（通信与信息系统专业论文）gprs吞吐量与时延性能的研究.pdf

、 北方交通大学硕士论文 摘要 移动数据将是未来最具增长潜力的一项业务，它的增长速度 会远远超过话音并且业务量最终也将超过话音业务。本文对极具 应用前景的g s f 分组数据业务g p r s 的吞吐量和时延性能进行 了研究。与前人仿真研究工作不同的是，本文是从理论上给出了 g p r s 吞吐量和时延性能的数学关系，这种研究思路也可以拓展 到其它分组数据协议的研究当中。厂r 论文首先对g p r s 的总体网络结构和数据传输协议进行了详 细探讨，然后主要从协议开销、空中接口的随机接入机制、物理 信道上的多用户统计复用原则三方面来分析g p r s 网络的传送时 延和吞吐量性能，给出推导公式。在应用e t s l 建议的典型业务 模型对公式的合理可用性进行验证之后，本文没有因循前人研究 采用的业务模型，而是选择目前在g s m 网上开展得很好，在未 来也展现出极大发展潜力的短消息业务作为模型，利用推导公式 分析了系统内部各参数r l l c 帧最大超时定时器参数m a x 、最 大允许发送次数m 、用户活动性因子a 、分配的信道数n 、b l o c k 丢失概率r 。等舅对短消息业务吞吐量和时延性能的影响。所有 的数值结果通过c 程序计算得到，图线分析调用了m a t l a b 引 墼。 【关键词】 g p r s吞吐量时延随机接入 信道复用 - 、一 l i d i s s e r t a t i o n ，n o r t h e r nj i a o t o n gu n i v e r s i t ya b s t r a c t a b s t r a c t m o b i l ed a t as e r v i c e ss h o wt h eb i g g e s t p o t e n t i a lt ob ew i d e l yu s e d i nt h ef u t u r e ，t h ei n c r e a s i n gs p e e do fw h i c hw i l le x c e e dv o i c es e r v i c e f u r t h e ra n dt h em o b i l ed a t at r a m cw i l lf i n a l l yo v e r n l r lt h ev o i c et r a 币c g p r s o n eo ft h em o s ta t t r a c t i v e p a c k e t d a t as e r v i c ei ng s mi s b e i n gi nc o m m e r c i a lu s ew o r l d w i d e t h i st h e s i sd o e sm u c hr e s e a r c h o nt h et h r o u g h p u ta n d d e l a yp e r f o r m a n c e o f g p r s d i f f e r i n g f r o mt h e f o r m e rs i m u l a t i o nr e s e a r c hw o r k ，t h i st h e s i sa n a l y z e st h et h r o u g h p u t a n d d e l a yp e r f o r m a n c e o fg p r s t h e o r e t i c a l l y a n d g i v e s t h e m a t h e m a t i c a lf o r m u l a t h i sk i n do f a n a l y s i sm e t h o da n di d e aa l s oc a n b eu s e di nr e s e a r c h i n go t h e r p a c k e td a t ap r o t o c o l s n e t w o r ka r c h i t e c t u r ea n dt r a n s m i s s i o n p r o t o c o l o fg p r si s d i s c u s s e di nd e t a i lf i r s t l y t h e nt h et h r o u g h p u ta n dd e l a yp e r f o r m a n c e i sa n a l y z e df r o mt h ep r o t o c o ls p e n d i n g ，r a n d o ma c c e s ss c h e m ea n d s t a t i s t i c m u l t i p l e x i n gp r i n c i p l eo fp h y s i c a lc h a n n e lf o rm u l t i u s e r s q u a n t i t a t i v ee x p r e s s i o ni sg i v e n ，t h ec o r r e c t n e s so fw h i c hi s v e r i f i e d b yc o m p a r i n gt h e n u m e r i c a lr e s u l t so ft h ee t s is u g g e s t e dt y p i c a l t r a f f i cm o d e lw i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t sr e f e r r e df r o mt h ef o r m e r r e s e a r c h i n s t e a do ff o l l o w i n gt h eu s u a l l yu s e dt r a f f i cm o d e t h i s t h e s i ss e l e c t st h es h o nm e s s a g es e r v i c ea st h ei n p u tl o a d b e c a u s e c u r r e n t l ys m s i ng s mi sb e i n gu s e db ym o r ea n dm o r es u b s c r i b e r s a n dt h ec u r r e n ti ss t i l l i n c r e a s i n g s m s w i l lb et h em o s tp o s s i b l e s e r v i c e e a r l yu s e di ng p r s t h ee f f e c t so ng p r sp e r f o r m a n c eo f v a r i o u sp r o t o c o lp a r a m e t e r s ，s u c ha sl l ct i m e o u tt i m e r ，m a x i m a l r e t r a n s m i s s i o nt i m e s ，u s e ra c t i v i t y , n u m b e ro fp d t c h ，b l o c ke l f o r r a t e ，a r ed o n ew i t ht h eh e l po f n u m e r i c a lr e s u l t sn u m e r i c a lr e s u l t sa r e c a l c u l a t e dw i t hc p r o g r a ma n df i g u r e sa r ep l o t t e db ym a 7 z a b k e y w o r d l g p r s t h r o u g h p u td e l a y r a n d o ma c c e s s c h a n n e lm u l t i p l e x i n g 北方交通大学预士论文第一章。| 吉 第一章引言 1 1 移动数据通信新技术 近年来，随着i n t e r n e t 的普及，i n t e r n e t 上的数据业务( 如 e m a i l 、文件传送、w e b 浏览等) 急剧猛增。另一方面，在移动通 信领域，g s m 的全球用户数还在逐年增加，3 g 系统的研发就已 在紧锣密鼓的进行中，实现全球无缝漫游的个人宽带移动通信已 经指日可待。在人们对移动性和各种数据应用业务不断提出需求 的同时，推动了移动数据通信技术的向前发展。i n t e r n e t 与移动 通信的结合已经成为当前最热点的研究课题之一。总起来说，移 动数据通信就是用户在任意固定地点或在运动中，通过无线数据 终端与其它数据终端交换数据、传递文件、提取资料，以及访问 数据库的过程。 移动数据通信的发展趋势主要是三个方面：一个是在以电话 为主的蜂窝移动通信系统中增加传送数据的能力，例如在第代 模拟移动通信系统( a m p s ) 中传送数据的c d p d 系统和在第二： 代数字移动通信系统( g s m 和1 s - 9 5 ) 中的增强传送数据技术 g p r s 、e d g e 、i s - 9 5 b 、i s - 9 5 c 等；一个是移动i n t e r n e t 技术， 包括移动，尸、无线应用协议( w a p ) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术等： 还有就是第三代宽带移动通信技术。 1 1 1 第一代模拟移动通信中的c d p d 系统 c d p d 是在a m p s 模拟蜂窝移动电话网上提供分组数据服务 的一种系统。它是在不影响话音通信的前提下，利用蜂窝系统中 未被使用的资源提供数据通信。c d p d 的信道速率为1 92 k b s ， 实际的信息传输速率只有l o - 1 3 k b s 。c d p d 的基本原理是按一 定的规则。把要传送的数据分割成若二i 二定长的数据段，并给每 数据段加上收、发终端地址及其它控制信息，以“分组”为t 阜何， 存a m p s 的空闲信道上进行传输。当晤占用户要求占用该信道 、 北方交通大学硕士论文第一章引言 时，c d j d d 将重新寻找新的空闲信道，并利用信道跳频技术，自 动跳到新的空闲信道传送数据。如此重复，直到传完为止。 c d p d 系统主要由移动终端、固定终端、移动数据基站、管 理服务器、信息服务器、网络管理系统等组成。每个管理服务器 可支持8 个分组服务器，每个分组服务器可支持3 2 个移动基站， 一个基站拥有6 个信道，每个信道约2 0 0 0 3 0 0 0 个用户。c d p d 采用，p 高层网间协议，各部分的通信靠t c p 1 p 来连接。外部主 机与c d p d 网之间可采用x 巧协议或i n t e r n e t 互联。c d p d 具有 标准性好、开放性强、传输效率高的特点。 1 1 2 第二代数字移动通信中的晶, p r s ，点粥民i s - - 9 , q b ，i s - 9 5 c 虽然目前g s m 的用户数还在增加，但2 g 的制造商和运营商 已经感受到3 g 即将面市的严峻挑战了，因此他们千方百计寻找 增强第二代系统的技术，提高其无线数据传输能力和网络容量， 开辟新的高速数据业务，以延长2 g 系统的生存时间，并为向3 g 平滑过渡作好准备。第二代向第三代演进的策略是把i m t - 2 0 0 0 的部分服务引入到第二代系统中。然后在增加频谱有效性和灵活 性的基础上演进或更新到3 g 宽带接入以提供全部1 m t - 2 0 0 0 的 服务。 g s m 演进中的高速数据服务主要有三科，：h s c s d ( 高速电路 交换数据服务) 、g p r s ( 通用分组无线服务) 和e d g e ( 增强数 据率的全球演进技术) 。h s c s d 是电路交换方式的高速数据服 务，使用时隙捆绑技术，最多可使用4 个时隙，使数据率达剑 5 76 k b s 。g p r s 是分组交换方式的高速数据服务，可占用，8 个 时隙，有4 种编码方式，信道速率最高可达，7 12 k b s 。e d g e 是 一种提供更高数据速率的全球演进技术，同样采用t d m a 技术， 其帧结构与g s m 相同。每载波带宽2 0 0 k h z ，采用8 p s k 调制， 使每时隙可传4 8 k b s 甚至6 92 k b s ，如集- 卜8 个时隙，数据率可 达到3 8 4 k b s 。 现有1 s - 9 5 a 系统可支持96 k b s 和1 44 k b s 两种数据速；等。 它演进的高速数据服务包括1 s 一9 5 b 和1 s - 9 5 c 。1 s 一9 5 b 利川码聚 北方交通大学硕士论文第一章引高 集技术，在一个突发中将8 个码信道分配给一个移动台用于分组 数据传输，可达到1 1 5 2 k b s 的中速数据率( m d r ) ，正向链路数 据速率为2 8 8 5 7 6 k b s ，反向链路数据速率为1 4 4 k b s 。1 s - 9 5 c 是在c d m a2 0 0 0 标准基础上采用单载波和3 个多载波方案达到 1 m t - 2 0 0 0 的m d r ，可使c d m a o n e 系统容量增加一倍。 1 1 3 移动i p 、w a p 和b l u e t o o t h 移动伊将是最终彻底实现移动接入i n t e r n e t 的一种网络协 议。它是基于1 pv 6 的，具有1 2 8 位的地址空间。巨大的地址空 间将足够为全球每个手机( 甚至包括其它家电用器) 分配一个，p 地址，建立起点对点的连接。移动伊在伊网络中增加了移动节 点、本地代理和外地代理3 个功能实体。移动伊协议主要完成3 个功能：代理发现、注册和隧道技术。移动护是解决伊网络宏 移动性( m a c r om o b i l i t y ) 问题的标准，不是针对微移动性( m i c r o m o b i l i t y ) 的解决方案，因此应用到下一代无线网络结构中存在 一些局限性，主要是移动俨不支持无缝移动( s e a m l e s s m o b i l i t y ) 、 不支持永远在线被动连接( p a s s i v ec o n n e c t i v i t y ) 、不支持寻呼 ( p a g i n g ) 。 w a p 称为无线应用协议，它是一套开放的、统一平台，使用 户能够容易地获取各种互联网信息服务。w a p 定义了一整套软 硬件接口，使用移动电话来收发电子邮件及浏览i n t e r n e t 。w a p 支持绝大多数无线设备和多种移动网络以及未来的第三代移动通 信，其标准的主要内容是：w a p 应用环境( w a e ) ；w a p 通 信协议；无线电话应用( w t a ) 。 b l u e t o o t h 是一种小范围的无线通信标准，它可以使各种通信 设备、计算机及其终端设备、各种数字数据系统、甚至家用电器 用无线方法联接起来。它采用24 g h zl s m 频段，g f s k 调制和 跳频技术、前向纠错编码及a r q 、t d d 方式，基带协议为电路 交换与分组交换相结合。t d m a 每叫隙06 2 5 1 m ，基带数据速牢 能达到，m b s ，支持6 4 k b s 的实时话音传输。发射功率分j m 眠 25 m i f ，、3 m w 二个等级，传输距离l o m ，o o m 。蓝牙使用全球统 北方交通大学硕士论文第一章引言 一的4 8 b i t 设备识别码。蓝牙的组网原则为主从网络，利用t d m a 一个主站可同时和7 个从站进行通信。 1 1 4 第三代移动通信系统中的宽带移动数据通信 要提供高速数据服务，最根本的条件还是要有足够的频率资 源。因此，真正意义上的移动数据应用只有在第三代宽带移动通 信系统中才能实现。i 柳- 2 0 0 0 确定的基本带宽为5 m h z ，服务目 标是在移动车辆环境下提供1 4 4 k b s ，在步行环境下为3 8 4 k b s ， 在室内环境下为2 0 4 8 m b s ，在卫星移动环境下为9 6 k b s 。因此， 在第三代系统中，将能更好地提供包括话音、文字、图像、视频 在内的多媒数据服务。 1 2 移动数据业务新趋势 从公众应用来看，最初开展较好的是短消息服务及其之上的 各种增值信息服务，如股票、天气预报、列车航班信息等。在互 联网信息更加丰富的今天，笔记本电脑通过手机上网的数据流量 将会增大。用户甚至希望手机就能直接接入i n t e r n e t ，因此基于 w a p 的各种信息服务正不断推陈出新，包括在线购物、银行事 物、电子新闻、定位等，其中基于位置的各种个人移动信息服务 将是未来发展的一个亮点。 从专业领域的应用来看，基于无线数传的定位跟踪监控以及 远程仪表数据的自动采集传送、道口自动收费等应用都具有广阔 的发展前景。 总之，移动数据业务会朝着切合应用的方向迅速发展，它的 增长势头可能会象互联网业务一样令人难以置信，它将给人们的 生活带来新的改观。 1 3g p r s 研究课题的演进 g p r s 的标准化1 = 作始于1 9 9 4 年，规范的制定工作丁，9 9 s 年结束。从g p r s 标准草案拟定之时，就有许多大学和公司的研 究机构致力于g p r s 数据传输性能的改善和优化，这些研究成果 北方交通大学硕士论文笫一章引言 有力地推动着g p r s 网络的商用化。据h t t p ：h w w w m o b i l e 。p r s c o m 2 0 0 0 年7 月刀日的新闻报道，目前全球已签定了1 2 3 个核心试验网 和商用网合同，e r i c s s o n 拥有如多个合同，占有市场份额的4 0 以上。从国内来看，中国联通的深圳试验网，采用m o t o r o l a 的 设备；中国移动也在广东建立了试验网，采用e r i c s s o n 的设备： 联通无锡试验网也准备采用e r i c s s o n 的设备。 g p r s 的研究工作大致是集中在两个阶段进行的。第一阶段 是从网络协议性能本身入手，对空中接口部分( 物理层、媒质访 问控制层、链路控制层) 的无线资源管理( 单时隙与多时隙的安 排) 、信道编码、链路质量和误码性能、数据帧格式、差错重传 控制等进行了大量的理论分析和仿真研究，从网络本身数据承载 能力的优化得出了结论；第二阶段则是从应用的角度出发，站在 用户和运营商的立场，以用户满意度作为衡量网络质量的一个重 要方面，从应用业务模型( w w w 、e - m a i l 、铁路数据业务等) 、 用户服务方式( f i f o 、优先级方式等) 、q o s 、频率重用模式、 与话音业务的结合等方面做了大量探讨。 1 3 1 业务模型与用户服务方式 1 ) 业务模型 g p r s 是一种分组交换数据业务，它非常适合承载突发性强、 对时延不太敏感的中、小量数据业务，对于大量数据的传送，则 宜采用e t s i 建议的另一种高速电路交换数据方式一h s c s d 。 g p r s 的主要应用方式包括：i n t e r n e t 浏览、文件传送、电子邮件、 远端监控仪表、铁路系统( 向机车传送车辆控制信息、旅客服务 信息等) 、交通运输系统( 传送交通路况信息、无停车自动计费、 车队调度管理等) 、在线点对点通信和点对多点通信、交易过程 ( 数据库查询、信用卡鉴别、订单输入、存货清单情况、信，鬯、查 询) 等。不同的应用情况，分组大小和剑达速率不尽相同。有b 是短分组的频繁传送，如车辆调度指令；有些是中等人小分组的 中速到达服务，如铁路业务模型；有些是较大分组的偶尔发送。 脚丐，为评价g p r s 的性能，在 2 0 i 中建议r3 种典型的业务模型。 、 北方交通人学硕士论文第一常引言 f 泖忸7 1 模型：该模型是根据宾夕法尼亚大学科研网上 e m a i l 的使用统计情况建立起来的。分组大小的概率分布近似 为柯西分布c a u c h ym 8 ，j ，分组大小限定在( 0 ，l o k b y t e s ) 。 删2 币亡硼j 。而碉1 ( 卜d m o b i t e x 模型：该模型是根据瑞典分组无线数据网m o b i t e x 上的车队管理应用的统计数据建立的。上行和下行的分组长 度都近似为均匀分布。 上行：3 0 + u i f o r m ( 一1 5 1 5 ) b y t e s 下行：1 1 5 七u n i f o r m ( - 5 7 , 5 7 ) b y t e s fl f ，2 ) r a i l w a y 模型：该模型是根据铁路业务的应用情况统计得 到的。概率分布近似为指数分布，平均分组长度为，7 0 b y t e s ， 最大分组长度为1 0 0 0 b y t e s 。 s ( d 2 南叫一南戈j 似j j 此外，文献 9 中还提到了另种修改过的铁路模型一u i c r a i l w a y 模型。该模型下有周期性和非周期性两种分组。周期分 组长度服从区间( 3 0 b y t e s ，7 0 b y t e s ) 上的均匀分布，下行消息产 生周期为2 秒，上行消息产生周期为，秒。而非周期性分组，下 行的长度服从指数分布，平均长度为2 5 6 钞t e s ( 产生的平均时间 为，分钟) ，最大长度为1 0 0 0 b y t e s ，累计概率分布如下： f ( x ) = p ( x m ) i f ( x ) = ，p r ，一4 j 。上行消启、平均每2 0 秒 产生一次，并需要得到下行的应答。上行分组和a c k 的长度分布 与周期分组相同。 j i a nc a i 3 1 在o p n e t 平台上仿真，采用每时隙数据速率为 90 5 k b s 的c s - 1 编码，在8 个时隙工作方式下，f u n e 7 模型的 最大吞吐量只能达到8 0 ( 6 4 k b s ，理论上的最大存吐量为 7 6 k b s ) ，r a i l w a y 模型为5 0 ，m o b i t e x 模型为2 0 。 北方交洒大学硕士论文第一章引言 g b r a s c h e 4 】、 1 1 通过c + + 类库c n c l 进行的仿真结果是： f ( ，e 了1 模型可以达到最大理论吞吐量的7 0 ，r a i l w a y 模型为 4 8 ，m o b i t e x 模型为j 0 。 d a l i b o rt u r i n a 【8 1 在c s - 3 方式下，选择了j 7 吵t e s ( 每2 d 秒 产生一个分组) 、1 5 0 b y t e s ( 每分钟产生一个分组) 、6 0 0 b y t e s ( 每 分钟产生一个分组) 三种包仿真，最大吞吐量分别约是2 3 、 5 0 、7 口。 文献 9 对m a c 层多时隙性能进行了仿真分析。得到1 0 0 m s ， 8 g p r s 信道，单时隙下，f ，e7 1 模型的最大吞吐量为7 0 ，r a i l w a y 为4 0 ，m o b i t e x 为3 0 。 3 6 用c 编写的软件进行仿真，也得出了类似的结论。它的 模型参数为：n 乎n t t 到达假定为泊松分布，m o b i t e x 上行分组长度 为5 到4 5 b y t e s 之间的均匀分布，每j 2 秒产生一个分组；r a i l w a y 分组为负指数分布，平均长度，7 d 砂r 8 s ，最大长度1 0 0 0 b y t e s ，每 6 8 秒产生一个分组；f 旧r 分组为截断柯西分布，最大 ，o k b y t e s ，平均7 7 0 b y t e s ，每，2 分钟产生一个分组。c s - 1 编码， 2 个p d c h 。最大吞吐量分别为1 3 ，6 6 ，8 4 。作者进一步 研究了不同业务模型对上行呼叫连接三个阶段( 随机接入、等待 资源分配、数据传输) 的影响，评价了三个指标肌。，。( 随机 接入阶段的接入失败率) 、p r c c 。( 等待分配资源过程中呼叫被阻 塞的概率) 、d r ( 接入时间与分组传送时间之比) 。仿真表明： 随着输入负载的增加，m o b i t e x 分组的p r c m “，很快上升，p r c 。 几乎不受影响，瓶颈出现在接入阶段：而f 们忸7 分组的肌。， 几乎不受影响，p w 。迅速升高，瓶颈出现在等待分配资源的过 程中：r a i l w a y 模型则在随机接入和资源预留阶段都会受影响。 小结 前人研究得出的结论是一致的，即g p r s 承载短分组时，奋 l 量较低，信道大量浪费在比特丌销和信令交换j 二。在产生相同 输入负载的前提下，显然短分组的用户请求要多于长分组，在接 入信道数量相同的情况f ，短分组的接入晴求更容易发生碰撞 随机接入阶段成为短数据传输的瓶颈。短分组本身用在数据传输 北方交通大学硕士论文第一章引言 上的时间并不多，大量的时间浪费在随机接入上。相反，在相同 前提下，长分组的接入请求不多，容易接入，但是在资源预留阶 段，由于长分组需要占用的资源较多，当负载较大，资源较少时， 由于没有足够可用的信道，长分组将滞留在等待资源分配阶段， 最后被阻塞掉。可见，长分组业务和短分组业务的信道安排应该 是不同的，要灵活适应于高层的业务特性，以达到网络性能最优。 2 ) 用户接受服务的方式 不管是什么样的应用，用户都会关心网络所能提供的连接速 率、接通率以及中断率等。g p r s 为满足不同用户的需要， 5 0 1 规定了四种级别的服务质量q o s 。q o s 从以下五方面进行了定义： 优先级、可靠性、平均吞吐量、峰值吞吐量、延迟类别。表1 1 给出了延迟指标。 表1 1不同大小分组的延迟性能 s i z c 1 2 8 字节1 0 2 4 字节 d a 。 平均延迟9 5 平均延迟9 5 i ( p r e d i c t i v e ) ( o5 s“5 s( 2 s( 7 s 2 ( p r e d i c t i v e ) ( 5 s( 2 5 s( 15 s( 7 5 s 3 ( p r e d i c t i v e ) ( 5 0 s 2 5 0 s( 7 5 s( 3 7 5 s 4 ( b e s te f f o r t )没有规定 f 3 9 就三种最常见服务原则在g p r s 中的应用进行了讨论。 f 1 f of r fmn 坩fo u t j ，即先到先服务原则。需要设置 两个缓存器，缓存器，用于存放q o sc l a s s l ，2 ，3 类分组，缓存 器2 用于存放c l a s s4 类分组。缓存器，中的分组按照分组到达 的先后次序接受服务，而缓存器2 中的分组只有在缓存器，中没 有需要发送的分组时才能获得服务。 s 尸s ( s t a t i cp r i o r i t ys c h e d u l i n g j ，即按优先级服务原则。 这时为每种服务类别的分组单独设置一个缓存器，分配固定的优 先级，c l a s s ，级别最高，c l a s s4 级别最低。、与有空闲日j 隙 | 现时， f f yi 缓存器中的分组只有在所有c l o s sff f 5 仿真主要评估分配个s p d c h 时的3 个参数： 吞吐量：p d t c h 的占用率； 接入延迟：从消息产生到第一个数据突发传送出去的时 间间隔 延迟分布：每接入延迟时问内产生的等待发送l l c 帧数。 数值结果： 对m o b i t e x 模型，n = i 初n = 2 时，最大吞吐量约为04 0 4 5 。n 3 时，吞吐量开始下降。因此不需要分配超过2 个s p d c h 的信道。不管再增加多少s p d c h 信道，都不会带来业务质量的 改善，它将处于稳态。对于r a i l w a y 模型，在n = 2 时达到最大吞 吐量约0 7 。结论：g p r s 的性能很大程度取决于输入业务的统计 特性。 对m o b i t e x 模型，当极少的用户接入网络时，最小平均 接入延迟为6 0 m s 。在一定的s p d c h 情况下，接入延迟开始以较 小的斜率上升，随着用户数的增多，上升的斜率增大，直至系统 变得不稳定。实际应规定一个接入延迟门限，当系统用户数过多， 导致延迟将超过门限时，应禁止更多的用户接入。一个示例，当 门限定为3 0 0 m s 时，在，个s p d c h 时，至多允许5 p 个用广接 入，增加s p d c h 数，至多可接入跗个用户。并且得到和吞【吐量 分析一样的结论：分配超过2s p d c h 的信道，平均接入延迟也 不会减小。原因是此时承载信令信息的m p d c h 成为瓶颈。对 r a i l u ，a y 模型，最小平均接入延迟为8 0 m s 。当门限定为3 0 0 m s 叫， 北方交通大学硕士论文第一章引言 至多可接入1 2 0 个用户。并且系统饱和信道数为3s p d c h 。 9 5 接入延迟，对m o b i t e x 模型，当系统接入用户极少时， 最小接入延迟为1 4 0 m s 。如果要求 的接入延迟低于5 0 0 m s ， 则使用2s p d c h 至多可接入5 5 个用户。对铁路模型，最小接入 延迟为1 6 0 m s ，使用3 s p d c h 至多允许接入9 d 个用户。 接入延迟分布。m o b i t e x 模型对应活动因子，的占d 个用 户仿真。平均接入延迟2 9 1 6 7 m s ，9 5 接入延迟为l s l 5 7 3 1 m s 。 r a i l w a y 模型对应活动因子，的1 1 5 个用户。平均接入延迟为 2 6 6 4 8 m s ，”接入延迟为9 6 28 9 m s 。 小结 g p r s 的信道分为m a s t e r s l a v e 两种，m a s t e r 上安排有 p r a c h 、p p c h 、脚g c 日等逻辑信道，既承载信令又承载用户 数据；s l a v e 只承载用户数据。用户在多时隙方式下工作时，能 够获得较大的数据率，减少帧传送时延。接入信道与用户数据信 道的安排要结合网络负荷和业务特性统筹考虑，使随机接入阶段 和资源预留阶段的信道资源都得到充分利用，避免在某个阶段出 现资源空闲，而另一个阶段出现严重阻塞。另一方面，一味单纯 增加s p d c h s 的数目，当增加到一定数量时，m p d c h 会成为接 入瓶颈，每个用户获得的吞吐量增益并不大。此时，不必为用户 再多分配s p d c h 。 1 3 3 信道编码与频率重用方式 信号在移动无线环境中传播时会遭受瑞利分布的快衰落和对 数正态分布的慢衰落，在高速环境下还要考虑多普勒频移影响， 同时还存在同频干扰、邻道干扰、热噪声等。信号质量c i 的变 化将直接影响到数据传输的误比特率( b e r ) ，在g p r s 中体现 为误数据块率( b l e r ) 受影响。为保证数据传输的可靠性，同 时又不至于在宝贵的信道资源上传送过多的保护比特，g p r s 规 定了四种信道编码保护方式，以适用于不同的链路质量情况。确 定合适的频率重用系数是工程设计中关系到系统容量的一个重要 方面。频率重用系数太大，干扰较严重，可能满足不了c 1 的要 北方交通大学硕士论文 第一章引言 求；频率重用系数太小，对有限的频率资源又不能充分利用，限 制了网络容量。 s h o f f 5 得出了编码方式的动态适用范围：c i 低于6 d t ? 时， 采甩c s i 编码t 6 d b , j o d 8 j 范固魂采罱c s2 1 j o d b ，i7 d 8 j 范围内采用岱o ；1 7 d b 以上采用c s 一4 。p e r l a r s s o n 3 4 和m a x i m e f l a m e n t 3 8 等人则研究了各种频率重用模式配合恰当的信道编码 方式对g p r s 性能的影响。 3 4 研究指出，j 小区复用时，宜采用c s - 2 ；3 小区复用时， 宜采用c s - 3 i7 小区复用时，采用c s - 1 c s - 3 ，保护比特过多， 有点浪费，但采用毫无保护能力的c s - 4 时，由于c i 要求较高， 因此7 小区复用方式的效率不高，很少采用。文献还选择了三个 评价性能指标：( d q o s 满意度，它是指如果有f ol l c 帧的传输 延迟低于d 。时间，则用户会表示满意：频率容量 q u s e r s c e l l m h z ：频谱效率v k b p s c e l l m h z 。并进一步对每 种频率重用模式下的最佳c s 方案进行了比较，即，小区复用 + c s 2 ，3 小区复用+ c s - 3 ，7 小区复用+ c s - 4 。它的仿真参数是： 每小区分配一个g p r s 信道，d 。为2 4 s a 2 0 个数据块周期) ，频 率重用模式( 一簇中的小区数) j ，j ，7 。结论：j 小区复用+ c 孓j 的方案下系统性能指标最优，频率容量”约为3 4 0u s e r s c e l l m h z ， 频谱效率v 约为1 1 0k b p s c e l l m h z 。 3 8 指出，小区复用+ 纠错能力强的c s - 1 编码，就能提供最 大容量。而且为g p r s 分配8 个p d c h s 时的频谱容量比分配， 个p d c h s 时增加6 4 ，频谱效率从7 3 k b p s c e l l m h z 增加到 1 1 0 k b p s c e l l m h z 。当采取j 小区复用+ c s - 2 ，系统共安排4 个 p d c h s ，但每用户仅占用，个p d c h 时，频谱效率为 9 4 k b p s c e l l m h z 。 小结 g p r s 的每一种编码方式都有自己的最佳适用范围。采用何 利，编码方式取决于信道上的下扰和噪声，而干扰又直接与频率复 用系数和多普勒频移有关。如果能在应用中实现链路的动态适 配，根据网络设计的频率重用模式，由系统命令移动台依据c i 北方交通大学硕士论文 第一章引言 的变化调整c s 方式，将获得最佳吞吐量。在系统允许的情况下 多安排分组数据信道，能够兼顾数据和话音业务，得到较好的频 谱效率。 1 3 4a r q 的控制与选择 在数据通信中，前向纠错( f e c ) 和自动请求重传翻r o j 是两种基本的差错控制方式。a r q 有三种基本类型：停一等( s 阿) a r q ，回退步( g b n ) a r q ，选择重传( s r j ) a r q ，其中s r j 是最有效的方式。此外，还有一类性能更好的混合a r q 技术， 它结合了f e c 和a r q 的优势，在时变衰落信道条件下尤其适用。 混合a r q 技术又分两类：t y p ei - a r q 初t y p e1 1 - a r q 。q i n q i n g z h a n g 1 4 综合了t y p e1 - a r q 和t y p ei i - a r q 的优点，提出了“选 择性组合的混合a r q 方式”；s h y a ms c h a k r a b o r t y 【1 5 】提出了一 种对普通t y p ei i - a r q 进行改进的自适应a r q 方式，它的思想是 根据信道b e r 的估值，动态调整分组大小，使a r q 的效率最高。 这些改进a r q 在时变衰落信道中使用的性能很好。 g p r s 中采取了信道编码( f e c ) + a r q 的方式来保证无线信 道上的可靠数据传输。g p r s 数据传输的基本单位是称为r d 讲o b l o c k 的一个个数据分组。发送一个b l o c k 需要占用连续四个t d m a j 帧的四个突发。在l l c 层的有确认帧传送方式中，采取了超时 限制和最大重传次数控制相结合的方式，在m s 和b s s 之间的 r l c m a c 层则采用s r j ，仅选择重传无法纠正错误的b l o c k 。 文献【2 研究了g p r sl l c 层与r l c m a c 层之间a r q 的相互 作用，并对r l c m a c 的最佳有限重传次数作了定量分析，它与 无线链路出错概率、l l c 帧长度有关。文章还提出了一种新的与 信道有关的l l c 层的a r q 机制。最后还分析了吞吐量和延迟性 能。 1 ) r l c m a c 层的a r q 机制 假定信道用g i l b e r t e l l i o t t 模型来描述，这是个两态马尔可 夫过程。信道状态用饧a d ”佃e r = r j 和 g o o d ”( b l e r = 0 j 来描述。严格说来，在g o o d 信道，b e r 不为零，只是雨jb a d 信 6 北方交通大学硕士论文第一章引言 道相比之下非常小。由于网络性能的下降主要受b a d 信道的影 响，从而对g o o d 信道下的差错忽略不计。在b a d 信道，差错也 许会影响好几个r l c m a cb l o c k ，但由于深度瑞利衰落持续超过 2 0 m s ( 2 0 m s 为一个r l c m a cb l o c k ) 的概率很小，所以忽略各 个r l c m a c b l o c k 差错的相关性，即认为差错之间是独立的。 b l e r 可以从c i 推导得来，c - ，服从对数正态的慢衰落分布， 慢衰落可以持续几秒，因此可认为在一个l l c 帧的传输期间b l e r 是常数。假设p r ，表示在b a d 信道下，属于同一个l l c 帧的 r l c m a cb l o c k 经过限一) 次重传后仍有差错，需要第k 次重传 来纠正。注意在g o o d 信道下，因为b l e r = o ，所以不需要重传。 因此尸一俐表示一个l l c 帧的个r l c m a cb l o c k 一次传送成 功的概率，表示如下： 尸( ) = ( ，一名) ”r ，一5 j 尸r ，例可用迭代公式表达为： p r o ( k ) = 0 一b ) - o 一矿甲 r ，一6 ， 并且有 见g ) = ， r ，一7 ， 尢线信遭处于b a d 的概率为 忡佻啦去h f _ 唔b 仆s ， 因此无条件概率竹例可以表达为： 呻) = p r 眈r i ，一b ) “+ ，一j d ，昕r 卜如一a = ， 办 ) ：n 饼r f ( ，一b 。v 一( ，一b “0 。，扣一“2r ，9 j 其中r 是界定g o o d 与b a d 信道的门限，取为1 2 d b ，c i q 的 均值为1 6 d b ，标准偏差为7 d b 。查表知：p r ( c l s l 2 ) = 0 3 。 每个l l c 帧的平均重传次数e f k 和力差分别为： ! ! 互銮望奎兰婴：! 堡塞 塑二兰! l 童 e ，t _ ，= k p r ( k ) t = ， e 厂g i y ，= 盯。石r p r g ) m 为每个l l c 帧r l c m a c 的最大重传次数。 率的重传次数k o p , ，即使得n