CN1284404C - 在通信系统中用于软切换的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

改进CDMA系统软切换的系统和方法利用移动台位置和速度信息来维护对一些小区的软切换支路，这些小区是该移动台最可能要处在其中的。本发明的系统和方法估计了移动台到达相邻小区的加权概率并计算了移动台比较可能进入或处在其中的小区的“偏置”量。用这些偏置量修正这些小区的信号质量值，和确定是否将当前小区或相邻小区放入一个有效集以确立或维护软切换支路。这样，本发明的系统和方法选择了那些最可能保留的小区作为软切换支路，并因此减少了软切换的总次数。

Description

在通信系统中用于软切换的系统和方法
                      技术领域
本发明总体上涉及无线通信系统，尤其是CDMA系统中改进软切换的技术。
                      背景技术
蜂窝通信系统通常由许多基站构成，为了给一个地理区域提供无线通信支持，这些基站以某种方式定义了许多互相重叠的小区。一个远端发射机/接收机设备可以与其所在小区的基站通信。这种通信通常在系统所分配的连接的信道上进行。当远端设备是移动的，或者基站不是固定的(如轨道卫星)，由于远端设备和基站间存在相对位移，远端设备可能在邻近的小区间转移。如果没有系统的干预，因为接收信号强度会衰减到一定程度，以至于基站和远端设备都无法接收到对方的传输信号以便对该信号中的相应信息进行译码，这次越区转移就会导致连接中止。在小区间越区转移还可能造成信号质量的显著下降。通常移动台用误比特率(BER)等质量指标衡量信号质量的下降。由于信号强度不够导致的信号质量下降和通信中断是移动蜂窝通信中小区越区转移问题的两个方面。
解决小区越区转移问题的方法一般称为“切换”。这种传统的技术把远端设备和第一个小区的基站进行中的通信切换到另一个小区的另一个基站上。在移动台从一个小区移动到另一个小区时，这种切换过程保持了连接的连续性并防止了呼叫的中断。切换过程可以通过多种依赖于系统的方法来实现。
在CDMA系统被称为软切换的过程中，一个移动台可以同时与一个以上的基站维持连接。在软切换中，移动台同时与一个以上基站维持连接，以便得到分集效应，从而提高连接的质量。分集效应是通过不同的空中接口路径与不同的基站连接得到的，这些不同的空中接口路径具有不同的衰落特性。将沿不同的空中接口路径传播的信号合并可以提高连接的质量同时降低基站和移动台间所需的发射功率。
在CDMA系统(如IS-95)中的软切换中一般都测量系统中每个基站发送的已知导频信号。移动台测量每个接收到的导频信号质量来选择适合给移动台提供服务的基站。选择了具有指定的信号质量测量值的基站后，移动台将基站传输的寻呼信道信号解调，然后从基站接收系统参数信息。
从基站接收的系统参数信息包括一份相邻小区的清单，这些信息是通过基站发送到移动台的寻呼信道传输不同的消息中提供的，这些消息例如相邻小区清单消息、扩展相邻小区清单消息或者广义相邻小区清单消息。接收到这些消息中的一条，移动台存储这些相邻小区作为它的相邻集。然后移动台就测量相邻集中的每个基站发射的导频信号质量。那些导频信号质量高于门限的基站被存储在候选集中。与相邻集中的基站相比，移动台更频繁地测量候选集中基站的导频信号。一次移动台的实际通话中，一个或几个候选集中的信号质量最好的基站被存储在有效集中。最近列入有效集的基站成为通信中软切换的一条支路。当软切换支线的基站发射的信号质量在给定的时间段内下降到一个特定的门限时，它们就被从有效集中剔除。此外，如果候选集中基站的导频信号的质量达到了特定门限，就将这些基站添加入到有效集中。于是，就会建立一条至该新添加到有效集中的基站的用户路径。在移动台在通话过程中，这个软切换处理是一直进行的。接着，提供服务的基站可以通过在业务信道中发送相邻集更新消息或者扩展相邻集更新消息来修改相邻集。
然而，上文描述的传统的软切换技术是不完善的，因为对运动的移动台来说，一些小区比其它小区更适合成为候选切换支路。如果一个移动台正在离开一个或几个基站，这些基站发送的信号仍然是很强的并足以使它们被加入到有效集中。因此，在这个例子中，如果移动台继续远离基站，这样建立的切换支路在很短的时间内被再次释放。所以每次切换支路的加入或删除需要额外的信令，导致了系统中不必的信令开销。而且，加入或删除切换支路要求繁重的系统资源的分配和释放。
于是就要求提供一种软切换的技术，这种技术为有效集选择移动台可能在其中停留较长时间的小区，从而减少系统的信令开销并减轻系统资源负担。
                      发明内容
在下面的示例的实施例中叙述的本发明的装置提供这些期望的特征和其他特征。
在本发明的第一个示例的实施例中，提供了在无线通信系统中为移动台实现软切换的方法。这个方法包括以下步骤：至少确定一个与上述移动台速度有关的参数；基于上述的至少一个参数在被选的小区/扇区集上估计偏置量；确定与每个上述小区/扇区有关的信号质量值；用上述的偏置值修改信号质量值；基于上述信号质量的修正值构造用于通信的潜在小区/扇区清单；和建立在上述移动台与包含在上述清单中的小区/扇区之间的专用通信信道。
在本发明的第二个示例的实施例中，提供了一种在无线通信系统中为移动台的软切换构造潜在小区/扇区清单方法。这个示例实施例的方法包括以下步骤：确定与上述移动台的邻近的小区/扇区有关的信号质量值；用基于与上述移动台相关的至少一个参数的偏置值来修正上述信号质量值；和基于上述信号质量的修正值来构造上述的清单。
在本发明的第三个示例的实施例中，描述了一种在无线通信系统中实现移动台的软切换的系统。这个系统包括：用于确定至少一个与上述移动台速度有关的参数的装置；基于上述的至少一个参数在被选的小区/扇区集上估计偏置量的装置；用于确定与上述每个小区/扇区有关的信号质量值的装置；用上述的偏置值修改信号质量值的装置；基于上述信号质量的修正值构造用于通信的潜在小区/扇区清单的装置；和用于建立在上述移动台与上述清单中的小区/扇区之间的专用通信信道的装置。
在本发明的第四个示例的实施例中，描述了一种在无线通信系统中为移动台的软切换构造潜在小区/扇区清单的系统。这个系统包括：用于确定与上述移动台邻近的小区/扇区有关的信号质量值的装置；用基于与上述移动台相关的至少一个参数的偏置值来修改上述信号质量值的装置；和基于上述信号质量的修正值来构造上述的清单的装置。
                      附图说明
为清晰阐述本发明的目的和优点，下文的详细描述将结合以下附图：
图1是根据本发明用于蜂窝通信系统的装置的示例的实施例；
图2是本发明示例的实施例中系统追踪移动台的位置和速度的流程图；
图3显示了对应图2示例的实施例的消息框图；
图4是本发明示例的实施例中移动台追踪自身的位置和速度的流程图；
图5表示移动台速度的向量和在相邻基站的方向上速度向量的分量；
图6是本发明示例的实施例在城市中街道环境中应用的例图；
图7表明了本发明实施例在无偏置信息情况下的软切换有效集的建立；
图8表明了本发明示例的实施例利用偏置信息建立软切换有效集。
                    具体实施方式
为了提供可对本发明进行描述的某种环境，现在来参考图1，图示的是一个包括示例的基站110和移动台120的示例的蜂窝移动无线电话系统的框图。基站包括控制和处理单元130，控制和处理单元130连接到MSC140，后者连接到PSTN(没有在图中表示出来)。在图1中显示的蜂窝无线电话系统的一般特征在技术上是众所周知的。
基站110通过业务信道收发机150维护许多业务信道，该收发机150又被控制和处理单元130控制。每个基站包括导频信道收发机160，后者用于向网络中的移动台120广播导频信号。基站可以在一个单独的频率上或者某个频率的一个时间片中发射导频信号。收发机150和160可以是分离的模块(如图1所示)或者集成在一个双功能模块中。
移动台120用它的业务和导频信道收发机170扫描来自一个或多个基站的导频信道。然后，处理单元180计算接收到的导频信号的质量以判定可以给移动台120提供服务的合适的候选基站。与上述的基站的业务和导频信道收发机类似，业务和导频信道收发机170可以是集成在一个双功能模块中(如图示)或者分离在不同的模块中(类似于基站的150和160)。
根据图1表示的本发明的示例实施例，基站的控制和处理单元130向移动台提供移动台的位置更新信息.位置更新信息可用任何一种所期望的方法计算。例如，可以从移动台收发机120中的GPS接收机220得到移动台的位置。然而，本领域的技术人员能认识到，在已知的技术中有许多移动台定位的技术。如果利用GPS来报告移动台的位置信息，移动台可以向基站110传送位置更新信息(“移动台位置报告”)，这些信息可以是定期发送的或者应来自网络的位置请求发送的常规的定期消息。然而对于其他的定位方法，实际定位是在网络中进行的，因此无须从空中接口传送定位数据。接收到的GPS位置更新信息从基站110传输到交换中心140再到处理器200、210。处理器可以是移动交换中心140的处理器210，或者是移动交换中心140以外的附加处理器210。因为监控小区中的每个移动台的位置可能会超出交换处理器的能力，使用外部处理器可以有效的将相当大量的处理负担从交换处理器转移到外部处理器。
如图2所示的本发明的示例的实施例用上文描述的位置更新消息来修正用于执行软切换的算法中使用的被测量的接收导频信号质量，这种软切换提高了移动台维持那些与会让该移动台停留较长时间的小区对应的软切换支路的可能性。在第1步中开始的实施例是以在上文讨论的方式移动台确定自己的位置，或者由系统确定移动台位置。第2步，系统根据现在的位置和一个或多个以前的位置和两次位置测量之间的时间间隔(Δt)计算移动台的速度(速度是由移动台速度和运动方向构成的向量)。第3步，利用移动台位置的测量值和计算的移动台的速度来估计某个未来时刻移动台的位置。一个简单方法是采用众所周知的传统运动学方法来估计。较复杂的办法是，系统根据已知的地形特征(如山，坡度、从外部消息源得到的业务信息、城市街道布局)来估计未来位置。
在估计了移动台的未来位置后，系统第4步是系统访问与接收的邻近小区的存储的位置数据。根据得到的位置数据和移动台未来位置的估计值，第5步就是判断可能到达每个小区/扇区(Cj)的加权的概率。第6步，根据所确定的可能到达小区/扇区的加权概率为每个相邻小区/扇区估计一个偏置量(BIAST0)。这样，相邻小区/扇区到达概率估计值较高的相应小区/扇区的偏置量会较大。到达概率的估计值较低的相邻小区/扇区的偏置量较小，或者可能是负的。
图5是说明了上文描述的方法步骤的示例的应用。在图5中，移动台现在的位置在平面上的点(x，y)处。每个靠近移动台的基站(BS1...BSn)有位置{(x1，y1)...(xn，yn)}。已知用上述的方法得到的两个连续的移动台位置测量值，可以计算出移动台的速度(V)。在得到移动台速度(V)后，可以进一步计算移动台朝向与该移动台邻近的一组所选基站中的每个基站(BS1...BSn)运动的速度向量中的分量(Vcosθ1，...，Vcosθn)。如图5所示，移动台朝向BS1的速度分量是Vcosθ1，朝向BS2的速度分量等于Vcosθ2。根据众所周知的传统运动学，朝向每个基站的速度分量V可以用来估计移动台未来的位置，并且估计移动台可能到达每个邻近小区/扇区(Cj)的加权概率。也可根据计算的速度向量分量值和到达每个邻近小区/扇区(Cj)的加权概率来估计与移动台邻近的每个基站的估计的偏置量，从而使得例如偏置量满足关系：BIASBsn∝Vcosθn。例如在图5中表示的，这意味着与BS1相关连的偏置量较高。
图6进一步说明移动台在城市环境中移动时上述示例的方法步骤的应用。在这个示例的应用中，用移动台沿特定路线运动的概率知识来进一步确定偏置量。如图所示移动台左转的概率是P1，移动台右转的概率是P3，而且移动台直行的概率是P2(其中P1+P2+P3＜1)。如图6所示，移动台不能直行，因为十字路口前的街道是单行线。所以，P2等于0，同时给予BS2负的偏置量。另外，可以建立一个知识库使系统可以“学习”移动台的运动行为。这在移动用户通常取同一路线往返于一个特定位置(如用户驾车驶往工作地点)是特别有用的。利用特定用户的原先的运动的知识，并根据移动台现在的位置很容易判定移动台将来的位置。
回到图2，一条偏置量消息(见图3；15)包括了一份带有上述第6步中估计的相关联的偏置量的偏置小区/扇区清单，该偏置量消息然后在第8步在T0时刻发送给移动台。或者说，偏置量消息包括一份所有邻近小区连同具有相关联的偏置量的每个邻近小区的偏置量的清单。为了控制切换性能，任何系统功能可以发送偏置量消息。在一个示例的实施例中，不管移动台速度如何，偏置量消息(15，图3)都定期发送。在另一个示例的实例中，偏置量消息以移动台速度的函数的形式被发送。所以，如果移动台速度为0，则不发送偏置量消息。然而，如果移动台的速度不为0，则以与移动台速度相关的频度发送偏置量消息。这样，速度低的移动台发送偏置量消息的频度低于速度高的移动台。系统维护着已发送的偏置量和发送每条偏置量消息的时间标记的记录。
第9步，在接收到偏置量消息后，移动台删除过去接收到的偏置量消息中得到的现存的偏置量，并用当前的偏置量更新现存的偏置量。第10步，移动台除了将当前的偏置量与作为判定一个小区是属于哪个集合的基础的信号质量值相加之外，移动台还利用传统技术(如上述背景部分讨论的方法)在有效集和候选集中加入或删除小区。换句话说，假如已经得到来自邻近小区的信号强度、信号干扰比、或导频信号的一些其它信号质量测量值，偏置量就使用相同的单位并附加到这些导频信号的测量值中。就这样，系统用偏置量和信号质量的测量值的和来判定应向有效集和候选小区清单中附加入或从其中删除哪些小区。
下文继续描述图2中的第10步，说明系统对偏置量的分配的例子。为了下文的说明，假定信号强度是所用的信号质量的测量值，并且把信号强度归一化为0-100的标度。为了说明的方便，假定系统将移动台速度信息转换成根据信号强度标度的-5到+5范围的偏置量。在传统的没有利用速度信息的系统中，有效集的构成如图7所示。在这个例子中，BS1的相关信号强度为62，BS2的相关信号强度为58，BS3的相关信号强度为40，同时BS4的相关信号强度为62。假设当SS＞60时基站被附加入有效集，则本例中BS1和BS4将被放入有效集。假设移动台的方向是朝向BS1和BS2以及离开BS3和BS4，这将导致BS4在短时间内被移动台软切换。
然而，通过利用根据本发明的示例实施例的偏置信息(如图8所示)，正处在移动台运动方向上的基站可以被放入有效集中。这通过将偏置量附加到信号强度测量值中来完成(本例中，偏置量Bias1＝+3，Bias2＝+3，Bias3＝-3，Bias4＝-3)。相加后，BS1和BS2大于60而BS3和BS4小于60。因此BS1和BS2被放入有效集中。因此该偏置值就“偏置”了有效集，这样，有效集就包括了那些正处在移动台移动方向上的基站(BS1和BS2，而不是BS3和BS4)，因此移动台将维持较长时间的软切换连接。
在示例的实施例中，直至接收到系统发送的下一条偏置消息后，才更新移动台保存的偏置量。而且在另一实施例中，假如系统操作者切断了本发明的示例实施例中采用的增强的软切换操作，系统可能删除了所有的偏置量。在另外的示例实施例中，当移动台接收到偏置量消息时启动了一个计时器，在过去了特定的时间后，移动台也可能删除偏置量。
再回到图2，第11步移动台发送消息如导频测量报告消息(见图3；16)，它包括所有导频信号的测量值和合适的小区的偏置量(BIAST0)。系统在T1时刻接收到移动台发出的消息后，就在第12步利用每个导频信号的测量值与相应的偏置量的和去选择最强的小区候选者以便更新有效集。第13步，系统通过扩展切换指示消息去指示移动台向有效集中信号最强的小区切换。
一个补充的示例实施例进一步保证了系统在T1时刻从移动台接收到的偏置量(BIAST0)是足够新的。假如在传输到移动台的偏置量消息和传输到基站的导频信号强度测量值报告消息之间花费时间太长，偏置量(BIAST0)可能会改变相当大的数值。为判别是否是这种情况，示例实施例的系统计算当前时间的新偏置量并且将这些当前的偏置量与偏置量BIAST0相比较。如果当前的偏置量与偏置量BIAST0相比，其相差足够大的话，那么就计算新的偏置量并向移动台发送一个偏置量消息。然而在大多数情况下发送偏置量消息后应该很快就收到导频信号强度测量报告，因此这时就不必计算新的偏置量。上文广泛描述的算法在下面以伪代码方式表示：
If T1-T0＞偏置完整门限then
  重新计算T1时刻移动台的偏置量
  比较T1时刻偏置量和旧的(T0时刻)的偏置量
  If新旧偏置量的％差别＜差别门限then
  采用新偏置量。
       选择最强的候选小区进有效集
       向移动台发送扩展切换指示消息
    else！偏置量已经改变很多了！
       向移动台重新发送带有新偏置量的偏置量消息
    endif
else！T1-T2＜＝偏置完整门限，没有重新计算的必要！
    为有效集选择信号最强的候选小区
    向移动台发送扩展切换指示消息
endif
上述伪代码中“偏置完整门限”表示偏置量变为“陈旧了的”之前所经过的时间，它的取值随移动台的速度而定。
在上述示例实施例中，系统验证移动台的位置和速度。然而，在另外的实施例中，也可以由移动台自身实现这些功能。图4中显示的第18步移动台确定自己的位置，或者以上文叙述的方法由系统确定。第19步，移动台处理器根据当前位置和一个和多个原来的位置以及这些位置测量值之间的时间间隔(Δt)来计算移动台速度。第20步，利用测量的移动台位置和计算的移动台速度来估计移动台在未来时刻的位置。一个简单方法是采用众所周知的传统运动学方法来估计。较复杂的办法是，系统根据已知的地形特征(如山、坡度、从外部消息源得到的业务信息、城市街道布局)来确定估计的未来位置。
在估计了移动台的未来位置后，系统第21步是访问以前从系统接收的邻近小区的数据。根据得到的邻近小区位置数据和移动台未来位置的估计值，第22步就是判断可能到达每个邻近小区/扇区(Cj)的加权的概率。第23步，根据已确定的可能到达小区/扇区的加权概率为每个相邻小区/扇区估计一个偏置量。该方法步骤的示例应用已在上文参照图5和图6详细描述了。
第24步，移动台删除现存的偏置量，并用新的偏置量替代现存的偏置量。在此后的第25步，除了将当前的偏置量附加到作为用来判定一个小区是属于哪个集合的基础的信号质量值上之外，移动台还利用传统技术(如上述背景部分讨论的方法)在有效集和候选集中加入或删除小区。换句话说，假如已经得到来自邻近小区的信号强度、信号干扰比、或导频信号的一些其他信号质量的测量值，偏置量就使用相同的单位并附加到这些导频信号的测量值中。就这样，系统用偏置量和信号质量的测量值的和来判定应将哪些小区向有效集和候选小区清单中加入或从其中删除。第25步的示例的描述参照上面图2中的第10步。
第26步，移动台发送消息例如导频测量报告消息(见图3；16)，它包括所有导频的测量值和被附加上的合适小区的偏置量。在第27步系统接收到移动台发出的消息后，就利用每个导频信号的测量值和相应的偏置量之和选择最强的候选小区来放入到有效集中。第28步，系统发出扩展切换指示消息指示移动台向有效集中信号最强的候选小区切换。
尽管为了说明起见，在这里描述了一些实施例，但并不意味着实现方式是有限的。熟悉本领域技术的人们会发现在说明的实施例中可以做出一些修改。这些修改被认为是要被下文的权利要求书的精神和范围覆盖的。例如，本发明的实施例可应用于WCDMA系统。通过给WCDMA系统中的“切换监控”集和“切换候选”集之中的小区附加上本文中描述的由速度规定的偏置量，就可以实现这个应用。

Claims (24)

1.一种在无线通信系统中执行移动台的软切换的方法，包括以下步骤：
确定至少一个与上述移动台速度有关的参数，其中所述与速度有关的至少一个参数是从由移动台速度、移动台位置以及小区邻居位置数据组成的组中选择出来的；
基于上述的至少一个参数在被选的小区/扇区集上估计偏置量；
确定与上述每个小区/扇区有关的信号质量值；
通过将所述偏置值加到所述信号质量值，用上述的偏置值修正信号质量值；
根据上述信号质量的修正值，构造用于通信的潜在小区/扇区清单；以及
建立在上述移动台和被包含在上述清单中的小区/扇区之间的专用通信信道。
2.一种在无线通信系统中为移动台的软切换构造潜在小区/扇区清单方法，包括以下步骤：
确定与上述移动台的邻近小区/扇区有关的信号质量值；
通过将所述偏置值加到所述信号质量值，用基于与上述移动台的速度相关的至少一个参数的偏置值来修正上述信号质量值；以及
基于上述信号质量的修正值构造上述的清单。
3.权利要求2的方法，其中，所述至少一个参数包含上述移动台的估计的未来位置。
4.权利要求2的方法，其中，所述至少一个参数包含上述移动台到达上述的小区/扇区的估计的概率。
5.权利要求2的方法，其中，所述至少一个参数包含上述移动台在给定的地理路线上运动的概率。
6.权利要求5的方法，其中，所述概率是由移动台的运动的历史数据得出的。
7.权利要求2的方法，其中，所述速度由上述移动台确定。
8.权利要求2的方法，其中，所述速度由上述无线通信系统确定。
9.权利要求2的方法，其中，所述清单包括具有超过预定的信号质量阈值的相关的信号质量修正值的小区/扇区。
10.权利要求2的方法，其中，所述清单是有效小区/扇区清单。
11.权利要求2的方法，其中，所述清单是候选小区/扇区清单。
12.权利要求2的方法，其中，确定所述上述参数的频度取决于上述移动台的速度。
13.一种在无线通信系统中执行移动台的软切换的系统，包括：
处理单元，其中该处理单元包括：
用于确定至少一个与上述移动台速度有关的参数的装置，其中所述与速度有关的至少一个参数是从由移动台速度、移动台位置以及小区邻居位置数据组成的组中选择出来的；
基于上述的至少一个参数在被选的小区/扇区集上估计偏置量的装置；
用于确定与上述每个小区/扇区有关的信号质量值的装置；
通过将所述偏置值加到所述信号质量值，用上述的偏置值修正信号质量值的装置；
基于上述信号质量的修正值构造用于通信的潜在小区/扇区清单的装置；以及
用于建立在上述移动台与上述清单中的小区/扇区间的专用通信信道的装置。
14.一种在无线通信系统中为移动台的软切换构造潜在小区/扇区清单的系统，包括：
处理单元，其中该处理单元包括：
用于确定与上述移动台邻近的小区/扇区有关的信号质量值的装置；
通过将所述偏置值加到所述信号质量值，用基于与上述移动台的速度相关的至少一个参数的偏置值修正上述信号质量值的装置；和
基于上述信号质量的修正值构造上述的清单的装置。
15.权利要求14的系统，其中所述的至少一个参数包含上述移动台的估计的未来位置。
16.权利要求14的系统，其中所述的至少一个参数包含上述移动台到达上述的小区/扇区的估计概率。
17.权利要求14的系统，其中所述的至少一个参数包含上述移动台在给定的地理路线上运动的概率。
18.权利要求17的系统，其中所述的概率是由移动台的运动的历史数据得出的。
19.权利要求14的系统，其中所述的速度由上述移动台确定。
20.权利要求14的系统，其中所述的速度由上述无线通信系统确定。
21.权利要求14的系统，其中所述的清单包括具有超过预定的信号质量阈值的相关的信号质量修正值的小区/扇区。
22.权利要求14的系统，其中清单是有效小区/扇区清单。
23.权利要求14的系统，其中清单是候选小区/扇区清单。
24.权利要求14的系统，其中确定上述参数的频度取决于上述移动台的速度。
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