浅析CDMA 无线掉话的原因

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浅析CDMA 无线掉话的原因
章 毅 李 桂 中国联通汕头分公司
【摘要】文章就CDMA 系统中由于无线原因造成的掉话的几种原因进行了较为详尽的分析，
揭示了CDMA 系统中无线掉话的深层次问题。
1 良好的闭环链路的重要性
在CDMA 系统中要求通话时在手机（MS）和基站（BTS）之间保持良好的反向链路连
接，因为基站主要就是通过对反向链路的测算来实现对MS 进行功率控制的，如果这个链路
由于任何原因被中断了，MS 就失去了精确的功率控制。对于CDMA 这个自干扰系统来说，
功率控制是决定系统容量和性能的关键，所以如果MS 失去了基站的控制，就会根据接收到
基站的功率来调整自己发射的功率，此时很有可能造成MS 以自己最大的功率发射，从而影
响到其他用户的正常使用，也对整个系统造成很大的干扰，所以诸如功率控制和切换等重要
的过程都需要良好的闭环通道。
2 CDMA 系统MS 与基站的掉话机制
CDMA 系统中移动台和基站无线子系统中都有相应的掉话机制。
MS掉话机制：MS接收到前向链路信号质量较差时，导致较高FER（Forword Error Rate），
表明前向链路不好，这时如果MS 连续接收到12 个坏帧，MS 就停止发射功率。同时MS
的T5m（一般设为5 秒）计数器开始倒计时。如果在计数器到期之前，MS 接收到了2 个连
续的好帧则计数器复位，MS 重新发射；如果计数器到期了仍然没有复位，MS 重新初始化，
导致掉话。另一种是MS 没有收到确认信息：MS 在业务信道上发射需要确认信息时，如果
重发了N1m 次后都没有收到基站的确认信息，MS 也会进入初始化状态。
基站掉话机制：CDMA 系统并没有规定无线子系统的掉话机制，但是设备制造商一般
都根据MS 的掉话情况规定了相应的掉话机制。一种就是基站收到一定数目的坏帧，基站就
关闭前向链路；另一种是在重试了几次之后仍然没有收到MS 的确认信息，系统也会认为是
掉话。
3 掉话原因分析
《移动通信》2005 年第9 期
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3.1 接入/切换引起的掉话
当MS 在小区覆盖的边缘处发起呼叫时，由于服务小区主导频强度较弱，在接入过程中
需要切换到新的导频上去，在联通早期使用的IS-95A CDMA 系统中不支持在接入系统过程
中同时进行切换，因此当用户在服务小区主导频强度不断变弱的过程中发起呼叫时就很可能
发生掉话情况。从数据分析表明，这种情况下MS 接收到的信号强度越来越强，但是主导频
Ec/Io 越来越弱。当在接入过程中主导频Ec/Io 低于-15dB 时，前向信道信号质量将极大恶化，
因为此时强度不断增大的新的导频变成了一个强干扰源。当前向链路不能被MS 解调出来
时，手机很快收到12 个连续的坏帧，手机停止发射并且启动T5m 计数器。如果在MS 接收
到信道分配消息1～2 帧之后主导频的Ec/Io 小于-15dB，则MS 来不及切换就会产生掉话，
MS 重新初始化到一个很强的导频信号上。目前在IS-95B 和cdma2000 系统中，已经解决了
接入过程的切换问题。
前向链路发射功率值设置的不合理使得MS 越区切换失败导致掉话。前向链路发射功率
值设置的不合理则无法保持前向和反向链路有效覆盖面积之间的平衡（有效覆盖面积是激活
用户数的函数）。如果前向链路导频信道的功率过大，前向链路的有效覆盖半径会明显的大
于反向链路的覆盖区域，此时，处于一个特定小区反向链路覆盖区域之外（即处于另一个小
区中）的移动台会因为较强的导频信号而试图进行越区切换，越区切换就极可能引起掉话，
因为移动台很有可能不具备足够的功率与较远的小区保持可靠的反向链路通信。一旦处于另
一小区中的移动台不具有足够的功率，但与本小区建立了通话，它将对另一小区的反向链路
产生极强的干扰。如果前向链路导频信道功率过小，前向链路覆盖区域的有效半径就会远远
小于反向链路的覆盖区域，在这种情况下前向链路覆盖区域中的移动台在此区域边缘将具有
较差的前向链路质量，移动台也会进行不稳定的越区切换行为（假定所有小区使用同一前向
链路功率分配策略），从而引起掉话。
网络拥塞也可能造成MS 切换失败导致掉话，MS 在A 基站建立通话之后往B 基站进
行切换，而B 基站此时网络业务信道利用率已经满负荷，无法为MS 指定空闲的CE 资源，
最终导致MS 在切换过程中失败而掉话。
还有一种就是人为参数设置的错漏或者天馈下倾角设置的不合理导致的切换失败，例
如下倾角不合理存在的越区覆盖、越区切换，邻区表数据的配置错误或者遗漏都可产生用户
切换失败而掉话。
3.2 前向干扰掉话
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这种情况分为长时（大于T5m）和短时（少于T5m）干扰掉话。在长时前向干扰掉话
期间，可以观察到导频信号的Ec/Io 下降而手机接收到的功率在增加，这就表明有了强导频
干扰，但此时活动集内导频信号强度也很好，造成前向FER 过高。MS 很快启动T5m 计数
器，如果时间持续过长大于T5m 设定的时间，则手机就会重新初始化，导致掉话。若MS
掉话后重新初始化进入新导频，这就是最明显的前向干扰掉话；如果MS 的FER 是由外部
干扰造成的，MS 将长时间地进入搜索模式（大于10 秒），这是因为干扰源信号很强但是
MS 解调不出相关信息。
在短时前向干扰掉话中，如果发生了上面的情况，手机的衰减计数器可能在短时间内复
位，就不会导致掉话的情况。如果导频Ec/Io 在T5m 到期之前恢复到-15dB 以上，而基站的
指令TX_GAIN_ADJ（调整移动台功率）仍然保持恒定，则表明MS 没有重新发射功率，当
T5m 到期时，手机掉话后开始重新搜索网络。这是因为基站启动了自己的掉话机制并且其
计时器比MS 的更短（如2 秒），当MS 检测到服务小区的Ec/Io 恢复时，基站却认为MS
无响应已经掉话，就切断了业务信道，导致手机又初始化到原来的导频上。
3.3 链路不平衡掉话
这种情况下，导频Ec/Io 正常而且前向链路信号质量很好，然而MS 的发射功率却达到
最大值，这表明反向链路很差，前反向链路严重不平衡。经过一段时间（3~5 秒）之后，基
站检测到MS 的反向信道信号很弱，放弃了反向信道，同时切断前向信道，这样就触发了
MS 的掉话机制，导致掉话。造成这种情况有两种原因：一种就是用户过多造成反向链路阻
塞，因为CDMA 是个自干扰系统，一定功率下系统容量是有限的；另一种原因是导频过多
形成导频污染，在CDMA 系统中，当移动台进入3 向的软切换状态时，若此时有其它的导
频有足够的强度，大于切换时加入导频信噪比门限值Tadd，但移动台Rake 接收机的3 个“叉
指(Finger)”均已占满，由于移动台硬件设计及软件版本的限制，移动台不能将该导频加入
激活导频集中，这时，由于干扰的原因会造成掉话。
3.4 弱覆盖的掉话
弱覆盖掉话最明显的特征是导频Ec/Io 和MS 接收的功率（RxPwr）同时减少，当导频
强度低于-15dB 并持续T5m 以上时，就会导致掉话。如果主导频信号强度在T5m 内恢复到
-15dB 以上，MS 仍然掉话，则表明基站的掉话机制已经关闭了前反向链路。
在弱覆盖区域存在着无主导频。无主导频即在某一区域中没有一个具有足够强度的占
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主导地位的导频。当移动台处于空闲状态时，移动台在不同基站的寻呼信道间切换；处于通
话状态时，移动台在不同基站的业务信道间切换，由于这种频繁的切换，极易造成掉话。
3.5 业务信道功率受限
基站系统分配给前向业务信道的功率和反向信道最大Eb/No 值都有一个范围，如果这
些参数设置不合理，就可能导致前向信道功率太小不足以维持良好的通话质量，使MS 启动
T5m 计数器最终导致掉话。在反向信道上也是如此，系统允许MS 信号的Eb/No 最大值过
低将会导致MS 发射功率过小，不足以维持反向链路，即使在导频Ec/Io 很好的情况下也可
能使基站认为反向链路太差而切断信道。
4 结束语
本文针对无线原因可能造成的几种掉话进行了较为详尽的分析，揭示了CDMA 系统中
无线掉话的深层次问题。随着移动通信的发展，无线网络优化在网络运营中地位越来越重要，
而要做到及时有效优化，必须对整个系统的运行机制深入了解，才能迅速定位网络中出现的
问题，及时解决问题。
参考文献
【1】杨大成. cdma2000 技术. 北京: 邮电大学出版社,2000
【2】孙立新, 尤肖虎,张萍. 第三代移动通信技术.北京:人民邮电出版社, 2000
【3】3GPP2 C.S0024，cdma2000 High Rate Packet Data Air Interface Specification cdma2000
High Rate Packet Data Air Interface Specification,2000 ★

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软切换作为CDMA2000系统的关键技术之一，与业务资源管理、功率控制、信道管理等共同构成RRM子系统，它不仅和CDMA系统的网络质量（通话质量、掉话性能等）有密切关系，与覆盖、容量、干扰也有着复杂的关系，因此正确地理解CDMA网络切换的概念，有助于网络规划与建设工作。 
    切换的基本概念是：当MS靠近原来服务小区的边缘，将要进入另一个服务小区时，原基站与MS之间的链路将由新基站与MS之间的链路来取代的一个过程。 
    在CDMA网络中，通话状态下的切换按照MS与网络之间连接建立释放的情况以及频率占用情况可以分为：硬切换、软切换（小区间切换）、更软切换（扇区间切换）、软/更软切换。 
    硬切换（hard handoff）：在切换过程中，MS与新的基站联系前，先中断与原基站的通信，再与新基站建立联系。硬切换过程中有短暂的中断，容易掉话。
发生硬切换的情况包括：
* 不同频率之间的切换；
* 不同系统之间的切换（如：GSM网络切换到CDMA网络）；
* 不同BSC/MSC之间，并且两者之间没有软切换通路（A3/A7）；
* 不同CDMA网络运营商的基站或者扇区之间的切换；
* 帧偏移分配的变化。在切换过程中，新基站分配给MS的帧偏移必须和主基站分配的帧偏移一致，否则就要进行硬切换。 
    软切换（soft handoff）：MS在两个或多个基站的覆盖边缘区域进行切换过程中，在中断与旧的小区的联系之前，先用相同频率建立与新的小区的联系,MS同时接收多个基站（大多数情况下是两个）的信号，几个基站也同时接收MS的信号，直到满足一定的条件后MS才切断同原来基站的联系，在切换过程中，MS同时与所有的候选基站保持业务信道的通信。 
    软切换仅能用于具有相同频率的CDMA信道之间。软切换会带来更好的话音质量，实现无缝切换、减少掉话可能，且有利于增加反向容量。 
    更软切换（softrt handoff）：发生在同一基站具有相同频率的不同扇区之间的切换，实际上是相同信道板上的导频之间的切换。 
    软/更软切换：MS与一个小区的两个扇区，以及另一个小区的扇区进行的通信，所需的资源包括：小区A和B之间的软切换资源加上小区B内的更软切换资源。 
    软切换和更软切换的区别在于：更软切换发生在同一BTS里，MS同时向多个扇区发送相同的信息，分集信号在BTS做最大增益比合并；而软切换发生在两个BTS之间，MS同时向多个基站发送相同的信息，BTS内的声码器/选择器都收到同一个帧的多个COPY，分集信号在BSC做选择合并。 
    软切换与硬切换相比有以下优点：＊在实现软切换以后，切换引起掉话的概率大大降低，保证了通信的可靠性。＊软切换能够提供前向和反向业务信道的路径分集，这样在前向和反向链路上只需要较小的功率，就能够获得较大的分集增益，这意味着减低了CDMA系统的总干扰，提高了系统的平均容量。 
    CDMA网络软切换基本原理 
    要深入了解CDMA网络的软切换，就必须先介绍导频、导频集、切换参数和搜索窗口的概念。 
    导频即导频信道，在CDMA系统中利用导频信道引导接入和切换信道，MS通过处理导频信道来确认最强的信号部分。 
    CDMA系统使用m序列（短PN码）对导频信道进行调制，不同导频之间PN码时间偏置不同，两个相邻导频之间的偏移为64个码片，MS通过识别偏移来区分不同的基站。 
    CDMA系统中有4类导频集合：有效导频集、候选导频集、相邻导频集、剩余导频集。在一个导频集合中，所有的导频具有相同的频率，只是它们的时间偏置不同。
1．有效导频集（active set）：当前手机正在保持连接的业务信道所对应的导频的集合。
2．候选导频集（candidae set）：导频信号强度足够，手机可以成功解调，随时可以接入。
3．相邻导频集（neighbor set）：当前不在有效或候选集里，但可能会进入候选集的导频的集合
4．剩余导频集（residual set）：包含当前系统中除了有效集、候选集、相邻集外的所有可能的导频。 
    CDMA2000系统中有4个重要的切换参数：T-ADD、T_DROP、T_COMP、T_TDROP。 
    T_ADD（导频检测门限）：当Ec/Io>T_ADD时，MS发送导频强度测量消息（PSMM），将导频由相邻集加到候选集。 
    T_DROP（导频丢弃门限）：当导频的Ec/Io下降低于T_Drop触发计数器T_TDrop；如果导频Ec/Io超过T_Drop，计数器中止；计数器满时导频从激活集或候选集中去除到相邻集。 
    T_TDROP（定时器衰减门限）：当导频集和候选集中导频降低时间超过了T_TDROP计数器，导频将被去除到相邻集；如果候选集满了，但是有新的导频满足T_ADD要求需要增加，那么就去除一个最接近TT_DROP门限的导频。在此过程中手机只向位于激活集中的导频小区发送功率强度测量消息，在候选集中的导频直接被去除到相邻集中，不需要手机发送功率强度测量消息。 
    T_COMP（门限比较）：T-COMP参数控制导频从候选集移动到激活集。如果候选集中某导频的强度超过激活集中某个导频的强度至少T-COMP×0.5dB，MS则将此导频移入激活集中，并可能替换那个导频。 
    在IS95A中使用的是静态的门限（T_ADD，T_DROP），在IS95B和CDMA2000中使用的是动态门限，在不同的小区或不同的噪声环境中，加入或删除Active set中的小区导频的绝对门限是与当前Active Set中最好和最弱导频的信号强度相关的。如果当时Active Set里的导频信号强度都很强，其他导频要加入Active Set的要求也相对提高，而如果Active Set里的导频信号强度都很弱，Active Set里的导频要移出Active Set的要求也相对降低。 
    CDMA系统中，基站设置了三种类型的搜索窗口（PN偏置范围），移动台可以使用这些搜索窗口跟踪导频信号，在规定的时间偏移里搜索导频信号的多径分量：
* SRCH_WIN_A：有效导频集和候选导频集的搜索窗口；
* SRCH_WIN_N：相邻导频集的搜索窗口；
* SCRH_WIN_R：剩余导频集的搜索窗口。 
    在软切换过程中，MS连续不断地跟踪，并测量系统中所有导频信号的强度。MS合并计算导频的所有多径分量的EC/IO来作为该导频的强度，K是MS所能提供的解调单元数。 
    1．当该某个导频信道的导频强度EC/IO超过T_ADD时，MS认为此导频的强度已经足够大，能够对其进行正确解调，MS就向原基站发送一条PSMM（导频强度测量消息），同时将该导频加入候选导频集。 
    2．当导频强度强度超过激活集中某个导频的强度至少T-COMP×0.5dB时，基站向MS发送HDM，通知MS将该导频加入有效导频集。 
    3．当MS收到来自基站的切换指示消息，并且得到了一个新的业务信道后，导频进入有效导频集，同时MS向基站发送HCM，知基站自己已经根据指示开始对多个基站同时解调了。 
    4．随着MS的移动，当两个基站中某一方的导频强度已经低T_TDROP，这时MS启动T_TDROP，开始记时。（MS对在有效导频集和候选导频集里的每一个导频保留一个T_TDROP）。 
    5．当T_TDROP记时终止时，（在此期间，其导频强度应始终低于T_TDD，如果导频强度回升到T_ADD之上，记时器将复位），MS向基站发送PSMM。 
    6．当基站接收到PSMM后，将此信息送至BSC，BSC再返回相应HDM，最后由基站再转发给MS。 
    7．当MS收到来自基站的HDM后，MS将该导频从有效导频集移入相邻导频集，同时MS发送HCM，通知基站已经完成切换。此时MS只与目前有效导频集内的导频所代表的基站保持通信。 
    8．MS接收基站发送的NLUM，导频进入剩余导频集。总之，在软切换作为CDMA系统特有的关键技术之一，对于提高通话质量、增加系统容量、减低系统干扰、降低系统的掉话率起着及其重要的作用，在CDMA系统中扮演着重要的角色。