1. 课题背景及研究的目的和意义
1.1 课题背景
移动通信以其特有的灵活、便捷的优点符合了现代社会人们对通信技术的要求,成为20世纪80年代中期以来发展最为迅速的通信方式。而CDMA技术则是移动通信的“宠儿”，在短短的几年时间里,已经在技术.上获得了巨大的突破。软切换是CDMA系统的关键技术之一，已成功应用于IS-95/CDMA 系统，并被第三代移动系统所采纳。<br /> 在移动通信系统中,对于正在通信中的移动台,当它由一个基站的覆盖区域移动到另外一个基站的覆盖区域时,为了保证通信的连续性,网络控制系统会启动切换过程,将移动台与网络之间的通信链路从当前基站转移到新的基站,以保证用户业务的连续传输。所谓切换通常就是指移动台在通信期间,由于位置发生改变,而改变与网络的连接关系的过程,也称为越区切换。切换过程中,通信链路的转移不能影响通话的进行,必须顺利完成,时间要求短，完全自动进行,用户感觉不到,即对用户来说是透明的。在蜂窝移动通信系统中,小区的覆盖范围越小,用户的移动速度越快,则切换的处理越频繁。切换是保证蜂窝用户在移动通信系统中保持移动性的必要条件，在移动通信发展中切换技术起着举足轻重的作用。
1.2 研究的目的和意义
根据切换发生时,移动台与原基站以及目标基站连接方式的不同，可以将切换分为硬切换与软切换两大类。
硬切换(HHO, Hard Handoff)
硬切换是指在新的通信链路建立之前，先中断旧的通信链路的切换方式,即先断后通，在整个切换过程中移动台只能使用一个无线信道。在从旧的服务链路过渡到新的服务链路时,硬切换存在通话中断，但是时间非常短,用户一般感觉不到。在这种切换过程中,可能存在原有的链路已经断开,但是新的链路没有成功建立的情况,这样移动台就会失去与网络的连接,即产生掉话。<br /> 采用不同频率的小区之间只能采用硬切换,所以模拟系统和TDMA系统(如,GSM系统)都是采用硬切换的方式。硬切换方式的失败率比较高,如果目标基站没有空闲的信道或者切换信令的传输出现错误,都会导致切换失败。此外,当移动台处于两个小区的交界处,需要进行切换时,由于两个基站在该处的信号都较弱并且会起伏变化,这就容易导致移动台在两个基站之间反复要求切换，即出现“乓效应”，使系统控制器的负载加重,并增加通信中断的可能性。根据以往对模拟系统、TDMA系统的测试统计,无线信道上90%的掉话是在切换过程中发生的。
软切换(SHO, Soft Handoff)
软切换是指需要切换时,移动台先与目标基站建立通信链路,再切断与原基站之间的通信链路的切换方式，即先通后断。软切换只有在使用相同频率的小区之间才能进行,因此模拟系统、TDMA系统不具有这种功能。它是CDMA蜂窝移动通信系统所独有的切换方式。<br />在CDMA移动通信系统中,采用软切换可以带来以下好处:
提高切换成功率
在软切换过程中,移动台同时与多个基站进行通信,只有当移动台与新的基站建立起稳定的通信之后,原有的基站才会中断其通信控制。因此,与硬切换相比，软切换的失败率相对比较小,有效地提高了切换的可靠性,大大降低切换造成的掉话。
增加系统容量
当移动台与多个基站进行通讯时,有的基站命令移动台增加发射功率,有的基站命令移动台降低发射功率,这时移动台优先考虑降低发射功率的命令。这样,从统计的角度上来看，降低了移动台整体的发射功率,从而降低了对其他用户的干扰。CDMA系统是自.干扰系统,降低了发射功率,实际上就降低了背景噪声,从而增加了系统容量。
提高通信质量
软切换过程中,在前向链路,多个基站向移动台发送相同的信号，移动台解调这些信号，就可以进行分集合并,从而提高前向链路的抗衰落能力。在反向链路,多个基站接收到一个移动台的信号,通常这些基站进行解调后送至BSC,在BSC用选择器选择质量最好的一路作为输出,从而实现反向链路的分集接收。因此,采用软切换可以提高接收信号的质量。
软切换是 CDMA 系统特有的关键技术之一， 是系统重要的无线资源控制机制，也是网络优化的重点。因此研究软交换技术的工作流程和机理十分重要。2. 国内外在该方向的研究现状及分析
自从移动通信领域中引入的蜂窝概念，切换技术就开始出现并成为了移动通信系统中的重要技术之一。切换是蜂窝系统所独有的功能，也是移动通信系统的一个关键特征，它直接影响整个系统的性能。
蜂窝的概率来自于目前的移动通信系统采用的小区制，即将整个网络服务区域划分为若干小区，每个小区分别设有一个(或多个)基站，用以负责本小区移动通信的联络和控制等功能。因此移动网络的覆盖区可以看成是由若干正六边形的无线小区相互邻接而构成的面状服务区。由于这种服务区的形状很像蜂窝，我们便将这种系统称之为蜂窝式移动通信系统，与之相对应的网络称之为蜂窝式网络。
蜂窝结构可以适应很高的用户密度，但同时也出产生了-一个很复杂的问题，那就是怎么才能确保用户在移动过程中保持通信不中断。为了解决这一问题提出了切换技术。所谓的切换就是当用户在蜂窝的覆盖区域中移动时，正在进行的呼叫从一个蜂窝转换到另一个蜂窝的过程。
在传统通信系统中最典型的切换技术就是硬切换。切换过程中，MS先中断与原基站的联系，再与新基站取得联系，是一个“先断开再连接”的过程。在硬切换过程中只有一个业务信道被激活。对实时载体(信道)而言。这意味着载体的短暂断开;对于非实时载体来说，这是无损耗的。这种硬切换包括载波频率和引导信道PN序列偏移的转换。
随着第三代移动通信系统的出现，开始出现软切换技术。软切换是指在信道的载波频率相同时的信道切换。软切换只是引导信道PN序列偏移的转换，而载波频率不发生变化。在切换过程中，MS与原基站和新基站都保持着通信链路，在切换结束时才断开与原基站的链路,保持与新基站的通信链路。它是一个“先连接再断开”的过程。软切换中还包含更软切换，更软切换是指在同一小区内的扇区之间的信道切换。因为这种切换只需要通过小区基站Node B便可完成,不需要通过移动交换中心MSC的处理，故称为更软切换软/更软切换是在小区内的扇区与另一个小区或者是某个小区内的扇区之间进行的信道切换。
目前，随着Mobile IP和IPv6技术的发展，无线局域网通信系统也引入了切换技术，并引入了快速切换和平滑切换两种不同的切换机制。所谓快速切换即意味着低延时，是对移动IPv6协议的扩展，平滑切换则是减小了数据包的丢失率。
而在B3G系统中，切换技术更加复杂，是综合网络特性和用户要求等因素后在不同子网之间的切换，属于垂直切换技术，该技术不但保留了传统切换的基本功能,而且能保证用户在任何时间，任何地点能够获得最佳服务。此处的“最佳”体现在切换过程中用户的毫无觉察。切换后用户进入更为理想的网络享受更好的服务。从网络的角度来看这样的切换还确保了带宽的高效使用，网络负载的平衡。
3. 切换过程的研究
3.1 切换过程
切换的过程一般可以分为以下3个阶段：
链路监视和测量
监测的参数通常是接收到的信号强度，也可以是信噪比、误比特率等参数。在监测阶段由移动台完成对前向链路的测量，包括信号质量，本小区和相邻小区的信号强度，而反向链路的信号质量则由基站测量，测量结果发送给相邻的网络单元、移动台、BSC以及MSC。
目标小区的确定和切换触发
这一阶段也称为切换决策。在这一阶段，将测量结果与预先定义的门限值进行比较，确定切换的目标小区，决定是否启动切换过程。切换策略必须指定合适的门限值，以保证切换的顺利完成，并减少不必要的越区切换，降低切换时延。
在决定是否启动切换时，很重要的一点是要保证检测到的信号强度下降不是因为瞬时的衰减，而是由于移动台正在离开当前服务的基站。为了保证这一点，通常的做法是在准备切换之前，先对信号监视一段时间。切换执行
在执行阶段，移动台增加一条新的无线链路或者释放一条旧的无线链路，完成切换过程。
3.2 导频集合
在CDMA系统中，当基站的导频信道使用同一个频率时，则它们只能由PN序列的不同相位来区分，相位偏移是64个码片的整数倍。移动台将系统中的导频分为4个导频集合，在每个导频集合中，所有的导频都有相同的频率，但是其PN码的相位不同。这4个导频集合是：
激活集
它包括与分配给移动台的前向业务信道相对应的导频，激活集中的基站与移动台之间已经建立了通信链路。激活集也称为有效集。
候选集
候选集中包含的导频目前不在激活集中。但是，这些导频已经有足够的强度，表明与该导频相对应的前向业务信道可以被成功解调。
相邻集
相邻集指当前不在激活集和候选集中，但是有可能进入候选集的导频集合。
剩余集
剩余集指除了包含在激活集、候选集和相邻集中的所有导频之外，在当前系统中，当前的频率配置下，所有可能的导频组成的集合。
3.3 导频的搜索与测量
切换的前提是能够识别新的基站,并了解各个基站发射信号到达移动台处的强度。因此，移动台需要对各个基站的导频信道不断地进行搜索和测量,并将结果报告基站,以及时发现基站信号强度的变化。
由于移动台和基站之间的传播时延未知，这会使移动台接收到的信号的PN码相位有未知的偏差。同时,由于存在多径传播，信号的多径部分比直接到达部分要晚几个码片。为了克服这些因素的影响，基站对以上各种导频集合分别规定了相应的搜索窗口(PN码相位偏移范围),移动台在搜索窗口范围内搜索导频所有的可用多径分量(可用多径分量是指信号具有足够强的分量,可以被追踪,并且解调时不会引起很高的误帧率)。搜索窗口的尺寸应该足够大,使得移动台能够捕获基站所有的可用多径分量,同时又应该尽可能地小，以提高搜索速度,使搜索器的性能最佳化。
搜索窗口有以下3种,用以跟踪导频信号:SRCH WIN A
该窗口用于跟踪激活集和候选集中的导频。对于激活集和候选集，移动台的搜索过程是一样的。移动台将这两个导频集中每个导频的搜索窗口的中心设在接收到的第一个多径分量的附近。其具体的尺寸应该根据预测的传播环境来设置。
SRCH_ WIN_N
该窗口是用来监测相邻集导频的搜索窗口。移动台将该窗口的中心设在导频PN序列的相位偏移处。其尺寸通常要比SRCH-WIN_A大。该窗口的大小要根据服务基站与相邻基站之间的距离来设置。
SRCH WIN R
该窗口是用于跟踪剩余集导频的搜索窗口。移动台将该窗口的中心设在导频PN序列的相位偏移处。此外,在剩余集中,移动台仅仅搜索那些PN序列偏置为PILOT_INC整数倍的导频。其尺寸至少应该与SRCH- WIN_N一样大。
以上这3个参数都在寻呼信道的系统参数消息中发送。这几个窗口大小的设置是网络优化的重要内容,这里不再赘述。
移动台在给定的搜索窗口内,合并计算导频所有可用多径分量的
，
指一个码片的能量,
指接收信号总的功率谱密度(包括有用信号噪声以及干扰),并以此值作为该导频的信号强度。对于每一个导频信号,移动台测量它的到达时间T,并把结果报告给基站。导频的到达时间是指该导频最早可用多径分量到达移动台天线连接器的时间,其单位为
chip,并与移动台的时间参考有关。
对于不同的导频集,其所需要的测量频率是不同的。激活集中的基站与移动台正在通信之中,因此所需的测量最为频繁,而剩余集最不频繁。图为导频搜索的顺序。
3.4 软切换流程
在蜂窝移动通信的各种标准体制中，CDMA技术占有非常重要的地位。基于CDMA的IS-95标准是第二代移动通信系统中的两大技术标准体制之一，而在第三代移动通信系统的主流标准中，则全部基于CDMA技术。这里以IS-95系统中的软切换为例分析切换流程。
在进行软切换时,移动台首先搜索所有导频并测量它们的强度。当某个导频的强度超过导频检测门限T_ADD时,移动台认为此导频的强度已经足够大,能够对其进行正确解调。此时,如果移动台与该导频对应的基站之间没有业务信道连接,它就向原基站发送一条导频强度测量消息，报告这种情况;原基站再将移动台的报告送往移动交换中心(MSC),MSC则让新的基站安排一-个前向业务信道给移动台,并且原基站向移动台发送切换指示消息,指示移动台开始切换。
收到来自基站的软切换指示消息后,移动台将新基站的导频转入激活集,开始对新基站和原基站的前向业务信道同时进行解调。之后,移动台会向基站发送一条切换完成消息,通知基站自己已经根据命令开始对两个基站同时解调了。
接下来，随着移动台的移动,当该导频的强度低于导频去掉门限T_DROP时,移动台启动切换去掉计时器T_TDROP。当计时器期满时(在此期间,该导频的强度应该始终低于T-DROP),移动台发送导频强度测量信息。两个基站接收到导频强度测量信息后,将此信息送至MSC,MSC再返回相应的切换指示消息;然后基站将切换指示消息发送给移动台,移动台将切换去掉计时器到期的导频从激活集中去掉,转移至相邻集。此时移动台只与目前激活集中导频所代表的基站保持通信,同时会发一条切换完成消息给基站,表示切换已经完成。如果在切换去掉计时器尚未期满时，该导频的强度又超过T_DROP,移动台要对计时器进行复位操作并关掉计时器。整个软切换的过程如图所示。
图中各个时刻所对应的消息交互如下:相邻集中某个导频强度超过T_ADD,移动台向基站发送导频强度测量消息PSMM,并将该导频转入候选集;
- 基站向移动台发送切换指示消息HDM,指示移动台将该导频加入激活集;
- 移动台接收到HDM,将该导频加入激活集,建立新的业务信道,并向基站发送切换完成消息HCM;
- 导频强度低于T_DROP时,移动台启动相对应的切换去掉计时器T_TDROP;
- 切换去掉计时器到时,移动台向基站发送导频强度测量消息;
- 基站向移动台发送切换指示消息HDM;
- 移动台将该导频从激活集移至相邻集，并且向基站发送切换完成消息HCM。
4. 结论
软切换技术对CDMA网络有着至关重要的作用，对系统容量、覆盖指标、同频干扰等都有较大的影响, 但是在整个网络中, 各种因素都是互相制约的, 往往牵一发而动全身。因此 , 为了将来网络更好的规划设计和优化, 需要将软切换规划和功率配置、干扰分析、切换策略等综合考虑, 以期达到较好的系统性能和网络质量。5. 心得体会
通过对移动通信中的软交换技术的研究，了解了手机用户在位置发生越区的过程中，如何与新的基站建立通信。作为手机用户，对通信网络的最大意见就是经常掉话。如果采用硬切换，在从一个基站覆盖区进入另一个基站覆盖区时先断掉与原基站的联系，然后再寻找新进入的覆盖区进行联系，采用了“先断后接”的交换策略，虽然这个断的时间差仅几百毫秒，在正常情况下人们无法感觉到，但是一旦手机因进入屏蔽区或信道繁忙而无法与新基站联系时，掉话就会产生，而采用软切换就可以有效的避免该问题，这也是现在主流的双模手机重要功能之一。
在移动通信中，移动台在运动过程中保持与基站的连接，必须采用无线通信或无线与有线的结合。因此无线通信所使用的空中信道电波传播条件复杂，在电磁波传播过程中发生反射、折射、绕射、多普勒效应等现象，同时伴随着严重的噪声和干扰，例如城市中的汽车火花噪声、工业噪声，以及移动用户之间的互调干扰、邻道干扰、同频干扰等。这些影响因素都会对手机用户的跨区交换带来干扰，导致掉话产生。因此才考虑了复杂的交换机制，如软交换以及更软交换。这也体现了通信系统中通过牺牲有效性来换取可靠性。
软切换技术中通过导频集来对交换过程分阶段处理，保证接续的可靠性，同时在实现过程中也可将一个完整复杂的过程模块化，使理论过程得以工程实现，对更为复杂和大型通信系统的实现具有指导意义。6. 参考文献
[1]闫涛.移动通信系统中的切换技术研究[J].数码世界,2016(12):124-125.
[2]杨芳.浅析CDMA系统中的软切换技术[J].科技信息,2012(16):255-256.
[3]聂晶.论3G移动通信系统中系统的切换技术[J].广东科技,2010,19(24):66-67.
[4]袁贵民. 移动通信中的越区切换技术[A]. 天津市电视技术研究会.天津市电视技术研究会2010年年会论文集[C].天津市电视技术研究会:天津市电视技术研究会,2010:3.
[5]滕碧红.浅析基于CDMA的软切换和接力切换[J].科技信息(学术研究),2008(22):139-140.
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