TD-SCDMA接力切换技术研究

摘 要： 本文针对第三代移动通信系统TD-SCDMA系统设备的接力切换技术的应用进行了深入地研究和开发。通过对RAN系统以及无线资源管理算法（RRM）的研究，对TD-SCDMA系统现阶段接力切换技术的实现以及切换算法的提出了一些观点，基于质量准则和导频准则，详细的给出算法的描述，同时给出了TD-SCDMA 系统接力切换技术的各过程的详尽实现方案。

关键词： TD―CDMA； 无线资源； 接力切换

中图分类号： TN929 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2011）04-0212-03

一、研究背景

自20世纪80年代以来，移动通信在全球范围内得到了迅速发展。移动通信面临用户数量急剧增加的同时，移动业务逐步走向多元化，用户对服务质量的要求不断提高，在有限的带宽条件下，如何有效地管理和使用无线资源，为网络内用户提供服务质量（QoS）保证是运营商最为关心的问题之一。

切换是无线资源管理的一个重要功能，是蜂窝移动网络的关键特性之一，是保证服务质量的重要环节。由于3G系统容量更大、数据速率更高、业务种类丰富，因此在切换中将要考虑更多的因素，目前移动通信系统的切换主要有硬切换和软切换两种方式，而这两种切换方式都存在一些缺点。TD-SCDMA系统使用了智能天线、联合检测等空时处理技术以及上行同步和特殊的帧结构设计后，系统的切换控制方法和过程得到改进，进而系统的切换性能将得到提高。TD-SCDMA系统中的接力切换是综合利用了系统的技术特点和优势而发明的一种不同于传统切换方式的全新切换技术。接力切换技术不但可以在同频相邻小区间使用，而且在异频相邻小区也可以使用。

二、接力切换过程概述

接力切换过程的关键技术是上行预同步技术，关键过程是在由原小区向目标小区转移无线链路时，首先将上行链路转移到目标小区，在一段时间内UE继续利用原基站和UE之间的下行链路进行通信，在确保UE与目标基站建立了有效和可靠的上行链路通信后，再将下行链路转移到目标小区，进而完成整个接力切换过程。

接力切换的控制过程分为四个步骤，测量过程、上行预同步过程、判决过程和执行过程，其流程图如图3-1

（1）接力切换的测量过程和预同步过程

在UE和基站通信过程中，UE 需要对本小区基站和相邻小区基站的导频信号强度进行测量。UE的测量是由RNC指定的，可以是周期性的进行，也可以由事件触发进行。测量过程中一旦发现本小区和邻小区的导频强度、信号质量等满足一定条件，则通过测量上报触发切换判决过程。UE的测量上报可以是周期性地进行，也可以由事件触发进行测量。

接力切换需要终端对信号强度、质量和符合切换条件的相邻小区的同步时间参数进行测量、计算和保存，因此接力切换并不需要额外增加新的测量参数，不会给终端设备实现带来更多的负担。

UE需要计算和保存的参数为：

本小区与邻近小区引导信道的功率差P；

来自各邻近小区基站的信号与来自本小区基站信号的时延差t；

该过程也称为接力切换的上行预同步及保持过程,上行预同步及保持过程并不是一个单独的时间过程，也不需要特别的控制或信令过程，而是在测量过程中同时进行的。

（2）接力切换的判决过程

接力切换的判决过程由RNC完成。RNC收到UE的测量结果报告后，按照一定的判决准则（例如基于接收信号强度的判决准则）形成目标小区列表，然后通过接纳判决算法等流程确定要切换的目标小区，最后发出切换命令。

接力切换的判决过程与传统的切换判决所使用的准则基本相同。因此判决准则可以利用现有切换技术中的各种准则，另一方面也可以结合TD-SCDMA系统特有的智能天线定位技术对目标小区列表进行优化，从而提高切换的成功率。

（3）接力切换的执行过程

UE要切换的目标小区确定后，RNC在发出切换命令之前，还应当对目标小区发送无线链路建立请求。当RNC收到目标小区的无线链路建立完成消息之后，将向原小区和目标小区同时发送业务数据承载，同时RNC向UE发送切换命令。此命令应附上的在目标小区建立通信需要的各项基本数据，具体包括：

小区ID；

载波频率；

标称每码道的发射功率及此业务所需的接收电平；

接收和发射的Midamble及偏移；

三、接力切换中的测量过程实现

网络端可以通过两种方式来控制UE的测量行为：

(1)通过系统信息广播；

(2)通过RRC测量控制消息；

3.1系统信息广播

系统信息块与测量相关的是系统信息块SIB11/12。系统信息块SIB11/SIB12在小区建立过程中发送，在小区建立完成后若同频小区列表/异频小区列表以及相关测量参数发生了变化，RNC设备也会触发SIB11/12的发送。

SIB11包含的是空闲态UE的邻小区和测量信息，SIB12包含的是连接态UE邻小区和测量信息。

系统实现中，SIB11必须出现，但SIB12可以不出现。SIB12是否出现，本实现中通过O&M配置来决定SIB12是否出现。若O&M未配置系统信息块SIB12，则连接态UE使用SIB11的信息进行小区重选。

3.2 RRC同频和异频测量控制的实现

1.同频和异频测量控制的发起

RRC建立完成后（UE进入CELL_DCH状态。不论UE工作在主频点、或者辅频点）；

UE切换完成后；

UE工作频点发生改变之后（服 务小区未发生改变）；

UE状态跃迁之后（从其它状态进入CELL_DCH状态）；

2.UE后续处理

UE收到同频测量/异频的MEASUREMENT CONTROL消息后，将根据消息中规定的测量控制信息进行测量，并在满足上报条件时向RNC发送MEASUREMENT REPORT消息。本实现同频测量的测量报告消息中需要附加异频邻小区的PCCPCH RSCP测量报告值。本实现异频测量的测量报告需要附加同频邻小区的导频强度信息。原因是UE在当前小区信号变差或无线链路恶化时，需要根据当前同频/异频测量测量值得到一个最佳临小区进行切换，这个最佳临小区可能是当前小区的同频临小区，也可能是异频临小区，所以就需要在同频测量报告中附加异频测量值或在异频测量报告中附加同频测量值，质量测量和内部测量报告中需要附加同频和异频临小区的测量值。

四、接力切换的预同步过程的研究

接力切换的预同步过程属于开环预同步，在UE和网络通信过程中，UE需要对本小区基站和相邻小区基站的导频信号强度（P-CCPCH RSCP或者是DwPTS的信号强度）进行测量。在此过程中同时记录来自各邻近小区基站的信号与来自本小区基站信号的时延差，预先取得与目标小区的同步参数，并通过开环方式保持与目标小区的同步。本文实现由终端触发的自主预同步过程的接力切换。

4.1目标小区上行同步时间计算方法

开环预同步中移动台是通过接收到的源小区和目标小区的信息计算上行同步时间。目标小区的SFN号和当前服务小区时间上有同步的SFN号，在连接模式下，UE在t=TRxSFNi和t=TRxSFNk分别接收并检测出当前服务小区和目标小区上第一条路径到达的P-CCPCH信道承载的SFN信息，二者时间上的差值即为SFN-SFN 观测时间差[8]，具体可采用公式3.1 计算：

SFN_SFNOTD=TRxTSk-TRxTSi

公式中：

TRxTSi：UE接收到的第i个当前服务小区的P-CCPCH信道的时间（以检测到的时间上第一条路径到达的信号为准）。

TRxTSk：UE接收到的第k个目标小区的P-CCPCH信道的最接近TRxTSi的时间（以检测到的时间上第一条路径到达的信号为准）。

若目标小区的SFN号和当前服务小区时间上有非同步的SFN号，但其差值固定，则由于RNC可以知道其定时偏差，同样可以计算SFN_SFN OTD。

切换时，如果采用开环预同步，则上行突发的时间提前量如下式所示：

tu=tu0+

式中：=SFN_SFNOTD为UE测量到两个小区间的观测时差；

tu0为UE在源小区上行发射定时提前量；

tu为利用开环计算得到的在即将切换过去的小区上的上行发射定时提前量。

4.2 UE预同步判决算法

UE对满足以下公式的小区均可以执行预同步过程：

PCCPCH_RSCPadjacent-PCCPCH_RSCPserving＞Comp1(持续时间超过门限T1)

公式中：

PCCPCH_RSCPadjacent：邻小区导频强度

PCCPCH_RSCPserving：服务小区导频强度

Comp1：启动预同步判决的门限

T1：时间判决门限

本实现中Comp1和T1 和切换中的1G事件的触发门限在实现中采用相同值

4.3 UE预同步退出判决算法

UE满足以下条件之一时，UE停止预同步过程：

当UE切换成功（收到物理信道重配置信令）；

PCCPCH_RSCPadjacent=PCCPCH_RSCPserving＜Comp2（持续时间超过门限T2）

公式中：

Comp2：退出预同步判决的门限

T2：时间判决门限

本实现Comp2取值为Comp1 3dB

T2取值和T1相等

五、接力切换的执行过程实现

执行过程的主要功能是当决策过程已经判决了用户终端需要进行相应的切换的时候，通过RNC与用户终端的信令交互使用户终端与目标小区建立连接，并为用户终端分配相应的无线资源，从而完成切换流程。

1.设计改进思想

UE根据目标小区下行数据的正确接收与否来决定是否完全将下行链路切换至目标小区。

在接力切换过程中，UE首先将上行链路切换至目标小区，然后同时接收原小区、目标小区的下行数据。

当UE正确收到目标小区的下行数据时，将下行链路也切换至目标小区。向RNC回切换完成命令

2.实现方案

(1)在小区属性参数中增加设置“是否支持接力切换”项。RNC执行切换动作前先查询目标小区的属性：若目标小区不支持接力切换，则执行硬切换，若目标小区支持接力切换,则执行接力切换；

(2)当RNC决策进行切换时，配置目标小区无线链路，在收到无线链路建立的成功响应以后同时向原小区和目标小区发送数据；

(3)RNC通过AM模式发出的切换命令（物理信道重配置消息），对于接力切换实现，不携带IE“Synchronisation Parameters”，设置IE“Activation time”的值为“now”

注：硬切换命令携带IE“Synchronisation Parameters”，且设置IE“Activation time”的值（非“now”）。若目标小区支持接力切换。

(4)切换过程RNC同时向源小区和目标小区发送下行数据。

(5)UE收到切换命令后马上开始执行接力切换。配置本地资源、并计算目标小区的定时提前量。

(6)UE根据切换命令中是否携带IE“Synchronisation Parameters”信息来判断是硬切换还是接力切换：当IE“Synchronisation Parameters”存在时，UE执行硬切换，当IE“Synchronisation Parameters”不存在时，UE执行接力切换，切换过程上下行链路按一定的时间关系分别切到目标小区。

(7)切换过程UE向目标小区基站发送上行数据，并同时从目标小区、原小区接收下行数据。过程持续一段时间（该定时器由UE内部设置，实现时同一TTI内数据包应在一个小区内传送）后，UE将下行链路也转移到目标小区，即开始在目标小区接收下行数据，中断和源小区的通信，完成切换过程。

(8)目标小区的基站接收到UE的上行数据以后，确定UE的位置信息，并进行下行数据的赋形发送；此时，新旧小区存在两条无线链路向UE发送数据，UE可以同时解调两个链路的下行数据

(9)UE在正确解调目标小区的下行数据后，将下行链路完全切换至目标小区，并给RNC发送切换完成命令。

(10)UE完成接力切换，从新的小区进行数据收发处理。

(11)RNC从目标小区收到UE的切换完成命令之后拆除旧的链路及其资源，整个网络切换完成。

六、接力切换干扰分析

UE在接力切换执行的过程中，当UE通过目标小区发送上行承载业务和信令的时候仍然在原小区接收下行承载业务和信令，而当目标小区接收到此UE的上行数据后几帧之内将对此UE发射下行赋形信号，直至UE切换到目标小区接收下行信号，在这短暂的时间内目标小区的下行赋形信号不但对进行切换的UE接收原小区的下行信号产生干扰，而且对系统中的其他UE接收下行信号亦产生干扰。在动态系统仿真平台上对此进行仿真，仿真时间为3600秒，每隔4秒对系统中处于通话状态的每个UE进行干扰统计，将各项结果进行统计平均得到结果绘制成PDF图如下：

从图中可以看出，使用接力切换技术给系统带来的干扰和系统本身的干扰的PDF曲线图几乎重合，其中使用接力切换技术给系统带来的干扰的平均值比系统本身的干扰的平均值只增加0.1693 dB，相对于-88.7870dBm的UE平均接收干扰信号总功率来说，接力切换造成的干扰影响非常小。

七、结束语

本文详细描述了TD-SCDMA系统接力切换测量过程、预同步过程、判决过程、执行过程的实现。在判决过程部分给出了一种基于质量和导频准则联合判决的判决算法。在执行过程给出了一种改进的接力切换执行过程，在各过程实现描述过程中，给出了具体的信令过程消息的定义和参数约定。最后给出了接力切换的干扰分析。

在TD-SCDMA系统接力切换技术的研究过程中，作者系统地研究了第三代移动通信TD-SCDMA系统相关的协议，尤其深入地研究了TD-SCDMA无线资源管理的原理和相关的算法。在无线资源管理深入研究的基础上，对TD-SCDMA的新技术――接力切换技术进行进一步的深入研究。

参考文献：

[1] 中华人民共和国信息产业部.中国电信业发展指导(2005) [M].北京:人民邮电出版社，2005.

[2] 李世鹤，杨贵亮，李峰.TD-SCDMA RTT的空间接口技术综述[M].中国移动通信，2000，2：7―12.

[3] 李世鹤.TD-SCDMA第三代移动通信系统标准[M].北京:人民邮电出版社，2003.

[4] 李小文，等.TD-SCDMA第三代移动通信系统信令及实现[M].北京:人民邮电出版社，2003.

[5] 林金芳，李默芳.移动通信中的关键技术[M].北京: 北京邮电大学出版社，2000.

[6] 彭木根，王文博. 3G无线资源管理与网络规划优化[M].北京: 北京邮电大学出版社，2006.1.

[7] TD-SCDMA系统中的接力切换技术与优势.

[8] TD-SCDMA系统的上行同步技术.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文