作者：劉鳴  袁超偉  黃守勇

    0  引言

    WCDMA作為3G標準之一，將提供比GSM系統和窄帶CDMA系統更高的帶寬、更大的系統容量和更多的業務種類，可以滿足用戶隨時隨地的寬帶數據需求。

    WCDMA系統中仍沿用了IS-95和CDMA2000中的大部分軟切換技術。由于碼道資源的增加和系統時間精度的提高，WCDMA系統軟切換的速度和穩定性也隨之提高，同時還可以支持多種數據業務下的軟切換和更軟切換。此外，WCDMA系統帶寬的增加，帶來比IS-95系統更高的擴頻增益，使軟切換過程對物理信道的信干比（SIR）的要求降低，從而提高了系統容量。

    1  WCDMA的切換分類

    1.1切換方式

    按照切換的方式，WCDMA系統的切換主要分為硬切換、軟切換和更軟切換。

    硬切換是指移動臺在切換過程中，采取“先斷開再連接”的方式，即先斷開與原小區的聯系，再在一定時間內與新小區取得聯系，這樣會出現瞬時信號中斷現象。據測量統計表明，無線信道上90%的掉話都是發生在切換過程中。在頻分多址（FDMA）和時分多址（TDMA）的移動通信系統中，所進行的切換都是硬切換；在WCDMA系統中，硬切換主要發生在不同頻率的載波之間和不同的系統之間。

    軟切換是CDMA系統所特有的，采用的是“先連接再斷開”的方式，移動臺在中斷與原小區的聯系之前，先用相同頻率建立與新小區的聯系，即移動臺在切換過程中通過分集技術與原小區和新小區同時保持無線鏈路，再在一定條件下丟棄一方，從而保證了通信的連續性，降低掉話率。

    更軟切換是指同一小區的不同扇區之間的切換，不占系統資源。

    1.2切換模式

    按照切換的模式，WCDMA系統的切換可以分為頻率內切換、頻率間切換、不同制式間切換和不同系統間切換。

    頻率內切換是指不同的無線蜂窩小區處于同一頻率，比如WCDMA系統中同一載波下的不同NodeB之間或者同一NodeB的不同扇區之間的切換，它們的切換發生在同一載波內，是時間連續的事件，稱為軟切換/更軟切換，統稱為軟切換。

    頻率間切換發生在同一系統中的不同載波間，比如WCDMA系統中不同載波間的切換，屬于硬切換，是時間離散的事件。

    不同制式間切換指的是頻分雙工（FDD）系統和時分雙工（TDD）系統間的切換，也屬于硬切換的范疇，如我國將使用的TD-SCDMA系統與WCDMA系統間的切換，這是由于TD-SCDMA系統可以作為WCDMA系統的有效補充。

    不同系統間的切換指的是不同技術體制支持的無線通信系統間的切換，也屬于硬切換，如WCDMA系統與GSM系統之間的切換。

    2  WCDMA系統的硬切換

    在WCDMA系統的硬切換中，最常見的是不同頻率間的硬切換和不同系統間的硬切換。硬切換可能引起實時無線業務的短暫中斷，而對非實時無線業務來說損耗不大，以下分別討論這兩類硬切換。

    2.1不同頻率間的硬切換

    對于WCDMA系統，網絡中存在以下3種不同頻率的使用情況：

    a）由于通話密度高，熱點地區有多個載波，四周地區為單載波。

    b）由于頻率或運營商的原因，不同的區域使用了不同的載波。

    c）微小區與宏小區層疊覆蓋時，微小區使用不同的頻率。

    在具體的實現中，通常按照硬切換雙方小區的關系將不同頻率間的硬切換分為3種：

    a）同一小區不同頻率間的硬切換。

    b）同一無線網絡控制器（RNC）下不同小區、不同頻率間的硬切換。

    c）不同RNC下不同小區、不同頻率間的硬切換。

    WCDMA系統引入了基于壓縮模式測量的硬切換算法。所謂壓縮模式就是在連續發射模式中擠出一定的時間空隙用以測量，這時的傳輸已不再是連續發射模式。對實時業務來說，產生這種時間空隙通常使用的是降低擴頻因子的方式。

    硬切換的具體工作流程如下：

    a）RNC命令用戶設備（UE）用壓縮模式開始頻率間切換測量。

    b）UE發現主同步信道（P-SCH）峰值。UE用匹配濾波器接收的峰值越多，WCDMA小區識別所花時間將越長，這是因為小區識別所花的時間主要取決于多徑數目、檢測范圍內的小區數、已發現的小區數和鄰近集的長度。3GPP規范TS25.133中要求在公共導頻信道（CPICH）的導頻強度（Ec/Io）>-20 dB的條件下，UE進行小區識別的耗費時間為5 s之內。

    c）UE通過輔助同步信道（S-SCH）和CPICH識別了小區，并將測量結果報告給RNC。

    d）RNC給UE發送切換命令。

    e）UE收到命令后切換到目標頻率上。

    2.2不同系統間的硬切換

    為了平衡WCDMA系統和GSM系統的覆蓋或負載，WCDMA和GSM規范支持二者之間的相互切換。在WCDMA系統部署初期，為提供連續的覆蓋，需要支持到GSM系統的硬切換；為了降低GSM小區的負載，也需要支持從GSM系統到WCDMA系統的硬切換。隨著WCDMA網絡業務量的提高，由負載分配觸發的雙向切換變得非常重要。系統間的切換由源RNC/BSC觸發，從接收系統的角度來看，系統間切換與RNC間或BSC間的不同頻率間硬切換相類似。

    典型的WCDMA系統向GSM系統硬切換的工作流程如下：

    a）RNC命令UE用壓縮模式開始系統間切換測量。

    b）UE測量接收到鄰集中GSM系統有用信號的功率。

    c）RNC命令UE解碼最終候選GSM系統的基站識別碼（BSIC），這平均也要花費1s。

    d）RNC給UE發送切換指令。

    e）UE收到命令后切換到GSM系統。

    2.3硬切換的性能分析

    不同頻率間和不同系統間的硬切換都要使用壓縮模式，從而UE可以利用產生的時間空隙來測量其他頻點的導頻信號，或測量其他系統（如GSM系統）的控制信道的信號強度，以幫助系統確定最佳目標小區，這使得硬切換的成功率得到提高。但產生時間空隙要對幀進行壓縮，壓縮幀的擴頻因子便會降低，相應的擴頻增益也跟著降低，解調該幀所需的信干比要相應地升高，因而影響了系統的容量和覆蓋，表1和表2分別給出了壓縮模式對容量和覆蓋的影響。

    因此，為了盡量減少使用壓縮模式，在硬切換的邊界區要盡可能地使切換小區與目標小區的關系簡單化，也就是讓需要測量的目標小區列表越短越好，這樣可以減少測量所需的時間，使用較少的壓縮幀，從而降低對系統容量的影響。否則，復雜的鄰區關系、過長的目標小區列表和更長的測量時間，將導致更大容量和覆蓋的損失。在實際的網絡規劃中，孤島式地部署第二載頻，或靠GSM網絡來填補WCDMA覆蓋區內的覆蓋空洞，都可能造成這種情況，應當盡量避免。

    3  WCDMA系統的軟切換

    在WCDMA系統中，軟切換是一種常態，即很多移動臺幾乎一直都處于軟切換狀態，這樣可以保證用戶通話的連續性和穩定性；而硬切換將影響用戶通話的主觀感受，并輕易造成掉話。網絡設計時應盡量避免硬切換的發生。

    3.1軟切換策略

    3.1.1軟切換的4個導頻集

    WCDMA系統的軟切換算法使用導頻信道的Ec/Io作為切換測量數值，它有如下4個至關重要的導頻集：

    a）有效集：與分配給移動臺的下行業務信道相對應的導頻。

    b）候選集：當前不在有效集中，但已經有足夠的強度，與該導頻相對應NodeB的下行業務信道可以被成功解調的導頻集合。

    c）鄰近集：不在當前的有效集合或候選集合中，但可作為切換候選集合中的導頻。

    d）剩余集：當前系統中除了有效、候選或鄰近集合中導頻之外所有可能的導頻。

    軟切換的判決要基于下行鏈路導頻信道的Ec/Io，根據有效集增加門限、有效集刪除門限等參數來進行有效集的刷新。

    3.1.2軟切換的主要參數

    軟切換的主要參數有：

    a）有效集增加門限（T_ADD）：若某個NodeB的Ec/Io超過有效集中最強的Ec/Io與有效集增加門限的差值，持續ΔT時間，且有效集未滿，則該NodeB就進入有效集。

    b）有效集替換門限（T_REPLACE）：若候選集中最強的Ec/Io與有效集中最弱的Ec/Io的差值超過有效集替換門限，且持續ΔT時間，則候選集中導頻信號最強的NodeB進入有效集，而有效集中導頻信號最弱的NodeB從有效集中刪除。

    c）有效集刪除門限（T_DROP）：若有效集中某個NodeB的Ec/Io低于有效集中最強的Ec/Io與有效集刪除門限的差值，且持續ΔT時間，則該NodeB從有效集中刪除。

    d）有效集最大數目：在軟切換過程中答應與移動臺建立連接的最大NodeB數目。

    e）觸發時間（ΔT）：建立切換所需的時間。

    3.1.3無線鏈路的增加和釋放過程

    a）小區2的導頻信號強度逐漸增強，當小區2的Ec/Io超過有效集中最強的小區1的Ec/Io與有效集增加門限T_ADD的差值，并維持ΔT時間，而此時有效集沒有滿，則小區2被加入到有效集里。該項動作也稱為無線鏈路增加。

    b）小區3的導頻Ec/Io逐漸增加并開始超過最早的小區1的Ec/Io，當小區3的最強候選導頻的Ec/Io與有效集中最弱的小區1的Ec/Io的差值大于有效集替換門限T_REPLACE，并維持ΔT時間，而此時有效集的數目已滿（假設此時系統設置的有效集最大數目是2個），則小區3（候選集中最強的信號）替代小區1（有效集里最弱的信號）而被加入到有效集中，小區1同時被移出有效集。該項動作也被稱為無線鏈路替換。

    c）此時有效集中小區3的導頻信號強度逐漸減弱，當小區3的Ec/Io低于有效集中最強的小區2的Ec/Io與有效集刪除門限T_DROP的差值，并維持ΔT時間，小區3（有效集里最弱的信號）此時被移出有效集。該項動作也稱為無線鏈路釋放。

    3.2軟切換的作用

    軟切換可以降低移動臺在小區邊緣的掉話率。移動臺將不斷對四周小區NodeB的Ec/Io進行測量，把足夠強的信號保存在有效集中，使用戶始終處于軟切換狀態，而不會頻繁地在不同小區間切換，避免“乒乓效應”，減少掉話的可能性。

    軟切換可以增加系統容量。通過控制每個移動臺的發射功率，減少了網絡的上行干擾，從而降低整個系統的干擾水平，增加系統上行容量。

    下行發射分集可以減少瑞利衰落對網絡的影響。下行信號通過不同的NodeB發送給移動臺，移動臺可以根據接收到的多條鏈路的信號質量進行選擇性合并，以獲得最好的信號。這種移動臺進行選擇性合并的方法可以克服無線通信過程中快衰落的影響。

    3.3各網元在軟切換中的功能

    在WCDMA系統中，各網元（RNC、NodeB、UE）實現的不同功能如表3所示，在軟切換和更軟切換過程中其功能各不相同。

    4  WCDMA系統的軟切換參數設置

    軟切換的主要目的是提供無縫切換，增加系統的抗干擾能力，從而提高系統的容量和覆蓋，帶來軟切換增益。軟切換機制主要提供了以下3種增益：

    a）宏分集增益：對抗慢衰落和由于移動臺移動到角落而導致信號強度忽然下降的分集增益。

    b）微分集增益：對抗快速衰落的分集增益。

    c）下行鏈路負載分擔：軟切換中的移動臺同時接收來自多個NodeB的功率，這樣，假如軟切換連接為N路，移動臺得到的最大網絡傳輸功率就為平常的N倍，相當于擴大了系統的覆蓋范圍。

    考慮2個NodeB間軟切換的情況，上行鏈路和下行鏈路的軟切換增益分別為1.8dB和2.3dB左右。

    然而，軟切換不可避免地要帶來軟切換開銷。軟切換開銷β定義為：

    β=■nPn-1

    式中：

    M——有效集的長度

    Pn——UE處于n路軟切換的平均概率

    由于移動臺和NodeB間的每個連接都需要占用邏輯基帶資源和RNC資源，并且要在Iub口上預留出傳輸容量，因此軟切換開銷代表了對實現軟切換所需要的額外硬件/傳輸資源的估計值。典型的取值范圍是軟切換開銷占3扇區的標準六邊形小區資源的20%～40%。過高的軟切換開銷會降低下行鏈路的容量。

    考慮軟切換開銷的影響，每個軟切換連接都會增加對網絡傳輸的干擾，假如增加的干擾超過了獲得的軟切換增益，軟切換就不能給系統性能帶來任何的好處，因此在WCDMA系統的網絡規劃和優化中，對軟切換參數的正確設置是非常重要的。

    中斷概率和接納失敗概率這兩個性能指標可定量地分析軟切換參數對系統性能的影響。中斷概率指的是無線信號的信干比低于目標信干比，使得接收端無法正確接收的概率；接納失敗概率指的是移動臺發起的業務請求不能被接納的概率。顯然，這兩個指標越低說明系統性能越好。

    4.1有效集增加門限（T_ADD）的設置

    T_ADD這一門限值控制了進入有效集的導頻信號，當T_ADD越大時，導頻信號越輕易進入有效集，處于軟切換狀態的移動臺數量就越多。

    如圖3所示，T_ADD由1dB變化到6dB時，系統性能在2dB左右達到最佳。T_ADD取值過小時，只有極少數的移動臺處于軟切換狀態，這將限制軟切換作用的發揮，不能充分體現軟切換帶來的增益，此時系統性能無法達到最佳。隨著T_ADD取值的增大，軟切換的比例越來越大，冗余信道也越來越多，更多的功率資源被分配給了因軟切換而增加的冗余信道，當T_ADD大于3 dB以后，系統性能又隨著T_ADD的增大而下降。因此，T_ADD參數的典型取值為1～3 dB。

    4.2有效集替換門限（T_REPLACE）的設置

    T_REPLACE門限是將候選集中的導頻信號替換進入有效集的控制門限，T_REPLACE取值越高，則對候選集中的導頻信號的Ec/Io要求就越高，候選集中的導頻信號越不輕易被替換進入有效集，這樣軟切換的比例就越小。

    T_REPLACE的取值對系統性能的影響并不大，這是因為在實際的系統運行中，發生導頻信號替換的幾率比較低。T_REPLACE參數的典型取值為1～3dB。

    4.3有效集刪除門限（T_DROP）的設置

    T_DROP門限功能是控制導頻信號在恰當的時機退出有效集。T_DROP取值越大，則有效集中導頻信號的Ec/Io差異就越大，因此導頻信號就越輕易留在有效集中。也就是說，T_DROP取值越大，處于軟切換狀態的移動臺數量就越多，從這個角度來看，T_DROP和T_ADD有基本上相同的功能。

    比較可以發現，T_DROP和T_ADD對系統性能的影響類似，但參數取值并不相同，當T_DROP為3.5dB左右時，系統性能達到最佳，而過高或過低時都會影響系統性能。T_DROP參數的典型取值為2～5dB。

    4.4觸發時間（ΔT）的設置

    ΔT是軟切換中建立切換所需的時間段。假如ΔT太小，將產生不必要的切換，導致往返不斷地增加、替換或刪除導頻；而假如ΔT太大，系統更輕易出現三小區的軟切換，耗費更多的軟切換開銷。因此ΔT的值應當折衷選擇，一般ΔT參數的典型取值為0～2s。

    5  結束語

    在WCDMA系統中，切換是必不可少的過程，用戶在蜂窩覆蓋區內移動時，其正在進行的呼叫有可能從一個NodeB轉移到另一個NodeB，切換必須快而有效，否則將會影響用戶的通話質量。由于無線頻譜資源的限制，WCDMA系統主要由混合小區組成，因而切換會以較高的頻率發生。設計快速而可靠的切換機制，是決定WCDMA系統網絡性能優劣的要害因素之一。

    切換控制對系統性能影響的好壞與切換參數的設置有很大關系，在實際的WCDMA系統設計中，設計人員應充分把握這一點，做好切換參數的設置工作，以達到提高系統的容量和覆蓋、改善服務質量的目的。