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分布式无线通信系统接入协议设计和仿真 摘要 分布式无线通信系统提出了一种全新的网络构架，丢弃了传统的 由基站唯一固定小区机制，提出了以移动终端为中心的虚拟小区的概 念。但是，这些新的思路并不是凭空而来的，而是来源于现有移动通 信系统运营过程中的优化手段和对性能瓶颈突破的需求。在分布式无 线通信系统提出之前，光纤拉远技术提供了前提条件，软切换和宏分 集提供了性能提高的方向，分布式无线覆盖淡化了小区的物理概念。 c d m a 网络的前向链路所能支持的最大移动终端数目和反向链路所能 支持的最大移动终端数目不同。一般而言，c d m a 网络容量取决于反 向链路的容量，即上行链路的容量。分布式无线通信系统正好能提高 反向( 上行) 链路的能干比，所以能提高整个c d m a 通信系统的容量。 这在用户数目不断增长的今天具有巨大的意义。本文初步设计了分布 式无线通信系统接入协议，运用软件工程推荐的面向对象方法建立了 各个节点模型，利用节点模型搭建了仿真网络。最后，实验过程中通 过改变一些关键的系统参数，例如移动终端的个数，天线单元的个数 和接入门限，以及处理节点处理信号采用的分集方式，进行仿真来观 察这些系统参数对系统性能的影响，进行影响因子的比较，并且提出 了几种对移动终端业务分布不均时的控制方法。进一步的目标是提出 这些控制方法的具体步骤，利用仿真的方法进行验证。 关键词分布式无线通信系统虚拟小区多重分集接收软切换 d e s i g na n ds i m u l a t l o no f d i s t r i b u t e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m a c c e s sp r o t o c o l a b s t r a c t d i s t r i b u t e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sak i n do ft o t a l l yn e wn e t w o r k a r c h i t e c t u r e ，d i s c a r d i n g t h et r a d i t i o n a l c o n c e p t i o no fc e l t b a s e do nb a s es t a t i o n i n t r o d u c i n gt h en e wc o n c e p t i o no fv i r t u a lc e l l ，i nw h i c ht h em o b i l en o d ei sa tt h e c e n t e rp o s i t i o n h o w e v e r , t h i sn e wi d e ad o e sn o tc o m ef r o mn o t h i n g b u tf r o mt h e o p t i m i z a t i o nm e t h o d sa p p e a r e dw h i l et h er u n n i n go fc u r r e n tm o b i l en e t w o r k sa n d f r o mt h er e q u i r e m e n to f b r e a k i n g t h r o u g ht h eb o t t l e n e c ko f t r a d i t i o n a lm o b i l en e t w o r k b e f o r et h e s h o w i n gu p o fd i s t r i b u t e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m o p t i c w i r e l e s s a n d m r e l e s s o p t i cs i g n a l t r a n s l a t i o nm a d ei t p o s s i b l e ；s o f t h a n d o f fa n d m a c r o - d i v e r s i t ys h o w i tt h ed i r e c t i o no fc a p a c i t yi m p r o v e m e n t ；w i r e l e s sd i s n i b u t e d c o v e r a g ef a d e dt h ep h y s i c a ls e p a r a t i o no ft r a d i t i o n a lc e l l t h em a x i m u mn u m b e ro f m o b i l en o d e ss u p p o s e db yd o w n l i n ko fc d m a n e t w o r ki sd i f f e r e n tf r o mt h a to f u p l i n k g e n e r a l l ys p e a k i n g ，t h ec a p a c i t yo fc d m a n e t w o r ki sd e t e r m i n e db yt h e r e v e r s ec a p a c i t y ，o ru p l i n kc a p a c i t y d i s 乜- i b u t e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a n i m p r o v et h ee i ro ft h er e v e r s e1 i n k ( u p l i n k ) a sar e s u l t ，i tc a p e n h a n c et h ew h o l e c d m an e t w o r kc a p a c i t y , w h i c hi s v e r ye x c i t i n g w h i l et h e p o p u l a t i o n o fu s e r s i n c r e a s e s d r a m a t i c a l l y i n t h i s p a p e r , a d r a f t p r o t o c o l o fd i s t r i b u t e d w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi s s u g g e s t e d ；t h ec o m p u t e rm o d e l s ，b a s e do no b j e c t o r i e n t c o n c e p t ss u g g e s t e db ys o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，o fa l l k i n d so fn o d e si nt h es y s t e ma r e d e s c r i b e d ；w i t ht h en o d em o d e l s ，t h es i m u l a t i o nn e t w o r k sa r ec o n s t r u c t e d ，f i n a l l y , s o m ep a r a m e t e r ss u c ha sn u m b e ro fm o b i l en o d e s ，n u m b e ra n da c c e s st h r e s h o l do f a n t e n n au n i t ，t h ed i v e r s i t ym e t h o d sa p p l i e di nt h ep r o c e s s i n gn o d e s ，a r cc h a n g e di n o r d c rt os h o wt h ed i f f e f e n c eo ft h eo u t c o m eo ft h e s es i m u l a t i o n s t h ei m p a c tf a c t o r s o ft h e s ep a r a m e t e r sa r ec o m p a r e d ，a n ds o m ec o n t r o lm e t h o d s w h i l et h ed e m a n d i n go f m o b i l en o d e si sv a r i o u s l yd i s t r i b u t e d ，a r ep r o p o s e d t h ea i mo fn e x ts t e ps h o u l db e t h ed e s i g n i n go ft h ee x a c t p r o c e d u r e so f c o n t r o lm e t h o d s ，a n d a p p l y i n g t h es i m u l a t i o n t o u s t i f yt h ee f f e c t so f c o n t r o lm e t h o d s k e yw o r d sd i s t r i b u t e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m m u l t i d i v e r s i t yr e c e p t i o n s o f th a n d o f f v i r t u a lc e l l 独创性( 或创新性) 声明 y 5 8 s 4 7 3 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：三錾塾踅 日期：型! 望：21 圭! 关于呛文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期：迎生：= l ! 同期：丝笃m 旦坐! 一坌塑壅垂垫望堕至笙堡垒垫望堡生塑笪塞 二二一= 二7 一。1 l o 。j j 第一章移动通信系统发展概述 1 第一代到第四代移动通信系统 移动通信起源于无线通信，最早可追述到1 9 0 1 年马克尼从英格兰收到短波无线电信号， 但直到1 9 4 8 年才出现第一台( 无线) 移动电话，而真正发展是从2 0 世纪7 0 年代开始的，迄今 走过了第代移动通信系统、第= 代移动通信系统并即将进入第三代移动通信系统的发展历 程。目前，对第四代移动通信系统的研究己经是全球所有相关大学和通信研究院的研究万向 和主题。 1 1 第一代移动通信系统 第一代移动通信系统是模拟移动通信系统，模拟电路单元为基本模块实现话音通信主 要代表是美国的a m p s 系统和英国的t a c s 系统。它对移动通信的最大贡献是采用小区结陶， 频带可重复利用，实现大区域覆盖；支持移动终端的漫游和越区切换，实现移动坏境下不阀 断通信。第一代移动通信系统的出现和发展，最重要的特点是体现在移动性上，这是其地庄 何通信方式和系统不可替代的，从而结束了过去无线通信发展过程中时常被其他通信手段替 代而处于辅助地位的历史。8 0 年代我国主要采用的a 网和b 网属于英国的t a c s 系统，a 网 建在西北血省和云南，丽b 网则是全国的其他地区。第代移动通信的特点是频分多址 ( f d m a ) ，采用模拟语音传输，频谱利用率低，保密性差，技术简单。由于频率资源有限所 咀第一代移动通讯技术在很多地区尚未得到充分发展就退出了历史舞台，在中国也是这样， 图1 一l 第一代a m p s 网络结构 m t s o ：m o b i l e t e l e p h o n es w i t c h i n go f f i c e 旦竖l 一 坌塑塞垂垡望堕墨堑壁垒堡坚堡i ! 塑堕墨 1 。- - _ _ _ - - 一一 一。、 1 2 第二代移动通信系统 第二代移动通信系统是目前广泛使用的数字移动通信系统，数字信号处理技术是其最基 本的技术特征，数字电路单元为基本模块实现话音通信和短消息数据业务通信。它对移动通 信发展的重大贡献是使用s i m 卡，轻小手机和大量用户的网络支撑能力。使用s t ：y i 卡作为移 动通信用户个人身份和通信记录的载体，为移动通信管理、运营和服务带来极大便利。有第 二代移动通信的这些贡献，才使移动通信以惊人速度发展，成为当今通信发展的主流，特别 是通信市场发展的主流。 构筑在第二代移动通信g s m 网络上的g p r s ( 通用无线分组业务) 通常被人们称之为2j 代 移动通信技术。它可以将数据传输速率由原来g s m 系统的9 6 k b p s 提高到最高1 1 5 k b p s ( 实际 使用中速率在2 0 3 0 k b p s ) ，它的改进之处在于通信协议采用分组交换而不是g s m 网络的电路 交换，即将几个时隙分给一个用户。 与g s m 网络相比，c d m a 网络的话音质量高，极少出现掉线现象，功率谱密度低，在用户 数少、系统容量充足时手机功率很小，约为一个毫瓦，甚至比几毫瓦的无绳电话还低，所以 通常被入们称为绿色手机。但如果用户数量多、系统容量达到饱和时，这一优势将荡然无存。 b 丁s 图1 2 第二代6 s m 网络结构 分布式无线通信系统接入协议没计和仿真 3 第三代移动通信系统 第三代移动通信系统是正在全力投入开发的系统，其最基本的特征应当是智能信号处理 技术，智能信号处理单元将成为它的基本功能模块实现基于话音业务为主的多媒体数据通信。 移动通信系统中应用的智能信号处理技术称为智能移动通信技术，例如智能天线，是实现极 大通信容量的关键技术之一。第三代移动通信系统的多媒体业务服务能力和极大通信容量将 会使人们从获得信息变成获取知识成为可能。第三代移动通信有如下特点：首先是全球化， 它要求多种技术在多种环境下统一标准、统一频率，以实现全球的无缝覆盖，显然这一点是 第二代的o s m 和c d m a 无法实现的；其次是综合化，要求系统能提供语音传输、宽带数据、 视频图像等多种业务，满足信息化社会的需要；最后是个性化，系统必须保证足够的容量和 潜力满足各种不同用户的需求。3 0 的优点在于频谱利用率高、服务质量好、能提供高速传输 f 室内可达2 m b p s 、步行可达3 8 4 k b p s 、车速可达1 4 4 k b p s 、卫星上可达9 6 k b p s ) 、并且传输 速率可以按需分配( 即上下行不对称传输) 。目前i m t - 2 0 0 0 有五种标准，它们分别是欧。i i h r 本拟订的i m t - d s 标准( 即w c d m a ) 、北美c d m a 2 0 0 0 的i m t - m c 标准、中国t d s c d m a 的i m t - t c 标准，这三个标准如今是第三代移动通讯的主流标准，当然还有对现有系统进牙 改迸升级的i m t - s c ( j g 美) 和i m t - f t ( 欧洲) 标准。 未来的4 0 移动通信技术正在与i p 技术相结合，通信技术向宽带化、智能化、个人f 4 方 向发畏，将形成一个统一的综合宽带通信网。在后3 0 4 0 时代，4 0 通信的频谱利用率将还 到4 b i t h z 一1 2 b i t h z 。这将是一个值得期待的移动通信新时代。 n o d e b 图l 一3 第三代u m t s 网络结枸 3 旦竺! 一 一 一坌塑墓垄錾望笪至竺堡尘垫望垦生塑堕墨 _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - 、_ _ _ - - _ _ _ - _ _ - _ _ - _ _ _ _ - ，_ _ _ _ _ _ _ _ _ ，- - - _ _ _ _ - 一 2 集中式系统到分布式系统 2 1 集中式系统 从上述移动通信的发展来看，自从第一代移动通信系统引入的小区机制以后，小区体系 结构就一直是移动通信网络的基本构架。小区以基站作为一个小区的中一t 5 并且固定不变，移 动通信终端总是附属于一个基站，大部分的数据处理和移动性管理都是在基站以及移动交换 中心上完成的。而且，在整个通信网络中基站之间是不可替代的。这就对基站的稳定性提出 了非常高的要求：如果基站瘫痪或者出现拥塞，对其下所属的移动终端造成的影响通常是无 可补救的。 2 2 分布式系统 分布式系统被认为是集中式的控制系统的一种高级可替代形式，大多数情况下是沉化的 一种途径。这在许多领域都有所体现，例如数据库管理，网络数据访问，供电结构，存储器 结构，呼叫中心。 分布式系统具有许多的优势，能满足某些特定性能要求。稳定性：分布式系统总是把整 个系统各个部分联系的更加紧密，同时留有必要的冗余，使得分布式系统更加稳定，在一一部 分出现故障的情况下能够及时的利用信息冗余进行工作，使用户得到正常状态下的服务。扩 展性；对分布式系统进行容量的扩充的时候，总要比集中式来得简单，不需要象集中式系统 那样对复杂的控制中心进行更改或者升级，很多情况下只是简单的维的扩展。灵活陆：由 于分布式系统的相同层次的各个部分是相对独立，相对平等的部分，所以在实际的工程当中 可以方便的改变设备的位置来满足设备对于环境的特殊要求。因而许多情况下分布式系统被 认为是突破集中式系统瓶颈的一个重要手段。 在移动通信领域，基站小区体制在一定程度上是一种集中式的控制体制，为了提高系统 的工程灵活性和稳定性，可以升级为用高效的分布式系统：分布式无线通信系统。在分布式 无线通信体系下，移动通信终端作为中心，由它本身和周围的天线分布状况决定一个虚拟的 小区，只要移动终端周围的天线还有正常工作，这个移动终端就有可能进行数据传输或者通 话。这样就消除了原本集中机制下对基站的过分依赖。从网络覆盖角度来看，由传统的基站 覆盖机制转变到了天线覆盖机制。从概率的角度来看，网络中一个功能复杂节点故障的概率 要大于若干个功能简单节点同时发生故障的概率。 设传统移动通信网中某一移动通信终端所属的基站故障率p b 。由于网络设备的故障而导 致移动终端无法正常通信的概率就是p b 。相同地表通信环境下，分布式移动通信系统中菜移 动通信终端信号所能达到的天线个数为n ，天线a u i 的故障率为p a u l ( i - 1 ，2 ，3 ，n ) ，这n 个 a u 属于m 个p n ，信号处理节点故障率为p 。n j ( j = l ，2 ，3 m ) ，由于网络设备的故障而导致终 端无法正常通信的概率是 p a u lp a 2p a u 3 p a u n + ( 1 - p a u ip a u 2p a 心p a h n ) + p p nj + p 印2 + p p 船p p n m ， 分布式无线通信系统接入协议设计和仿真 如果n 较大，p 。lp 。2p 。3 p a u n 趋于0 ，而且( 1 - p 。lp a u 2p 。u 3 。p a u n ) 趋于1 。基站和p n 作为复杂程度相近的设备，它们的故障率数量级上可看做相近，很显然这个概率要比传统的 集中式移动通信系统的无法正常通信概率小几个数量级。稳定性对于现代通信系统具有非常 大的经济效应，不仅仅是通信中断时间内的收入损失，还有更大的损失：用户对于运营者的 信任度损伤。因此由此可以肯定，集中式系统到分布式系统是一个很有意义的改进。 分布式体制同时还提供了信号多径分集的效果，多个路径上传送上来的信号经过合并处 理，使得接受到的总信号的信噪比得到增强。但是，和多天线接收有所区别，这里的分集区 域要大于传统多天线接收机里面的分集区域，更好的保证了信号经历衰弱的独立性。代价是 分布式无线通信系统引入了一些通信时延。本文主要提出分布式无线通信系统的接入协议， 并且用0 p n e t 建立一一个小型网络的模型，然后改变参数设置( 例如m n 个数，密度，a u 个 数，接收信号强度，p n 信号合并方式) ，仿真产生的数据包正确接收率进行了分折。 分布式无线通信系统接入协议设计和仿真 第二章传统移动通信网络优化和局限 1 传统移动通信网络的小区体制 根据电波的视距传播特性可知，一个基站发射的电磁波只能在有限的地理区域内被移动终 端接收，这个能为移动用户提供服务的范围就是无线覆盖区，也就是无线小区。一个大的服 务区可以划分成若干个无线小区；反之，若干个无线小区彼此相邻连接可以组成一个大的服 务区。如果在用专门的线路和设备将这些大的服务区连接，就够成了移动通信网a 移动通信网一般可以分为两大类，一类是小容量的大区制，一类是大容量的d 、区制。最 开始的无线通信是大区制的，这些系统都只是专有系统，没有能够作为公众移动通信方式大 范围的商用。大区制中为了避免互相的干扰，服务区内所有的频率不能重复，因此不能满足 用户数目大量增长的需要。但是，大区制的优点是比较简单，投资省，见效快，用户少的地 区或者专有系统也有使用。 蜂窝( c e l l u l a r ) 电话系统是2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代仞开始出现的。蜂窝机制也就是小区 机制：第一代移动通信系统把小区机制的引入是无线通信历史上的一个重大进展， + 定意义 上可以说是小区机制使得移动通信商用成为可能。小区机制使得系统的容量得到很大的扩展， 使得频率资源得到复用，使得网络的覆盏面积很大程度上的扩大。小区机制中，- - + d 、区有 一t 个基站，同时也有一个基站控制器。基站处理物理层面的信号调制解调编码解码，基站控 制器接入到核心网络配合处理网络层面的切换寻址。 2 传统资源优化手段 由于用户数目的不断增加以及用户的移动性，某时刻某小区内部的用户数目可能超出它 的容量范围。但是很多情况下并不是永久性的超负荷，如果盲目扩容会造成很大的浪费，这 时就需要不同的措施来改善通信状况。 l 改变信道数目，抽出较闲小区的信道板放入较忙小区的基站。 2 改变信道属性，在可以互换使用的信道之间平衡需求负荷a 3 调整基站覆盖范围，对于较忙的小区减小覆盖范围，反之较闲的小区增加覆盖范围。 4 修改切换参数，对于较忙的小区增大接入的门限电平，反之较闲的小区减小接入的门限 电平。 从以上手段可以看出，都有一个共同的特点：等价资源的重新分配a 1 中信道板就是等价 资源，2 中可互换使用的信道是等价的，3 和4 等效于减少忙区的用户数目，；是k i l c g d 、区的等 价资源间接的合理再分配。由此可以得到，资源分配的灵活性将带来潜在的通话容量。这个 特点在分布式无线通信系统中得到了最大程度的发挥，因为那里整个网络的资源在同一层次 e 很大程度都是可以互换使用的。 6 - 分布式无线通信系统接入协议设计和仿真 资源的重新整合，增加资源的分配灵活性一直都是系统升级的方向，不论是通信还是其 他领域，也不论是无线的还是有线的。在有线通信领域，链路的大容量效应。c d m a 的扩频 码不是非固定形式，而是采用了动态的分配也体现了这个特点。 另外还有一种手段是，小区的微小化，如图2 i 所示。常规的小区被称为宏小区( m a c r o c e l l ) ， 把宏小区进行分割可以得到微小区( m i c r o c e l l ) ，如果仍然需要进一步的分割可以达到微微小区 ( p i c o c e l l ) 。如下图3 所示，由于上方三个宏小区由于用户比较集中，为了满足这部分用户的 通话需求，把这三个宏小区进一步细分成微小区。此时，最上方的宏小区内的微小区仍然无 法满足需要，继续分割为微微小区。 小区的缩小有两个意义：一个是可以增大网络容量，以适应用户密度不断增大：二是适 应通信个人化的需要。通信的个人化首先是移动终端的微小化，用户端发射功率要低。只有 减小小区的半径才有可能。 图2 一l 层次化的小区 3 传统资源优化手段的局限性 没有一个通信系统是完美的，每一个通信系统都有其自身固有的弊端。要从根本上改善 通信质量，只能通过根本的变革，丽不是枝端末节的修补。移动通信系统利用无线电波进行 信号的传递，这个本质就决定了它：1 小区半径最大不能超过一定的界限，因为太大的小区 会使得边缘地区的移动通信终端的信号强度非常微弱，以至于不能正常通信；2 最小不能小 于一定的界限，只有一定的空间间隔存在才有可能对有限的频率资源进行复用，如果为了增 加容量而盲目缩小小区的半径只会达到相反的效果，因为同小区以及相邻小区信号之间的干 扰将随着半径缩小变强。c d m a 系统是自扰系统，所有移动用户都使用用相同频点，就不可 分布式无线通信系统接入协议设计和仿真 避免的受到远近效应的影响。为了克服远近效应必须引入功率控制，也就带来了控制的复 杂性。功率控制的目标是在不影响通信的情况下，尽量减少发射信号的功率，使得任何同一 个小区内部的移动终端信号到达基站时平均功率基本相同。 由基站明确界定的小区决定了移动终端在移动过程中必须进行基站切换。微小区的局限 在于基站必须准确估计移动通信终端的移动速度，否则较大速度的移动终端在微小区层次内 移动会引起过于频繁的切换，增加不必要的系统开销。增加小区的层次可以解决高速运动终 端的切换问题，但是层次多必然导致系统复杂；小区增加直接导致基站设备增加，提高了运 营的成本，这是所有运营商不愿意看到的。硬切换使得通话质量受到影响。为了解决硬切换 问题，引入软切换。应该注意到软切换是对基站小区机制的一种突破，移动终端可以同时属 于两个小区，占用两个小区的资源。软切换的概念也为分布式无线通信系统作了必要的铺挚。 4 逐步的演化 41 软切换的分集 软切换是相对于以往系统”先断开，后建立”( b r e a k - - b e f o r e - - m a k e ) i 拘硬切换而言的平滑切 换方式。硬切换中，移动用户和基站的通信链路有一个非常短暂的通信中断时间。现在导频 信道载波频率相同时，小区之间的信道转换都是软切换。软切换转换了导频信道p n ( p s e u d o n o i s e ) 序列偏移，载波频率不变化。切换过程中，移动用户和原基站和新基站都保持着通信 链路，可以同时和两个或者多个基站通信，只有在新小区建立起稳定通信后，原基站才中断 和该移动通信终端的链路。软切换是”先建立，后断开”( m a k e b e f o r e b r e a k ) 的i t 程。软切换提 供正向业务信道和反向业务信道的分集，使得处于小区边缘的移动终端的信号能干比得到提 高。研究结果显示，在允许多个基站采用最大比分集的时候，甚至使得边缘地带的移动终端 的接收信号有最大的能干比。采用软切换的移动终端必然需要时时测量原基站和相邻基站的 信号强度，并把测量结果通知基站。这是目前移动通信中移动终端探测通信环境的唯途径。 分布式无线通信系统中也沿用了这样的机制。 4 2 小区的层次化 上节不仅说明了小区微小化的益处，也看到了微d 、化所带来的种种弊端，其中制约其厂 泛应用的是不能适用于所有速度的移动终端，只能对于速度较慢的终端有益处，然而对于车 载无线通信系统，由于速度快，在缩小的微小区或者微微小n z f 日 n 3 n 了繁重的非必要切换。 解决的办法就是层次化，对于不同速度的移动通信终端，使用不同层次的小区。速度慢的移 动通信终端使用微小区或者微微小区以提高系统容量，速度快的移动通信终端使用宏小区以 减少移动网络对于它的切换开销。但是，一定程度上又是以系统的控制复杂度作为代价的。 因此，迫切的需要从根本上改变这种将要成为移动通信发展桎梏的小区机制。 分布式无线通信系统接入协议设计和仿真 43w c d m a 系统中的分布式覆盖 布式覆盖解决方案通过采用分布式覆盖技术，将w c d m a 系统的容量转化为覆盖，在节 省机房的前提下改善系统覆盖性能。分布式覆盖技术是将大容量宏小区基站集中放置在可获 得的中心机房中，基带部分集中处理，射频部分通过光纤拉远，分置于网络规划所确定的站 点上。 分布式覆盖技术有以下优点： 由于基带信号处理部分集中放置，射频部分置于天面，从而节省了常规解决方菜所需 要的大量机房。 通过采用大容量宏基站支持大量的光纤拉远，实现了容量与覆盖之间的转化。 通过基带部分在大容量宏基站集中处理，多个远端无线单元r r u ( r e m o ：e r a d 0u n i i ) 可以共享基带资源。因此建设支持相同话务量的网络，可以节省基带投资。 网络发展之后，随着用户数的增加，网络容量需求增加， 刀期通过分布式覆盖技术建 立起来的容量与覆盖之间的平衡可能被破坏，因此需要想办法对网络的构成进行调整，以致 复网络容量与覆盖之间的平衡。考虑到对已有用户的质量保证，该调整过程应该是平滑的 分布式覆盖技术支持平滑扩容，当用户增加产生新的容量需求时，分前亍式覆盖技术通过“扩 容不加站”实现对网络的平滑调整。 r r u 与主基站之间采用光纤连接，与常规解决方案中天线与机房之间馈缆连接相比，可 以免除其带来的馈缆损耗。 这种技术利用了光信号和无线信号的等价转换技术( 光纤拉远技术) ，提出了基站的台并 和覆盖末端的简单化，是很有前瞻性的改进。但是，由于只是简单的基站物理位置的合并 主要目标定位于机房的减少，使得优势得不到最大程度的发挥。 5 变革意义上的虚拟小区 传统的小区机制是一种有效的机制，但是绝对不是一成不变的机制。它是一定历里条件 下的产物，是由当时的技术条件和业务需求所共同确定的。经过十余年的发展，无线通信方 面的新兴技术层出不穷，同时用户的需求不断地扩大。这就必然要求有新的机制替代它。经 历了十余年发展演进的小区通信技术已经到了取得全新突破的前夜，采用全新的网络结构以 及全新的无线传输理论与技术解决频率资源有限与通信业务量爆炸式增长的矛盾已成为可 能。目前世界各国在推动第三代移动通信系统产业化的同时，目前已把研究重点逐渐转入后 三代f b e y o n d3 回移动通信技术的先期研究，在概念和技术上寻求创新和突破，从而使无线通 信的频谱效率、容量和速率有十倍甚至百倍的提高。 需要一种根本上的变革，分布式无线通信网络机制就是其中之一。基于天线分布式覆盖 的新型无线接入网络结构可以成倍提高无线通信系统的容量和性能，解决无线频率资源紧张 以及空中传输速率有限的阃题。以多层次分布的分布式无线通信系统为基础的无线接入体系 9 分布式无线通信系统接入协议设计和仿真 结构突破了传统的小区概念。如图2 2 以及2 - - 3 所示，分布式无线通信系统中的小区已经 和传统意义上的小区有着截然不同的区别，确切的说分布式无线通信系统中小区是一个虚拟 的概念，移动终端作为虚拟小区中心，虚拟小区随着移动终端的移动而移动。分布式天线网 通过高速光纤网在处理节点网络层次上进行集中的信号处理和分发控制，从而充分利用空削 资源，成倍地提高无线频谱利用率及系统容量。 图2 2 传统移动通信系统小区 图2 3 分布式无线通信系统虚拟小区 分布式无线通信系统接入协议设计和仿真 第三章分布式无线通信网络 1 从改良到突破 取消了固定僵化的小区界限，引入一种灵活的虚拟小区机制，分布式无线通信系统改变 t - - + 现状：若干个移动终端同时属于一个小区，受一个基站控制。使得用户端的通信环境 具有更大的个性化特征，两个移动终端有可能相距很近，但是利用的网络设备资源却不相同。 这就使得原本清晰的资源竞争变得模糊了，原来不能同时使用的资源能同时得到利用，也引 x t n 过 n 调配提高系统性能的可能。通过这样的措旋达到了传统的小区微小化和层次化 所希望达到的目标，但是并没有带来小区微小化层次化所带来的弊端。移动通信终端不再区 分切换状态和正常的通信状态，它始终用一种简单的方式监控并跟踪周围的通信环境。m n 对于本身所属的p n ，即虚拟基站v b s ，随外界通信环境而随时更新。并且随时向网络报告 当时的v b s 。剩下的控制对于m n 完全是透明的。这样，不需要区分移动通信终端的速度大 小，简化了控制机制。利用了软切换的分集方法来提高信号的信噪比，但是提供了更犬的灵 活性，甚至可以由此对通信的质量进行分类，完成定程度上的q o s 控制，是运营者提供的 服务更加贴近用户需要，避免不必要的浪费。分布式无线通信系统从分布式无线覆盖借鉴了 光纤拉远技术，简化了接入网末端开销，但是不再是基站简单的集中放置，而是利用全新概 念的基带信号处理节点p n 进行处理a 整个分布式无线通信网可以分为四层：d a n ：d i s t r i b u t e d a n t e n n a n e t w o r k 分布式天线刚； d f n ：d i s t r i b u t e df i b e ro p t i c t r a n s m i s s i o nn e t w o r k 分布式光接入网；d p n ：d i s t r i b u t e d p r o c e s s i n g n e t w o r k 分布式处理网；d c n ：d i s t r i b u t e d c o r e n e t w o r k 分布式核心刚。 图3 1 网络层次 o 口 分布式无线通信系统接入协议设计和仿真 2 分布式天线网( d a n ) 分布式天线网是分布式无线通信系统的最外层次，也是最具有革新特色的层次。由数目 巨大的功能简单的天线单元a u ( a n t e n n au a i t ) 组成，是网络覆盖的标志，可以通过加设a u 来缓解某区域的用户密集问题。传统的网络以基站为中心，并且g s m ，a m p s ，t a c s 等f d m a ， t d m a 系统还划分小区来复用频率，而且这些小区由于技术上和成本上的限制不能太小。这 样就产生了一个问题：移动终端达到基站的功率由于距离或者环境的不同而差异很大，这就 引出了无线网络中的一个复杂而重要的课题功率控制。尤其是c d m a 的系统体系中，功率控 制的效果对通话质量或者数据包的误比特率的影响几乎是决定性的。然而在分佃式无线通信 系统下，由于分徊式天线网络层中的天线单元在网络覆盖范围内的普遍存在，一个移动终端 能到达所有天线的功率之间差别就不再是由一个数值决定了，而是所有功率的作用总和，还 可以改变a u 的接入电平来控制天线的覆盖范围动态调整a u 之间的覆盖误差，使得运营商 可以在不大幅度增加网络投资的情况下，达到真正的最优覆盖。 分布式天线网络层是移动终端信号接入网络后的第一层逻辑网络，天线被大密度大数量 地分布在所要覆盖的地区，来达到增加网络的覆盖率的目的，所以这个层次上的网络实涔必 须功能上简单而且价格上低廉。而天线单元符合了这个工程上的要求，仅仅完成了一一个信号 的接收以及无线信号到光信号的转换过程，然后直接把光信号通过d f n 转发到上层的d p n 实体进行信号合并处理。 3 分布式光接入网( d f n ) 分布式光接入网是第二个层次，连接d a n 和d p n 。但是，它和其他层次不同，不是由 有处理能力的网络设备组成。它实际上只是利用光纤传输无线信号，完成无线信号到光信号 的转换，可以看成是一个无线接口的有线延伸。但是，这种光纤拉远技术对于分布式无线通 信系统来说是一个前提性的部分。所以把它概念上提出来作为一个层次。只有可以把天线接 受下来的电信号几乎无失真地传输到远端的处理节点，才能使得合并信号的时候达到预期的 最好效果。 d f n 也会带来一些本来不存在的干扰，原来相距很远的m n 本来并不会互相产生太大的 影响，但是由于被转换成了光信号，在公共的d f n 中传输，而且不同天线进来的无线信号就 可能被混合在同一根光纤内传输。所以，有可能引入额外的超远距离的信号干扰，这在仿真 中不能忽略。 4 分布式处理网( d p n ) 分布式处理网是分布式无线通信系统的第三个层次，也是最为核心的一个层次，所有的 基带信号的合并处理过程，调制解调过程，虑波过程和编解码过程都是在分布式处理网上的 处理节点p n 上具体实现的。它还承担大部分物理层和链路层的工作。机制上利用的是分布 式的处理，保证了整个网络的分布式特性：任何一个d p n 实体的故障或者拥塞都不会产生严 1 2 - 分布式无线通信系统接入协议设计和仿真 重影响，多出的网络负荷可以通过其他的处理节点得到处理。这样就把原来传统系统中的基 站集中式处理中完全的通信终断减轻为通话质量或者包的误比特率提升，系统的健壮性大大 改善。 d p n 中的处理节点p n 还可以融入软件无线电特性，使得分布式无线通信系统是独立于 通信的其他特性的，比如f d m a ，t d m a ，c d m a 的系统都可以利用分布式无线通信系统达 到增加信噪比的目的。 5 分布式核心网( d o n ) 分布式核心网络是整个系统的最高层网络结构。分布式核心网络的可以通过i p a t m 网络 互相连接，可以和i n t e m e t 以及现有的电信网络有机的结合在一起，实现分布式无线通信网络 和其他网络的互联互通。分布式无线通信网络同时也可以在没有独立铺设主干网络的情况下 作为一种接入网柬提高某地区的通话质量或者服务覆盖率。这些特性使得分布式无线通信网 络具有很强的适应能力和应用潜力。 分布式无线通信系统接入协议设计和仿真 第四章分布式无线通信网络的基本特性 1 信号的分集接收 信号分集本质上来说就是一种冗余效应，多个样本的信号被同时作为得到原始信息的依 据。传统的多天线分集般要求两个天线之间的距离大于1 0 个微波波长，作为把不同天线收 到的信号经过的信道视为互相独立的一个条件。这些天线收下来的信号立即在本地处理，增 加天线的复杂度显然费用也跟着提高。在软切换的情况下，信号衰落独立性得到了保证，因 为这时不同信号样本所走的路径完全是独立的。但是，由于软切换过程并不是一个正常的通 信状态，大多数通信还是在非软切换过程中完成的，而且目前的软切换多采用两个基站转发 的信号样本的选择性分集，这种情况下所能得到的信号信噪比增益将十分有限。在分布式无 线通信系统中，可以说是传统天线分集的一个扩大化，软切换分集的一个普遍化和加强化， 具有天然的抗多径衰落效果。对于c d m a 系统而言，由于是干扰受限系统，只要是能减少干 扰的措施都能提高系统的容量。减少干扰的最终目的就是提高信噪比，这一点夸分布式无线 通信系统中也得到了体现。因此，我们可以预见分布式通信系统和c d m a 的结合必然会提高 系统的容量，增加c d m a 系统软容量的弹性。原来需要在基站完成的最大合并比分集被上提 到p n 处理，使得昂贵设备的维护集中化简单化，故障风险也减少。 但是，分布式无线通信系统潜在的引入一个时延的问题。所有的无线信号都需要先进行 一次到光信号转换，然后在信号处理节点p n 内需要等到所有的样本到达，最后才能进行分 集处理恢复原始信号。这样，分布式无线通信系统必然会带来一定的时延，这电是为了信号 恢复效果和系统容量的一个代价。 2 分布式信号处理 从上面的系统层次描述可以看出整个网络从d c n 到d a n 完全是分布式的结构，各个功 能节点按需要分布在不同的地理位置，简化施工实现难度。在某一个平面内，所有的功能节 点在地位上都是平等的，必要的时候可以互换弥补，实现资源的灵活调度。网络中某个移动 终端发送出的无线信号到达所有能到达的天线，功率大于门限的信号被转化为光信号并且经 过光纤传输到天线各自所属的处理节点，最后在虚拟基站v b s ( m n 决定的所属基带信号的处 理节点1 上进行分布式的信号处理。基带信号处理节点p n 当出现故障的时候对光信号是透明 的，属于它的天线接收上来的信号可以按照一定的规则继续转发到某个特定的空闲的p n 继 续进行信号的处理，缓和了集中式系统中设备故障对系统整体性能的威胁性。 d a n 的分布式优势体现在：1 可以根据区域活动m n 的密度来增减a u 的数目。用户少 的时候，相互间的干扰也就小，此时无需阶数太大的分集来弥补信噪比，运营商可以安装较 少的a u 来达到减少运营成本。用户多的时候，相互间的干扰也就大，此时需要阶数较大分 集来弥补由于用户数目大而引起的信噪比下降，运营商可以安装相对较密集的a u 来提高通 1 4 分布式无线通信系统接入协议设计和仿真 信质量。2 由于功率门限上调可以等价于a u 覆盖面积的减小，也就是等价于a u 覆盖密度的 减小；反之，功率门限下调可以等价于a u 覆盖面积的增大，也就是等价于a u 覆盖密度的 增大。这就提供了一种可能：可以按照不同时刻活动m n 数目的不同来实时调整a u 的接入 功率门限。活动用户少的时候，上调功率门限，p n 不会因为天线加设的过于密集而作许多无 需的计算：用户多的时候，下调功率门限，不会因为天线加设的过于稀疏而在这段时间内影 响系统的性能。