【资料名称】：CDMA的掉话分析

【资料作者】：柏一凡

【资料日期】：2014.9.17

【资料语言】：中文

【资料格式】：DOC/DOCX

【资料目录和简介】：

在CDMA移动通信系统中，网络优化较为重要，因为CDMA移动通信系统是干扰受限的通信系统。系统的容量是软容量，网络优化不仅能改善网络的性能和服务质量，还能增加系统的容量。

加强网络优化，提高网络的运行效率，实现服务水平、服务质量、经营效率以及竞争能力的提高，已成为发展的必然。

移动通信网络优化的目标是尽可能利用系统资源，如系统基础结构和频谱，使系统性能达到最佳。为了测量通信系统的性能，需要一些可以量化的指标对网络进行评估。指标的选择依赖评估者对不同网络性能的侧重。无线网络的性能通常由话音质量、无线覆盖、掉话率、起呼失败率、止呼失败率、系统容量和建筑物穿透率等确定。而CDMA网络还包括误帧率、软切换比率等。优化过程的结果是寻找一系列系统变量的最佳值，优化有关性能指标参数，提高网络质量。本文着重分析掉话方面的基本概念和实例等。一、
掉话的基本概念及掉话机制


掉话定义为在没有经过用户同意的情况下由基站或移动台释放业务信道。掉话率定义为掉话次数与总的通话次数的比率。与接入测试一样，掉话测试应在正常负载条件下测试，收集尽可能多的数据，一般需要大于500次呼叫。通常定义掉话率在5%以下为可接受，具体的目标值可由运营商确定，如联通规定优化目标值为2％。


掉话率是网络运营商最为关注的指标，因其在用户方面的负面影响最为直接。对一个确实的网络，影响其掉话率的因素是很多的：如硬件问题、干扰问题、覆盖问题、切换问题、软件问题、数据库参数、邻区参数等。


掉话率是评估CDMA系统性能的重要指标，移动台侧的掉话机制在标准中已经制定，但在标准中并没有具体规定基站侧的掉话机制的实现，具体实现由各设备厂家来决定。


标准中规定在通话过程中需要移动台与基站之间有闭合的信令交换，即移动台和基站双方对收到的信令必须响应。如果由于某种原因交换失败，移动台就不能正确调整它的发射机，因此重新初始化或返回空闲状态。在功控和软切换过程中也都需要这种信令交换。


移动台的掉话机制主要有三种：


基于坏帧数：移动台在连续收到12个坏帧后停止发射机工作，在5s内连续收到2个好帧后重新激活发射机。


基于移动台定时器：前向高误帧率意味着前向链路正在变差，移动台维持一个衰落定时器，连续收到2个好帧后重置该定时器。如果在定时器期满前不能重置，移动台将重新初始化。


基于基站证实失败：移动台在重发需要证实的消息N1m次(95A中为3，95B中为9)后，如果还未收到基站的证实，移动台将重新初始化。


基站掉话机制主要有两种：


基于坏帧数：由设备商设定，95规范中未明确规定。


基于移动台证实失败：95规范中未明确规定。


二、
掉话原因分析及其优化


1.接入和切换冲突引起的掉话


当移动台在小区覆盖边界发起呼叫时，由于移动台在小区覆盖的边界，即将进行切换。因为IS-95A不支持接入状态下的切换，如果在接入期间移动台移出了服务小区的覆盖区域，在接入过程完成前不能切换到新的小区或扇区，接入过程和切换过程存在竞争，切换过程必须等待。如果接入过程过长，在切换过程完成前呼叫可能已经掉话。


2.切换失败引起的掉话


此类掉话的特征是移动台的发射功率达到最大，移动台的接收功率不断增加，而导频的Ec/Io不断下降，在重新同步到新导频上后又很快增加，TX-GAIN-ADJ的幅度保持平坦。


导频的Ec/Io随着移动台的接收功率不断增加而不断下降说明有新的强导频成为干扰源，应当进行切换。当导频强度降低到-15dB以下时，前向链路的质量严重下降，当前向链路不能成功解调时移动台将关闭它的发射机。因为移动台不再发射信号，反向闭环功控比特将被忽略，TX-GAIN-ADJ（手机发射功率调整）的幅度保持平坦，一般是正的几dB。很高的移动台接收功率将使开环功控过程低估所需的移动台发射功率。


掉话原因有：


1) 切换准许算法引起的软切换失败：如果BS日志显示PSMM消息中有合适的导频且有可用资源，但没有发送包含强导频的切换指示消息（HDM），则是切换准许算法问题。可能的原因有：不允许多于3路的软切换；切换算法不完善；不允许切换到不属于邻集列表中的导频上。


2) 资源分配引起的软切换失败：当进行软切换时，需要向目标基站申请资源。系统必须保证有足够的资源来支持软切换，如果系统的激活用户数很多或由于切换率过高，最终所有的资源都用尽了，从而由于没有可用资源导致切换失败。若为切换呼叫预留过多的资源将导致新呼叫阻塞概率的增高，因此接入控制过程可能不会为切换预留足够的资源，从而导致切换失败。可能的原因有：网络负载过大；切换率过高。可以通过调整切换参数T-DROP、T-TDROP和切换准许算法来解决。


3) 切换信令引起的软切换失败：有了可用的资源，切换准许算法也允许，软切换是否成功还依赖于适当信令消息的及时传输和接收。如果用于切换的信令不完整和及时，也可能导致切换失败。如果基站日志上记录没有接收到包括强导频的导频强度测量消息（PSMM）或延迟很长时间收到PSMM，则是切换信令出现问题。主要原因有：


强的可用导频没有被检测到：移动台向基站报告检测到的强导频，如果移动台检测导频很慢或没有检测到所有的导频，切换就不会及时地进行。若移动台没有发送包括强导频的PSMM或发送的很慢，则是移动台没有检测到强导频。


可能的原因是：搜索窗口太小、T-ADD太高、移动台的导频搜索太慢。


可以调整的参数有：SERACH-WIN-A、SERACH-WIN-N、SERACH-WIN-R、T-ADD、PILOT-INC。


反向链路性能下降（反向FER高）：随着服务导频强度的不断降低，切换信令必须及时地发送。如果反向链路下降得太快，基站将永远不会接收到PSMM，因此导致切换失败。


前向高FER使接收的切换指示消息（HDM）出错或被丢失：如果前向链路降低，移动台可能接收不到切换指示消息，从而导致切换失败。


3．长时前向干扰掉话


长时是指持续时间超过移动台的衰落计时器的设定值。


此类掉话的特征是移动台的接收功率不断增加，而导频强度Ec/Io在不断降低，TX-GAIN-ADJ的幅度保持水平。


随着移动台的接收功率不断增加而导频强度Ec/Io在不断降低，表示在前向链路存在干扰源造成强干扰。当导频强度低于-15dB时，前向链路的质量严重下降，FER增高，不能成功解调。连续收到12个坏帧后，移动台关闭发射机，衰落计时器启动。反向闭环功控比特被忽略，TX-GAIN-ADJ的幅度保持平坦，一般是正的几dB。如果这种情况持续直到衰落计时器期满，发生的掉话称为长时掉话。


4．短时前向干扰掉话


短时是指持续时间不超过移动台的衰落计时器的设定值。


此类掉话的特征是移动台的接收功率在一段时间内不断增加，而后又开始下降，导频强度Ec/Io在一段时间内不断降低，而后又开始上升，TX-GAIN-ADJ的幅度保持水平。


在上面的情况下也说明前向链路有干扰。如果这种情况的持续时间短，移动台的衰落计时器可能会重新初始化，掉话不会发生。如果导频强度在衰落计时器期满前恢复到-15dB以上，但TX-GAIN-ADJ的幅度仍然保持水平，表示移动台的发射机没有启动，衰落计时器仍然在计时。当计时器溢出时，移动台重新初始化。此时称为短时掉话。短时掉话是因为基站的掉话机制比移动台的反应要快，当导频恢复时基站已经停止在业务信道上发射信号。一般来说在这种情况下，移动台会在同一个导频上重新初始化。


产生前向干扰的干扰源有两种：CDMA的自干扰和外部干扰。


CDMA的自干扰—如果移动台马上在另外一个导频上进行初始化，那么掉话是因为切换失败，这是前向链路干扰造成掉话的最普遍的情况。解决的方法是优化邻集列表，把强导频加入邻集列表，但要保证邻集列表长度不超过限制。


外部干扰—如果移动台掉话后进入长时间的搜索模式（超过10s），造成很高的FER，从而导致掉话。此时干扰源不可能是CDMA系统中的可用导频信号。优化方法是检测前向频谱，找出干扰源并消除，保证频谱可用于CDMA系统。


5．前反向链路不平衡导致的掉话


此类掉话的特征是移动台的发射功率达到最大，移动台的接收功率和导频的Ec/Io基本保持不变，TX-GAIN-ADJ的幅度变得平坦。


由于导频强度很高，意味着前向链路很好；移动台的发射功率却已经调整到最大，说明反向链路很差。这两项指标说明存在前反向链路的不平衡，经过一定的时间，基站将放弃反向业务信道，并且停止发送前向业务信号。此时移动台的前向业务FER变得极高，很快会关闭发射机，参数TX-GAIN-ADJ的幅度变得平坦。


出现此情况的原因有：


反向链路阻塞：例如存在微波发射机等强反向干扰。


导频信道增益过高：可以调整的参数：降低导频发射功率，使导频信道和业务信道覆盖平衡；可以减小天线增益或调整天线方向角，缩小覆盖区，从而减小反向干扰，但可能造成其它区域的覆盖问题；可以增加新的基站或直放站。由于郊区往往使用较高增益的天线，导频信道增益过高更易于发生。导频信道增益过高时，手机信号显示较佳，但是会出现无法进行拨打接听电话，及通话质量较差。


6．长时覆盖不好造成的掉话


此类掉话的特征是移动台的发射功率达到最大，移动台的接收功率和导频的Ec/Io不断降低，TX-GAIN-ADJ的幅度保持平坦。


由于导频强度Ec/Io与移动台的接收功率同时下降，并且移动台的发射功率达到最大，说明前反向链路都不好。当导频强度低于-15dB时，前向链路的质量严重下降。当前向链路不能成功解调，移动台关闭发射机，反向闭环功控比特被忽略，TX-GAIN-ADJ的幅度保持平坦，大致范围一般在0~-10dB的范围。如果这种情况持续时间很长（一般超过5s），移动台的衰落计时器期满，移动台将重新初始化，初始化可能会要很长的一段时间手机才能重新找到网络。


7 短时覆盖不好造成的掉话


此类掉话的特征是移动台的发射功率达到最大，移动台的接收功率和导频的Ec/Io在一段时间内不断降低，而后又不断增加，TX-GAIN-ADJ的幅度保持平坦。


如果这种情况出现时间很短（小于5s），若移动台的衰落计时器在掉话之前重置，此时不发生掉话。若导频强度在短时内恢复到门限以上，但TX-GAIN-ADJ的幅度仍然保持平坦，说明移动台的发射机并没有重新启动，衰落计时器仍然在继续倒计时，期满时发生掉话，移动台重新初始化。这种情况是因为基站的掉话机制比移动台的反应快，当导频恢复时基站已经停止在业务信道上发射信号。


8 业务信道发射功率受限造成的掉话


此类掉话的特征是移动台的发射功率、移动台的接收功率、导频的Ec/Io和TX-GAIN-ADJ的幅度都基本保持不变，但移动台的发射功率未达到最大，移动台的接收功率和导频的Ec/Io也在门限以上。


前向业务信道的功率分配值和反向业务信道Eb/Io的设置值都在一定的限制范围内，如果这些参数的最大允许值设置为很小的值，业务信道可能不能发送足够的功率来保持通信链路，导致掉话。即使在导频的Ec/Io可接受的情况下也可能发生。


闭环功控分为内环和外环功控两部分，目的是使BS能够在保证一定接收质量的前提下，让MS以尽可能低的功率发射信号，以减小对其它用户的干扰，提高容量。


内环功控就是BS接收MS信号，将其与一闭环门限相比，如果高于该门限，向MS发送“降低发射功率”的功率控制指令，否则发送增加发射功率的指令。


外环功控就是BS根据所接收到的反向业务信道误帧率的变化，对闭环功控门限Eb/No进行调整。FER有一定的目标值，由于多径信道的变化，反向FER和闭环门限没有一一对应的关系，为了达到FER的目标值，需要动态调整闭环门限Eb/No。当实际接收的FER高于目标值时，BS就需要提高内环门限，以增加MS的反向发射功率；当实际接收的FER低于目标值时，BS就适当降低内环门限，以降低MS的反向发射功率。


前向链路首先失败：由于导频强度和移动台的接收功率都在门限之上，TX-GAIN-ADJ的幅度在5s内保持平坦，之后移动台重新初始化。这表明前向业务信道能量不足，使移动台不能成功解调而关闭了发射机。而移动台在同一个导频信道上初始化明确地表明掉话的原因是前向业务信道的信号太弱。解决方法是增大前向业务信道最大发射功率，保证前向业务信道和导频信道的覆盖平衡。但这会增加邻近小区的前向干扰，需要测试邻近小区的前向覆盖。


反向链路首先失败：基站设置的反向业务信道Eb/No目标值是反向信道的一个限制，外环功控不合理会导致反向链路的发射功率不足。当基站所接收到的反向业务信道的能量达不到一定的值，基站将掉话，中断前向业务信道，现象与前向链路首先失败相同。


三、实例分析


实例一：


本次掉话发生于某市区路测过程中，手机在09:59:28.508起呼，导频为PN48，09:59:31.842收到基站的信道指配消息，09:59:33.278完成起呼进入通话状态，在10:00:05.150同步到PN48。从信令上看，在发生掉话前手机一直发送功率测量报告消息和多次导频测量消息，但导频测量消息中只有1个导频PN48，导频的Ec/Io为-17.5dB，说明前向链路覆盖不好，但没有其它导频可切换。从物理信号图上来看，在掉话前手机的接收功率为-58.5dBm，手机的发射功率为3.8dBm，FER=100%，Ec/Io=-24.6dB，说明是前向覆盖不好而导致前向误帧率非常高，从而引起掉话。从导频测量图上看，邻集中可以搜索到7个导频，但Ec/Io在-18dB~-20dB之间。它的物理信号和导频测量截图见图1和图2。





根据以上情况，说明此处是弱导频区域，Ec/Io较差，因此是前向覆盖不好导致FFER高，最终产生掉话。


应通过调整天线角度等方式进行网络调整，使此区域有一个强导频覆盖，以保证正常通话。


实例二：


本次掉话发生于某市区路测过程中，手机在10月24日11:18:11.228起呼，导频为PN364，11:18:11.983收到基站确认消息，11:18:12.5638收到基站的信道指配消息，
在11:18:29.215同步到PN272。从信令上看，手机在掉话前一直在发送功率测量报告消息和导频强度测量消息，导频强度测量消息中有2个导频，有最高Ec/Io（-15.5dB）的导频为PN392，从系统参数消息中可知T-ADD=26，即-13dB，因此基站没有发送切换指示消息，说明前向链路不好。从物理信号图上来看，在掉话前手机的接收功率为-82.1dBm，Ec/Io=-24.6dB，从功率测量报告消息中可以看出前向误帧率非常高，也说明前向链路不好。由于手机的发射功率达到最大，说明反向链路也不好。因此掉话是由于覆盖不好而引起的。





这种掉话原因是最常见的一种，应通过增加基站或直放站改善覆盖来解决。


实例三：


本次掉话发生于某直放站附近，测试车辆由北向南行驶，移动台在14:00:59.49起呼，发送两个探帧后，14:01:02.18完成起呼进入通话状态，测试中发现直放站反向链路很差，此处手机TX基本达到最大，接收信号电平尚可，分析信令发现移动台不停发出导频测量消息，而弱的反向链路使得切换失败，最终产生掉话。其相应信号截图见图3、图4。





此次掉话距直放站较近，结合在其它测试项目中多个相近实例，发现在一些直放站覆盖范围内，因为反向信号衰减较大，反向链路相对较差，使得通话质量变差，甚至掉话。


此时应该通过调整直放站的上下行增益平衡（注意对施主基站的底噪注入）、适当调大施主基站的反向接入搜索窗口等方法以改善前、反链路不平衡，减少产生掉话现象。


实例四：


本次掉话发生于某次在某较大城市路测过程中，掉话前误帧率较高。本次通话中，移动台于16:25:52起呼，在16:25:43完成起呼进入通话状态，16:25:58连续发送导频强度测量消息，第一次的导频为PN8、PN343、PN376、PN204和PN372，第二次的导频为PN8、PN344、PN376、PN204和PN372等等，发射功率从-50dBm左右增加到-6.9dBm，而接收功率一直在-70dBm左右，合并Ec/Io也一直在-11dB左右，误帧率较高，超过25%。从导频测量图中看到，激活集中已有3个导频，邻集中另有几个导频的Ec/Io也较高。从地理位置上看，该处处于市区中一块较为开阔的区域（公园附近），周围基站较多。此次掉话的原因是前向干扰很大，存在导频污染，导致产生掉话。


应相应调整各相关扇区，通过调整天线角度等方式，使主导频突出，抑制部分导频对该地域的覆盖，消除导频污染。


实例五：


本次掉话发生于在测试某条国道的连续覆盖时，通过观察掉话前手机的导频信号图（图6）和接收机的导频扫描图（图5），发现这两幅图存在一定差别：






在以上两幅图中，接收机扫描所有空中接口的信息，所以扫描出来的导频数量较多，移动台主要根据服务导频的邻集列表消息进行neighbor set的扫描，对于上面这两幅图的较大差异，我们首先怀疑是邻集列表做的不完整，但经检查其并没有遗漏该地区的邻集导频。查看信令消息发现掉话前PN276的SID与掉话后同步的PN318的SID不相同，说明PN318来自另一个业务区，在PN276的邻集列表里面没有PN318数据。PN276的搜索窗分别为:SRCH_WIN_A=6 SRCH_WIN_N=8 SRCH_WIN_R=2，
边界基站SRCH_WIN_R设置的较小，


掉话原因是手机无法检测到另一个地市发射过来的强信号，不能及时切换，最终导致掉话发生。


实例六：


本次掉话发生于某大城市市区，测试车辆沿某街道由南向北行驶，对于此次掉话，手机在13:26:58起呼，在掉话之前通话处于PN252 和PN 340的软切换状态。前向链路的高FER引起掉话：
在T5m(5)秒种之内手机没有收到连续N3m(2)个好帧。从该区域附近基站数据分析，本市有两个厂商提供CDMA网络服务，经核实，厂家甲基站C023和另一厂家乙基站C085具有相同的PN设置，都有一个扇区的PN为340。而PN252来自厂家甲基站C183，因此该服务导频340应是来自厂家甲基站。


此次测试掉话发生于网络初开通不久，厂家之间协调还没有完善，不远处的厂家乙基站C085的相同PN340构成了一个强的干扰信号，引起前向链路的高误帧率进而引起掉话。


可重新规划附近的PN码分配。相同PN信号的干扰问题主要是由于两厂商设置了相同PN的基站相距太近或者由于高楼的发射造成的。建议协调两厂商的PN设置，尽量避免距离太近的基站采用相同的PN设置，并控制好覆盖。


实例七：


本次掉话同样发生于某大城市市区，测试车辆沿某街道由南向北行驶。手机在13:29:58起呼，信道指派消息（ChannelAssignment Message）在13:29:59收到，随后进入通话状态。一开始服务导频为PN104（来自厂商甲基站），随着车辆移动，该服务导频逐渐变弱，在13:30:15手机发出PSMM消息报告一个强导频PN340（来自厂商乙基站）。而且基站有送ACK表示收到了PSMM。然而基站始终没有送 HDM消息，发生硬切换失败。因此掉话原因是因为硬切换失败，导致链路恶化，最终由于前向信道衰落超时发生掉话。


对于硬切换失败，主要原因是两厂商采用相同的频率，造成硬切换区域前向链路的干扰太强，一方面，本身系统处理硬切换的时间要求较长，往往手机还未得到系统的切换指示消息就由于前向业务信道衰落超时而掉话；另一方面，即使系统已经发出切换指示消息，由于前向信道的恶化，手机也不能及时正确地解调出来，最终产生掉话。短期的解决办法是控制好硬切换区的无线覆盖，尽量减少硬切换发生的概率。将来最终的解决方法可能是实施不同厂商系统之间的软切换。


实例八：


本次掉话发生于对某市区路测过程中，掉话前前向误帧率明显升高，由于前向业务信道变弱超时发生掉话。根据PN SCANNER的扫描结果发现，掉话前主导频为PN147，但此时PN258明显强于主导频，见示意图7，经检查发现PN258并不在主导频所在小区的邻集列表中。





导频258不能作软切换而成为强的干扰信号，虽然此时接收功率较高－60dB，但移动台接收到的有效导频强度很低，造成该区域FFER过高，引致掉话。


解决办法视具体情况而定，如果该干扰导频确实在服务基站附近，通过简单修改邻区列表即可解决；如果该干扰导频来自较远地方的基站信号，可通过适当修正该基站的覆盖区域（方位角，高度等）来解决。


实例九：


本次掉话发生于某丘陵地区的一条主要道路上，测试车辆由北向南行驶，通话过程中，通过测试软件面板观察，各物理信号尚可，其主导频为PN219，掉话前，其Ec/Io逐渐降低，信号恶化，最终产生掉话。


对此掉话，从各物理信号表现来看，我们首先是怀疑已超出基站覆盖区，属于弱覆盖掉话。但测试中随后发现，掉话后，移动台很快同步于一个不同的导频PN282，并可以在此导频上重建通话。据此我们判断可能是漏作邻域关系，经检查当时主导频的邻集列表，发现后来同步的导频PN282已经在其邻集列表中。查看手机导频扫描图发现手机没有检测到邻集中的该导频，在地理位置显示图上发现PN282所在基站为一高山站，距离掉话时手机位置较远，如图8示意图所示。查看信令中的系统信息，SRCH_WIN_N=7，经计算，小区间的距离比邻域集合搜索窗口大。





手机因邻域搜索窗口太小无法检测到邻域信号，因此无法请求切换，导致掉话产生。


适当调大SRCH_WIN_N值，保证手机能够搜索到邻域信号，顺利切换，减少掉话。


四、结束语


单个事件失败的原因分析是很复杂的事情，有时候需要许多工程实际的经验，同时多种数据来源可以更加准确地定位错误。一般来说，如果检查路测结果发现某个地域范围或时间范围内某种事件失败频繁发生，就有必要对这种事件失败原因进行分析，以确定对系统参数的调整。


网络优化工作是一种持续性的工作，要不断地对正在运行的网络进行优化。在网络运行初期，由于用户数较少，需要通过路测进行优化，这种过程一般需要重复多次。随着用户数的增多，还应该充分考虑网络维护中心记录的各种数据对网络进行优化。这种连续不断的优化工作对CDMA移动通信系统尤为重要，因为CDMA移动通信系统是干扰受限的通信系统，随着用户数量的不断增加，网内的各种干扰随之增加，并且外部环境也在不断变化，因此需要不断修改某些网络参数以保证网络在各方面有较好的性能。