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CDMA切换仿真技术研究

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(57页28159字+图+程序)摘要:越区切换是指将当前正在进行的移动用户与基站之间的通信链路从当前基站转移到另一基站而维持通信不中断的过程。在CDMA系统中,随着移动用户数量的增加,用户服务质量(QoS)的保证变得至关重要。越区切换技术是保证QoS的重要环节。
本文首先介绍了CDMA系统切换技术研究现状,并对越区切换策略、切换方式进行了分析,然后通过硬切换和软切换的比较选定软切换为本次仿真设计的重点。通过对软切换的分析,利用Hata传播模型和切换规则设置相关门限参数并在Visual C++平台上实现软切换的仿真设计,并通过相关实验,验证了CDMA系统中软切换各项参数取值对CDMA切换产生的影响,能够仿真CDMA切换功能。

关键词:CDMA;切换;门限;Hata模型

 


 
CDMA Handoff Research and Simulation
Abstract: In CDMA system, the quality of service (QoS) of each MS becomes more important with the increase of the number of MS. To guarantee good QoS, Handoff is the key issue, which is also an important part of mobile management. CDMA Handoff is a process that the channel of MS can be switched to another Base station uninterrupted when mobile customer strides across one BS. Handoff can improve utilization ratio of system resources, also obtaining higher performance of system. Handoff is the most complicated and vital technique in CDMA system.
Firstly, this thesis introduces the principle research status of CDMA Handoff, then analyse the strategy and the mode of CDMA Handoff. By compared with Hard Handoff and Soft Handoff technique, this thesis focuses on Soft Handoff simulation. Secondly, this thesis simulates CDMA Soft Handoff by using Hata transmition model and the threshold parameters on Visual C++ platform. Then through relevant experiments, it validate the impact of CDMA system threshold parameters in switching.
At last, this design has been achieved the simulation of CDMA Soft Handoff, and complete the project.

Key words:  CDMA,  Handoff,  Threshold,  Hata transmition model

 


 
目  录
第1章  绪 论 1
1.1  背景资料 1
1.2  移动通信的发展 1
1.2.1  第二代移动通信系统 2
1.2.2  第三代移动通信系统 2
1.3  越区切换技术发展概况 2
1.4  越区切换技术研究现状 4
1.5  本章小结 4
第2章  CDMA切换研究 5
2.1  切换策略 5
2.1.1  支持多业务的切换策略 5
2.1.2  支持微蜂窝的切换策略 8
2.2  切换方式 9
2.2.1  相对信号强度 9
2.2.2  有门限的相对信号强度 9
2.2.3  有滞后的相对信号强度 9
2.2.4  有滞后和门限的相对信号强度 9
2.2.5  有滞后时间的相对信号强度 9
2.3  切换技术的发展方向 10
2.4  本章小结 10
第3章  切换仿真设计方案 11
3.1  切换系统设计 11
3.2  硬切换和软切换 12
3.2.1  硬切换(Hard Handoff) 12
3.2.2  软切换(Soft Handoff) 12
3.2.3  两种切换比较 13
3.3  软切换设计 14
3.3.1  软切换原理图 14
3.3.2  切换过程设计 15
3.3.3  切换发生准则选择 16
3.4  传播模型设计 17
3.5  切换设计思路 18
3.6  本章小结 19
第4章  CDMA切换程序设计 20
4.1  Winsock及TCP/IP概述 20
4.1.1  WinSock概述 20
4.1.2  TCP/IP协议 20
4.2  程序流程及分析 21
4.2.1  程序流程图 21
4.2.2  仿真服务器设计 21
4.2.3  仿真客户端设计 23
4.2.4  手机移动仿真设计 27
4.3  传播模型程序实现 28
4.4  程序的使用 30
4.5  本章小结 30
第5章  CDMA切换仿真实验 31
5.1  实验平台 31
5.2  切换参数对系统的影响 31
5.2.1  参数设置 31
5.2.2  导频丢弃门限T_DROP设置实验 32
5.2.3  导频丢弃定时器T_TDROP设置实验 33
5.2.4  导频强度比较门限T_COMP设置实验 33
5.3本章小结 34
总  结  35
致  谢  36
主要参考文献 37

 
第1章  绪 论
1.1  背景资料
20世纪70年代末第一代移动通信系统面世以来,移动通信技术一直以惊人的速度迅猛发展。其中,CDMA(码分多址,Code Division Multiple Access)蜂窝移动通信技术在系统容量、业务质量、安全性和可靠性上有诸多优点,因此,CDMA 蜂窝移动通信技术已经成为现在移动通信系统的主流技术。在 CDMA系统中,随着移动用户数量的增加,移动通信系统的每个用户的服务质量(QoS)就变得尤为重要。其中,越区切换技术是保证服务质量的重要环节,是CDMA系统中最复杂和最重要的技术。因此,越区切换技术就成为了CDMA系统的一项关键技术。
越区切换是指处于通话状态的用户在移动过程中,从当前基站转移到另一基站而维持通信不中断的过程。越区切换主要分为两类:硬切换和软切换。硬切换是先释放旧信道再建立新信道,TDMA, FDMA和CDMA系统都支持硬切换技术。由于CDMA系统中同一小区的用户和其它小区的用户都使用同一频率,给CDMA系统支持软切换技术提供了必要条件。软切换技术是先建立新信道再释放旧信道,即:当移动台在小区边缘测量到的一个新基站(BS)的导频信号强度大于导频加入门限(T_ADD),保持现存的通信链路并跟新基站建立新的通信链路。
为了保证移动用户的服务质量,对CDMA系统越区切换技术的研究就变得尤为重要。本文重点就是对CDMA系统中的越区切换技术进行了研究,研究了越区切换的概念、过程和典型的越区切换策略,并重点对CDMA系统软切换进行分析,最后根据实际应用中的相关参数作为参照对软切换进行仿真和验证实验。
1.2  移动通信的发展
移动通信系统的发展可以追溯到上世纪 40 年代,1946 年 AT&T 公司推出了第一个移动电话系统,采用 FM 调制方式。1978 年,美国推出了 AMPS(Advanced Mobile Phone System)系统,正式拉开了第一代移动通信系统发展的序幕,此后,半导体技术和微处理器技术的快速发展,大大推动了移动通信技术的发展。现在,移动通信技术已发展到第三代,以 CDMA 技术为特征的第三代移动通信系统正在逐步进入商用化,而基于正交频分复用(OFDM)技术的第四代移动通信系统的相关技术的研究也已展开[1,2]。
1.2.1  第二代移动通信系统
第二代移动通信系统及GSM蜂窝系统属于数字蜂窝移动通信系统,它主要采用时分多址TDMA (Time Division Multiple Access)技术或窄带码分多址 CDMA技术。但由于其核心网仍然以电路交换为基础,因此,语音业务仍然是其主要的承载业务。虽然随着各种增值业务的不断推出,第二代系统也可传输低速数据业务,但由于第二代数字移动通信系统带宽有限,限制了数据业务的应用。在 Internet、电子商务和多媒体通信飞速发展的今天,不能为用户提供高速数据业务已成为第二代数字移动通信系统发展的障碍,因而,第二代系统向第三代系统演进便成为必然。
1.2.2  第三代移动通信系统
目前使用的第二代数字移动通信系统可以提供语音及低速数据业务,能够基本满足当前人们信息交流的需要。但由于人们的需求及互联网技术的发展,带动了移动多媒体和高速数据业务的迅速发展,推动了第三代移动通信的产生。
1996 年,国际电信联盟(ITU,International Telecommunication Union),在第二代数字蜂窝移动通信系统的基础上提出了实现全球统一标准、建设一套系统网络、让移动用户在全球任何地方都能通信的IMT-2000标准,即3G标准。该标准确定了包括业务需求、工作频带、数据传输能力、网络过渡要求、频谱利用效率等方面的技术标准,基本上建立了第三代移动通信系统的框架。
3G系统多址方式的主流为宽带CDMA技术。现在国际电联通过了三种基于CDMA技术的标准,分别是:WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA 标准。
第三代移动通信系统由卫星移动通信网和地面移动通信网所组成,将形成一个对全球无缝覆盖的立体通信网络,满足城市和偏远地区各种用户密度需求,支持高速移动环境,提供语音、数据和多媒体等多种业务(最高速率可达 2Mbit/s)的先进移动通信网,基本实现个人通信系统。
1.3  越区切换技术发展概况
现在,无线移动网络己经成为通信基础网络中非常重要的部分,成为人们生活中的一部分,人们对通信的要求也越来越高,希望随时随地都能享受到通信所带来的丰富多彩的服务。但是在目前的无线移动网络中,严重的带宽限制己经不能满足人们越来越多的需求,迫使设计者将服务区域分为能够重复使用无线频谱的蜂窝,而且蜂窝还有越来越小的趋势。当移动台从一个蜂窝移动到另一个蜂窝时,呼叫需要从一个基站切换到另一个基站。蜂窝越小,切换的平均次数将越多。显然,这样的切换严重影响了呼叫服务质量,从而严重影响蜂窝系统的设计和性能。另外,通信系统的各种业务对切换的要求也不一样,切换的时候要区别对待,这样就增加了切换的复杂性。因此,如何减少切换,并使切换平滑进行是一个蜂窝移动通信系统是否成功的重要标志。所以,进行切换的研究是十分必要的。
在CDMA系统中使用的是软切换技术。在这种技术中,移动台可以利用多个无线链路同时和多个基站进行通信。软切换由移动台发起,移动台在通信过程中动态扫描各信道的场强值,如果检测到一条比当前通话基站更强的基站信号,就话路完全建立,才切换到新的信道,并释放旧信道。在小区的覆盖区内,移动台可以同时与多个基站进行通信,某个链路若有故障时,移动台可以使用别的链路。影响软切换性能的因素包括网络的响应时间、用户的移动性以及覆盖时间(overlay time)等。软切换是相同载频之间的切换,保证了切换的无缝性[3]。
软切换是在相同 CDMA 频率信道上进行的切换,它不需要改变收发频率,而只需要调整和引导码的相位。另外,软切换也不是对所分配的信道在物理上的改变,而是将无线通信业务交由其它基站进行处理。因此软切换可应用于不同基站小区和扇区之间的切换。当移动台搜寻到一个新的有足够强度的导频信号时,移动台将向原始基站报告,然后由基站向交换中心报告并记录下来,由交换中心启动移动台检测到的有足够强度的导频信号的基站,使这个基站与原始基站一样同时从移动台收发相同的信息。对于向移动台的前向传输,移动台的Rake解调器同时解出两个小区发出的信号,然后加上一定的时延进行相干合成,与处理时延不同的多径参数完全一样。而对于反向信道,通常两个基站对每帧或每个信息包独立地进行解调与解码,然后分别将自己的解码信息交给MSC去仲裁两个基站解出的帧。这一过程完全体现了软切换的特点与优点,移动台利用Rake接收机的多个单路径接收支路后,即开始与新的基站建立链路。当移动台在小区之间平滑地穿越及在移动台从一个小区进入邻近的小区之前,第二个小区就开始逐渐接入,此时移动台同时与两个基站建立了链路。当原始小区基站的信号比新接入的基站信号弱了许多,而不能正确的解调和解码时,移动台就会根据收到的导引信号的强度或者由原始小区基站采取行动来使移动台脱离此小区[4]。
1.4  越区切换技术研究现状
越区切换概念提出之后,许多研究人员对其展开了大量研究,主要的研究包括:提出改进的越区切换算法、越区切换算法的优化和越区切换参数设置对系统的影响。下面对越区切换的研究做个简要介绍。
越区切换是移动通信系统的一项关键技术,越区切换主要分为两类:硬切换和软切换。对硬切换的研究主要是在第二代移动通信系统GSM上[5-8]。而CDMA系统支持软切换技术。文献[9-11]介绍了软切换的基本概念、实现过程及参数定义与测量。后来,根据切换尝试率比新呼叫尝试率的优先级高的原则,人们提出了许多切换优先策略的算法,其中,最具代表性的策略是引入了“保护信道”的概念,即专门预留出一些信道供切换呼叫使用。该切换策略可以减少切换失败率和呼叫阻塞率。为了进一步提高信道利用率,又提出了动态预留信道策略,根据移动台软切换尝试数的变化来控制预留信道容量的大小,使软切换成功率有更好的改善和提高。预留信道方式虽然降低了切换呼叫的失败概率,但也降低了信道利用率。同时,又提出了对切换呼叫进行排队的切换策略的算法,即当没有可用信道时,对切换呼叫进行排队。在排队的切换策略算法的研究中,提出了最小逗留时间排队和双门限的混合算法、基于测量的优先级算法(MBPS)及基于信号预测优先级算法(SPPQ)等,这些软切换排队算法都是对软切换优先级进行优化,以提高系统资源的使用效率。
在软切换中,移动通信系统的性能随着软切换相关参数的改变而变化,例如:T_ADD、T_DROP,还有无线传输特性和接收导频信号强度 Ec/Io 值等参数。因此,大量的研究集中在软切换参数设置对于系统的影响,例如:导频加入门限T_ADD,导频去掉门限T_DROP等参数的设置对CDMA系统的性能影响。为了更好的对CDMA系统软切换进行分析,把蜂窝区域划分成软切换区域和非软切换区域,详细分析切换过程,并对CDMA系统的性能参数进行了数值分析。
1.5  本章小结
本章介绍了无线通信技术的发展历史,重点介绍了目前市场上成功运用的第二代和第三代无线通信系统,并做了简单的比较。本章也大概的介绍了目前针对无线通信技术切换研究背景和CDMA的研究现状,其对当代以及将来无线通信的QoS的提升的意义。

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