稳定的码分多址软切换 软切换是码分多址(CDMA)技术较之其他的用于无线通信系统的多址技术的最大优点之一，因为它能给从一个小区横过至另一小区的移动电话提供平稳和无缝的过渡。切换一般包括由基站连续处理呼叫以便在移动电话由一小区横过至另一小区时保持呼叫活动。软切换是一个状态，在此状态中一移动电话与多个基站同时保持着无线链路。参看图1，表示一无线通信系统10用两个基站用软切换处理一呼叫的图。如图1所示，到移动电话11的发送，即前向链路，在软切换中是由基站12，14同时参加进行的。类似地，从移动电话11的发送，即反向链路，在把它们适当地在公共帧处理器15中组合起来并经过移动交换中心(MSC)16送到公共交换电话网络(PSTN)17之前由基站12,14处理(解调)。这使得移动电话11可以从一基站覆盖区移动至另一基站覆盖区而没有用户可发觉的通信中断-即在小区之间的过渡是平稳和无缝的。
在基于IS-95的CDMA无线通信系统中，当移动电话从邻近基站检测到具有信号强度超过阈值T_ADD的导频信号时，移动电话(在打电话的该移动电话)初始化软切换。检测到此导频信号，移动电话发送一指示检测到候选基站的导频强度量测消息，候选地基站是具有超过阈值T_ADD的导频信号强度的邻近基站。具体地说，在“带内”在反向业务信道(即反方向的业务信道)上将导频强度量测消息传送到包括主要的基站以及零个或多个次要的基站的一组基站(这里指的是活动组基站)-即在被所有活动基站收听(即解调)的反向业务信道上传送导频强度量测消息。
接收导频强度量测消息的所有的一组活动基站解调此消息并向公共帧处理器15发送此消息，在公共帧处理器15处将(解调的)导频强度量测消息结合起来以得到单个消息。接着，将(结合的)导频强度量测消息送到呼叫处理器(CP)18，它是一个处理如导频强度量测消息那样的信令消息的单元。注意帧处理器和呼叫处理器通常位于主要的基站或MSC，此技术已熟知。CP接到导频强度量测消息后就着手建立为完成软切换所需的网络连续。具体地说建立网络接续包括在CP、候选基站和无线通信系统的地面网络基础设施之间传送消息以及在候选基站和帧处理器之间建立链路。一般CP向候选基站发送一消息，请求将一新的前向方向业务信道(即前向业务信道)指配给移动电话使其能与该候选基站通信，并通知候选基站被移动电话反向使用的业务信道(因此候选基站知道应当收听哪个反向业务信道)。同时，CP与地面网络基础设施互相作用以便在候选基站和帧处理器之间建立链路(使得在候选基站和帧处理器之间能有合适的消息路由)。
一旦建立了网络接续并且由候选基站指配了(用于与移动电话通信的)前向业务信道，CP向活动基站发送切换命令消息的拷贝，它是一命令移动电话将候选基站加到活动组上并通知移动电话候选基站指配了哪个用于与移动电话通信的前向业务信道。此外，完成了建立网络接续，候选基站在新的指配的前向业务信道上开始传送呼叫-即，候选基站在新的指配的前向业务信道上传送前向链路传输的拷贝，并解调移动电话的反向链路传输(并将其送至帧处理器)。
一旦候选基站(被移动电话)加到活动组中，候选基站成为一个次要的基站-即，移动电话除了收听那些已经在移动电话活动组中的所有其他基站以外现在要收听该候选基站。假设主要的基站和前一个候选基站(现在为次要基站)是移动电话的活动组中仅有的基站，移动电话将与这两个基站通信直至在移动电话上量测到的一个基站的导频信号强度在TT_DROP的一段时间内降至低于阈值T_DROP。出现此情况时，移动电话向活动组基站发送一指示检测到弱的基站的“带内”导频强度量测信息，即在活动组中哪一个在TT_DROP的一段时间内具有低于T_DROP的导频信号强度。接下去无线通信系统使用此导频强度量测消息使弱基站“退出”呼叫并从活动组移出-即弱基站和移动电话停止互相通信。
在快起伏衰落条件下，如由于建筑物阻挡，急速的地势变化，运动的速度等引起的那些情况，现场测试显示出CDMA软切换的成功率大大降低。此成功率的很大的降低主要是由于在网络接续建立时与消息发送有关的延时。具体地说，从移动电话(向活动组基站)发送导频强度量测信号的时间至活动组基站(向移动电话)发送切换指令消息的时间内，移动电话可能移动至一新的位置，在该处活动基站和移动电话之间的前向业务信道的信噪比大大降低，因此抑制了移动电话接收切换命令消息的信噪比大大降低。网络接续建立时间越长，移动电话转移到切换命令消息的信噪比大大降低的位置的概率就越大。在快起伏衰落条件下，此概率进一步增加。
(切换命令消息的)信噪比的显著降低一般是由于移动电话在网络接续建立过程中移动到一位置，该处新的障碍如一建筑物位于沿切换命令消息(从发送的活动组基站至移动电话)路径的方向，或是在该处候选基站发送的信号以很高的电平被接收，增加了对切换命令消息的总干扰电平例如接近候选基站而远离活动基站组的位置。
减轻此问题的一种途径是减小完成网络接续建立所需要的时间。这就减小了移动电话在建立网络接续过程中所移动的距离，从而减小了移动电话移动到(切换命令消息的)差的信噪比的位置的概率。但是，由于硬件和现有的无线通信系统的网络基础设施通信资源的限制，此方案难于实现。因此，存在着增加使用现有的无线通信系统的网络基础设施的软切换成功率的需求，特别是在快起伏衰落条件下。
本发明是使用指配给移动电话的用于与活动组基站通信的前向业务信道来增加软切换成功率的一种方法，特别是在快起伏衰落条件下。在本发明的一实施方式中，除活动组基站之外用候选基站来将切换命令消息传送到移动电话上来达到增加软切换的成功率的目的。具体地说，本实施方式中，由活动组基站在已经指配给移动电话用于与活动组基站通信的前向业务信道上和由候选基站经过模拟(simulate)指配给移动电话用于与活动组基站之一(如主要基站)通信的前向业务信道的装置来传送切换命令消息。例如，在CDMA无线通信系统中，候选基站使用调制方案，一对伪噪声序列，伪噪声序列相移，以及与被主要基站使用来与移动电话通信的前向业务信道有关的沃尔什函数来传送切换命令消息。在本发明的此实施方式中，候选基站也使用主要基站的导频信道来传送(带有切换命令消息的)导频信号来使移动电话能对(由候选基站来的)切换命令消息进行相干解调。由候选基站传送切换命令抵消了引起软切换失败的某些主要原因，如在移动电话和活动组基站之间的新障碍和由于从候选基站传送的信号增加的干扰。利用现有的无线通信系统的网络基础设施可以方便地实现本发明。
从下面的叙述，所附的权利要求书，和附图能更好地理解本发明的特征，方面及优点，附图中：
图1描述在软切换中用两个基站处理呼叫的无线通信系统的图；
图2描述一个根据本发明的一实施方式横过无线通信系统覆盖地区范围的移动电话；
图3a和3b描述使用沃尔什函数，一对具有规定的相移的扩频序列，以及唯一地识别传送编码语音信号b1(t)的前向业务信道的调制方案的基站和移动电话的简图；
图4描述装有根据本发明的一实施方式使用的RAKE接收机的移动电话功能方框图；
图5和图6描述说明使用图4的移动电话和图2的无线通信系统软切换处理的流程图；以及
图7描述根据图5和图6的流程图的步骤软切换的一个例子。
参考图2，表示根据本发明的一实施方式移动电话5横过一无线通信系统21覆盖地区范围20。如图2所示，将覆盖地区范围20分成多个小区22-1，……，7，再进一步将小区分为A，B和C扇区。小区22-1，……，7中的每一个有一个相关的为该小区提供无线通信业务的基站24-1，…，7。基站24-1，…，7中的每一个连接到移动交换中心(MSC)26上，MSC连接到公众电话交换网络(PTSN)28上。有关基站，移动交换中心和公众电话交换网络的技术是熟知的。
在各种通信信道上(从/到基站)传送信号完成在无线通信系统21和移动电话26之间的通信。这些信道包括为传送声音(或数据)信号的业务信道，和为传送导频信号的导频信道，其中导频信号主要用于功率测量(开始呼叫建立，切换等)并允许移动电话完成对业务信道信号的相干解调。技术上对业务信道和导频信道已熟知，并且这些(和其他的)信道的定义方式依据无线通信系统的具体实现过程而确定。
为了讨论，这里就使用基于熟知的IS-95无线通信系统标准的码分多址(CDMA)技术的无线通信系统和移动电话进行讨论。对于一般技术人员来说，很明显本发明同样可以适用于使用其他CDMA技术(如基于ANSIJ008标准的)或那些使用其他类型的多址技术，如时分多址(TDMA)，频分多址等技术的类似的无线通信系统。
在IS-95标准中，结合调制方案，扩频序列，扩频序列相移和短序列来确定业务信道和导频信道。具体地说，IS-95在一规定的频率范围里使用调制方案来识别特定的无线通信系统，这里，一对(同相和正交)扩频序列指的是具有不同相移的伪噪声(PN)序列PN(I)和PN(Q)以识别特定的基站(例如对于基站14-1是PN(I)-1和PN(Q)-1，对于基站14-2是PN(I)-2和PN(Q)-2等)，而这里一组短序列指的是正交沃尔什函数(如W0,W1……)以识别基站在其上传输信号的特定的信道。在一实施方式中，无线通信系统中的每个基站(IS-95标准的CDMA)使用同一调制方案，同一对PN(I)和PN(Q)但有不同相移(以区别各个基站)，和同一组沃尔什函数(以在同一基站中区分各个信道)。
参考图3a和3b，表示使用一个沃尔什函数，一对具有规定的相移的扩频序列(PN(I)-j和PN(Q)-j)(这里j表示与基站30有关的相移)，以及用来唯一地识别在其上传输编码声音信号b1(t)的前向业务信道的调制方案的基站30和移动电话32的简图。如图3a所示，基站30用沃尔什函数W0,W1…WM-1分另对导频信号b0(t)和编码的语音信号b1(t),…bM-1(t)相乘以产生输出信号X0(t),X1(t),…,XM-1(t)。然后每个输出信号X0(t),X1(t),…,XM-1(t)分别被一对PN序列PN(I)-j和PN(Q)-j相乘以产生一对“码片流”X0(I)(t),X0(Q)(t),X1(I)(t),X1(Q)(t),…XM-1(I)(t),XM-1(Q)(t)。然后在所有“同相”(I)流，如X0(I)(t),X1(I)(t),……,XM-1(I)(t)加在一起形成结合的同相输出X(I)(t)和所有“正交”(Q)流，如X0(Q)(t),X1(Q)(t),……,XM-1(Q)(t)加在一起形成结合的正交输出X(Q)(t)之前将这些码片流滤波和适当地放大。然后分别用组合的输出X(I)(t)和X(Q)(t)调制同相和正交的载波Cos(ωct)和Sin(ωct)。得到的信号相加起来(以得到Z(t))并经天线由基站30发送出去。因此，用一对扩频序列PN(I)-j和PN(Q)-j，沃尔什函数W1和载波Cos(ωct)和Sin(ωct)规定的前向业务信道传送编码的语音信号b1(t)。比较起来，在用相同的一对扩频序列PN(I)-j和PN(Q)-j，相同的载波信号Cos(ωct)和Sin(ωct)，但不同的沃尔什函数W0确定的导频信道上传送导频信号b0(t)。
在基站30覆盖范围内的移动单元，如移动电话32，接收包括Z(t)信号加上由于各种因素产生的一些干扰信号的信号Z’(t)。为了得到原始的编码的语音信号b1(t)，象这里要说明的，移动电话32必须能解调对应的前向业务信道。如图3b所示，在移动电话32，用本地产生的载波信号Cos(ωct+φ)和Sin(ωct+φ)将接收的信号Z’(t)的频率移至基带。从得到的基带信号Y(I)(t)和Y(Q)(t)，导频信道信号和前向业务信道信号(即分别用导频信号b0(t)和编码的语音信号b1(t)调制的信号)被(用滤波器34)滤波并使用与基站30有关的扩频序列PN(I)-j和PN(Q)-j和沃尔什函数的适当组合(即在这种情况下对导频是沃尔什函数W，而对业务信道是沃尔什函数W1)(用解调器33)解扩频。使用扩频序列PN(I)-j和PN(Q)-j来解扩频滤波信号抑制了由于在同一无线通信系统的其他基站传送的信号引起的干扰，从而提高了从想要的基站30传送的信号(在移动接收机上)的质量。使用正交沃尔什函数区分不同的业务和开销(如导频)信道使得由于同一基站30发送到同一覆盖范围内的其他用户的信号引起的干扰减至最小。
具体地说，在一实施方式中，解调器33包括两部分：一部分解扩频导频信道上的信号(即导频信道信号)，另一部分扩频想要的业务信道上的信号(即业务信道信号)。如图3b所示，通常把每个解扩频的导频信道信号对n个符号取平均以抑制噪声(如， П(I)和 П(Q))然后被用来相干解调解扩频的业务信道信号(如τ(I)和τ(Q))来产生解调的信号b1’(t)。然后把信号b1’(t)送到软判决维特比解码器(未画出)以提取语音信号b1(t)。注意这些技术已熟知了。
图3a和3b描述的例子假设传送信号Z(t)通过单一路径到达移动电话32。但是，从基站发送的信号通常通过几个路径到达移动电话-即单个发送的信号可能经过不同路径作为多个信号到达移动电话。这些信号在技术上叫多径信号，包括视距信号和非视距信号，如技术上已知的术语。为补偿可能的信号降级，基于IS-95的移动电话分别解调几个多径信号然后将它们结合起来以产生一净总输出，即得到单个强的信号。在一实施方式中，移动电话包括熟知的RAKE接收机用来分别解调(被移动电话接收的)多径业务信道信号然后将这些信号结合起来形成一个强的输出信号。此外，当移动电话用多个基站来软切换时，如这里要说明的，RAKE接收机能对从任何多个基站结合接收的强的多径信号分别进行解调，并且随后把它们组合起来以产生单个输出信号。
参考图4，表示一安装有根据本发明的一实施方式使用的RAKE接收机的移动电话40的功能方框图。如图4所示，移动电话40包括一用于接收多径信号Z1’(t),Z2’(t),…,Zn’(t)的天线41和一用于处理多径信号以产生单一输出信号B(t)的RAKE接收机43。在一实施方式中，RAKE接收机43包括一搜寻器44，一控制器45，多个分支46-1,…,3及一加法器47，技术上对这些都很熟知。注意分支基本完成如图3b解调器33相同的功能。具体地说，分支是一个能独立地锁定在不同的多径信号上并且时移多径信号来抵销(account for)路径延时的解调器。
如图4所示，工作时天线41接收从无线通信系统的一个或多个基站发送的多径信号Z1’(t),Z2’(t),…,Zn’(t)。然后搜寻器检测接收的多径信号Z1’(t),Z2’(t),…,Zn’(t)以确定它们是否是从特定的基站发送出来的并且估计它们在移动电话上的强度。具体地说，搜寻器44在多径信号Z1’(t),Z2’(t),…Zn’(t)中检测导频信号以确定多径信号是从活动组基站还是从邻近基站发送出的，并估计导频信号的强度。记住，活动一组基站是与移动电话通信(即从其上解码消息和传送消息至其上)的基站，并且包括一主要基站(即带有用于移动电话呼叫处理的命令控制)以及零个或多个次要基站(即，除了主要的基站之外参加软切换的基站)。对比起来，邻近的基站是与主要的基站邻接的一般不与移动电话通信的基站。活动一组和邻近的基站在由主要基站提供给移动电话的邻近表即一个邻近基站的表中表示。
在一实施方式中，搜寻器44在已经知道活动组和邻近的基站在那里传送的“搜寻窗”中在扩频(或PN)序列相移附近连续检测导频信号(即设法锁在导频信号上面并量测导频信号的强度)。搜寻器记录实际检测到导频信号处的相位和对应的信号强度。注意在基于IS-95的CDMA无线通信系统中，每个基站配置得用同一对扩频序列组但用不同相移来传送其导频信号。因此，如技术已熟知的，可用扩频序列的相移(在移动电话接收机上)来识别发送的基站。
为搜寻器检测到的导频信号所记录的相移及对应的信号强度被发送到控制器45，控制器(根据搜寻器送来的量测)命令分支46-1,…,3单独地处理三个最强的活动组(多径)信号，即从活动组基站发送的信号，以得到想要的信号。注意这些活动组多径信号被分支46-1,…,3以类似于说明过的图3b中解调器33对信号Z’(t)的方式单独地处理。具体地说，这三个最强的活动组(多径)信号被相干解调，时移(以抵销不同的路径延时)然后由加法器47合在一起以产生单一输出信号B’(t)。
RAKE接收机的主要优点之一是使移动电话具有在呼叫过程中同时对从一个以上基站接收的信号进行解调的能力。此功能使无线通信系统和移动电话能完成软切换。参考图5和图6，分别表示根据本发明的一实施方式结合上面叙述的无线通信系统和移动电话从移动电话和(网络)基础设施看来的软切换过程的流程图50和60。在图5和图6两图中假设移动电话在呼叫，即与其活动组中的一个或多个基站在通信。当移动电话在呼叫时，它的搜寻器在控制器命令下连续搜索接收的(多径)信号-即在510步，控制器命令搜寻器在搜寻窗内在与活动组或邻近的基站相关的(额定的)相移附近完成导频强度测量。在520步，搜寻器完成测量并将检测到导频信号的相位和对应的信号强度报告给控制器。
如果测量涉及从活动组基站来的多径信号，在530步控制器使用这些量测值来更新其对于从移动电话的活动组接收的最佳多径的估计值。在535步，控制器根据合适的更新的估计值作出新的RAKE接收机分支(finger)指配-即控制器命令分支之一对当前多径信号进行解调-如果它是从活动组基站来的三个最强的(多径)信号之一的话。另一方面，如果量测与移动电话的邻近一组基站有关(即邻近表的基站不在活动组中)，在540步，控制器用此量测进行阈值比较(如将量测的导频强度与T ADD相比较)且如果超过有关的阈值，控制器准备导频强度量测消息然后将此消息在带内在移动电话的反向业务信道上发送(560步)。在550步或560步之后，循环重新开始。
如图6所示，在无线通信系统中，当导频强度量测消息到达帧处理器时，在605步帧处理器将此消息送到呼叫处理器(CP)，随后CP开始建立必要的网络接续。具体地说，在610步呼叫处理器发送一消息至候选基站，通知候选基站移动电话的反向业务信道并请求候选基站指配一前向业务信道以便与移动电话通信。在620步候选基站指配(在候选基站由沃尔什函数识别的)业务信道用来与移动电话通信，并发回一消息给CP通知指配的前向业务信道的标识。当执行610步，620步和630步时，在635步，CP也与地面网络基础设施互相作用以便在帧处理器和候选基站之间建立链路(使候选基站和帧处理器之间能有合适的路由)。一旦完成了建立(即完成了635步和630步)，在640步，CP准备HANDOFF DIRECTION消息并经过帧处理器将此消息的样本发送到所有的活动基站和候选基站。CP也将指配给移动电话的主要的基站的前向业务信道通知候选基站，即被主要的基站用来与移动电话通信的前向业务信道的PN序列的相位和沃尔什函数。如这里要讨论的，在650步，所有的活动组和候选基站以同步方式传送HANDOFF DIRECTION消息。接收到此消息，移动电话把候选基站放在自己的活动组中并且除了与已经在其活动组中的所有的基站通信以外开始与候选基站(现为次要基站)通信。
在本发明的一实施方式，在650步，由活动组基站的每一个在(分别由活动组基站的每一个)指配用来与移动电话通信的前向业务信道上在带内传输“HANDOFF DIRECTION”消息而候选基站使用被主要基站(或次要基站)指配用来与移动电话通信的前向业务信道。这意味着为传输“HANDOFF DIRECTION”消息，候选基站将使用被主要基站用来与移动电话通信的主要基站的PN序列相移和沃尔什函数。为使移动电话在接收HANDOFF DIRECTION消息时能完成相干解调，候选基站至少在HANDOFF DIRECTION消息期间也使用与主要的基站相关的相移发送导频信号。在一实施方式，应当(由候选基站)在传送HANDOFFDIRECTION消息几帧以前传送此导频信号以使移动电话检测此导频信号的存在作为新的多径信号。
在现在的CDMA无线通信系统中，只用活动组基站发送HANDOFFDIRECTION消息给移动电话。在快起伏衰落条件下，由活动组基站传送的HANDOFF DIRECTION消息可能没被移动电话接收到。这一般是由于在HANDOFF DIRECTION消息路径上(在活动组基站和移动电话之间)新的障碍和由于从候选基站传送的信号增加的干扰。采用候选基站在模拟的主要基站业务信道上传送HANDOFF DIRECTION消息是方便的，本发明防止了引起软切换失败的某些主要原因。候选基站(通过主要基站使用用来传送信号至移动电话的业务信道)传输HANDOFFDIRECTION消息等效于(与活动基站传送该同一消息一起)有意的造成另一个从候选基站的同时联播路径。移动电话将如同是经过主要基站的另一条多径到来的一样观察到候选基站的HANDOFF DIRECTION消息。这就增加了HANDOFF DIRECTION消息被移动电话正确接收的概率，从而增加了软切换的成功率。
参看图7，表示由图2的移动电话25根据流程图500和600的步骤完成的软切换的一个例子700。此例中，假设移动电话25在无线通信系统21中由位置P1移动至位置P2至位置P3。如图7所示，在位置P1，基站24-4是移动电话25的主要基站(并且是活动组中唯一的基站)，它用前向业务信道(MPWCS,PN(I)-3,PN(Q)-3,Wi)进行呼叫，其中MPWCS表示无线通信系统21的调制协议，PN(I)-3和PN(Q)-3表示与主要基站24-4相关的一对(同相和正交)扩频序列，Wi表示主要基站24-4用来与移动电话通信的沃尔什函数i。注意主要基站用导频信道(MPWCS,PN(I)-3,PN(Q)-3,Wo)来传送其导频信号，其中Wo表示主要基站24-4指配来传送导频信号的沃尔什函数。还注意移动电话在位置P1不检测任何邻近基站的超过阈值T_ADD的(多径)信号。
移动电话25到达位置P2将检测由基站24-3来的超过阈值T_ADD的(多径)信号。此时基站24-3成为候选基站。移动电话发送一导频强度测量消息至活动组基站，即基站24-4，指示检测到候选基站24-3。主要基站24-4将此导频强度测量消息(经过帧处理器)送到呼叫处理机构，然后呼叫处理机构开始建立需要的网络接续。
同时，在网络接续建立的同时，移动电话移动到靠近候选基站的位置P3(移动电话在该处试图接收来自主要基站的信号时要到由于从候选基站传送信号增加而导致的干扰)。完成建立网络接续后，主要的和候选基站在同一业务信道上(MPWCS,PN(I)-3,PN(Q)-3,Wi)与在导频信道上(MPWCS,PN(I)-3,PN(Q)-3,Wo)传送的导频信号一起传送HANDOFF DIRECTION消息。移动电话将候选基站的HANDOFF DIRECTION消息认为是主要基站的多径信号，并且如果候选基站的HANDOFF DIRECTION消息是较强(多径)信号之一的话，移动电话将指配一RAKE接收器分支来解调此候选基站的HANDOFFDIRECTION消息以产生单个输出信号。
在本发明的一替代的实施方式中，候选基站可能在被移动电话收听的任一信道上传送HANDOFF DIRECTION消息，包括在候选基站，邻近基站，活动组基站等的导频信道上。
尽管参考一些实施方式相当详细地说明了本发明，其他的型式是可能的。因此，不应将本发明的精神和范围限制于这里包含具体实施方式所描述。