（信号与信息处理专业论文）wimax中继协作切换技术研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 人们对随时随地自由通信的渴望，促进了无线通信的迅速发展，同时这也对 下一代网络提出更高的要求。中继技术的出现能够很好的解决传统网络覆盖范围 的伸缩性。协作通信技术可以通过用户间彼此共享天线的原理而获得分集增益， 从而能有效的对抗无线信道的衰落。本文以无线中继系统研究为背景，研究了协 作中继系统中资源管理中的关键问题，重点对协作中继的选取及切换流程进行了 深入的研究。 对于无线资源管理来说，切换是个重要的研究课题。在传统的蜂窝网络中， 当移动终端( m o b i l es t a t i o n ，m s ) 需要切换时，基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 是其唯 一的目标。然而在网络中引入中继( r e l a ys t a t i o n ，r s ) 之后，切换节点可能是移 动终端m s 或中继r s ，其切换的选择也不仅仅是基站b s ，也可以是本小区的中继 r s 或者是目标小区范围内的中继r s 。然而，当m s 同时使用多个协作中继时， m s 的切换过程与原协议中定义的单中继切换流程是不同的，因此本文提出了一种 新的切换流程，该流程描述了m s 在使用两点协作情况下是如何进行切换的，完 善了中继系统中的多点协作切换流程。此外，本文还提出一种在分布式模式下基 于信号强度的协作中继选取策略。 双协作中继切换的提出是为了补充在原i e e e8 0 2 1 6 j 协议中没有明确给出多 点协作中继的切换流程。m s 在使用双协作中继需要切换时，并不需要重新选择两 个新的中继作为切换目标，只需断开其中一个不能满足协作要求的中继，再连接 到另一个协作中继上即可。 双协作中继的选取策略是根据信号强度的差值进行选取。在两个协作中继进 行选取时，考虑了信号强度差值尽量接近的问题，如果协作中继信号强度差距过 大，则性能的提升将非常有限。通过仿真对比，使用双协作中继所获得的信道容 量远高于单协作中继的信道容量。 关键词：协作中继，切换，中继选取，s i n r ，c i n r a b s t r a c t hv i e wo ft h cd e s i r ef o rc o m m u n i c a t i o n sa n y t i m ea n da n y w h e r e ，t h ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nh a sd e v e l o p e dr a p i d l y , w h i c ha l s ob r i n g sh i g h e rr e q u i r e m e n t s i n n e x t g e n e r a t i o nn e t w o r k t h ee m e r g e n c eo fr e l a yt e c h n o l o g yc a n b eag o o ds o l u t i o nt o f l e x i b i l i t y o ft h et r a d i t i o n a ln e t w o r k s c o v e r a g e c o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yc a no b t a i nt h ed i v e r s i t yg a i nb y t h ep r i n c i p l eo fa n t e n n a - s h a r e da m o n gu s e r s ， w h i c hc a nc o m b a tt h ef a d i n go fr a d i oc h a n n e le f f e c t i v e l y b a s e do nt h ew i r e l e s sr e l a y s y s t e m ，t h i sp a p e rh a ss t u d i e d t h ek e yi s s u e so ft h er e s o u r c em a n a g e m e n tmt h e c o o p e r a t i v er e l a ys y s t e m ，a n df o c u s e do n t h es e l e c t i o na n dp r o c e s sh a n d o v e r f o rt h er a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ，t h eh a n d o v e ri sa ni m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c i n m e 仃：a d i t i o n a lc e l l u l a rn e t w o r k ，b a s es t a t i o n ( b s ) i st h eo n l yo p t i o nw h e nt h em o b i l e t e r m i n a l ( m s ) n e e d st oh a n d o v e r h o w e v e r , s i n c et h er e l a yi si n d u c t e di nt h en e t w o r k , t h eh a n d o v e rn o d e sm a yb em so rr e l a ys t a t i o n 偎s ) a d d i t i o n a l l y , t h eh a n d o v e r d e s t i n a t i o ni sn o tm e r e l yt h eb sb u tt l l er e l a yo f t h ec e l lo rt h er e l a yu n d e rt h et a r g e tc e l l b u td i f f e r e n th a n d o v e rp r o c e s s e so fm sh a v ea p p e a r e dw h e nm su s e sm u l t i p l e c o o p e r a t i v er e l a y sa tt h es a m et i m e t os o l v et h i sp r o b l e m ，t h i sp a p e rp r o p o s e sa m e t h o d o fh a n d o v e ru s i n gt w oc o o p e r a t i v er e l a y so fm s ，t h u st h em u l t i - p o i n tc o o p e r a t i v e h a n d o v e rp r o c e d u r ei si m p l e m e n t e d a d d i t i o n a l l y , w ea l s op r o p o s eac o o p e r a t i v er e l a y s e l e c t i o ns t r a t e g yb a s e do nt h es i g n a ls t r e n g t hu n d e r t h ed i s t r i b u t e dm o d e i no r d e rt oc o m p l e m e n tt h em u l t i p o i n tc o o p e r a t i v er e l a yh a n d o v e rp r o c e s sm i e e e8 0 2 1 6 j ，t h et w oc o o p e r a t i v er e l a y sh a n d o v e ri sp r o p o s e d w h e nu s i n gt w o c o o p e r a t i v er e l a y s ，t h e r ei s n on e e dt os e l e c tt w or e l a y sa g a i nt os e r v ea st h eo b j e c to f t h eh a n d o v e r , b u ts i m p l yd i s c o n n e c to n eo ft h er e l a y s w h i c hc a nn o tm e e tt h e c o o p e r a t i v er e q u i r e m e n t s ，a n d t h e nc o n n e c tt oa n o t h e rc o o p e r a t i v er e l a y t h es e l e c t i o ns t r a t e g yo ft w oc o o p e r a t i v er e l a y si sb a s e do nt h ed i f f e r e n c eo fs i g n a l s t r e n g t h i ti sr e q u i r e dt h a tt h ed i f f e r e n c eo fs i g n a ls t r e n g t hi sa sc l o s ea sp o s s i b l ew h e n t w oc o o p e r a t i v er e l a y sa r es e l e c t e d i ft h ed i f f e r e n c ei st o ol a r g ea tt h er e c e i v e ds i d e ，t h e p e r f o n n a n c ei n c r e a s ew i l lb el i m i t e ds h a r p l y t h es i m u l a t i o nr e s u l t s h o w st h a tt h e c h a n n e lc a p a c i t yi sm u c hh i g h e rc o m p a r e dw i t ht h es i n g l ec o o p e r a t i v er e l a yw h e nu s i n g 似o k e y w o r d s ：c o o p e r a t i v er e l a y , h a n d o v e r , r e l a ys e l e c t i o n ，s i n r , c i n r i i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来，随着多媒体业务的广泛应用，人们对新一代移动通信提出更高的要 求。用户对未来无线通信系统需要得到更高速的传输率、更好的信号覆盖以及更 强的移动性，并且可以支持更高速率的移动性【，这样在不久的将来可以让用户通 过无线传输得到与有线宽带网络相媲美甚至更好的接入服务。因此以i e e e8 0 2 1 6 技术标准为基础的宽带无线接入系统受到广大研究者的广泛关注，相关研究者声 称该系统可以提供比3 g 系统更高的数据传输速率和更广的覆盖范围。其中关于 w m a n ( w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ) 的标准i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 和i e e e 8 0 2 16 e 2 0 0 5 已经完成，w i m a x ( w o r l d w i d e i n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) 作为可选的移动宽带无线接入方案也已经趋于成熟。都市型无线接入网络( w i r e l e s s m e t r o p o l i t a n a c c e s sn e t w o r k ) 通信技术是当前研究的热点，在i e e e8 0 2 1 6 e 之后， i e e e8 0 2 1 6 j 任务组( t a s kg r o u p ) 更是最受国际无线组织重视，并且工作组积极参 与新的技术标准研究。 w i m a x 系统以i e e e8 0 2 1 6 e 技术为标准，在近年来受到市场的广泛关注，但 是w i m a x 自身也存在一定的问题：在w i m a x 的合理覆盖区域内的半径仅为几 公里【2 】，而且当用户离基站越远，它的有效数据传输速率就会随之降低，当用户处 于基站覆盖边缘，接收到的信号就会比较差，这样就会影响该系统商用的市场化。 目前，微小区基站或者放大器主要被应用在传统的无线网络中，它的主要功能是 用来提高边缘用户的数据速率。然而，如果采用微小区，所遇到的问题就在于成 本较高；如果采用放大器，则存在有用信号和干扰信号同时放大的问题。因此， 如果想在成本及效益之间达成最理想的平衡点，那么就必须从根本解决这些问题。 2 0 0 5 年9 月开始，i e e e8 0 2 1 6 标准制定组就开始成立移动多跳中继m o b i l e m u l t i h o pr e l a y ( m m r ) 研究小组，以研究i e e e8 0 2 1 6 系统中采用中继技术的可行 性【3 l 。因此采用中继技术宽带无线接入就迅速成为无线通信领域目前的研究热点。 为了进一步改进w i m a x 系统，让中继技术尽可能的市场化，i e e e8 0 2 1 6 j 标准致力于将多跳无线接入的优点加入w i m a x 系统中。目前中继任务组( r e l a y t a s kg r o u p ) 主要任务是对8 0 2 1 6 e 协议进行扩充，以提高系统自身的吐量和扩大边 缘覆盖范围，并确定中继r s 扩展的方向是基于蜂窝结构的扩展，拓扑采用树形结 构，不是m e s h 结构。这是因为在中继技术的研究进展进程中，研究者发现中继技 术不但可以提高使用者传输速度，而且还可以扩大无线通讯的覆盖范围，这样就 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 能达到一致的传输速度的特性，可以预测这个特质会在未来可以符合第四代无线 通讯( 4 g ) 所要求的目标。 研究人员在基站b s 和移动站m s 之间引入成本相对较低的中继r s 。中继和 基站之间以及和移动终端之间采用无线通信的方式，不需要有线链路，所以在减 少成本的同时中继增加了系统的灵活性。目前中继主要应用于两种场景，一种是 小区内用户相同数据速率覆盖，一种是扩大基站的覆盖范围。因此i e e e8 0 2 1 6 系 统就更加经济可行。为更好满足移动用户对数据业务传输速率更高的要求，仍然 需要对中继系统的功能和协议结构进行更加深入的分析，以便为未来的移动通信 系统服务。 2 0 0 6 年9 月以后，多跳中继任务组制在制订出i e e e8 0 2 1 6 0 6 2 6 基准文件之 后，开始向广大学者征求技术提案。紧接着于2 0 0 7 年5 月举行多跳中继的第七次 任务小组会议，此次会议的主要目的是进行关于i e e e8 0 2 1 6 j 专案征求技术提案 评论。i e e e8 0 2 1 6 j 草案1 从2 0 0 8 年1 月开始，经过广大学者多次修改，最新版 本已经是i e e e8 0 2 1 6 j 草案5 。目前任务小组正在加快i e e e8 0 2 1 6 j 标准的制定， 到时正是广大学者预测w i m a x 的起飞时间，所以多跳中继站的标准制定过程与 相关平台技术发展若能顺利发展并且跟上时间，即可顺势切入w i m a x 市场。 1 2 论文结构 本文共分6 章，各章的安排如下： 第一章：介绍中继技术的背景及发展现状。 第二章：介绍中继的种类及切换的模型。 第三章：介绍中继的切换流程，在原流程的基础上提出了双协作中继的切换 流程。 第四章：介绍协作中继的选取策略，与原有的单中继和双中继的选取策略进 行对比。 第五章：通过仿真对比得出新的协作中继选取策略所获得的信道容量远高于 其它两种策略的信道容量。 第六章：总结本文的工作，并讨论下一步的研究方向。 2 重庆邮电大学硕士论文第二章中继技术简介 第二章中继技术简介 2 1 中继无线系统概述 在传统的无线网络中，每个客户端均通过一条无线链路来访问网络。用户必 须首先访问一个固定接入点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 或基站b s 来进行相互间的通信，这 种网络结构称为单跳网络。而在无线m e s h 网络中，任何无线设备的节点都可以同 时作为固定接入点和路由器，并且在m e s h 网络中的每个节点都可以发送和接收信 号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。在网络中引入中继 技术后，宽带无线通信的组网方式与传统无线接入最大差异就是移动终端可以直 接通过中继站r s 接入无线网络。在需要的情况下甚至可以采用多级中继并且以多 跳的方式连接到接入点。作为一种能有效改善网络覆盖范围的技术，无线中继技 术为在高频段中实现宽带无线接入提供了一种具有高性价比的解决方案。 由多个中继共同形成一个虚拟阵列的相互协同工作方式，简称中继协作通信 系统。移动终端可以直接接入无线网络，也可以在中继站的协作下接入无线网络。 作为一种能有效改善网络覆盖的技术，无线中继技术为在高频段实现宽带无线接 入提供了一种高性价比的解决方案【4 】。概括来说，中继辅助通信系统作为一种新型 组网技术具有以下优势： ( 1 ) 多个中继可以节省无线电资源，也可以同时使用相同的时隙和频谱资源。 ( 2 ) 多个中继之间可以相互利用形成空间分集或者空间复用提高系统传输容 量。 ( 3 ) 中继辅助通信系统不需要明显改变现有主干网结构，就可以顺利的过渡到 现有的通信网络。 2 2 中继站运行模式 i e e e8 0 2 1 6 j 协议的中继网络可以分成集中式和分步式。在集中式中继网络 中，只有基站b s 处理移动终端m s 的请求，比如服务流插入、删除、修改，切换 等等。而在分步式网络中，中继r s 能处理一部分的系统事务。 中继站可以分为两种运行模式：透明式中继站( t r a n s p a r e n tr s ) 和非透明式中 继站( n o n - t r a n s p a r e n tr s ) p 】。即在放置中继站时，最典型的两种情况如图2 1 所 示。透明式中继系统采用集中式管理机制，在接受到m s ( 移动终端) 的带宽请求 3 重庆邮电大学硕士论文 第二章中继技术简介 后，基站b s 对原本接入系统内所有移动用户的请求进行统一处理，根据业务的优 先级，采用不同的算法对资源进行调度。 透明式中继不传送自己的p r e a m b l e ( 前置同步信号) ，f c h ( f r a m ec o n t r o l h e a d e r ) ，m a p ( m e d i aa c c e s sp r o t o c 0 1 ) 等信息，对于用户而言是透明的。透明式 中继用来改善小区边缘的覆盖，增加系统的容量，它并不扩大小区的覆盖范围。 在透明式中继系统中，系统资源由基站b s 统一调度。中继r s 负责对基站b s 到 来的信号进行处理后，转发给下一级中继r s 或者移动终端m s ，并且将m s 的信 息和对传输信道的测量结果反馈给b s 。下行链路中，透明式中继根据r s - - m s 链 路的质量，对信号进行处理，选择合适的调制编码方式对信息进行转发。 在集中式网络中，b s 的复杂程度明显增加。因为b s 控制管理所有的r s 和 m s 。因为所有由m s 发出的信息都有r s 转发并由b s 处理，所以无线链路上的延 迟和信令开销是个需要着重考虑的问题。然而，如果一部分管理m s 的功能分配 给高容量r s 的话，信令开销和延迟能在很大程度上减少。分布式调度和集中式相 比，由于r s 能够快速准确的获取其覆盖区域内的资源、信道条件等信息，可以缩 短资源请求的时延，更加有效的利用了无线资源。 非透明式中继系统可以采用集中式管理机制，也可以采用分布式管理机制。 当采用分布式机制时，一个服务区域内的m s 先将它们的请求信息发送给对其服 务的中继r s ，随后r s 将收到的所有请求进行处理后发送给基站b s ，当b s 准予 了一定资源后通知r s ，r s 会根据调度算法将资源分配给提出请求的m s 。 非透明式中继主要布建在原来基站b s 覆盖不到的范围，用来扩大小区的覆盖 范围，它的结构会比透明中继复杂。这就使得运营商在不易放置基站的地区( 如缺 乏核心网接入点或者空间较小) 通过中继站的转发提供有效的接入服务。从用户角 度来看，这种布置改善了接收端的信号质量，服务质量和用户满意度得到提升； 同时传输速率和系统覆盖范围都有所增大。非透明式中继站因为还要传送它本身 p r e a m b l e 、f c h 和m a p 信息。所以对用户而言，可以把它当成基站。在非透明式 r s 系统中，不仅b s 可以对系统内的资源进行调度，而且非透明式r s 也可以对资 源进行一定的管理，将资源动态分配给相应的移动用户，减轻了b s 的负担，优化 了资源分配，提升了系统性能。 4 重庆邮电大学硕士论文 第二章中继技术简介 2 3 协作中继 图2 1 中继站类型 在一个小区内，可以通过一个b s 和一个或者多个r s 之间，或者多个r s 之 间协调实现协作中继。在向目的节点发送一个b u r s t 的过程中，如果在b s 和r s 的发送天线上发送适当的信号，可以获得分集增益【6 】。在文献【7 】中提出通过使用分 布式m i m o ( m u l t i p l e i n m u l t i p l e o u t ) 技术进行中继站之间的协作传输。协作技术是 为了生成单一网络或者单一技术所不具有的能力，通过使用协作处理后，网络或 技术的功能大于每个组成部分功能的和。 中继协作传输如图2 2 所示。图中有三个中继站，r s l 和i 塔2 分别为移动终 端m s l 和m s 2 服务，r s 2 和r s 3 共同为m s 3 协作传输信息。 图2 2 协作中继示意图 分布式m i m o 技术是应用于物理层上的一个技术，是指移动终端之间、移动 终端与中继之间以及终端或者中继与基站之间通过空间分集和复用技术，形成一 个虚拟m i m o 信道进行协作传输，因此又叫做协作m i m o 技术或虚拟m i m o 技 5 重庆邮电大学硕士论文第二章中继技术简介 术。与传统的m i m o 技术相比，分布式m i m o 技术的用户不再使用多天线，而是 在多用户环境中的单天线用户。它们在传输自己信息的时候，也能接收和检测到 附近用户( 即伙伴) 的信息，这样就可以利用合作伙伴的天线与自身天线构成多发射 天线，获得分集增益，形成虚拟m i m o 系统。除了将信号独立传输到各自的目的 地外，两个用户还可以互相监听各自的传输【8 、9 1 ，从而联合传输它们的信息实现协 作通信。 在i e e e 8 0 2 1 6 j 的提案中【_ 7 1 ，分布式m i m o 技术主要指多个中继站之间的协作 通信，如图2 3 所示。用户站m s 到达基站b s 中间需要3 跳，经过r s i - - 一, r s 4 中 继站的协作传输，其中，r s l 、r s 2 是负责第一跳的中继，另外r s 3 、r s 4 负责第 二跳，它们共同组成了一个分布式的虚拟天线阵列。这样由于空间分集，同一个 数据包可以通过多跳中继同时重传，而空间复用又可以使得不同的数据包或者同 一个数据包的不同部分通过几个中继同时传输。 图2 3 多跳协作中继无线网络 协作中继具有兼容性好，复杂性低，不需要改动移动终端，只需对基站和中 继站进行小的更新即可实现；由于空间分集，系统可以得到更好的性能，例如可 以提高系统的健壮性和减少误比特率；使用户站在不同中继之间的切换变得简单； 空间频谱的复用可以减少信道资源的浪费；利用用户间的协作，抵抗无线信道的 多径衰落，克服阴影效应以达到增强通信质量提高频谱效率。此外在8 0 2 1 6 j 协议 中定义了三种协作分集机制：协作源端分集、协作发送分集、协作混合分集【l o 】。 协作源端分集指多个信号源的发送天线使用相同的时频资源，同时发送相同的信 号。协作发送分集模式，是信号在s t c ( s p a c e t i m ec o d i n g ) 编码后，在相同的 时频资源上通过不同的天线发送出去。协作混合分集是以上两种分集机制的组合。 2 4 切换技术 由于引入中继站，使着传统蜂窝网络构架发生了较大的变化。这也使得移动 终端的性管理发生了变化。例如当移动终端m s 进入另一个r s 覆盖范围内时，也 6 象驴舻 双 一嘞一 教一洋 重庆邮电大学硕士论文第二章中继技术简介 会因为r s 的改变而发生切换。尤其是当移动r s 的加入，改变了一直以来在切换 中只有一端固定的模式，于是不但有m s 的切换，还可能有m o b i l e - r s ( 移动中继) 的切换。 在定义切换过程之前，先给切换场景进行分类( 图2 4 ) j 。这里有七种不同 的切换事例( c a s e ) ，它们主要分为两大类：( 1 ) m r - b s 小区内切换：m s 在被同 一个m r - b s 控制下的两个r s 之间的切换( 图2 4 ，c a s e1 ，2 ，和3 ) ；( 2 ) m r - b s 小区间切换：m s 在分别属于两个不同m r b s 控制下的r s 之间进行切换( 图2 4 ， c a s e4 ，5 ，6 和7 ) 。其中，c a s e4 是在i e e e8 0 2 1 6 e 2 0 0 5 协议中本身就定义的切 换场景。由于中继的加入，其余六个切换场景要求新的或者修改过的切换过程。 l 二二二! 竺! ! ! ! 竺= l 图2 4 m r 网络中切换场景 在c a s e l 和c a s e 2 中，同一个多跳中继网络中的b s 和r s 发生切换。一般它 们都通过多于一跳的中继链路相连接。因此，心管理信息都要通过它们之间的 多跳中继链路交换；在同一个多跳中继网络中的r s 发生切换( c a s e3 ) ，如果在它 们之间没有一跳中继链路，那么所有的m a c 管理信息都通过它们的服务b s 传递； 如果在b s 和由另一个b s 控制的r s 之间发生切换( c a s 5 ，6 ) ，它们通过服务于 r s 的b s 交换所有的m a c 管理信息：c a s e7 是发生在由不同b s 控制的r s 之间 的切换。每一个m a c 管理信息通过本地服务b s 和目标服务b s 传递。 在移动中继系统中，中继节点通常需要为一群特定的无线终端提供宽带接入 中继服务。当一个移动中继从一个基站覆盖范围进入另外一个基站覆盖范围时， 有两种方式完成中继与基站间的中继链路以及中继与移动台间的接入链路的切 换。 一种情况是移动中继所属的终端用户需要发起网络的重新进入，后一种情况 是基站为移动终端用户触发切换，中继需要和原来基站进行信息交互，基站可以 利用中继的消息集合断开和终端用户的连接，并不是和每一个终端用户断开连接， 进行切换消息的交互，减少了信令流程和消息执行的复杂情况。 在借鉴现有切换技术的基础上，引入透明切换的概念。基站会利用中继站点 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章中继技术简介 的消息集合来断开基站和所属的移动台的连接，从而避免了每个移动台和基站的 交互，减少了信令流程，降低了多跳传输中的时延，确保了车载通信q o s 参数要 求，提高了系统性能。对于切换过程资源预留问题可以利用移动用户预测的技术 来进行初步估计，对于带宽使用的预测必须可靠，否则预分配的带宽利用率较集 中式调度要低，所以在基于移动中继技术的切换问题中多跳无线通信的用户移动 预测以及中继资源预留算法是研究关键之一。 2 5 本章小结 使用中继技术的宽带无线接入已经成为无线通信领域目前的研究热点。协作 中继的使用可以有效的提高系统容量，同时又可以提供空间分集增益来有效的消 除无线信道多径、时变衰落的影响，提高信号传输的可靠性，降低误码率。本章 主要介绍i e e e8 0 2 1 6 j 协议的中继网络中的中继运行模式、种类以及中继网络的 七种切换模式，为下一章中继的切换做了铺垫。 重庆邮电大学硕士论文 第三章协作中继切换 3 1 前言 第三章协作中继切换 在多跳中继宽带无线接入网络中，由于中继站的加入，传统蜂窝网络构架发 生了很大的变化。这也导致了终端的移动性管理发生了变化。文献 1 2 】中提出中继 切换模型的研究，分析了七种切换类型。文献【1 3 】中提出中继切换扫描流程的改进 策略，以达到减小消息交互时延的目的。文献 1 4 提出在多跳中继网络中m s ( 移 动终端) 的切换流程，但也只是单点协作的流程。针对m i m o 技术的提出，多中 继协作可以实现虚拟的m i m o ，利用虚拟m i m o 信道可以提供空间复用增益来提 高信道的容量，同时又可以提供空间分集增益来有效的消除无线信道多径、时变 衰落的影响，提高信号传输的可靠性，降低误码率，系统容量得到提高的同时也 给切换带来了挑战，在切换时既要保持多中继消息的同步传输，也要保持切换的 顺畅，因此本文中在借鉴现有中继8 0 2 1 6 j 协议草案上对切换流程进行改进，提出 双协作中继的切换流程。 3 2i e e e 8 0 2 1 6 j 中继网络的切换机制 在i e e e8 0 2 1 6 j 的切换机制中所可能采用的机制可分为两大类：基站集中式 控制切换模式以及中继站分散式控制切换模式【l 引。 1 ) 基站集中式控制切换模式( b sc e n t r a l i z e dc o n t r o lh o ) 在集中式中继系统中，整个8 0 2 1 6 j 的切换机制都由基站本身来负责控制。在 这种模式下，基站将决定小区内所有链路，并且知道它整个通信服务范围内网络 拓扑分布如何，进而负责管理并告知每个中继站其相关资讯。在集中控制模式中 的中继站听从基站的指示，用以帮助用户完成网络拓扑的获取。接下来的切换处 理则都是靠基站与用户这两者之间的协调贯通来运作，中继站只是负责传输工作， 不对任何数据或信令进行处理，只是单纯的转发。在这种模式下，基站可依整个 系统的状态及用户当前所处在网络中的位置，给予它最好的决策，使得用户在切 换完成后能够得到最合理的服务品质。同时，也可以通过自身的判断来避免启动 一些不必要的切换机制，从而会照成整个系统资源的不必要浪费。然而集中控制 模式的缺点在于每次决策都必须通过基站和用户端的协调，这将会造成大量的信 息交换从而会照成消息的延时；增加整个切换机制处理的时间。 9 重庆邮电大学硕士论文第三章协作中继切换 2 ) 中继站分散式控制切换模式限sd e c e n t r a l i z e dc o n t r o ln o ) 相对于集中控制模式，在分布式中继系统中，基站把切换机制的决策权限下 放到中继台端。在这种模式下，中继站本身就可以通过自身扫描的动作去学习周 围的网络拓扑架构如何，并把其所认识的结果用以告知用户来帮助切换机制的执 行，并且把选取切换目标的工作也给予到中继站上，由中继站根据所收集的资料 来决定切换的对象是否符合切换要求，而不用在通过基站的判断指示来完成整个 切换处理。这样整个切换机制所需要的信息贯通将会降低，而所消耗的处理时间 也会降低。但相对地，由于中继站掌握的资料也是有限的，只能拥有局部的网络 资料，所以最多也能做到局部性的最佳化，同时也会造成切换频率的增加。 3 3 原协议中切换不足之处 原i e e e 8 0 2 1 6 j 协议的中继网络m s 的切换过程。在切换开始后，m s 会终止 与当前服务r s 之间的业务。终端m s 通过上行链路向当前服务r s l 发送 m o bh o i n d 消息，并设置消息中的h oi n dt y p e 值，来通知当前服务r s l 释 放连接。当前服务r s l 在接到这个消息之后，通过上行链路转发到服务的m r b s 。 在m r - b s 接收到这个消息之间的这段时间内，m r - b s 仍然会继续通过下行链路 发送消息，由于r s l 到m s 的链路已经断开，该消息将暂时存放在同步站r s l 中， 如图3 1 所示。当前服务的r s l 就会对此消息进行缓存。这个缓存节点也叫做切 换前下行传输控制节点【l6 1 ，它是起到缓存的作用，当切换节点需要切换时，这个 缓存节点就负责在切换过程中对下行链路的传输数据进行缓存，在切换完成之后， 将缓存的数据再传输给切换后的传输控制节点。 切换后的下行传输控制节点( 如图5 中r s 2 所示) ，它负责接收切换前在下 行链路所缓存的数据，处理切换节点发送过来的关于下行链路已经传输过来的 s d u ( 下行数据业务数据单元，s e r v i c ed a t au n i t ) s n ( 序列号，s e q u e n c en u m b e r ) 消息、告知消息，并且向切换节点发送新的数据。 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第三章协作中继切换 图3 1i e e e8 0 2 1 6 j 切换示意图 按照原i e e e1 6 j 协议的要求，在切换步骤结束时，紧接着进行的是与当前服 务站点终止通信。这时，切换前下行链路消息就缓存在下行传输控制节点上，等 到网络进行重新连接之后，找到新的中继节点，再将自己所缓存的消息发送到新 的中继节点上。如果原协议流程应用到两个协作中继节点( 如图3 2 所示的r s l 和r s 2 ) ，假设此时r s l 已经不能再担任协作节点，当与m s 链接的r s l 断开之 后，m r - b s 通过下行链路发送到m s 的消息就会存储在它的同步站点r s l 中，而 另外一条没断开链路r s 2 仍然在传送消息到m s 。当再进行下一步，网络重进入过 程，即m s 和新的中继节点r s 3 连接之后，r s l 再将自己缓存的消息发送到r s 3 ， 再通过r s 3 将缓存的消息传送到m s ( 如图3 2 所示) 。由于m r - b s 是同时发送 相同的消息给两个中继节点r s l 和r s 2 ，而当链路r s l 断开后，r s l 发送的消息 到达r s 3 会有一定的时延，这时r s 3 所传送的缓存消息滞后于先前经过r s 2 到达 m s 的消息，这样在时间上就产生了不同步现象。因为两个协作中继的要求是在消 息传输时间内上尽量同步，如果在接收协作r s 传送的消息时间差距过大，则性能 的提升将非常有限。 所以本文在对原有的切换流程协议上进行改进，提出协作中继节点的切换流 程。 重庆邮电大学硕士论文第三章协作中继切换 3 4 系统模型 图3 2 消息发送示意图 图3 3 m s 的运动不恿图 图3 3 简单表示了在同一网络中，在i e e e 8 0 2 1 6 j 协议草案下，m s 切换时的 情况。其中r s l 、r s 2 r s 5 是在同一m r - b s 覆盖范围内：r s l 与r s 2 同时担 当m s 协作中继的任务。多跳中继基站( m r b s ) 属于分布式管理。管理自己服 务区域内的中继站r s 。中继站r s 负责在多跳中继基站m r - b s 和移动终端m s 之 间转发数据。 我们考虑发生在小区内部内切换的情况，m s 在m r b s 使用r s l 与r s 2 进行 协作。假设m s 开始沿箭头所示方向移动。在这个过程中，随着m s 与接入协作中 继r s l 距离的增大使其协作性能下降。若r s l 已经不能再担当进行协作任务；假 设r s 2 仍然可以继续担当中继的角色，那么m s 就必须选择一个新的r s 进行协作。 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第三章协作中继切换 3 5 协作中继切换流程 以下是移动终端m s 在原中继不能满足协作要求，需要切换到新的协作中继， 链路层在目标基站发现及切换请求过程。 3 5 1 网络的拓扑 接入站点m r - b s 或者r s 周期性的广播m o bn b r - a d v ( 邻居广播消息) 消 息到自己覆盖范围内的m s 1 1 n 。在这个m o bn b r a d v 消息中包含有下属站点接 入链路信道的信息。对于所有的m s 来说m o bn b r - a d v 是用于帮助切换的，可 以快速帮助m s 同步目标接入站点而不需要监控目标接入站点广播的d c d ( d o w n l i n kc h a n n e ld e s c r i p t o r ，下行链路信道描述符) 和u c d ( u p l i n kc h a n n e l d e s c 却t o r ，下行链路信道描述符) 消息。 3 5 2m s 扫描过程 终端m s 通过接收m o b n b ra d v 消息获得网络拓扑信息后，可以根据需要 对相邻站点进行扫描。扫描由终端m s 发起，m s 首先发送扫描请求消息 m o bs c n r e q ( 邻居扫描请求消息) 到两个协作中继节点，然后再由两个r s 转 发相同的消息到当前服务b s 以请求基站分配一组扫描间隔，终端在 m o bs c n r e q 请求消息中给出估计的所需扫描时间，以及需要扫描的邻居站点 组。基站接收到终端发送的m o bs c n r e q 消息后，将以m o bs c n r s p ( 邻居 扫描应答消息) 消息响应，收到此响应消息后，从扫描帧开始，终端会在分配的 时间里扫描一个或多个站点【l7 1 。m s 的当前接入站点r s l 与r s 2 同时发送 m rs c n r e q 消息到被推荐目标r s 。在接收到请求消息之后，目标接入站点r s 回复m rs c n - r s p 应答消息。终端扫描识别出邻居站点后，会尝试通过其下行传 输链路进行同步，并估计其物理信道质量。终端扫描目标站点得到c i n r ( c a r d e r t oi n t e r f e r e n c ea n dn o i s er a t i o ，载波干扰噪声比) 和r s s i ( r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h i n d i c a t o r ，接收信号的强度指示) 满足条件的基站。 1 3 重庆邮电大学硕士论文 第三章协作中继切换 图3 4m s 发起扫描过程 表3 - 1 扫描请求消息 参数名大小注释 ( 比特) m r _ s c n - r e q 扫描请求消息 m a n a g e m e n tm e s s a g et y p e 8 消息类型 m sd4 8 鉴别移动终端 c u r r e n ta c c e s ss t a t i o ni d 4 8 鉴别接入站点 r e c o m m e n d e ds t a t i o ni d8被推荐站点数量 f o r ( i = 0 ； i n u m b e ro f r e c o m m e n d e ds t a t i o n ；i 抖) r e c o m m e n d e ds t a t i o ni d4 8 鉴别被推荐中继站点 s c a n n i n gt y p e 3 扫描类型： 0 b 0 0 0 无关联扫描 0 b 0 0 1 关联扫描级别0 1 4 重庆邮电大学硕士论文 第三章协作中继切换 0 b 0 1 0 关联扫描级别l 0 b 0 1 1 关联扫描级别2 o b l 0 0 关联扫描级别3 p a d d i n g 5填充到字节边界 ) 表3 2 扫描应答消息 参数名大小注释 ( 比特) m r s c n - r s p 扫描应答消息 m a n a g e m e n tm e s s a g et y p e 8 消息类型 m sm 4 8 鉴别移动终端 c u r r e n ta c c e s ss t a t i o ni d4 8鉴别接入站点 r e c o m m e n d e ds t a t i o ni d4 8被推荐站点数量 s c a n n i n gt y p e 3 扫描类型： 0 b 0 0 0 无关联扫描 0 b 0 0 1 关联扫描级别0 0 b 0 1 0 关联扫描级别l 0 b 0 1 1 关联扫描级别2 0 b 1 0 0 关联扫描级别3 i f ( s c a n n i n g 帅e 砌 1 5 重庆邮电大学硕士论文 第三章协作中继切换 r e n d e z v o u st i m e8 以帧为单位的持续时间 c d m ac o d e8c d m a 编码 t r a n s m i s s i o no p p o r t u n i t yo f f s e t8以帧为单位的传输时机 ) p a d d i n g 5 填充到字节边界 图3 4 表示m s 的扫描过程，表3 1 、3 2 分标表示扫描请求和扫描应答消息。 扫描过程：这里定义一个新的关联级别3 ：基站协助参与协作关联