1.1 课题研究背景与研究意义
随着移动通信技术的飞速发展，支持更高速的数据传输速，提供更多类的业务成为移动通信的发展方向。目前第三代移动通信系统的研究已经成为移动通信领域研究的热点。从目前的市场角度来看，我国有世界上最大的GSM网络，而GSM更适合于来更新WCDMA标准，使广大的消费者以最低的成本享受3G服务。其中切换技术是WCDMA技术中一个十分重要的技术，切换的目的就是为了保证移动用户通信的连续性，将用户当前的通信链路转移到其它小区。因此，切换功能是移动通信系统中最基本功能，同时也是移动通信系统中极为复杂的技术。一个网络的切换性能好坏，不但对切换本身的性能，而且对业务的影响也有着重要的意义，影响着全网的质量好坏。
切换分为软切换和硬切换，其中软切换是WCDMA中的一项关键技术，和传统的硬切换相比，它具有能有效减少乒乓效应，使发射的信号更为平滑，保证在小区边界附近无线通信的连续性，增加宏分集增益等优点。WCDMA系统中，软切换具有以下优点：
·减少硬切换时的乒乓效应，从而减少切换信令交互的网络开销，提高服务质量和系统可靠性；不会出现硬切换过程中瞬时的链路中断，保证小区边界用户通信的无缝切换。
·克服衰落，改善了小区边界上下行链路的移动业务质量，降低了中断概率。
·可以降低移动台的发射功率，从而延长电池的使用时间，进一步降低移动台对系统的干扰，提高了上行链路的容量和覆盖范围。
目前关于软切换的研究成果可以分为三类：
>通过链路级来实现软切换；
>通过系统级来研究软切换；
>通过资源效率来研究软切换。
此外，WCDMA拥有一个重要的优势，由于其拥有较宽的的带宽，所以由多径效应引起的信号衰落比较小，因此可以对信号进行相干解调，能够大幅度的提高链路的容量。此外，WCDMA中采用快速功率控制技术，使发射机的发射功率总是处于最小的水平，这大大减少了CDMA系统中常见的一个问题——多址干扰。另外，在下行链路发送的是针对用户的专用导频信号，这样可以减少小区的多用户干扰。
因此，无论从技术角度还是市场角度，研究WCDMA的软切换技术具有十分重要的意义。
1.2 第三代移动通信的发展
第三代移动通信系统通常也被称为3G系统，第三代移动通信系统的主要特点就是通信的全球化（全球漫游，全球海陆空三维的无缝隙覆盖）、通信的综合化（支持多媒体业务）以及通信的个人化（强大的多种用户管理能力、高保密性和服务质量）。
自3G系统从2000年开始商用依赖，经过多年的技术设备逐渐成熟的蛰伏期后，从2004年，开始在世界范围内逐步步入规模商用阶段。至今，目前位置，有100多个国家的数百个个运营商部署了3G商用网络，全球提供的3G数据服务也有很多种，比如目前非常火热的WiMAX技术、HSPA、国内中移动主导的TD-SCDMA以及持续发展的WCDMA。本文主要介绍的是基于WCDMA的软切换技术。
其中WCDMA的快速发展，正在让欧洲成为3G应用的中心地区。统计数字显示，目前，全球的WCDMA用户数已经突破了10亿，有近百个国家部署了数百张WCDMA网络，占3G网络总数的78%。西欧的发展尤其令人瞩目，新增移动用户中WCDMA用户超过30%。此外，由于目前全球的GSM用户数已接近30亿，占了全球移动的83％，WCDMA使用与GSM相同的网络协议结构，所以能够使用现有的GSM网络作为核心网络基础设施。因此，WCDMA为GSM公司提供了在现有投资基础上建立第三代接入的机会，这就使得WCDMA网络飞速发展。
对于国内，我国拥有世界上最大的GSM网络，从国际上GSM发展演进方向来看，WCDMA是最适合GSM网络演进的标准，这一技术能够实现网络的平滑演进，获得最大的规模效益，最终使广大的消费者以最低的成本享受3G服务。
因此，无论从国内还是国外的情况来说，WCDMA都具有不可替代的优势。
1.3 MATLAB简介
MATLAB是矩阵实验室之意。除具备强大的数值计算能力以外，它还提供了专业的符号计算、可视化建模仿真和实时控制等功能。在当今30多个数学类科技应用软件中，可以分为两大类，一类是数值计算型软件，如MATLAB等，这类软件比较擅长于数值计算，大批量数据处理的效率非常高；另一类是数学分析型软件，如Maple，这类软件主要擅长符号计算，但其不擅长大量数据的效处理。
MATLAB之所以如此迅速地普及，显示出如此旺盛的生命力，是由于它有着不同于其它语言的特点。MATLAB的主要特点：
·功能强大
MATLAB具有功能强大的工具箱，工具箱主要包括核心工具箱和可选工具箱。核心工具箱中，有数百个内部函数。其又可分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。
·界面友好，编程效率高
MATLAB最大的优点就是代码书写简洁。其代码非常直观，基本符合理论数学公式的表达，因此在表现形式上更直观。而且MATLAB语法使用非常自由随意，而且库函数极其丰富，最大程度上方便工程师进行系统的仿真，提供工作效率。
本课题，我们将使用MATLAB2007b作为仿真工具。
第二章 WCDMA软切换算法的理论研究
2.1 软切换技术简介
切换的基本含义是：当用户正在通话的时候，从某个基站移动到别的基站的时候，RNC会自动地将呼叫转移到新的基站的信道上。切换处理在WCDMA无线系统是一项非常重要的技术任务，切换操作的主要目的，不仅要去识别一个新的基站，而且要求将信号转移到新基站的信道上。由于WCDMA系统采用的复用方式是频率复用，而且采用的是分集接收技术，因此，其允许移动台同时和两个或者两个以上的小区基站进行通信，这大大的改善了切换的性能，实现了系统的无缝覆盖，提供高质量的服务。本章，我们将从理论上介绍WCDMA的切换技术。
2.2 切换的基本分类
2.2.1硬切换
硬切换，顾名思义，就是强制切换，其最大的特点是：“先断后连”；主要是指移动电台在载波频率不同的基站小区之间信道的切换。在硬切换过程中，用户移动设备仅仅保持与一个基站链接，一旦切换操作被激活，其马上会切断缘原有的连接，然后再与新的基站建立连接。从一个基站切换到另个基站的过程中，通信链路有短暂的中断。这个中断的时间长短将影响用户的通话。而且硬切换具有另一个缺陷，就是在区域边界出会频繁的出现反复切换的现象，这也是所谓的乒乓效应。当信道衰弱效应存在的时候，会更进一步加剧乒乓效应。解决这个问题的办法是，通过滞后参数来延迟执行的时间，从而避免频繁切换的问题，但这将会要求小区边界有一个较高的发送功率，这就导致了给其他用户带了通话干扰。从而导致系统的容量的下降，影响了小区内整体的通话质量。图2.1就是硬切换的物理结构：
图2.1 硬切换过程
硬切换的测量对移动台设备的要求比较高。如果进行不同频率的硬切换操作，需要首先在切换前测量多个小区的导频信号强度。这也是硬切换存在的另一个缺陷。
因切换的基本原理如图2.2所示：
如上图所示，当一个移动用户从小区1向小区2移动时，由于移动台和小区1的基站之间距离逐渐增大，移动用户接收到的信号将逐渐减弱，当这个信号减弱到一定程度的时候，便会启动硬切换。切断移动用户与基站1的连接，启动与基站2的无线连接，完成硬切换操作过程。
2.2.2软切换
软切换，指的是用户的移动设备在载波频率相同的小区之间进行信道的切换。在软切换的过程中，用户完全有可能同时和两个或更多的基站进行通信，在切换过程中，软切换不需要改变设备的频率，也不会出现信号中断的情况，通常情况下，软切换进一步能分为软切换和更软切换两种类型。软切换：在这种切换过程中，当移动台开始与一个新的基站联系时，并不立即中断与原来基站之间的通信，即“先连后断”。
图2.3 软切换基本过程
软切换过程和硬切换相似，就是在区域边界出会频繁的出现反复切换的现象，这也是所谓的乒乓效应。但由于软切换过程是先连后断进行，所以一般不会出现硬切换中频繁掉话的现象。而更软切换则是软切换的一种特殊情况。这种切换形式发生在同一基站的具有相同频率的不同扇区之间。
软切换和更软切换的主要区别在于：软切换发生在两个Node-B之间，分集信号在RNC中合并处理；而更软切换则发生在同个Node-B内，分集信号在Node-B中做最大增益合并。这里，具体就不多做介绍了。
2.3 WCDMA系统中软切换过程
通常，WCDMA系统中的软切换过程划分为以下三个步骤：无线测量、网络判决、系统执行。软切换执行的阶段示意图如下：
图2.4 WCDMA软切换执行流程
其中，无线测量由UE和Node-B完成的；网络判决在RNC中进行；系统执行在UE、Node-B和RNC共同协作下完成。
切换测量阶段，移动台要首先要测量下行链路的信号质量、所属的小区及临近小区的信号能量；测量结果被送到相关的RRC层。
切换判决阶段。测量结果与预先设定的门限进行比较，以决定是否执行切换操作，同时要进行接纳控制，防止别的小区由于别的用户的加入，从而导致降低已有用户的通信质量。
在执行阶段，移动台先进入软切换状态，RNC根据测量结果判决切换的目标，并通知移动台进行切换，一个新基站或小区被加入、释放或者替换。
第三章 基于MATLAB的WCDMA软切换算法的仿真分析与改进
本文的前面几章，已经介绍了关于WCDMA系统的基本概念，并定性的介绍了关于WCDMA系统的软切换技术，本章将重点介绍软切换技术，并对原有的软切换技术提出了改进，并对算法进行仿真分析。进行软切换的仿真，我们首先要通过仿真得到最佳的仿真参数值，通常情况下，WCDMA软切换的仿真参数值有：最大激活集数，增加门限和删除门限，替换门限以及权重系数，本章首先将进行软切换的基本算法，然后根据参数的选择，对系统进行仿真，并分析传统算法与改进以后的算法的优缺点。
3.1 仿真模型介绍
3.1.1 信道模型
移动通信中无线信道的传播条件收到的影响主要包括以下三个方面：
·路径损耗
路径损耗是由空间传播过程中随着距离和波长变化而产生的损耗衰减。
在典型的市区大蜂窝环境中，路径损耗指数一般为3~4；
在微小区环境，该指数为2~8。此外，根据测试发现，当移动台和基站之间的距离计为d小于15km的时候，路径损耗指数一般设为3~4，当d大于15km的时候，路径损耗指数一般取5~6。
·慢衰落
慢衰落一般是由阴影效应和大气折射造成的，其主要表现是接收信号均值的缓慢变化。当电波在传播路径上遇到起伏的障碍物阻挡时，在障碍物的后面就会形成电波的阴影区。在阴影区中会存在较弱的信号，当移动台穿过阴影区的时候，就会引起衰落，我们把这种现象称为阴影效应。由阴影效应引起的衰落称为阴影衰落。
·快衰落
快衰落蛀牙是由于多径传播过程中，接收信号包络在短时间内的快速变化。通常情况下，衰弱模型有以下四个，分别用在不同的场合，这些模型基本上都是根据经验值测试得到的。与阴影衰落相比，瑞利衰落有非常短的相关距离，一般认为在对信号进行平均时可以把它消除掉，因此在进行切换性能分析时可以忽略快衰落的影响。
通常使用的衰弱模型有以下几种：
室内：
（3.1）
室内衰弱的最大特点是信号的发射功率比较低，用户位于室内。那么其中的路径损耗包括墙壁、地板以及各类室内物品的散射。此外这些衰弱也和室内各种物品的材料有关系。
户外步行：
（3.2）
户外的主要特点是基站位于室外，且移动天线不高，周围高楼不多。
车载环境：
（3.3）
车载环境的主要特征为：基站发射功率高，车辆运行速度快，通常在收发天线之间没有视距分量。
自由空间：
（3.4）
在后面的仿真中，将涉及到仿真模型的调用，这里不具体介绍。各个衰弱的波形如下所示：
图4.1 信道衰弱仿真图
3.2 传统软切换算法
3.2.1传统算法的理论介绍
在WCDMA系统中，通常使用的传统软切换算法UTRA软切换算法。该算法的主要过程是：首先对测量结果进行滤波，然后向UTRAN报告事件1A、1B和1C，从而判决是否触发软切换操作。从上面的描述可以看出，UTRA软切换算法的激活需要一些参数，主要有：
·W：系统参数；
·R：报告范围；
·H：滞后参数；
该算法与IS-95软切换算法的不同点就是该算法需要使用到相对阈值——门限。即当导频信道的强度和目标的导频信道的强度之比满足一定条件的时候，才触发软切换。
其算法的基本过程为：
>当一个小区的信号强度逐渐增强的时候，且小区的导频强度达到最强导频值，且维持时间，且此时软切换操作未被激活，那么该小区将被加入到待激活的集合中，这个过程就是无线链路的增加过程。
>当第三个小区的信号强度逐渐增加并开始超过第一个小区的信号强度的时候，那么第三个小区的值达到最弱导频值并维持时间的时候，而且此时的激活集合已经满，那么第三个小区中的最强信号会替换掉第一个小区的最弱的信号，且被加入到激活集合中。
>当被加入了激活集合的小区中的第三个小区的信号强度由强变弱，那么第三个小区的值变为最佳导频，并维持时间的时候，那么第三个小区中的最弱的信号将从激活集合中移除，这个过程就是无线链路的释放过程。
上述过程，用通俗的语句来讲就是：
>事件1A:：1个 P-CPICH 进入了测量范围，切入新的测量小区。
>事件1B:：1个 P-CPICH 离开了测量范围，原测量小区切出。
>事件1C： 1个非激活集的P-CPICH好于激活集中的某个P-CPICH，原小区被新加入小区替换。
图4.3 负载因子仿真
从式3.10与3.11可知，加入负载因子之后，会影响到加入导频门限值、删除导频门限值和权值。由于负载因子的考虑，通常情况下，以上参数会增大，因此，针对改进的算法，这几个参数的取值为：最大激活级数为3，加入导频门限3.5db，删除导频门限为5.5db，权值w取0.8左右，替换导频取2db。
下面，我们将根据传统算法和改进后的算法的不同参数选择，进行系统级的仿真。主要考虑不同算法对软切换增益的影响。
3.4 系统的仿真与对比分析
以上，我们介绍了传统算法与改进后算法的理论知识，下面我们将从多个方面对两种算法进行仿真与验证分析。
3.4.1边界覆盖效率和衰落余量
覆盖是指一个区域内，提供可以接受的服务等级所需要的基站数目或蜂窝数目。上行链路的覆盖范围主要是由边界覆盖效率、基站接收机灵敏度、干扰余量、处理增益等因素决定的。在实际网络规划中，需要根据这些因素来确定移动台和基站间的最大允许路径损耗。然后再根据传播模型来确定最大路径损耗对应的小区半径；最后得到规划区所需的基站数目。
软切换技术可以减少衰落余量，进而影响小区的覆盖范围。
