（通信与信息系统专业论文）移动wimax的垂直切换算法研究和自适应mac层设计.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 随着移动w i m a x 网络( 8 0 2 1 6 e ) 与蜂窝广域网、b 3 g 4 g 技术的融合，集成移 动w i m a x 技术的支持多模功能的智能手机在移动状态下将能随时随地接入互联 网与亲戚好友进行视频对话，收看p t v 以及同全球客户进行实时视频会议，真正 实现在各种异构无线网络中无缝移动。本论文在完成航天科技“十一五 预研项 目“基于w i m a x 的宽带无线接入系统”的基础上，重点是移动w i m a x 的垂直 切换算法研究和自适应m a c 层设计与实现。 在移动w i m a x 的垂直切换算法研究方面，针对车载终端垂直切换，给出了一 种代价函数权值可变及速度自适应切换算法，使得移动w i m a x 系统能与蜂窝广 域网、b 3 g 4 g 无线通信系统融合在一起共用频谱资源，实现异构无线网络间的无 缝移动。该算法使用速度自适应策略克服了网络发现阶段采用测量网络的接收信 号强度r s s 这种固定且单一的网络发现方式带来的缺点，提高了候选网络集更新 速度，改进了高速移动用户网络发现的时机；进一步，在切换判决阶段使用代价 函数权值可变的垂直切换算法，综合考虑了接入网络和用户的多种属性，选取代 价函数值最大的网络为切换的最佳网络。通过n s 2 和m a t l a b 联合仿真结果表 明，该算法提高了网络集更新速度，有效降低了网络阻塞率，减少了切换的次数， 保证了切换的有效性和公平性。 对于自适应m a c 层设计与实现方面，用c 程序详细设计了移动w i m a x 收发 信机m a c 层实现自适应功能的周期测距和切换功能模块，用n f s 方式开发了基 于嵌入式u b u n t u 9 0 4 操作系统服务器的移动w i m a x 收发信机的自适应m a c 层程 序，实现8 0 2 1 6 e 系统对业务的连接和维护以及对用户站的移动性支持功能。通过 a r m 9 2 6 1 开发板、微机和以太网交换机构建的测试环境，模拟基站和用户站进行 通信，通过对系统初始化与网络接入、周期测距、m a c 层切换以及数据收发的测 试，并截取超级终端显示的b u r s t 数据进行分析，完成了8 0 2 1 6 e 系统的周期测距 和m a c 层切换功能测试，验证了设计和开发的正确性。 关键词：移动w i m a x ，垂直切换，速度自适应，权值可变，自适应m a c 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t l lt h ei n t e g r a t i o no fm o b i l ew i m a xn e t w o r k s 、c e l l u l a rn e t w o r ka n db 3 g 4 g ；_ s m a r tp h o n e sw i t hm u l t i m o d ef u n c t i o n ，w h i c hc a na c c e s st ot h ei n t e r a c to nt h e l l i g h - s p e e dm o v i n gc o n d i t i o na ta n y t i m e ，a n y w h e r e ，w i l lb e a b l et oc o n d u c tv i d e o c o n v e r s a t i o n sw i t hr e l a t i v e sa n df r i e n d s ，w a t c hp t va n dg oo nr e a l - t i m ev i d e o c o n f e r e n c ew i t l l g l o b a l c u s t o m e r t h r o u g h at r u l ys e a m l e s s m o b i l i t ya m o n g 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 t h ee m p h a s i so ft h i sp a p e ri st h er e s e a r c ho nv e r t i c a l h a n d o f fa l g o r i t h ma n dm a c d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nf o rm o b i l ew i m a x b a s e do n t h ec o m p l e t i o no f “e l e v e n t hf i v e - y e a r p r e r e s e a r c hp r o jo c t w i m a xb a s e db r o a d b a n d w i r e l e s sa c c e s ss y s t e m ” r e s e a r c ho nv e r t i c a lh a n d o f ff o rm o b i l ew i m a x ，t h i sp a p e rg i v e saw e i g h tv a r i a b l e c o s tf u n c t i o na n ds p e e da d a p t i v eh a n d o f fa l g o r i t h mb a s e do nv e r t i c a lh a n d o f fo fv e h i c l e t e r m i n a l t h eg i v e da l g o r i t h mu s e ss p e e da d a p t i v es t r a t e g yi nt h ev e r t i c a lh a n d o f f n e t w o r kd i s c o v e r yp h a s e ，w h i c ho v e r c o m et h ed r a w b a c k so ft h ef i x e d ，s i n g l en e t w o r k d i s c o v e r ym e t h o d sb yu s i n gr s s ，r a i s es e t so fc a n d i d a t en e t w o r ku p d a t er a t e ，i m p r o v e t h en e t w o r kd i s c o v e r yt i m eo fh i g h - s p e e dm o b i l eu s e r s m o r e o v e r , h a n d o f fd e c i s i o nu s e s ac o s tf u n c t i o nw e i g h t - v a r i a b l ea l g o r i t h m ，w h i c ht o o ki n t oa c c o u n ta c c e s sn e t w o r ka n d u s e rp r o p e r t i e s ，s e l e c tt h en e t w o r kw i t ht h em a x i m u mc o s tf u n c t i o nv a l u ef o rt h eb e s t h a n d o f fn e t w o r k s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eg i v e da l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l y i m p r o v et h e n e t w o r ku p d a t es p e e d ，l o w e rn e t w o r kb l o c k i n gp r o b a b i l i t y , r e d u c et h e s w i t c h i n gf r e q u e n c y , e n s u r et h ee f f e c t i v e n e s sa n df a i m e s so fs w i t c h i n g f o rm a cd e s i g na n di m p l e m e n to fm o b i l ew i m a x ，t h i sp a p e rd e s i g n sa d a p t i v e m a c l a y e rf u n c t i o nm o d u l e so fm o b i l ew i m a x t r a n s c e i v e ri ncl a n g u a g e ，d e v e l o p e s a d a p t i v em a cl a y e rp r o c e d u r e so fm o b i l ew i m a x t r a n s c e i v e rb a s e do nt h ee m b e d d e d u b u n t u 9 0 4o p e r a t i n gs y s t e mt h r o u g hn f sm e t h o d t h i sf u n c t i o nm a k et h a t8 0 2 16 e s y s t e m sc a na c h i e v et h ec o n n e c t i o na n dt h em a i n t e n a n c eo fb u s i n e s s ，a n ds u p p o r t m o b i l i t yo fs u b s c r i b e rs t a t i o n s t e s tp l a t f o r mi sb u i l tt h r o u g ht h ep e r s o n a lc o m p u t e r , a r m 9 2 61 d e v e l o p m e n tb o a r da n dt h ee t h e m e ts w i t c h , w h i c ht e s tt h es y s t e m i n i t i a l i z a t i o na n dn e t w o r ka c c e s s ，p e r i o d i cr a n g i n g ，m a cl a y e rh a n d o f fa n dd a t a t r a n s c e i v e ro fc o m m u n i c a t eb e t w e e nb a s es t a t i o na n ds u b s c r i b e rs t a t i o n t h r o u g ht h e a n a l y s i so f t e s td a t a ，t h ec o r r e c t n e s so ft h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to fa d a p t i v em a c i i 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t f o r8 0 2 1 6 es y s t e mh a v eb e e nv e r i f i e d k e yw o r d s ：m o b i l em i m a x ，v e r t i c a lh a n d o f f , s p e e da d a p t i v e ，w e i g h tv a r i a b l e ， a d a p t i v em a c i i i 重庆邮电大学硕士论文缩略语 崾 a r q b s c d c p s d c d d s a d s c d s d e c f d d g p s h c s i t u 哩a c m s o f d m a n f s q o s i 也q r n g r s p r s s s a p s s t d d w i m a x 缩略语 a c e s sp o i n t a u t o m a t i cr e p e a t - r e q u e s t b a s es t a t i o n c o n n e c t i o ni d e n t i f i e r c o m m o np a r ts u b p a y e r d o w n l i n kc h a n n e ld e s c r i p t o r d y n a m i cs e r v i c ea d d i t i o n d y n a m i cs e r v i c ec h a n g e d y n a m i cs e r v i c ed e l e t i o n e n c r y p t i o nc o n t r o l f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m h e a d e re r r o rc h e c k i n 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 n su i l i o n m e d i u ma c c e s sc o n t r o l l a y e r m o b i l es t a t i o n 接入点 自动重传请求 基站 连接标识符 公共部分子层 下行信道描述符 动态服务添加 动态服务修改 动态服务删除 加密控制 频分双工 全球定位系统 报头差错检测 国际电信联盟 媒体接入控制层 移动台 o r t h o g n n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n 正交频分复用多址 m u l t i p l e x i n ga d r e s s n e t w o r kf i l es y s t e m 网络文件系统 q u a l i t yo fs e r v i c e服务质量 r e q u e s t请求 r a n g i n g 测距 r e s p o n s e响应 r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h 信号接收强度 s e r v i c ea c c e s sp o i n t 服务访问点 s u b c a r r i e rs t a t i o n用户站 t i m ed i v i s i o nd u p l e x 时分双工 w o r l d i n t e r o p e r a b i l i t y f o r m i c r o w a v e 全球微波接入互操作性 a c c e s s v i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景和选题意义 第一章绪论 虽然手机已经普及全球，但无论是个人用户还是商业人士仍然主要依靠笔记本 电脑在休闲娱乐场所、机场、写字楼、宾馆、办公楼等利用a d s l 、w i f i 和以太网 等技术接入互联网收发电子邮件、进行实时视频会议以及可视通话，但基本上不处 于移动状态，只能借助w i f i 技术在热点范围内实现游牧式的接入。虽然3 g 手机可 以通过t d s c d m a 、w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 等广域网在移动状态下接入到互联网， 由于受限于带宽窄小，基本不能实现商业实时音视频业务，只能用来收发简单的不 附带图片的p p t p d f 的文本邮件。随着移动w i m a x 技术( 8 0 2 1 6 e ) 的出现，用户 通过随身携带的3 g 手机在移动状态下随时随地与亲戚好友进行视频对话，收看 i p t v 以及同全球客户进行实时v o i p 音视频会议是可以实现的，智能手机集成移动 w i m a x 将会是手机基于互联网的技术应用趋势。 2 0 0 5 年1 2 月，i e e e8 0 2 1 6 e 标准的修正成为w i m a x 演进过程中的一个重要 的里程碑。为支持便携式移动服务，e e 8 0 2 1 6 e 2 0 0 5 在i e e e 8 0 2 1 6 d - 2 0 0 4 的基础 上增加了必要的属性儿“，在可扩展性频道带宽1 2 5 m h z 2 0 m h z 之间使用了 o f d m a 技术；在大于1 2 0 k m h 高速移动环境下具有低时延、高效率带宽切换；移 动基站工作在睡眠及不用模式是能节省能量消耗；在移动环境中增加了鲁棒性 ( r o b u s t n e s s ) 的混合a r q 技术：支持m i m o 、时空编码以及空间多工等先进的天 线系统。 随着移动w i m a x 网络与蜂窝广域网、b 3 g 饵g 技术的融合，集成移动w i m a x 技术在内的支持多模功能的智能手机真正实现在各种异构无线网络中无缝移动，在 工程实践中，真正实现能支持各种网络终端业务特性的垂直切换算法，实现 8 0 2 1 6 e 系统m a c 层对业务的连接和维护以及对用户站的移动性支持的自适应功 能将显得很重要。切换是保证网络间无缝移动的关键技术。传统意义上切换过程是 在采用同一技术的同构网络内部或同构网络之间进行，通常也称为水平切换 ( h o r i z o n t a lh a n d o f o ，下一代移动通信的切换范畴则包括水平切换和垂直切换 ( v e r t i c a lh a n d o f f ) 两个方面的内容。对于系统的水平切换，不同的接入技术有不 同的切换机制，如u m t s 系统和g s m 系统都有比较成熟有效的切换方法；而垂直 切换则是指在异构网络中不同类型接入网络之间的切换，直接关系到系统无线资源 的有效利用和用户的q o s 保证。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 2 移动w i m a x 研究现状 w i m a x 作为时下最热门的无线宽带接入技术之一h “，受到世界各国广泛关注， 加上不久前以此为基础发展的i l v l 譬- a d v a n e e d 提案，引起更多人的注意一，移动 w i m a x 现在被业晁誉为第四代移动通信技术p 儿。它采用基站切换技术，理论上 在最大1 5 0 k m h 的速度移动状态下也能维持宽带通信，传输速度最大可达7 5 m b i t 秒，而且移动w i m a x 基础设施的建设和部署成本预计将大大低于现有的第三代移 动通信技术。 i e e e 8 0 2 1 6 e 标准规范了移动终端与基站系统之间的空中接口的物理层和m a c 层。m a c 层分为三个子层：业务汇聚子层( c s ) 、公共部分子层( c p s ) 和安全子 层( s s ) 。m a c 层位于物理层之上，通过p h ys a p 使用物理层提供的服务。移动 无线接入系统8 0 2 1 6 e 协议在m a c 层处理方面，下行方向主要实现将i n t e m e t 的p 数据流映射到m a c 层连接上，然后通过物理层发往空中。上行方向就是从接收物 理层接收来自空中的信号，组装成m a c 层p d u ，然后转换成p 数据包发往i n t e m e t 。 目前对8 0 2 1 6 e 协议m a c 层研究方面主要集中在m a c 公共子层部分的网络接入、 带宽调度、m a c 公共子层的基本功能的设计和实现等方面，如文献【1 1 1 3 】对m a c 层协议的网络接入、带宽调度进行了详细分析和研究。文献 1 4 1 5 】研究了w i m a x 系统m a c 公共子层基本功能的的设计和实现。文献 1 6 】讨论了基于因特处理器的 w i m a x 基站m a c 设计和实现的功能分析。对于移动w i m a x 系统，移动终端接 入移动w i m a x 网络后，m a c 层必须实现对业务的连接和维护以及对用户站的移 动性支持功能，这就需要移动w i m a xm a c 层具有自适应功能性。目前，关于移 动w i m a x 自适应m a c 功能的研究很少。 对于移动w i m a x 终端的移动性支持技术的研究主要集中在移动w i m a x 水平 切换环境，如文献 1 7 2 1 针对8 0 2 1 6 e 在水平切换方面做了一系列研究。关于移动 w i m a x 的垂直切换的研究近年来才有所发展。为了w i m a x 系统能与其他的无线 通信系统融合在一起共用频谱资源，实现异构无线网络间的无缝移动技术，研究集 成移动w i m a x 技术的移动终端在各种异构无线网络间垂直切换算法将显得非常重 要。 垂直切换过程一般包括三个阶段：用户检测可接入的无线网络阶段；切换判决 阶段；用户根据判决结果执行切换阶段。其中网络发现阶段和切换判决阶段是垂直 切换的关键，网络发现阶段决定目标网络的高效发现和网络扫描的时机选择策略； 切换判决阶段的判决算法直接关系到垂直切换的有效性和可靠性，影响用户的q o s 和网络性能。目前，针对网络发现阶段的研究基本都采用在固定的采样时间内均匀 测量当前服务网络的接收信号强度r s s ，当终端检测到当前服务网络的接收信号强 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 度r s s 低于一个给定门限值，才发起邻区网络扫描，测量邻区候选网络接收信号强 度r s s 的值。如文献 2 2 1 提出的基于固定门限的r s s 切换算法，该算法适合低速移动 的用户，不利于高速移动用户，缺点一是网络扫描机制不好，只在固定的时间内测 量当前服务网络的接收信号强度r s s ，而不测量邻区候选网络接收信号强度r s s 的 值；二是由于用户的高速移动，用户已经进入新的网络，但是还未将该网络加入目 标网络集的现象，推迟了网络发现的时机，降低了切换效率卜“。而针对切换判决阶 段的垂直切换判决算法的研究主要分为四类：1 ) 用户接收到来自各网络基站的信 号强度为参考对象，当服务网络的接收信号强度r s s 低于一个给定门限值，候选网 络接收信号强度r s s 的值高于当前服务网络的接收信号强度一个比较门限值，才作 出切换决定卜叫h ；2 ) 基于模糊逻辑的多目标判决算法，结合网络性能和用户的需 求特性，将网络和用户参数模糊化后作出垂直切换判决卜；3 ) 基于多因素决策的 判决算法，根据接入网络的特性、用户业务类型及移动性等用户特性等，作出垂直 切换判决卜“；4 ) 基于代价函数的垂直切换判决算法，根据网络的接收信号强度、 网络带宽、用户业务类型、业务的服务费用、连接时延、用户通信设备的功耗和终 端的移动性等性能指标来设定代价判决函数，确定切换的最佳目标网络m 一1 。在以 上四种方法中，代价函数判决算法综合考虑了接入网络、用户和移动终端的众多特 性，可以较好地保证切换的有效性、可靠性和公平性原则，是目前垂直切换判决算 法的主要研究方向。 进一步，文献 3 2 给出了一种基于速度感知的垂直切换算法，不需要确切的节 点坐标和速度信息，利用接收信号强度的历史测量数据来表征节点运动速度的影 响，但是不同无线接入技术在频带、带宽、数据传输时延、覆盖范围和业务的实时 性等方面各不相同，仅以网络的信号接收强度为垂直切换判决指标，显然不能保证 切换的公平性和有效性。文献 3 3 】将检测与估值理论中的方法引入到垂直切换问题 中，给出了基于终端决策的自适应预测理论的垂直切换算法，但在切换模型中，移 动终端以固定周期接收服务网络和候选网络的信息，对于高速移动的用户，用户已 经进入了新的网络却未能及时将该网络加入候选网络集，推迟了网络发现的时机， 另外，由于各种网络的最大使用带宽以及为用户提供的可用带宽和允许时延的取值 范围均不同，因此，以网络提供的可用带宽和允许时延之和表征接入网络的业务质 量，当候选网络的业务质量的预测结果高于服务网络的预测结果时就触发切换，不 能保证切换的公平性和有效性。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 3 主要工作与章节安排 本论文在完成航天科技“十一五 预研项目“基于w i m a x 的宽带无线接入系 统”的基础上，重点是移动w i m a x 的垂直切换算法研究和自适应m a c 层设计和 实现。全文共分六章，具体组织结构和章节安排如下： 第一章绪论介绍了w i m a x 的发展和研究现状，分析了w i m a x 的技术特点。 第二章是全文的基础，介绍和分析了移动w i m a x 系统中的自适应m a c 的关 键技术。 第三章是移动w i m a x 的垂直切换算法研究。针对车载终端垂直切换，给出了 一种代价函数权值可变及速度自适应切换算法，使得移动w i m a x 系统能与蜂窝广 域网、b 3 g 4 g 无线通信系统融合在一起共用频谱资源，实现异构无线网络间的无 缝移动。该算法使用速度自适应策略克服了网络发现阶段采用测量网络的接收信号 强度r s s 这种固定且单一的网络发现方式带来的缺点，提高了候选网络集更新速 度，改进了高速移动用户网络发现的时机；进一步，在切换判决阶段使用代价函数 权值可变的垂直切换算法，综合考虑了接入网络和用户的多种属性，选取代价函数 值最大的网络为切换的最佳网络。通过n s 2 和m a t l a b 联合仿真结果表明，该算 法提高了网络集更新速度，有效降低了网络阻塞率，减少了切换的次数，保证了切 换的有效性和公平性。 第四章为自适应m a c 层设计与实现方面。分析了移动w i m a x 收发信机的硬 件和软件框架设计，用c 程序详细设计了移动w i m a x 收发信机m a c 层实现自适 应功能的周期测距和切换功能模块，用n f s 方式开发了基于嵌入式u b t m t u 9 0 4 操 作系统服务器的移动w i m a x 收发信机的自适应m a c 层程序，实现8 0 2 1 6 e 系统 对业务的连接和维护以及对用户站的移动性支持功能。 第五章通过由a r m 9 2 6 1 开发板、微机和以太网交换机构建的测试平台，模拟 基站和用户站进行通信，通过对系统初始化与网络接入、周期测距、m a c 层切换 以及数据收发过程的测试，并截图抓取相关b u r s t 进行数据分析，完成8 0 2 1 6 e 系统 的周期测距和m a c 层切换功能测试及数据分析，验证了设计和开发的正确性。 第六章总结了本文所做工作，并探讨了将来的研究方向。 4 重庆邮电大学硕士论文第二章移动w i m 垡丕堕主鱼适堕丛丛星苤壁垫查 第二章移动w i m a x 系统中自适应m a c 层关键技术 2 1 移动w i m a x 自适应m a c 概念 移动w i m a x 用户站接入移动w i m a x 网络后，用户站的移动会造成用户站信 息的改变和服务基站信号的改变，为了实现m a c 层对业务的连接和维护以及对用 户站的移动性支持功能，移动w i m a xm a c 层必须对用户站具有自适应性，即具 备周期测距功能和切换功能，能周期性地更新用户站的功率、频率和时间偏置， 保持与基站的正常通信；能周期性测量邻区基站的载波噪声干扰比信号c n r ，根 据信号质量切换到目标基站。 2 2 移动w i m a x 自适应m a c 策略 s s 完成初始化和网络接入后，m a c 层对用户站的自适应策略如下： ( 1 ) 周期性地执行周期测距程序，通过解调周期测距码，基站可以获得s s 的功率、频率和时间信息，并将这些信息反馈回s s 使其进行相应的调整，从而实 现m a c 层实现对业务的连接和维护，保持b s 与s s 的正常通信； ( 2 ) s s 一直测量服务基站c i n r 和周期性测量邻区基站c i n r ，当检测到服 务基站的接收信号强度及信噪比低于系统设定的切换门限并且此时记录的邻区候 选基站的信号强度有大于目前服务基站的信号强度的值时，就启动切换，从而实 现m a c 层对用户站的移动性支持功能。 2 3 移动w i m a x 自适应m a c 实现技术 2 3 1 移动w i m a x 系统网络初始化与接入 s s 网络初始化和接入分为以下几个阶段： ( 1 ) 扫描下行信道，和b s 建立同步关系；( 2 ) 从u c d ( u p l i n kc h a n n e ld e s c r i p t o r ) 消息中得到发送参数；( 3 ) 初始测距；( 4 ) 协商基本承载能力；( 5 ) s s 鉴权和密 钥交换；6 ) 注册；( 7 ) 建立p 连接；( 8 ) 获取网络时间；( 9 ) 发送运行参数。只 有当s s 在r e g i 砸q 消息中指明它是一个被管理的终端时，才执行建立口连接、 获取网络时间、发送运行参数过程。 重庆邮电大学硕士论文第二章移动w i m a x 系统中自适应m a c 层关键技术 描下行链 信道 建迂下行 链路同步 。_ _ - 。_ _ _ - - 。- 。_ _ _ _ _ 获孬芏丽 参数 - 。_ 。 。_ 。_ _ 皇 上行链路 参数确认 初始化测 距完成 基本性能 协商完成 2 3 2 周期测距 s 授权和密锣 交换 。_ 。_ 盟 s s 授权完 成 _ _ - i _ - _ _ - 。 。_ - _ _ - 。_ 皇 注册 完月姐p 连 的建立 图2 1w i m a x 网络初始化与接入流程图 成功获取 网络w j 间 传输操作参数 完成传输 操作参数 完成 基站端( b s ) 与用户端( s s ) 之间的测距过程在w i m a x 系统接入和通信中起着重 要作用，通过测距，可以通知用户调整相关信息，包括到达时间、载波频率和功率 信息等，减少用户间的干扰。在w i m a x 标准中将测距过程分为初始测距过程、切 换测距过程、带宽请求过程和周期测距过程。 初始测距允许一个s s 加入网络获取正确的传输参数，例如时间偏移和发射机的 功率电平，保证s s 与b s 的通信。由于业务流存续期间都要进行周期测距，因此， 周期测距可以看作是初始测距的延续。周期测距允许s s 调整传输参数使之能维持 与b s 的正常通信，系统需要周期性地执行测距程序以维持s s 与b s 之间正确地建 立时间偏移，并调整之间的功率，从而使传输能够与o f d m o f d m ap h y 的b s 接 收的帧对齐州，使得s s 传输的信号能够在合适的接收门限内被接收。 在8 0 2 1 6 e 系统中，s s 第一次接入系统时，会进行初始测距，初始测距成功后 则启动周期测距过程。通过解调周期测距码，基站可以获得s s 的功率、频率和时 6 重庆邮电大学硕士论文第二章移动w i m a x 系统中自适应m a c 层关键技术 间信息，并将这些信息反馈回s s 使其进行相应的调整，从而实现8 0 2 1 6 e 系统m a c 层实现对业务的连接和维护，使得用户站能周期性地更新它的功率和时间偏置信息， 自适应的周期测距保持与基站的通信。 2 3 2 1 周期测距的流程和算法 s s 在成功完成初始化过程之后，需要通过周期测距不断获得正确的时间偏移量 和功率调节量。周期测距的原理是：发送端在测距信道上发送1 4 4b i t 的专用周期测 距码，接收端取出测距信道的接收数据，并和所有用户的周期测距码做相关运算， 再进行i f f t 变换，在时域得到的峰值位置就是信号延迟值，从而获得时间偏移和 功率调整信息。这里在参考文献p 训基础上，采用以o f d m a 为基础的周期测距，其 算法如下。 1 ) 用户站任意选取一个测距时隙进行测距，其中需要用二进制回退机制避免再 次冲突碰撞。然后任意选择一个周期测距码发送给基站。 2 ) 基站成功收到一个用户站发来的周期测距码后，广播一个测距响应消息，其 中包括所有必需的调整( 例如时间、功率和可能的频率校正) 和状态通知。发送了 周期测距码的用户站根据测距响应消息中接收到周期测距码的测距时隙和b s 在测 距时隙中接收到的周期测距码，来识别该测距响应消息是否对应自己的测距请求。 3 ) 如果用户站没有接收到测距响应消息，可以在下一个合适的周期测距机会上 发送一个新的周期测距码，并将功率电平调整到测距最大发射功率。 4 ) 当接收到状态值为c o n t i n u e 的测距响应消息，用户站将继续从周期性测距域 中任选测距码，继续测距的处理。周期性测距定时器由用户站来控制。 5 ) 基站可以发送一个无请求的测距响应消息，它响应一个c d m a 请求或来自 用户站的数据传输。当用户站收到此消息时，重启周期性测距定时器，并且根据测 距响应消息中的通知来调整参数。 图2 2 和图2 3 分别是基站侧和用户站侧的周期性测距流程。图2 3 中，t 3 计时 器s s 发送r n g - r e q 之后等待r n g - r s p 的最大允许时间( 最大数值和默认数 值都为2 0 0m s ) ，此计时器由s s 控制。t 4 计时器- s s 进行周期测距设定的间隔 ( 最小数值为3 0s ，最大数值为3 5s ) ，此计时器由s s 控制。图2 3 中周期测距管理 消息：r n g - r e q 一周期测距请求消息。s s 发送r n g r e q 消息来判断网络的时 延，以及用来请求功率变化和下行链路突发配置文件的变更等。r n g r s 卜周期 测距应答。b s 向s s 发送r n g - r s p 消息包括定时调整信息，功率调整消息和下行 可操作突发描述等。 7 重庆邮电大学硕士论文第二章移动w i m a x 系统中自适应m a c 层关键技术 图2 2 基站侧的周期测距流程 图2 3 用户站侧的周期测距流程 8 重庆邮电大学硕士论文第二章移动w i m a x 系统中自适应m a c关键技术 2 3 2 2 周期测距码的发射和检测 i e e e8 0 2 1 6 e 标准的o f d m a 物理层指定了一个测距信道和特殊的伪随机测距 码( 包括初始测距码、切换测距码、带宽请求分配测距码和周期测距码子集) 集 合。测距信道由媒体接入控制( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 层动态分配，一个测 距信道由一组逻辑联系的6 个子信道组成，组成测距信道的子信道索引号由 u l m a p 消息指示。在上行链路的周期测距过程中，s s 从周期测距码子集中随机 地选择一个测距码，这个码被调制到测距信道上，然后从上行子帧的可用测距时 隙中随机地选择一个时隙将周期测距码发送出去。周期测距码的实现多项式为 1 + x 1 + x 4 + x 7 + x 1 5 ，由如图2 4 所示的伪随机序列发生器产生。每一个测距码的长度 是1 4 4 比特，总共2 5 6 个测距码，这些比特码在频域上按照从低到高的索引顺序 映射到一组6 个逻辑联系的子信道的子载波上。以一个o f d m a 符号上调制一个 测距码构成的测距信道为例，假如在第0 个o f d m a 符号上调制一个测距码，码 索引号就为0 ，就是由伪随机序列发生器产生的p n 输出序列码的第0 到1 4 3 个比 特数据；在符号1 上调制一个测距码，码索引号就为1 ，就是由伪随机序列发生器 产生的p n 输出序列码的第1 4 4 到2 8 7 个比特数据，以此类推。 图2 4 伪随机序列发生器 在接收端，b s 利用伪随机序列周期测距码频域相关p 叫的原理，通过检测伪随 机序列的相关峰值来获得用户端的功率、频率和时间偏移信息。用频域相关原理 检测周期测距码的流程如下。 1 ) s s 在频域发送的1 4 4 比特的周期测距码经过二相相移键控( b i n a r yp h a s es h i f t k e y i n g ，b p s k ) 调制和载波映射后，与非测距数据合并，经过反傅里叶变换到时 域。 2 ) b s 将接收到的数据进行傅里叶正变换，并取出测距子信道的所有载波的数据 同所有用户的周期测距码模2 相乘。模2 相乘后的结果按周期测距码发射前的载 波映射方式进行映射，再进行傅里叶反变换，在时域得到的峰值位置就是s s 到达 重庆邮电大学硕士论文第二章移动w i m a x 系统中自适应m a c 层关键技术 基站的功率、频率和时间的偏移数值，从而获得s s 的功率调整、频率和时间偏移 信息。 周期测距码检测算法流程如图2 5 所示。 码oh b p s k 由琶紫载波hi f f t h 延时 h 信道。 码mh 卵涨罨龄载波 峰值 峰值 2 3 3 切换 载波映射 载波映射 延时 码0 忐 码m 图2 5 周期测距码频域检测法原理图 信道1 提取测 距信道 上的数 据 r 叮和解 子载波 映射 目前国际上对下一代移动通信系统的切换定义分为水平切换和垂直切换。水平 切换是指同一系统内不同基站之间的切换；垂直切换是在不同系统的网络之间的切 换。在切换方面，8 0 2 1 6 e 协议中m a c 层的移动性管理方案支持硬切换( h h o ) 、软切 换( s i l o ) 和快速基站切换f f b s s ) _ _ = 种方式。在移动台控制切换时，8 0 2 1 6 e 的移动节 点根据接收信号的强度、候选基站小区的有效资源叫1 来决定切换。在执行切换时， 通常所说的硬切换是指移动节点一次只能通过一个基站的一个信道进行通信；移动 节点在接入目标基站前也可以同时监听多个候选基站，俗称软切换。f b m s 与软切换 不同，当移动台( m s ) 跨小区移动时，m s 同时监听多个候选基站( b s ) ，但只与其中 一个目标基站进行通信。 8 0 2 1 6 e 系统的水平切换可分为从系统内一个a s n 的基站切换到另一个a s n 的基 站和m a c 层切换。在移动w i m a xm a c 层中增加切换模块( 如图3 5 和图4 1 所示) ， 实现8 0 2 1 6 e 系统m a c 层实现对用户站的移动性支持功能，使得用户站能保证高效 率的基站扫描，用户终端能根据信号质量自适应地切换到相邻基站。 2 3 3 1m a c 层切换机制 m a c 层切换一般是指移动台在同一个接入网关( a s ng w ) 下的移动所发生的 l o 重庆邮电大学硕士论文 第二章移动w i m a x 系统中自适应m a c 层关键技术 从一个基站到另一个基站的切换本章研究的m a c 层切换机制是根据移动台 m s ( m o b i l es t a t i o n ) 周期扫描邻区基站b s ( b a s es t a t i o n ) 的信号并在一个给定的时间 内计算出载波噪声干扰比, c i n r 平均值，选择接收信号的强度最高、小区的有效资源 最多的候选基站与系统设定的切换门限等判决数据进行切换判决，当m s 检测来自服 务基站的接收信号强度及信噪比低于系统设定的切换门限并且此时记录的候选基 站的信号强度有大于目前服务基站的信号强度的值时，就启动切换。m s 发起邻区扫 描并触发切换的条件一1 ： ( 1 ) 移动台能够一直测量服务基站的载波噪声干扰比信号。当m s 检测到服务 基站的载波噪声干扰比信号低于一个给定门限hdt 值，那么就发起邻区扫描， 测量邻区候选基站集中的所有基站的载波噪声干扰比的值。 ( 2 ) 根据扫描结果，把载波噪声干扰比的值高于服务基站信号一个比较门限 h at 值的邻区基站放入候选基站集中，从中选择接收信号的强度最高、小区的 有效资源最多的候选基站作为切换的目标基站，发起切换请求。 2 3 3 2 切换流程和算法 图2 6 切换和网络重入 l l 重庆邮电大学硕士论文第二章移动w i m a x 系统中自适应m a c 层关键技术 在参考文献 3 9 的基础上，图2 6 所示的切换过程主要分为三个步骤：网络拓 扑的获取和测量；切换的判决和发生；网络重入。具体算法如下： ( 1 ) 网络拓扑的获取和测量 m s 利用m o bn b r - a d v 消息解调得来相邻b s 的信息，来评估m s 对切换 到潜在目标b s 的兴趣。该过程与具体的h o 判决过程之间是独立的。 1 、m s 接收从服务b s 广播的m o bn b r - a d v 消息，提供相邻b s 的一些信 息，包括b s j i e 、d c dc o n f i g u r a t i o nc h a n g ec o u n t 、u c dc o n f i g u r a t i o nc h a n g e c o u n t ，n e i g h b o rb s i d ，n e i g h b o rb st r i g g e rt y p e f u n c t i o n a c t i o n ，t r i g g e rv a l u e ，t r i g g e r a v e r a g i n gd u r a t i o n 等。 2 、m s 需要扫描相邻b s 依据是：( 1 ) nn e i g h b o r s ! = 0 ，( 2 ) 服务b s 的c i n r 信号低于一个给定的门限( hd e l e t e 阀值) ，如条件不满足m s 继续接收 从服务b s 发送来的m o bn b r - a d v 消息。 3 、当t r i g g e ra c t i o n 一0 x 3 时，m s 向服务b s 发送m o b _ s c n - r e q 消息，请 求分配扫描时隙。该消息中主要包括以下参数：扫描时长、交织时隙、m s 请求扫 描的次数、nr e c o m m e n d e db si n d e x 、 n e i g h b o rb si n d e x 、 nr e c o