WCDMA系统软容量和软切换技术.docx

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WCDMA系统软容量和软切换技术

摘 要

在移动通信系统中的规划和设计中，无线资源的管理与控制居于中心地位，对系统的整体性能产生重要的影响。

而切换是无线资源管理功能中的重要一部分，直接影响着系统的容量和服务质量，同时也是蜂窝系统所独有的功能和关键特征。

用户终端在最初的小区与网络实现连接之后，由于各种原因有可能离开这个小区的服务范围，移动通信系统中的切换过程就是将用户终端的连接切换到其他小区，从而使得通信服务不中断。

在WCDMA、CDMA2000系统中支持软切换、硬切换、更软切换；TD-SCDMA系统中支持硬切换、接力切换。

我们都知道CDMA系统的容量是软容量，任何能够减少发射功率的技术都可以带来容量的增加。

另外，CDMA系统的容量应从上行和下行分别考虑。

软切换对容量的影响从上行角度是起到增加系统容量的作用，因为不论是否采用软切换，相关的基站都在接收上行信号，只是如果采用软切换的话，这些信号将成为有用信号从而使手机可以降低发射功率并带来上行容量的增加。

但在下行软切换会使系统下行容量减少，因为原来只有一个基站在发射功率，现在是M个基站在发射功率，并且M个基站并不能实现各用1/M的功率来发射，所以在下行无线环境实际是增加了发射功率从而带来容量的下降。

【关键词】移动通信系统 容量 切换 功率

ABSTRACT

Intheprogrammingandthedesignofthemobilecommunicationsystems,themanagementandthecontroloftheradioresourceoccupiesthecentralstatus,ithasanimportantinfluencetooverallperformanceofthesystem.Handofftechnologyisanimportantpartinthefunctionoftheradioresourcemanagement,itdirectlyaffectsthecapacityandthequalityofserviceofthesystem,simultaneouslyitisalsotheparticularfunctionandtheessentialcharacteristicinacellularsystem.Aftertheuserequipmentconnectswiththenetworkininitialcell,itmayleavetherange-servingofthecellbecauseofeachkindofreasons.Thehandoffprocessinmobilecommunicationsystemmeanscuttheconnectionofinitialcellandconnectwithothercells,itcanmakecommunicationwithoutinterrupting.InthesystemofWCDMAandCDMA2000,itsupportsofthandoff,hardhandoff,softerhandoff.InthesystemofTD-SCDMA,itsupporthardhandoff,relayhandoff.

WeallknowthatthecapacityofCDMAsystemissoftcapacity,canreducetheemissionpowerofanytechnologycanbringthecapacityincrease.Inaddition,theCDMAsystemcapacityshouldfromupstreamanddownstreamareconsidered.Softhandoveroncapacityeffectsfromupwardangleistoincreasethesystemcapacity,becausewhetherornotusingsoftswitching,relatedtothebasestationarereceivinganupstreamsignal,butiftheuseofsofthandoff,thesignalwillbeusefulsignalsothatthemobilephonecanreducethetransmitpowerandbringtheuplinkcapacityincrease.Butinthedownlinksofthandoverdownlinkcapacitywilldecrease,becauseonlyonebasestationintransmissionpower,isnowinMbasestationtransmitpower,andMbasestationandcan-notrealizetheuseof1/Mpowertolaunch,sointhewirelessenvironmentisactuallyincreasesthetransmissionpowertobringcapacitydecline.

【Keywords】MobileCommunicationSystems Capacity Handoff Power

目 录

前 言……………………………………………………………………………………1

第一章移动通信系统概述……………………………………………………………..2

第二章WCDMA系统的基本介绍…………………………………………………….5

第一节WCDMA系统的参数……………………………………………………….5

第二节WCDMA系统的信道编码、功率控制及网络结构……………………….6

一、WCDMA系统的信道编码…………………………………………………...6

二、功率控制………………………………………………………………………7

三、WCDMA系统网络结构……………………………………………………...8

第三节本章小结……………………………………………………………………..9

第三章软切换的原理及关键技术分析……………………………………………….10

第一节软切换原理………………………………………………………………….10

一、切换的定义……………………………………………………………………10

二、切换的过程……………………………………………………………………10

三、切换的分类……………………………………………………………………11

第二节WCDMA系统软切换过程分析………………………………………….....13

一、同RNC内软切换…………………………………………………………….14

二、不同RNC间的软切换……………………………………………………….15

三、NodeB内的更软切换………………………………………………………..16

第三节本章小结…………………………………………………………………….16

第四章WCDMA系统软容量分析…………………………………………………....18

第一节WCDMA软容量和软覆盖…………………………………………………18

一、WCDMA系统软容量的定义………………………………………………..18

二、WCDMA系统软容量和软覆盖……………………………………………..18

第二节以话音用户数表征的系统容量…………………………………………….21

一、话音业务与AMR模式………………………………………………………21

二、WCDMA系统的容量……………………………………………………….21

第三节以话音、数据用户数表征的系统容量……………………………………23

第四节本章小结……………………………………………………………………24

致 谢…………………………………………………………………………………..25

参考文献………………………………………………………………………………..26

附 录…………………………………………………………………………………..27

前 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AMPS、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美的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，产生了即将试用的第三代移动通信技术CDMA（码分多址）。

随着移动通信的发展，运营商和用户对业务拓展的需求不断增强，移动通信正在向着以CDMA为基础，以宽带化通信为特征的第三代3G技术发展。

鉴于CDMA技术的优越性，3G的三大主流标准CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA都是基于CDMA技术的。

3G投入正式运营后，3G用户将获得宽带多媒体和高速率数据的无线移动通信服务。

第一章 移动通信系统概述

个人通信（PersonalCommunications）是人类通信的最高目标，它是用各种可能的网络技术实现任何人（whoever）在任何时间（whenever）、任何地点（wherever）与任何人（whoever）进行任何种类（whatever）的信息交换。

1946年第一个推出移动电话的AT&T的先驱者，正是他们为通信领域开辟了一个崭新的发展空间。

20世纪70年代末蜂窝移动通信系统的推出使移动通信真正走向广泛的商用。

蜂窝移动通信系统从技术上解决了频率资源有限，用户容量受限，无线电波传输时的干扰等问题。

20世纪70年代末的蜂窝移动通信采用的空中接入方式为频分多址接入方式，即FDMA方式。

其传输的无线信号为模拟量，因此人们称这种移动通信系统为模拟通信系统，也称为第一代移动通信系统（1G）。

这种系统的典型代表有美国的AMPS（AdvancedMobilePhoneSystem）系统、欧洲的TACS（TotalAccessCommunicationSystem）系统等。

而我国建设移动通信系统的初期主要就是引入这两类系统。

随着移动通信市场的发展，对移动通信技术提出了更高的要求。

由于模拟系统本身的缺陷，如频率效率低、网络容量有限、保密性差等，已使得模拟系统无法满足人们的需求，于是在20世纪90年代初期开发出了基于数字通信的移动通信系统，即数字蜂窝移动通信系统，也就是第二代移动通信系统（2G）。

第二代数字蜂窝移动通信系统克服了模拟系统存在的许多缺陷，因此2G系统一经推出就备受人们瞩目，得到了迅猛的发展。

在实际年内就成为了世界范围内最大的移动通信网，几乎完全取代了模拟移动通信系统。

在我们国家已经完全取代了模拟系统。

而在当今的数字蜂窝移动通信系统中，最具代表性的就是GSM和CDMA系统。

这两大系统在目前世界数字通信市场占据着主要份额。

GSM系统的空中接口采用的是时分多址（TDMA）的接入方式，到目前为止GSM还是全世界最大的移动网。

GSM是为了解决欧洲第一代蜂窝系统四分五裂的状态而发展起来的。

在GSM之前，欧洲各国在欧洲大陆上采用了不同的蜂窝标准，对用户来讲，就不能用一种制式的移动台在整个欧洲进行通信。

另外，由于模拟网本身的弱点，它的容量也受到了限制。

为此欧洲电信联盟在20世纪80年代就开始研制一种覆盖全欧洲的移动通信系统，即现在被人们称为GSM的系统。

而如今GSM移动通信系统已经遍及全世界，即所谓的“全球通”。

CDMA采用的是码分多址接入方式。

从当前人们对无线接入方式的认识角度来讲，码分多址技术有其独特的优越性。

CDMA技术最先由美国高通（Qualcomm）公司提出的，并在1980年11月在美国的圣地亚哥利用两个小区基站和一个移动台，对窄带CDMA进行了首次现场试验。

1990年1月6日高通发布了CDMA“公共空中接口”规范的第一个版本。

1995年，正式的CDMA标准出台了，即IS-95A。

CDMA技术向人们展示的是它独特的无线接入技术：

系统区分地址时在频率、时间和空间上是重叠的，它使用准正交的地址码来完成对用户的识别。

这种技术带来的好处有：

①多种形式的分集（时间分集、空间分集和频率分集）；②低的发射功率；③保密性；④软切换；⑤大容量；⑥话音激活技术；⑦频率再用及扇区化；⑧低的信噪比或载干比需求；⑨软容量。

这些特性在满足用户需求方面具有独特的优势，因此得到了迅速发展。

而当今的3G技术大多采用了CDMA无线接入方式。

尽管基于语音通信业务的移动通信网已经足以满足人们对于话音移动移动通信的需求，但是随着人们对数据通信业务的需求日益增高，人们已不再满足话音业务为主的移动通信网所提供的服务了。

特别是Internet的发展大大推动了人对数据业务的要求。

为此人们着手开发基于2G系统的数据系统，在不大量改变2G系统的条件下，适当增加一些网络喝一些适合数据业务的协议，使系统可以以较高效率传送数据业务。

如目前的GPRS/EDGE和CDMA20001x就是这样的系统，现在已在我国组网投入商用。

尽管2.5G系统可以方便地传输数据业务，但是没有从根本上解决无线信道传输速率低的问题，所以2.5G只是一个过渡产品。

而第三代移动通信系统（3G）的出现基本到达人们对快速传输数据业务的需求。

第三代移动通信（TheThirdGenerationMobileCommunication,3G），又被国际电联（InternationalTelecommunicationUnion,ITU）称为IMT—2000，是指在2000年左右开始商用并工作在2000MHz频段上的国际移动通信系统。

第三代移动通信标准规范具体有第三代移动通信合作伙伴项目（3GPartnershipProject，3GPP）和第三代移动通信合作伙伴项目（3GPartnershipProject2,3GPP2）负责。

目前主要的3G技术有：

CDMA-2000、TD-SCDMA、WCDMA、WIMAX。

3G的目标主要有以下几个方面：

①全球漫游，以低成本的多模手机来实现。

全球具有公共频段，用户不再局限于一个地区和一个网络，而能在整个系统和全球漫游；在设计上具有高度的通用性，拥有足够的系统容量和强大的多种用户管理能力，能提供全球漫游；是一个覆盖全球的、具有高度智能和个人服务特色的移动通信系统。

②适应多种环境，采用多层小区结构，即微微蜂窝、微蜂窝、宏蜂窝，将地面移动通信系统和卫星移动通信系统结合在一起，与不同网络互通，提供无缝漫游和业务一致性，网络终端具有多样性，并与第二代系统共存和互通，开放结构，易于引入新技术。

③能提供高质量的多媒体业务：

包括高质量的话音、可变速率的数据、高分辨率的图像等多种业务，实现多种信息一体化。

④足够的系统容量、强大的多种用户管理能力、高保密性能和服务质量。

用户可以用唯一个人电信号码（PTN）在任何终端上获取所需要的电信业务

。

第二章 WCDMA系统的基本介绍

第一节 WCDMA系统的参数

目前，WCDMA（WidebandCodeDivisionMultipleAccess）技术已经成为被广泛采纳的第三代空中接口标准之一，WCDMA可分为UTRA（UniversalTerrestrialRadioAccess,通用陆地无线接入）FDD和UTRATDD，WCDMA涵盖了FDD和TDD两种操作模式。

表2.1所示为WCDMA空中接口的主要参数。

表2.1WCDMA的主要参数

参数

数值

多址接入方式

DC-CDMA

双工方式

FDD/TDD

基站同步

异步方式

码片速率

3.84Mchip/s

帧长

10ms

载波带宽

5Mchip/s

多速率

可变的扩频因子和多码

检测

使用导频符号或公共导频进行相关检测

多用户检测、智能天线

标准支持，应用时可选

业务复用

具有不同服务质量要求的业务复用到同一连接中

WCDMA是一个宽带直扩码分多址（DC-CDMA）系统，即通过用户数据与由CDMA扩频码得来的伪随机比特（码片）相乘，从而把用户信息比特扩展到更宽的带宽上去。

为支持高比特速率，才用了可变扩频因子和多码连接。

使用3.84Mchip/s的码片速率需要大约5MHz的载波宽带。

宽带约为1MHz的DS-CDMA系统，如CDMAIS-95，通常称为窄带CDMA系统。

WCDMA所固有的较宽的载波宽带使其能支持较高的用户数据速率。

WCDMA支持各种可变的用户数据速率，换句话说，它可以很好地支持带宽需求（BoD）的概念。

给每个用户都分配一些10ms的帧，在每个10ms期间，用户数据速率是恒定的。

然而这些用户之间的数据容量从帧到帧是可变的，这种快速的无线容量分配一般是由网络来控制，以到达分组数据业务的最佳吞吐量。

WCDMA支持两种基本工作方式：

频分双工和时分双工。

在FDD模式下，上行链路和下行链路分别使用两个独立的5MHz载波；在TDD模式下只用一个5MHz载波，在上下链路间分时共享。

上行链路是移动台到基站的连接，下行链路是基站到移动台的连接。

TDD模式在很大程度上是基于FDD模式的概念和思想，加入它是为了弥补基本WCDMA系统的不足，也是为了能使用ITU为IMT-2000分配的那些不成对的频谱。

WCDMA支持异步基站操作，这样就不用像同步的CDMAIS-95系统那样需要使用一个全局的时间参考量。

WCDMA在上行和下行链路中采用了基于导频符号或公共导频的相干检测。

CDMAIS-95虽在下行链路使用了相干检测，但是在公众CDMA系统中上行链路使用的相干检测是一种新技术，这将全面增加上行链路的覆盖和容量。

WCDMA能与GSM协同工作，又因为WCDMA支持与GSM之间的切换，从而能够在引入WCDM后到达增强GSM覆盖的目的。

第二节 WCDMA信道编码、功率控制及网络结构

一、WCDMA系统的信道编码

WCDMA的信道编码包括以下几部分：

纠错编码/译码（包括速率适配），交织/解交织，传输信道映射至/分离出物理信道。

差错控制方案决定信道编码性能。

WCDMA传输信道提供了两类纠错方式，即前向纠错（FEC）和自动重发请求（ARQ）。

FEC是无线业务最基本的纠错方式，ARQ则是作为一种补充方式。

而在WCDMA中，建议了4种前向信道纠错码，卷积码、RS码与卷积码的串行级联、Turbo码和业务专用编码。

（一）卷积码

卷积码用于BER为10

级别的业务中，典型的有传统的语音业务。

所用卷积码的码型和编译码方法基本上是对第二代移动通信系统的继承。

（二）RS码与卷积码的串行级联

这种串行级联码用于BER为10

~10

的业务中，RS码是256进制，码率在4/5左右，码长根据业务速率和时延的要求可在一定范围内变化。

RS码与卷积码之间通过交织相联接，交织的范围可在20～150ms之间变化，属于帧间交织。

（三）Turbo码

Turbo码用于高速率和高质量的业务。

（四）业务专用码

上述标准信道方法之外的一种编码选择。

（五）四种信道编码的优缺点

RS码与卷积码的串行级联码的优点是结合了RS码纠正突发错误的能力和卷积码纠正随机错误的能力，有系统的编码理论基础，技术成熟。

Turbo码的优点则是性能非常好，接近香农极限，译码复杂度不高，缺点是计算量较大，有可能引入较大时延。

二、功率控制

快速、准确的功率控制是保证WCDMA系统性能的基本要求，尤其在上行链路中。

如果没有功率控制，超大功率发射的移动台就会阻塞整个小区。

图2.1所示为功率控制和采用闭环传输功率控制形式的方案。

移动台MS1和MS2工作在同一频率，基站只依靠两者各自的扩频码来区分他们。

MS1处在小区边缘，MS2处于靠近基站的位置，MS1的路径损耗要比MS2高，如果没有采用某种功率控制机制来使两个移动台到达基站的功率在相同电平上，MS2的发射功率很容易大于MS1的发射功率，进而阻塞小区大部分区域的通信，这就产生了CDMA系统中被

P1

MS1

P2

MS2

BS

图2.1CDMA中闭环功率控制

称为“远近效应”的问题。

从容量最大化的意义上讲，优化策略是在所有时间内使基站接收到的所有移动台的比特功率都相等。

三、WCDMA系统的网络结构

（一）UE

UE（UserEquipment）是用户终端设备。

主要包括射频处理单元、基带处理单元、协议栈模块以及应用层软件模块等。

UE通过Uu接口与网络设备进行数据交互，为用户提供电路域和分组域内的各种业务功能，包括普通语音数据通信移动多媒体、Internet应用。

UE包括ME（MobileEquipment）和USIM（UMTSSubscriberModule）。

ME是提供应用和服务；而USIM则提供用户身份识别。

（二）NodeB

UTRAN即陆地无线接入网，分为基站（NodeB）和无线网络控制器（RNC）。

NodeB是WCDMA系统的基站，即无线收发信机，包括无线收发信机和基带处理部件，通过标准的Iub接口和RNC互连，主要完成Uu接口物理层协议的处理。

主要功能是扩频调制信道编码及解扩频调制信道编码，此外还包括基带信号和射频信号的相互转换。

（三）RNC

RNC（RadioNetworkController）是无线网络控制器，主要完成连接建立和断开切换宏分集，合并无线资源管理控制

。

第三节 本章小结

WCDMA可分为UTRA（UniversalTerrestrialRadioAccess,通用陆地无线接入）FDD和UTRATDD，WCDMA包括FDD和TDD两种操作模式。

WCDMA空中接口的主要参数有：

多址接入方式、双工方式、基站同步、码片速率、载波带宽等。

WCDMA系统的信道编码包括以下几部分：

纠错编码/译码（包括速率适配），交织/解交织，传输信道映射至/分离出物理信道。

差错控制方案的优劣直接影响信道编码性能，WCDMA系统有两种纠错方式：

前向纠错（FEC）和自动重发请求（ARQ）。

而在WCDMA系统中，有四种前向信道纠错码：

卷积码、RS码与卷积码的串行级联、Turbo码和业务专用编码。

功率控制可直接影响系统性能。

在这里主要介绍了WCDMA系统中网络结构的三个部分：

UE（UserEquipment）即用户终端设备、RNC（RadioNetworkCo