。否则，复杂的邻区关系、过长的目标小区列表和更长的测量时间，将导致更大容量和覆盖的损失。在实际的网络规划中，孤岛式地部署第二载频，或靠GSM网络来填补WCDMA覆盖区内的覆盖空洞，都可能造成这种情况，应当尽量避免。
    3  WCDMA系统的软切换
    在WCDMA系统中，软切换是一种常态，即很多移动台几乎一直都处于软切换状态，这样可以保证用户通话的连续性和稳定性；而硬切换将影响用户通话的主观感受，并容易造成掉话。网络设计时应尽量避免硬切换的发生。
    3.1软切换策略
    3.1.1软切换的4个导频集
    WCDMA系统的软切换算法使用导频信道的Ec/Io作为切换测量数值，它有如下4个至关重要的导频集：
    a）有效集：与分配给移动台的下行业务信道相对应的导频。
    b）候选集：当前不在有效集中，但已经有足够的强度，与该导频相对应NodeB的下行业务信道可以被成功解调的导频集合。
    c）邻近集：不在当前的有效集合或候选集合中，但可作为切换候选集合中的导频。
    d）剩余集：当前系统中除了有效、候选或邻近集合中导频之外所有可能的导频。
    软切换的判决要基于下行链路导频信道的Ec/Io，根据有效集增加门限、有效集删除门限等参数来进行有效集的刷新。
    3.1.2软切换的主要参数
    软切换的主要参数有：
    a）有效集增加门限（T_ADD）：若某个NodeB的Ec/Io超过有效集中最强的Ec/Io与有效集增加门限的差值，持续ΔT时间，且有效集未满，则该NodeB就进入有效集。
    b）有效集替换门限（T_REPLACE）：若候选集中最强的Ec/Io与有效集中最弱的Ec/Io的差值超过有效集替换门限，且持续ΔT时间，则候选集中导频信号最强的NodeB进入有效集，而有效集中导频信号最弱的NodeB从有效集中删除。
    c）有效集删除门限（T_DROP）：若有效集中某个NodeB的Ec/Io低于有效集中最强的Ec/Io与有效集删除门限的差值，且持续ΔT时间，则该NodeB从有效集中删除。
    d）有效集最大数目：在软切换过程中允许与移动台建立连接的最大NodeB数目。
    e）触发时间（ΔT）：建立切换所需的时间。
    3.1.3无线链路的增加和释放过程
    a）小区2的导频信号强度逐渐增强，当小区2的Ec/Io超过有效集中最强的小区1的Ec/Io与有效集增加门限T_ADD的差值，并维持ΔT时间，而此时有效集没有满，则小区2被加入到有效集里。该项动作也称为无线链路增加。
    b）小区3的导频Ec/Io逐渐增加并开始超过最早的小区1的Ec/Io，当小区3的最强候选导频的Ec/Io与有效集中最弱的小区1的Ec/Io的差值大于有效集替换门限T_REPLACE，并维持ΔT时间，而此时有效集的数目已满（假设此时系统设置的有效集最大数目是2个），则小区3（候选集中最强的信号）替代小区1（有效集里最弱的信号）而被加入到有效集中，小区1同时被移出有效集。该项动作也被称为无线链路替换。
    c）此时有效集中小区3的导频信号强度逐渐减弱，当小区3的Ec/Io低于有效集中最强的小区2的Ec/Io与有效集删除门限T_DROP的差值，并维持ΔT时间，小区3（有效集里最弱的信号）此时被移出有效集。该项动作也称为无线链路释放。
    3.2软切换的作用
    软切换可以降低移动台在小区边缘的掉话率。移动台将不断对周围小区NodeB的Ec/Io进行测量，把足够强的信号保存在有效集中，使用户始终处于软切换状态，而不会频繁地在不同小区间切换，避免“乒乓效应”，减少掉话的可能性。
    软切换可以增加系统容量。通过控制每个移动台的发射功率，减少了网络的上行干扰，从而降低整个系统的干扰水平，增加系统上行容量。
    下行发射分集可以减少瑞利衰落对网络的影响。下行信号通过不同的NodeB发送给移动台，移动台可以根据接收到的多条链路的信号质量进行选择性合并，以获得最好的信号。这种移动台进行选择性合并的方法可以克服无线通信过程中快衰落的影响。
    3.3各网元在软切换中的功能
    在WCDMA系统中，各网元（RNC、NodeB、UE）实现的不同功能如表3所示，在软切换和更软切换过程中其功能各不相同。
    4  WCDMA系统的软切换参数设置
    软切换的主要目的是提供无缝切换，增加系统的抗干扰能力，从而提高系统的容量和覆盖，带来软切换增益。软切换机制主要提供了以下3种增益：
    a）宏分集增益：对抗慢衰落和由于移动台移动到角落而导致信号强度突然下降的分集增益。
    b）微分集增益：对抗快速衰落的分集增益。
    c）下行链路负载分担：软切换中的移动台同时接收来自多个NodeB的功率，这样，如果软切换连接为N路，移动台得到的最大网络传输功率就为平常的N倍，相当于扩大了系统的覆盖范围。
    考虑2个NodeB间软切换的情况，上行链路和下行链路的软切换增益分别为1.8dB和2.3dB左右。
    然而，软切换不可避免地要带来软切换开销。软切换开销β定义为：
    β=■nPn-1
    式中：
    M——有效集的长度
    Pn——UE处于n路软切换的平均概率
    由于移动台和NodeB间的每个连接都需要占用逻辑基带资源和RNC资源，并且要在Iub口上预留出传输容量，因此软切换开销代表了对实现软切换所需要的额外硬件/传输资源的估计值。典型的取值范围是软切换开销占3扇区的标准六边形小区资源的20%～40%。过高的软切换开销会降低下行链路的容量。
    考虑软切换开销的影响，每个软切换连接都会增加对网络传输的干扰，如果增加的干扰超过了获得的软切换增益，软切换就不能给系统性能带来任何的好处，因此在WCDMA系统的网络规划和优化中，对软切换参数的正确设置是非常重要的。
    中断概率和接纳失败概率这两个性能指标可定量地分析软切换参数对系统性能的影响。中断概率指的是无线信号的信干比低于目标信干比，使得接收端无法正确接收的概率；接纳失败概率指的是移动台发起的业务请求不能被接纳的概率。显然，这两个指标越低说明系统性能越好。
    4.1有效集增加门限（T_ADD）的设置
    T_ADD这一门限值控制了进入有效集的导频信号，当T_ADD越大时，导频信号越容易进入有效集，处于软切换状态的移动台数量就越多。
    如图3所示，T_ADD由1dB变化到6dB时，系统性能在2dB左右达到最佳。T_ADD取值过小时，只有极少数的移动台处于软切换状态，这将限制软切换作用的发挥，不能充分体现软切换带来的增益，此时系统性能无法达到最佳。随着T_ADD取值的增大，软切换的比例越来越大，冗余信道也越来越多，更多的功率资源被分配给了因软切换而增加的冗余信道，当T_ADD大于3 dB以后，系统性能又随着T_ADD的增大而下降。因此，T_ADD参数的典型取值为1～3 dB。
    4.2有效集替换门限（T_REPLACE）的设置
    T_REPLACE门限是将候选集中的导频信号替换进入有效集的控制门限，T_REPLACE取值越高，则对候选集中的导频信号的Ec/Io要求就越高，候选集中的导频信号越不容易被替换进入有效集，这样软切换的比例就越小。
    T_REPLACE的取值对系统性能的影响并不大，这是因为在实际的系统运行中，发生导频信号替换的几率比较低。T_REPLACE参数的典型取值为1～3dB。
    4.3有效集删除门限（T_DROP）的设置
    T_DROP门限功能是控制导频信号在恰当的时机退出有效集。T_DROP取值越大，则有效集中导频信号的Ec/Io差异就越大，因此导频信号就越容易留在有效集中。也就是说，T_DROP取值越大，处于软切换状态的移动台数量就越多，从这个角度来看，T_DROP和T_ADD有基本上相同的功能。
    比较可以发现，T_DROP和T_ADD对系统性能的影响类似，但参数取值并不相同，当T_DROP为3.5dB左右时，系统性能达到最佳，而过高或过低时都会影响系统性能。T_DROP参数的典型取值为2～5dB。
    4.4触发时间（ΔT）的设置
    ΔT是软切换中建立切换所需的时间段。如果ΔT太小，将产生不必要的切换，导致往返不断地增加、替换或删除导频；而如果ΔT太大，系统更容易出现三小区的软切换，耗费更多的软切换开销。因此ΔT的值应当折衷选择，一般ΔT参数的典型取值为0～2s。
    5  结束语
    在WCDMA系统中，切换是必不可少的过程，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NodeB转移到另一个NodeB，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，WCDMA系统主要由混合小区组成，因而切换会以较高的频率发生。设计快速而可靠的切换机制，是决定WCDMA系统网络性能优劣的关键因素之一。
    切换控制对系统性能影响的好坏与切换参数的设置有很大关系，在实际的WCDMA系统设计中，设计人员应充分把握这一点，做好切换参数的设置工作，以达到提高系统的容量和覆盖、改善服务质量的目的。
    作者：刘鸣  袁超伟  黄守勇