CDMA數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)的軟切換技術(shù)

CDMA數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)的軟切換技術(shù)
    摘要：CDMA已被廣泛接收為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要技術(shù)，軟切換是Is－95A系
統(tǒng)引入的一個(gè)嶄新的概念，除了技術(shù)實(shí)現(xiàn)上的改善外，還給通信話音質(zhì)量、系統(tǒng)容量等
方面帶來(lái)了突破。本文將重點(diǎn)研究IS－95／CDMA系統(tǒng)中軟切換技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)的考慮。
    關(guān)鍵詞：CDMA  軟切換技術(shù)  IS-95A
1引言
    移動(dòng)通信以其特有的靈活、便捷的優(yōu)點(diǎn)符合了現(xiàn)代社會(huì)人們對(duì)通信技術(shù)的要求，成
為80年代中期以來(lái)發(fā)展最為迅速的通信方式。移動(dòng)通信技術(shù)經(jīng)歷了從模擬調(diào)制到數(shù)字調(diào)
制技術(shù)的發(fā)展。第一代采用頻分多址（FDMA）模擬調(diào)制方式，其主要代表有美國(guó)的AMIS、
英國(guó)的TACS、北歐的NMT等。這種系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是頻譜利用率低，信令干擾話音業(yè)務(wù)。
第二代蜂窩系統(tǒng)采用時(shí)分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）的數(shù)字調(diào)制方式，提高了系
統(tǒng)容量，并采用獨(dú)立信道傳送信令，使系統(tǒng)性能大為改善。TDMA的兩個(gè)典型代表是北芙
的IS－54系統(tǒng)和歐洲的GSM系統(tǒng)。TDMA方式的主要缺點(diǎn)是：（1）系統(tǒng)容量仍不理想；
（2）和FDMA方式一樣，TDMA方式的越區(qū)切換性能仍不完善。為克服FDMA和TDMA兩種多址
方式的缺點(diǎn)，北美推出了IS－95／CDMA數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)。IS－95／CDMA系統(tǒng)以其頻率
規(guī)劃簡(jiǎn)單、系統(tǒng)容量大、頻率復(fù)用系數(shù)高、抗多徑能力強(qiáng)、通信質(zhì)量好、軟容量等特點(diǎn)
顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿Γ�立即在全世界范圍�?nèi)掀起一股研究CDMA技術(shù)的熱源。隨著社會(huì)
進(jìn)步及用戶數(shù)量的急劇增長(zhǎng)，頻率資源日益緊張，要求第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)IMT-2000能
提供更大的系統(tǒng)容量，更高的通信質(zhì)量，并能提供ZMbpS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，以滿足人們對(duì)多媒
體通信的要求并適應(yīng)通信個(gè)人化的發(fā)展方向。第三代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的兩大主要
候選方案是北美的CDMA2000系統(tǒng)和歐洲的WCDMA系統(tǒng)，都是建立在CDMA技術(shù)基礎(chǔ)上，CDMA
已被廣泛接收為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要技術(shù)。
    第三代移動(dòng)通信區(qū)別于現(xiàn)有的第一代和第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn)概括為：
   （1）全球普及和全球無(wú)縫漫游的系統(tǒng)：第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)一般為區(qū)域或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，
而第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)將是一個(gè)在全球范圍內(nèi)覆蓋和使用的系統(tǒng)。它將使用共同的頻段
（盡管WRC分配給IMT－2000）（使用的有1885MHz－2025MHz， 2110MHz－2200MHz頻段，
但在美國(guó)部分頻段已用于PCS。目前的230MHz頻段只是IMT－20000計(jì)劃頻譜的一小部分，
ITU即將完成擴(kuò)展頻譜的規(guī)劃），全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。
  （2）具有支持多媒體業(yè)務(wù)的能力，特別是支持Internet業(yè)務(wù)：現(xiàn)有的移動(dòng)通信系統(tǒng)
主要以提供話音業(yè)務(wù)為主，隨著技術(shù)的發(fā)展，一般也僅能提供100kb／s－2000kb/S的數(shù)
據(jù)業(yè)務(wù)，GSM演進(jìn)到最高階段的速率能力為384kb/s而第三代移動(dòng)通信的業(yè)務(wù)能力將比第
二代有明顯的改進(jìn)。它應(yīng)能支持從話音到分組數(shù)據(jù)到多媒體業(yè)務(wù)；應(yīng)能根據(jù)需要，提供
帶寬。ITU規(guī)定的第三代移動(dòng)通信無(wú)線傳輸技術(shù)的最低要求中，必須滿足以下三個(gè)環(huán)境
的三種要求。即：
    ·快速移動(dòng)環(huán)境，最高速率達(dá)144kb/s
    ·室內(nèi)環(huán)境，最高速率達(dá)2Mb／S
    ·室外到室內(nèi)或步行環(huán)境，最高速率達(dá)384kb／s
    （3）便于過(guò)渡、演進(jìn)：由于第王代移動(dòng)通信引人時(shí)，第二代網(wǎng)絡(luò)已具有相當(dāng)規(guī)模，
所以第三代的網(wǎng)絡(luò)一定要能在第二代網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上逐漸靈活演進(jìn)而成，并應(yīng)與固定網(wǎng)兼
容。
    （4）高頻譜效率、高服務(wù)質(zhì)量、低成本、高保密性。
    目前IMT－2000無(wú)線傳輸技術(shù)（RTT）提案有16個(gè)之多，其中地面系統(tǒng)RTT提案有10個(gè)，
移動(dòng)衛(wèi)星系統(tǒng)的RTT提案有6個(gè)。從市場(chǎng)基礎(chǔ)及總體系統(tǒng)特征著，地面系統(tǒng)以歐洲UTRA
（WCDMA／TD－CDMA）及美國(guó)CDMA2000這兩個(gè)提案最具競(jìng)爭(zhēng)力，我國(guó)的RTT提案是TD－SC
DMA。根據(jù)ITU的時(shí)間表，1999年底前將完成IMT－2000無(wú)線技術(shù)規(guī)范。
    軟切換是建立在CDMA系統(tǒng)宏分集接收基礎(chǔ)上的一項(xiàng)技術(shù)，已成功應(yīng)用于Is－95／CD
MA系統(tǒng)，并被第三代移動(dòng)系統(tǒng)所采納。軟切換是IS－95A系統(tǒng)引入的一個(gè)嶄新的概念，除
了技術(shù)實(shí)現(xiàn)上的改善外，還給通信話音質(zhì)量、系統(tǒng)容量等方面帶來(lái)了突破。本論文將重
點(diǎn)研究IS-95／CDMA系統(tǒng)中軟切換技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)的考慮。
2軟切換技術(shù)及其性能
    當(dāng)移動(dòng)臺(tái)慢慢走出原先的服務(wù)小區(qū)，將要進(jìn)入另一個(gè)服務(wù)小區(qū)時(shí)，原基站與移動(dòng)臺(tái)
之間的鏈路將由新基站與移動(dòng)臺(tái)之間的鏈路來(lái)取代，這就是切換的含義。IS－95A中支持
三種類(lèi)型的切換：1）軟切換：2）CDMA與CDMA的硬切換；3）CDMA至模擬的切換。當(dāng)移動(dòng)
臺(tái)開(kāi)始與一個(gè)新的基站聯(lián)系時(shí)，并不立即中斷與原來(lái)基站之間的通信，這種切換方式即
為軟切換。軟切換僅僅能運(yùn)用于具有相同頻率的CDMA信道之間。
    EDMA、TDMA系統(tǒng)中廣泛采用硬切換技術(shù)，當(dāng)硬切換發(fā)生時(shí)，因?yàn)樵�基站與新基站的
載波頻率不同，移動(dòng)臺(tái)必須在接收新基站的信號(hào)之前，中斷與原基站的通信。往往由于
在與原基站鏈路切斷后，移動(dòng)臺(tái)不能立即得到與新基站之間的鏈路，會(huì)中斷通信。另外，
當(dāng)硬切換區(qū)域面積狹窄時(shí)，會(huì)出現(xiàn)新基站與原基站之間來(lái)回切換的“乒乓效應(yīng)”，影響
業(yè)務(wù)信道的傳輸。
    在CDMA系統(tǒng)中提出的軟切換技術(shù)，很好地利用了直接擴(kuò)頻系統(tǒng)的特點(diǎn)，與硬切換技
術(shù)相比，具有以下更好的性能。1）軟切換發(fā)生時(shí)，移動(dòng)臺(tái)只有在取得了與新基站的鏈接
之后，才會(huì)中斷與原基站的聯(lián)系，通信中斷的概率大大降低；2）軟切換進(jìn)行過(guò)程中，移
動(dòng)臺(tái)和基站均采用了分集接收的思想，有抵抗衰落的能力，不用過(guò)多增加移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射
功率；同時(shí)，基站宏分集接收保證在參與軟切換的基站中，只需要有一個(gè)基站能正確接
收移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)就可以進(jìn)行正常的通信，由于通過(guò)反向功率控制，可以使移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射
功率降至最小，這進(jìn)一步降低移動(dòng)臺(tái)對(duì)系統(tǒng)的干擾。3）進(jìn)入軟切換區(qū)域的移動(dòng)臺(tái)即使不
能立即得到與新基站的鏈路，也可以進(jìn)入切換等待的排隊(duì)隊(duì)列，從而減少了系統(tǒng)的阻塞
率。
3 IS-95A中的軟切換
    IS－95A系統(tǒng)對(duì)軟切換作了以下的規(guī)定：
    軟切換的過(guò)程從移動(dòng)臺(tái)開(kāi)始，它必須不斷測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)導(dǎo)頻（Pilot）信道的信號(hào)強(qiáng)度。
為了有效地對(duì)導(dǎo)頻信道進(jìn)行搜索，IS－95A中的導(dǎo)頻信道被分為活動(dòng)集、候選集、鄰近集
和剩余集四個(gè)集合。活動(dòng)集由具有足夠強(qiáng)度，并正在參與移動(dòng)臺(tái)接收的導(dǎo)頻組成。候選
集是由曾經(jīng)在活動(dòng)集中，或是強(qiáng)度超過(guò)T_ADD的有關(guān)導(dǎo)頻構(gòu)成。鄰近集是由不在活動(dòng)集與
候選集中的、但有可能參與軟切換的導(dǎo)頻構(gòu)成。剩余集是由目前頻率上的除了活動(dòng)集、
候選集、鄰近集以外的其它導(dǎo)頻構(gòu)成。
    當(dāng)移動(dòng)臺(tái)測(cè)得鄰近集或剩余集中的一個(gè)導(dǎo)頻的強(qiáng)度超過(guò)T_ADD；或者候選集中的一個(gè)
導(dǎo)頻的強(qiáng)度超過(guò)有效集中任意導(dǎo)頻強(qiáng)度的O.5xT  COMP dB；或者有效集的導(dǎo)頻低于T_ADD，
并且持續(xù)時(shí)間達(dá)到T_TDROP，移動(dòng)臺(tái)會(huì)向基站發(fā)送“導(dǎo)頻強(qiáng)度測(cè)量消息”，報(bào)告導(dǎo)頻搜索
的結(jié)果以及切換跌落定時(shí)器的狀態(tài)。同時(shí)，“導(dǎo)頻強(qiáng)度測(cè)量消息”中還應(yīng)報(bào)告有關(guān)導(dǎo)頻
信道相對(duì)于移動(dòng)臺(tái)時(shí)間基準(zhǔn)的相對(duì)時(shí)間間隔PllOT ARRIVAL。
    基站子系統(tǒng)BSS通過(guò)發(fā)送“切換指示消息”（即分配給移動(dòng)臺(tái)的新的前向業(yè)務(wù)信道）
來(lái)響應(yīng)“導(dǎo)頻強(qiáng)度測(cè)量消息”。另外，“切換指示消息”也用來(lái)標(biāo)識(shí)從活動(dòng)集中去掉的
導(dǎo)頻，移動(dòng)臺(tái)將停止使用已從有效導(dǎo)頻集中去掉的導(dǎo)頻，并發(fā)出“切換完成消息”。
    軟切換時(shí)，與所有活動(dòng)集中的導(dǎo)頻相聯(lián)系的前向業(yè)務(wù)信道將發(fā)送陳功率控制子信道
以外的完全相同的調(diào)制符號(hào)。移動(dòng)臺(tái)應(yīng)該對(duì)相應(yīng)的前向業(yè)務(wù)信道進(jìn)行分集接收。移動(dòng)臺(tái)
必須支持最大達(dá)150PS的相對(duì)信號(hào)傳播延時(shí)。軟切換時(shí)，相同的前向功率控制子信道被劃
分為不同的功率控制集。移動(dòng)臺(tái)必須支持對(duì)屬于相同功率控制集中的功率控制子信道進(jìn)
行分集合并。當(dāng)不同功率控制集的功率控制比特均指示發(fā)射功率上升時(shí)，移動(dòng)臺(tái)提高發(fā)
射功率；當(dāng)任何一個(gè)功率控制集的功率控制比特指示發(fā)射功率下降時(shí)，移動(dòng)臺(tái)降低發(fā)射
功率。
4移動(dòng)臺(tái)軟切換技術(shù)的實(shí)現(xiàn)考慮
    為了達(dá)到IS－95A中軟切換的標(biāo)準(zhǔn)，移動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下問(wèn)題：導(dǎo)頻搜索的策略、
導(dǎo)頻強(qiáng)度計(jì)算方法、導(dǎo)頻強(qiáng)度的報(bào)告、四種導(dǎo)頻集的維護(hù)。軟切換指令的執(zhí)行、移動(dòng)臺(tái)
定時(shí)基準(zhǔn)的調(diào)整、對(duì)宏分集的支持。在此只對(duì)前兩個(gè)問(wèn)題及對(duì)宏分集的支持作討論。
4.1導(dǎo)頻摸索的策略
    移動(dòng)臺(tái)根據(jù)信令確定各個(gè)導(dǎo)頻集搜索窗的寬度，自發(fā)地、持續(xù)不斷地搜索四個(gè)導(dǎo)頻
集中的導(dǎo)頻信號(hào)。對(duì)于活動(dòng)集和候選集，搜索窗的中心應(yīng)該在相應(yīng)導(dǎo)頻的最先到達(dá)的可
用徑位置附近，而對(duì)于鄰近集和剩余集，搜索窗的中心則定在相對(duì)于移動(dòng)臺(tái)時(shí)間基準(zhǔn)的
64Chip整數(shù)倍偏移的位置上。移動(dòng)臺(tái)按照活動(dòng)集、候選集、鄰近集和剩余集的先后次序
依次搜索。
4.2導(dǎo)頻強(qiáng)度的計(jì)算
    根據(jù)IS－95A的建議，導(dǎo)頻強(qiáng)度應(yīng)該為可能被分集合并所選用的K個(gè)有用徑的每Chip
能量之和。為了避免復(fù)雜的比較電路，實(shí)際設(shè)計(jì)中，可以選K＝l或2，則只取搜索窗內(nèi)
最強(qiáng)一至兩徑的能量作為該導(dǎo)頻的強(qiáng)度。
4.3對(duì)宏分集的支持
   如果移動(dòng)信道中路徑傳播損耗指數(shù)為4，對(duì)數(shù)正態(tài)衰落的方差為8dB，最多時(shí)有三個(gè)
基站參與的軟切換，可以在系統(tǒng)性能與復(fù)雜度之間達(dá)到最好的平衡。因此，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)
中，移動(dòng)臺(tái)將只支持同時(shí)與三個(gè)基站進(jìn)行軟切換即可可達(dá)到很好的系統(tǒng)性能。