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1、关于CDMA技术中切换问题的探讨随着我国移动通信的高速发展，通信网络的系统性能和服务质量显得尤为重要。移动网络优化就是通过寻找一系列系统变量的最佳值，优化有关性能指标参数，建设一个覆盖良好、话音清晰、接通率高的优质蜂窝移动通信系统，使网络最终在最好的资源利用率下达到一个较高的客户满意度，建成精品网络。目前形势下，加强网络优化，提高网络的运行效率，实现服务水平、服务质量、经营效率以及竞争能力的提高，已成为发展的必然。对于CDMA移动通信系统，网络优化更为重要，这一方面是因为该系统是建立在同频率下的码分多址系统，解决干扰成为一个重要问题，另一方面它的容量为软容量，所以网络优化不仅能改善网络的性能和
2、服务质量，还能增加系统的容量。CDMA系统区别于其它系统的一个重要特点是支持多种类型的切换，主要类型有硬切换、软切换和更软切换，这个特点在增强CDMA功能的同时也保持了呼叫的完整性。这些切换对网络的性能和质量都有着较大的影响，因此，调整和控制这些切换及其参数是网络优化的一项重要内容，本文将从各个方面对这三种类型的切换及其对系统的影响分别作出较为详细的探讨。一、 硬切换硬切换是时间离散的事件，其必然应是短暂的过程，但因为是“break-before-make”，存在链路中断，有时会影响到话音质量，甚至产生掉话。硬切换一般发生于下列几种情况，下面分别对其进行讨论：1. 频率不匹配这是当今拥有多个C
3、DMA载波的商用系统中相当普遍的一种情况。当移动台从一个CDMA载波切换到另一个CDMA载波时，链路必须中断，IS-95A中要求此类硬切换必须在收到切换指导消息后的60ms内完成。实际的CDMA系统中，多载波区域（考虑两载波的情况）可以有孤立区域块、分离区域块和统一区域块三种情况。孤立区域块系统即全部区域都存在第一载波，只在话务密度较高的市区中心等处同时存在第二载波，这是网络达到一定规模时一种常见的情况；分离区域块系统即在不同的区域使用不同的单一载波，这有可能是不同的区域可用频点不同，或者解决两个区域间固有的干扰问题（如两个厂家设备系统间的干扰）；统一的区域块系统为全部区域均采用两个载波，这时
4、的网络规模已经较大，故采用双载波。CDMA支持两种基本类型的载波间切换：同一小区内两个不同载波间的硬切换（由hand-down定义）和两个不同小区内的两个不同载波间的切换（由handover定义）。一般情况下“hand-down”切换的健壮性要好于“handover”切换，然而在某些环境下，“handover”切换过程可能有用。实际实施时，应该特别注意边界小区的确认和划分，必要时有时使用过渡小区、双边界等方法以保证硬切换的顺利完成。载波间切换时可以有多种硬切换触发方式：伪导频触发（Pilot Beacon Trigger），环路延迟触发（Round Trip Delay Trigger）和误帧
5、率触发（Enhanced Hard Handoff Trigger）等，另外还可以应用多目标小区硬切换（MPHHO）技术等来解决硬切换时可能存在的问题。但这些在一定意义上都属于盲（Blind）切换，要想从质上提高，需要采用双模接收机方式或采用压缩模式。2.帧偏移不一致业务信道帧采用与系统时间的偏移方式，以1.25ms为单位，叫做帧偏移，如图1所示，需要切换时如果目标小区与工作小区帧偏移不一致，就得使用硬切换，它必须在收到指导消息的20ms内完成。3.分离小区例如，早期建设的CDMA网络可能不支持属于不同MSC的小区之间的软切换，目前情况下，不同厂商之间的CDMA系统之间需实行硬切换。在对联通新
6、时空已经建成的CDMA网络测试和优化工作中发现，目前比较显著的问题就是在不同厂商系统设备之间存在的硬切换问题，例如在上海的黄浦江沿岸（见图2），厂商间硬切换算法的问题使一些切换的速度太慢，使得手机或基站的掉话机制起作用，最终产生掉话。由此说明不同供应商之间的硬切换功能还不够可靠，为此应推进标准化工作，或最后将不同厂家MSC间硬切换改为软切换来实现。需要指出的是，CDMA手机在空闲状态时的切换也是硬切换，一般在导频强度大于工作导频3dB时，发生切换，但因为此时无通话业务，就网络质量来说，可以不予考虑。在国内随着联通CDMA网络规模的日益增大，即将面临着部分地区上第二载波，有些地区可能会存在两家厂
7、商系统设备。利用多种技术手段，保证硬切换的健壮性，提高硬切换成功率，也成为保证网络质量和性能的一个重要方面，是网络优化的目标之一。二、 软切换及更软切换在软切换中，多个小区同时支持移动台的呼叫。在更软切换中，同一小区的多个扇区同时支持移动台的呼叫。移动台连续扫描导频信号，当导频功率超过给定门限时，移动台就与相应的扇区（最多3个）建立通信，当导频功率降低到一定门限以下时，就与相应的扇区终止通信。软切换及更软切换会带来更好的话音质量，实现无缝切换，减少掉话可能，且有利于增加反向容量。1. 工作原理在CDMA系统里，用户终端不断的搜索同一频率内的导频信号，以备切换。当用户检测到与正向业务信道无关的导
8、频信号足够强或正在服务的一个导频弱到门限值以下时，向服务小区发送一条导频信号强度测量消息PSMM，基站由此决定切换动作。见图3示意。因为手机通常只有一个RF接收机，因而软切换要求服务小区和目标小区工作在同一频率。通话过程中，所有参与软切换的小区发送相同的帧，用户终端组成一个单帧并发给声码器。每个小区的信道处理单元也做同样的工作，在软切换中，所有小区将声码器发向BSC，而在更软切换中，不同扇区收到的信号由BTS中的同一个Rake接收机处理并非相干组合，只有一个话音帧发给BSC。见图4所示。2. 关于切换增益CDMA采用Rake接收机，在手机中有4个分支。一个用来搜索，与不同导频信号及强路径信号做
9、相关运算。在切换时，2-3个分支都与不同导频信号作相关运算然后再相干组合，见图5示意。这样在降低了正/反向发送信号功率要求的同时大大提高了语音质量，其主要是降低对其它小区的干扰和通过宏分集提高性能。 根据仿真计算，软切换增益值在4dB左右，在网络规划时，一般取软切换增益值为3dB左右。见图6示意。这当然是对于话音业务而言。对于分组数据连接尤其是短的分组，即使用户在小区边缘可能也不需要软切换，但是它需要通过基站来接续，以提供最好的连接。它可以通过分组数据传输的频繁重组实现 ，这应属于另一个课题研究的内容。切换增益带来的好处是：(1).改善了话音质量(2).控制了手机干扰(3).降低掉话率(4).
10、提高容量和覆盖范围。但是，在下行链路中，因为基站为移动台发送附加的信号，所以软切换对系统产生了更多的干扰。因为接收机的RAKE指针数量的限制（一般有1个搜索，3个工作），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因为增加的干扰造成的性能损耗。3. 时延和刷新在决定要连接到一个新的基站后，在新连接建立之前要消耗一些时间：到新基站的信令、新基站对移动台反向链路信令的捕获以及在新的信道启动传输，同时，新基站需要向旧基站通知所用的业务信道，再由它通知移动台，移动台接收消息并开始将两种业务信道合并。这个处理通常要花费200300ms，而总时延超过300ms时系统容量开
11、始降低，故下行链路对时延更加敏感。在第三代系统中，采用下行链路的快速功控，因此在切换测量和执行中，时延的影响可能不同。在前向链路，将新的导频增加到激活集有时甚至会降低性能，因为RAKE分支的数目有限，附加信号的传输会生成更多的干扰并且不能利用。为了不降低系统性能，激活集更新速率应大于0.5Hz，最好是1Hz。4. 关于导频信号分组及搜索窗导频信号被分成4组，以区分优先级别并提高搜索效率。依次为工作组（Active Set）、候选组（Candidate Set）、相邻组（Neighbor Set）和剩余组（Remaining Set）。其中工作组最多有6个导频，候选组在95A中最多有5个，在95
12、B中最多有10个导频，相邻组最少有20个。导频遵循一定的规则在各组之间移动，在此不予赘述。由BTS到移动台的传播时延是未知的，从而使PN码的偏移也不确定。搜索过程就是要决定这个未知偏移。因此，手机对其自己的PN码进行移位，以第一个多径信号时延为中心。偏移数量就叫做搜索窗口，窗口的大小由BSC决定，它是以PN码位为单位。分为3个不同的搜索窗口：SRCH_WIN_A、SRCH_WIN_N、SRCH_WIN_R，其取值范围均为0-15(即4-452 PN chips)。推荐范围分别为5-7，7-13，0。值得指出的是，SRCH_WIN_R值在优化期间一般应设置为7-13，优化后设为0。搜索窗口的大小
13、合适程度由几个因素决定，包括导频信号的优先级，搜索处理器的速度，多径信号的时延扩展程度（如市区环境的典型值为7ms，郊区环境的典型值为2ms）等。窗口大将有助于收集所有的多径能量，但会导致测量过程很慢，这对高速移动台不利；窗口太窄又会丢失一些明显的多径，从而降低性能。总之搜索窗口尺寸是搜索速度与准确度之间取折中，应考率到预期的移动速度分布等因素而对小区进行优化。在优化工作中发现，有些地方搜索窗口设置不合理，没有根据实际情况做出调整。有时过小，导致漏掉导频，形成通话过程中的干扰。建议这些取值应在不断测试优化的基础上做出正确的调整。另外，还有一个关键环节是配置每个小区的邻区，在网络建设初期一般通过
14、手动配置，但在系统运行以后，由于网络调整（比如增加基站）、无线环境改变（增建了高楼大厦）等因素，会导致需要重新配置系统邻区，否则会出现移动台无法对处于非邻集中的强导频进行软切换，形成干扰的情况，所以需要通过不断的测试来改变配置，这是一项有着较大工作量的工作。有些基站设备有一种切换邻区的自动统计配置技术，利用用户的呼叫切换信息来实现邻区关系的自动配置，减小维护工作量，提高网络运行质量。 5. 切换信令及相应参数T_ADD，T_DROP，T_COMP和T_TDROP为四个常用的切换信令消息参数，在更新的规范（IS95B）中，又增加了SOFT_SLOPE，ADD_INTERCEPT和DROP_INT
15、ERCEPT三个定义动态的切换门限参数。在网络规划中，我们发现后三个参数的使用对控制切换率确实起到了一定的作用，它们是通过比较工作组中所有信号能量总和与其他导频信号来决定是否发送PSMM。主要的切换信令消息包括：(1)导频信号强度测量消息（PSMM）(2)切换指导消息(HDM)，包括三组参数：分配给手机的正向业务信道的规范；PSMM参数；CDMA间硬切换参数。(3)切换完成消息(HCM)。(4)邻集列表更新消息(NLUM)在优化中发现，在实际的工作中，对切换信令消息参数的取值是一个重要的工作内容，例如，T_ADD值与T_DROP值设置过于接近，或定时器设置过短，都将造成所谓的乒乓效应，即新基站
16、需要增加，且旧基站释放的太频繁，导致过量的信令，从而减少了容量并且增加了掉话的可能性。6. 切换决策参数考虑在IS95中切换决策仅基于下行链路导频强度的测量，在第三代系统的宽带CDMA中，对于不平衡业务，需要更多的决策参数，包括：(1)距离衰减。一般情况下应选择距离衰减较小的小区。(2)上行链路的干扰。需综合考虑多用户或高比特率多媒体用户在上行链路上的干扰。例如图7所示情况：(3)下行链路的干扰。从容量的角度来看，在基站之间平衡下行链路的负荷是有益的。在下行链路负荷较高的基站，应将业务量切换到其他基站。其实现方式可以是通过根据下行链路的负荷来调整导频强度，或者移动台在切换决策时考虑下行链路的负
17、荷来完成。7. 关于软切换对资源的占用软切换过程中对资源的占用导致了硬件设备的增加，在配置信道板时，有些信道单元会专为软切换预留。软切换比例理论上是指处于软切换区的话务量与小区内总话务量的比例，根据网络运行经验，软切换比例尽量控制在30左右。静态规划时，可以从区域上来控制软切换的比例。图8为实际路测中软切换比例实例，当然这只是基于街道上的测试数据，并且是在当前负载较低的情况下的切换情况。网络优化目标中一个较为重要的内容也是控制软切换的比例。这可以通过调整各种相关参数来实现。三、网络优化中关于切换对网络性能的影响及调整硬切换门限的调整属于CDMA优化中第一轮调整的参数范畴，软切换门限的调整属于第
18、二轮调整的参数范畴。1. 硬切换失败硬切换中的一些参数是软切换中没有涉及到的，如果这些参数设置不合理，有可能也会造成硬切换的失败。如NOM_PWR，NUM_PREAMBLE等参数。另外当使用导频信标来触发硬切换，切换的控制和信令非常类似于软切换。由于切换判决算法或接入控制算法的干涉、或信令的失败可能导致硬切换失败。当使用导频信标来初始化硬切换时，切换也可能由于与前面软切换相同的原因失败。2. 关于软切换失败软切换失败有时会造成误帧率增大，有时造成掉话。(1) 切换算法问题在基站有算法进行切换判决，如果由于切换准许算法的干涉而导致切换失败，称为软切换失败模式1。各厂家基站中的切换准许算法是不同的
19、，它可能不允许4、5或6路软切换。这是可以理解的，因为4、5或6路软切换使用非常多的资源。如果PSMM包含多于4个导频，切换判决算法可能不能利用所有的可用导频。另外，基础网络可能不支持某些类型的切换。如果PSMM包含的导频少于4个，因为切换准许算法一般应允许2-3路的软切换，若切换失败，则可能是切换算法不完善。一些切换准许算法可能拒绝切换到不属于邻集列表中的导频上，如果网络中各设备间的邻集列表数据库存在不一致，也将导致切换失败。(1) 资源分配原因。系统必须保证有足够的资源来支持软切换，但为切换呼叫预留过多的资源将导致新呼叫阻塞概率的增高，因此接入控制过程可能不会为切换预留足够的资源，所以有时
20、由于切换率过高，最终所有的资源都用尽了，导致切换失败。(2) 切换信令原因。因为搜索窗口太小或T_ADD值过高或移动台导频搜索速度太慢，致使强的可用导频没有被检测到；主服务小区的导频变差，切换信令必须及时，如果反向链路变差，基站可能根本就没有收到导频强度测量消息；如果前向链路变差，那么移动台可能接收不到切换指示消息；这三种情况都可以导致切换失败。(3) 小区孤岛。一些基站的定时发生器可能会有硬件问题，这时，移动台可以起呼，但是不能切换，称为小区孤岛问题。3. 软切换对起呼失败的影响在优化工作中发现，部分起呼失败是因为切换的原因，有时表现为移动台在接入失败后重新初始化或者切换到一个新的导频上。因
21、为在IS95中不允许在接入过程中的切换，如果接入过程太慢或者空闲切换区域太小，往往导致不能应用新的较强导频，造成干扰或原导频不可用，形成起呼失败。还有一种可能性是因为有的可用导频没有被列入邻集列表，移动台可能在接入请求前没有进行空闲切换，造成接入过程中的系统丢失。4. 软切换对呼叫过程中掉话的影响路测中会发现，有时切换失败会造成掉话。如果移动台马上在另外一个导频上进行初始化，那么掉话是因为切换失败，这是前向链路干扰造成掉话的最普遍的情况，此时应注意在不超过邻集列表长度的情况下优化邻集列表。5. 软切换对误帧率的影响如前面所述，软切换失败，有时在不至于引起掉话的情况下，会导致高的误帧率。四、 路
22、测中切换实例：如下所示信令流为从路测数据截取的一次成功的软切换实例。由该信令图可以看出移动台在11:34:57.690时检测出导频强度超过切换门限后，发出导频强度测量消息PSMM，基站在11:34:57.885时给予证实，然后，基站在11:34:58.065 时发出扩展切换指示消息，移动台在11:34:58.130时给予证实，随后在11:34:58.210时发出切换完成消息，基站最后在11:34:58.405时给予证实，到此本次切换成功完成。如下所示信令流为从路测数据截取的一次失败的软切换实例。从信令上可以看出，在16:26:08.651移动台检测出导频强度超过切换门限后，发出了PSMM，基站
23、在16:26:09.365给予证实，在证实后，基站没有发出相对应扩展切换指示消息；此时移动台又检测到几个强导频，移动台多次发送PSMM，同时移动台一直没收到相应的指令消息给予证实！此时误帧率较高，移动台在T5m(5)秒内没有收到N3m(2)个好帧，移动台切换失败。通过CAIT进行回放，发现这段时间里一直有超过5个的强导频在激活集里，对主导频造成干扰，致切换失败。五、总结：切换问题是CDMA技术中一个较为重要的课题，对网络的各个方面都有着不同程度的影响。对切换的深入细致的探讨和研究，以及在实际工作中对切换参数的调整和控制，是一项长期而细致的工作，将直接影响到网络的性能和质量，愿我们大家共同努力，将CDMA网络建设的更好，更完美。
