f解說W-CDMA交遞控制 探討Soft Handover優缺點

所有蜂巢式行動通訊系統都是利用交遞的觀念來實現移動通訊的目的，所謂交遞即是將手機的管理權，從現有的基地台(Serving Cell)轉換至一個目標基地台(Target Cell)的程序。交遞可以區分成硬式交遞(Hard Handover)及軟式交遞(Soft Handover)這兩種，所有非CDMA系統只能使用硬式交遞；在CDMA系統上，能夠使用軟式交遞完全是Rake接收機及正交編碼技術的貢獻。基本上硬式交遞是屬於先斷後連(Break before Make)的架構，而軟式交遞則是屬於先連後斷(Make before Break)的架構。 傳統的TDMA系統在做交遞時會先將目前的連結(Connection)切斷之後，再和新的基地台建構新的連結，這就是所謂的先斷後連(Break-before-Make)，利用此一方法的好處是具有較簡單的硬體架構，壞處則是具有較高的斷話率(Call Drop Probability)。CDMA系統因為採用正交編碼及耙型接收機(Rake Receiver)的架構，因此可以在切斷目前的連結之前先行和目標基地台建構起新的連結，此即所謂的先連後斷的模式，利用此一方法的好處是可以減少在做交遞時的斷話率，缺點則是硬體架構(演算法)會變得較複雜。圖1顯示先連後斷和先斷後連架構的示意圖，我們可以將這兩種交遞模式比喻成空中接人的遊戲，直覺而言先接後放(Soft-Handover)的方式比較不會發生接不到人的意外(斷話)。  

交遞的種類 圖2為W-CDMA系統所支援的交遞模式的樹狀圖(Handover Tree in WCDMA System)，圖3為各種交遞模式的說明。在UMTS網路有兩種主要的交遞形式：‧系統內的交遞(Intra-RAT Handover)-具有相同無線進接技術(Radio Access Technology，RAT)細胞間的交遞(可以是相同頻率或是不同頻率)。‧系統間的交遞(Inter-RAT Handover)-不同無線進接技術細胞間的交遞(必定是不同頻率)，例如從UMTS網路交遞至GSM/GPRS的網路。 其中系統內的交遞又可區分成同頻交遞(Intra-Frequency Handover)及不同頻交遞(Inter-Frequency)。而同頻交遞又可以再區分成下列兩種模式的交遞形式：‧較軟式交遞(Softer Handover)-手機同時連上相同基地台的不同的Sector，在此一架構下訊號不會有時間延遲(Time Delay)產生(圖4)。‧軟式交遞(Soft Handover)-手機同時連上屬於不同基地台的Sector，在此一架構下訊號不會有時間延遲產生(圖5)。 從實體層的觀點而言，軟式交遞和較軟式交遞是相同的；下傳DPCH頻道會經由主動組(Active Set)內的所有細胞/扇區發射並經由不同的無線連結(Radio Link，RL)抵達手機接收機。不同無線連結所傳輸的資料是相同的，手機的Rake接收機會將各個連結的資料個別解相關(De-Correlation)之後再合成一組資料串流進行解調(Demodulation)。在軟式交遞期間因不同無線連結所產生的時間延遲可以藉由Rake接收機中各個Finger的延遲記憶體(Delay Memory)來補償，在合成階段便可利用同步(Synchronous)且同相(Cpherent)的方式來進行最大比率的合成。每一Finger的延遲記憶體是有限的，而各個無線連結間的時間延遲有可能是相當長的；因此主動組內的所有基地台在下傳方向必須是同步的。在主動組內的每一個細胞可以藉由來調整時間，手機藉由不同細胞的訓令時間的量測而得到的值並將其回報給網路來調整各個細胞的時間以達成同步。 變頻交遞也可以區分成下面兩種不同的交遞模式：‧具有不同載波的扇區(Sector)間的交遞-WCDMA系統支援介於不同載波間的交遞，利用此一架構可以輔助系統負載的平衡。假設某一個網路業者標到的營運執照具有兩個頻段(10MHz)，此業者即可在相同的基地台上建置兩個不同的載波頻段(圖6)，當其中的某個頻段負載過大時即可將手機交遞至另一個載波頻段藉以平衡網路的負載。由於牽涉到VCO頻率的改變，因此會造成訊號有短暫的時間延遲產生。‧巨細胞(Macro-Cell)和微細胞(Micro-Cell)間的變頻交遞-當網路的佈建是採用多層級的細胞網路(Multi-Layered Cellular Network)架構時(圖7)，有可能在巨細胞和微細胞間是採用不同的載波頻率，在這種網路架構下當要執行從巨細胞至微細胞的交遞時，便需要切換至新的載波頻段(圖8)。在現實環境中當使用者從外面(巨細胞)走入一間大的百貨公司(微細胞)時便需要執行變頻交遞。因頻率切換的關係所以也會造成訊號傳遞會有些微的時間延遲現象。 不同系統間的交遞(圖9)對3G網路而言是一件很重要的功能，這主要是因為UMTS網路建設的考量。在初期階段一般只會在都會區佈建3G網路，在非都會區主要還是以GSM/GPRS網路為主；因此3GPP規定手機必須有能力從3G的網路交遞到2G的網路(例如從大都市開車至郊區)。除了網路建設的考量之外，因2G和3G網路的共存(Co-Existing)特性，系統業者可以藉由不同系統間的交遞來優化網路的容量。當3G網路的負載較重時可以將大多數的語音通話(Voice Call)交遞至GSM網路，而將大多數的資料傳輸(Data Call)保留在3G網路內；以一機制即達到3G/2G網路負載的平衡。 軟式交遞的特色 在UTRAN中的部份元件會參與軟式交遞，圖10顯示在軟式交遞期間手機與UTRAN網路中的基地台(Node B)、無線網路控制器(Radio Network Controller，RNC)及MSC間的交互作用的示意圖。WCDMA的軟式交遞共有三種操作模式，在圖10中的、及的手機分別代表這三種不同的操作模式。 較軟式交遞 圖10中的手機會和相同基地台內的不同扇區的天線同時建立起無線連結(Radio Link)，這個情形可以類比成在耙行接收機中的多重路徑接收(Multi-Path Reception)的架構，這是最簡單的一種軟式交遞的形式。據統計在所有連結的5～10%是發生在較軟式交遞的期間。在較軟式交遞的架構之下會由基地台對手機提供下傳訊號的微多集(Micro Diversity)。 相同RNC(Intra-RNC)的軟式交遞 圖10中的手機會和不同基地台的天線建立起無線連結，但這些所參與的基地台是屬於同一RNC所管轄。在軟式交遞的架構之下會由RNC對手機提供下傳訊號的巨多集(Macro Diversity)。 不同RNC(Inter-RNC)的軟式交遞 圖10中的手機會和不同基地台的天線建立起無線連結，但這些所參與的基地台並不屬於同一RNC所管轄。在這個架構(圖11)下參與軟式交遞的各RNC會有不同的任務指派，其中的一個RNC會被指定為伺服的RNC(Serving RNC，SRNC)，其餘的RNC則被指定為漂移RNC(Drift RNC，DRNC)。SRNC會利用Iu介面(Iu Interface)建立起和核心網路(Core Network)的介接，在上傳時提供了資料的加總，在下傳時則提供了資料的分離(Separation)；DRNC只負責管理從無線鏈結所傳送及接收的資料。 手機可以同時處於上述的、及這三種操作模式，而同一時間所能建構的無線連結的數目會和在耙行接收機的Finger數目有關，一般最多可以達到6個無線連結。 軟式交遞在上傳及下傳時會有不同的特色，底下將分別來探討在上傳及下傳方向時的軟式交遞的特色。上傳軟式交遞的特色  

在較軟式交遞的操作模式下，基地台不同天線對相同手機訊號的接收可以類比為多重路徑的訊號接收，亦即可以利用Rake接收機來達成。 在軟式交遞的操作模式下，相同的接收機訊號是經由不同的基地台天線來接收及處理，各個基地台會將所接收到的位元序列(Bit Sequence)利用Iub(Intra-RNC Mode)介面或Iur(Inter-RNC Mode)傳送至SRNC作實體層的訊號處理。在相同RNC的軟式交遞模式下(參考圖10的手機)， 手機所發射的訊號會由三個不同的基地台天線所接收到，此三個基地台會利用Iub介面將所收到的位元序列傳送至相同的RNC，RNC在完成訊號處理及解譯之後再將訊號轉送至MSC或其他的網路設備上。在不同RNC的軟式交遞模式下(參考圖10的手機)，手機所發射的訊號會由隸屬不同RNC的兩個基地台天線所接收到，這兩個基地台會利用Iub介面將所收到的位元序列分別傳送至SRNC及DRNC；DRNC在完成訊號處理之後會將位元序列利用Iur介面轉送至SRNC，在SRNC內會將所有來自不同DRNC的訊號做選擇性的加總後，再將序列傳送至MSC或其他網路設備上。 在上傳軟式交遞的架構下手機和基地台之間的無線連結會變得較可靠且較有能力來對抗短期及長期的衰落(Short and Long Term Fading)的通道環境，且由於多重接收的效應，手機的發射功率可以進一步降低以增加通話時間。 下傳軟式交遞的特色 在下傳軟式交遞期間，所有在主動組(Active Set)裡面的基地台皆會和手機建構獨立的無線連結，從UTRAN來的資料會在SRNC內複製並透過Iur介面將資料流(Data Stream)傳送至主動組內的基地台。 下傳軟式交遞和上傳軟式交遞的最大不同在於下傳時由於不同基地台的參與，因此在相同的資料序列上會有不同的擾亂碼甚至不同的頻道碼產生，而上傳時所有訊號皆來自同一隻手機，因此頻道碼和擾亂碼是固定的。手機的耙型接收機的每一個Finger在下傳軟式交遞期間必須利用不同的擾亂碼來對每一個基地台的訊號解碼。 WCDMA的基地台是屬於非同步(Asynchronous)的架構，也就是網路內各個基地台之間並不會達成精確的時間同步；這點和cdma2000系統各個基地台利用全球衛星定位系統(Global Positioning System，GPS)的時間來達成時間同步有所不同(圖12)。cdma2000系統利用GPS來達成精確的時間同步，因此可以利用相同的碼但不同的時間延遲(Time-Delayed Version)來做基地台的識別碼。WCDMA系統因屬於非同步的架構，因此需利用不同的碼來做基地台的識別。利用GPS來同步的好處在於，當在做基地台搜尋時可以簡化硬體的複雜度及計算量，缺點則在於GPS訊號取得需仰賴於良好的天線接收環境(LOS的限制)，使得建構在室內的微型基地台要順利接收GPS訊號有其佈建上的困難度。而WCDMA系統因毋需利用GPS來完成同步，因此其基地台可以容易地佈建在室內或是GPS無法接收的地區，但會增加硬體的複雜度及計算量。 在WCDMA系統中，當手機處於軟式交遞的期間，由於非同步的網路架構，因此每個基地台所發射的訊框也會不同步，亦即相同的資料經不同的基地台的訊框傳送後會有時間差(Time Difference)產生，在有時間差的情況下無法利用耙型接收機來達到最大比率加總的好處。手機會量測所有在主動組裡面的基地台和現有基地台(Serving Cell)訊框之間的時間差，之後會將此時間差傳送至網路端，網路會利用此一量測值來調整各個基地台訊框的發射時間，最終的目的就是讓所有在主動組裡面的基地台的訊框，和現有的基地台的訊框達成同步。 軟式交遞特例 細胞選擇多集傳輸(Site Selection Diversity Transmission，SSDT)是軟式交遞的特例。在SSDT模式下，手機會在主動組內的所有細胞中選擇訊號強度最強的細胞作為主要的細胞(Primary Cell)，並利用上層的訓令告知網路。主要細胞會傳輸完整的DPCH頻道，而其他主動組內的細胞會停止DPDCH頻道的傳輸只傳送DPCCH頻道。利用此種多集傳輸的模式可以有效降低因為多重傳輸所引起的干擾問題，進而增加網路的容量。在SSDT模式下回授錯誤(Feedback Error)會是一個值得重視的問題，在某些傳播情況之下有可能會造成沒有Node B被選為主要細胞。為了避免回授錯誤的產生，每一個Node B會獨立地判斷回授位元；當回授位元的可靠度不高時，該Node B還是會將自己設為主要細胞。雖然會造成有兩個以上的主要細胞而降低系統的容量，但是卻可以維持較佳的鏈路品質。圖13顯示SSDT模式和軟式交遞的比較。 在Rake接收機中，Finger和Finger的控制並未受到SSDT的影響；這主要是因為CPICH和DPCCH頻道仍然有在傳輸。為了在Rake接收機的合成器(Combiner)中獲得最大的SIR值，會將所有來自主要細胞的無線連結(包含多重路徑的成份)加總，並將非主要細胞的DPDCH頻道的Finger關掉，以免接收到額外的雜訊。 軟式交遞缺點待克服 前面幾節分別探討了軟式及較軟式交遞在上傳及下傳時的優點，但在通訊系統裡面通常是不會有免費的好處而不需付出代價的；因此在CDMA系統利用軟式/較軟式交遞也必須付出一些代價。當比較起所獲得的利益和所需付出的代價時，可以發現從軟式交遞所得到的利益會大於所需付出的代價，因此軟式交遞被廣泛的使用在WCDMA及cdma2000系統。底下將以條列的方式列舉出軟式交遞的缺點： 1.增加在基地台及手機的耙型接收機的頻道(Rake Receiver Channels) 耙型接收機是利用DSP的訊號處理來完成，因此增加額外的頻道會增加DSP的計算量和基頻處理器硬體的複雜度。 2.在下傳佔用額外的頻道碼(Additional Channelisation Codes) 以手機的觀點而言，在下傳時越多的基地台參與軟式交遞可以增加巨多集的增益(Macro-Diversity Gain)，但以基地台的觀點而言，因相同的資料串流利用不同的基地台來發射就會佔用頻道碼，頻道碼的佔用就代表了系統容量的降低。 3.額外的下傳功率(Additional DL Power) 和第二點很類似，因為相同的資料串流利用不同的基地台來發射，而每個主動組的基地台皆會和手機建構一獨立的無線連結，因此會增加每個基地台的下傳發射功率而造成系統容量的降低。可以利用細胞選擇多集傳輸(Site Selection Diversity Transmission，SSDT)模式來克服。 4.基地台至RNC之間額外的連結(Additional Links Between Node B and RNC) 在相同RNC的軟式交遞時，參與的基地台越多則基地台和RNC之間的連結的資料流量會越多，造成系統負載的增加。 5.不同RNC之間的額外連結(Additional Links Between Different RNC) 和第四點很類似，只是當在不同RNC的軟式交遞時，資料流的複製會造成不同的RNC間的資料流增加。