（通信与信息系统专业论文）c3ga系统级仿真平台的设计与实现.pdf

r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南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。 研究生签名：，羔邑生z e l 期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：主逐么尹师签名：。勺r 一 0 的小区中选择q r x l e v m e a s 值最人的小区进行驻留。 ( 2 ) 搜索卜行导频时隙d w p t s 在初始小区搜索的第二二阶段，终端匹配f 行同步码与基站建立下行同步，并据此开启时分中断，这个 步骤通常使用一个或一个以上的匹配滤波器来捕获下行同步码。在这个过程中终端确定目标小区使用的是 3 2 个卜行同步码集中的某一个。 ( 3 ) 读取系统信息 下行同步完成之后，终端开始接收并获取小区发来数据包中的有用信息。首先判断接收主公共控制物 理信道( p c c p c h ，p r i m a r yc o m m o nc o n t r o lp h y s i c a lc h a n n e l ) 的基本训练序列( m i d a m b l e 码) ，据此获 得小区使刚的扰码：其次，终端将搜索广播信息中的复l 帧主指示块( m i b ) ，以此控制帧同步；最后，利用 前面已识别出的扰码、基本训练序列和复帧头米读取j “播信道( b c h ，b r o a d c a s tc h a n n e l ) 信息，从而得 到小区的配置等公片j 信息。 测量临近小区信号强度k 一 一 获取d w p t s 时隙建谚下行同步 工 夫取扰码、训练序列、帧i 司步等信息 图2 7 小区搜索仿真设计流程图 2 上行同步 上行同步指来自不同距离的不同用户的上行信号都能同时到达基站接收天线。上行同步是t d s c d m a 的关键技术之一【2 睨5 1 ，对t d s c d m a 来讲，它确保使j j 同一时隙的处于不同位置的用户发送的上行信号 能同时剑达基站。使用上行同步技术后，移动台将动态调整发往基站的发射时间，使上行信号到达基站时 保持同步，这样使用正交扩频码的各个码道在解扩时就可以正交，降低了码间干扰，从而使系统的容量大 大提高，同时基站接收机的复杂度也大为降低。本文设计的c 3 g - a 系统级仿真平台中，上行同步过程包 括同步的建立及同步的保持两个阶段，如图2 8 所示。 ( 1 ) 上行同步的建立 当u e 开机后，它必须先与小区建立下行同步，才能开始上行同步过程。用户在空闲状态不需要进行 上行同步，只有当有业务呼叫产生时，才开启上行同步功能，以确保不同u e 发送到n o d eb 的信号都能 同时到达。所以，第一次上行传输在上行导频信道u p p c h 中进行，以避免造成业务时隙的干扰。 n o d eb 一口在搜索窗口检测剑u e 发米的上行同步信号s y n cu l ，将估计接收功率电平和定时，并 向移动台发送调整信息来修改它的定时和功率，从而完成上行同步过程。在其后的4 个子帧中，n o d e b 将 发送调整信息通知u e 进行时钟和功率的调整。 1 5 东南人学颁l ：学位论文 开始 u e 空f i j 状态 务呼叫产 y n o d eb 发送调整信息 l i e 进行时钟和功率调整 u e 业务接入状态 l i e 进行时钟和功率调整 图2 8 上行同步仿真设计流程图 ( 2 ) 上行同步的保持 由于u e 为移动终端，它与n o d eb 的距离总是在变化，所以，在整个通信过程中，n o d eb 必须不问 断地检测其上行帧结构中的中间码到达时刻，并对u e 的发射时刻进行闭环控制，以保持其可靠的同步。保 持上行同步理论上要利用每个上行突发的中置码，但为了更易于仿真实现，在不影响研究结论可靠性的前 提下，仿真中n o d eb 设计成定期检测u e 上行的上行导频信道( u p p c h ，u p l i n kp i l o tc h a n n e l ) 信号。 为了实现不同的上行同步精度要求，同步步长设计可配置范围包括1 8 、l 4 、l 2 及1 个码片长，即大 约l o o n s 到8 0 0 n s 。 。u e 在收到系统 c h 信道上开始发 上行同步建立 上行同步保持 、lrj、lr_、 杖 簇丫缸旺是 第2 章c 3 g a 系统级仿真f 白总体方案设计 接下来，n o d eb 将把r r c 连接请求转发给r n c ，r n c 再通过与n o d eb 的信令交互，通过负载计算 和干扰评估的过程后将判决是否允许u e 接入。若接入允许，则再根据u e 的业务类别请求n o d eb 随机分 配信道资源，完成后r n c 将发送允许建链的信令包给u e ，该信令包中还包含分酉己给u e 的时隙、扩频码 等码道信息，u e 获知允许接入后，将根据获得的信息配置码道开始进行业务通信。 2 2 4 2 动态信道分配功能设计， 在无线通信系统中，无线频谱等信道资源十分宝贵，信道资源的合理分配时保障通信质量、提高系统 容量的关键。为了提高系统容量、减少干扰以及更有效地利用有限的信道资源，蜂窝移动通信系统中普遍 引入了信道分配技术。 信道分配技术可分为i 古l 定信道分配( f c a ，f i x e dc h a n n e l a s s i g n m e n t ) 、动态信道分配( d c a ，d y n a m i c c h a n n e la s s i g n m e n t ) 和汜合信道分配( h c a ，h y b r i dc h a n n e la s s i g n m e n t ) 。同定信道分配是根据预先估计 的覆盖区域内的业务负荷将信道资源分给若干个小区，相同的信道集合在间隔定距离的小区内可以再次 得到利用。f c a 主要优点是实现简单，缺点是频带利用率低，不能很好地根据网络中负载的变化。动态信 道分配技术克服了l 矧定信道分配的缺点，信道资源不l 古l 定属丁某一个小区，所有的信道被集中分配。d c a 根据小区的业务负荷，通过信道的通信质鼍、使川率及信道的复用距离等因素选择最佳的信道，动态地分 配给接入的业务。混合信道分配是吲定信道分配和动态信道分配的结合。 动态信道分配技术可以充分发挥t d s c d m a 系统资源分配灵活的特点，能高效地管理和使用无线资 源，可在对称和非对称的3 g 业务环境中获得最佳的频谱效率【5 2 7 - 2 8 。t d s c d m a 的d c a 技术包含慢速 动态信道分配( s l o wd c a ) 和快速动态信道分配( f a s td c a ) 。其中，慢速d c a 主要用在上下行时隙比 例不对称情况下，调整各小区上下行时隙比例，使时隙的上下行传输能力和业务上下行负载比例关系相匹 配，以获得最佳的频谱效率；快速d c a 为申请用户分配满足要求的无线资源，并根据系统的状态对已分 配的资源进行调整。 结合仿真平台研究要求，分别对慢速动态信道分配和快速动态信道分配功能设计如下： 1 慢速动态信道分配流程 t d s c d m a 中一个5 m s 的子帧包含7 个常规时隙，时隙l 为下行公共时隙，时隙2 ，3 ，4 为上行业 务时隙，时隙5 ，6 ，7 为下行业务时隙。t d s c d m a 最人可支持扩频系数为4 ，所以，每个时隙支持最大 1 6 个道码，上下行3 个时隙分别为4 8 个码道。 匝工珂匹工卫圈匹工珂 # ” 叫 如l 7 j 孽窖， ，蒯 s l o w d c a d 爿 ，w揣 如，。磁 噩 上行业务时隙 妇下行业务时隙 豳已用码道 口空闲码道 图2 1 0 慢速d c a 时隙调整示意图 当系统中上下行业务比例与实际的上下行业务需求比例不一致时，便需要进行动态信道分配过程【2 9 1 。 默认情况下，上下行业务时隙比为3 ：3 。仿真中，我们为d c a 的开启的设置了j 限，即当下行的4 8 个码 道只剩4 个，并且上行第三个时隙和第二个时隙的最后4 个码道都空闲。图2 1 0 为慢速d c a 时隙调整示 意图，由图可知，通过d c a 的调整，3 ：3 的上下行时隙比被调整为2 ：4 ，而原来只剩4 个码道空闲的f 行 业务信道也变成了2 0 个可用的码道。 仿真攻计n o d eb 定期向r n c 汇报上下行信道资源利用情况，当r n c 检测到达剑慢速d c a 的fj 限时， 将通知n o d eb 开始执行慢速d c a 过科，即根据需求调整上- 卜行时隙比。为了防i f ：n o d eb 频繁的进行时 1 7 东南人学硕1 ：学位论文 隙比例调整在设计两次慢速d c a 过程至少间隔5 小时。 2 快速动态信道分配流程 快速d c a 根据一定的算法策略寻找干扰较小、能够提供稳定服务的信道分配给用户，从而可以使系 统内干扰最小化，提高实际系统的资源利用率，并可最人限度的满足多种业务的q o s 要求【2 4 j 。 为了给用户分配分配合适的信道资源，n o d eb 将先检测是否有与q o s 要求匹配的连续资源单元( r u ， r e s o u r c eu n i t e ) ，即码道，例如，当用户发起视频业务呼叫时j 需要住上下行分别划分4 个连续的r u 。 但是由于小区不断进行信道资源的分配和释放，使得上下行时隙内时常会出现零散分布的r u ，这些r u 如果能合并到一块，便能有效的满足各类业务的信道资源需求。由此，我们在快速d c a 中引入了资源整 合过程，即通过信道调整或压缩分组数据业务速率等手段把可用的r u 资源尽量集中到一起。如图2 1 l 所 示，通过资源整合，原本以单个或2 个为模式存在的空闲r u 变成了由l o 个r u 连续组成的整体。 匿圈已用码道 宅闻码道 一 弘 翻 笋 笏 j ， 蒯 觏。l 、一黝馘。、 州瑚 图2 1 l 空闲业务时隙信道资源整合示意图 由于动态信道分配中对上下行时隙的调整很有可能造成相邻小区的上行时隙比例不一致，从而形成交 叉时隙。交义时隙可能会造成较人的干扰，导致系统容量损失。为了减少交叉时隙干扰的影响，相关研究 提出了不少方法。本仿真平台设计的快速d c a 过程中，引入了优先分配策略，即尽可能地避免使用交叉 时隙，即分配的时候，上行尽可能从t s i 时隙开始分配，而下行尽可能从t s 6 时隙进行分配。 广i 万 u e 业务呼叫请求 否 n o d eb 开启时隙妒5 道资源整合 n o d eb 为u e 分配伊5 道资源 完成 图2 1 2 快速d c a 仿真设计流程图 图2 1 2 为快速d c a 仿真设计流程图。当用户发起某类业务( 主要是视频通话和高速下载等业务) 呼 叫时，n o d eb 在允许接入前，需要先判断是否有与业务q o s 级别对应的上f 行连续r u 资源。若有足够 资源，则直接分配可用的码道资源给h 户，若没有，但通过资源整合可以将零散分布的r u 整合起来后分 1 8 一 是一 第2 章c 3 g a 系统级仿真卜台总休方案设汁 配给用户，则启动时隙码道的整合过程，完成后再分配合适的信道资源给心户。由丁信道整合过释需要对 大多川户的信道分配进行调整，为了尽可能小的影响用户的正常业务通信，本文将信道整合的时间问隔设 置为最小1 个小时。 2 2 4 3 接力切换功能设计 在t d s c l 3 m a 系统中由丁需要严格同步传输，冈此，无法使用软切换。接力切换与硬切换的过程类 似，二者的区别是在接力切换过稃中有一个短暂的过程：上行链路与目标小区保持连接而下行链路与原小 区保持连接。这与田径l ! ：赛中的接力赛跑交接棒过祥类似，故取名为“接力切换”。 接力切换充分利用了t d s c d m a 系统特殊的帧结构和上行同步的特征，在切换过程中，移动台在与 原小区保持通信的情况下与目标小区建立起开环同步关系，通过开环同步保持，系统能够进行上行预同步， 使u e 在接入目标小区时，能够快速的完成上行同步的过程。上行预同步技术的引入，使用户能提前获取 切换后的上行信道发送时间和功率，从而达剑减少切换时间，提高切换成功率的目的。接力切换主要包括 测量过程、与同步过程、判决过程和执行过程。 与硬切换相比，接力切换具有高资源利川率、简单的算法及较轻的信令负荷等优势，同时由于接力切 换时断开原基站和连接目标基站几乎同时进行，克服了硬切换掉话率较高的缺点。与软切换相比，接力切 换也具有高切换成功率、较小的上行干扰，同时不用像软切换那样同时有多个基站为一个移动台提供服务 【3 0 1 。 下面将介绍仿真中接力切换使用的切换判决算法和详细的切换流程设计【3 1 。3 3 1 。 1 接力切换判决算法 接力切换的判决过程由r n c 来执行。当r n c 收到u e 发来的测量报告后，将根据一定的准则和算法， 判决u e 是否应当切换和如何切换。本文设计的系统级仿真平台中采用的是基于接收信号强度的判决准则。 r n c 在判决过程中，首先分析当前服务小区的信号强度测量结果，如果其信号质量足够好，则判决不 对其他邻近小区的测量报告进行处理。如果信号质量介于业务需求门限和质量足够好fj 限之间，则对所有 的测量报告进行整体评估。若结果表明相邻小区中存在比当前服务小区信号更好的小区，则按照信号由强 到弱的顺序，同时结合其它一些系统信息选择满足式( 2 ) 和式( 3 ) 条件的小区进行切换。 p c c p c h _ r s c 尸舶脚 t a d d ( l a s tf o rt i ) ( 2 ) p c c p c h _ r s c ，k m p c c p c hr s c 匕 t c o m p ( l a s t f o r1 2 ) ( 3 ) 式( 2 ) 和式( 3 ) 中，p c c p c h r s ck 和尸“：p c h 蛾分别是候选小区和服务小区的导频信号强 度，t a d d 是候选小区检测门限，t c o m p 是切换滞后量。t 1 是候选小区检测滞后时间，t 2 是切换滞后 时间。t l 和t 2 的设置时为了避免用户在新小区和原小区之间来回切换的“乒乓效应”，影响业务的正常传 输。 专 管 占 竺 罟 塑 a 图2 1 3 切换判决算法中的关系参数图 1 9 东南人学硕l ：学位论文 图2 1 3 给出了切换算法涉及的具体参数图。由图可知，当剑达时刻a 后，某一邻近小区满足了式( 2 ) 和式( 3 ) 的切换判决执行条件，系统将启动切换过程。 2 接力切换流稃设计 本文设计的接力切换具体执行流程共分3 步，如图2 1 4 所示。 ， s o u r c eb s 白 ( a ) t a r g e tb s白 ( b ) t a r g e tb s 图2 1 4 接力切换流程图 第一步：u e 与原基站进行正常通信，如图2 1 4 ( a ) 所示，同时不断地定期进行切换测量并发送测量 报告给r n c ，并根据测量结果更新切换集合。 第二步：当u e 需要切换并且网络通过对u e 候选小区的测量找到了切换目标小区时，网络向u e 发 送切换命令，u e 就与目标小区建立上行同步。此时，u e 继续在原小区的下行链路接收业务数据和信令， 同时在目标小区发射上行的承载业务和信令，如图2 1 4 ( b ) 所示。 第三步：上一步的分别收发的过程持续一段非常短的时间后，u e 将与目标基站建立下行信令和业务 数据连接。此连接成功之后，k n c 将通知原小区删除与u e 的下行通信链路，完成切换过程。若r n c 收 到来自l i e 的切换失败消息，则删除目标小医新建的通信链路，并快速恢复与原小区的所有通信链路连接， 如图2 1 4 ( c ) 所示。 2 24 4a d h o e 网络功能设计 c 3 g a 融合网中的多模终端u e 具有蜂窝网、a d h o c 及网关三种通信t 作方式( 见图1 4 ) 。蜂窝网通 信方式即按照t d s c d m a 协议进行时分双工多址接入小区网络。a dh o c 通信模式是指相邻终端间可通过 建立多跳自组织网，跳过蜂窝网而实现一对一或多跳的直接通信。网关通信工作方式是指某一个用户终端 被用作其他a dh o c 终端接入到t d s c d m a 蜂窝网的中继，即为相邻无法接入蜂窝网的a dh o c 节点提供 一个桥梁【1 引。 要使t d s c d m a 终端具有a dh o c 网络功能，需要对l i e 的m a c 层和物理层做一些改进。为了仿真 时容易实现，在不影响研究结果的前提下，我们以蓝牙标准为参考为t d 终端加入了一套新的收发模式。 独立于原来t d s c d m a 信道模式，终端物理层在2 4 g h z 下通过无线蓝牙的方式进行a dh o c 接入，并在 m a c 和r r c 层完成a dh o c 组网和路由等功能。 c 3 g a 网络仿真平台设计实现a dh o c 和t d s c d m a 融合网通信流程如图2 1 5 所示，具体流程如下： ( 1 ) 当用户终端与t d s c d m a 蜂窝网失去连接后，u e 将自动开启a dh o c 网络功能，搜索相邻节点 并组建或者加入一个白组织网。 ( 2 ) 若用户产生业务呼nl 请求，首先检索被叫用户是否在本a d h o c 网中。如果在，则通过路由算法 寻找最佳路径实现多跳的业务通信；如果被叫用户不在本a dh o c 网中，则开启寻找网关功能，找到最近 的或者路径最短的网关节点，并与其建立通信路由。 ( 3 ) 主叫用户通过多跳或者直传的方式与网关节点进行数据包通信，而网关：i 卜点此时只负责数据的 存储转发，所有来自或者发往主叫用户的信令包和业务包都将在网关：符点重新处理后再发送出去。 ( 4 ) 通信结束后，当小区释放本次呼叫所占用的信道资源后，主叫用户与网关节点的通信链路将关 闭。 拳椰 心一张一 i l h r 白 厣一 2 3 本章小结 图2 1 5c 3 g a 网络终端白组织通信流程图 本章根据o p n e t 仿真软件特点及其三层建模思想，按照系统级仿真平台的分层和功能分割原则，对 c 3 g - a 系统级仿真平台进行了总体方案设计，包括平台的整体结构设计、节点分层设计以及网络接入控制、 动态信道分配、接力切换和自组织网等应用功能模块的仿真设计。 2 l 第3 章c 3 g a 系统级仿真、r 台的实现 第3 章c 3 g a 系统级仿真平台的实现 在c 3 g a 系统级仿真平台的总体方案设计的基础上，本章将利用o p n e tm o d e l e r 仿真软件对系统的 u e 、n o d eb 和r n c 三层w 点分别进行了建模实现，同时通过在各节点间添加接入控制、动态信道分配、 接力切换和白组织通信等功能代码，最终搭建了一个完整的c 3 g a 系统级仿真平台。 3 1 核心节点模块的实现 3 1 1u e 节点仿真建模 u e 节点是c 3 g a 仿真平台实现的关键，它不仅要承载t d s c d m a 中的各种业务，而且能和周边的 其他终端自动组网从而承载a dh o c 网络中的业务。仿真建模过稃中，u e ：节点的结构仍然参考t d s c d m a 的协议进行设计，图3 1 为u e ：1 了点o p n e t 仿真模型，它从上至卜包括c l e n t 应用层、r r c 无线资源控 制层、h a n d o f f 切换控制模块、r l cm a c 无线链路控制和媒体接入层、r r0 收信机、r t0 发信机和大线a0 七个模块。 r e 0 幽3 1u e 节点o p n e t 仿真模型 c l e n t 为u e 的最上层的应用模块，负责业务呼叫的产生和关闭及各类q o s 数据包的收发，主要参 考了o p n e t 自带的通h j 移动通信系统( u m t s ，u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 仿真实例中 的模型。c l e n t 进程可配置语音通话、视频通话、低速卜行数据及高速卜行数据四种业务的开始结束时 间、数据包大小和发送间隔等参数。 l d 曲，) 图3 2u e 。书点r r c 进程状态转移模型 r r c 进程为无线资源控制模块，主要完成r r c 及无线承载( r b ，r a d i ob e a r ) 连接的建立、释放， 2 3 东南人学硕f ：学位论义 以及切换过程镶信令连接，同时负责上卜层业务数据包的封装和拆解。图3 2 为u e ：1 了点r r c 进科状态转 移模型。其中，i n i t l 、i n i t 2 和i n i t 3 为进程初始化状态；i d l e 状态标识u e 处在空闲待机状态；当应川层 有呼叫请求时，u e 将在i d l e 阶段启动r r c 连接请求；当连接建立完成后，将立即转入c e l l d c h 阶 段。此时，r r c 将启动无线承载r e 建链请求，待收剑u t r a n 的r b 建链成功的消息后，r r c 进入 r bs e t u p 状态配置无线承载并开启业务数据包的收发。待一次呼叫完成后，u e 将进入r b r e l e a s e 状态并释放无线承载。 7 在r r c 中，我们还设置了一个h a n d o f fw a i t 的状态，当u e 收到来自r n c 的切换命令后，将自 动转入该状态，进入切换处理进程。此时，所有来自上层的数据包都将转入寄存器暂存，同时， h a n d o f fw a i t 状态还将处理和响应与r n c 直接进行切换过程中的信令交互。 h a n d o f f 进程模块是u e 的切换控制模块，主要进行切换测量过程并定期向r n c 发送测试报告，图3 3 是u e 节点的h a n d o f f 进科状态转移模型。其中，i n i t 为初始化状态，当判断终端设置为i 司定终端时，则h a n d o f f 进程被挂起，并由i n i t 进入f i x e d 状态而不进行任何后续操作。当u e 节点为移动终端时，则转入s i l e n t 状 态启动定时测革并转入a c t i v e 状态，等待下一个事件中断的产生。当定时测量周期到达后，h a n d o f f 进程将 启动切换测量过程，并根据测量剑的相邻小区信号强度，判断若需要更新备选小区列表的排列顺序，则转 入u p d a t e 状态进行更新处理，并发送测量报告包给r n c 。 图3 3u e 节点h a n d o f f 进程状态转移模型 当切换经r n c 判决需要执行后，h a n d o f f 进程将等待切换完成报告的剑达，然后进入s e t - u p d a t e 状态执行更新服务小区及各选小区列表等信息，之后立刻回到a c t i v e 状态并恢复建立新的定时测量中断。 切换完成报告消息将由r r c 在切换执行完成后发送给h a n d o f f o 9 刊一t 一0 鱼d 一 图3 4u e ：符点r l c m a c 进程状态转移模型 图3 4 为u e 节点r l cm a c 进程状态转移模型，它集合了u e 的无线链路控制和媒体接入控制的功 能，负责数据包的透明传输。其中，i n i t l 、i n i t 2 到i n i t 3 三个状态为进程完成一些初始化的工作，之后u e 2 4 第3 章c 3 g - a 系统级仿真l ，台的实现 将进入i d l e 状态，等待捕获小区发来的卜j j ：导频信号和时隙扩频码等小区j 播信息，并据此配置上下行码 道，同时开启时钟，进入状态t di n t r 。由丁在t d s c d m a 1 ：作模式下，u e 必须按照时分舣i ：的模式有序 的收发数据包，为了实现此功能，我们使进程分别按照t d s c d m a 的子帧的结构分别定时转移至g p 保 护时隙中断处理状态t di n t r 、上行或者下行导频时隙状态p t ss l o t 、下行业务时隙d o w ns l o t 状态和上行 业务时隙u p状态，并按照各时隙的功能特性分别进行业务数据和信令的收发、同步保持等。_slot 此外，为了实现切换功能，我们设置进程在卜行收剑r n c 发米的切换指令后立即转移到切换等待状 态h a n d o f fw a i t 。在硬切换模式下，u e 将重新与新小区建立时钟同步；而在接力切换模式卜，由于已提前 进行了上行预同步i ：作，所以，与新小区的同步在h a n d o f fw a i t 状态卜能快速完成。待新的同步j i j 作完成 后，r l cm a c 又将恢复时分下作模式。 r l cm a c 与发射机r t0 相连有3 个上行信道，分别为上行导频信道、上行专用信道和上行a dh o c 信道；与接收机r r0 相迮的有4 个下行信道，b c h 用于接收n o d eb 的下行广播信号，d w p c h 用丁接收 下行n o d eb 导频信号，d c h 用丁接收下行n o d eb 业务数据，而a dh o c 包流线负责接收相连a dh o c ：1 了点 的卜行数据。 3 1 2n o d eb 节点仿真建模 在o p n e t 中建立n o d eb 节点模型如图3 5 所示。仿真设计时，我们对n o d eb 的主要模块进行了简 化，其主要进程包括r l c 和m a c 。其中，r l c 为n o d eb 的无线链路控制子层，主要负责分析和处理来 自r n c 的数据包，同时将来自m a c 层的数据和信令l e 确的发往r n c 。m a c 为n o d eb ： 了点中最重要的 进程模块，用户的接入、信道的配置和切换的执行等过程都由m a c 层直接执行，同时为了支持t d s c d m a 的子帧的时隙格式，n o d eb 的m a c 进程设置了类似l i e 的时分中断状态转移模式。p r和 分别为有0p t0 线收发信机，i t0 和r t0 为无线收发信机，a0 为收发天线。 p l 0 r l 0 图3 5n o d e b 节点o p n e t 仿真模型 图3 6 为n o d eb 节点的r l c 进程状态转移模型。当初始化完成后，r l c 将进入i d l e 状态，等待来自 r n c 或者m a c 层的数据包，当检测到有包从p r0 端口发来时，说明r n c 发来了信令或业务数据，此时， r l c 进程将由i d l e 状态转移至f r o mm c 状态，并在f r o mm c 中分析和处理来自r n c 的包，之后再发往 m a c 层。若检测剑有数据包从m a c 层发米，则进入f r o mu e 状态进行相应的分析和处理，以保证数据包 有效分发往r n c 。 叫圳 b 0 m 图3 6n o d eb 霄点r l c 进程状态转移模型 2 5 东南人学顾i ：学位论文 m a c 进程是n o d eb 各类功能实现的关键模块，其状态转移模型如图3 7 所示。其中，i n i t l 和i n i t 2 状态完成m a c 层及n o d eb 裕点的一些初始化配置，如上卜行时隙比例、物理信道扩频码的设置，以及一 些统计参鼙和仿真变量的初始化等。进入i n i t 3 状态后，n o d e b 将等待来自r n c 的全网同步时钟信号，并 据此开启时分中断，进入t di n n - 状态。t di n t r 状态根据t d s c d m a 子帧的时隙结构及各个时隙的长度设 置了周期性的定时中断，仿真启动后，将根据不同的定时中断类型相应地转移至不同的时隙处理状态。其 中，p t ss l o t 集合了上行导频和下行导频两个时隙的功能处理，每当下行导频时隙到来时，n o d eb 都将以 广播的形式发送一个下行同步时钟包，而在上行导频时隙阶段，m a c 将分析接收到的某一用户发米的上 行同步信号，并根据剑达的时延和功率的分析，得到同步矫上 的步长和功率等数据，待f 一子帧剑米时在 下行j 播信道发送给该朋户进行同步调整。d o w ns l o t 为下行业务时隙，n o d eb 按照不同用户的时隙和码 道分配规则，选择不同的信道发送数据包给对应的u e 。而u p为上下业务信道，主要负责在不同的时slot 隙码道上接收来自相应用户的数据包。 图3 7n o d eb 节点m a c 进程状态转移模型 r r0 和r t0 为无线收发信机，仿真中根据实际的信道要求为其设置了各种功能的包流线，以保证n o d e b 能在对应的码道和频率下正确接收小区内用户的信号。a0 作为天线模块，具有全向和定向发送的功能 模式，同时也为其预留了实现智能天线波束赋形的接口。 3 1 3r n c 节点仿真建模 r n c 节点主要对与其相连的n o d eb 进行接入网的综合控制管理，实现用户与接入网之间的无线资源 管理、移动性管理等，其仿真结构模型如图3 8 ( a ) 所示。图中，r n c 为节点唯一的进程模块，集合了所 有的无线网络控制功能。仿真设计一个r n c 可同时管理6 个n o d eb 节点( 根据需要可进行增加) ，都由 有线连接的方式进行通信，故在节点模型中设置了从p r0 、p t0 到p r5 、p t5 共6 对有线收发模块。 图3 8 ( b ) 为r n c 进程模块的仿真状态转移模型。由于o p n e t 仿真初始化时各个模块的初始化状态 都是并行有序逐步执行的，而r n c 进程的部分初始化工作需要等待u e 和n o d eb 的初始化都完成后才能 进行综合的配置，所以，r n c 设置了四个初始化状态。初始化完成之后，进程将转入i d l e 状态，等待不 同的中断事件以触发相应的控制管理状态转移。 当收到来自n o d eb 发来的业务包后，进程转入f r o mn o d eb 状态，分析业务包的目的地址并存入 相应的队列中，等待业务包发送时隙到来后，转入t ou e 状态，根据目的l i e 地址所对应的n o d eb ，找 到对应的发射端口并将业务包正确发送出去。 如果收到与切换有关的信令包，则进程自动转移至m o bc o n t r o l 状态，进行与切换有关的如切换 判决、切换信令交互和访问地寄存器更新等操作。此外，r n c 节点有一个标识切换类型的属性设置，仿真 过程中根据切换类型配置的不同( 硬切换或者接力切换) ，在m o bc o n t r o l 状态中相应的信令交互和 切换管理操作也将有区别。 d c a 状态中包含有动态信道分配过程中的所有的功能代码，支持慢速d c a 和快速d c a ，以及减小交 叉时隙干扰等。n b a p 状态主要功能为业务呼叫结束时对无线承载的释放及对所涉部分全局变量的修改。 。一一磐。震：尹 ( i 一) 酽3 3 4 2 8 17 1 一一霸 彰渔删乙f f 佃m 一“聋i 箩i f r o u i o d e _ 9 洒 i 商j 、崮j 嘲训、一一7 。 暂留 ( c l i e n t 产，芏业备呼叫、 ， 、厂 测_ i 囊i l 缶近r s c p 、 ( 4 ) 儿二行同步建毫一一 t 1 ) 选择壤f ? 小i x 驻留 nv d w l 硼信号 r r c c “m “r e q - ( 2 )( 5 ) 厂接入负载千扰分析、 r r cc n “s u c c e s s 、 g 盏篓篓蔓参 r bc o n n e c t i o nr 明。 小区信息 ( 6 ) 信逆分配信令 ( 3 )卜 厂唾摭蠢、 分配) 。信道分配完成 ! ? 坦1 。璺 。 r i bc s u c c e s s u p p c h 信号 r bc n e c n c o m p l e c e 。 ( 4 ) 厂l j l面歹、 一 ， 蔓- p塑一 ( 竺 磊功、 业务嗵信 入 d w p c h 信号 f 上行同步b 十 e l , 0 1 i 整) a 、 上打同步保持 “ v v 图3 9 接入控制仿真实现流程 ( 1 ) u e 开机后，首先测量临近所有小区的广播信号强度，并选出信号质量最好作为服务小区进行驻 留。仿真实现时，小区选择过程在l i e ：符点r l cm a c 进程的i d l e 状态中完成。 ( 2 ) u e 在i d e l 状态中捕获并分析驻留小区发米的下行导频信号，并以此作为下行同步的依据，同时 转入时分处理状态t di n t r ，在指定时隙收发数据包。 ( 3 ) u e 从下行广播信道中捕获得剑小区的上下行时隙分配规则、扩频码等信息，并据此配置自己的 无线信道。 以上3 步实现了小区搜索过程，包括小区驻留、下行同步和获取小区信息二个步骤。 ( 4 ) 进入时分处理状态后，当u p p t s 时隙剑米时，u e 将发送一个上行导频信号给基站，服务n o d e b 通过对接收的时刻和功率的分析，确定需要调整的时隙步跃和功率，并在下一个子帧的d w p t s 剑来时 发送给u e 。u e 在d w p t s 接收剑调整信息后，将立刻调整自身的发射功率并修改时钟信号重新开启时分 2 7 东南人学硕i j 学位论文 中断。至此上行粗同步过程完成，调整的步长和u e 与n o d eb 间的距离成止比。 用户在业务接入状态卜，为了保证与其他j j 户的上行信号能同步剑达n o d eb ，还需实现定期执行上行 同步保持过程，具体流程与上述第一次上行同步类似。 ( 5 ) 当u e 节点发起业务呼叫时，+ 即r r c 进程收到c l i e n t 发来的呼叫请求包，r r c 的c e l ld c h 状态将根据业务类别产生一个r r cc o n n e c t i o nr e q u e s t 信令包，n o d eb 收到包后将转发给r n c 。r n c 通 过负载和干扰分析做出判断，若允许u e 业务接入，则发送一个r r cc o n n e c t i o ns u c c e s s 包给u e 。 ( 6 ) u e 在r r c 连接成功后，将根据业务呼叫的级别产生一个无线承载连接请求包r bc o n n e c t i o n r e q u e s t 。r n c 根据请求信息，通知n o d eb 进行相应的信道分配。若信道分配成功，u e 将收到来自r n c 的r bc o n n e c t i o ns u c c e s s 信令包。至此，u e 完成接入过程，开始与n o d eb 进行正常的业务数据的通信。 业务接入状态下，由丁移动终端的运动，原有的上+ 卜同步将会被破坏，n o d eb 设置了在u p p t s 时隙定期 ，检测上行同步信号的功能，以始终确保u e 信号的上行同步。 3 2 2 动态信道分配仿真实现 信道分配方式在仿真中可设置成同定的f c a ，慢速d c a 、快速d c a 以及完全d c a ( 即包含快速和 慢速d c a ) 。 3 2 2 1 快速动态信道分配仿真实现 快速动态信道分配过程主要在n o d eb 中执行，其仿真实现流程如图3 1 0 所示。主要步骤如下： ( 1 ) 当r n c 收剑u e 发来的r b 建链请求后，首先分析业务的q o s 级别即所需的信道资源情况，同 时检测寄存器中关丁服务n o d eb 的时隙码道使用情况，分析是否存在码道资源零散分布情况，并判断是 否要进行资源整合。最后r n c 将发送信道建链指令包r a d i ol i n ks e t u pr e q u e s t 给n o d eb ，该信令中包含 业务呼叫类别和是否要进行资源整合等信息。 ( 2 ) n o d eb 的r l c 进程收到指令后立刻执行信道分配流程。根据u e 的业务类型的不同，r l c 将首 先判断现有的空闲码道中是否有足够的对应资源以供分配。例如q o s 为0 的视频通话业务时，需要在上下 行时隙分别分配4 个连续的码道，即某时隙中编号为0 3 、4 _ 7 、8 1 l 及1 2 1 5 中的任一组。 图3 1 0 快速d c a 仿真实现流程 ( 3 ) 若n o d eb 节点的r l c 进程判断有可供分配的足够码道资源，则直接分配给用户，并发送一个 r a d i ol i n ks e t u pc o m p l e t e 信令包告知r n c 完成信道分配，同时由r n c 发送一个带有时隙码道等信道配 置信息的r bc o n n e c t i o ns u c c e s s 包给用户。 ( 4 ) 若n o d eb 现有信道资源中无满足业务要求的可供分配的连续码道，而r l c 检测出可通过资源 整合调度出满足业务需求的信道资源，则n o d eb 节点的r l c 进程将完成快速d c a 的时隙码道资源整合 过程，并根据用户业务呼叫的类别分配对应的信道资源，后续信令过程与( 3 ) 中类似。 2 8 第3 帚c 3 g - a 系统级仿真| ，台的实现 ( 5 ) 由了资源整合过程主要对小区内某些心户的信道进j 于的调整，其时隙和扩频码都需进行变化。 为了不影响业务的l e 常进行，n o d eb 需要在完成资源整合后立刻发送含新时隙和码道信息的信道重配置信 令给这些用户。用户收剑该信令后将暂停业务数据的收发，转而进行信道调整，即通过提取信令信息，重 新设置业务数据包收发的上下行时隙编号和业务信道的扩频码等，此过程主要在u e 节点r l cm a c 进程 的d o w ns l o t 时隙状态卜处理。待信道重配置完成，这些j h j 户才可恢复与n o d eb 的正常通信。 ， 3 2 2 2 慢速动态信道分配仿真实现 慢速动态信道分配是由一个定时时钟触发的，即以某个时间长度为标准，周期性的检测上下行时隙码 道使川情况，若达剑慢速d c a 门限。则开始整合用户信道分配秩序，调整出一整个空闲时隙t s 3 ，以便 将其转换成f 行时隙，从而实现上下行时隙比由3 ：3 到2 ：4 的调整。其主要流程如图3 1 l 所示。 图3 1 l 慢速d c a 仿真实现流程 ( 1 ) 慢速d c a 定时时钟到达，r n c 统计n o d eb 上下行时隙和码道的利用情况，并分析是否达到 调整的门限比。若达到门限，则r n c 发送慢速d c a 指令包s l o tc h a n n e la d j u s tr e q u e s t 给n o d eb 。 ( 2 ) n o d eb 接收慢速d c a 指令并提取信息。若时隙调整模式是由3 ：3 至2 ：4 ，则n o d eb 对上行时隙 进行时隙码道整合，腾出一个完全空闲的上行时隙并把其转换为下行时隙；若调整模式是由2 ：4 至3 ：3 ，则 只整合下行的时隙码道资源，并将调整出空时隙转换为上行时隙。 ( 3 ) 时隙调整完成后，n o d eb 发送一个慢速d c a 完成信令包s l o tc h a n n e l a d j u s tc o m p l e t e 给r n c 。 ( 4 ) 由于慢速d c a 的第一步j ：作中有资源整合，所以，其过程所涉及的用户都需要接收来自n o d eb 的信道重配置信令，并调整自己的时隙码道，以便继续保持与n o d eb 的止常业务通信。 3 2 3 接力切换仿真实现 接力切换在平台中的仿真实现主要有两个关键点：一是引入智能天线，l y e 在切换前己与目标小区建 立了上行预同步，这样在接入新小区时，u e 能快速完成上行同步过程，减少了切换时间；二是在切换执 行的中间阶段，u e 需要既保持与原小区进行下行通信的同时，又保持与新小区的上行链路连接。智能天 线在接力切换中作用是实施上行预同步，这个功能由于完全在o p n e t 中仿真实现较为复杂，所以，本平 台对其进行了简化模拟，即通过o p n e t 软件的内部机制，在u e 。肖点的h a n d o f f 进程中定期的记录l i e 与 主要邻近小区的距离来模拟实现上行预同步。接力切换在o p n e t 仿真实现的详细流程如图3 1 2 所示。 ( 1 ) u e ：肖点h a n d o f f 模块定期更新自己的候选小区列表，并发送测量报告给r n c 。 ( 2 ) r n c 进程进入m o bc o n t r o l 状态进行切换判决，判断是否执行切换并确定目标小区。同时 将启动无线链路建立过程，向目标小区的n o d eb 发送无线链路建立请求信令包r a d i ol i n ks e t u pr e q u e s t ， 该信令中包含待切换u e 的业务接入状态和位置信息等，其中，位置信息是在原小区中通过智能大线捕获 东南人学硕i ：学位论义 的。 ( 3 ) 目标小区的n o d eb 接收到建链请求信令后，将在r l c 进程中完成为u e 接入做准备的一系列信 道分配等i ：作，并发送无线链路建立完成消息r