CDMA数字移动通信系统的软切换技术

发布: 2010-10-20 00:53 | 作者: | 来源: | 字体: 小中大

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CDMA数字移动通信系统的软切换技术
    摘要：CDMA已被广泛接收为第三代移动通信系统的重要技术，软切换是Is－95A系
统引入的一个崭新的概念，除了技术实现上的改善外，还给通信话音质量、系统容量等
方面带来了突破。本文将重点研究IS－95／CDMA系统中软切换技术及其实现的考虑。
    关键词：CDMA  软切换技术  IS-95A
1引言
    移动通信以其特有的灵活、便捷的优点符合了现代社会人们对通信技术的要求，成
为80年代中期以来发展最为迅速的通信方式。移动通信技术经历了从模拟调制到数字调
制技术的发展。第一代采用频分多址（FDMA）模拟调制方式，其主要代表有美国的AMIS、
英国的TACS、北欧的NMT等。这种系统的主要缺点是频谱利用率低，信令干扰话音业务。
第二代蜂窝系统采用时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）的数字调制方式，提高了系
统容量，并采用独立信道传送信令，使系统性能大为改善。TDMA的两个典型代表是北芙
的IS－54系统和欧洲的GSM系统。TDMA方式的主要缺点是：（1）系统容量仍不理想；
（2）和FDMA方式一样，TDMA方式的越区切换性能仍不完善。为克服FDMA和TDMA两种多址
方式的缺点，北美推出了IS－95／CDMA数字移动通信系统。IS－95／CDMA系统以其频率
规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量等特点
显示出巨大的发展潜力，立即在全世界范围内掀起一股研究CDMA技术的热源。随着社会
进步及用户数量的急剧增长，频率资源日益紧张，要求第三代移动通信系统IMT-2000能
提供更大的系统容量，更高的通信质量，并能提供ZMbpS数据业务，以满足人们对多媒
体通信的要求并适应通信个人化的发展方向。第三代数字蜂窝移动通信系统的两大主要
候选方案是北美的CDMA2000系统和欧洲的WCDMA系统，都是建立在CDMA技术基础上，CDMA
已被广泛接收为第三代移动通信系统的重要技术。
    第三代移动通信区别于现有的第一代和第二代移动通信系统的主要特点概括为：
   （1）全球普及和全球无缝漫游的系统：第二代移动通信系统一般为区域或国家标准，
而第三代移动通信系统将是一个在全球范围内覆盖和使用的系统。它将使用共同的频段
（尽管WRC分配给IMT－2000）（使用的有1885MHz－2025MHz， 2110MHz－2200MHz频段，
但在美国部分频段已用于PCS。目前的230MHz频段只是IMT－20000计划频谱的一小部分，
ITU即将完成扩展频谱的规划），全球统一标准。
  （2）具有支持多媒体业务的能力，特别是支持Internet业务：现有的移动通信系统
主要以提供话音业务为主，随着技术的发展，一般也仅能提供100kb／s－2000kb/S的数
据业务，GSM演进到最高阶段的速率能力为384kb/s而第三代移动通信的业务能力将比第
二代有明显的改进。它应能支持从话音到分组数据到多媒体业务；应能根据需要，提供
带宽。ITU规定的第三代移动通信无线传输技术的最低要求中，必须满足以下三个环境
的三种要求。即：
    ·快速移动环境，最高速率达144kb/s
    ·室内环境，最高速率达2Mb／S
    ·室外到室内或步行环境，最高速率达384kb／s
    （3）便于过渡、演进：由于第王代移动通信引人时，第二代网络已具有相当规模，
所以第三代的网络一定要能在第二代网络的基础上逐渐灵活演进而成，并应与固定网兼
容。
    （4）高频谱效率、高服务质量、低成本、高保密性。
    目前IMT－2000无线传输技术（RTT）提案有16个之多，其中地面系统RTT提案有10个，
移动卫星系统的RTT提案有6个。从市场基础及总体系统特征着，地面系统以欧洲UTRA
（WCDMA／TD－CDMA）及美国CDMA2000这两个提案最具竞争力，我国的RTT提案是TD－SC
DMA。根据ITU的时间表，1999年底前将完成IMT－2000无线技术规范。
    软切换是建立在CDMA系统宏分集接收基础上的一项技术，已成功应用于Is－95／CD
MA系统，并被第三代移动系统所采纳。软切换是IS－95A系统引入的一个崭新的概念，除
了技术实现上的改善外，还给通信话音质量、系统容量等方面带来了突破。本论文将重
点研究IS-95／CDMA系统中软切换技术及其实现的考虑。
2软切换技术及其性能
    当移动台慢慢走出原先的服务小区，将要进入另一个服务小区时，原基站与移动台
之间的链路将由新基站与移动台之间的链路来取代，这就是切换的含义。IS－95A中支持
三种类型的切换：1）软切换：2）CDMA与CDMA的硬切换；3）CDMA至模拟的切换。当移动
台开始与一个新的基站联系时，并不立即中断与原来基站之间的通信，这种切换方式即
为软切换。软切换仅仅能运用于具有相同频率的CDMA信道之间。
    EDMA、TDMA系统中广泛采用硬切换技术，当硬切换发生时，因为原基站与新基站的
载波频率不同，移动台必须在接收新基站的信号之前，中断与原基站的通信。往往由于
在与原基站链路切断后，移动台不能立即得到与新基站之间的链路，会中断通信。另外，
当硬切换区域面积狭窄时，会出现新基站与原基站之间来回切换的“乒乓效应”，影响
业务信道的传输。
    在CDMA系统中提出的软切换技术，很好地利用了直接扩频系统的特点，与硬切换技
术相比，具有以下更好的性能。1）软切换发生时，移动台只有在取得了与新基站的链接
之后，才会中断与原基站的联系，通信中断的概率大大降低；2）软切换进行过程中，移
动台和基站均采用了分集接收的思想，有抵抗衰落的能力，不用过多增加移动台的发射
功率；同时，基站宏分集接收保证在参与软切换的基站中，只需要有一个基站能正确接
收移动台的信号就可以进行正常的通信，由于通过反向功率控制，可以使移动台的发射
功率降至最小，这进一步降低移动台对系统的干扰。3）进入软切换区域的移动台即使不
能立即得到与新基站的链路，也可以进入切换等待的排队队列，从而减少了系统的阻塞
率。
3 IS-95A中的软切换
    IS－95A系统对软切换作了以下的规定：
    软切换的过程从移动台开始，它必须不断测量系统内导频（Pilot）信道的信号强度。
为了有效地对导频信道进行搜索，IS－95A中的导频信道被分为活动集、候选集、邻近集
和剩余集四个集合。活动集由具有足够强度，并正在参与移动台接收的导频组成。候选
集是由曾经在活动集中，或是强度超过T_ADD的有关导频构成。邻近集是由不在活动集与
候选集中的、但有可能参与软切换的导频构成。剩余集是由目前频率上的除了活动集、
候选集、邻近集以外的其它导频构成。
    当移动台测得邻近集或剩余集中的一个导频的强度超过T_ADD；或者候选集中的一个
导频的强度超过有效集中任意导频强度的O.5xT  COMP dB；或者有效集的导频低于T_ADD，
并且持续时间达到T_TDROP，移动台会向基站发送“导频强度测量消息”，报告导频搜索
的结果以及切换跌落定时器的状态。同时，“导频强度测量消息”中还应报告有关导频
信道相对于移动台时间基准的相对时间间隔PllOT ARRIVAL。
    基站子系统BSS通过发送“切换指示消息”（即分配给移动台的新的前向业务信道）
来响应“导频强度测量消息”。另外，“切换指示消息”也用来标识从活动集中去掉的
导频，移动台将停止使用已从有效导频集中去掉的导频，并发出“切换完成消息”。
    软切换时，与所有活动集中的导频相联系的前向业务信道将发送陈功率控制子信道
以外的完全相同的调制符号。移动台应该对相应的前向业务信道进行分集接收。移动台
必须支持最大达150PS的相对信号传播延时。软切换时，相同的前向功率控制子信道被划
分为不同的功率控制集。移动台必须支持对属于相同功率控制集中的功率控制子信道进
行分集合并。当不同功率控制集的功率控制比特均指示发射功率上升时，移动台提高发
射功率；当任何一个功率控制集的功率控制比特指示发射功率下降时，移动台降低发射
功率。
4移动台软切换技术的实现考虑
    为了达到IS－95A中软切换的标准，移动台设计中应考虑以下问题：导频搜索的策略、
导频强度计算方法、导频强度的报告、四种导频集的维护。软切换指令的执行、移动台
定时基准的调整、对宏分集的支持。在此只对前两个问题及对宏分集的支持作讨论。
4.1导频摸索的策略
    移动台根据信令确定各个导频集搜索窗的宽度，自发地、持续不断地搜索四个导频
集中的导频信号。对于活动集和候选集，搜索窗的中心应该在相应导频的最先到达的可
用径位置附近，而对于邻近集和剩余集，搜索窗的中心则定在相对于移动台时间基准的
64Chip整数倍偏移的位置上。移动台按照活动集、候选集、邻近集和剩余集的先后次序
依次搜索。
4.2导频强度的计算
    根据IS－95A的建议，导频强度应该为可能被分集合并所选用的K个有用径的每Chip
能量之和。为了避免复杂的比较电路，实际设计中，可以选K＝l或2，则只取搜索窗内
最强一至两径的能量作为该导频的强度。
4.3对宏分集的支持
   如果移动信道中路径传播损耗指数为4，对数正态衰落的方差为8dB，最多时有三个
基站参与的软切换，可以在系统性能与复杂度之间达到最好的平衡。因此，在设计系统
中，移动台将只支持同时与三个基站进行软切换即可可达到很好的系统性能。