（通信与信息系统专业论文）异构无线网络中负载平衡算法的研究与仿真.pdf

j _ j 锶 at h e s i sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ri nc o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o n s y s t e m r e s e a r c ha n ds i m u l a t i o n so nl o a d b a l a n c i n g a l g o r i t h m si nh e t e r o g e n e o u sw i r e l e s s n e t w o r k s b y l vy a o s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rs o n gq i n g y a n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 ，气，簟量1量l鼍圩馨pp“骨出￥ 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 占瑶 日期： a 口口7 年6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即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，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年 导师签名： 京冻坪 签字日期： 2 0 07 年61 日 裔 事 p p 润 益， 7 9 ： 希 名 。 签者作 ： 文 期 沦 日 位 字 学 签 ，i 东北大学硕士学位论文摘要 异构无线网络中负载平衡算法的研究与仿真 摘要 随着无线移动通信技术的蓬勃发展，第三代移动通信技术已经成为全球移动通信的 主流。现存的商用无线移动通信技术，包括第二代的g s m 网络、2 5 代的g p r s 、e d g e 技术，也包括第三代移动通信技术( 3 g ) 中的w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 技术。下一代移动通信网络将是多种无线接入技术的融合体，形成异构无线网络。以往 在各种接入网络中的负载平衡机制，对于未来的异构无线网络将不再适用，因此需要设 计新的有效的负载平衡算法。 针对异构无线网络中的负载平衡问题，提出了基于层次分析法和多属性判决的负载 平衡算法( a m l b ) ，通过分析呼叫的多种属性得到呼叫的重要性值。再利用这个重要 性值指导系统进行呼叫准入控制和垂直切换判决。但a m l b 算法在新呼叫性能上还存 在一定的局限。针对此问题，在a m l b 算法的基础上，提出了基于人工神经网络的动 态门限负载平衡算法( b p a m l b ) 。利用b p 神经网络进行非线性函数值近似，得到输 入和输出间的映射关系。根据此映射，b p a m l b 算法动态调整小区负载低门限，以改 善a m l b 算法的新呼叫阻塞率性能。 为验证和评估所提出算法的性能，在m a t l a br 2 0 0 8 a 上设计了异构无线网络负载 平衡算法的仿真平台，并比较a m l b 算法和b p a m l b 算法相对于传统s t l b 算法的性 能情况。同传统s t l b 算法的比较结果表明，a m l b 算法能有效地降低垂直切换呼叫掉 线率，并保障高级别呼叫的q o s 。b p a m l b 在a m l b 算法基础上，对新呼叫阻塞率起 到进一步的改善。 关键词：异构无线网；负载平衡；层次分析法；多属性判决；人工神经网络 i i 懑、a：l-， 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ha n ds i m u l a t i o n so nl o a d b a l a n c i n g a l g o r i t h m si nh e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k s a bs t r a c t w i t ht h ew i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yt of l o u r i s h ，t h et h i r dg e n e r a t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yh a sb e c o m e t h em a i n s t r e a mo ft h e g l o b a l m o b i l e c o m m u n i c a t i o n s e x i s t i n gc o m m e r c i a lw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e si n c l u d e s t h es e c o n d - g e n e r a t i o nn e t w o r k s ( s u c ha sg s m ) ，2 5 一g e n e r a t i o n ( s u c ha sg p r sa n de d g e t e c h n o l o g y ) a n dt h et h i r d g 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 nt e c h n o l o g y ( s u c ha sw c d m a ， c d m a 2 0 0 0a n dt d s c d m at e c h n o l o g y ) n e x t g 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 sn e t w o r k w i l lb eah e t e r o g e n e o u si n t e r w o r k i n ga r c h i t e c t u r eo fv a r i o u sw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g i e s t h el o a db a l a n c i n g a l g o r i t h m s o ft h e s i n g l ea c c e s st e c h n o l o g y c a n n o ts u i tt h ef u t u r e h e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k s ，w h i c hn e e d st od e s i g nan o v e l ，e f f e c t i v el o a db a l a n c i n g a l g o r i t h m t os o l v et h el o a db a l a n c i n gp r o b l e mf o rh e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k s ，al o a db a l a n c i n g a l g o r i t h m ，n a m e da m l b ，w h i c h i sb a s e do na n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s sa n dm u l t i a t t r i b u t e d e c i s i o nm a k i n gi sp r o p o s e d t h i sa l g o r i t h mg u i d e st h es y s t e m sc a l la d m i s s i o nc o n t r o l l i n g a n dv e r t i c a lh a n d o f fd e c i s i o nb yt h ec a l l s i m p o r t a n c ev a l u e sw h i c hi sa c q u i r e db ya n a l y z i n g t h ec a l l s v a r i o u sa t t r i b u t e s b u ta m l ba l g o r i t h mi s s t i l ln o te n o u g hi n c o m p e t e n tf o r i m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo fn e wc a l l s t os o l v e t h i s p r o b l e m ，a na l g o r i t h mn a m e d b p - a m l b ，w h i c hi sb a s e do nb pa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ka n df o r m e ra m l ba l g o r i t h mi s p r o p o s e d b p a m l ba l g o r i t h mu s e st h eb pn e u r a ln e t w o r k sa b i l i t yo fn o n l i n e a rf u n c t i o n a p p r o x i m a t i o nt oo b t a i nt h em a p p i n gb e t w e e ns a m p l ei n p u ta n do u t p u t t h e nb p - a m l b a l g o r i t h md y n a m i c a l l ya d j u s t st h el o w e rl o a dt h r e s h o l do fac e l lt oa c c e s sn e wc a l l sa sm u c h a sp o s s i b l ea c c o r d i n gt ot h a tm a p p i n g ，s ot h a ti tc a ni m p r o v et h ec a l lb l o c k i n gp r o b a b i l i t yi n a m l b a l g o r i t h m f o rv a l i d a t i n ga n de v a l u a t i n gt h ec a p a b i l i t yo ft h e p r o p o s e da l g o r i t h m s ，as i m u l a t i o n p l a t f o r mi sd e s i g n e di nm a t l a br 2 0 0 8 a c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ls t l ba l g o r i t h m s ， a m l ba l g o r i t h me f f e c t i v e l yr e d u c e sh c d p , a n dg u a r a n t e e dt h eq o so fs u p e r i o ru s e r s b p a m l ba l g o r i t h mi sb a s e do na m l ba l g o r i t h ma n di m p r o v e sn c b p k e y w o r d s ：h e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k ；l o a db a l a n c i n g ；a h p ；m u l t i a t t r i b u t ed e c i s i o n m a k i n g ；a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k i i i 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 无线移动通信的发展1 1 1 1 移动通信网络的发展1 1 1 2 无线接入技术的发展3 1 2 异构无线网络概述6 1 3 异构无线网络的互联互通方案。7 1 3 1 紧耦合模式8 1 3 2 松耦合模式8 1 3 异构无线网络的无线资源管理1 0 1 3 1 无线网络中的q o s 管理1 1 1 3 2 接入控制1 2 1 3 3 切换策略1 2 1 4 论文内容安排1 3 1 5 课题来源1 4 第2 章异构无线网络的负载平衡算法概述1 5 2 1 引言1 5 2 2 负载平衡算法的研究现状15 2 3 目前常见的几种负载平衡算法1 9 2 3 1 采用接入概率和接入偏好的负载平衡算法1 9 2 3 2 基于业务和逗留时间的负载平衡算法2 0 2 3 3 运用人工智能的联合无线资源管理算法2 1 2 4 本章小结2 3 第3 章基于层次分析法和多属性判决的负载平衡算法设计2 5 3 1 引言2 5 3 2 层次分析法2 5 3 2 1 层次分析法概述2 5 3 2 2 层次分析法的基本方法和步骤2 6 3 2 3 递阶层次结构的建立2 6 3 2 4 构造两两比较判断矩阵2 7 3 2 5 权重向量的求解2 8 3 2 6 判断矩阵的一致性一2 9 3 3 多属性判决3 0 i v 东北大学硕士学位论文 目录 3 3 1 应用多属性判决的必要性3 0 3 3 2 多属性判决理论3 1 3 3 3 乘法指数加权法3 2 3 4 基于层次分析法和多属性判决的负载平衡算法描述3 2 3 4 1a h p 在a m l b 算法中的功能描述3 3 3 4 2m e w 在a m l b 算法中的功能描述3 5 3 4 3 根据呼叫重要性评估值进行呼叫准入控制和垂直切换判决3 5 3 5 本章小节3 7 第4 章基于人工神经网络的动态门限负载平衡算法设计3 9 4 1 引言3 9 4 2 人工神经网络算法3 9 4 2 1 人工神经网络概述4 0 4 2 2b p 神经网络概述4 2 4 3 基于人工神经网络的动态门限负载平衡策略4 4 4 3 1b p 神经网络的作用4 4 4 3 2b p 神经网络的拓扑结构4 4 4 3 3b p 神经网络的样本选定4 6 4 3 4b p 神经网络的训练和学习算法4 8 4 4 动态门限调整与多属性决策的结合4 9 4 4 1 动态门限调整与多属性决策结合的基本思路4 9 4 4 2b pa m l b 算法流程描述5 0 4 5 本章小结5l 第5 章算法仿真与性能分析5 3 5 1 仿真环境5 3 5 2 仿真模型5 3 5 2 1 网络拓扑5 3 5 2 2 业务的分类、到达服务模型与用户级别5 5 5 2 3 剩余逃逸时间的计算方法5 6 5 3 仿真性能评价指标5 6 5 4 仿真结果分析5 7 5 4 1a m l b 算法仿真分析5 7 5 4 2b pa m l b 算法仿真分析6 4 5 5 本章小结6 9 第6 章结束语7 l 参考文献7 3 致谢7 7 作者在攻读硕士期间发表的学术论文7 9 v 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 无线移动通信的发展 无线移动通信技术的开发和应用始于2 0 世纪2 0 年代，一种用于战场的供军队之间 利用无线方式进行通信的设备开始应用。这种便利的通信方式迅速得到推广，并于2 0 世纪5 0 年代从军用转为民用。2 0 世纪6 0 年代，美国电报电话公司( a t & t ) 的贝尔实 验室首次提出蜂窝技术，开创了移动通信发展史上的新时代。 在下一代移动通信中，信息技术、多媒体和电信技术等不同领域的技术相互结合， 使通信成为一个整体。因此，无线移动通信技术和i t 技术将会渗透到社会的方方面面。 移动i t 技术的灵活性将同时满足这些需求。 从技术标准的角度讲，当今无线电通信系统沿着两条主线发展：一条是电信业界， 由国际电信联盟( i r i t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，i t u ) 和第三代合作伙伴计划 ( 3 g p p ) 、第三代合作伙伴计划2 ( 3 g p p 2 ) 引领的移动通信系统，从2 g 、3 g 到b 3 g 或4 g ；另。条是i p 业界，由i e e e 引领的无线接入系统，从无线个人域网w p a n 到无 线局域网w l a n ，再到无线城域网w m a n 和无线广域网w w a n 。 1 1 1 移动通信网络的发展 美国电报电话公司提出的蜂窝技术，是指将服务区域划分为多个蜂窝的集合。这种 划分方法通常称为小区制。蜂窝技术不但可以增大移动通信网的容量，还可以降低小区 基站发射功率，避免基站的高发射功率对信道造成干扰。第一代蜂窝移动通信系统( 1 g ) 基于模拟通信技术，采用频分多址( f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，f d m a ) 技术 来划分蜂窝小区。2 0 世纪7 0 年代末开始，1 g 系统在世界多个国家开始运营。如美国 的a m p s 系统、北欧的n m t 和t a c s 系统等。 尽管1 g 带来了个人通信的便利，但仍然存在着容量有限、保密性差、通话质量差、 多种制式间不兼容等弊端。为解决1 g 的这些局限性，电信界发展出第二代蜂窝移动通 信系统( 2 g ) 。 2 g 通信系统开始采用数字通信技术，包括时分多址( t d m a ) 、码分多址( c d m a ) 和个人数字蜂窝( p a c i f i cd i 西t a lc e l l u l a r ，p d c ) 等技术。2 g 系统主要的三种技术标准， 即主要应用于欧洲和世界各地的g s m 系统( 基于t d m a 技术) 、北美的i s 9 5 系统( 基 于c d m a 技术) 和日本的p d c 系统，均获得较为广泛的部署。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 g s m 至今在全球有10 0 多个国家在使用，成为世界上最通用的2 g 数字蜂窝通信系 统。其使用的频段包括9 0 0m h z 和1 8 0 0m h z 。此外，g s m 支持无线应用协议( w a p ) 以访问移动因特网。g s m 传输数据的基本速率为9 6k b i t s ，有时可达1 4 4k b i t s 。但 这样的数据速率仍然很低，因而限制了用户对高速数据业务的需求，无法为用户实现移 动多媒体等高速数据业务。为了满足用户对高速数据业务的需求，移动通信系统中引入 了分组数据传送方式，称为第2 5 代蜂窝通信系统，简称2 5 g 。2 5 g 主要采用通用分组 无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，g p r s ) 或蜂窝式数字分组数据( c e l l u l a rd i g i t a l p a c k e td a t a ，c d p d ) 。g p r s 主要用于欧洲等国家，c d p d 主要用于美国。g p r s 能够 提供最高达1 7 1 2k b i t s 的传输速率，增强了网络提供增值业务的能力，为便携式终端 访问移动因特网奠定了基础。除了g p r s 和c d p d 外，2 5 g 的技术还包括h s c s d 、e d g e 和e p o c 等。 国际电信联盟( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ，i t u ) 自从2 0 世纪8 0 年代以 来就致力于第三代未来公众陆地移动通信系统的研究。考虑到系统工作在2 0 0 0m h z 频 段，数据传输速率达2 0 0 0k b i t s ，为了实现全球漫游，并计划于2 0 0 0 年开始商用，在 1 9 9 6 年，i t u 将3 g 移动通信系统命名为i m t - 2 0 0 0 。i m t - 2 0 0 0 采用分层蜂窝结构，以 使不同移动速率的移动终端( m o b i l e t e r m i n a l ，m t ) 在不同层次的蜂窝内得到服务。其 原理是用宏蜂窝完成大面积覆盖，用微蜂窝覆盖热点地区，用微微蜂窝提供高速接入。 i m t - 2 0 0 0 在市区环境内，对移动速率达到1 2 0k m h 的移动终端可以提供3 8 4k b i t s 的 传输速率，能够比2 g 系统提供更大的系统带宽容量。3 g 系统能够将高速移动接入与基 于因特网的服务结合起来，因此不仅能支持语音业务，还能够支持中高速数据业务和多 媒体业务，实现移动因特网。 国际电信联盟远程通信标准化组织( i t u tf o ri t ut e l e c o m m u n i c a t i o n s t a n d a r d i z a t i o ns e c t o r ) 采纳的3 g 无线接入系统的主流标准有w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 技术，它们均基于c d m a 技术。其中，w c d m a 在欧洲被称为通用移 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 ) ，是一种异步宽带 c d m a 技术。 u m t s 网络采用统一的核心网络架构，可以工作在频分双工( f d d ) 和时分双工 ( t d d ) 两种模式下。f d d 模式下的u t r a n ( u m t st e r r e s t r i a lr a d i o a c c e s sn e t w o r k ， u m t s 地面无线接入网络) 使用w c d m a 接入网，t d d 模式的u t r a n 使用t d s c d m a 接入网。第三代合作伙伴计划组织( 3 g p p ) 负责制定有关w c d m a 和t d - s c d m a 的 技术规范。 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 3 g p p 在r 5 版本中首次引入i p 多媒体子系统( i m s ) 的概念，并在r 7 版本中真正 引入全i p 一的网络。在移动通信不断提出新思路的同时，由i e e e 标准化组织负责制定的 无线接入技术也在向移动无线接入方向发展。2 0 0 4 年初，i e e e8 0 2 1 6 w i m a x 提出， 此举使整个无线移动通信领域开始了新一轮的技术竞争，再次加速了蜂窝移动通信技术 演进的步伐。为了应对w i m a x 等高速无线宽带接入技术对3 g 技术和市场的冲击，3 g p p 组织于2 0 0 4 年底启动了3 g p pl t e ( l o n gt e r me v o l u t i o n ) 的研究，其目的在于提高3 g 技术在宽带无线接入市场的竞争力。l t e 的目标是使3 g p p 网络演进成一个高速率、低 延迟、支持多种无线接入技术的分组优化网络。l t e 采用全i p 的架构，物理层技术基 于o f d m 和m i m o ，支持最高的用户移动速度为3 5 0k m h ，并且能在1 5 1 2 0k m h 的 移动速度下提供高性能的服务。 3 g p pl t e 的发展目标是移动通信宽带化、网络i p 化、支持高速移动，同时这也是 b 3 g 4 g 移动通信发展的方向和目标。i t u 于2 0 0 0 年成立了“i m t - 2 0 0 0a n db e y o n d ”工 作组，负责协调全球3 g 系统的研究工作。b 3 g 4 g 是对3 g 之后的下一代移动通信系统 的称呼，其基本要求是支持更高的数据传输速率( 如在高速移动环境下支持最高约1 0 0 m b i t s ，低速或静止时支持最高为1g b i t s ) 、业务的多样性、更强的适应性和灵活性、 便于过渡和演进等。由于一种技术的出现不可能完全取代另一种技术，在一定时期内必 将共存，不同的接入网络之间表现m 异构的特点。 1 1 2 无线接入技术的发展 i e e e8 0 2 无线接入技术是由美国i e e e 标准化协会负责，其目标是制定可被业界广 泛接受的局域网标准。目前i e e e8 0 2 标准委员会制定的标准有i e e e8 0 2 1 8 0 2 2 0 系 列标准，其中涉及到无线接入技术的标准有i e e e8 0 2 1 l x 、i e e e8 0 2 1 5 x 、i e e e8 0 2 1 6 x 、 i e e e8 0 2 2 0 x 等。 基于i e e e8 0 2 1 1 x 的无线局域网和基于i e e e8 0 2 1 5 x 的无线个人区域网都属于短 程无线通信的范畴。i e e e8 0 2 1 1 标准工作在2 4g h z 和5g h z 频段内。1 9 9 9 年9 月提 出的8 0 2 1 i b h i g hr a t e ”协议，在8 0 2 1 1 的1m b i t s 和2m b i t s 速率下又增加了5 5m b i t s 和1 1m b i t s 两个更高的网络吞吐速率。利用i e e e8 0 2 1 l b ，移动用户能够获得同e t h e m e t 一样的性能、网络吞吐率和可用性。此后，i e e e8 0 2 1 1 工作组又推出一系列协议，来 不断增强w l a n 的性能。例如，i e e e8 0 2 1 l e 对w l a n 的q o s 进行了规范，i e e e8 0 2 1 l i 补充了w l a n 的安全性。特别是i e e e8 0 2 1 l s 中提出的m e s h 网技术，又对短距离无线 通信的发展提出了新的课题和挑战。由于w l a n 覆盖范围的限制，通常w l a n 的用户 环境为办公和商务环境、校园、火车站、空港及酒店等热点地区。 - 3 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 在i e e e 制定无线局域网i e e e8 0 2 1 1 系列标准的同时，欧洲e s t i 也在制定 h i p e r l a n ( h i g hp e r f o r m a n c er a d i ol o c a la r e an e t w o r k ) h i p e r l a n 2 标准。h i p e r l a n 和h i p e r l a n 2 用于高速无线局域网接入。事实上，i e e e8 0 2 1 l b 与h i p e r l a n 、i e e e 8 0 2 1 la 与h i p e r l a n 2 具有一定的对应关系。 1 9 9 9 年3 月，原本由i e e e8 0 2 1 1 领导的无线个域网( w p a n ) 小组独立成立了i e e e 8 0 2 1 5 工作组，其目的主要是在个人操作空间内建立无线通信的国际通用标准，以此实 现与i e e e8 0 2 1 1 协议组的融合。该工作组同时考虑经济和技术方面的可实现性。i e e e 8 0 2 1 5 协议是以蓝牙技术为基础的无线个域网协议规范，主要针对便携式设备和移动计 算设备如手提电脑、个人数字助理p d a 、蜂窝移动电话、寻呼机等。在过去的几年里， w p a n 技术得到了飞速的发展。蓝牙、超宽带u w b 、紫蜂z i g b e e 、r f i d 、z w a v e 、 n f c 以及w i b r e e 等各种技术陆续提出，r f i d 技术正在向低成本化、智能化、标准化方 向迈进，紫蜂z i g b e e 技术则将在工业控制领域乃至家庭电子装置控制领域发挥作用。 宽带无线接入在前期投资、业务承载与提供服务速率等方面具有独特的优势及广泛 的市场应用前景，使其成为近几年通信市场发展的r 个热点。i e e e8 0 2 委员会于1 9 9 9 年成立了i e e e8 0 2 1 6 工作组来专门开发宽带无线接入标准。2 0 0 2 年4 月，i e e e 发布 的i e e e8 0 2 1 6 标准属于无线城域网( w m a n ) 技术标准，支持1 0 6 6g h z ( 微波) 频段范围内的视距传输，为宽带无线接入的实现提供了基础。运行于2 1 1g h z ( 毫米 波) 频谱之上的8 0 2 1 6 a 规范是i e e e8 0 2 1 6 规范的增补，它支持低频段的非视距传输， 使得无线城域网作为有线网络“最后一公里”连接公网的替代手段得以实现。但是，i e e e 8 0 2 1 6 及8 0 2 1 6 a 仅能支持固定及便携式移动终端的通信，无法发挥无线接入的内在优 势、满足用户对业务移动性的需求。为此，i e e e8 0 2 工作组在i e e e8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 a 的 基础上提出了8 0 2 1 6 e 协议。i e e e8 0 2 1 6 e 是8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 a 的增补方案，它在2 - - - 6g h z 的特许频段内支持低速的移动终端，填补了高速率的无线局域网和高移动性的蜂窝通信 系统之间的空白，为企业和用户提供了对固定和移动业务的双重支持。2 0 0 4 年初， 8 0 2 1 6 w i m a x 提出之后，整个无线通信领域开始了新一轮的技术竞争，加速了无线通 信宽带移动化的进程。 在8 0 2 1 6 e 协议制定的同时，i e e e 另外一个工作小组提出了i e e e8 0 2 2 0 方案。i e e e 8 0 2 2 0 技术，即移动宽带无线接入( m o b i l eb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ，m b w a ) ，也被 称之为m o b i l e - f i 。这个概念最初是由i e e e8 0 2 1 6 工作组于2 0 0 2 年3 月提出的，并成 立了相应的研究组，其目标是为了实现在高速移动环境下的高速率数据传输，以弥补 i e e e8 0 2 1 x 协议族在移动性上的劣势。随后由于在目标市场定位上的分歧，该研究 - 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 组脱离i e e e8 0 2 1 6 工作组，并于同年9 月宣告成立i e e e8 0 2 2 0 工作组。 i e e e8 0 2 2 0 标准工作在3 5g h z 的许可频段以下，单个小区覆盖半径可达1 5k m ， 是典型的广域网技术。8 0 2 2 0 强调对高速移动性的支持，可支持最高移动速度2 5 0k m h ， 已经达到了传统移动通信技术( 如2 g 和3 g ) 的性能。i e e e8 0 2 2 0 秉承了i e e e8 0 2 协 议族的纯i p 架构，在核心网和无线接入网上全部支持基于i p 的传输。i e e e8 0 2 2 0 技术 可以有效地解决移动性与传输速率相互矛盾的问题，将为运动速率高达2 5 0k m h 的移 动用户提供基于i p 的高速、高可靠的无线数据传输。可以看出，i e e e8 0 2 2 0 标准在很 多方面符合i t u 提m 的b 3 g 4 g 的要求。i e e e8 0 2 2 0 标准是i e e e8 0 2 协议组的一次质 的飞跃，将是i e e e 步入移动通信领域的基石。由于在市场定位与技术上的相似性，导 致i e e e8 0 2 2 0 标准与3 g 技术之间存在很强的竞争性。i e e e8 0 2 2 0 与3 g 技术和3 g p p l t e 的比较见图1 1 。 i 匿正8 0 2 2 03 g3 g p p e 1 、高移动性，高吞吐量数据应用 1 、 高移动性、语音业务和低速率数据应用 目 2 、对称数据服务2 非对称数据服务 标3 、对数据服务时延敏感度要求高 3 、 对数据服务时延敏感度要求低 市 场 4 、全球移动和漫游氐全球移动和漫游 l 、 全新的空中接口c 物理层和m a e1 、基于g s m 或l s 4 l 的渲l 、广域网接入技术 层)进，已有成熟的空中接口盖物理层技术郡是基于 五属于广域网技术 盖属于广域网技术o f d m 和胤0 3 以o f d m , m i m o 为物理层核心3 、以c i 弧蕴a 为物理层核心3 、支持低的时延，接入网 技术 技术时延在1 0 m s 以内j 空 4 工作于3 j g 珏z 以下的许可频段文工作于2 7g h z 以下的许制平面时延小于1 0 0 技 5 、典型信道带宽小于5 嘲融可频段m 杀& 纯璎架构又典型的信道带宽小于54 基于p 的架构，无线 特 接入网与固网融合的 占 7 、主要针对移动多媒体应用嫩 纯毋的核心网 8 、 高效的上下行数据传送效率 & 以基于电路交换的架构 灸低时延架构为主 支 支持最高的移动速率 1 0 , 最高速率达到2 5 0 1 u a z 惫7 主要针对移动语音业务 为3 5 0 1 m 岔 h 氛高时延架构 钒数据传送效率上行一般， 下行较低 图1 1i e e e8 0 2 2 0 与3 g 技术和3 g p p l t e 的比较 f i g 1 1t h ec o m p a r i s o na m o n gi e e e8 0 2 2 0 ，3 ga n d3 g p pl t e 从无线移动通信和无线宽带接入技术发展的两条路线可以看出，当无线通信技术发 展到4 g 时代，无论从所采用的技术还是希望达到的性能，已经呈现出既相互补充又相 _ 5 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 互竞争的趋势。随着技术不断发展和网络的日趋演进，移动通信和无线接入在相互角逐 的同时，走向互相融合。无线移动通信发展趋势如图1 2 所示。 i m t a d v a n c e d 移 动 性 3 8 4 带宽速率k b i t s 1 图1 ，2 无线移动技术与标准的演进过程 f i g 1 2t h ee v o l u t i o no fw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o na n di t ss t a n d a r d s 随着无线通信技术的不断发展，针对网络覆盖范围、用户数量、业务类型及服务质 量( q o s ) 的不同要求，业界已研究开发出包括各种蜂窝通信网、无线广域网( w w a n ) 、 无线城域网( w m a n ) 、无线局域网( w l a n ) 、无线个域网( w p a n ) 和卫星通信网络 在内的多种无线通信网络。更多的新型无线通信网络还处于研究开发阶段之中。从目前 的发展趋势来看，现有的无线通信网络都有各自的技术优势和适用范围。因此，任何一 个单独的无线通信网络，都不可能完全满足未来所有业务类型的用户对于未来无线通信 高q o s 、低价格、在全球范围内无缝接入的服务要求。换句话说，目前还没有任何一种 网络能够完全取代所有其他无线网络的能力。 基于上述事实，研究人员普遍认为：未来无线通信网将是由多种技术、多种网络、 多种业务相互融合所形成的集合体。这种多种无线通信网并存【l 】的情况，是下一代无线 通信网络的重要特点。 1 2 异构无线网络概述 在下一代移动通信中，信息技术i t ( i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ) 、多媒体和电信技术 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 等不同领域的技术相互结合，使通信成为一个整体。因此，移动通信和i t 技术将会渗 透到社会的各个领域，信息也将渗透到人们日常生活的方方面面，即发展成为任何人无 论何时、何地都可通过合适的终端设备与网络进行连接，获取个性化信息服务的全新信 息社会。 1 9 9 1 年施乐实验室的计算机科学家m a r kw e i s e r 首次提出“泛在计算”( u b i q u i t o u s c o m p u t i n g ) 的概念。日本和韩国在此基础上，衍生卜h 了泛在网络( u b i q u i t o u sn e t w o r k ) 、 欧盟提出了环境感知智能( a m b i e n ti n t e l l i g e n c e ) 、北美提出了普适计算( p e r v a s i v e c o m p u t i n g ) 等说法。在未来的泛在网络环境中，网络不再只是被动地满足用户需求， 而是主动感知用户场景的变化并进行信息交互，通过分析用户的个性化需求而主动提供 服务。相应地，终端设备也将具备智能型接口及环境感知能力，使用户的使用更加便捷。 移动泛在环境要求全i p 的架构，通过各种异构网络的协同操作来支持终端普遍的移动 性和无缝漫游，为用户提供丰富多彩的业务。 网络的泛在性将成为未来信息社会的必然趋势，这在全球范围己成共识。亚太、欧 盟、北美三个代表性的地区，均针对泛在网络的实施和研究