软切换对CDMA无线子系统影响及控制

2019-11-03 10:24:03

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中京网佳科技有限公司　刁兆坤

　　摘要：文章介绍了CDMA系统无线资源的软切换的管理与控制，包括切换类型、切换策略、无线网络设计对网络的影响、切换参数的设置、搜索窗参数设置、邻小区参数设置以及无线网络优化等内容。

　　关键词：软切换、激活集、候选集、邻集、剩余集、搜索窗、邻区列表

　　一、概论

　　无线资源的管理与控制在移动通信系统的设计和规划中居于中心地位，对系统的整体性能产生重要的影响。CDMA是一个自干扰系统，每个用户都对其它用户构成干扰，每个小区都对其它小区构成干扰。链路性能和系统容量取决于干扰功率的控制结果，因此进行干扰分析、功率配置和软切换规划等工作显得尤为重要。但是由于各种因素相互制约，往往牵一发而动全身。以软切换为例，它虽然能够改善(上行链路的容量)网络运行质量，但却影响了下行链路容量，因此需要将软切换区域控制在一个合理的范围。无线网络规划要负责适当的切换参数设置和站点规划，这样软切换的概率才不会超过期望值。在下行链路，每一个软切换会提高对网络的发射干扰，当增加的干扰超过分集增益时，软切换无法给系统性能提高任何增益。同时在下行链路，软切换连接比单一链路使用更多的正交码字。在上下行链路，软切换都需要基站中的基带资源，Abis接口的传输容量以及BSC资源。无线网络规划与优化的任务就是保持软切换的开销低于要求的阈值，并且在上下行链路提供足够的分集。

　　二、无线网络设计对CDMA系统切换因素的影响及控制

　　软切换是CDMA系统特有的关键技术之一，是系统无线资源与优化的重点，软切换算法和相关参数的设置直接影响着系统的容量和服务质量。软切换的使用将降低总体的手机发射功率，有利于系统容量的进一步提高；但另一方面，软切换占用了多个小区的物理信道单元，造成物理信道单元的浪费。因此必须对这两个方面予以协调和平衡。

　　1. 无线网络设计对CDMA系统切换的影响

　　在CDMA网络中容易出现导频污染、无主服务小区等共性问题。有时由于站址布局不合理或受地形地貌的影响，会有过多的无线信号能量投射到相邻小区，从而产生导频污染，在市区或郊区很容易发生这种现象。当在同一区域有过多强度接近的信号时，容易发生掉话。只有在设计阶段努力克服上述问题，才便于以后的网络优化。

　　虽然可通过改善T_ADD、T_COMP、T_DROP以及邻居列表设置等措施均可在一定程度上减少软切换的比例，但系统的背景噪声却无疑增加了。为从根本上改变这一局面，还须从各方面下功夫，尤其是在无线子系统设计的初期选站时就应该下大工夫，包括基站子系统中的基站位置选择应该较理想，基站高度合适，天线使用选择适当等方面。

　　目前CDMA基站选择要求与联通大部分GSM基站共站址，这就从选址的角度来说有了很多限制，比如说原GSM基站位置不理想，高度不适宜（过高或过低），天线安装位置受限，周围建筑物阻挡等等。虽然前期节约了工程投资，但如果系统软切换的范围控制不当，无形地浪费了系统后期的CE等资源。

　　2. 无线网络设计中对CDMA系统切换控制

　　(1) 站址选择控制

　　具体选择基站位置时需注意以下几个方面：

　　应尽量选择在规则蜂窝网孔中规定的理想位置，其偏差不应大于基站区半径的四分之一，以便以后的小区分裂；

　　市区基站中，对于小蜂窝区基站宜选高于建筑物平均高度但低于最高建筑物的楼房作为站址。避免选择今后可能有新建筑物影响覆盖区的站址。

　　基站的疏密布置应对应于话务密度分布，应在满足覆盖指标的前提下，使得在未来1-2年内，只需增加基站的FA或CE数量，而不对基站数量做较大调整就可满足容量需求，以避免对网络的覆盖和切换区的控制造成不利的后果；还应充分考虑基站的有效覆盖范围，使系统满足覆盖目标的要求；

　　(2) 天线选择控制

　　天线选择在基站子系统设计时非常重要，选择好坏直接决定覆盖区的覆盖范围和软切换区域大小。在选择天线时，可能选择的厂家天线参数不合适，如主波束垂直宽度过大将很难通过调节下倾角来控制覆盖区的范围，增益不够也会造成当调整机械下倾角时造成覆盖区变化等等。因市区软切换问题最突出，郊县软切换区域一般在30%以下，所以下面仅对市区天线选择提出相应的建议：

　　a.半功率波束宽度的选择：波束宽度选择的主要依据是具体的覆盖要求及干扰的控制。市区水平半功率角不宜大于65°，主要着眼点是从干扰控制出发的，90°及90°以上的天线由于其覆盖范围过大而不利于减少重叠覆盖，使得软切换区域过大，不利于干扰控制。市区天线水平半功率波束宽度宜选60~65°。

　　b.天线增益的选择：由于市区基站一般不要求大范围的覆盖距离，在较短的覆盖半径内由于垂直面波束宽度较大使信号更加均匀，因此建议选用中等增益的天线。根据目前天线型号，建议市区天线增益视基站疏密程度及城区建筑物结构等选用15～18dBi增益的天线。

　　c.下倾方式选择：由于市区的天线倾角调整相对频繁，且有的天线需要设置较大的倾角，而机械下倾不利于干扰控制，所以在可能的情况下建议选用预置下倾天线。设置天线下倾有两个目的：其一是因为CDMA系统是自干扰的系统，所以天线下倾是控制干扰的有效手段；其次，也是更重要的是，选择天线下倾能大大改善室内覆盖，尤其是改善密集城区的室内覆盖。

　　(3) 天线挂高选择控制

　　市区建筑物密集，穿透损耗大，无线传播环境复杂，基站覆盖距离小，天线挂高不宜选择太高，根据经验市区天线宜选择在30米左右，当然天线挂高应视当地的无线传播环境而定。由于CDMA系统的自干扰特性，任何程度的越区覆盖都会对本系统造成不同干扰程度的增加，因此天线挂高选择的不合适将直接对CDMA系统造成不利的影响。具体在选择天线安装位置时，应尽量让小区天线的背向波瓣被天然建筑物所阻挡，当然前提是小区的覆盖区形状不致被影响。

　　三、IS-95A CDMA系统中的软切换与参数设置

　　1. 软切换概述

　　软切换是CDMA中最值得讨论的特性。一方面它通过增加分集增强了性能，另一方面它在避免其它小区的过量干扰时很有用。

　　软切换不同于传统的硬切换过程。对于软切换来说，是否进行切换时一个有条件的选择。在能够进行功率控制的CDMA系统中采用软切换是非常可取的，因为在这样的系统中实行硬切换由一些潜在的困难。IS-95A把功率控制和软切换作为一种干扰抑制机制，并把功率控制用作克服远近效应的主要工具。进行功率控制的系统在工作过程中能够动态地调整发射机的功率，功率控制与软切换密切相关。在软切换中，移动台是连接到多个基站上的，它的功率控制由它接收到的最强信号的小区决定，当邻近小区的信号强度超过一个确定的值，但仍低于现有基站的信号强度时，移动台进入软切换状态。软切换能够保证移动台始终与它接收到信号最强的那个基站保持连接，而硬切换不能保证这一点。

　　2. 软切换的实现

　　在软切换中，多个小区同时支持移动台的呼叫，它是由MSC将来自不同基站的信号都送至MSC选择器，由选择器选择最好的一路再进行话音的编解码；更软切换则是由基站完成的，并不通知MSC，对移动台来说，来自不同扇区天线的信号相当于不同的多经分量，被合并成一个话音帧送至选择器作为此基站的语音帧。受移动台的限制，软切换仅仅能用于相同频率的CDMA信道之间。

　　导频搜索参数和导频强度测量消息传送规则始终被移动台按以下导频集表达：

　　有效导频集：分配给移动台的与前向业务信道相联系的导频信号。因为在移动台RAKE接收机中有三个分支，有效导频集中最多有三个导频信号。IS-95A允许有效集合最多有6个导频，其中每两个导频共用一个RAKE分支。基站通过使用分配消息和/或切换指示消息(HDM)通知移动台有效集合的内容。

　　候选导频集：当前不在有效导频集里，但是已经被移动台接收，有足够的强度表明与之相联系的前向业务信道能被成功解调的导频。候选集合的最大导频数为6个。

　　相邻导频集：当前不在有效导频集或候选导频集并且对切换来看与候选导频集的导频特性类似。导频的邻域都是在邻近地区的扇区或小区。相邻导频集的最多值为20，基站通过寻呼信道的系统参数消息给移动台发送初始邻域列表。

　　剩余导频集：在当前CDMA指配频率上，在当前系统里的所有可能导频集（PILOT_INCs的整数倍），但不包括在相邻导频集，候选导频集和有效导频集里的导频。

　　导频在这些组中的移动是由移动台对导频信号强度的估计以及一组门限来确定的，通过服务扇区来协调这种移动。移动台比较导频信号之间的强度以及每个导频功率与接受到的前向链路的总功率之比，以此来对导频进行估计。

　　IS-95A的切换过程示意图如下：

　　 IS-95A软切换过程示意图

　　（当P_REV_IN_USEs≤3或S_SLOPEs=0时）

　　

　　上图中P_REV_IN_USEs表示MS所使用的协议版本号，版本号越大，所支持的协议越新；S_SLOPEs即SOFT_SLOPEs，它是MS中的一个斜率参数，用于计算切换时判决导频强度加入或去掉的动态门限。

　　3.切换参数

　　有四个切换参数，即T_ADD、T_DROP、T_COMP与导频强度的测量有关，而T_TDROP是个定时器。在通话过程中之所以要移动台尽可能地检测到可以解调地基站，并把它们加入到切换中来有以下三个主要原因：第一是为了提高话音质量，其次是有效地控制移动台的干扰，最后是为了降低掉话率。

　　下面来简要分析与切换相关的参数。

　　(1)导频检测门限(T_ADD)

　　此参数用作移动台决定在什么时候将一个导频从邻集移动到候选集和送一个导频强度测量消息（PSMM）到基站。强度较强但不在HDM中的任何导频都是干扰源，该导频必须立即转移到有效集合进行切换，从而避免降低话音质量或中断呼叫。T_ADD会影响切换中移动台的百分率。

　　T_ADD值的设置范围是：1～63，默认值为24。建议设为26（-13dB）。

　　若该值太低（例如小于24），由于缺乏充分切换区域将导致过多的掉话和覆盖空洞；若该值太高（例如大于28），可能会导致切换区域过大，致使前向容量减小及由于大量信道卡的需要而导致网络成本增加；另外还会使呼叫和切换阻塞增加，而切换阻塞更容易引起掉话。

　　(2)门限比较(T_COMP)

　　当候选集中的一个导频比激活集中的一个导频高T_COMP/2时移动台送PSMM向基站指示该导频可以进入激活集。

　　T_COMP值的设置范围是：1～15, 默认值为5。建议值为5（2.5dB）。

　　设置T_COMP是要注意，较大的值将导致保持候选集中的导频比激活集中弱化的导频更可用，然而，如果设置的太大，会对切换引入很大的时延；较小的值导致由候选集和激活集中的导频强度比较触发的PSMM变得频繁。

　　(3)导频去掉门限(T_DROP)

　　如果一个激活或候选集的导频强度低于T_DROP，那么移动台就开始一个对应与该导频的切换结束定时器。

　　T_DROP值的设置范围是：1～63，默认值为28。建议设为30（-15dB）。

　　设置T_DROP时要考虑不能漏掉可用导频，并且还要考虑小区的大小和及时去掉不可用的导频。若该值太低（例如小于28），可能由于一个可用的导频太快地被移除而导致掉话，因为该导频在被移除后被看作是干扰；若该值太高（例如大于32），可能导致前向链路的损失及由于大量信道卡的需要而导致网络成本增加；另外由于切换区域增加还会增加呼叫阻塞和切换阻塞，切换阻塞还会导致掉话。

　　(4)衰减定时器门限(T_TDROP)

　　此参数为切换去掉计时器期满值，一旦一个激活集或候选集的导频强度低于T_DROP移动台就开始一个对应与该导频的切换结束定时器，若该定时器超过T_TDROP，移动台发PSMM指示该导频切换结束，希望把它从激活或候选集移动到邻集。

　　T_TDROP值的设置范围是：1～15，默认值为3。建议值为2（对应为2seconds）

　　若该值太高，弱的导频将在激活或候选集保留太长的时间，导致由于不可用导频存在而使激活或候选集混乱；高T_TDROP有时可以减少在反向业务信道的PSMM发生频率。

　　若该值太低，由于有用导频太早从激活或候选集移动到邻集而导致掉话，从而影响通话质量，特别是在邻集比较大的地方。

　　4.搜索窗参数

　　设置搜索窗口时其主要思想如下所述：

　　在搜索窗口大小和搜索速度之间要进行折中。

　　移动台检测不到搜索窗口外的导频，无论它们的强度多大。因此，未检测出的导频可能成为强干扰源。

　　如果导频不在邻近组的列表中，某些设备将不允许导频进入活动组。在这种情况下，建议在优化后将SRCH_WIN_R设置为零，防止移动台浪费时间来搜索不能用于切换的导频。

　　(1)有效导频集搜索窗口（SRCH_WIN_A）

　　有效导频集搜索窗口的设置决定了对无线信号由于地形和建筑物的反射所造成的多路径延迟的可接受度。参数SRCH_WIN_A决定了前向链路的有效导频集搜索窗口的设置，接入和业务信道的解调参数则决定了反向链路的有效导频集搜索窗口设置。将这些搜索窗口设置得过大会使得移动台搜索速度放慢导致误帧率和掉话率的上升，而将其设置得过小则会使得干扰增加导致基站发射功率上升、系统容量的下降和掉话率的上升。

　　根据IS-95A 规范， SRCH_WIN_A/N/R 取值定义如下：

　　表 1 SRCH_WIN取值列表

　　SRCH_WIN_A

　　SRCH_WIN_N

　　SRCH_WIN_R Window Size

　　

　　(PN chips) SRCH_WIN_A

　　SRCH_WIN_N

　　SRCH_WIN_R Window Size

　　(PN chips)

　　0 4 (2) 8 60 (30)

　　1 6 (3) 9 80 (40)

　　2 8 (4) 10 100 (50)

　　3 10 (5) 11 130 (65)

　　4 14 (7) 12 160 (80)

　　5 20 (10) 13 226 (113)

　　6 28 (14) 14 320 (160)

　　7 40 (20) 15 452 (226)　

　　有效导频集搜索窗口的设置决定激活和候选集导频搜索窗口的大小，它的中心是激活或候选集中最早到达的可用多径分量。一般只要将SRCH_WIN_A设成5(20 chips)就足以捕获所有的多径信号，反向链路的搜索窗口则会相应的调整。我们可以通过分析在路测中发生的掉话和PN扫描仪的数据来进行有效导频集搜索窗口尺寸的调整。

　　此参数值的设置范围是：0～15，系统默认值为6。本参数建议值为8（60 PN Chips）。根据经验，搜索窗口应足够大，能够覆盖导频可用多径成分中预计的最大到达时间差。

　　 (2)相邻导频集搜索窗口（SRCH_WIN_N）

　　邻集搜索窗口参数的设置决定了对手机主参考信号和其邻小区信号之间的时延的可接受度。参数SRCH_WIN_N决定了邻小区搜索窗口的尺寸，将其设置得过大会使得移动台搜索速度放慢导致误帧率和掉话率的上升，将其设置得过小会导致切换不能正常发生和掉话的产生。在优化过程中，我们可根据不同测试基站组群的要求在不同区域相应的调整这些搜索窗口。在大多数的城区，参数SRCH_WIN_N建议值为10（100chips）, 在大多数的郊区，我们建议值为13(226 chips)。

　　此参数值的设置范围是：0～15，系统默认值为8。该值的大小规定了半径为SRCH_WIN_N chips的区域，位于该区域之外的邻集可能会落在搜索窗之外，因此SRCH_WIN_N的值不能太小。

　　(3)剩余导频集搜索窗口（SRCH_WIN_R）

　　此参数值的设置范围是：0～15，默认值为2。初期建议值10（100chips），如果经优化后邻集列表设置得比较合理，在剩余集中几乎没有可能发生切换的导频，那么可将该值设置比较小。

　　若该值太低，剩余集导频可能丢失，中断次数会增加，因而影响了MSM的性能，但这个影响经常被忽略，因为剩余集导频是很少被搜索的。

　　若该值太高，移动台可能获得想要的扇区之外的其他扇区的多径；另外还增加了切换建立的延迟。

　　5.邻小区参数

　　(1)邻居列表

　　包含最多20个Neighbor Sector PN的表。

　　

　　邻小区的设置使得站和站之间的切换可以顺利进行。邻小区定义不全会导致较高的误帧率和掉话的产生，而邻小区列表定义过多则会导致比较长的检索时间、切换过慢和掉话的产生。我们需要根据对路测数据的分析对其进行优化，很强的干扰导频往往会降低CDMA系统的性能，改进的一种办法是增加强导频的空间隔离（比如调整天线下倾角），另一种办法是把强导频加到邻集列表里，但要注意邻集列表不易太多。

　　(2)导频偏移指数

　　该参数定义了整个系统内导频PN序列偏移索引增量。

　　

　　导频偏移指数设置范围：1～15。

　　我们可根据地形和基站相对位置来进行初始的PN规划。

　　有两个原因使得我们需要对PN偏置码的初始规划进行优化。其一是因为PN码的混淆。这种问题会发生在当两个同样的PN码被复用于过近的距离时，手机或者系统就不能确认手机接收到的是哪一个基站的信号，这就会在切换过程中造成问题，甚至会产生掉话。其二是因为PN码的干扰。当手机在一个区域内接收到两个相同的PN码的信号时，干扰问题就会产生。这就会导致很高的误帧率和掉话的产生。对于相邻的PN偏置码，如果当它们其中的一个经过一定的时延后使得手机认为两者为相同的PN码时，上述两种问题也可能产生。

　　该值太高，系统可指派的PN偏移就少，这样在某些地方就不得不采用PN Offset复用，从而可能出现CO－PN Offset干扰。

　　该值太低，系统可指派的PN偏移就多，但有可能出现ad－PN Offset干扰，导致被一个扇区的多径分量搞乱的两个不同扇区之间出现大的定时错误的可能性增加。

　　(3) NGHBR_MAX_AGE

　　NGHBR_MAX_AGE为相邻导频集的最大存活期，它定义一个PN在邻集中的最长时间（以收到邻居列表计算，每收到一个Neighbor List Update Message时Age增加1），当大于该值时，该PN进入剩余集。

　　范围：0～15，默认值为1。建议值为2。

　　该值太高，会使由激活和候选集降级下来的邻集导频变得太sticky，使得一些新的可能很关键的和临界的邻集导频可能加入不了移动台的邻集，这是因为移动台的邻集受到最大为20个PN的限制。

　　该值太低，会使由激活和候选集降级下来的邻集导频很快被移动到剩余集中，这使得减少了该导频被搜索到的可能性。

　　6.软切换的特性对网络的影响

　　软切换的主要优点是前向和反向业务信道的路径分集。因为在前向和反向链路上只需要较小的功率就可以获得分集增益，这意味着总的系统干扰减少了。结果提高了系统的平均容量。同时移动台发射功率的减少由延长了电池的使用时间，也就是延长了通话时间。

　　虽然软切换给系统带来了无可比拟的优点，但在CDMA下行链路中，因为基站为移动台发送附加的信号，所以软切换对系统也产生了更多的干扰。因为接收机的RAKE指针数量的限制，移动台有可能不能收集所有的基站发射的能量，所以下行信道的增益取决于宏分集增益和由此而带来的干扰造成的性能损耗。

　　软切换需要利用所有相关基站的信道单元来支持呼叫，因此降低干扰获得的收益必须与移动台进行软切换所投入的资源成本相平衡。如果门限太低，使得接近其服务基站的移动台可以与远端的小区进行软切换，那么只能产生边际效益。

　　

　　参考文献

　　[1] 3GPP2 C.S0005-A, Upper Layer (Layer 3) Signaling Standard for cdma2000 SPRead Spectrum Systems, June, 2000.

　　[2] Kyoung I1 Kim;刘晓宇,杜志敏. CDMA系统设计与优化.北京:人民邮电出版社,2000,12

　　[3]Vijay K. Garg，于鹏，白春霞，刘睿，第三代移动通信系统原理与过程设计 IS-95 CDMA和CDMA2000.北京:电子工业出版社,2001,1

　　The influence and control of soft handoff in the CDMA

　　Diao Zhaokun

　　Abstract This paper introduces the management and control of soft handoff in the CDMA on radio source. It includes the style of handoff, strategy in handoff, the influence on CDMA system in the BSS design, handoff parameters setting, search window setting, neighbor list setting and the optimizing of the radio network.

　　KeyWords soft handoff active set candidate Set neighbor set remain set search window neighbor list　

----《电信工程技术与标准化》