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摘要 宽带无线城域网实时通信系统中休眠机制的研究与实现 摘要 如今用户对于宽带无线化及移动化需求的显著增加，业已出现的 各种移动应用都宣告着移动时代的来临。移动系统中手持设备电池能 量的有限性使得如何有效使用能量至关重要。高效的能量节省策略及 算法对于保证移动通信系统的性能及稳定性具有极其重要的意义。 本课题来源于中国科学院计算技术研究所“下一代宽带无线网络 通信系统”项目。该项目作为北京市科委的科技计划项目执行过程中 与英国芯片制造商p i c o c h i p 公司合作。笔者在参与项目期间负责系 统中h a r q 及休眠两个重要模块的全部设计、开发、调测工作。在此 基础上，对系统中能量节省策略一休眠机制的相关问题进行了深入 研究。本文完成的具体工作和创新之处概括如下： 首先，简要介绍了能量节省策略休眠机制及算法的发展状况，较 为详细的介绍了w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、w l a n 等无线移动网络中采用的休 眠机制。然后对i e e e 8 0 2 1 6 协议中的休眠机制进行了详细介绍及深 入分析，指出了该机制中待完善之处，作为后续研究和待解决的重点。 其次，详细介绍了i e e e8 0 2 1 6 无线接口技术规范的特点和技术 优势，深入分析了物理层和媒体接入控制层的协议栈体系结构。详细 介绍了宽带无线城域网实时无线通信系统解决方案所采用的硬件平 台、软件系统，同时概要说明了该系统下休眠模块的设计与实现。 第三，针对本人工作的重点，对无线城域网实时通信系统中的休 眠机制的实现方案加以详细介绍和说明，并将该方案在l i n u xo s 下 以网络驱动程序的方式实现及测试，包括基站和移动台休眠模块。 最后，对休眠机制中的参考场景进行数学建模，针对本人提出的 休眠机制实现方案在0 p n e t 仿真环境下进行仿真，对休眠机制中参数 选取对于系统性能的影响进行分析并得出的结论，对以后的研究具有 指导性意义。同时，将休眠机制与切换机制结合起来考虑，将是论文 进一步研究的方向。 关键词：能量节省休眠机制i e e e8 0 2 1 6 实现o p n e t 仿真 a b s t r a c t t h el m p l e m e n ta n dr e s e a r c ho ns l e e p m e c h a n i s mi nw i d e b a n dw l r e l e s sw m a n r e a lt i m ec o m m u n i c a i t o ns y s t e m a b s t r a c t a st h e u s e r s k e e p i n ga n di n c r e a s i n gd e m a n do fw i d e b a n da n d m o b i l es e r v i c e sn o w , a l lv a r i e t i e so fe m e r g e dm o b i l ea p p l i c a t i o n sh a v ea l l c l a i m e df o rt h ea r r i v a io fm o b i l ee r a n om a t t e ri nw h a tk i n do f m o b i l en e t w o r k s ，b e c a u s et h ee n e r g yo fh a n d s e t sa r ev e r yl i m i t e d ，s o e n e r g ys a v i n gi so fg r e a ti m p o r t a n c e ，e s p e c i a l l yc o m p a r e dw i t hw i r e dl i n e n e t w o r k s s oi th a sh u g ei m p o r t a n c eo f d e s i g n i n ge f f i c i e n tp o w e rs a v i n g a l g o r i t h m sa n ds t r a t e g i e st og u a r a n t e et h ep e r f o r m a n c eo fc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s t h i st h e s i sc o m e sf r o mt h e “n e x tw i d e b a n dw i r e l e s sn e t w o r k s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ”p r o j e c to fc a s i c t t h ep r o j e c ti sa l s on a m e d a st h es c i e n c el a y o u tp r o j e c to f t h es c i e n c ec o m m i a e eo f b e i j i n g ，a n dw a s c o o p e r a t e dw i t ht h eb r i t i s hc h i pd e s i g n e rp i c o c h i pc o m p a n y t h e a u t h o rw a sr e s p o n s i b l ef o ra l lt h et w o i m p o r t a n ts y s t e mm o d u l e s d e s i g n i n g ，c o d i n g ，a n dt e s t i n gr e l a t e dw o r k ，w h i c hw a sn a m e dh a r q m o d u l ea n ds l e e pm o d u l e a n dd i dad e e pr e s e a r c hi n t ot h es l e e p m e c h a n i s mr e l a t e dp r o b l e m sb a s e do nf o l l n e rf o u n d a t i o n t h ec o n c r e t e w o r ka n dh o v e lj d e a sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h ed i s s e r t a t i o nb r i e f l yi n t r o d u c e st h ee v o l u t i o no ft h ep o w e r s a v i n gt e c h n o l o g y , d os o m es u m m a r i e sa n dc o m p a r i s o no ft h ep o w e r s a v i n gm e c h a n i s m sa d o p t e di nw c d m a ，c d m a 2 0 0 0 ，l a ns y s t e m s i n g e n e r a l a f t e rt h i s ，t h ep o w e rs a v i n gm e c h a n i s mo fi e e e 8 0 2 16i s i n t r o d u c e da n da n a l y z e d 1 1 1 i sd i s s e r t a t i o np o i n t so u ti t s s h o r t c o m i n g s w h i c hw i l lb et h ep r o b l e m st ob es o l v e d s e c o n d l y , t h i s d i s s e r t a t i o n p r e s e n t st h e c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e i i i 北京邮电人学硕十学倚论文 t e c h n i c a la d v a n t a g e so ft h ei e e e 8 0 2 16s p e c i f i c a t i o n s ，i n c l u d i n gt h ed e e p a n a l y s i so f i t sp h ya n dm a ci a y e rp r o t o c o ls t a c ks t r u c t u r e a d d i t i o n a l l y , i ti n t r o d u c e st h es o f t w a r es y s t e mo ft h er e a l i z a t i o no ft h ei e e e 8 0 2 1 6 e m a ca sw e l la st h eh a r d w a r es y s t e m a n dg e n e r a l l yd e s c r i b e st h ed e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o no ft h es l e e pm o d u l eu n d e rt h i ss y s t e m t h i r d l y ，a sf o rt h em o s ti m p o f t a n tp a r to ft h i st h e s i s ，ac o n c r e t e i n t r o d u c t i o na n dd e s c r i p t i o na g a i n s tt h es l e e ps c e n a r i ou n d e rt h i sp r o j e c t p l a t f o i t ow a sp r e s e n t t h i ss o l u t i o nw a si m p l e m e n t e da n dt e s t e du n d e r l i n u xo sa s , n e t w o r kd r i v e rp r o g r a m i n c l u d i n gb s & m ss l e e pm o d u l e s f i n a l l y , t h em a t h e m a t i c sm o d e lu s e df o rd e s c r i b i n gt h er e f e r e n c er e a l s c e n a r i ow a sb u i l t t h es i m u l a t i o nu n d e ro p n e ts i m u l a t o rw a sd o n e a g a i n s tt h es l e e ps c h e m ep r o p o s e di nt h i sp a p e r t h ei m p a c t o fs l e e p m e c h a n i s mp a r a m e t e r so ns y s t e m s o v e r a ip e r f o r m a n c ew a sa n a l y z e df o r b e i n gu s e da ss o m eg u i d e l i n e sf o rf u t u r er e s e a r c h t h ec o m b i n a t i o no f s t e e pa n dh a n d o v e rc o u l db et h en e x t - s t e pr e s e a r c hd i r e c t i o n k e y w o r d s ：e n e r g y s a v i n g s l e e pm e c h a n i s m i e e e 8 0 2 16o p n e t i m p l e m e n t 缩略语表 w i m a x p d u s d u m a c c i d b s s s ，m s m i m 0 q o s a a s a r q h a r q o f d m a t d m a o f d m d c d u c d d i u c u i u c d l m a p u l m a p l o s n l o s f f t i f f t f e c c i n r r s s i a p i 【e t f w m a n a a a s c a f u s c p u s c 缩略语表 w o r l d w i d ei 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 i n g 全球微波且联接入 p r o t o c o ld a t au n i t协议数据单元 s e r v i c ed a t au n i t业务数据单元 m u l t i m e d i aa c c e s sc o n t r o l多媒体接入控制 c o n n e c t i o ni d e n t i f i e r连接标识符 b a s es t a t i o n基站 s u b s c r i b e rs t a t i o n m o b i l es t a t i o n用户台移动台 m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 多输入多输山天线系统 q u a i l t yo f s e r v i c e 服务质苗 a d a p t i v e a n t e n n as y s t e m 自适应天线系统 a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t自动重传请求 h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t 混合白动重传请求 o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s 上e 交频分多址 t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s时分复川时分多址 o a h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 止交频分复用 d o w n l i n kc h a n n e ld e s c r i p t o r下行信道描述 u p l i n kc h a n n e ld e s c r i p t o r 上行信道描述 d o w n l i n ki n t e r v a lu s a g ec o d e下行链路时隙使刖码 u p l i n k d o w n l i n ki n t e r v a lu s a g ec o d e 上行链路时隙使川码 d o w n l i n km a pr 行链路映射 u p l i n km a p 上行链路映射 l i n e o f - s i g h t n o n l i n e o f - s i g h t 视距非视距 f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m快速傅立叶变换 i n v e r s ef a s tf o u r i e r t r a n s f o r m反向快速傅立叶变换 f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n 前向纠错 c a r r i e ri n t e r f e r e n c ea n dn o i s er a t i o载波干扰比 r e c e i v es i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t o r接收信号强度指示 a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e 应f j 程序接口 i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e 互联网j ￥任务组 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 无线城域网 a u t h e n t i c a t i o n a u t h o r i z a t i o na n d a c c o u n t i n g鉴别、授权和计费 s i n g l e c a r r i e r a d a p t i v em o d u l a t i o n 单载波白适应调制 f u l lu s a g eo f t h es u b c h a n n e l s 全使川子信道 p a t i a lu s a g eo f t h es u b - c h a n n e l s部分使川子信道 北京邮电人学硕十学何论文 a m c l d p c m d h 0 f b s s c s c p s p s c c b r b e u g s r t - v r n p s m o b t r f i n d t l v t t g r t g r r c u r a c s m a c a d c f u m t s c d m a w l a n u t r a n d r x p c h p l l c f p s c i d s l p l d a d a p t i v em o d u l a t i o nc o d i n g 自适应调制编码 l o wd e n s i t yp a r i t y c h e c kc o d e s低密度奇偶校验码 m a c r od i v e r s i t yh a n d o v e r宏分集切换 f a s tb a s es t a t i o ns w i t c h i n g快速b s 切换 c o n v e r g e n c es u b l a y e r 汇聚子层 c o m m o np a r ts u b l a y e r公共部分子层 p o w e ts a v i n gc l a s s 能量常省类 c c i n s t a n tb i tr a t e 州定比特流 b e s te f f o r t尽力而为业务 u n s 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e 唱e n c e 物理层无关汇聚功能 f u n c t i o n p o w e rs a v i n gc l a s si d e n t i f i e r p s c 标识符 s l e e pi d e n t i f i e r 休眠标识符 m o b t r f - i n d m o b i l e t r a f f i c i n d i c a t i o n m o b s l p r e q m o b i l e _ s l e e p _ r e q u e s t m o b - s l p - r s pm o b i l e _ s l e e pr e s p o n s e 7 4 移动性流鼙指示 移动性体民请求 移动性休眠响应 独创性( 或创新性) 声明 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：堂堇日期：鲴：兰：丝 关于论文使用授权的说明 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：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 篮 仝至型 日期：2 坠：建 只期：竺z ! ：! = 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 在过去几十年中，移动手持设备包括蜂窝电话已经变得非常普及。当前能提 供语音和高速宽带数据业务的新型系统正在发展之中。提供最后一公里的接入是 制约通信发展的瓶颈，近1 0 年来，有线宽带接入技术，如x d s l 、c a b l em o d e m 等技术都取得了巨大的成功，但是由于受限于缆线资源和技术覆盖能力，全球仍 有很多的用户无法享受宽带接入服务，特别是偏远郊区。伴随着蜂窝技术、无线 通信技术的发展，宽带无线接入逐渐成为用户新的选择。目前，i e e e 8 0 2 1 6 协 议，就是i e t f 为实现宽带无线接入而丌发的一种协议，它作为发展势头非常强 劲的一种无线网络技术，提供最后一公里宽带无线接入的解决方案，并可作为 3 g 蜂窝通信网的补充甚至替代技术【1 7 】。 移动w i m a x 自身拥有许多技术优势和成本优势。如：能实现5 0 公里的无 线信号传输，网络覆盖面积是3 g 发射塔的l o 倍；高速的宽带接入最高达7 0 m s ， 是3 g 所能提供的宽带连接速度的3 0 倍左右；支持移动接入，i e e e 8 0 2 1 6 e 在终 端固定情况下增加终端有限的移动能力，移动速度可达1 2 0 k m h 。而且移动 w i m a x 由于其网络不见较少甚至可以得到不超过蜂窝数据业务成本的低成本。 所有这些都使得无线网络应用的范围大大扩展，更使得移动w i m a x 吸引了业界 浓厚的兴趣和青睐。 然而由于无线移动环境中，移动设备靠电池供电，存储在电池中的能源是极 其有限的，所以现有的无线通信的多址接入协议都考虑到了如何最有效的进行电 力节省，如何提高节点及网络的能量有效性，使网络在有限的能量条件下能够工 作尽可能长的时间。比如蜂窝数字分组数据( c d p d ) 、g s m 、w l a n 、c d m a 2 0 0 0 、 w c d m a 、无线传感器网络等都允许移动终端采用不同的省电模式。 作为移动性部分的一个扩展，w i m a x 系统在8 0 2 1 6 e 中定义了切换过程及 休眠操作模式，但却没有具体给出如何实现休眠机制及具体的休眠算法。引入休 眠是无线网络m a c 协议提高能量有效性的重要手段，休眠机制也是当前m a c 协议研究的热点方向。 本课题来源于中国科学院计算技术研究所“下一代宽带无线网络通信系统” 项目。该项目是北京市科委的科技计划项目，属于北京市i p v 6 重大专项，并在 北京邮电人学硕十学位论文 该项目执行过程中，与英国的p i c o c h i p 公司合作进行产业化推广。p i c o c h i p 公司负责p h y 层芯片的设计与实现，中科院计算所负责向p i c o c h i p 提供 w i m a xi e e e s 0 2 1 6 d em a c 层软件原型。在该项目组1 0 个月的实习过程中， 笔者负责h a r q 模块及休眠模块的研究与实现工作，包括概要设计、详细设计， l i n u x 内核念下编码、调试、单元测试等所有工作。 1 2 论文工作 本论文的主要工作包括实现和研究两个部分。首先深入研究i e e e8 0 2 1 6 e 协议，根掘协议中提出的体眠机制在“下一代宽带无线网络通信系统”项目中实 现基站和移动台的休眠功能，包括模块划分、接口设计、核心数据结构设计、信 令交互流程设计、休眠算法的仞步设计等。在这之上，对休眠机制应用场景进行 数学建模，并在o p n e t 工具下对休眠窗口参数选择对于整体系统性能的影响进 行仿真，以求实现更高效的休眠算法。根据研究目标，本文的研究内容主要包括 以下四部分： 1 ) 基于各无线移动通信系统中能量节省机制特点的归纳总结 深入研究并系统归纳总结了几种在当前通用的无线移动通信系统中所采用 的能量节省机制，包括u m t s 网络、c d m a 2 0 0 0 网络、w l a n 网络、无线传感 器网络等。 2 ) 基于i e e e 8 0 2 ，1 6 e 标准中休眠机制的研究与分析 重点研究分析了i e e e8 0 2 1 6 e 标准中的休眠机制，同时参考i e e e t a s kg r o u p 中休眠机制相关的d o c u m e n t a t i o n ，完成对休眠机制中原语交互、信令流程、休 e 普通状念触发切换过程等的定性定量分析。 3 ) 结合项目休眠机制解决方案的设计实现与测试 依据以上的理论分析，提出在“下一代宽带无线通信系统”项目中完整实现 休眠机制的具体方案，结合项目平台可用的软硬件资源基础在实际应用平台上加 以实现，并完成测试过程。具体包括基站、移动台两端的模块划分、接口设计、 核心数据结构设计、信令交互流程设计、休眠算法设计等。 4 ) 休眠机制应用场景数学建模及仿真 对休眠机制的应用场景进行数学建模，并在o p n e t 工具下对休眠窗口参数 选择对于整体系统性能的影响进行仿真，仿真结论对于实际休眠参数选耿具有指 导性意义。 1 3 论文的组织结构 根据本文的研究目标及内容，本文其余部分将依次介绍在各种移动无线网络 第一章绪论 中所采用的能量节省机制，w i m a xi e e e 8 0 2 1 6 协议标准、关键技术，笔者所 在项目体系结构概貌，该系统中休眠模块及算法的研究与实现等。具体的组织结 构如下： 第一章为绪论，简要介绍宽带无线城域网技术发展及其特点，能量节省机制 在移动无线通信系统中的重要意义，最后介绍了一下本文的课题来源及主要工 作。 第二章详细介绍了各无线移动通信系统中所采用的能量节省策略。依次对 u m t sw c d m a 网络、c d m a 2 0 0 0 网络、w l a n 网络中休眠机制的原理加以阐 述，对其特点进行归纳总结。深入分析了w i m a xi e e e8 0 2 1 6 e 中规定的休眠机 制，作为本文结合实际项目提出休眠解决方案的理论基础。本章介绍的内容涵盖 了各种无线移动网络中休眠机制的研究现状及发展方向。 第三章简单介绍i e e e 8 0 2 1 6 标准发展历程、协议栈结构、物理层m a c 层 技术特点之后，就在p i c o c h i p 硬件平台上的i e e e8 0 2 1 6m a c 层协议实现方 案，对实际项目的硬件平台、m a c 层协议软件系统架构进行详细系统的说明， 并仞步提出在该系统下休眠机制的实现方案。 第四章是本文工作的重点，分几个小节重点介绍本系统中b s m s 两端休眠 模块的设计与实现。包括对i e e e8 0 2 1 6 e 协议中休眠模式操作的建模分析，模块 结构、模块接口、信令流程、休眠算法设计、核心数据结构设计等。在实际应用 平台完成了协议中m a c 层基站移动台休眠机制设计、实现与测试。 第五章针对本文提出的休眠机制解决方案，在o p n e t 平台下进行仿真。根 据仿真结果得出休眠机制中参数选取对于系统整体性能的影响，该结论可作为实 际参数选取的理论依据。 第六章对本论文所完成的工作进行总结与回顾，提出有待完善之处及进步 研究方向，如将切换因素考虑到休眠算法的设计之中，将休眠算法与切换过程相 结合。 北京邮电人学硕十学何论文 第二章无线通信系统中的休眠机制 在专门介绍无线城域网系统i e e e s 0 2 1 6 标准中所采用的休眠机制之前，有 必要对其他无线移动通信网络中能量节省策略，即休眠机制的发展历程与研究现 状进行研究与分析。本章依次介绍了通用移动电信系统f u n i v e r s a lm o b i l e t e l e c o m u n i c a i t o ns y s t e m ，u m t s ) 网络、码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c e s s ， c d m a ) 2 0 0 0 网络、无线局域网( w i r e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k ，w l a n ) 网络中休h 民 机制的研究现状。 关于如何在无线网络中节省能量的研究很多，而且涉及从物理层到应用层的 各个协议层1 5 】1 9 】i j 3 1 1 4 】。物理层能量节省的目标在于硬件元件的设计优化上，比 如最小化元件的寄生电容以减小动态功率消耗或选择性地切断能量供给以减轻 能量泄漏。逻辑链路层负责组成格式包并负责纠错机制的选择。根据当前信道状 态进行自适应的自动请求重传( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ，a r q ) 是一种改进策 略，但对于将来信道状况预测的准确性和当前条件下的能量节省之阳j 存在折衷。 在网络层上实现能量节省的主要方法是路由算法，其中针对a d h o c 网络的路由 协议研究尤其多。部署在有线网络上时传输层协议工作得很好，但在无线环境下 却存在一系列问题。要解决这些问题可以通过连接分离，探察、创建支持链路， 甚至创建全新的端到端协议束实现，不过目前标准t c p i p 及u d p 协议在无线 数据传输领域还是占据着统治地位。在应用层提出了许多用于控制的技术，当无 线设备上电时对设备进行控制从而达到省电的目的，传统方法有c p u 电压测量 及调度。但具体控制信息需要根据不同应用独立决定。例如在w l a n 中针对应 用层的能量优化策略可以分为三种类型：负载分离，基于代理的控制及应用层的 特定优化。根据能量及性能需要，可在多个无线设备的软件上实现负载分离；应 用层的特定优化主要用于数据库和多媒体1 2 ”。 因为本文研究主要是针对m a c 层协议，所以在简要介绍其他各层所采用的 能量节省机制之后，重点对各无线通信网络中m a c 层休眠机制进行了详细介 绍。 2 1u m t s 通信系统休眠机制 u m t s 网络出核心网和u m t s 区域无线接入网( u m t st e r r e s t r i a lr a d i o a c e s s sn e t w o r k ，u t r a n ) 组成，可以支持高速移动多媒体应用。核心网负责呼叫 第二章无线通信系统中的休眠机制 数据连接到外网的交换及路由，u t r a n 负责无线接入相关部分。m s 通过基于 w c d m a 的空中接口与基站通信。u m t s 网络结构如下图所裂“】： a t m 异步倍输梗式 b u f f e r 缓存 c o r en e l w o r k ：核心同 e x t e r n a ln e t w o r k ：外部同 m s ：移动台 u t r a n ：通用移动通信系统陆地无线接入网 n o d eb 基站 u m t s ：通用移动通信系统 p r o c e s s o r 处理器 w c d m a 宽频分码多重存取 r n c 无线同络控制器 图2 - 1u m t s 网络结构 在u m t s 中，m s 的能源消耗对于无线数据传输是一个重要问题，数掘带宽 受到电池容量的严重制约。因此，通常采用能量节省机制减少电力消耗。u m t s 采用不连续接收( d i s c o n t i n o u sr e c e p t i o n ，d r x ) 机制。d r x 机制允许m s 在预 先规定好的一段时间( d r x 周期) 内关掉无线接收机，而不是对无线信道进行持 续帧听。 u m t sd r x 机制是通过在r n c 和m s 之阳j 实施无线资源控制( r a d i o r e s o u r c ec o n t r o l ，r r c ) 有限状态机来实现的。该有限状态机有两个模式，r r c i d l e 模式和r r cc o n n e c t e d 模式。r r ci d l e 模式中，m s 由核心网络跟踪而不涉 及u t r a n ，而当m s 和其服务r n c 之间建立r r c 连接后，m s 便进入r r c c o n n e c t e d 模式。该模式由四种状态构成：如果m s 获得了r r c 连接的专用信道， 它将进入小区专用信道( c e l ld c h ) 状态。如果给m s 分配的是公共或共享信 道，它将进入小区前向接入信道( c e l lf a c h ) 状态。只有在这两个状态中才能 进行数据通信。在小区寻呼信道( c e l lp c h ) 状态中没有上行接入链路，m s 将 选择一个寻呼信道信道来监视来自r n c 的寻呼消息。在以上三种r r c 状态 下，m s 移动到新小区时将执行位置更新。如果m s 接收包不频繁，则u t r a n 将指导m s 进入u r ap c h 状态来消除小区更新的丌销。在这种状态下，仅当 m s 跨越u t r a n 注册区( u t r a nr e g i s t r a t i o na r e a ，u r a ) 时才执行位置更新。 在c e l ld c h 和c e l lf a c h 状态下，m s 的接收机都处于丌启状态以接收 数据包，这两个状态对应能量活跃( p o w e r a c t i v e ) 模式。在r r ci d l e 模式，即 c e l lp c h 和u r ap c h 状态中，通过实施d r x 来减少m s 的能量消耗，这 两个状态模式对应着能量节省( p o w e rs a v i n g ) 模式。m s 的接收机活动对应如 下三个阶段： 忙( b u s y ) 阶段：数据传输阶段，u m t s 核心网通过r n c 和n o d eb 将包发 ，团啉 北京邮电人学硕十学位论文 给m s 。数据包在发给m s 之前都先缓存在r n c 缓存器中，当m s 处于a c t i v e 模式时以先进先出( f i r s ti n f i r s to u t ，f i f o ) 方式发给m s 。 非活跃( i n a c t i v i t y ) 阶段：r n c 缓存为空时启动r n ci n a c t i v i t y 定时器。如 果定时器超时前有包到达r n c 则终止定时器，r n c 处理器丌始传输数掘进入 另一个忙阶段；忙阶段和非活跃阶段m s 的接收机都处于开启状态。 休眠( s t e e p ) 阶段：定时器超时之前没有包到达，剐m s 关闭接收机进入 能量节省模式。m s 休眠长度包含至少一个d r x 周期。在d r x 周期结束时， m s 醒来帧听寻呼信道。如果在上一个d r x 周期中有包到达r n c ( 该m s 的寻呼标志被置位) ，则m s 终止休眠状态丌始接收包。如果在上一个d r x 周 期结束时仍没有包到达，则m s 继续休眠直到下一个d r x 周期结束。在p o w e r s a v i n g 模式中，r n c 不会给m s 发送任何数据包。u m t s 系统中有限状态机 图2 2 所示： c e l l d c h ：小区专用信道 c ：e l l - f a c h ；小区前向接 信谨 c e l l p g h 小区寻呼信道 c o n n e c l e dm o d e ：莲撬状态 p o w e r q e l v e m m o ，。w e r 。a v t n e m 。a e i d l eu o d 8 空闲状态 p o w e ra c t m o d e ：i 量活跃梗式 p o w e re a 卅n gm o d e ：麓量节约桓式 u r a p c h 注册区一寻呼信遭 图2 - 2u m t s 网络有限状态机 2 2c d m a 2 0 0 0 通信系统中休眠机制 在c d m a 2 0 0 0 中采用码分多址技术来满足下一代无线通信系统的需求，利 用增强m a c 协议( e n h a n c e dm a cp r o t o c 0 1 ) 提供多种省电的模式【伦】。由于空中 接1 ：3 容量的有限性，基站设备数量的有限性以及移动台功率消耗的限制，为分组 数掘服务的用户按需提供专门信道，并在数据传输活动期结束后立即释放信道。 然而，由于在b s 和m s 能够进行数据发送之前需要经过重新协商的过程，引 入了时延和信令开销。为了避免这些信令和时延开销，c d m a 2 0 0 0 m a c 协议允 许初始化阶段完成后m s 和b s 保存一系列的信息状态，利用定时器作为m a c 状念转移的触发条件。由于定时器时间的设置值在电力节省和包平均传输时延之 第二章无线通信系统中的休眠机制 间有一个折衷，所以选择恰当的定时器值是非常重要的。 对于物理层无关汇聚功能( p h y s i c a ll a y e ri n d e p e n d e n tc o n v e r g e n c ef u n c t i o n ， p l i c f ) 数据服务，c d m a 2 0 0 0 有许多状态机，比如正常及时隙子状态( n o r m a l s u b s t a t ea n ds l o t t e ds u b s t a t e c h s ) ，活动状态( a c t i v es t a t e ，a s ) ，虚流量及时隙子 状态( v i r t u a lt r a f f i cs u b s t a t ea n ds l o t t e ds u b s t a t e ，s s ) ，以及空状态m u l ls t a t e ) 。 空状态是激活包服务前的默认状态。当激活包服务、建立专用m a c 控制信 道( d m c hc o n t r 0 1 ) 之后，转到正常及时隙子状态。活动状态中维持专用酊向反向 的控制数据信道，用于无线链路协议( r a d i ol i n kp r o t o c o l ，r l p ) 帧的交换。经 过一段时间的非活动状态之后，m s 将从活动状态转到j 下常及时隙子状态。正常 及时隙子状态中，专用的数据信道资源将被释放，但仍保留专用m a c 信道 ( d m c hc o n t r 0 1 ) 以便能在需要时快速重新分配数据信道。这样，c d m a 2 0 0 0m a c 就在提供了快速返回活动状态的同时，也提供了时隙f s l o t t e d ) 操作模式来节省 电力。 如果当前处于c h s 的正常子状态，并处于非活动状态一段时间后，将转移 到c h s 的时隙子状态。在时隙状态中，周期性的启用和禁用导航( p i l o t ) 信道及 功率控制信道以实现最小的电力消耗。但只对分组语音业务这样的时延敏感型业 务提供这种电力节省的功能。对于数据业务这样的时延不敏感业务，再持续非活 动状态一段时间之后，将转移到时隙子状态，因为f 常及时隙子状态中的时隙子