CN1215666C - 一种基于移动台窗口测量的切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及CDMA系统中一种基于移动台双窗口测量的切换方法。所述方法采用对信号测量，根据切换的目标要求，动态选择测量平均窗大小并将测量结果上报，根据切换判据决定是否切换。本发明的特点是在选择测量平均窗时考虑到切换的要求，确定至少一种选择方法，动态选择平均窗，这样既保证快速切换的要求，又保证切换的次数和切换时延在满意的条件下进行。

Description

一种基于移动台窗口测量的切换方法

本发明涉及CDMA系统，具体的说涉及CDMA系统中的一种基于移动台双窗口测量的切换方法。

在将来的蜂窝移动通信系统中，为了增加系统容量，小区的覆盖范围将变得更小，成为微小区甚至微微小区，这时，频繁的切换使切换管理显得更为重要。在第二代和第三代移动通信系统中，广泛采用了移动台辅助的切换算法即移动台HO算法。由移动台测量各小区的导频信号强度，当邻近小区的信号能量达到某一要求时，则移动台通过上行链路向服务小区基站申请切换。由于移动信道的影响，移动台对各基站信号必须经过一个平均过程，才能获得比较可靠的测量结果，与此同时平均窗口的大小影响切换的速度和切换的次数。常见的平均窗口有矩形窗和指数窗两种，由于指数窗较为复杂，所以实际应用中一般采用简单的矩形窗平均。在CDMA蜂窝移动通信系统中特有的软切换过程中，移动台需要测量有效集(Active set)、候补集(candidate set)、邻集(neighbor set)中各基站的导频信号(CPICH)强度，考虑到移动台结构的复杂性，这些测量是分时共用一个接收机完成的，如果对每个基站导频信号的测量时间过长，会导致切换时延的增加。在切换执行过程中，如果目标小区的载干比较低，会严重影响切换后链路的质量。所以适当的选择测量平均窗口是十分关键的。目前尚未检索到解决上述问题的有关国内外文献。

本发明的目的在于提出一种采用对信号测量，动态选择测量平均窗大小并将测量结果上报，并依据该结果进行切换的方法。

本发明提供的一种基于移动台双窗口测量的切换方法，包括如下步骤：

(1)在已知移动台移动速度条件下，根据速度测量的结果，选择切换判决窗口进行测量；

(2)根据窗口速度测量的结果，进行切换判决；

(3)根据判决的结果，执行切换；

所述的步骤(1)中根据移动速度来选择平均窗的大小包括：如果移动台速度过快(大于100里/小时)则用短窗测量；

如果移动台速度太慢(小于3公里/小时)则用长窗测量；

如果移动台速度为中速，则先用短窗测量，根据判决结果再用长窗测量；

所述的步骤(2)中根据窗口速度测量的结果，进行切换判决包括：如果移动台速度大于100里/小时，则直接根据短窗测量结果进行切换判决；

如果移动台速度小于3公里/小时，则直接根据长窗测量结果进行切换判决；

如果在移动台速度3-100里/小时之间，则先根据短窗测量结果判决，如果判决可以切换，再根据长窗测量结果判决；

所述的步骤(2)中对中速的移动台采用双窗口的切换判决算法如下：中速移动台使用窄窗口(长度为d_avs)搜索邻近小区的平均信号电平(或其他物理量)，如果邻近小区B与目前小区A的平均信号电平不满足切换条件，则移动台搜索另一邻近小区C，但如果满足切换条件，则移动台进一步扩宽平均窗口为d_avw(d_avw＞d_avs)，如果这时测得两基站的平均信号电平仍然满足切换条件，则发生切换，否则退回搜索下一邻近小区C；

所述的步骤(2)中运用切换判决算法进行切换判决进一步包括：软切换和硬切换；

如果测量的是同频小区信号，则采用软切换判决；所述软切换判决是指运用下式实现的：

设定有效集的大小为Active_size＝N，

$M_{\mathrm{new}}\≥S\·\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i\right)+(1-S)\·M_{\mathrm{Best}}-h_{\mathrm{add}}---\left(1\right)$

M_new为监控基站信号测量平均值，M_Best为有效集中基站最优信号测量值，M_i为有效集中基站信号测量值，S是过滤因子，h_add是有效集加入迟滞参数；

当移动台监测到的基站信号质量满足(1)时，将监控小区加入有效集，使移动台和多个小区通信；

反之，当移动台接收到的在有效集中的小区信号满足(2)时，将有效集中链路量差的小区删除出有效集。则， $M_j\≤S\·\left(\underset{i=1,i\≠j}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i\right)+(1-S)\·M_{\mathrm{worst}}+h_{\mathrm{drop}}---\left(2\right)$ M_j是有效集中可能删除的基站信号测量均值，M_worst是有效集中最差的基站信号测量均值，h_drop是删除迟滞参数；

如果测量的是不同频率的信号，则采用硬切换判决：所述硬切换是运用以下的公式实现的：

M_new≥M_now+h       (3)；

M_now是当前小区的信号测量值，M_new是测量到的邻小区的信号；

所述的步骤(3)中，根据判决的结果，执行切换是指将周期监测移动台切换到目标小区的无线链路的CPICH的SIR(用于表征载干比)，如果SIR达到一个阈值(predetermined level)，则继续执行切换；

否则，强制终止正在进行的切换，保持原来的链路，并通知基站控制器切换失败。

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

图1是CDMA系统的越区切换示意图；

图2是本发明方法流程图；

图3是本发明切换方法的信令流程图；

图4是切换算法的仿真结果中迟滞参数和切换次数的关系图；

图5是迟滞参数和交叉点的关系图。

图1是CDMA系统的越区切换示意图。在移动蜂窝系统中，无线覆盖区域由许多有重叠的小区构成，移动台从小区1向小区2移动，移动台会不停的测量基站1，2的信号质量。当测量到的基站2的信号质量满足无线链路切换判决条件时，会将基站2加入有效集；当基站1的信号质量差到一定切换条件时，将基站1与移动台之间的链路删除。通常，根据无线链路的质量情况作出切换，也可能根据其它原因，例如：负载平衡，发射功率调整等作出切换。

图2是本发明的方法流程图。

首先，在已知移动台移动速度条件下，根据速度测量的结果，选择切换判决窗口进行测量210。本发明的方法是根据移动台的速度来选择平均窗的大小。对于高速如大于100公里/小时的移动台，因其需要较快的切换，采用窄窗平均，减少时延；对于低速(小于3公里/小时)的移动台，因其信号变化较慢，采用宽窗平均，减少测量次数；对于中速的移动台，则对其进行双窗口测量，具体方法如下：先对测量的信号进行窄窗平均，然后对平均结果进行切换判决，如果满足可以切换的条件，再对测量的信号进行宽窗平均，然后再对宽窗的平均结果进行切换判决，如果满足切换条件就切换否则不切换。

现有技术中的切换算法中，测量一般采用单一平均窗，或者同时采用双窗平均。对于前者，单一的平均窗如果是宽窗，对高速的移动台切换时延相对较大；如果是采用窄窗，对于低速的移动台，切换判决容易出错。对于后一种方法，测量均采用双窗平均增加了测量时延，切换的时延加大。而采用本方法，则减小了上述情况的影响。

同时，对于平均窗的选择可以有多个判据，本发明给出的根据移动台速度来选择窗口大小的判据是其中较易实现的一种，采用其它的判据也是可行。

对于切换判决的物理量，本发明采用的是信号的电平值，采用其它测量的物理量(如CPICH的SIR，RSCP等)，此方法同样适用，只是切换判决的门限值不同而已。

其次，根据窗口速度测量的结果，进行切换判决220。切换的判决在软切换和硬切换情况下判决依据是不同的，本发明分别提出了一种硬切换以及一种软切换的判决方法，对于切换类型的判决可参见中国专利98126057.8。

对于硬切换，设定移动台接收到的基站A，B的信号电平分别为a(d)和b(d)，平均后的电平分别为 a(d)和 b(d)，x(d)表示接收到的两个基站平均信号电平之差：

x(d)＝ a(d)- b(d)，(x_s(d)，x_w(d)分别为采用窄窗和宽窗平均的差值)

如果x(d)＜-h(1)则决定切换，否则继续监测其它小区信号。如果采用双窗口测量，先判断x_s(d)和x_w(d)是否(1)式，分别对应不同的迟滞参数h_s和h_w。即：移动台先使用窄窗口(长度为d_avs)搜索邻近小区的平均信号电平，如果邻近小区B与目前小区A的平均信号电平(x_s(d)≥-h_s)，h_s为采用窄窗口时的滞后参数，则移动台搜索另一邻近小区C，但如果{x_s(d)＜-h_s}，则移动台进一步扩宽平均窗口为d_avw(d_avw＞d_avs)，如果这时测得两基站的平均信号电平x_w(d)≥-h_w{x_w(d)≤-h_w}，h_w为采用宽窗口时的滞后参数，则发生切换，否则退回搜索下一邻近小区C。

对于软切换，设定有效集的大小为Active_size＝N，

$M_{\mathrm{new}}\≥S\·\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i\right)+(1-S)\·M_{\mathrm{Best}}-h_{\mathrm{add}}---\left(2\right)$

M_new为监控基站信号测量平均值，M_Best为有效集中基站最优信号测量值，M_i为有效集中基站信号测量值，S是过滤因子，h_add是有效集加入迟滞参数。

反之， $M_j\≥S\·\left(\underset{i=1,i\≠j}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i\right)+(1-S)\·M_{\mathrm{Best}}-h_{\mathrm{drop}}---\left(3\right)$

M_j是有效集中可能删除的基站信号测量均值，h_drop是删除迟滞参数。

无论是硬切换还是软切换，在满足切换判据后，基站控制器会向移动台发送切换命令，同时启动定时器(如TIMER1)，在固定时间内如果没有收到移动台的切换完成信息，就认为切换失败。

最后，在移动台接收到切换命令后，执行切换，进行无线链路的配置230。在执行过程中，将周期监测移动台同切换到的目标小区的无线链路的CPICH的SIR(用于表征载干比)，如果SIR达到一个阈值(predetermined level)，则继续执行切换；否则，强制终止正在进行的切换，保持原来的链路，并通知基站控制器切换失败。

一般的切换控制只是通过定时器(TIMER1)来实现，本方法在执行过程中既通过定时器，又通过测量的SIR(用于表征载干比)值来控制切换，可以加快对失败切换的终止，提高系统性能。

图3是此切换方法的信令流程图，描述了切换的信令过程。

首先是移动台根据测量控制消息的要求进行测量，并发送测量报告。基站控制器根据测量报告，作出切换判决，经基站控制器上层算法，决定目标小区。

然后基站控制器发出切换的命令。在移动台执行切换的过程中，移动台会监测其目标小区的链路质量，一旦发现到新小区的质量不能满足要求(这里用CPICH的SIR作为判决依据)，就会停止向目标小区的切换，保持原来的链路。

图4是切换算法的仿真结果中迟滞参数和切换次数的关系图；该图是基于本发明方法的仿真结果。横坐标是迟滞参数的变化范围，纵坐标是切换的平均次数。从仿真结果可以看出基于双窗口测量的切换算法的切换次数介于宽窗和窄窗之间。

数学模型建立如下：

假定移动台在两个小区间切换，两个基站A(NodeB1)和B(NodeB2)，相距D米，如图所示。移动台测量基站的信号，测量值分别为a(d)和b(d)，经过矩形窗平均后为 a(d)和 b(d)，单位为分贝。假定基站的发射功率相同，移动台测量到的基站信号强度经过了路径损耗，阴影衰落和瑞利衰落。其中，瑞利衰落的影响可以通过窗口平均消去。d表示移动台与基站A间的直线距离。

a(d)＝K₁-K₂log(d)+u(d)

b(d)＝K₁-K₂log(D-d)+υ(d)      d∈(0，D)

其中K₁和K₂是路径损耗的参数，在城市，K₂的典型值为30。{u(d)}和{υ(d)}表示阴影衰落，它们是独立、同分布的零均值稳态高斯随机过程。经过矩形窗平均后，移动台接收到的来自基站A和基站B的平均信号电平分别为：

$\stackrel{\‾}{a}\left(d\right)=\frac{1}{d_{\mathrm{av}}}{\∫}_0^{d_{\mathrm{av}}}a(d-x)\mathrm{dx}$

$\stackrel{\‾}{b}\left(d\right)=\frac{1}{d_{\mathrm{av}}}{\∫}_0^{d_{\mathrm{av}}}b(d-x)\mathrm{dx}$

x(d)＝ a(d)- b(d)

切换判决方法如下：一般情况下，移动台使用窄窗口(长度为d_avs)搜索邻近小区的平均信号电平，如果邻近小区B与目前小区A的平均信号电平满足(x_s(d)≥-h_s)，h_s为采用窄窗口时的滞后参数，则移动台搜索另一邻近小区C，但如果{x_s(d)＜-h_s}，则移动台进一步扩宽平均窗口为d_avw(d_avw＞d_avs)，如果这时测得两基站的平均信号电平x_w(d)≥-h_w{x_w(d)≤-h_w}，h_w为采用宽窗口时的滞后参数，则发生切换，否则退回搜索下一邻近小区C。

两个平均窗口长度选为d_avs＝15m和d_avw＝30m，K₁＝OdB，K₂＝30dB，根据切换次数，切换时延和d_av之间的关系，采用第二代和第三代移动通信系统通用的移动台辅助的切换算法即移动台HO算法中的切换算法分析模型，得到本发明的仿真结果。

图5是迟滞参数和交叉点的关系图。横坐标是迟滞参数，纵坐标是交叉点的位置。为了设定一个切换时延的标准，我们采用了在-移动台HO算法中使用的交叉点(crossover point)的定义：在交叉点上，移动台与小区A保持通信的概率小于0.5，同时与小区B建立通信的概率刚好达到0.5。从中可以看出，采用相同的迟滞参数判断切换，采用本算法的切换时延在宽窗和窄窗之间。

综合图4和图5可知，采用双窗口的测量来判决切换，可以在切换时延和切换次数之间取得一个良好的平衡。

综合图4和图5可知：

1.采用双窗口的切换时延同样介于两个单窗口的切换时延之间，当h_w＞h_s时，切换时延趋于宽窗口的切换时延，当h_w＜h_s时，切换时延趋于窄窗口的切换时延。

2.通过选择合适参数：d_avs、d_avw、h_s和h_w，可以在切换时延和切换平均次数这对矛盾之间取得更为有效的平衡。

本发明公开了一种CDMA系统中基于移动台双窗口测量的切换切换方法。该方法适用于通过各种测量物理量来作出切换判决，并适用于各种CDMA通信系统。所述方法采用对对目标小区载干比的监测信号测量，根据切换的目标要求，动态选择测量平均窗大小并将测量结果上报，根据切换判据决定是否切换，既保证快速切换的要求，又保证切换的次数和切换失败概率在满意的条件下低速切换的可靠性。本发明的另一个优点是控制切换的次数和切换时延，相对已存在的方法有更优的特性。本发明给出了切换判决的基本方法，适用于各种CDMA系统。

Claims (6)

1、一种基于移动台-窗口测量的切换方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：在已知移动台移动速度条件下，根据速度测量结果，选择切换判决窗口并对窗口速度进行测量(210)；

步骤2：根据窗口速度测量的结果，进行切换判决(220)；

步骤3：根据判决的结果，执行切换(230)。

2、根据权利要求1所述的基于移动台窗口测量的切换的方法，其特征在于：

所述的步骤1(210)中根据移动台速度来选择判决窗口包括：如果移动台速度大于100里/小时则用短窗测量；

如果移动台速度小于3公里/小时则用长窗测量；

如果移动台速度在3-100公里/小时之间，则先用短窗测量，根据判决结果再用长窗测量。

3、根据权利要求1所述的基于移动台窗口测量的切换的方法，其特征在于：所述的步骤2(220)中根据窗口速度测量的结果，进行切换判决包括：

如果移动台速度大于100里/小时，则直接根据短窗测量结果进行切换判决；

如果移动台速度小于3公里/小时，则直接根据长窗测量结果进行切换判决；

如果在移动台速度3-100里/小时之间，则先根据短窗测量结果判决，如果判

决可以切换，再根据长窗测量结果判决。

4、根据权利要求3所述的基于移动台窗口测量的切换的方法，其特征在于：

所述的步骤2(220)中对中速的移动台采用双窗口的切换判决算法如下：

中速移动台使用长度为d_avs的窄窗口搜索邻近小区的平均信号电平，如果邻近小区B与目前小区A的平均信号电平不满足切换条件，则移动台搜索另一邻近小区C；

如果满足切换条件，则移动台进一步扩宽平均窗口为d_avw，且d_avw＞d_avs；如果这时测得两基站的平均信号电平仍然满足切换条件，则发生切换，否则退回搜索下一邻近小区C。

5、根据权利要求4所述的基于移动台窗口测量的切换的方法，其特征在于：切换判决中运用切换判决算法进一步包括：软切换和硬切换；

如果测量的是同频小区信号则采用软切换判决，所述软切换判决是运用以下的公式实现的：

如此时信号加强，设定有效集的大小为Active_size＝N，

$M_{\mathrm{new}}\≥S\·\left(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i\right)+(1-S)\·M_{\mathrm{Best}}-h_{\mathrm{add}}---\left(1\right)$

M_new为监控基站信号测量平均值，M_best为有效集中基站最优信号测量值，M_i为有效集中基站信号测量值，S是过滤因子，h_add是有效集加入迟滞参数；当移动台监测到的基站信号质量满足(1)时，将监控小区加入有效集，使移动台和多个小区通信；反之，当移动台接收到的在有效集中的小区信号满足(2)时，将有效集中链路量差的小区删除出有效集；则， $M_j\≤S\·\left(\underset{i=1,i\≠j}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{M}_i\right)+(1-S)\·M_{\mathrm{worst}}+h_{\mathrm{drop}}---\left(2\right)$ M_j是有效集中可能删除的基站信号测量均值，M_worst是有效集中最差的基站信号测量均值，h_drop是删除迟滞参数；

如果测量的是不同频率的信号，则采用硬切换判决：所述硬切换是运用以下的公式实现的：

M_new≥M_now+h    (3)；

M_now是当前小区的信号测量值，M_new是测量到的邻小区的信号。

6、根据权利要求1所述的基于移动台窗口测量的切换的方法，其特征在于：

所述的步骤3(230)中根据判决的结果，执行切换是将周期监测移动台切换到目标小区的无线链路的CPICH的SIR，SIR用于表征载干比，如果SIR达到一个阈值，则继续执行切换；

否则，强制终止正在进行的切换，保持原来的链路，并通知RNC切换失败。

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