第6章 切换管理.docx

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第6章切换管理

第4章切换管理（书2-4，6章）

4.1切换的一些概念

在蜂窝移动通信网络中，由基站（BS）组成无线小区（cell，以下简称小区）按蜂窝状组成通信网络，完成各类移动业务。

图4.1给出了GSM网络结构。

基站负责转移送往或来自该BS覆盖区域移动台（MS）的呼叫。

当一个移动台（MS）正通过无线链路连接到某个BS进行通话时，如果该MS渐渐离开该BS移动到另一个BS覆盖的区域，则连接到原BS的无线链路最终被迫中断，因此，需要及时建立一条到新BS的链路，以保持继续通话，这一过程称之为切换。

切换是蜂窝系统的基本操作，切换按情况不同可分硬切换、软切换和更软切换。

图4.1GSM网络结构

所谓的“硬切换”就是在业务（如通话）过程中离开原工作小区，进入相邻小区时为保持业务的连续性，需将工作信道进行切换，由于使用的工作频率不同，移动台需先中断与原基站的联系，再与新基站取得联系，即“通前断（breakbeforemake）”的方式保持业务的连续性。

硬切换一个终端一次只能与一个BS进行连接，在与目标BS建立连接之前或之后必须立刻切断与前一BS的连接。

所谓的“软切换”就是在上述切换中，当移动台开始与一个新的基站联系时，并不立即中断与原基站的通信，而是先与新基站（可能不止1个）取得联系，在保证业务切换成功后，才中断与原基站的通信，即所谓的“断前通（makebeforebreak）”。

软切换在进行切换的时候，终端可以同时与多个BS相连，利用信令多样性的一些形式来将多个信号联系在一起。

目前，软切换应用于具有相同载波的CDMA信道之间。

所谓的更软切换是指发生在同一基站具有相同频率的不同扇区之间的切换。

更软切换只由基站完成，一般不通知MSC。

软切换的优点有：

信道转换平滑。

目标小区渐渐接入，在移动台从起始小区走向邻近小区前就己经开始了。

当起始小区的信号功率比目标小区弱很多时，移动台根据收到的导引信号强度或者由起始小区采取行动让移动台脱离此小区。

而且，对任一给定帧，总是用较好的小区并关闭原来的小区。

为避免在小区边界附近的频繁切换，硬切换系统是在信号比第一小区足够高时（6分贝）时再切换。

这样恶化了边界地区的特性。

然而，软切换明显地增加了蜂窝系统的负荷。

当用户在一个业务区域（小区）内移动，其信号强度恶化到低于某个门限值，导致将对用户的呼叫传送到同一BS中具有合适强度的新的无线信道时，发生的是小区内切换（扇区之间切换）。

而当一个用户移动到邻近的小区，终端的所有连接必须转移到新的BS时，发生的是小区间切换。

4．2切换过程的重要性

在第一代模拟蜂窝系统中，小区的半径较大（一般有几十公里），切换过程较少发生。

在第二代数字蜂窝系统中，小区的半径相对较小（在高密度地区的小区半径一般小于500m），蜂窝可按大小分宏蜂窝（Macrocell）、微蜂窝（Microcell）和微微蜂窝（picocell）。

在一次呼叫完成前，移动用户穿越一个小区的概率很高，因此切换频繁发生，在市区，一次呼叫可能会经历多次切换。

在第三代系统中，对切换的要求更高了。

第三代为了满足高容量和高数据速率的需要，小区的半径会变得更小，因此，切换必须更加快速和准确。

另外，不同的系统（如用于室内高密度环境的无绳电话系统，用于室外的微蜂窝系统）之间要实现完全透明的漫游。

切换过程扮演的角色非常关键。

对第三代系统中的切换过程的主要需求如下：

●反应实时性（特别是在微小区和微微小区环境下的快速切换）

●满足用户的要求（如依照各个运营商提供的价目表）

●能够从一个网络移动到另一个网络（运营商之间的切换）

●能检测用户移动行为参数的变化（如在用户运动速度增大时，能将通信从一个微微小区中传递到一个微小区或宏小区）

根据第一代和第二代系统的运营后发现，造成通话途中中断的现象主要由切换所造成的。

可见切换在蜂窝移动通信中的重要性。

切换的性能除切换本身的算法外，跟BS的布点有着极大的关系。

1、从抗干扰的角度讲，相邻小区的无线重叠区应尽可能小，但从切换的角度看，相邻小区的无线重叠区不宜太小。

因为，相邻小区的无线重叠区如果太小了，切换的时间会来不及，造成原BS的信号强度已无法维持通信，而新的BS尚未提供新的信道，从而造成通信中断。

2、相邻小区的无线重叠区（也即切换区）应避免与交通流量大的区域重叠。

否则，会造成MS来回在相邻两个小区之间来回切换，即造成切换的“乒乓”现象。

为了防止造成切换的“乒乓”现象，减少频繁切换，在硬切换过程中提出了“磁滞”方案，然而需要增大发射功率来扩大切换区域和满足通信质量。

软切换与进出切换小区的频繁程度无多大关系，可使中断概率大大降低。

此外，在软切换中的分集接收技术不需要像硬切换那样靠增大功率扩大切换区域而使通信质量改善。

但由于软切换在切换期间要占用二个或二个以上信道，导致信道利用率降低。

CDMA软切换除不会造成话音中断外，还带来更好的话音质量，并且从某种程度上增加了反向信道的容量，而CDMA系统的容量主要是由反向信道决定的[？

]。

它是CDMA系统的主要优越性之一。

软切换中还有另一个较有意义的性能指标——信道利用率（中继资源利用率）。

对于硬切换，一个呼叫只占用一个信道，因此信道利用率为1，对于软切换，不同之处主要在于对于软切换，每一个移动台在切换区最少占用二个信道（每个小区一个信道），而不是一个，其信道利用率（中继资源利用率）必将减少。

为了评价切换策略是否完善，通常可通过以下三个切换性能指标来衡量（列出几种不同的衡量标准，说明我们认为合理的）：

1）新呼叫阻塞概率（theprobabilityofnewcallblocking）

新呼叫到达而被拒绝接入的概率称为新呼叫阻塞概率，或阻塞概率。

在每个小区内，为了使切换到该小区内的用户由于拥塞而掉线的情况尽可能少，通常都需要预先留一部分专用作切换的预留带宽或切换预留信道。

但如果预留太小，切换掉线率（切换失败率）可能太高，用户的服务质量得不到保证。

但如果预留太大，本小区新呼叫用户的服务质量得不到保障，且导致预留资源得不到充分的利用。

2）由于切换造成的强迫中断概率（theprobabilityofForcedTermination，也可称切换掉线发生的概率）PHD：

所谓的强迫中断（ForcedTermination）概率就是一个正在进行的通话由于切换失败而造成的通信被迫终止的概率。

3）切换速率（therateofhandover）TH或信道利用率（中继资源利用率）

如果是硬切换，切换将造成通话的中断，切换速率越快，由于切换造成通话的中断时间越短，反之，越长。

故性能指标用切换速率衡量较为合理；

如果是软切换，虽然切换不会造成通话的中断，但同时占用多条（至少2条）的链路，造成网络资源的紧张，切换速率越快，由于切换造成网络资源的紧张的时间越短，反之，越长。

故用信道利用率（中继资源利用率）衡量较为合理。

切换管理研究所关注的问题有：

高效且适当的包处理；最小化网络中的信令负荷；为每一次连接进行路由优化（如解决三角路由问题）；高效的带宽重分配；对已有的方法进行评估以利于标准化；为无线连接定义服务质量（QoS）等。

4．3切换的三个阶段

一个完整的切换过程包括三个阶段：

切换的初始阶段、新的连接产生阶段、新的数据流建立阶段。

首先是初始阶段，由用户，或网络代理，或正在改变的网络状态来识别出切换的必要性，即首先需要检测切换需求。

第二个阶段是找出新的连接，网络必须找到新的资源来进行切换连接，并执行额外的路由操作。

在网络控制的切换（NCHO），或移动用户辅助切换（MAHO）中，网络要产生新的连接，找到新的资源进行切换，并进行路由操作。

对于由移动用户控制的切换（MAHO），由移动终端来找到新的资源，由网络来批准。

最后一个阶段是数据流控制，从旧的连接路径到新的连接路径的数据的传送根据已协议的业务保证来进行维护。

切换管理的程序如图4.2所示。

图4.2切换管理的功能示意图

4．3．1切换检测策略（书P30-）

在切换需求检测方面，人们已经提出了3种策略：

1）移动台控制的切换（MCHO）；2）网络控制的切换（NCHO）；3）移动台辅助的切换（MAHO）。

（1）在移动台控制的切换（MCHO）中，MS一直监测周围BS的信号，当满足某些切换准则时，启动切换过程。

MCHO主要用于DECT和PACS系统。

（2）在网络控制的切换（NCHO）中，周围的BS测量来自MS的信号，且当满足某些切换准则时，网络启动切换过程。

NCHO主要用于CT2+、AMPS系统和TACS系统。

（3）在移动台辅助的切换（MAHO）中，网路要求MS去测量来自周围MS的信号。

网络基于MS的报告做出切换决定。

MAHO主要用GSM和IS-95CDMA系统。

随着移动通信的MS密度的增大，小区越划越小，加上MS的智能化程度及处理能力的不断增加，移动网络由原来网络集中控制渐渐转向网络集中控制和MS分散控制相结合。

MS完全有能力进行切换的管理和积极参与整个切换过程。

目前，先进的移动通信系统，包括3G均遵循MAHO。

4．3．1．1移动台控制的切换（MCHO）

MCHO是低层无线系统最流行的技术，它同时用于欧洲DECT和北美PACS空中接口协议。

在这种方法中，MS持续监督来自所接入的BS和几个切换候选BS的信号强度和质量。

当满足某些切换准则时，MS检查一个可用业务信道的“最佳”候选BS，并发出切换请求。

我们希望由MS完成自动链路转换（ALL，两个BS之间的切换）和时隙转换（TST，同一个BS中两个信道之间的切换）的组合控制，这是为了：

■减轻网络的切换任务的负担；

■即使无线信道突然变差，也能通过允许重新连接两个呼叫来保证无线连接的稳固性；

■控制自动链路转换和时隙转换，因此防止两个过程无益的、同时的激发。

自动链路转换控制需要MS在BS附近去进行当前的和候选的信道质量测量。

MS在同一个BS中两个信道之间的切换控制可以以误字指示器（WEI）通过将上行链路质量信息经下行链路传送给MS实现。

如图3.2所示，质量保持过程在方案上由4个部分组成：

■正在进行的测量和测量数据的处理，其中允许MS监督质量；

■触发器决策机制，MS利用经处理的测量数据决定某个所需要的动作，如自动链路转换或时隙转换；

■自动链路转换或新时隙转换的频率载波选择，这是一个与触发器决策密切相联的处理；

■在MS与网络设备之间，通过一种信令协议，执行自动链路转换或时隙转换。

换句话说，在某一个MS中，一个正在进行的测量过程负责检查无线链路的质量信息。

当达到某些准则时，该过程即明确切换需求，并选择一个新的信道。

最后，MS与网络一起执行切换。

可通过各种方式获得链路质量信息，“降低的数据”（data-reduced）提供可管理的数据量，又保证足够的信息量，从而对质量维护做出良好的决策。

作为解调处理部分，MS接收器一般获得两种信息：

RSSI和QI。

作为解调处理结果，MS能够每帧都得到一次当前信道的QI测量值。

在每个TDMA帧期间，当MS不在接收和发送信息时，该单元就有足够的时间进行至少一次附加信道的测量（每个天线的QI和RSSI）。

MS也能获得下行链路的WEI。

此外，BS能够向MS反馈上行链路的WEI。

该信息只需要占用每个突发脉冲下行链路流的一位。

最后，同一个BS中两个信道的切换还必须在同样的语境下处理。

这可以保证切换是在同一个BS中两个信道间完成，这只能改善上行链路的情况。

当切换是为了同时改善上行和下行链路时不执行该操作。

在PACS中，由于在下行链路采用TDMA，上行链路字错误反馈的使用可以表示同一个BS中两个信道的切换需求。

另一方面，DECT采用动态信道分配，可以通过同一个BS中信道的转换来同时改善上行链路和下行链路。

DECT所需的切换时间是100～500ms。

对于PACS，据报道该时间可低至20～50ms。

4．3．1．2网络控制的切换（NCHO）

低层CT2Plus和高层AMPS都采用了NCHO。

在这种方法中，BS监督来自BS的信号强度与质量。

当这些参数低于某些阈值时，网络安排一次到另一个BS的切换。

网络要求附近所有的BS监督来自某个MS的信号，并将测量结果报告给网络。

然后，网络为切换选择一个新BS，并同时通知该MS（通过原BS）和新BS。

随后，切换生效。

BS通过测量RSSI监督所有当前连接的质量。

移动交换中心（MSC）指示周围的BS经常的测量这些链路。

基于这些测量值，MSC决定什么时候和在什么地方使切换生效。

由于网络收集所需要的信令信息业务量很重，在基站尚缺少足够的无线资源去频繁地测量相邻链路时，切换执行时间在秒数量级。

因为不能频繁测量，精度自然就降低了。

为了减少网络信令负荷，相邻BS不必连续地将测量报告发送回MSC；所以，在实际RSSI低于一个预先设定的阈值之前不做出比较。

NCHO所需要的切换时间可能高达10s或更高。

4．3．1．3移动台辅助的切换（MAHO）

MAHO是网络控制切换的变体，其中网络要求MS测量来自周围BS的信号，并向原BS报告测量结果，因而网络能够确定是否需要切换，以及切换到哪一个BS。

高层GSM、IS-95CDMA和IS-136TDMA标准均采用这种切换策略，但任何低层PCS标准均未采用此方法。

在MAHO中，切换过程更加分散化。

MS和BS共同监督链路的质量，例如，RSSI和WEI值。

由MS来测量相邻BS的RSSI值。

在GSM中，MS每秒钟向BS传送两次测量结果。

而由网络（即BS、MSC或BSC）决定什么时间和什么地点执行切换。

GSM切换执行时间大约为1s。

在MAHO和NCHO系统中，需要用网络信令去通知MS有关网络所做出的切换决策，即由一个正在失效的链路传送将要在信道分配（即在哪个信道上建立新的连接）的决策。

因而存在这样的可能性，即在此信息传送到MS之前信道已失效；在这种情况下，呼叫被迫中断。

4．3．1．4切换失败

在链路转换过程中，有几种原因会导致切换失败，其中有：

■在所选择的BS上，无可用信道；

■由于某些原因，诸如缺少资源，包括：

无网桥或无合适的信道卡、MS在某个时段内超过了某个切换极限等，切换均被拒绝；

■切换开始后，系统花费了太长的时间；

■在执行切换时，目标链路发生某种形式的故障；

我们已经通过分析模型，研究了网络响应时间对呼叫不完全概率的影响。

我们的研究指出，在较小的业务量下，网络响应时间对呼叫不完全概率有重要的影响。

我们还注意到，如果移动台在一个蜂窝中的停留时间分布变化较小，网络响应时间的影响更加可观。

4．3．2新连接寻找策略（需补充）

在寻找新的连接方面，网络必须找到新的资源来进行切换连接，并执行额外的路由操作。

在网络控制的切换（NCHO），或移动用户辅助切换（MAHO）中，网络要产生新的连接，找到新的资源进行切换，并进行路由操作。

对于由移动用户控制的切换（MAHO），由移动终端来找到新的资源，由网络来批准。

4．3．3数据流控制策略（需补充）

在数据流控制方面，从旧的连接路径到新的连接路径的数据的传送根据QoS进行保证维护。

4.4GSM切换（handover）过程[1，p133-135]

GSM是当今应用最普及的数字移动通信技术，它已经被全球大多数国家所接受，用在不同的频段（900、1800、1900MHZ）。

所有这些代表GSM技术的普及性。

这是由于GSM的分层结构和网络实体间的标准接口，使运营者可以从不同的设备供应商那儿选择配件，也允许设备制造商们只制造某专用部分，而不需要制造整个系统。

这一点很受设备制造商的支持。

GSM设备制造商能够不断推出专用设备的第二代及第三代，使其集成度更高、质量更好、成本更低。

GSM已是发展多年的技术。

有关GSM网的操作运行，网络和系统设计，RF规划和业务发展都日趋成熟。

目前GSM继续保持良好的发展势头。

切换是当MS变换小区时保持呼叫的过程。

“Handover”是GSM中定义的，在北美蜂窝系统中相同的过程被称为Handoff。

切换在MS变换小区时为避免呼叫损失所必不可少的步骤。

如果一个MS打算变换小区，它必然已处于小区的边缘，此时无线信号电平不十分好，这是要切换的另外一个原因。

为了了解GSM的切换过程。

我们把一次切换进程分成三部分：

预切换过程、切换执行过程、切换以后的过程。

在预切换过程阶段网络为做切换决定收集所需的数据。

如果切换被认为需要的，则选择哪个适合小区做切换小区，在切换执行阶段执行实际的切换。

MS被连接到新的BTS上，在切换以后过程，所有的不再需要的网络资源被释放，系统返回稳定阶段。

4.4.1予切换过程（Pre-handover　processing）

GSM中的切换过程是移动台辅助的切换（MAHO）。

在切换过程中MS扮演主要角色。

为切换算法提供有关输入的信息，执行切换的决定和新的最合适的BTS的选取均建立在由MS和BTS完成的几种不同的测量上。

描述MS和BTS能力的参数同样形成切换算法输入的一部分。

这些参数和测量中有MS服务BTS、邻近BTS的最大的发射功率、小区容量、负荷、上行信道质量和接收电平；下行信道质量和接收电平，来自邻近小区的下行接收电平。

4.4.2移动测量（Mobilemeasurements）

为了在切换过程中提供帮助。

MS对当前服务小区进行质量和接收信号强度的测量。

对相邻小区进行接收信号强度测量，并将它报告给服务的BTS。

质量测量是当前服务下行信道的低比特误码率将它转换成0—7的一个值。

服务BTS的接收信号强度转换成6bit的数值。

对邻近小区的接收信号强度的测量同样这样做。

这种测量在上行发送和下行接收时隙中完成。

在这一时隙中MS转到相邻的小区BCCH信道测量下行接收信号的强度，这些包括BCCH频率的详细内容的测量被送往服务BTS，一个MS可以报告多达6个相邻小区（除服务小区测量外）的情况，一个MS必须报告的相邻小区BCCH载波频率包括在BCCH和SACCH的发射信息中。

由MS完成的测量报告给BTS。

SACCH被用来携带这一信息。

一个SACCH帧每120ms发送一次，但由于交织，在BTS收到的一个完整的帧要有480ms延时，同样为了克服短期影响，瞬时无线链路使测量的降级在MS、BTS和BSC被平均化。

由服务BTS完成上行信道测量，它包括质量和接收信号强度测验量，跟服务BTS接收到的MS测量结果一起把它送给BSC。

4.4.3切换执行（Handoverexecution）

图4.3[1，P134图5-18]给出了切换呼叫流程。

一旦决定启动切换，最适合的新的小区应该得到认定，MS和网络进入切换执行阶段，与当前服务的BTS连接中断，在新的小区新的BTS建立新的连接，切换执行过程和所包含的信令一起依赖于新小区的选择，如果新的小区由同一个BSC控制，那么切换被认为是BSC内部切换，信令限制在BSC内部而不用包含MSC。

如果新的BTS属同一MSC内的不同的BSC，我们称之为MSC内部切换，如果这二个BSC由不同的MSC控制，我们称之为MSC之间切换。

上述三种不同情况的切换对信令的要求有所不同。

MSC之间切换用MAP-E消息实现。

切换阶段的第一步由BSC通知新BSC其切换请求。

除了新老BTS由同一个BSC控制之外，请求信息均通过MSC到达新的BSC。

在新的MSC相同的情况下，通信线路的建立要花费A接口的资源。

如果新老MSC不同，它将包含二个MSC之间的资源。

一旦通知新的BSC切换。

它将在新的BTS安排一个信道。

一旦成功，送出有关新安排信道信息给老BSC（如果新BSC与老BSC不相同），产生一个切换信息，通过旧BTS送给移动台。

这条信息有有关新信道，切换码，时间同步信息等等。

MS重新调整到新的BTS的频率上并开始发送与接收。

据报告，MSC之间切换的失败率是BS之间切换的5倍。

图`4-3MSC之间的切换

4.4.4切换后处理（Post-handoverprocessing）一旦MS与新网络同步上以后，它送出一个切换完成消息给新的BTS。

这消息通过网络送给老BSC。

该BSC释放原来占用无线资源，以及所有在A-bis和A接口安排给该MS的资源。

参考书[2]P41起，图4.3表示了GSM系统采用MAHO的切换消息流程。

其过程描述如下：

4.5IS-41切换：

（[2]：

P12-15；P61-67：

IS-41系统间切换）

在目前的个人通信系统中有两类加密和鉴权（P&A）方法：

一类是GSM型系统,即采用目前GSM系统的P&A方式；另一类是IS-41型系统。

IS-41是美国电信工业协会（TIA）和电子工业协会（EIA）共同制定的行业标准，其全名为“蜂窝无线电通信系统间运行建议”。

它定义了不同设备供应商提供的蜂窝无线电通信系统之间的操作与信令标准。

IS-41从开始制定至今十年多时间已推出4个版本。

IS-41不断处于发展的重要原因是：

新业务的出现要求互连过程标准化。

IS-410版本处理模拟蜂窝系统的前向切换和反向切换过程。

系统间的数据通信是通过点对点连接建立的，使用SS7或X.25协议；话音业务建立在直接链路上，由CCITT定义的TCAP（事务处理能力应用部分）用于相关控制和远程操作。

IS-41A版本的变化包括自动漫游，呼叫释放和远程部件激活/去活过程；用ANSI的TCAP代替CCITT的TCAP，取消了0版本中专线连接的限制，通过SS7或X.25网进行数据通信。

IS-41B版本增加了用于一次切换呼叫、系统间话音中继采用最短路径优化程序；支持IS-54MS；增加了SS7SCCP（信令连接控制部分）的全局码翻译能力。

IS-41C版本在IS-41B版本的基础上增加了以下功能：

·系统间的鉴权和加密（TSB51）

·双模CDMA终端的互操作

·边缘小区问题的解决

·支持扩充功能

·技术说明和兼容性

系统间的鉴权和加密（TSB51）是IS-41C版本在IS-41B版本的基础上专门增加的一项功能。

在IS-41系统中存在三种方案：

1、非SSD共享方案：

由MS和AC共享一个密钥，并只有这两个实体知道；

2、SSD与被访问系统共享方案：

在该方案中，SSD还与被访问的系统共享。

3、SSD与原访问系统共享方案：

在该方案中，SSD还与原访问的系统共享。

在SSD共享方案中，因为被访问的系统具有SSD，它能够在呼叫发起和传递中对MS进行鉴权，从而可大大减少信息流量和呼叫建立时间。

在该方案中，如果SSD在传输给VLR的过程中被非法窃听，可能会被人长期假冒成一个合法用户。

为了解决这个问题，IS-41系统中采用了一个称为呼叫计数器（COUNT）的方法。

MS中的计数器，在呼叫的过程中根据网络的命令自动增加，网络同时也保留该COUNT。

在后继的呼叫企图中，MS需将其计数值发回网络。

如果多个MS共享同一个ID，网络将累加这些计数值。

该值就会超出合法用户的呼叫计数值。

一旦怀疑拷机存在，网络经营者将进行调查和干预。

在IS-41中，切换可简单分为两类：

1）同一个MSC控制的BS之间切换（介入到切换的多个BS在同一个MSC），简称BS间切换；2）跨MSC的切换（切换小区涉及两个不同的MSC）。

为了简化我们本节的讨论，基于以下二点：

（1）跨MSC的切换规程以IS-41版本B为基础。

在IS-41版本C及以后的版本为了建立语音路径在TCAP消息中包含认证/加密信息。

IS-41的认证在本书第七章讨论。

（2）携带IS-41TCAP消息的机制不能保证FIFO特性；也就是说，消息可能不会按它们发送的顺序传递。

IS-41协议不需要高开销的FIFO传递机制，因为查询/响应类型的事务总是可以保持FIFO特性。

在联络到目的MSC之前，MSC不会向目的MSC发送下一条消息。

■IS-41TCAP消息有两个优先级。

在业务繁忙的情形，低优先级的消