2024年6月3日发(作者：)
移动通信中的越区切换
【摘 要】：针对切换策略和算法是决定 3G 网络性能好坏的关键因素之一，文章简单介绍
了越区切换的定义、原因和分类，对越区切换的策略进行相关的论述，最后主要介绍了三种
3G 移动通信技术体制下的切换方式和几种典型的越区切换算法，着重对资源预留和呼叫请
求排队联合切换算法做了详细的分析。
【关键词】越区切换；3G；切换策略；资源预留
【Abstract】With handoff strategy and algorithm as a key factor in deciding the performance of 3G
network,this paper briefly described the definition，the reason，the classification and strategy of
handoff, and primarily discusses three modes of handoff under 3G mobile communications
technology system and several typical handoff algorithms, particularly the handoff algorithm of
jointing resource reservation and call request.
【Key words】handoff；3G；handoff strategy；resource reservation
0.引言
第三代移动通信(3G)的三种主流标准（WCDMA，CDMA2000，TD-SCDMA）它们各
有优缺，但是这三大标准有一个共有的关键技术——越区切换(HANDOFF)技术。在移动通
信系统中，切换是保证移动用户在移动状态下实现不间断通信越区切换； 切换也是为了在
移动台与网络之间保持一个可以接受的通信质量，防止通信中断，这是适应移动衰落信道特
性的必不可少的措施。 特别是由网络发起的切换，其目的是为了平衡服务区内各小区的业
务量，降低高用户小区的呼损率的有力措施。因此，设计一个快速而又可靠的切换策略和算
法，是决定切换 3G 网络性能好坏的关键因素之一。
1.越区切换的定义
当移动台从一个小区（指基站或者基站的覆盖范围）移动到另一个小区时， 为了保持
移动用户的不中断通信需要进行的信道切换称为越区切换。
2.越区切换的原因
引起切换的原因有很多，最基本的原因是当前小区的基站连接再也不能满足需求，为了
提高连接质量和保持通信的连续性，终端或基站开始初始化新连接。具体来说引起切换的主
要原因有：（1）上行和下行链路传输质量；（2）上行和下行链路信号测量；（3）基站到移
动台之间的距离；（4）话务量；（5）功率预算；（6）有更好的小区出现。
3.越区切换的分类
3.1 从技术上分
当一次切换被触发后，一个新的信道将被建立，通信将转接到新的链路，同时，原来的
信道被释放。 切换处理过程可以根据新链路的建立途径(旧链路的释放是发生在新链路的建
立之前、之中或之后)来分类。硬切换：新的连接建立前，先中断旧的连接；软切换：指既
维持旧的连接，又同时建立新的连接。
3.2 硬切换
硬切换的特点是移动台在硬切换情况下， 同一时刻只越区切换占用一个无线信道，它
必须在一个指定时间内，先中断与原基站的联系，调谐到新的频率上，再与新基站取得联系，
在切换过程中可能会发生通信短时中断。 硬切换主要是不同频率的基站和扇区之间的切换。
3.3 软切换
软切换的特点是在软切换过程中， 两条链路及相对应的两个数据流在一个相对较长的
时间内同时被激活， 一直到进入新基站并测量到新基站的传输质量满足指标要求后， 才断
开与原基站的连接。 软切换是同一频率下不同基站之间的切换。
3.4 从小区的性质上分
同一交换中心基站之间的越区切换； 同一 BSC 之间的切换； 不同 BSC 之间的切换；
不同交换中心之间基站的越区切换；微小区与宏小区之间的切换；同基站内不同扇区的切换；
不同运营商之间的切换。
4.三种体制下的越区切换
WCDMA 与 CDMA2000 均采用软切换 ，TD-SCDMA 采用接力切换。
4.1 WCDMA 中的软切换。
它是采用移动台发起的异步软切换方式进行的导频切换，基站需要确定在什么时间、什
么位置为移动台启动软切换算法。WCDMA 的移动台可在同一频率下检测到其他基站与本
基站的信号，确定它们之间的时间差。 检测到的时间信息经由本基站到达新的候选基站， 候
选基站调整它新的专用信道的发射时间，即在发送信息的时间上进行调整，使不同基站在这
个信息比特期间与下行码道同步。 无线链路增加和释放过程：
（1）小区2的导频信号强度逐渐增强，当小区2的导频强度Ec/Io 达到(最好导频 Ec/Io－(报
告门限－增加滞后门限))并维持△T 时间，而此时候选集没有满，小区 2 此时被加入到候
选集里。 该项动作也称为无线链路增加。 （2）小区 3 的导频信号强度逐渐增加并开始超
过最早的小区 1 的导频信号强度， 在小区 3 的导频（最好候选导频）强度 Ec/Io 达到（最
弱导频 Ec/Io+替换滞后门限）并维持△T 时间，而此时候选集的数目已满（假设此时系统
设置的候选集最大数目是两个），小区 3（候选集中最强的信号）此时替代小区 2（候选集
里最弱的信号）被加入到候选集里，小区 1 同时被移出候选集。 该项动作也被称为无线链
路增加和释放。 （3）此时候选集中小区 3 的导频信号强度逐渐减弱，当小区 3 的导频强
度 Ec/Io 弱到（最好导频 Ec/Io－（报告门限+删除滞后门限））并维持△T 时间，小区 3
（候选集里最弱的信号） 此时被移出候选集。 该项动作也称无线链路的释放。
4.2 CDMA2000 中的软切换
它也是导频切换，移动台不断地搜索着激活类、候选类、邻近类、剩余类各个导频的强
度，并且根据导频强度维护各个类，当移动台靠近切换区时，移动台开始以下操作过程：（1）
导频 p2 强度超过了 T_ADD，但尚未到达动态门限，移动台将这个导频移到候选集；（2）
导频 p2 强度超过了[(SOFT_SLOP/8)×10×log10(PS1)+ADD_INTERCEPT/2]， 移动台发送
导频强度测量 消 息 ； （3）移动台收到扩展切换指示消息DROP_INTERCEPT/2，将 p2
移入激活集 ，开始宏分集 ，而后发送切换 完成消息 ；（4） 导 频 p1 的强度下降低于动
态 门 限[(SOFT_SLOPE/8)×10×log10(PS2)+DROP_INTERCEPT/2]移动台开始启动发送
切换定时器；（5）切换下降定时器超时，移动台发送导频强度测量消息给基站；（6） 移动
台收到切换指示消息，将 p1 移入候选类。 而后发送切换完成消息；（7）导频 p1 的强度
下降低于 T_DROP。移动台开始启动发送切换定时器；（8）切换下降定时器超时，移动台
将 p1 从候选类移到邻近集。
4.3 TD-SCDMA 中的接力切换
接力切换是一种基于智能天线的切换方案。 它利用精确的定位技术，在对移动台的距
离和方位进行定位的基础上，根据移动台方位和距离作为辅助信息， 来判断移动台是否移
动到了可进行切换的相邻基站临近区域。 实现接力切换的必要条件是：网络要准备获得移
动台的位置信息，包括移动台的信号到达方向(DOA)以及移动台与基站的距离。在
TD-SCDMA系统中，由于采用了智能天线和上行同步技术，系统较容易获得移动台的 DOA，
从而获得移动台的位置信息。 具体过程是：利用智能天线和基带数字信号处理技术， 可以
使天线根据每个移动台的 DOA 为其进行自适应的波形赋形。 对每个移动台来讲，仿佛始
终都有一个高增益的天线在自动跟踪它，基站根据智能天线的计算结果就能确定移动台的天
线结构的短路贴片对天线的工作带宽， 谐振频率和
S
11
参数都有影响，短路贴片越宽，天
线的工作频带越宽，但是谐振频率也会发生偏离，且
S
11
会降低。若要保持天线工作在2.1GHz
附近和较低的
S
11
值，我们在平面倒F天线的短路贴片上开两个矩形槽，则可以在减小辐射
贴片长度的前提下，天线可以在 WCDMA 移动终端要求的所有频率下正常工作。微带贴片
天线有工作频带窄的缺点，这是由于平面微带天线的高Q值决定的。 如果在天线的辐射贴
片和接地板之间填充高相对介电常数的介质，则会引起表面波影响加大。 天线储能比空气
情况下增大则导致 Q 值增大，天线频带变窄，为了尽可能展宽天线频带，提高工作效率，
本文选择了基板以相对介电常数为1的空气代替。
5.几种典型的越区切换算法
基于无线资源管理部分的移动通信切换算法主要有一下几种：（1）无优先权的越区切换
方案；（2）呼叫请求排队算法；（3）资源预留算法以及这几种方案的结合方法。
用于衡量越区切换控制算法链路性能的两个主要QoS指标分别是:新呼叫请求的阻塞率
(call blockingprobability，以下简称 CBP)和越区切换时的掉线率(call droppingprobability，以
下简称 CDP )。
在介绍几种典型的越区切换控制算法之前，对系统的参数做如下规定：在这些系统中，
整个服务区被很多小区所均匀覆盖，每个小区的基站中有 S 个信道。小区中新呼叫和越区
切换的呼叫请求的到达过程均为泊松过程，其到达强度分别为
o
和
H
，
hd
为移动用户离
开当前小区的速率。
5.1 无优先权的越区切换方案
在该方案中，小区中所有的 S 个信道均被新呼叫和越区切换的呼叫所共享。基站处理
一个具有越区切换请求的话音呼叫的方法与处理一个新呼叫请求的方法完全相同。不论是新
呼叫还是越区切换的呼叫，若在其到达的时刻基站内没有空闲信道，那么到达的呼叫都将被
系统阻塞。但是被阻塞的越区切换的呼叫仍可保持与当前小区的通信，直到其通话结束或接
收信号强度低于一定的接收门限为止。因此从上面分析可以看出，这是一种最简单的切换方
案，当移动用户到达小区边界时，初始呼叫用户和切换呼叫用户平等的争夺目标小区资源。
在这种切换机制里，目标小区并不预留资源给切换用户，也不对切换用户进行排队等候，因
此切换掉话率很高。
5.2 呼叫请求排队算法
该算法的核心思想是对新用户和切换用户分别对待，对于新用户，如果申请的目标服务
基站没有足够的无线资源，则拒绝该新用户接入系统中。如果一个切换用户申请接入新基站，
如果当前系统无线资源足够满足该切换用户的 QoS 要求，则马上接受请求；否则就将该请
求送入缓存区排队等待。当小区内有足够的空闲信道资源且系统干扰不超过门限值时，按先
到先服务（FIFO）的调度算法，安排缓存区最前面位置的切换用户最先被接入网络中。队
列中切换呼叫的优先级按照不同的切换算法进行不同的排队顺序。这样也可以降低切换呼叫
的掉话率。在这种方案中，也可以同时使用保护信道。当小区基站的接收功率达到切换门限
时，如有空闲信道，基站立即分配信道给切换呼叫，否则将呼叫排入队列。切换呼叫在队列
中等待分配信道，直到有可用信道或者接收功率低于接收门限。如果呼叫到达接收门限时仍
然没有可用信道，该呼叫被强制结束，造成掉话。作为切换算法中的一种，切换排队一定程
度上降低了切换掉话率，但是一般认为，在微蜂窝或微微蜂窝中，对于实时多媒体业务采取
此种策略实际上是不可行的,这是因为,正在排队的切换请求可用的时间间隔可能根本不足以
获得可用的带宽资源,特别是对于宽带实时多媒体业务。也因此,切换排队策略在多业务尤其
是未来的宽带多媒体实时业务上存在很大的缺点。所以目前研究比较多的是基于资源预留算
法的切换控制算法。
5.3 资源预留算法
资源预留切换算法的工作原理是，当一个新用户接入后，将服务小区的邻近小区预留的
带宽分配给该用户，同时释放其它小区内预留的资源，并在新的邻近小区内为该用户下一次
可能的切换预留足够的带宽资源。
在资源预留算法中，假设每个小区内的信道数为S，其中
SSc
个信道为小区切换用户
预留，剩余的
Sc
个信道被该小区产生的新用户请求和来自邻近小区的切换成功用户共享。
因此，当小区内占用的信道数大于或等于
Sc
时，该小区产生的新用户接入请求将被拒绝接
入，造成新用户接入请求的阻塞；而来自邻近小区的切换用户仍可以使用预留的信道资源接
入该小区。从有限的系统带宽资源中划分出一部分资源专门预留给切换用户使用，该算法既
可以有效保证快速小区切换时较低的掉话率，又不存在切换用户排队延时问题，但这是以增
加本小区新用户接入请求的阻塞率为代价。在资源预留算法中，预留的资源在切换完成之前，
不能被其他的新接入用户使用，因此存在着无线资源利用较低的问题。一般情况下, 基于资
源预留算法的切换算法通可以从用户的角度或从小区的角度进一步考虑。在现有的资源预切
换方案中，提出了基于小区的动态预留保护信道方案和于用户的动态预留保护信道的两种方
案。基于小区的动态预留保护信道方案的特点是利用了相邻小区业务量的相关性，使用相邻
小区用户数的变化来得到本小区用户数分布和过载概率的变化，从而动态的调整预留信道的
数目。基于用户的动态预留保护信道方案认为，以小区为单位的方案把各小区用户作为一个
整体来考虑其移动性，而实际上各个用户在位置、速度、方向和带宽需求等方面会有很大差
异，如果能够根据每个用户各自的信息进行资源预留，将会更加准确。
5.4 资源预留和呼叫请求排队联合切换算法
在这个算法中，利用了切换队列请求和资源预留两种算法的优势。对于新呼叫来说，不
提供等待队列。当一个新呼叫到达小区时，如果基站中剩余的信道数小于或等于
S
R
=
SS
C
,
那么该新呼叫请求将被系统阻塞。当一个越区切换的呼叫请求到达小区时，如基站中没有空
闲信道，该呼叫请求将在目标小区的队列中排队等待。如果该移动用户离开“越区切换区”
（当移动台从基站接收到的信号强度小于越区切换的门限，同时又大于接收机的接收门限
时，在这段时间内，移动台既可以同目标小区的基站通信，也可以同原小区中的基站通信）
之前，该用户未能获得信道，那么该呼叫将被强制中断。
移动台在“越区切换区”中驻留时间的长短取决于移动台的运动速度、方向以及小区的
大小等系统参数。这里将移动台在“越区切换区”中驻留的时间视为一个随机变量
T
hd
，并
且假定
T
hd
服从指数分布且均值为
E
[
T
hd
]=
1
hd
。
6.结语
移动通信网络中的越区切换技术是移动网络中的关键技术，也是未来3G普及所要解决
的必要问题，其切换策略和算法都会对系统的性能产生重要的影响。切换算法中的资源预留
算法是目前使用得最多的，当然由于其自身的局限性，以后的研究重点将是几种典型算法相
结合的切换算法。
参考文献
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