切换带相关常识

miqi050113

切换带定义及与网络性能的关系   

1.1  切换带的定义

  本文档讨论的切换是指蜂窝移动通信网络中的不同小区之间的越区切换，所谓不同的小区，包括同系统小区或不同系统小区，可以是同层小区或分层小区等。对于两个小区而言，可以定义它们的切换区域，即在两个不同小区的覆盖范围内存在的某些重叠区域，在该区域内移动台能将通信连接有效和可靠地从服务小区切换到目标小区，以保证通信的连续性。因此，对于一个移动通信网络，其切换带就是指满足给定切换准则的所有切换区域的集合。

  为了提高研究工作的有效性，简化研究问题的复杂性，使该专题研究工作能更好的服务于系统开发和网络应用，本文档将主要关注于TD-SCDMA移动通信网络同层小区结构下的切换带设置的相关问题，文中所提及的系统间切换或分层小区切换时的切换带相关问题和分析说明，可作为进一步研究的参考，本文不做展开分析研究。  

1.2  切换带与网络性能的关系

  一个蜂窝移动通信网络中切换带的设置将与许多的网络性能相关，例如网络的覆盖、网络的容量、链路质量以及网络建设成本等指标。

切换带设置对网络覆盖的影响：切换带大小和形状将影响网络的覆盖率和覆盖漏洞，切换带设置应是在满足合理的覆盖率的前提下尽量降低覆盖漏洞，不同的地理环境对覆盖的要求是不同的，因此，不同地理环境下的网络的切换带设置也是不同的；

  切换带设置对网络容量的影响：不合理的切换带设置将降低网络容量和各种网络资源的利用率；这在使用软切换策略的移动通信系统中表现的尤为明显。  切换带设置对链路质量的影响：不合理的切换带设置将严重降低网络中链路质量，使系统掉话率增加或资源利用率下降(软切换更为严重)；

  切换带设置对建网成本的影响：一方面切换带大小和形状将直接影响基站的数量和选址，另一方面它对网络容量和链路质量的影响，这些都会影响建网和运维成本。

切换带对网络性能几个方面的影响是相互联系的，评估切换带设置是否合理必须综合考虑各个指标性能，以使网络整体性能达到最优化状态。

1.3  最佳切换带的含义

  所谓最佳切换带，是指系统中所确定的切换带在满足各种网络设计指标的同时，能最大化网络容量、最优化链路质量和最小化网络建设及运维成本。

  影响切换带最佳设置要考虑的因素有：切换控制策略、网络模型、业务模型、环境模型、和话务量分布模型等。

  切换控制策略对最佳切换带的影响是指采用不同的切换算法，系统的最佳切换带是不同的，如基于导频的切换和基于质量的切换，它们的最佳切换带可能是不一致的，软切换和硬切换时的最佳切换带是不同的等。

  网络模型对最佳切换带的影响是指不同的网络结构对最佳切换带的要求是不同的，如同层小区/分层小区，扇区化小区/全向小区，同频组网小区/异频组网小区，系统内切换/系统间切换等，不同的网络模型应有不同的最佳切换带。

  业务模型对最佳切换带的影响是指不同的业务类型，其最佳切换带的设置可能是不同的，如低速业务/高速业务、实时业务/非实时业务等对最佳切换带的设置有不同的需求，另外，业务或用户的分布模型对最佳切换带的设计也会产生一定的影响。

  环境模型对最佳切换带的影响是指不同地理环境和移动环境对最佳切换带的影响，如市区与郊区最佳切换带的要求是不一样的，高速移动环境和低速移动环境下的最佳切换带设计也应该是不同的。

  在不同的话务量分布模型下，切换带的设置也会不同。切换带的设置应该避开话务量较高的区域，而应设置在话务量较小的区域内。这样可以保证切换带内具有较少的用户数，降低系统负荷和信令开销，提高系统容量和性能。  

1.4  切换带与网络规划和优化之间的关系

     最佳切换带是一个动态的概念，在网络建设和发展的不同时期，最佳切换带是不同的。在网络建设初期，为了覆盖和容量的考虑，切换带一般是根据地理区域和对用户数的预测而设计的。在网络投入运营之后，随着用户数目的增加和新业务的应用，网络逐渐不能适应需要。这时需要根据路测数据以及网络规划优化App等重新设计优化各种网络参数（包括切换等参数），这样切换带也会随之发生变化。   

3 最佳切换带设置需要研究的问题  

2.1  切换带设置需要研究的问题

  在网络规划完成后，RRM研究人员需要根据规划图设计网络中的切换带，即根据不同的需求设置各种与切换相关的参数，将得到的典型参数配置反映到图层上，并分析切换带是否合理。虽然在网络规划阶段设计覆盖时也考虑了切换带的设计问题，但此阶段更多的是从实际的地理区域覆盖上来考虑，基本上不太考虑影响切换带的其它因素，为了使网络切换带设计达到最佳化，需要RRM研究人员根据移动网络模型，结合网规和更多的路测数据，来设计系统的切换算法和涉及的参数，并经过仿真分析和实际网络测量，对影响最佳切换带的各个要素和参数进行优化和完善，最终设计出系统的最佳切换参数，亦即网络的最佳切换带。  最佳切换带设置需要研究的问题主要包括：如何确定与环境（网络模型、业务模型、移动模型等）相匹配的切换策略；在给定的切换策略下，如何确定各种参数的配置并分析合理性和优化性；如何通过实测验证最佳切换带设置的合理性；如何在网络运行时根据实际环境的变化自适应调整切换的各种参数，以便使切换带基本保持较优化的设置等。   

2.2  不同的算法策略对切换带设置的影响

  蜂窝移动通信网络中小区越区切换可以采用不同的算法或策略，也可能是采用多种算法相结合的控制策略。在TD-SCDMA系统中可采用的算法和策略有：

  基于导频的切换； 基于链路质量的切换； 基于干扰的切换； 基于链路预算的切换； 基于距离的切换； 基于移动速率的切换； 基于网络原因的切换等。

  本文档首先就基于导频的切换和基于链路质量的切换算法对切换带设置的影响进行详细分析研究，而对其它准则的切换算法对切换带设置的影响暂不展开详细的讨论，在后续工作中根据需求可以对其它算法进行深入研究。

2.2.1 基于导频的切换算法对切换带设置影响

  基于导频信号强度的切换判别准则，目前一般采用门限滞后算法，算法的详细描述如下： RNC根据UE的测量报告的分析判决，当UE测量得到的当前服务小区的PCCPCH RSCP在一段时间T1内持续低于一个预先给定的门限值RSCP_DL_DROP时，UE对RNC指配的相邻小区的PCCPCH RSCP进行测量，按如下的标准判决是否切换并选择目标小区：    PCCPCH_RSCP candidate> RSCP_DL_ADD（持续时间T1）,并且满足：  PCCPCH_RSCP candidate－PCCPCH_RSCP serving> RSCP_DL_COMP（持续时间T2）, 当同时有多个相邻小区满足该条件时，则RNC可选择PCCPCH RSCP测量值最大的相邻小区作为切换的目标小区，也可根据系统其它信息优化地选择一个相邻小区作为切换的目标小区。

  上述切换算法中涉及到的各个门限参数含义是：  RSCP_DL_DROP：切换测量启动门限，当UE接收到当前服务小区的PCCPCH RSCP低于RSCP_DL _DROP的时候，这时指示当前服务小区服务质量下降，需要启动切换测量。  RSCP_DL_ADD：候选小区PCCPCH RSCP检测门限，候选小区的PCCPCH RSCP必须大于RSCP_DL_ADD才有可能成为切换目标小区。  RSCP_DL_COMP：切换当中使用的滞后量，避免产生由于信号的随机起伏产生不必要的切换，并且保证切换后的信道质量。当候选小区的PCCPCH RSCP大于RSCP_DL_ADD之后，然后判断该候选小区的PCCPCH RSCP与当前服务小区的PCCPCH RSCP相比较是否大于RSCP_DL_COMP，大于则切换，并且该候选小区作为切换目标小区，小于则该候选小区不能保证切换后的信道质量，不能作为切换目标小区。  T1和T2：切换计时器门限，可避免由于信号随机起伏引起不必要的切换操作。  这些参数与系统的性能指标密切相关，与业务、环境和移动性也有很大的关系，需要深入详细的分析、研究和仿真。

  上述参数将对基于导频的切换算法的性能产生影响，而对切换带有直接关系的参数是RSCP_DL_DROP、RSCP_DL_ADD和RSCP_DL_COMP这三个参数，他们共同决定了网络中切换带的大小和形状，T1和T2对切换带的影响是间接的，根据仿真或测试结果，该参数可能会提出对由前三个参数确定的切换带进行修正或优化需求。在网络规划阶段主要是根据导频信号强度进行覆盖规划时，结合RSCP_DL_DROP和RSCP_DL_ADD两个参数对网络切换带进行粗略的设置，但此时不会更多的考虑其他因素的影响（如环境、业务等），也不会关注更多的网络性能（如掉话率、阻塞率等），因此，网规阶段所设置的切换带一般不会是网络的最佳切换带，RRM研究人员需要在网规的基础上，对涉及的各个参数和性能指标进行分析、研究、仿真、优化和实测验证修改等步骤，最后得到最佳的切换参数，即系统的最佳切换带。  对于同一系统同层小区的网络，基于导频的切换算法，一般来说其最佳切换带反映在图层上应该是有一定规则或较为明确轮廓的区域，且它的大小和形状相对比较固定，根据这一图层就可以初步判断出系统大概的切换概率。   

2.2.2 基于质量的切换算法对切换带设置影响  

基于信号质量的切换判别准则，采用具有滞后余量和限定门限的切换算法， UE测量的DPCH_SIR在一段时间T_SIR内满足以下条件时，按照下列的方式进行判决。具体描述如下：

                当DPCH_SIR < UE_SIR_Th时(持续T_SIR)，优先判断切换；

                当UE_SIR_Th < DPCH_SIR < UE_SIR_Th＋Delt时，优化切换；

                当DPCH_SIR > UE_SIR_Th＋Delt时，一般不判决切换；

    其中UE_SIR_Th是为了保证相应的QoS的最低要求，它可通过链路和系统性能仿真得到的。Delt是与切换率和切换掉话率相关的门限参数，其取值与网络规划和优化有关。而确定目标小区依据的是门限滞后准则进行的。  当算法判决需要切换时，UE根据网络指配的相邻小区列表进行导频强度的测量，从而决定出切换的目标小区。

    基于质量切换的准则，其切换带的设置主要是参考绝对导频强度，在目标小区导频强度满足一定的范围时，一般不太考虑服务小区的导频强度的状态，只要链路质量低到一定的门限就触发切换，因此，在图层上最佳切换带与基于导频强度切换准则的最佳切换带是不一样的，它一般没有什么规则或较为明确轮廓，而可能是一些任意形状和大小的区域组成的网络切换带，而且这个切换带会随着环境和时间的变化而变化的。   

2.2.3 基于导频和质量的切换算法对切换带设置影响

  当切换算法采用以导频强度为准则的时候，网络中可能会出现以下情况，导频强度的测量并不足以触发切换条件，但是移动用户实际获得的通信质量已经低于用户申请的QoS指标；或者虽然根据导频强度的测量结果触发了切换，但是由于移动用户最终获得的通信质量还可以满足通信要求，也就是可以不进行切换。再有，在选择目标小区的过程如果仅仅考虑选择导频强度最强的小区，那么选择的小区有可能并不是满足通信质量的最佳选择。当出现以上情况的时候，系统的切换掉话率和切换率将升高。从而造成网络覆盖和容量的降低。信噪比准则只能作为切换判决时候的绝对门限准则，原因是在TD-SCDMA系统中用户终端在同一时刻只能建立与一个小区的连接，从而只能测出当前服务小区的信噪比。因此，采用单一的信噪比准则也出现缺陷。在实际系统中，单独采用以上的某种算法都会有不足之处。把这两种算法在一定的条件下结合起来将会产生优化的效果。  当网络采用基于导频和质量的联合切换算法时，其最佳切换带不一定是他们基于各自单一准则时最佳切换带简单的交集或并集计算，而是对基于导频强度算法的最佳切换带进行修正或调整得到的切换区域，既联合准则的最佳切换带其大小和形状与基于导频准则的最佳切换带基本相似，但最佳切换带的具体边界或轮廓不太一致。   

2.3  如何评估切换带设置的合理性

  评估一个网络中切换带设置是否合理或最佳，主要是通过仿真和实测验证，对所设置的各个算法参数进行分析和优化，以使网络的各个性能指标达到综合最优化，在这一过程中也要考虑算法实现的复杂性和性价比等因素，最终确定最佳的切换参数，即设置网络的最佳切换带。  

2.3.1 切换带设置参数对切换性能的影响分析

      在本文所关注的切换策略中，网络中最佳切换带参数主要有RSCP_DL_ADD，RSCP_DL_DROP，RSCP_DL_ COMP，UE_SIR_Th，Delt，以及相关的定时器等，这些参数直接影响系统的切换性能，所谓最佳切换带的设计就是合理的选择这些参数，使系统切换的综合性能达到最优化状态。下面是各个参数对系统切换性能影响的定性分析，其数值分析可以通过仿真和实测进行。

     (1). RSCP_DL_DROP：作为切换测量的启动门限值。当这个参数被设置的过低时，就会产 生这种情况：尽管UE接收到的当前服务小区的测量值已经很低，信道质量下降很大，但是由于RSCP_DL_DROP值设置的过低，切换测量迟迟未被启动。等待当前服务小区的测量值下降到RSCP_DL_DROP值以下时，这时信道质量已经非常恶劣，很可能会因为信号太弱而掉话，而在此之前又没有足够的时间来完成切换。这种情况会造成应该切换的用户没有切换。相反的，当RSCP_DL_DROP参数被设置得过高，这时尽管当前服务小区的信道质量比较理想，但由于RSCP_DL_DROP参数被设置得过高，会使小区当中处于切换状态的UE数目增大，加重了系统负担。这种情况有可能造成对可以不进行切换的用户进行了切换操作。

     (2). RSCP_DL_ADD：作为候选小区测量值的检测门限，与RSCP_DL_DROP参数分析相似， 考虑RSCP_DL_ADD被设置得过高和过低两种情况。当RSCP_DL_ADD被设置得过高，这时尽管某个候选小区的测量值已经比较理想，但是由于RSCP_DL_ADD被设置得过高，该候选小区仍然不能作为切换目标小区被选中，造成切换时延增大，掉话率增大。当RSCP_DL_ADD参数被设置的很低的时候，这时即使完成了切换也不能保证切换之后的信道质量。  

     (3). RSCP_DL_COMP：作为在信号强度准则中使用的一个滞后量，当RSCP_DL_COMP参 数被设置得过低，这时候选小区成为切换小区的条件比较宽松，可能某个候选小区的测量值仅仅比当前服务小区的测量值高出一点就被判作切换目标小区，实行切换，这样产生的后果一个是不能保证切换到的新小区信道质量足够好；另外由于阴影衰落以及其它随机干扰的影响，很可能UE刚完成一次切换就又要进行新的切换了，这样就产生了很多不必要的切换，加重了系统的负荷。对于  RSCP_DL_COMP被设置得过高这种情况：这时候选小区成为切换目标小区的条件比较严格，可能UE已经远离了当前服务小区，但是由于RSCP_DL_COMP被设置的过高，候选小区不能马上满足切换条件，这时UE 就不得不增大它的发射功率来维持与当前服务小区的联系。随着UE发射功率增大，对于相邻小区的干扰就必然增加，干扰增加同时意味着小区容量的下降。

     (4). Delt：作为在质量判决准则中使用的一个滞后量，同上面的RSCP_DL_COMP分析相似。 当Delt设置得过高的时候，质量引起的切换判决的条件比较宽松，所以可能引起不必要的切换。当Delt设置得过低的时候，可能造成需要切换的用户没有来得及切换，从而产生掉话。  

     (5). 定时器的影响：定时器参数要与RSCP_DL_ADD，RSCP_DL_DROP，RSCP_DL_ COMP  UE_SIR_Th，Delt等信号强度和质量参数组合使用，现在以RSCP_DL_DROP与T1组合为例说明定时器参数对于切换性能的影响，在决定何时启动切换测量的时候，很重要的一点是保证所检测到的信号电平的下降不是因为瞬间的衰减而是由于UE正在离开当前服务小区，为了保证这一点，小区在准备启动切换之前需要对信号检测一段时间。必须优化这种连续的信号检测以避免不必要的切换操作，同时保证在由于信号太弱而通话中断之前完成必要的切换。  

     (6). 对于接力切换而言，上下行链路分别转移到目标小区的延迟时间对系统的切换性能也是 有影响的，太短或太长都将影响切换成功率、掉话率和资源利用率等指标。   

2.3.2 评估最佳切换带性能的参数指标

  评估切换参数是否最优化，即网络中的切换带是否最佳，就是以网络的性能为评估指标，对选定的切换算法和切换参数，进行仿真或测试。对于切换算法的性能评价主要是基于系统的整体性能。从宏观来看，切换算法的设计直接影响到网络性能指标的各个方面。这些指标既关系到网络运营商提供的网络运行情况，同时也关系到移动用户最终得到的通信服务质量。下面给出了系统性能的几个主要指标分析：  

     (1). 切换掉话率(Call dropping probability)：在网络中，由于切换引起的掉话数占总呼叫数的 比值。掉话的标准是用户实际得到的QoS指标低于给定的目标门限值。目前主要考虑BER和时延指标。这个量是一个统计量，需要通过系统仿真的方法给出。

     (2). 切换率(Handover probability)：这个量是一个统计量，将由统计的方法得出。它是和网络 性能相关的参考量。这个量按照目前的理解有两种说明。一种是网络中符合切换条件的用户数占总用户数的比值。另一种是在一次呼叫过程中，切换时间占呼叫总时间的比值。这种统计方法与用户申请的业务有关。

     (3). 切换延时(Delay)：实行一次切换的时间，切换延时分为切换判决延时和切换实行延时。 这个量的大小与系统的信令负荷情况，切换次数以及切换实行过程有关。在系统中，这个量是一个统计量，将由统计的方法得出。它将部分决定系统的切换成功率和切换掉话率。切换延时将与用户申请业务QoS的延时参数密切相关。当切换延时大于用户申请业务QoS的最大允许延时的时候将产生掉话。切换实行时间的长短将具体由系统的信令负荷，信令流程等情况决定。对于非实时业务和对于延时要求并不苛刻的业务来说，切换延时不需要考虑。  

     (4). 新呼叫阻塞率(Call blocking probability)：这个参数是指当新的呼叫到来的时候被阻塞的 概率。它与许多因素有关，新呼叫阻塞率与切换算法相关的主要是涉及到资源预留算法中的资源预留率参数，也就是，当资源预留率大的时候，新呼叫阻塞率将升高，当资源预留率小的时候，新呼叫阻塞率将降低。这个量是一个统计量，将由统计的方法得出。

     (5). 切换阻塞率(Handover blocking probability)：这个参数是指当切换用户切换到目标小区的 时候，由于目标小区切换资源预留算法和负荷等原因造成切换用户不能与目标小区建立连接的概率。切换阻塞率和诸多因素有关，包括：用户到达率、保持时间、运动速度和方向、系统容量、小区结构、CAC 、CA以及资源预留算法中的资源预留率参数等因素

     (6). 系统的资源利用率：由于要为切换用户预留资源，所切换算法和参数对系统资源的利用 率有较大的影响。   

3. 影响最佳切换带设置的其它因素      

一个网络的最佳切换带除了与切换算法和参数直接相关外，它还会受到其它因素的影响，也就是说网络在运行时其最佳切换带并不是固定不变的。前面已对一些影响因素进行了分析说明，下面就可能的其它影响因素进行简单的分析。

     (1)．负荷对切换带的影响：由于CDMA系统的呼吸效应，系统负荷将对规划的覆盖产生影响，因而对网络的切换带也就会产生直接的影响。

     (2)．同频组网/异频组网时的最佳切换带的设置问题：由于同频组网和异频组网的网络存在的干扰不一样，所以对网络中最佳切换带设置会产生不同的影响。

     (3)．测量对最佳切换带设计的影响分析：切换对于系统性能的影响还要考虑到准则中需要的各个参考量的测量。由于受到系统特性的制约对于这些参考量的测量将要遵守一定的测量周期，并且这些量的测量也将产生一定的误差。周期和误差将对各种切换算法在实际系统中的运行效果产生影响。如果某些切换准则需要的测量参考量的测量误差容限相对比较大的话，那么相对比较小的门限裕度将没有意义。因为，这种相对门限将被淹没在参考参量的测量误差之中。所有参数的测量受到系统的约束都会产生延时，也就是，测量本身反映的是过去的情况。具体情况由测量周期决定。这方面也影响了切换判决的准确性。因此，测量将使所设计的最佳切换带发生变化，边界变得模糊。

     (4)．接力切换对切换带设置的影响：对于接力切换而言，上下行链路分别转移到目标小区的延迟时间对系统的切换性能也是有影响的，太短或太长都将影响切换成功率、掉话率和资源利用率等指标，最后可能会影响到最佳切换带参数的设置和优化结果。

     (5)．TD-SCDMA特点及核心技术对最佳切换带的影响：（后续研究中分析）。

     (6)．基于网络原因切换对最佳切换带的影响：由于基于网络原因的切换属于强制性切换，它并不符合常规的切换准则，此时最佳切换带虽然没有明确概念和意义，但在网络实测和性能统计时，将对网络的切换性能有一定的影响，最后可能会影响到正常的最佳切换带参数的设置和优化结果。

    最佳的切换带的设计也应该考虑系统的信令开销，使同时处于切换状态的用户数保持合理的范围内。在系统正常负荷下，处于切换状态中的用户数太多会增加系统的信令开销和系统负荷，降低系统的性能。