（通信与信息系统专业论文）第三代无线局域网融合的研究.pdf

h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 摘要 无线通信网络的持续增长和愈加广泛的应用已经深刻改变了我们的生 活。互联网、蜂窝移动系统和无线局域网在家用和商用领域中都处于呈指数 级速度增长的发展变化中，从而导致了这些系统之间产生竞争和融合。 虽然蜂窝系统的覆盖范围和服务质量已经得到了极大的改善，但是由于 在设计之初缺乏考虑，蜂窝系统在室内覆盖范围和数据容量两个方面仍然受 到很大的限制。蜂窝系统的理论数据速率可以达到2 m b p s 。无线局域网系统 是专为室内数据通信设计的，并且已经证明它有能力支持有限个室内移动客 户端的需求。无线局域网的理论数据速率可以达到5 4 m b p s 。为了给用户提供 更好的服务和更广泛的覆盖范围，两种通信网络终将融为一体。u t m s 和 w l a n 具有互补特性，将3 g 和w l a n 各自关键的技术优势融合起来以提供 最好的服务，也即3 g 和w l a n 的融合，是一项很有吸引力的研究工作。 本论文的目标即研究3 g w l a n 融合中的各种问题。本论文致力于解决 实现3 g w l a n 融合时的设计原则、技术特征和结构方法等问题。通过对实 际应用进行抽象可以提取出一些基本原则，上述问题就是在这个抽象层面上 进行讨论的。本文陈述了3 g w l a n 融合的主要问题：技术特征，结构方法， 仿真验证。本文提出了移动i p 法、网关法和仿真器法等三种方法用于实现 3 g w l a n 融合，并对它们各自的特征和结构进行了验证。本文还介绍了3 g 和w l a n 系统的协议和结构，同时对二者进行了详细地比较，从而揭示了 3 g 和w l a n 必将融合的原因。最后，本文介绍和分析了实现3 g 和w l a n 网络融合中遇到的困难与挑战。 关键词：u m t s w l a n 融合；3 g ；移动i p ；网关；仿真器 a bs t r a c t t h ec o n t i n u e d g r o w t h o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k sa n dt h e i r i n c r e a s e du b i q u i t yh a v et r a n s f o r m e do u rs o c i e t y t h ee x p o n e n t i a lg r o w t ho ft h e i n t e r n e ta n dt h ep r o l i f e r a t i o no fc e l l u l a rm o b i l es y s t e m sa n dw l a ns y s t e m s t h r o u g ho u tb o t hh o m ea n db u s i n e s sa p p l i c a t i o n sh a v eg e n e r a t e db o t hc o m p e t i t i o n a n dc o o p e r a t i o na m o n gt h ed i f f e r e n ts y s t e m s t h ec o v e r a g ea n dt h eq u a l i t yo ft h es e r v i c eo fc e l l u l a rs y s t e m sh a v eb o t h i n c r e a s e dd r a m a t i c a l l y ，b u ta si tw a sn o tw i t h i nt h eo r i 西n a ls c o p eo ft h ed e s i g no f c e l l u l a rn e t w o r k s ，i n d o o rc o v e r a g ea n dd a t ac a p a c i t ya r es t i l ls i g n i f i c a n t l yl i m i t e d t h et h e o r e t i c a ld a t ar a t e sc a nr e a c hu p t o2m b p s w l a ns y s t e m sw e r ed e s i g n e d f o ri n d o o r ，d a t at r a f f i ca n dh a v ed e m o n s t r a t e dt h e i ra b i l i t yt os u p p o r tt h en e e d so f l i m i t e dm o b i l i t yi n d o o rc l i e n t s t h et h e o r e t i c a ld a t ar a t e sc a nr e a c hu p t o5 4m b p s e v e n t u a lc o n v e r g e n c eo ft h et w oc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k sw i l ls o u g h tt op r o v i d e b e t t e rs e r v i c ea n di m p r o v e dc o v e r a g ef o r t h e i ru s e r s t h ec o m p l e m e n t a r y c h a r a c t e r i s t i c so fu m t sa n dw l a nm a k et h e ma t t r a c t i v ef o ri n t e g r a t i o nt oo f f e r t h eb e s to fb o t ht e c h n o l o g i e su t i l i z i n gt h ep o s i t i v ek e yf e a t u r e so fb o t h3 ga n d w l a n t h em a i no b j e c t i v eo ft h et h e s i si st os t u d ya n da n a l y z et h ed i f f e r e n ta s p e c t s r e l a t e dw i t ht h e3 g w l a ni n t e g r a t i o n t h et h e s i sw i l la i mt oa d d r e s st h ed e s i g n p r i n c i p l e s ，f e a t u r e s ，a r c h i t e c t u r a l m e t h o d so fi m p l e m e n t a t i o no f3 g - w l a n i n t e g r a t i o n s o m eb a s i cp r i n c i p l e sw o u l db ep r o v i d e da sa na b s t r a c t i o nf o rr e a l p r a c t i c a li m p l e m e n t a t i o n s t h em a i n3 g w l a ni n t e g r a t i o ni s s u e sa r ea d d r e s s e d ： f e a t u r e s ，a r c h i t e c t u r em e t h o d s ，a n de v a l u a t i o n t h e m o b i l ei pm e t h o d ，t h e g a t e w a ym e t h o d ，a n dt h ee m u l a t o rm e t h o dp r o p o s e dt oi m p l e m e n t3 g w l a n i n t e g r a t i o nw i l lb ee v a l u a t e dw i t hr e s p e c tt of e a t u r e sa n da r c h i t e c t u r e s t h et h e s i s a l s op r e s e n t st h e3 ga n dw l a ns y s t e m s ，a r c h i t e c t u r e s ，p r o t o c o l s ，t h e r e b y p r e s e n t i n gt h ec o m p a r i s o n sb e t w e e n t h et w os y s t e m sw i t hr e s p e c tt oe a c ho t h e ri n h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 0 r d e rt ou n d e r l i n et h em o t i v a t i o nf a c t o r sf o rt h et w os y s t e m s i n t e g r a t i o n t h e c h a l l e n g e st ob ef a c e dd u r i n gt h ei m p l e m e n t a t i o no fi n t e g r a t i o na r ea l s op r e s e n t e d a n da n a l y z e di nt h et h e s i s k e yw o r d s ：u m t s - w l a ni n t e g r a t i o n ；3 g ，m o b i l ei p ；g a t e w a y ；e m u l a t o r 哈尔滨工程大学， 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。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 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：够： 曰期：l oo t 年o6 月f0 日 1 1b a c k g r o u n d c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n t h ec o n t i n u e dg r o w t ho fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k sh a st r a n s f o r m e d o u rs o c i e t y t h ee x p o n e n t i mg r o w t ho ft h ei n t e r n e ta n dt h e p r o l i f e r a t i o no f c e l l u l a rm o b i l es y s t e m sa n dw l a n s y s t e m st h r o u g ho u tb o t hh o m ea n db u s i n e s s a p p l i c a t i o n sh a v eg e n e r a t e db o t hc o m p e t i t i o na n dc o o p e r a t i o na m o n gt h ed i f f e r e n t s y s t e m s t h e3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sal a r g ec o v e r a g e ，h i g hs p e e d m o b i l i t y , c o m p l e t es u b s c r i b e rm a n a g e m e n t ( b i l l i n gs y s t e m ) a n dn e a r l yu n i v e r s a l r o a m i n g t h ed a t at r a n s m i s s i o nr a t ei n3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m si sf r o m 1 4 4 k b p st o2 m b p s a l t h o u g ht h ed a t at r a n s m i s s i o nr a t ea n dq u a l i t yo fs e r v i c eo f 3 gm o b i l es y s t e mi s s u p e r i o r t o2 gm o b i l es y s t e m s ，a n dh a v ei n c r e a s e d d r a m a t i c a l l y ，i tc o m p a r e sp o o r l yw i t hw l a ns i n c et h ei n d o o rc o v e r a g ea n dd a t a c a p a c i t y a r es t i l l s i g n i f i c a n t l y l i m i t e dt o2m b p s 【1 1 w l a ns y s t e m sw e r e d e s i g n e df o ri n d o o r , d a t at r a f f i ca n dh a v ed e m o n s t r a t e dt h e i ra b i l i t yt os u p p o r tt h e n e e d so fl i m i t e dm o b i l i t yi n d o o rc l i e n t s t h u sp r o v i d e so n l yh o ts p o tc o v e r a g e w i t hah i g hd a t ar a t er e a c h i n g5 4 m b p s i ti so b v i o u st h a tt h ew l a nl a c k sg l o b a l r o a m i n ga n dm o b i l i t ys u p p o r t t h u s ，t h ei n t e g r a t i o no ft h et w od i v e r s en e t w o r k s c a nm a k eu pf o re a c ho t h e r sw e a k n e s s ，a n db r i n gt h eu t m o s tb e n e f i t st o s u b s c r i b e r s ，o p e r a t o r s t h ec o m p l e m e n t a r yn a t u r eo f3 ga n dw l a nh a v ea t t r a c t e da c a d e m i c r e s e a r c h e r sa n ds e r v i c ep r o v i d e r st os o u g h tw a y st oi n t e g r a t et h ew l a n s y s t e m s w i t hm o b i l ec e l l u l a rs y s t e m s 【3 4 1 t h ed e s i r ew a st og a i nt h ei n c r e a s e dc a p a c i t y a n di n d o o rs e r v i c eq u a l i t yp r o v i d e db yw l a n w o r k i n gt o g e t h e rw i t ht h em o b i l i t y p r o v i d e db y c e l l u l a r s y s t e m s t h e e v e n t u m c o n v e r g e n c e o ft h et w o c o m m u n i c a t i o n sn e t w o r k sw i l lp r o v i d eb e t t e rs e r v i c ea n di m p r o v e dc o v e r a g ef o r t h e i ru s e r s 3 g - w l a ni n t e g r a t e ds y s t e mw i l lb e i m p l e m e n t e d ：t oc o v e rt h e 1 h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y i n c r e a s i n gd e m a n df o rh i g hd a t a i n t e n s i v ea p p l i c a t i o n s ，t oe n a b l es m o o t ho n l i n e a c c e s st oc o r p o r a t ed a t as e r v i c e si nh o ts p o t sa n dg i v i n gg l o b a lm o b i l i t yt ow i a n u s e r s 1 2t h e s i ss c o p e t h em a i no b j e c t i v eo ft h et h e s i si st os t u d yd i f f e r e n ta s p e c t sr e l a t e dw i t ht h e 3 g w l a ni n t e g r a t i o n i tw i l la i mt oa d d r e s st h ed e s i g np r i n c i p l e s ，f e a t u r e s ，a n d a r c h i t e c t u r a lm e t h o d so fi m p l e m e n t a t i o no f3 g w l a ni n t e g r a t i o n t h o u g h g a i n i n gs e c u r ea c c e s st o3 gs e r v i c e sf r o m8 0 2 1 1w l a n s i sa l s oo n eo ft h e p r i m a r yc h a l l e n g e sf o rt h i sn e wi n t e g r a t e dw i r e l e s st e c h n o l o g y ，t h et h e s i sd o e s n t c o v e ra s p e c t sr e l a t e dw i t hi ta n dc a nb eu n d e r t a k e na saf u t u r ew o r k s o m eb a s i c p r i n c i p l e sw o u l db ep r o v i d e da sa na b s t r a c t i o nf o rr e a lp r a c t i c a li m p l e m e n t a t i o n s t h em a i n3 g w l a ni n t e g r a t i o ni s s u e ss u c ha sf e a t u r e s ，a r c h i t e c t u r em e t h o d s ， a n de v a l u a t i o na r ea d d r e s s e d t h em o b i l ei pm e t h o d ，t h eg a t e w a ym e t h o d ，a n dt h e e m u l a t o rm e t h o dw h i c ha r eu s e dt oi m p l e m e n t3 g - w l a ni n t e g r a t i o nw i l lb e e v a l u a t e di nt h ec o n t e x to ff e a t u r e sa n da r c h i t e c t u r e s t h et w oa c c e s sr a d i oa c c e s s t e c h n o l o g i e sw i l la l s ob ed i s c u s s e di n d i v i d u a l l y ，c o m p a r i s o n sw i l lb em a d e ，a n d c h a l l e n g e sf o ri n t e g r a t i o nw i l lb ep r e s e n t e da n dd i s c u s s e d 1 3t h e s i ss t r u c t u r e t h ei n t r o d u c t i o nc h a p t e rw i l lb ef o l l o w e db yt h eo v e r v i e wo ft h e3 gt e l e c o m n e t w o r ki n c h a p t e r2 c h a p t e r3 w i l l p r o v i d e t h eb a c k g r o u n do nw l a n a r c h i t e c t u r e sa n dp r o t o c o l s c h a p t e r4w i l lp r o v i d et h ed e t a i la n a l y s i so ft h e p r o p o s e di n t e g r a t i o na r c h i t e c t u r e sb e t w e e n3 ga n dw i _ a n c h a p t e r5w i l l b e u s e dt om a k et h ec o m p a r i s o n sb e t w e e n3 ga n dt h ew l a ns y s t e mw i t hr e s p e c tt o e a c ho t h e r , t h u sw i l lt r yt or e i n f o r c et h en e e df o ri n t e g r a t i o n t h ec h a p t e rw i l la l s o p r e s e n tc h a l l e n g e st h a tt h ec o n c e p to fi n t e g r a t i o nm i g h th a v et oo v e r c o m e t h e d i f f e r e n ta r c h i t e c t u r eo ft h ei n t e g r a t i o nw i l lb ea n a l y z e d ，c o m p a r e da n a l y t i c a l l y ， a n dh a n d o v e rd e l a yw i l la l s ob ep r e s e n t e di nt h i sc h a p t e r 2 c h a p t e r23 gn e t w o r k 3 gw i r e l e s sr e f e r st ot h e d e v e l o p i n gt e c h n o l o g y s t a n d a r d sf o r t h en e x t g e n e r a t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s o n eo ft h em a i ng o a l so ft h e s t a n d a r d i z a t i o ne f f o r t so f3 gi st oc r e a t eau n i v e r s a li n f r a s t r u c t u r et h a ti sa b l et o s u p p o r te x i s t i n ga n df u t u r es e r v i c e s t h i sr e q u i r e st h a tt h ei n f r a s t r u c t u r eb e d e s i g n e ds ot h a ti tc a ne v o l v ea st e c h n o l o g yc h a n g e s ，w i t h o u tc o m p r o m i s i n gt h e e x i s t i n gs e r v i c e so nt h ee x i s t i n gn e t w o r k s s e p a r a t i o no fa c c e s st e c h n o l o g y ， t r a n s p o r tt e c h n o l o g y ，s e r v i c et e c h n o l o g ya n du s e ra p p l i c a t i o n sf r o me a c ho t h e r m a k et h i sd e m a n d i n gr e q u i r e m e n tp o s s i b l e 2 1m o b i l ec o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g ye v o l u t i o n m o b i l ec o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g ye v o l u t i o ni st y p i c a l l yc l a s s i f i e di nt e r m s o ft e c h n o l o g yg e n e r a t i o n s f i r s tg e n e r a t i o n ( 1g ) i st h et e r mu s e df o rt h ea n a l o g m o b i l es y s t e m st h a tw e r ed e p l o y e di nt h em i d1 9 8 0 s s e c o n dg e n e r a t i o n ( 2 g ) c e l l u l a rs y s t e m sr e f e rt ot h es y s t e m sd e p l o y e di nt h ee a r l y1 9 9 0 st h a tu t i l i z e d d i g i t a lc o m m u n i c a t i o n st e c h n i q u e sl i k et d m aa n dc d m a t h e1 ga n d2 g c e l l u l a rs y s t e m sw e r ei n i t i a l l yd e s i g n e dt op r o v i d ec i r c u i t s w i t c h e dv o i c es e r v i c e ， a n dw e r el a t e rm o d i f i e dt op r o v i d el o wb i tr a t ed a t as e r v i c e c u r r e n ts e c o n d g e n e r a t i o n ( 2 g ) c e l l u l a rs y s t e m sa r ep r i m a r i l yv o i c es y s t e m s ，w i t hd a t ar a t e su p t o1 9 2k b p s l 5 1 t h e s ei n c l u d eg l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ( g s m ) ，i s 1 3 6 f f d t a ) a n di s 一9 5 ( c d m a ) e f f o r t sa i m e da ti n c r e a s i n gt h ed a t ar a t e sp r o v i d e d b y2 gs y s t e m s ，t y p i c a l l yt h r o u g ht h eu s eo fh i g h e ro r d e rm o d u l a t i o n ，a r et e r m e d 2 5 gs y s t e m s e m e r g i n g3 gc e l l u l a rs t a n d a r d sw i l lr e p l a c et h e2 gr a d i oi n t e r f a c e t op r o v i d eh i g h e rd a t ar a t e sa n dp r o v i d ei n h e r e n ts u p p o r tf o rp a c k e td a t a ，w h i l e l e a v i n gt h e2 gc o r en e t w o r kb a s i c a l l yu n c h a n g e d g s m sg e n e r a lp a c k e tr a d i o s e r v i c e ( g p r s ) i st h el e a d i n gp a c k e td a t an e t w o r kp r o p o s a lf o rt h i r dg e n e r a t i o n 3 h a r b i ne n g i n e e r i n gu n l v e r s l t y ( 3 g ) w i r e l e s ss y s t e m s t h eg o a lo f3 gs y s t e m si st oo f f e rd a t ar a t e su p t o2m b p s t os u p p o r tw i r e l e s sp a c k e td a t a t h ef o c u so ff o u r t hg e n e r a t i o n ( 4 g ) s y s t e m si so n f u t u r em o d i f i c a t i o n st o t h ec o r e n e t w o r k ，p o s s i b l ym o v i n g t oa l li p - b a s e d i n f r a s t r u c t u r e 2 2u m t s s y s t e mo v e r v i e w 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 n ss y s t e m ( u m t s ) i s at h i r d g e n e r a t i o n ( 3 g ) w i r e l e s sp r o t o c o lt h a ti sp a r to ft h ei t u si m t - 2 0 0 0v i s i o no f a g l o b a lf a m i l yo f3 gm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m s i t ss p e c i f i c a t i o n sw e r e c r e a t e db yt h e3 g p p ( t h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c 0a n dt h ee t s i i ti sa n e v o l u t i o n a r ys y s t e mb a s e du p o ng s m w i t hi t sp a c k e td o m a i nb a s e do nt h e2 5 g g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e s ( g p r s ) f r a m e w o r k u m t si se x p e c t e dt od e l i v e r l o w c o s t ，h i g h c a p a c i t ym o b i l ec o m m u n i c a t i o n s w i t hd a t ar a t e su pt o2m b p si t l t h em a i ns y s t e mc o m p o n e n t so ft h eu m t sn e t w o r ka r c h i t e c t u r ea l et h eu s e r e q u i p m e n t ( u e ) ，t h eu m t s t e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k ( u t r a a n dt h e c o r en e t w o r k ( c 川a ss h o w ni nf i g u r e2 1 n eu s e re q u i p m e n t ( u e ) c o n s i s t so f t h em o b i l et e r m i n a l ( m d ，t h et e r m i n a le q u i p m e n tf i e ) ，a n dt h es u b s c r i b e r i d e n t i t ym o d u l e ( s i m ) t h eu t r a n i sc o m p r i s e do ft h en o d e - 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