CDMA數字移動通信系統的軟切換技術

2019-11-03 09:51:02

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CDMA數字移動通信系統的軟切換技術摘要：CDMA已被廣泛接收為第三代移動通信系統的重要技術，軟切換是Is－95A系統引入的一個嶄新的概念，除了技術實現上的改善外，還給通信話音質量、系統容量等方面帶來了突破。本文將重點研究IS－95／CDMA系統中軟切換技術及其實現的考慮。關鍵詞：CDMA 軟切換技術 IS-95A1引言移動通信以其特有的靈活、便捷的優點符合了現代社會人們對通信技術的要求，成為80年代中期以來發展最為迅速的通信方式。移動通信技術經歷了從模擬調制到數字調制技術的發展。第一代采用頻分多址（FDMA）模擬調制方式，其主要代表有美國的AMIS、英國的TACS、北歐的NMT等。這種系統的主要缺點是頻譜利用率低，信令干擾話音業務。第二代蜂窩系統采用時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）的數字調制方式，提高了系統容量，并采用獨立信道傳送信令，使系統性能大為改善。TDMA的兩個典型代表是北芙的IS－54系統和歐洲的GSM系統。TDMA方式的主要缺點是：（1）系統容量仍不理想；（2）和FDMA方式一樣，TDMA方式的越區切換性能仍不完善。為克服FDMA和TDMA兩種多址方式的缺點，北美推出了IS－95／CDMA數字移動通信系統。IS－95／CDMA系統以其頻率規劃簡單、系統容量大、頻率復用系數高、抗多徑能力強、通信質量好、軟容量等特點顯示出巨大的發展潛力，立即在全世界范圍內掀起一股研究CDMA技術的熱源。隨著社會進步及用戶數量的急劇增長，頻率資源日益緊張，要求第三代移動通信系統IMT-2000能提供更大的系統容量，更高的通信質量，并能提供ZMbpS數據業務，以滿足人們對多媒體通信的要求并適應通信個人化的發展方向。第三代數字蜂窩移動通信系統的兩大主要候選方案是北美的CDMA2000系統和歐洲的WCDMA系統，都是建立在CDMA技術基礎上，CDMA已被廣泛接收為第三代移動通信系統的重要技術。第三代移動通信區別于現有的第一代和第二代移動通信系統的主要特點概括為：（1）全球普及和全球無縫漫游的系統：第二代移動通信系統一般為區域或國家標準，而第三代移動通信系統將是一個在全球范圍內覆蓋和使用的系統。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，但在美國部分頻段已用于PCS。目前的230MHz頻段只是IMT－20000計劃頻譜的一小部分，ITU即將完成擴展頻譜的規劃），全球統一標準。（2）具有支持多媒體業務的能力，特別是支持Internet業務：現有的移動通信系統主要以提供話音業務為主，隨著技術的發展，一般也僅能提供100kb／s－2000kb/S的數據業務，GSM演進到最高階段的速率能力為384kb/s而第三代移動通信的業務能力將比第二代有明顯的改進。它應能支持從話音到分組數據到多媒體業務；應能根據需要，提供帶寬。ITU規定的第三代移動通信無線傳輸技術的最低要求中，必須滿足以下三個環境的三種要求。即： ·快速移動環境，最高速率達144kb/s ·室內環境，最高速率達2Mb／S ·室外到室內或步行環境，最高速率達384kb／s （3）便于過渡、演進：由于第王代移動通信引人時，第二代網絡已具有相當規模，所以第三代的網絡一定要能在第二代網絡的基礎上逐漸靈活演進而成，并應與固定網兼容。（4）高頻譜效率、高服務質量、低成本、高保密性。目前IMT－2000無線傳輸技術（RTT）提案有16個之多，其中地面系統RTT提案有10個，移動衛星系統的RTT提案有6個。從市場基礎及總體系統特征著，地面系統以歐洲UTRA（WCDMA／TD－CDMA）及美國CDMA2000這兩個提案最具競爭力，我國的RTT提案是TD－SCDMA。根據ITU的時間表，1999年底前將完成IMT－2000無線技術規范。軟切換是建立在CDMA系統宏分集接收基礎上的一項技術，已成功應用于Is－95／CDMA系統，并被第三代移動系統所采納。軟切換是IS－95A系統引入的一個嶄新的概念，除了技術實現上的改善外，還給通信話音質量、系統容量等方面帶來了突破。本論文將重點研究IS-95／CDMA系統中軟切換技術及其實現的考慮。2軟切換技術及其性能當移動臺慢慢走出原先的服務小區，將要進入另一個服務小區時，原基站與移動臺之間的鏈路將由新基站與移動臺之間的鏈路來取代，這就是切換的含義。IS－95A中支持三種類型的切換：1）軟切換：2）CDMA與CDMA的硬切換；3）CDMA至模擬的切換。當移動臺開始與一個新的基站聯系時，并不立即中斷與原來基站之間的通信，這種切換方式即為軟切換。軟切換僅僅能運用于具有相同頻率的CDMA信道之間。 EDMA、TDMA系統中廣泛采用硬切換技術，當硬切換發生時，因為原基站與新基站的載波頻率不同，移動臺必須在接收新基站的信號之前，中斷與原基站的通信。往往由于在與原基站鏈路切斷后，移動臺不能立即得到與新基站之間的鏈路，會中斷通信。另外，當硬切換區域面積狹窄時，會出現新基站與原基站之間來回切換的“乒乓效應”，影響業務信道的傳輸。在CDMA系統中提出的軟切換技術，很好地利用了直接擴頻系統的特點，與硬切換技術相比，具有以下更好的性能。1）軟切換發生時，移動臺只有在取得了與新基站的鏈接之后，才會中斷與原基站的聯系，通信中斷的概率大大降低；2）軟切換進行過程中，移動臺和基站均采用了分集接收的思想，有抵抗衰落的能力，不用過多增加移動臺的發射功率；同時，基站宏分集接收保證在參與軟切換的基站中，只需要有一個基站能正確接收移動臺的信號就可以進行正常的通信，由于通過反向功率控制，可以使移動臺的發射功率降至最小，這進一步降低移動臺對系統的干擾。3）進入軟切換區域的移動臺即使不能立即得到與新基站的鏈路，也可以進入切換等待的排隊隊列，從而減少了系統的阻塞率。3 IS-95A中的軟切換 IS－95A系統對軟切換作了以下的規定：軟切換的過程從移動臺開始，它必須不斷測量系統內導頻（Pilot）信道的信號強度。為了有效地對導頻信道進行搜索，IS－95A中的導頻信道被分為活動集、候選集、鄰近集和剩余集四個集合。活動集由具有足夠強度，并正在參與移動臺接收的導頻組成。候選集是由曾經在活動集中，或是強度超過T_ADD的有關導頻構成。鄰近集是由不在活動集與候選集中的、但有可能參與軟切換的導頻構成。剩余集是由目前頻率上的除了活動集、候選集、鄰近集以外的其它導頻構成。當移動臺測得鄰近集或剩余集中的一個導頻的強度超過T_ADD；或者候選集中的一個導頻的強度超過有效集中任意導頻強度的O.5xT COMP dB；或者有效集的導頻低于T_ADD，并且持續時間達到T_TDROP，移動臺會向基站發送“導頻強度測量消息”，報告導頻搜索的結果以及切換跌落定時器的狀態。同時，“導頻強度測量消息”中還應報告有關導頻信道相對于移動臺時間基準的相對時間間隔PllOT ARRIVAL。基站子系統BSS通過發送“切換指示消息”（即分配給移動臺的新的前向業務信道）來響應“導頻強度測量消息”。另外，“切換指示消息”也用來標識從活動集中去掉的導頻，移動臺將停止使用已從有效導頻集中去掉的導頻，并發出“切換完成消息”。軟切換時，與所有活動集中的導頻相聯系的前向業務信道將發送陳功率控制子信道以外的完全相同的調制符號。移動臺應該對相應的前向業務信道進行分集接收。移動臺必須支持最大達150PS的相對信號傳播延時。軟切換時，相同的前向功率控制子信道被劃分為不同的功率控制集。移動臺必須支持對屬于相同功率控制集中的功率控制子信道進行分集合并。當不同功率控制集的功率控制比特均指示發射功率上升時，移動臺提高發射功率；當任何一個功率控制集的功率控制比特指示發射功率下降時，移動臺降低發射功率。4移動臺軟切換技術的實現考慮為了達到IS－95A中軟切換的標準，移動臺設計中應考慮以下問題：導頻搜索的策略、導頻強度計算方法、導頻強度的報告、四種導頻集的維護。軟切換指令的執行、移動臺定時基準的調整、對宏分集的支持。在此只對前兩個問題及對宏分集的支持作討論。4.1導頻摸索的策略移動臺根據信令確定各個導頻集搜索窗的寬度，自發地、持續不斷地搜索四個導頻集中的導頻信號。對于活動集和候選集，搜索窗的中心應該在相應導頻的最先到達的可用徑位置附近，而對于鄰近集和剩余集，搜索窗的中心則定在相對于移動臺時間基準的64Chip整數倍偏移的位置上。移動臺按照活動集、候選集、鄰近集和剩余集的先后次序依次搜索。4.2導頻強度的計算根據IS－95A的建議，導頻強度應該為可能被分集合并所選用的K個有用徑的每Chip能量之和。為了避免復雜的比較電路，實際設計中，可以選K＝l或2，則只取搜索窗內最強一至兩徑的能量作為該導頻的強度。4.3對宏分集的支持如果移動信道中路徑傳播損耗指數為4，對數正態衰落的方差為8dB，最多時有三個基站參與的軟切換，可以在系統性能與復雜度之間達到最好的平衡。因此，在設計系統中，移動臺將只支持同時與三個基站進行軟切換即可可達到很好的系統性能。

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