（通信与信息系统专业论文）3g网中无线接入网的优化设计.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：甚基基日期：醴： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 山东大学硕士学位论文 中文摘要 随着g s m 系统的不断发展，移动通信系统开始向第三代移动通信系统一 全球移动通信系统( 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 ，u m t s ) 演进 基于u m t s 的网络已经在有的国家建成，而相应的移动电话也已出现，到2 0 0 1 年2 月份底，世界上有1 6 个国家把6 1 个u m t s 牌照发给了网络运营商 u 】婚r s 网络在宽带领域将采用一种全新的高速率无线技术，即宽带码分多址 ( c o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s 。c d m a ) 然而，在核心网络部分。i n 羽芯系统 将建立在g s m 网络基础之上，g s m 网络已经被证实是非常成功的目前的g s m 网络包含了电路交换型语音和分组数据业务型阿络平台，而分组数据平台支持的 数据业务包括短信、移动网页浏览和移动电子邮件等 随着我国移动用户的爆炸性增长，以及通信事业的迅猛发展，移动网络不断 的延伸、扩容，这就使得网络规划问题显褥日益突出如何在保证网络服务等级 ( q o s ) 的前提下尽可能的降低成本是移动网络运营商提高自身竞争力的关键也 是本文的重点所在 本文在介绍了u 】订r s 和u t r a n 的基本结构及所涉及的理论之后，定义了3 g 无线接入网的费用函数的数学模型，并认定为带约束条件的n p h a r d 问题鉴于 遗传算法在求解优化问题的诸多优点，本文将其应用到3 g 无线接入网的规划问 题中采用t - - 维二进制的基因编码方式，此外，文中使用状态转移矩阵对遗传 算子进行描述，清晰的反应了交叉和变异操作；并在进化操作中增加了排序算子、 随机数变换算子、删除算子，这些算子的使用加快了算法的收敛速度并避免了早 熟。 论文的第四部分对第二章提出的模型进行改进，以缩小搜索空间，提高仿真 速度并在改进模型下，对禁忌搜索算法，模拟退火算法和贪婪算法算法进行比 较在实际的工程规划中有着极其重要的意义 由于时间和其他客观条件的限制，本文只将基本的遗传算法应用在3 g 无线 接入网的规划问题中，遗传算法的一些高级实现技术和改进遗传算法如并行遗传 算法、n s g a - h 等没有傲进一步研究在后续工作中，我们将对这几个方面进行 深入探讨 山东大学硕士学位论文 遗传算法 2 关键字；全球移动通信系统、无线接入网、网络规划、n p - - h a r d 问题、 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f0 s m m o b i l ee o m m t m i e e t i o ns y s t e mi sg o i n gt ot h e 3 r dg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n 咖- l j 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 n s y s t e m ( u m r s ) t h en e t w o r kb a s e do ni j m t $ h a se s t a b l i s h e d a n dt h ec o n c e r n e d m o b i l et e l e p h o n e sh a v ea p p e a r e d b yt h ey e a ro t 2 0 0 1 ，1 6e o t m t r i e sh a v eg i v e nt h e s e r 、d p r o v i d e r s6 1l i e e m e si nt l a ew o r l d i j m t su an 卿h i ；g ht a t er a d i o 戡湖st e e l m o l o g y - c o d ed i v i s i o nm u l t i p l e a c o 嘲( c d m a ) h o w e v e r , i nt h ec o i t 屯粥叩咄也em 盯ss y s t e mi sb a s e d 恤 ( 3 5 ml a c t w o r k a n dt h eg s mn e t w o r kh a sb e e nc o n f i m a e dt ob es u c c e s s f u l n o w a d a y s , g s mn e t w o r kc o n t a i n sc i r c u i t - s w i t c h e dt o n g u ea n dt a e k e t - s w i t e h e dd a t a p l a t f o r m , a n dt h ed a t as c i y i c i ! s u p p o r t e db yl 。a e k e t - s w i t e l a e dd a t ap l a t f o r mi n c l u d e s h o r tm e l t a l g e , b r o w s i n gm o b i l ew e bp a g ea n dm o b i l ee - m a i l w i t l at h ee x p l o s i v ei n c r e a s eo f c h i n 雠m o b i l es l l b s a i b e l sa n dt h eb u r g o o n i a go f c h i n e s ee o m m t m i e a t i o ni n d u s t r y , i t sm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k sk e p ts p r e a d i n g a n du p g r a d i n g , w h i e l am a k ei ta h i 枷i g h tt oi m p l e m e n t 位n e t w o r kp l a n n i n g h o wt o m i n i m i z et h ef i n a n c i a lc o s to ft h ei n f i a s t r u e t u r ew i t h o u ts a e r i f i e i n 8q o sa 地t h ek e y t o p i co f t h es u r v i v a lo f m o b i l es e r v i c ep r o v i d e ra n da l s ot l i ek e yt o p i co f t h i st h e s i s a t l e ri n t r o d u c i n gt h eb a s i cs t r u c t u r eo fu m t sa n du t r a na n di t s 心b i l i ：dt h e o r i e s , t h em a t h c m a t i e n lm o d e lo fc o s tf u n c t i o no fu 1 1 ra nw 笛d e f i n e d a n di ti st a k e nf o r g r a n t e dt h a tt l a i sp r o b l e mi san 1 ) - h a r dp r o b l e m t h eg e n e t i ca l g o r i t h m s 啊船a p p l i e d t os o l v et i f f sp r o b l e ml ；i n c ct h e r ea 阳m a n ) a d v a n t a g e si nt h e m t w o - d i m e n s i o nb i n a r y s y s t e m f a sm o p t e da st h ec o d i x a gn l c t h o dt or e p r e s e n tt l a cb a s es t a t i o np l a c e m e n t p r e c i s e l y s o m e n e wo p e r a t o r s , s u e l a 雒r t i n go p e r a t o r , l - l l n d o l nn u m b e r t r a m f o r m a t i o no p e r a t o ra n dd e l e t eo p e r a t o r , w e i ea l s oi n s p i r e dt oa c c e l e r a t e t b e c o n v e r g e n c ew i t h o u tl e a d i n gt op r e m a t u r e i nt h ec h a p t e r4 w 弓i m p r o v et h em o d e lw h i c hg i v e ni nc b a p t 盯2 i no r d e rt o r e d u c i n gt h es i 翟o f s e a r e l as p a c ea n dc u t t i n gd o w nt h es c a r e l at i m e 、m p a 惩t a b u 山东大学硕士学位论文 s e a r c ha l g o r i t h m s , s i m u l a t e da t o n i n ga l g o r i t h m sa n dg r e e d ya l g o r i t h m si nt h e i m p r o v e dm o d e l a l l t h e s em a k es e n s ei nf i e l dp r a c t i c e b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no ft h et i m ea n ds o l l l ei m p e r s o n a lc o n d i t i o n s , w eo n l y i l s et h eb a s i cg e n e t i ca l g o r i t h m si n t h ea s s i g n m e n tp r o b l e mo fr a d i oa c c e s s n e t w o r k a n dt h e r ea r em a n yt o p i c sw h i c ha r en o ts t u d i e di n c l u d i n gs o m ea d v a n c e t e c h n o l o g i e sa n di m p r o v e dg 锄硝ca l g o r i t h m ss u c h 鹞p a r a l l e lg e n c t i ca l g o r i t h m s , n s g a - i ie t c f u r t h e rs t u d yo nt h e s et o p i c sw i l lb ed o n ei n f u r o r ew o r l c k e y w o r d ： 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 、r a d i oa c c e s sn e t w o r k 、m o b i l e n e t w o r k p i a 珊n g 、n p h a l dp r o b l e m 、c - r d ya l g o r i t h m s 山东大学硕士学位论文 符号说明 3 g 第3 代移动通信系统 咖s 全球移动通信系统 i 腿a ni f r s 无线接入网 c n 核心网 p s 分组交换域 c s 电路交换域 r n s 无线网络子网 r n c 无线网络控制器 b $ 基站 g a 遗传算法 s a 模拟退火算法 1 | 丑b ua l g o r i t h m s 禁忌搜索算法 g r e e d ya l g o r i t h m s 贪婪算法 m s c 移动交换中心 、，l r 拜访位置寄存器 g m s c 网关移动交换中心 l 儿r 归属位置寄存器 e i r 设备标识寄存器 a u c 鉴权中心 t r x 发送一接收器，也称载波 r 剐无线资源管理1 ”7 5 4 l l q o s 服务质量 5 山东大学硕士学位论文 1 1 意义和背景 第一章引言 现代社会已经步入信息时代，在各种信息技术中，信息的传输即通信起着支 撑作用由于人类社会生活对通信的需求越来越高，世界各国都在致力于现代通 信技术的研究与开发以及现代通信网的建设 移动通信是现代通信系统中不可缺少的组成部分它作为一门复杂的高新技 术，不但集中了无线通信和有线通信的最新技术成就，而且集中了网络技术和计 算机技术等的许多成果目前，移动通信已从模拟移动通信发展到了数字移动通 信阶段，并且正朝着个人通信这一更高级的阶段发展未来移动通信的目标是， 能在任何时间、任何地点、向任何人提供快速可靠的通信服务 到今天，第三代移动通信( 3 g ) 即将进入实用阶段3 gu m i s 的规划和优 化问题成为一个极为重要的研究课题如何以较低的成本建设和维护一个服务质 量得到保证的网络无疑将成为各个运营商能否在市场竞争中取得优势和得以生 存的重要因素 本论文主要研究3 gu m t s 中无线接入网( u r r a n ) 的规划问题。该问题 是一个带约束条件的n 】) 一吨a m 问题【l l 】【1 2 】 1 23 g 网络结构介绍 3 g 的主要目的是在为全球基础构架做准备，这个构架可以承载现存的和未 来的业务，它需要设计规划以便随着技术的改变和发展还可以兼容于现有网络， 可不会引起现存业务使用现有网络结构的不确定性接入技术、传输技术，业务 技术( 连接控制) 、用户应用之间的分离可以处理这些要求3 g 网络可以用很多 方法建立模型在此将介绍一些方法来描述网络的基本结构【l 】【刀在本节中讨 论的结构模型有： ( 1 ) 概念网络模型 ( 2 ) 结构化网络绪构 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 资源管理结构 ( 4 ) u m t s 业务和业务结构 1 2 1 概念化的网络模型 从以上提到的网络概念模型来看，根据业务属性和协议结构，整个网络结构 可以分成多个子网络。就像物理单元划分一样就业务属性来说，3 g 网络有两 个主要的域组成，分组交换域( p a c k e t - s w i t c h e d ，p s ) 和电路交换域 ( c i r c u i t - s w i t c h e d ，c s ) 根据3 g p p 标准t r 2 1 9 0 5 的定义可知，一个域是指最 高水平的物理实体组和在那些域中确定的接口这些接口和它们的定义确切描述 了域之间是如何通信的 从协议结构和它们的功能来看，3 g 网络可以分成两层：接入层和非接入层 所谓层是指一个或几个域提供的业务有一定相关的协议聚合方式，参见3 g p p 标 准t r 2 1 9 0 5 因此，接入层包括了在用户设备( u s e re q u i l m l e n t ，u e ) 和接入 网间的事务处理协议非接入层则包括在u e 和核心网( c s p s 域) 之间的事务 处理协议 图1 1 中称为。本地网络”的部分保留了静态订阅和安全信息业务网是都 分核心网的增域，它为本地的用户提供核心网功能传输网是核心网的一部分。 位于业务网络和远程网络的信道间如果在一个假定的通话中，远程网络和u e 源在同一个网络内部，那么就不需要特定的传输网存在 图i 1u m t s 结构一般概念型模型 ， 山东大学硕士学位论文 1 2 2 结构化网络结构 3 g 结构化网络结构如图i 2 所示在u m t s 中g s m 技术起着一个背景基 础的作用，事实上u m t s 总把目标定位在重新利用g s m 一切合理的技术例如 在非接入层中使用的一些过程除了做一些表面的修改以外，在原理上还是采用 g s m 技术 图i 2u m t s 网络结构网络功能单元及其用户数据传输连接 3 g 网络的移动终端称为u e ，它包括两个不同的部分，移动设备( m o b i l e e q m p m e n t ，m e ) 和u n i t s 业务识别模块( u m t s s c i c e i d e n t i t y m o d u l e ，u m t s ) 新的控制宽带无线按入的子网根据它所使用的无线技术类型拥有不同的名 称其中通用的名称是无线接入网络( r a d i o a c c e s s n e t w o r k ，r a n ) 如果特别 谈及u m t s 的w c d m a 无线接入，就可使用u t r a n 或者u t r a 来命名u m t s 中其他类型的r a n 还包括g e r a n g e r a n 和它的定义没有包含在3 g p p r e l e a s e 9 9 中，尽管它们被视为一种可供选择的无线接入网络，但极有可能在将 来会用到g e r a n 标准以及它和协调是3 g p pr e l e m e 4 和3 g p pr e l e a s e 5 中的主 题之一 u t r a n 分成若干无线网络子网( r a d i on e t w o r ks u b s y s t e m s ，r n s ) 每一 个r n s 由无线接入功能单元集合和它们的通信控制功能单元组成u t r a n 中 的无线接入功能单元是基站( b a s es t a t i o n ，b s ) ，通信控制属性即无线网络控制 1 日曰固 山东大学硕士学位论文 器( r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ，r n c ) 多个r n s 是通过访问网络内部接口i 呱 互相连接 核心网( c o r e n e 帆v o r k ，c n ) 覆盖了所有需要用于交换和用户控制的网络功 能单元在早期的u m r s 中，部分功能单元是直接从( 3 s m 中继承过来的，经过 修正用于u 】旧r s 后来随着传输技术的改变，核心网络的内部结构也有了显著变 化c n 包括电路交换域( c s ) 和分组交换域( p s ) ，如图1 2 所示 图1 2 中称为。寄存器”的部分相当予前面所述3 g 网络概念模型中的。本 地网络气这部分网络单元中保留了静态订阅和安全信息 u m t s 中的主要开放接口如图1 2 所示u e 和u t r a n 之间的开放接口是 u u ，在u m t s 中可以通过w c d m a 技术来实现另一个主要的开放接口是i u ， 位于i 凰a n 和c n 之间 若干r a n 之间用一个公开接口f u r 互相分离和g s m 相比f u r 有明显区 别li u r 为整个网络系统增添了全新的功能，使之可以利用宏小区分集。也使网 络系统具备有效的无线自语管理和移动机制当l u r 接口在网络中实现时，l i e 可以通过几个r n c 和网络连接，在连接过程中，每一个r n c 保持一定的逻辑功 能。这些功能单元包括服务r n c ( s e r v i 赡r n c ，s r n c ) ，移动r n c ( d r i f t i n g r n c ， d r n c ) 和控制r n c ( c o n u o u i n gr n c ，c r n c ) c r n c 对u t r a n 接口的逻 辑资源进行总体控制，主要控制对象是基站s r n c 的功能则是在l i e 和u t r a n 之间建立一种特殊连接每一个和u t r a n 无线连接的l y e 都拥有一个s r n c s r n c 是控制u e 和u t r a n 之间的无线连接s r n c 的一个主要特点是它保留 了与核心网络连接的i u 接口当l r r r a n 和啦之间连接的无线资源需要使用一 些单元，而这些单元不是被s i c 控制而是被其他单元控制时，则需要d r n c 发挥其逻辑功能 1 2 3 资源管理结构 以下描述的网络的功能单元中心结构由于功能的分解，主域之间的功能 分离并最终引起网络功能单元的分离图i 3 表示主要分离的功能，这些功能有： ( 1 ) 通信管理( c o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n t ，c m ) ( 2 ) 移动管理( m o b i l i t ym a n a g e m e n t ，m m ) 9 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 无线资源管理( r a d i o 黜u 雠m a n a g e m e n t ，r r m ) c m 包含了所有与用户连接管理相关的功能和模块c m 又可分为几个子模 块，比如除了控制增值业务和短信业务外，还有电路交换连接的呼叫操作，分组 交换连接的项目管理m m 包括所有移动和安全所需要的功能和模块，例如，连 接安全模块和本地升级模块大部分m m 功能模块出现在核心网络中，在3 g 中 的部分m m 功能模块也可以在u t r a n 中实现分组交换连接 开放接口i u u 巨用户设备；r a n ：无线接入网络；c n ：核心同ln m s ：网络管理系统 图1 3u m t s 网络结构管理任务和控制功能 c m 包含了所有与用户连接管理相关的功能和模块c m 又可分为几个子模 块，比如除了控制增值业务和短信业务外，还有电路交换连接的呼叫操作，分组 交换连接的项目管理m m 包括所有移动和安全所需要的功能和模块。例如，连 接安全模块和本地升级模块大部分m m 功能模块出现在核心网络中，在3 0 中 的部分m m 功能模块也可以在u t r a n 中实现分组交换连接 r r m 时一个算法集合，u t r a n 使用这些算法管理无线资源这些算法的 操作，例如，无线连接的功率控制，不同类型的切换，系统负载和接入控制 r r m 在u t r a n 中时一个整体尽管这些管理目标可以在标准域和网络功能单 山东大学硕士学位论文 元中实现，另外还是需要通信中相关域和网络功能单元的支持这种通信就是既 要收集信息，反馈远程网络的状态，又要向管理目标发送命令以执行管理决策 因此，每一个管理目标都和一组控制功能相联系的，控制功能有： ( i ) 。通信控制( c o m m u n i c a t i o nc o n t r o l ，c c m c ) ( 2 ) 移动控制( m o b i l i t yc o n t r o l ，m o b c ) ( 3 ) 无线资源控制( r a d i or e s o c o n t r o l 。硒) c o m c 包括电话控制机制和分组项目控制m o b c 包括例如本地升级和安全 操作控制等一些机制无线资源完全在u t r a n 和u e 之间进行控制r r c 的控 制任务倾向于在u n la n 和u e 之间进行无线连接建立和维护这些连接控制又 精练成一些列标准化的控制协议 和g s m 网络相比。这些功能结构已经经过反复思考和讨论最明显的变化 就是对移动管理的处理，它在u t r a n 和c n 之间的功能被分离r r m 也是如 此，u m t s 结构更严格的遵循一个法则，即让u m t s 单独负责所有无线资源管 理在引入统一通用的i u 接口控制协议以后，就更加需要强调这一点 1 2 4u m t s 业务和业务结构 在l g 和2 g 网络中，技术实施和它的细化是非常重要的。在3 g ，虽然技术 很重要但是有一个普遍的观点认为3 g 网络更多是一个。业务网络”，而不仅 仅是一个简单的单元网络换句话说，l g 和2 g 是有技术局限的网络，移动终 端用户使用有限的技术来标准化业务在3 g ，技术不应该存在这种局限部分 原理处于商业考虑，从某种程度来说，也符合运营商的需求如果要讨论业务理 念，3 g 网络模型可以用图1 4 来表示。 由于3 g 网络从整体上来说就是一种很复杂的结构，其中有两个问题在网络 中到处提及而且应该谨慎处理，即网络管理和安全从业务结构来看，3 g 网络 和它的组成单元可以分成4 个不同的层面第一层是所有层的基础，即物理传输 层第二层各节点利用物理传输形成自己的层，即网络功能单元层第三层包括 的组成单元和功能模块可以形成为移动终端用户创建业务的环境由于成熟的业 务有内容要求。内容储备也就分离出来形成自己的层，即内容提供层，位于堆栈 的顶层图1 4 中，越低的层级要求的成本越高，而在越高的层级，成本并不是 。“一 。 山东大学硕士学位论文 一个主要的闯题虽然说这个模型中的每一层都可以用投入和收益来衡量，但是 它们还是有本质的区别以下两条原则适用于这一个4 层堆栈： 原则a ：越低的层，在网络功能单元的投资越大换言之，传输和网络功能 单元占据了3 g 大部分的成本投入，而收益则依赖于网络的结构和覆盖范围 原则b ：越高的层。在人们和观念上的投入越大当向更高的层移动的时候。 纯技术的问题已经不是非常重要；使更多的人接受好的观念，理解人的行为，使 核心的商业原则 。 图1 4u m t s 网络结构业务模型 总之。一个能获得利润的、成功的3 g 网络可以把图1 4 中所示的4 层结构 很好的协调和整合在一起换言之，技术形成了这样一个平台，在这个平台里好 的理念有可能转化并为移动终端用户提供优良的服务 在传统的2 g 网络中，网络管理的功能相对有限，着重于网络功能单元及其 技术支持在3 g 时代，业务和平台相分离的理念使得网络拓宽了它的网络管理 范围；每一项业务都需要涉及到此模型的每一层为了确保业务功能的正确执行。 整个堆栈都应该很好的控制 成熟的机制和有效的算法确保了u m t s 的存储水平和网络内部安全从这 个角度来看tu m t s 网络比g s m 网络更安全支持第三代网络的开放商业模式 实现了端对端的安全性 3 g 主要是一个为移动终端用户提供简便操作、足够的带宽并确保质量的网 络系统操作简便、带宽和连接质量统称为服务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 在一次用户之间的端对端服务中。其中所涉及的业务必须符合q o s 的要求，且 山东大学硕士学位论文 必须贯穿整个网络u m i s 网络的不同部分是通过不同的方法来满足q o s 的要 求 为端对端服务请求建立模型，可以分成3 个实体部分：本地承载业务、u m t s 承载业务和外部承载业务本地承载业务包含的机制是关于移动终端用户服务如 何在移动终端设备和移动终端( m o b i l et e r m i n a t i o n ，m t ) 之间建立对应关 系移动终端是用户设备一部分，是网络中发送和接收无线传输的端口，使移动 终端设备可以进行无线通信反过来，u m t s 承载业务包含的机制是使q o s 嵌 入到由u t r a n 和c n 组成的u m t s 3 g 网络中既然u m t s 网络自身是和外部 网络连接的移动终端用户q o s 请求也必须在其他网络中操作，主文是外部承 载业务所要关注的闯题 在咖网络中，i m r a n 和c n 的操作有所不同在c n 看来，im l a n 制造了一种为移动终端用户服务提供充分q o s 的固定业务。幻想”这一。幻想” 称为无线接入承载业务( r a d i oa c c e s sb e a r e rs e r v i c e ) c n 使用的是它自己的承 载业务成为c n 承载业务无线承载业务和c n 承载业务问的分离是必然的。 因为在不同的网络环境下，都必须保证q o s 而这两种网络环境有它们自己的运 行机制和协议例如，c n 承载业务是连续的，因为它的主干承载业务提供的物 理连接也是稳定的而在u 豫a n 中，无线接入承载业务随着网络的主要结构原 理，即整个网络结构独立于无线接入技术 图1 5 所示的结构是从业务和q o s 的角度建立的一种网络结构模型q o s 在u t r a n 中是一个非常重要的议题 山东大学硕士学位论文 t e ( 终端设备)m t ( 移动终端 u t r a n q d u 边缘c n 罔关 ；i端到端华务 j 7 9 j9_f j ；i 本地承袭 ! u 瞒承蔽业务l 外部承载业务 ：i 业务 ；， ! ：j睦。ilf ， 二i 弱 无线接入承载业务 qd 承载业务l f 7j，j | 无线承靴务 j ；i 量干承曩业务匡 i 无线承牡务 7j。：l ；ji r n r 业务 j 物理层承载业 。 - 嚣承艮 “ a j务 r ! f j a 匿翻 2 7 l 翻匿丘_ 图1 5u 】陷业务结构 图1 6 显示了u t r a n 在网络单元层的结构，u t r a n 由r n s 组成，而每个 r n s 包含了多个实现u u 接口的基站( b a s es t a t i o n s ，b s ) 和一个r n c 因为u m t s 接i z ll u r 可以把相互连接的两个r n c 分离开，所以u m t s 接口 可以把r n c 有机地隔离开来i i 玎目前已经成为了一个开放地接口，并且能够传 输数据和语音信息 、 1 3 1 基站 基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 位于u 1 i 和u m t s 接口之间，这里所说地u m t $ 接口是指r n c 和b s 之间地i l l b 接口对于用户终端来说，b s 地主要任务是实 现u u 接口地物理功能，而对于网络端而言，b s 地主要任务是通过使用为各种 接口定义地协议栈来实现i u b 接口的功能通过u u 接口，b s 可以实现w c d m a 无线接入物理信道的功能，并且能把来自于传输信道的信息根据r n c 的安捧映 1 4 山东大学硕士学位论文 射到物理信道 图1 6i r r r a n 结构图 1 3 1 1 基站结构 b s 的内部结构是一个特殊的部分，但是它的逻辑结构，即在u t r a n 中b s 是如何进行工作的。还是非常普通的从网络端来看，b s 能够分成几个逻辑实 体，如图1 7 所示 在l u b 端，一个b s 有两个实体组成；公共传输信道和许多业务结束点( t r a f f i c t e r m i n a t i o np o i n t ，1 - r p ) 组成公共传输信道主要是指用于一个小区中所有用户 的公共传输信道公共传输信道实体也包含一个基站控制端口，该端口用于操作 和维护( o p e r a t i o n & m a i n t e n a n c e ，o m ) 一个r r p 由许多基站通信内容组成， 而基站通信内容实际上是由所有的专用资源要求组成，这些要求是处于专用模式 的l i e 所必需的所以，一个基站通信内容至少可以包含一个专用信道( d e d i c a t e d c h a r m e d ，d c h ) 但也由例外，也有可能只是包含了一个下行共享信道( d o w n l i n k s h a r ec h a n n e l ，d s c h ) ，d s c h 也属于基站通信内容的一部分从u m t s 网络 结构来看，b s 实际上可以看成一个逻辑o & m 实体。它属于网络管理操作换 句话说，b s 术语描述了物理的b s 组成和b s 的环境。即b s 工作场所 从无线网络和网络控制的观点来看，b s 是由几个成之为小区的逻辑实体组 成的一个小区是一个最小的无线网络实体。每个小区都有自己的识别号( 小区 曰曰曰 山东大学硕士学位论文 i d ) ，该识别号对每个u e 都是公共可见的当无线网路进行配置时实际上就 是小区的数据信息进行改变术语。扇区是指小区的物理发生地，也就是无线 覆盖范围 传输信道 物理信道一j 传输信道 物理信遒一j u u 端 传输信道_ j 物理信道_ j 公共传输信道 匹堕圃 匹受圃 匝耍圃 图1 7b s 逻辑结构 每一个小区都有一个扰码u e 识别一个小区主要通过两个信息：扰码( 进 入小区就分配) 和小区m ( 用于无线网络拓扑结构) 一个小区可能会有多个发 送一接收器( t r a n s h n i t t e r - r e c e i v e 。t r x 也称为载波) 小区的t r x 把信息广 播发送给所有的u e 主要时通过包含了b c h 信息的主公共控制物理信道 ( p r i f r yc o m m o np h y s i c a lc h a n n e l ，p - c c p c h ) 来实现的一个t p x 包含了通 过u u 接口的物理信道，这些物理信道用来传输传输信道中的实际信息，它可能 时公共或专用信息 一个小区至少要包含一个t r x 。t r x 时b s 的一个物理组成部分，它可以实 现各种功能，通过t r x 从陆地l u b 接口来的数据流可以发送到无线信道和实际 环境中 山东大学硕士学位论文 1 3 1 2 小区容量 在w c d m a 技术中，所有的用户共享公共的物理资源，频率带宽为5 m h z 在w c d m a t r x 中所有用户在相同的时间内共同存在相同的频率带宽内，不同 用户的信号传输通过所使用的扩频码来识别在第一代u m t 8 系统中，u 豫a 将使用w c d m a f d d 空中接口模式在u u 接口处不同的传输方向使用不同的 频率人们最感兴趣也是最疑惑的闯题时w c d m at r x 的容量在g s m 网络 中，t r x 容量的计算时一个非常简单的过程但是在w c d m a 无线接口技术中， 由于接口完全不同，系统的容量有许多因无决定，所以其大小也不是很容易就能 够确定出来的 下面简单介绍了如何进行w c d m at r x 容量的评估，容量的评估基于一定 的无线环境，并且为了简单起见，必须做以下假设： ( 1 )在t r x 无线覆盖范围内的所有用户时均匀分布的，这样用户到 t r x 天线的距离时相同的 ( 2 )用户所使用的功率大小时相同的，这样系统所引起的干扰对每个用 户来说都是相同的 ( 3 )在t r x 下的所有用户都以相同的基代速率发射，也就是说，所有 用户具有相同的符号传输速率 在以上假设的情况下。可以定义信号的处理增益( g p ) ，处理增益是一个相 对值，它表示了整个带宽的大小( b 肼) 与基带比特速率( b 蛔幻。岫) 的关系： g = = b l 置l l 白啊_ 一 也可以采用另外一种方法来表示处理增益，即采用切普速率和数据速率，如 下所示： g ，；篆 以上两种定义会使在接收到的信号和接收器输出之间的信噪比( s i g n a lt o n o i s * r a t i o ，s n r ) 变大更进一步研究表明，处理增益实际傻瓜和扩频因子的 大小相等需要注意的是这里讨论的基带比特速率实际上指速率匹配后的速率 在这个过程中原始比特速率根据承载业务的比特速率进行调整，承载业务的比 特速率相对来说是固定不变的主要有3 0 k b i t s 、6 0k b i t s 、1 2 0k b i t $ 、2 4 0k b i t s 、 1 7 山东大学硕士学位论文 4 8 0k b i 幽和9 6 0l 【b i 讹几种系统的切普速率是不变的，为3 8 4 0 0 0 0 c h i p s 因此， 假如承载业务的比特速率为3 0k b t ，s ，其扩频因子应该为1 2 8 ： g ，= 等= 1 2 8 = 扩频酹 在一条信道下的传输信号功率p 的大小是由每比特的能量和基带的比特速 率的乘积来决定的： 。 ，= e x 基带速率 另外，带宽为b 盯的信道( n 妇州) 的噪声可以表示为： = x o 其中n o 是指噪声频谱密度( w i - i z ) 基于以上分析，信噪比可以表示为： s i n ，上。墨兰董萱垄皇。墨坐生 x q 。 如果假设在t r x 中有x 个用户，同时前面的假设同时成立的话，那么就会 有( 统计考虑) x - - 1 个用户会对自身用户产生干扰这样信噪比可以表示为： s i n 。 ：l 尸( x - 1 ) ( x - d 由以上公式可以进一步得知，如果系统由大量的用户，上式可以变成： s i n ：l 。土 ( 工- d x 所有可以用两种方法来计算信噪比： 警毒x 一矗 以上公式由于用了很多约等于( 一) 表示，所以并不是非常精确，主要用于 估算系统的容量最专业的计算t r x 系统容量的方法是充分考虑更多的参数要 求 以上公式计算出来的用户数量是t r x 所能处理的最大用户数再理论上应 该考虑小区间的干扰在实际环境中的小区问会有小区间的干扰，所以以上公式 计算出来的结果需要进行修正如果假设系统受到的小区间干扰恶化系统受到的 山东大学硕士学位论文 小区内干扰大小一样，那么系统的用户数将是原来的一半从上面的公式可以看 出，e 加大小是系统容量的关键，他对n 田小区的容量有巨大的影响在e b n 0 的关系式中，下面几个要素需要考虑和研究： ( 1 ) n 0 是一个固定不变的值，它包含了一些接收器的特定值 ( 2 ) e b 是一个可变值，它和很多因素有关，这些因素主要包括： 处理增益，扩频因子：扩频因子越大，e h 会越小 基带传输速率越高，e b 值越大 u e 和b s 之间的距离：距离越大，e b 会越大 移动终端移动速率：移动速率越快，e b 会越大 以上的公式计算由于作了很多的假设，并且很多参数没有考虑，所以只能大 致的估算出系统容量 1 3 2 无线网络控制器 无线网络控制器( r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ，心蛇) 是i r n l a n 的交换和控 制元素，r n c 位于i u b 接口和i u 接口之间，它也可能会有第3 个接口i u r ，主要 用于r n s 问的连接r n c 的实现也是非常独立的，看是也有一些普通的特性， 如图1 8 所示： r n c 把b s 看成两个实体：公共传输和基站通信内容集合体在r n c 中控 制这些功能的部分成为控制r n c ( c o n t r o l l i n gr n c ，c r n c ) 相对于承载业务而言，r n c 是i u 承载业务和r b 之间的交换点在u e 和 r n c 之间的无线连接传输用户数据则称之为一个r b r b 实际上也u e 的内容 相关u e 的内容实际上是指i u b 要求的一系列定义组成，这些i u b 要求主要是 安排u e 和r n c 之间的公共和专用连接既然i j i r a n 利用了宏分集技术，u e 在自己和r n c 之间可能会同时存在多个r b 这种情形主要发生在软切换的时 候我们把r n c 处理某个l i e 的i u 承载业务称之为服务r n c ( s e r v i n gr n c ， s i 讣c ) r n c 的第3 个逻辑功能是漂流r n c ( d r i f t i n gr n c ，d r n c ) 当在此模式 下时，r n c 自己分配u e 。内容，而执行u e 分配的请求通过i u r 接口来自于s r n c 山东大学硕士学位论文 劁远，来自于 b s s q l - 接 u 篚 一 元 到达来自于 核心i q 络 劁j ，来自r l 他心c s 到达，来自干刚络置愿 图1 8i t n c 逻辑结构 s r n c 和d r n c 的任务都是功能化的，这可能会改变他们的物理位置当 u e 在无线网络中移动执行软切换操作时，l i e 的无线接口将完全通过一个不同 于s r n c 的别的r n c 接入系统，它通常在第一次的r b 建立时执行在这种情 况下，s r n c 的功能将转移到r n