（通信与信息系统专业论文）p2p增强lte系统容量和性能的研究.pdf

， 重庆邮电大学硕士学位论文 摘要 摘要 为了满足人们对网络性能需求的不断提高，l t e 以其自身的优越性以势不可 当之势被越来越多的移动运营商选择为实施宽带化演进的路径。在各种网络模型 中，p e e r t 0 一p e 盯( p 2 p ) 网络模型因能增加数据传输率，降低传输功率，增加 网络容量和更好的负载平衡，引起广泛注意。p 2 p 对等网络是非中心化网络，信息 的交换不需要通过创建的中心站点，而直接在对等设备间动态地进行信息交换和 服务，是一种高效直接的传输方式。 虽然l t e 系统在系统容量方面有很大提升，但巨大的移动通信市场和目前频 谱资源的有限性之间的矛盾仍然突出。将p 2 p 技术应用于l t e 系统就是针对这一 状况，u e 终端用户在满足某种条件或一定范围中相互之间可以直接通信。应用p 2 p 技术后，能节约端到端的无线资源，降低基站和终端的发射功率，减少系统干扰， 减少网络延迟等。因此，l t e 系统的p 2 p 技术研究具有重要的理论价值和良好巨 大的应用潜力。 本文结合l t e 系统本身的结构和链路特点，开展p 2 p 增强l t e 系统容量和性 能的研究，主要工作包括： 首先，给出了在l t e 系统中采用了p 2 p 技术的p 2 p 混合网络模型，并对是否 进行p 2 p 通话模式的转换条件、混合网络中的p 2 p 通话模式进行了分析讨论。 其次，针对这种混合网络模型的特点，给出了混合网络的业务实现，包括具 体的p 2 p 通话流程，资源分配及资源释放过程的设计方案并对影响网络容量和性 能的几个关键指标做了理论分析。 最后，运用n s 2 和m a t l a b 仿真软件建立了混合网络的仿真链路，在此基 础上，对影响网络容量和性能的指标：功率损耗、链路时延、能量损耗、中断概 率、误码率及误块率等进了仿真并给出了与一般l t e 系统性能的对比仿真图。 从仿真结果我们看到，在几个主要的衡量系统容量和性能因素上，采用p 2 p 技术的混合l t e 系统的性能都优于一般的l t e 系统性能，而且由于p 2 p 分布式网 络自身的特点，用户数的增加对其产生的影响明显低于普通的l t e 网络模式。 关键词：l t e ，p 2 p ，混合网络模型，系统性能 重庆邮电大学硕士学位论文 摘要 a b s t r a c t f o rt h ed e m a n do fp e o p l et ot h en e t w o r k sp e r f o r m a n c ei n c r e a s i n g ，l t ei sc h o s e f o rt h ew a yt oe x e c u t et h ep r o b l e ma b o u tt h eb r o a db a n de v o l u t i o nd u et ot h e a d v a n t a g ea b o u ti t s e l f w ef i n dt h a ta d o p t i o nt h ep e e r - t o p e e rn e t w o r k sm o d e lc a n a u g m e n tt h ed a t at r a n s f e r , r e d u c et h et r a n s m i s s i o np o w e r , e x p a n dt h ec a p a b i l i t yo ft h e n e t w o r k sa n da c c o u n tf o rt h ep r o b l e mo ft h el o a db a l a n c e p 2 pn e t w o r k sa st h e n o n - c e n t e rn e t w o r kd o e sn o tr e q u i r et h ee x c h a n g eo fi n f o r m a t i o nt h r o u g ht h ec r e a t i o n o fac e n t r a ls i t eb u tc a n d i r e c t l ye x c h a n g ei n f o r m a t i o na n ds e r v i c e si nm e e q u i p m e n t , w h i c hi sa l le 伍c i e n tm e a n so fd i r e c tt r a n s m i s s i o n a l t h o u g ht h es y s t e m c a p a b i l i t yo fl 1 ei sm o r ee l e v a t e d ，t 1 1 ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h eq u a n t u mm o b i l e c o m m u n i c a t i o n sm a r k e ta n dt h el i m i t e do fs p e c t r u mr e s o u r c e si so u t s t a n d i n ga l lt h e s a m e a p p l i c a t i o no f p 2 p t e c h n o l o g yb a s e do nt h el 1 卫s y s t e ma i ma tt h es t a t u s ，t h e u et e r m i n a lc a nd i r e c tt r a n s m i s s i o nw h e ns a t i s f a c t i o nt h es o m ec o n d i t i o no ri nt h eo n e r a n g e w ed i s c u s s t h a t a d o p t i o nt h ep e e r - t o p e e rn e t w o r k sm o d e li m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo ft h el t e ，e m p h a s i si st h ei n f l u e n c ea b o u tt h r o u g h p u t ，d e l a y , p o w e r , s p a t i a lr e u s ea n ds oo n s ot h er e s e a r c ho np 2 pt e c h n o l o g yb a s e do nl t es y s t e mt a k eo n i m p o r t a n tt h e o r e t i c sv a l u ea n dm a g n i t u d ea p p l i c a t i o np o t e n t i a l w eh a v ed e s i g n e dan e t w o r km o d e la b o u tl t es y s t e mw h i c hi sn a m e dp 2 ph y b r i d n e t w o r km o d e li n t e g r a t i n gt h ec h a r a e t e r i s t i co ft h ef r a m e w o r ka n dt h el i n ka b o u tl t e s y s t e m ，m o s tw o r ki n c l u d e ：t h ew h o l el t es y s t e ma n dp 2 pt e c h n i q u ei sd e s c r i b e d ，f o r e x a m p l ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r e ha c t u a l i t y , a n dd i s c u s st h et r a n s i t i o nc o n d i t i o na b o u t i fc a r t i n gt h r o u g hp 2 pm o d e li nh y b r i dn e t w o r k a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e h y b r i dn e t w o r km o d e l ，w ep r e s e n tt h eo p e r a t i o ni m p l e m e n ti nt h eh y b r i dn e t w o r k , i n c l u d i n g t h ec o m m u n i c a t i o nf l o wa n dr e s o u r c ed i s t r i b u t i o na n da n a l y s i ss e v e r a l t a r g e t s w ee s t a b l i s ht h es i m u l a t i o nl i n ko ft h eh y b r i dn e t w o r kw i mn s 2a n d 汀l a b s i m u l a t i o nt o o l s ，a n ds i m u l a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h el t eh y b r i dn e t w o r kb a s e do n p 2 p ，a n a l y s et h ei n d e xw h i c hi n f l u e n c et h en e t w o r kt h ep e r f o r m a n c ei nd e t a i l ：e a p a e i w o fn e t w o r k , p o w e r , l i n kd e l a y , w i r e l e s sr e s o u r c e s u t i l i z e de f f i c i e n c y , o u t a g ep r o b a b i l i t y , b e ra n dg i v es o m ee m u l a t i o nf i g u r ec o n t r a s t i n gc o m m o nm s y s t e m k e yw o r d s ：l t e ，p 2 p ，h y b r i dn e t w o r km o d e l ，p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m 重庆邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 背景及意义 第一章绪论 正当人们惊讶于w i m a x 技术的迅猛崛起时，3 g p p 也开始了u m t s 技术的长期演进( l t e ，l o n gt e r me v o l u t i o n ) 项目。随着宽带无线接入 概念的出现，w i f i 和w i m a x 等无线接入方案迅猛发展。相比之下 w c d m a h s p a 虽然在支持移动性和q o s 方面有较大优势，但空中接口和 网络结构过于复杂，无线频谱利用率和传输时延等能力方面明显落后。另 一方面o f d m 技术为核心的新一代技术逐渐成熟，接入速率提升到了1 0 0 m b i t s 的范畴，相形之下2 m b i t s 的w c d m ar 9 9 传输速率、1 4 4 m b i t s 的h s d p ar 5 的峰值速率已经无法满足需求。为此，3 g p p 在2 0 0 4 年底经 过认真的讨论决定采用过去为b 3 g 或4 g 发展的技术来使用3 g 频段，以 便于占有宽带无线接入市场，并制定了长期演化计划l t e ( l o n gt e r m e v o l u t i o n ) 。这项受人瞩目的技术被称为“演进型3 g ( e 3 g ，e v o l v e d3 g ) 。 但只要对这项技术稍作了解会发现，这种以o f d m 为核心的技术，与其说 是3 g 技术的“演进( e v o l u t i o n ) ，不如说是“革命”( r e v o l u t i o n ) ，它和 3 g p p 2 空中接口演进( a i e ) 、w i m a x 以及最新出现的i e e e 8 0 2 2 0 m b f d d m b t d d 等技术，由于已经具有某些“4 g ”特征，甚至可 以被看作准“4 g ”技术。 自2 0 0 4 年1 1 月启动l t e 项目以来，3 g p p 以频繁的会议全力推进l t e 的研究工作。仅半年就完成了需求( r e q u i r e m e n t ) 的制定，在2 0 0 6 年中 完成了s t u d yi t e m 的研究工作，2 0 0 7 年中完成了标准的制定。3 g p p 针对 w i m a x “低移动性宽带i p 接入”的定位，对l t e 提出了相对应的需求，如 相似的带宽、数据率和频谱效率指标、对低移动性进行优化、只支持p s 域，强调广播多播业务等。同时，出于对v o i p 和在线游戏的重视，l t e 对用户面延迟的要求近乎苛刻。关于向后兼容的要求似乎模棱两可，从目 前的情况看，由于选择了大量新技术，至少在物理层已难以保持从u m t s 的平滑过渡。在移动通信技术以宽带化为方向的长期演进中，l t e 将成为 各种演进路径中的主流选择，已经得到了业界的普遍支持。根据调研机构 j u n i p e r 预计，到2 0 1 2 年，l t e 全球用户数量将达到2 4 0 0 万。 重庆邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 近年来，随着无线通信的迅猛发展，越来越多的无线通信技术被应用 于数据通信中，p 2 p ( p e e r t o p e e r ) 在新一代网络中的应用已经成为热点， 受到越来越多人的瞩目。p 2 p 对等网络是非中心化网络，信息的交换不需 要通过创建的中心站点，而直接在对等设备间动态地进行信息交换和服 务，是一种高效直接的传输方式。p 2 p 打破了传统的c s ( c l i e n t s e r v e r ) 模 式，各节点对等并可互相提供服务，p 2 p 对等应用在互联网中已经非常普 及。随着移动数据业务与可承载数据业务终端的普及，以及移动通信网络 的快速发展，移动终端与网络结合得越来越紧密，在移动环境中如何实现 p 2 p 应用已经引起广泛关注。因为p 2 p 资源共享模式的便利性，人们期望 在移动环境中实现良好的p 2 p 应用。 9 0 年代末，随着技术的进步，人们的生活需求，附加功能要求的增多， 无线网络的负载越来越大，并且用户数量在逐年快速增加，因此怎样提高 网络容量，节约资源，节省费用，被提到了日程上来。在移动通讯迅猛发 展的推动下，移动p 2 p 技术逐步开始出现，例如，a dh o e 、蓝牙技术、 e d o n k e y 、移动代理服务器实现p 2 p 。 目前，普通的移动通话方式都是由基站中转，由基站统一进行资源的 分配与调度，这样基站的数量、规模，载波带宽就决定了在一定范围内的 用户数量和资源共享。同时，由于手机时刻要与基站保持通信，不论两个 交互信息的移动用户处于多么近或者多么远的地方，移动终端用户的功率 并不会因为移动用户距离的远近而有太大变化，这样手机电池的寿命也受 到很大的影响，直接对用户的通话和其他服务带来很大的影响。 虽然l t e 系统在系统容量方面有很大提升，但是，巨大的移动通信市 场和目前频谱资源的有限性之间的矛盾仍然突出。本文基于l t e 系统的 p 2 p 技术的应用与研究，就是针对这一状况。u e 终端用户在满足某种条件 或一定范围中相互之间可以直接通信。即u e 终端一u e 终端的直接通信工 作，在本文的方案中，直通由u e 终端用户判断并发起。应用p 2 p 技术后， 能节约端到端一半的无线资源，降低基站和终端的发射功率并降低干扰， 减少延迟。因此，l t e 系统的p 2 p 技术研究具有重要的理论价值和良好巨 大的应用潜力。 p 2 p 技术有效利用分散在移动用户终端的资源和服务，信息的传输和 服务的实现都直接在节点之间进行，减轻了服务器的负担。p 2 p 的这种非 集中式分布特点还带来了其在可扩展性、健壮性等方面的优势。比如单一 节点的失效不会导致整个网络的崩溃；网络扩展只是服务器领导下多节点 扩展的问题。 2 重庆邮电大学硕士学位论文第一章绪论 随着硬件技术的发展，移动终端( u e ) 的计算和存储能力以及网络带 宽等性能依照摩尔定理( 半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年翻 一番) 高速增长，采用p 2 p 网络架构可以有效地利用l t e 网络中散布的大 量普通节点，将计算任务或存储资料分布到所有节点上。利用其中闲置的 计算能力或存储空间，达到高系统性能和存储量的目的。通过利用网络中 的大量空闲资源，可以用更低的成本提供更高的计算和存储能力，增强系 统性能。 1 2l t e 系统 l t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 项目是3 g 的演进，它改进并增强了3 g 的 空中接口和简化了网络。l t e 针对“低移动性宽带i p 接入”的定位，提出了 相对应的需求和目标。3 g p pl t e 项目的主要性能目标包括： ( 1 ) 在2 0 m h z 频谱带宽能够提供下行1 0 0 m b p s 、上行5 0 m b p s 的峰值速率， 频谱效率达到3 g p pr e l e a s e6 的2 - 4 倍； ( 2 ) 改善小区边缘用户的性能，提高小区边缘的比特率；提高小区容量；降 低系统延迟，用户平面内部单向传输时延低于5 m s ，控制平面从睡眠状态 到激活状态迁移时间低于5 0 m s ，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于 l o o m s ； ( 3 ) 对低速移动优化系统，同时支持高速移动，支持1 0 0 k m 半径的小区覆 盖：能够为3 5 0 k m h 高速移动用户提供 l o o k b p s 的接入服务，支持与现 有3 g p p 和非3 g p p 系统的互操作； ( 4 ) 支持成对或非成对频谱，并可灵活配置1 2 5m h z 到2 0 m h z 多种带宽， 以尽可能相似的技术同时支持成对( p a i r e d ) 和非成对( u n p a i r e d ) 频段， 尽可能支持简单的临频共存； ( 5 ) 支持增强型的广播多播业务，降低建网成本，实现从r e l e a s e 6 的低成本 演进； ( 6 ) 实现合理的终端复杂度、成本和耗电，支持增强的i m s ( i p 多媒体子系 统) 和核心网，追求后向兼容，但应该仔细考虑性能改进和向后兼容之间 的平衡； 3 重庆邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 7 ) 取消电路交换( c s ) 域，c s 域业务在包交换( p s ) 域实现，如采用v o i p 。 为了实现3 gl t e 系统的上述目标性能，需要改进与增强现有3 g 系 统的空中接口技术和网络结构。在空中接口l t e 采用了o f d m 和m i m o 等先进技术，在网络方面l t e 采用由e n o d e b 构成的单层结构，这种结构 有利于简化网络和减小延迟，实现了低时延，低复杂度和低成本的要求。 空中接口物理层技术是无线通信系统的基础与标志，3 g p p 组织就 l t e 系统物理层下行传输方案很快达成一致，采用先进成熟的o f d m a 技 术；但上行传输方案却争论不断，很大部分设备商考虑到o f d m 较高的峰 均比会增加终端的功放成本和功率消耗，限制终端的使用时间，坚持采用 峰均比较低的单载波方案s c f d m a ，但一些积极参与w i m a x 标准组织 的公司却认为可以采用滤波、循环削峰等方法有效降低o f d m 峰均比。双 方各执己见，一度僵持不下，经过多次会议的艰苦协商，最后上行方案还 是选择了单载波s c f d m a 。这样l t e 系统传输方案最终确定为下行 o f d m a 和上行s c f d m a 。同时在是否采用宏分集问题上也产生了激烈的 争论，最终考虑到网络结构扁平化，分散化的发展趋势，3 g p p 决定l t e 系统暂不考虑宏分集技术。 高峰值传送输率是l t e 下行链路需要解决的主要问题。为了实现系统 下行1 0 0 m b p s 峰值速率的目标，在3 g 原有的q p s k 、1 6 q a m 基础上，l t e 系统增加了6 4 q a m 高阶调制。l t e 上行方向关注的首要问题是控制峰均 比，降低终端成本及功耗，目前主要考虑采用位移b p s k 和频域滤波两种 方案进一步降低上行s c f d m a 的峰均比。l t e 除了继续采用成熟的t u r b o 信道编码外，还在考虑使用先进的低密度奇偶校验( l d p c ) 码。 同时l t e 系统核心网采用两层扁平网络架构，由w c d m a h s d p a 阶 段的n o d e b 、r n c 、s g s n 、g g s n 四个主要网元，演进为e n o d e b ( e n b ) 和接入网关( a g w ) 两个主要网元。核心网同时采用全i p 分布式结构， 支持i m s 、v o l p 、 s i p 、m o b i l ei p 等各种先进技术。 设备制造商目前也正在继续紧锣密鼓地加快l t e 产品、解决方案的研 发和生产进程，以充分做好商用前的准备。目前，l t e 应用测试已经从试 验室扩展至了实际应用环境中，从而向商用又迈进了一大步。例如，诺基 亚成功在柏林的市区环境下完成了l t e 的实际应用测试。在测试中，峰值 4 重庆邮电大学硕士学位论文第一章绪论 下载速度达到了1 7 3 m b p s ，这表明l t e 能够满足用户在带宽、传输距离、 可伸缩性、低能耗方面都有很大改进。而且，多家设备制造商均确保未来 的l t e 网络能够运行在现有的基站之上，从而使移动运营商不需要建设新 的基站就能够建设l t e 网络。这种平滑演进最大限度地保护了既有投资， 对于移动运营商部署l t e 也无疑是一个重要的驱动力。例如，北电l t e 解决方案建立在北电u m t s 解决方案基础之上，采取平滑演进的策略，充 分利用u m t s 现有基站站址，透过叠加微型化和模块化的l t e 设备，最 大限度地节省运营商的设备投资，精简网络结构，减少网元数量，优化系 统性能。爱立信不仅有成熟的l t e 解决方案，与多家运营商共同发展l t e 系统的商用，还在在巴塞罗那g s m a 全球移动通信大会上成功演示了 l t e a d v a n e e d 4 g 系统，峰值速率达每秒1 g b 。最近，中国移动联合包括 大唐移动、华为、中兴在内的国内外多家公司在上海联合演示了t d l t d 系统试验网，将为世博会提供有力的无线宽带通信保障。 1 3p 2 p 技术的发展过程及研究现状 在l t e 系统中采用p 2 p 技术是一个比较新颖、实用的思想，在初步阶 段只考虑实现通话方面的p 2 p 技术，在保证目前网络体系的前提下，对协 议进行一定的修改，达到终端自连通话的目的，以增大网络容量，降低移 动终端功耗、节约资源为目的。利用p 2 p 技术，可节约端到端连接的一半 无线资源，还可降低基站和终端的发射功率，增加运营网络的容量，延长 手机电池的寿命，这些都能更好的满足l t e 对系统性能的要求。 p 2 p 技术将各个用户互相结合成一个网络，共享其中的带宽，共同处 理其中的信息。与传统的客户机服务器模式不同，p 2 p 工作方式中， 每一个客户终端既是客户机又是服务器。以共享下载文件为例，下载同一 个文件的众多用户中的每一个用户终端只需要下载文件的一个片段，然后 互相交换，最终每个用户都能得到完整的文件。 第一代p 2 p 网络采用中央控制网络体系结构。早期的n a p s t e r 川就采用 这种结构。它采用快速搜索算法，排队响应时问短，使用简单的协议能够 提供高性能和弹性，缺点是容易中断服务。 第二代p 2 p 采用分散分布网络体系结构。不再使用中央服务器，消除 了中央服务器带来的问题。没有中央控制点，不会因为一点故障导致全部 5 重庆邮电大学硕士学位论文第一章绪论 瘫痪，是真正的分布式网络。由于每次搜索都要在全网进行，造成大量网 络流量，使得其搜索速度慢，排队响应时间长。终端用户性能及其与网络 连接方式决定网络弹性和性能。这种模式具有自组织( a d h o c ) 行为，降 低了拥有者的成本，提供可扩展性。特别适合在自组织( a d h o c ) 网上的 应用，如即时通信等。 第三代p 2 p 采用混合网络体系结构。这种模式综合第一代和第二代的 优点，用分布的超级结点取代中央检索服务器。采用分层次的快速搜索改 进了搜索性能，缩短了排队响应时间，每次排队产生的流量低于第二代分 布网络。超级智能结点的布设提供高性能和弹性。没有中央控制点，不会 因为一点故障导致全部瘫痪。内容被分布存储在分布的存储器和客户终端 中。通过快速检索系统可以快速发现内容分布存储的位置。 第四代p 2 p 目前正在发展中。主要发展技术有动态口选择和双向下载。 动态口选择：目前p 2 p 使用固定的口，但是一些公司已经开始引入协议可 以动态选择传输口，一般来说，口的数目在l0 2 4 4 0 0 0 之间。甚至p 2 p 流可以用原来用于h t t p ( s m t p ) 的口8 0 ( 2 5 ) 来传输以便隐藏。这将使得 识别跨运营商网络的p 2 p 流，掌握其流量变得更困难。双向下载：e d 和 b t 等公司进一步发展引入双向流下载。可以多路并行下载和上载一个文 件或多路并行下载一个文件的一部分。而目前传统的体系结构要求目标在 完全下载后才能开始上载。这将大大加快文件分发速度。 以上演化的四代p 2 p 系统都属于“无组织的p 2 p 重叠网”，在互联网得 到快速发展，目前宽带用户流量中一半以上是这种p 2 p 流。而学术界目前 在研究的是“有组织的p 2 p 重叠网”。包括t a p e s t r y 、c h o r d 、p a s t r y 和 c a n 等。正在研究的新一代的p 2 p 应用包括多播、网络存储等都运行在 这种有组织p 2 p 重叠网上。p 2 p 通信协作包括协同工作、互联网电话、即 时通信s 和移动通信。p 2 p 即时通信系统i m 采用对等连接模式p 2 p ，消 息格式使用x m l 具有效的报到管理，可以提供异步、并行、可靠和近似 实时通信。支持移动报到管理和移动即时通信。使用i e t f 标准保证互通 互用。 目前p 2 p 技术的研究主要体现在拓扑结构，基于不同拓扑结构的发现 算法和基于不同发现算法的应用。随着p 2 p 应用的蓬勃发展，作为p 2 p 应 用中核心问题的发现技术除了遵循技术本身的逻辑以外，也受到某些技术 6 重庆邮电大学硕士学位论文第一章绪论 的发展趋势、需求趋势的深刻影响。国外开展p 2 p 研究的学术团体主要包 括p 2 p 工作组( p 2 p w g ) 、全球网格论坛( g l o b a lg r i df o r u m ，g g f ) 。p 2 p 工作组成立的主要目的是希望加速p 2 p 计算基础设施的建立和相应的标准 化工作。p 2 p w g 成立之后，对p 2 p 计算中的术语进行了统一，也形成相 关的草案，但是在标准化工作方面工作进展缓慢。目前p 2 p w g 已经和g g f 合并，由该论坛管理p 2 p 计算相关的工作。g g f 负责网格计算和p 2 p 计算 等相关的标准化工作。从国外公司对p 2 p 计算的支持力度来看，m i c r o s o f t 公司、s u n 公司和i n t e l 公司投入较大。m i c r o s o f t 公司成立了p a s t r y 项目 组，主要负责p 2 p 计算技术的研究和开发工作。目前m i c r o s o f t 公司已经 发布了基于p a s t r y 的软件包s i m p a s t r y v i s p a s t r y 。r i c e 大学也在p a s t r y 的 基础之上发布了f r e e p a s t r y 软件包。在2 0 0 0 年8 月，i n t e l 公司宣布成立 p 2 p 工作组，正式开展p 2 p 的研究。工作组成立以后，积极与应用开发商 合作，开发p 2 p 应用平台。2 0 0 2 年i n t e l 发布了n e t 基础架构之上的 a c c e l e r a t o rk i t ( p 2 p 加速工具包) 和p 2 p 安全a p i 软件包，从而使得微软 n e t 开发人员能够迅速地建立p 2 p 安全w e b 应用程序。s u n 公司以j a v a 技术为背景，开展了j x t a 项目。j x t a 是基于j a v a 的开源p 2 p 平台，任 何个人和组织均可以加入该项目。因此，该项目不仅吸引了大批p 2 p 研究 人员和开发人员，而且已经发布了基于j x t a 的即时聊天软件包。j x t a 定义了一组核心业务：认证、资源发现和管理。在安全方面，j x t a 加入 了加密软件包，允许使用该加密包进行数据加密，从而保证消息的隐私、 可认证性和完整性。在j x t a 核心之上，还定义了包括内容管理、信息搜 索以及服务管理在内的各种其它可选j x t a 服务。在核心服务和可选服务 基础上，用户可以开发各种j x t a 平台上的p 2 p 应用。 随着p 2 p 系统实际应用的发展，网络中影响路由的一些因素也会影响 p 2 p 算法的效率。一方面，实际网络中结点之间体现出较大的差异，即异 质性。另一方面，网络波动的程度也严重影响算法的效率嘲。 而基于p 2 p 技术的通话方式在目前的l t e 系统中并没有给出具体方法 和完善的协议，也没有给出相应的详细规定与要求。 7 重庆邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 主要工作与章节安排 本文主要针对l t e 系统结构、组网模型进行研究。结合p 2 p 技术和 l t e 系统通信特点给出了一种全新混合网络模型，设计了包括呼叫建立和 资源分配的方案与消息处理过程，用n s 2 和m a t l a b 仿真工具进行链路 搭建并对其性能进行对比仿真分析。具体内容和章节安排如下： 第一章绪论主要阐述了选题背景及研究意义，并对l t e 系统与p 2 p 技 术的发展背景及研究现状作了概况介绍。 第二章首先介绍了l t e 系统的空中接口协议和网架结构，并且具体到 从用户平面和控制平面分别说明了l t e 系统所做出的重大修改，然后介绍 了在l t e 系统中采用的关键技术o f d m 与s c f d m a 及各自的优势特点和 不足，接着介绍了l t e 系统基本的链路结构，为后面研究进行理论铺垫。 第三章首先给出了基于l t e 系统的p 2 p 混合网络模型的结构；其次， 对是否进行p 2 p 模式的转换条件、混合网络中的p 2 p 通话模式进行了讨论， 给出了混合网络的业务实现，包括具体的p 2 p 通话流程和资源分配和资源 释放过程等；最后对基于p 2 p 模型的l t e 混合系统性能进行了理论分析。 第四章首先简单介绍了n s 2 和m a t l a b 仿真软件的基本特点和组成， 其次建立了混合网络的仿真链路，对所采用的模块、链路结构及在 m a t l a b 仿真中的系统参数设置进行详细讨论。在此基础上，全面仿真了 基于p 2 p 的l t e 混合网络的系统容量和性能，分析了影响网络性能的指标： 系统功率、链路时延、能量损耗比较、中断概率、误码率等，并与一般l t e 系统的性能做出对比分析，得到基于p 2 p 的l t e 混合网络能明显增强l t e 系统容量和性能的结论。 第五章总结全文，并探讨了未来的工作。 8 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e 系统的关键技术 第二章l t e 系统的关键技术 2 1l t e 系统的空中接口协议和网架结构 3 g p pl t e 系统在接入网体系结构方面，设计的主要目标是满足低时延、低复 杂度、低成本的要求，从而提供更高的用户容量、系统吞吐量和端到端的服务质 量保证。考虑到最终将要实现所有业务通过分组域传输，如何保证各种分组业务、 特别是实时性要求较高的分组业务的服务质量，原有的网络结构显然已无法满足 要求，需要进行调整与演进。传统的3 g p p 接入网u t r a n 由n o d eb 和r n c 两层 节点构成，但在考虑l t e 技术时，大多数公司建议将r n c 省去，采用由n o d eb 构成的单层结构，因为这种结构有利于简化网络和减小延迟。但少数设备商和运 营商建议保留原有的网络架构，只做局部修改。如果采用第一种( 即“扁平”的) 网 络架构，则将对3 g p p 系统的整个体系架构产生深远的影响，实际上将逐步趋近于 典型的口宽带网结构。 在作出不采用宏分集的决定后，这个问题的焦点集中在上层a r q ( o u t e r a r q ) 、无线资源控制( r r c ) 和小区间无线资源管理( i n t e r - c e l lr r m ) 功能块 的位置上。如果上述功能可以在n o d eb 完成，则可以采用只由n o d eb 构成的“扁 平”e u t r a n 结构；如果上述功能无法在n o d eb 内完成，则必须保留所谓的“中 心节点”( 类似于r n c ) 来实现这些功能，也即需要采用两层结构的e u t r a n 。 最后，由于绝大多数公司支持前一种方案，初步确定了如图2 1 所示的 e - u t r a n 结构。即接入网主要由演进型n o d eb ( e n b ) 和接入网关( a c m ) 构成。 a g w 实际上是一个边界节点，如果将它看作核心网的一部分，则接入网主要由e n b 一层构成。l t e 的e n b 除了具有原来n o d eb 的功能外，还承担了原来r n c 的大 部分功能，包括物理层( 包括h a r q ) 、m a c 层( 包括a r q ) 、r r c 、调度、 无线接入许可、无线承载控制、接入移动性管理和i n t e r - c e l lr r m 等。只是对小区 间干扰协调、负载控制等功能，有些公司仍然坚持引入一个r r ms e r v e r 进行集中 式管理。采用这种集中式管理，还是采用完全分散的管理结构，尚未确定( 如图 2 1 中的结构l 和结构2 ) ，但已确定n o d eb 和n o d eb 之间将采用网格( m e s h ) 方式直接互连( 如图中红线所示) ，这也是对原有u t r a n 结构的重大修改。 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e 系统的关键技术 在传输信道的设计方面，l t e 的信道数量将比w c d m a 系统有所减少。最大 的变化是将取消专用信道，在上行和下行都采用共享信道( s c h ) 。下行还将保 留广播信道( m c h ) 和寻呼信道( p c h ) 。是否保留专门的多播信道( m c h ) 和 随机接入信道( r a c h ) ，还有待于进一步研究。原有的其他传输信道很可能将被 取消。另外，空口协议功能和移动性管理概念也已部分确定。 图2 1e - u t r a n 网络结构和协议结构 由图2 1 可以看出e u t r a n 与u t r a n 相比，去掉了r n c ，而只是由若干 个e n o d e b 组成。e n o d e b 提供e u t r a 的用户平面( r l c m a c p h y ) 和用户平 面( 配) 协议。r n c 功能被分散到了演进的n o d eb ( e - n o d eb ) 和接入网关 ( a g w ) 中。而a g w 因为包含了原s g s n 功能，还是归属为s a e 的边界节点， 只不过与e u t r a 相关的部分用户面和控制面的功能在l t e 中定义。e u t r a n 结构中，e n o d e b 是在n o d e b 原有功能基础上，增加了r n c 的物理层、m a c 层、 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章l t e 系统的关键技术 r r c 、调度、接入控制、承载控制、移动性管理和相邻小区无线资源管理等功能， 提供相当于原来的r l c m a c p h y 以及r r c 层的功能。具体包括：u e 附着时的 a g w 选择，调度和传输寻呼信息，调度和传输b c c h 信息，上下行资源动态分配， r b 控制、无线资源准入控制，l t ea c t i v e 时的移动性管理。a g w 承担的功 能则包括：发起寻呼，l t ei d l e 态u e 信息管理，移动性管理，用户面加密处理， p d c p ( 分组数据的包头压缩) ，s a e 承载控制，n a s 信令的加密和完整性保护。 e - u t r a n 的协议栈结构从整体上主要进行了以下简化： ( 1 ) 使用共享信道用于承载用户的控制信令和业，取代了以往的专用信道，减少 传输信道个数，使多个用户共享空中接口的资源； ( 2 ) 减少m a c 层实体个数； ( 3 ) 使用m b m s 代替b m c 层广播媒体控制层以及c t c h 公共业务信道； ( 4 ) 删除下行宏分集； ( 5 ) 使用时隙统筹( s c h e d u l i n gg a p ) 方案替代u t r a n 的压缩模式。 ( 6 ) 简化无线资源控制( r r c ) 状态，删除了c e l lf a c h 态，将u t m s 中的r r c 状态和p m m 状态合并为一个状态集。 1 ) 用户平面 用户平面用于执行无线接入承载业务，主要负责用户发送和接收得所有信息 的处理。由m a c ，r l c ，p d c p3 个子层构成。l t e 采用a g w 和e n o d e b 直联 的方式以实现用户面的快速接入。这种接入方式下，各功能体的功能也有了变化。 其中m a c 层主要用于，逻辑信道和传输信道的映射，复用和解复用；数据量测量； h a r q 功能；u e 内的优先级调度和u e 间的优先级调度；t f ( 传输格式) 选择； r l cp d u ( 协议数据单元) 的按序提交。r l c 层功能主要是支持a m ( 确认模 式) 、u m ( 非确认模式) 、t m ( 透明模式) 数据传输；a r q ；数据切分( 重切 分) 和重组( 级联) ；s d u 的按序投递；数据的重复检测；协议错误检测和恢复； a g w 和e n o d e b 间的流量控制；s d u ( 业务数据单元) 丢弃。p d c p ( 分组数据的 包头压缩层) 位于u p e ，主要任务是头压缩，只支持r o h c 算法；用户面数据加 密：下层r l c 按序投递时，p d c p 分组数据的包头压缩的重排缓冲( 主要用于跨 e n o d e b 切换) 。 2 ) 控制平面 重庆邮电大学硕士论文 第二章l t e 系统的关键技术 控制平面负责用户无线资源的管理，无线连接的建立，业务的q o s 保证和最 终的资源释放，主要有上层的r r c 层和非接入子层( n a s ) 实现。这种结构简化 了控制平面从睡眠状态到激活状态的过程，使得迁移时间相应减少。其中n a s 功 能是s a e 承载管理；鉴权；a g w 和u e 间信令加密控制；用户面信令加密控制； 移动性管理；l t e i d l e 时的寻呼发起。n a s 层主要包括3 个协议状态： ( 1 ) l t ed e t a c h e d ：网络和u e 侧都没有r r c 实体，此时u e 通常处于 关机、去附着等状态。 ( 2 ) l t ei d l e ：对应r r c 的i d l e 状态，u e 和网络侧存储的信息包括： 给u e 分配的口地址，安全相关的参数( 密钥等) ，u e 的能力信息，无线承载。 此时u e 的状态转移由基站或a g w 决定。 ( 3 ) l t ea c t i v e ：对应r r c 连接状态，状态转移由基站或a g w 决定。 至于r r c 层则主要用于系统消息广播和寻呼建立、管理、释放r r c 连接；r r c 信令的加密和完整性保护；r b 管理；广播多播服务支持；n a s 直传信令传递。 控制面r r c 功能移入e - n o d eb 中并且只包含r r ci d l e 和r r cd e t a c h e d 两种状态： ( 1 ) r r ci d l e 状态下，e n o d e b 不存储u e 上下文，对应l t ei d l e ； ( 2 ) r r cc o n n e c t e d 状态下，e n o d e b 有u e 上下文，网络侧知道u e 的 c e l l 级位置，可进行信令传输，对应l t ea c t i v e 。 2 2o f d m 和s c f d m a 技术 由于正交频分复用( o f d m ) 能够很好地对抗无线传输环境中的频率选择性衰 落，可以获得很高的频谱利用率，o f d m 非常适用于无线宽带信道下的高速传输。 通过给不同的用户分配不同的子载波，o f d m a 提供了天然的多址方式。由于用户 间信道衰落的独立性，可以利用联合子载波分配带来的多用户分集增益提高性能， 达到服务质量( q o s ) 要求。然而，为了降低成本，在用户设备( u e ) 端通常使用低成 本的功率放大器，o f d m 中较高的p a p r 将降低u e 的功率利用率，降低上行链 路的覆盖能力。由于单载波频分复用( s