（通信与信息系统专业论文）tdscdma移动通信系统的网络仿真.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 摘要 t d s c d m a 是由我国提出的第三代移动通信系统标准，采用一系列先进技术， 具有较高的系统性能和频谱利用率。中国即将启动3 g 的网络建设，t d s c d m a 必将扮演重要角色。新网络的建设需要进行可靠的网络规划和设计，网络仿真技 术作为一种新的网络规划设计技术，能够为规划设计提供客观、可靠的定量依据， 缩短网络建设周期，提高网络建设中决策的科学性，降低网络建设的投资风险， 成为网络规划设计不可或缺的环节。本课题就是利用先进的o p n e t 仿真软件，对 t d s c d m a 系统的网络性能进行仿真分析。所做工作对于初期网络规划设计具有 一定的参考价值，对使用o p n e t 进行网络仿真也具有一定借鉴意义。 论文首先对t d s c d m a 系统的网络结构、无线接口协议以及0 p n e t 仿真软 件做了必要的介绍。在此基础上，采用o p n e tm o d e l e r l 0 0 ，对t d s c d m a 系统 的q o s 问题和切换问题进行了仿真分析： ( 1 ) 第三代移动通信系统的显著特点在于能够支持语音、数据以及多媒体等 多种业务的应用。不同业务之间的特征相差较大，要求的承载特性也不同，网络 需要利用各种控制机制和传送机制来满足不同业务的q o s 要求。所以q o s 问题是 第三代移动通信系统的一个重要技术问题。本论文介绍了t d - s c d m a 系统的q o s 的概念、体系结构和业务分类。并利用o p n e tm o d e l e r 软件，搭建了t d s c d m a 系统的基本网络模型，根据3 g p p 技术规范定义的业务类型进行仿真，考察了不同 业务基本的q o s 指标。仿真中业务性能参数为实际网络业务的开展提供了一定参 考。 ( 2 ) 切换技术是蜂窝移动通信系统的一个关键技术，好的切换方案除了能提 高小区边界处的链路质量，还能实现较高的系统容量和系统资源利用率。论文对 现有切换技术分类进行介绍，其中t d 。s c d m a 系统特有的接力切换是叙述的重 点。在完整阐述其基本概念、切换过程和切换算法的基础上，利用o p n e t 软件， 根据无线接入网络的协议构建网络，建立切换仿真模型，对比t d s c d m a 系统下 的接力切换和硬切换，仿真得到上行传输功率和f t p 业务上传响应时间的性能参 数曲线。扶定量的角度对接力切换的性能优势进行了分析。 关键词：网络仿真，t d s c d m a ，服务质量，切换技术 西北工业大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t d s c d m ai st h e3 r dg 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 ns y s t e ms t a n d a r d ( 3 g ) w h i c h p r o p o s e db yo u rc o u n t r y i ta d o p t sas e d e so fa d v a n c e dt e c h n o l o g i e st oa c h i e v eh i g h e rs p e c t r u m u t i l i z a t i o ne f f i c i e n c ya n dl a g e rc a p a c i t y c h i n aw i l ls o o ns t a r t3 gn e t w o r kc o n s t r u c t i o na n d t d - s c d m aw i l lc e r t a i n l yb ea ni m p o r t a n tp a r t t h en e wn e t w o r kc o n s t r u c t i o nn e e d st oc a r r yo nt h e r e l i a b l en e t w o r kp l a n n i n ga n dd e s i g n n e t w o r ks i m u l a t i o na so n ek i n do f n e wn e t w o r kp l a n n i n ga n d d e s i g nt e c h n o l o g y , c a l lo b j e c t i v e l yp r o v i d et h er e l i a b l eq u o t ab a s i s ，w h i c hc o u l dr e d u c et h en e t w o r k c o n s t r u c t i o nc y c l e ，m a k et h en e t w o r kc o n s t r u c t i o np o l i c y - m a k i n gm o r es c i e n t i f i c a l l ya n dr e d u c e i n v e s t m e n tr i s k i tb e c o m e sa l li n d i s p e n s a b l el i n ko fn e t w o r kp l a n n i n ga n dd e s i g n t h i st h e s i su s e s a d v a n c e do p n e ts o f t w a r e ，c a r r i e so ns i m u l a t i o nt oa n a l y z et d - s c d m as y s t e m sn e t w o r k p e r f o r m a n c e t h es i m u l a t i o nr e s u l t sh a v ec e r t a i nr e f e r e n c ev a l u et ol l e wn e t w o r kp l a n n i n ga n d d e s i g n ，a l s ot op e o p l ew h ou s eo p n e tt oc a r r yo nt h en e t w o r ks i m u l a t i o n f i r s t ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h et d - s c d m as y s t e m sn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，t h ea i ri n t e r f a c e p r o p o s a l a n do p n e tm o d e l e rs i m u l a t i o ns o f t w a r e t h e n ，q o sa n dh a n d o v e rt e c h n i q u e so f t d - s c d m as y s t e mh a v eb es i m u l a t e da n da n a l y z e di no p n e tm o d e l e r l 0 0 ( 1 ) o n er e m a r k a b l ec h a r a c t e r i s t i co f t h et i l i r dg 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 ns y s t e mi st h a t c a ns u p p o r tm a n yk i n d so fa p p l i c a t i o n s ，s u c ha sv o i c e ，d a t aa n dm u l t i m e d i aa n ds oo n d i f f e r e n t a p p l i c a t i o nh a sd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c ，r e q u e s t sd i f f e r e n tb e a r i n g n e t w o r kn e e d st ou s ea l lk i n d so f c o n t r o lm e c h a n i s ma n dt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mt os a t i s f yd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n sq o s t h e r e f o r e q o si sa ni m p o r t a n tt e c h n i q u ei n t h i r dg 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 ns y s t e m t h i st h e s i s i n t r o d u c e dt h et d - s c d m as y s t e m sq o sc o n c e p t ，t h es y s t e ms t r u c t u r ea n dt h ec l a s s i f i c a t i o no f a p p l i c a t i o n u s i n go p n e tm o d e l e r , ab a s i c1 i ) - s c d m an e t w o r km o d e lw a sb u i l t a c c o r d i n gt o d e f i n e da p p l i c a t i o no ft h e3 g p pt e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n ，d i f f e r e n tb a s i cq o sa r ei n s p e c t e d t h e s e r v i c ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r si nt h es i m u l a t i o nh a v ec e r t a i nr e f e r e n c ef o r t h ea c t u a ln e t w o r k ， ( 2 ) h a n d o v e ri so n eo f t h ec r i t i c a lt e c l m i q u e so f c e l l u l a rm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m g o o d h a n d o v e rt e c h n i q u en o to n l yc a r li m p o v ec e l lb o u n d a r yl i n kq u a l i t y , b u ta l s oc a ni n c r e a s et h es y s t e m c a p a c i t ya n dr e s o u r c e s t h i st h e s i si n t r o d u c e sr e c e n th a n d o v e rt e c h n i q u e s t h eu n i q u eb a t o n h a n d o v e rt e c h n i q u eo ft d - s c d m as y s t e mi st h ek e yp o i n to fr e s e a r c h a f t e rg i v i n gi t sg e n e r a l c o n c e p t s ，h a n d o v e rp r o c e d u r ea n dh a n d o v e ra l g o r i t h m ，ah a n d o v e rs i m u l a t i o nm o d e lw a sf o r m e d c o m p a r e dw i t hh a r dh a n d o v e ri nu p l i n kt r a n s m i s s i o np o w e ra n df t pu p l o a dr e s p o n s et i m e t h e r e s u l t sc o n f i r m e dt h a tb a t o nh a n d o v e rp e r f o r m e db e r e ri nr e d u c i n gu p l i n ki n t e r f e r e n c ea n d s h o r t e n i n gh a n d o v e rd e l a y k e y w o r d s ：n e t w o r ks i m u l a t i o n ，t d s c d m a ，q u a l i t yo fs e r v i c e ，h a n d o v e r i i 两北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着人们物质文化生活水平的提高，人们对移动通信业务的需求也不断增大。 目前广泛使用的第二代移动通信系统已经逐渐不能满足社会的巨大需求。第三代 移动通信系统成为发展的必然趋势。我国抓住这个发展机遇，提出了t d s c d m a 第三代移动通信标准并被接纳为国际标准，为我国通信产业的腾飞创造了有利条 件。目前中国还没有正式启动3 g 建设，t d s c d m a 还没有大规模的商用网络。 网络仿真技术在新网络建设之际，能够为网络规划设计提供客观可靠的定量依据， 提高了建设中决策的科学性，成为网络规划不可缺少的环节。本文就是利用先进 的o p n e t 仿真软件，对t d s c d m a 系统的q o s 问题和切换性能进行仿真分析。 1 1 课题的背景 1 1 1 第三代移动通信发展概述 自2 0 世纪8 0 年代以来，移动通信在全球范围内得到了迅速发展。在我国， 截止到2 0 0 5 年1 0 月底，移动用户数量已经达到3 8 3 亿( 信息产业部数据) ，而且仍 然具有良好的发展势头。 到目前为止，移动通信经历了第一代的模拟通信系统和第二代的数字移动通 信系统，现在正在向第三代移动通信系统发展。第一代模拟系统采用的是频分多 址( f d m a ) 接入技术，其典型系统如美国的a m p s ，北欧的n m t - 4 5 0 9 0 0 ，英国 的t a c s 等。第二代窄带数字系统的接入技术分为时分多址( ) m a ) 和码分多址 ( c d m a ) 两种，前者典型的如欧洲的g s m 系统，北美的i s 一1 3 6 系统，后者如美国 的i s 一9 5 系统。 无论是第一代还是第二代，主要都是解决话音通信的问题。虽然第二代数宇 移动通信系统较之第一代模拟移动通信系统有了很大的改进，但是仍然存在很多 问题：例如没有统一的国际标准，频谱利用率低较低，不能经济的提供高速数据 和多媒体业务，不能有效地支持i n t e m e t x j k 务等。随着社会信息化进程的加快，对 移动通信业务的需求也越来越大，目前第二代移动通信系统在容量和业务能力方 面均不能满足日益增长的社会需要，第三代移动通信系统成为发展的必然趋势。 国际电信联盟( i t u ) 早在1 9 8 5 年就提出了未来陆地移动通信系统，目 j f p l m t s 。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 19 9 6 年f p l m t s 正式更名为i m t 一2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ) ，其 用意在于希望2 0 0 0 年左右，最高传输频率可达2 0 0 0 k b 甜s ，工作于2 0 0 0 m h z 频段的 第三代移动系统可以提供商用服务。其基本特征如下： 提供全球无缝覆盖和漫游； 提供高质量话音、可变速率的数据和多媒体业务，快速移动环境最高通信 速率达1 4 4 k b i v s ，步行环境最高通信速率达3 8 4 k b i t s ，室内环境最高通信 速率达2 m b i t s 。 具有较高的频谱利用率和较大的系统容量： 能根据具体的业务需要，提供必要的带宽，支持大范围、可变速率的信息 传递； 高保密性以及较低的成本。 世界上多个地区、国家、公司和标准化组织先后提出了十多种无线传输技术 标准。经过充分协商和融合，最后形成的主流标准主要有三个，即美国提出的 c d m a 2 0 0 0 ，欧洲和日本提出的w c d m a 以及中国提出的t d s c d m a 。它们具有 频谱利用率高、覆盖范围广、性能好、可以适应宽带多媒体通信要求等共同特点。 表1 1 三种主流第三代移动通信系统主要技术性能比较 w c d m at d s c d m ac d m a 2 0 0 0 频率间隔 5 m h zl ，6 m h z1 2 5 m h z 码片速率3 8 4 m e s 1 ，2 8m e s l ，2 2 8 8m e s 双工方式 f d dt d df d d 帧长1 0 m s 1 0 m s ( 分为两个子帧) 2 0 m s 基站同步不需要需要需要，典型的用g p s 功率控制快速功控：上下行o 2 0 0 h z反向：8 0 0 h z 1 5 0 0 h z 前向：慢速、快速功控 检测方式相干解调联合检测相干解调 信道估计公共导频 d w p c h 、u p p c h 、中间码 前向、反向导频 编码方式卷积码、t u r b o 码卷积码、t u r b o 码卷积码、t u r b o 码 每载波频宽 l o m h z1 6 m h z2 5 m 归z 目前第三代移动通信标准的细节主要由3 g p p 和3 g p p 2 两个国际组织根据 i t u 的建议来进一步完成。3 g p p 是由欧洲的e t s i 、日本的a r l b 、美国的t i 、韩 国的t t a 和中国的c w t s 为核心成员发起的，负责完成基于g s mm a p 核心网的 w c d m a 和c d m a t d d 的标准细节；3 g p p 2 是由美国的t i a 、日本的a r i b 、韩 国的t t a 和中国的c w t s 为核心发起的，负责完成基于i s 4 l 核心网的c d m a 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 2 0 0 0 的标准细节。目前这两个标准组织也在积极地进行兼容和接口互联互通工作。 负责w c d m a 和t d s c d m a 标准细节的3 g p p ，从1 9 9 8 年成立以后，已经 发布了r e l e a s e 9 9 、r e l e a s e 4 、r e l e a s e 5 和r e l e a s e 6 等4 个标准版本，并于g s m 系 统标准融合，形成了一个统的整体，这为第三代移动通信网络的平滑演进和业 务的逐步开展奠定了很好的基础。 1 1 2t d s c d m a 系统简介 从i t u 向全世界征求i m t 2 0 0 0 无线传输技术方案开始，我国就意识到对第三 代移动通信标准研究的重要性，积极参与第三代移动通信系统标准的研究和制定。 1 9 9 8 年6 月3 0 日，由大唐电信集团( 电信科学技术研究院) 代表中国提出的 t d s c d m a 第三代移动通信系统标准，经国家主管部门批准，提交国际电联。2 0 0 0 年5 月，在土耳其伊斯坦布尔召开的国际电联大会上，t d s c d m a 被国际电联接 纳并成为第三代移动通信系统三大主流标准之一。2 0 0 1 年3 月1 6 日，在美国加利 福尼亚州举行的3 g p pt s gr a n 第1 1 次全会将t d s c d m a 列为第三代移动通信 系统标准之一，写入3 g p pr e l e a s e 4 中。这表明该标准已经被世界上许多运营商和 设备厂商所接受。在这之后，t d s c d m a 标准进入了相对稳定和改进、发展的阶 段。 t d s c d m a 使用时分双工方式( t d d ) 的第三代移动通信系统标准，同时采 用了上行同步、智能天线、联合检测、动态信道分配和软件无线电等一系列高新 技术，这使得系统在性能上有了较大程度的提高。它对频谱资源的利用也要比f d d 系统更为灵活，f d d 系统的上下行信道要同时占用相同的带宽( 如w c d m a ，其上 下行各需5 m 的带宽) ，而且上下行之间需要有几十兆赫兹的频率间隔作为保护。 而移动通信系统面临的一个重大的问题就是频谱资源极度紧张，在这种条件下， 要找到符合要求的对称频段是非常困难的。而t d s c d m a 系统采用t d d 模式， 单载波仅占1 6 m h z ，不需要成对的工作频段，可以充分利用分散、零碎的空闲频 段，从而能够灵活有效的利用现有的频率资源。t d s c d m a 能够提供第三代移动 通信系统标准所规定的各种业务，包括高质量的语音、宽带数据和多媒体业务， 同时t d d 系统可以根据业务的具体要求，灵活的分配时隙和码道，因而 t d s c d m a 系统更容易满足不对称业务的需要，尤其适合今后将迅速发展的i p 数据业务。同时由于节约了大量昂贵的频谱资源，采用低码片速率，并且对基站 射频部件设计采取有效措施，显著地降低了硬件设备制造的技术难度，整个网络 的投资费用大幅度降低。 在系统组网方面，由于3 g p p 在制定第三代标准时已充分考虑了已有的第二代 网络的投资，因此t d s c d m a 系统与3 g p p 制定的标准在高层取得致，以便更 3 西北上业大学硕士学位论文 第一章绪论 好地实现第二代网络向第三代网络的演进与过渡。我国和世界上大多数国家广泛 使用g s m 系统，t d - s c d m a 系统能够完全兼容g s m 系统，支持与g s mm a p 核心网连接( 以后还支持c d m a 的i s 4 1 核心网) ，网络能够由g s m 平滑过渡到 t d - s c d m a 。同时，t d s c d m a 与w c d m a 具有相同的高层信令和网络结构， 两种制式可以使用同一个核心网。对于用户终端，在建网的第一阶段可以使用 t d s c d m a 和g s m g p r s 的双频双模，第二阶段则可以基于软件无线电的概念， 在一个硬件平台上实现多模、多频段工作，实现全国乃至全世界范围内的自动漫 游。t d s c d m a 系统同样支持第三代移动通信系统核心网逐步向全i p 方向发展。 表1 2 给出了几种系统的频谱利用率对比的情况，可以看出t d s c d m a 系统 在频谱利用率方面具有明显的优势。 表l - 2 移动通信系统的频谱利用率对比“ 类型 g s mi s 9 5c d m a 2 0 0 0w c d m at d s c d m a 项目 频率复用系数 71111 每载波频宽( m h z ) 0 42 52 51 01 6 每载波同时工作信道数 82 02 06 04 8 频谱利用率( 语音) 2 88863 0 最大数据传输速率( 8 p s k ) 2 5 m b ，s4 m b s2 m b s 频谱利用率( 数据) 1 o0 41 2 5 ( 其中定义语音通信的频谱利用率为“同时工作信道数m h z 区”，数据通信的频谱利用 率为“最大传输数据速率m h z j ，b 区”) 我国于2 0 0 2 年1 0 月公布了第三代移动通信业务的频率分配情况，分为主要 工作频段和补充工作频段： 主要工作频段 频分双工方式( f d d ) ：1 9 2 0 1 9 8 0 m h z 、2 1 1 0 2 1 7 0 m h z 时分双工方式( t d d ) ：1 8 8 0 1 9 2 0 m h z 、2 0 1 0 2 0 2 5 m h z 补充工作频段 频分双工方式( f d d ) ：1 7 5 51 7 8 5 m h z 、1 8 5 0 1 8 8 0 m h z 时分双工方式( t d d ) ：2 3 0 0 2 4 0 0 m h z 以上频谱划分情况表明，t d s c d m a 成为世界标准，获得了国家政策方面的 强力支持，为其划分出共计1 5 5 m h z 的非对称频段资源。3 g 标准融合过程中，经 过优胜劣汰的激烈角逐，最终确定了欧洲提出的u t r at d d 和中国提出的 t d s c d m a 为t d d 国际标准。而在后续的产业开发中，由于t d s c d m a 明显的 4 西北t 业大学硕士学位论文 第一章绪论 技术优势，使得原来从事u t r at d d 开发的公司也转而投向了t d s c d m a 的开 发。也就是说，目前世界上顺利进行产业化开发的t d d 国际标准只有t d s c d m a ， 也就意味着国际上统一划分的t d d 频段将全部由t d s c d m a 技术使用。这对 t d - s c d m a 产业实现全国乃至向全世界范围发展无疑是一个得天独厚的机会。 1 1 3 网络仿真技术简介 无论是建设新的网络，还是改造或升级现有网络，都需要对网络进行可靠的规 划和设计。传统依靠经验的方式不容易抓住问题的要害，尤其对复杂的大型网络 更是无能为力。网络仿真作为一种新的网络规划和设计技术，以其独有的方法为 网络规划设计提供客观、可靠的定量依据，缩短网络建设周期，提高网络建设中 决策的科学性，降低网络建设的投资风险。我国网络仿真虽然起步较晚，但是网 络的迅猛发展必将强劲地拉动网络仿真技术的研究和应用。未来数年将是网络仿 真技术蓬勃发展的时期，今后网络仿真必将成为网络规划设计不可缺少的环节。 总的说来，网络仿真是种利用数学建模和统计分析的方法模拟网络行为， 从而获取特定的网络特性参数的技术。网络仿真技术通过建立网络设备和网络链 路的统计模型，模拟网络的流量传输，从而获取网络设计或优化所需要的网络性 能参数。网络仿真获取的网络特性参数包括网络全局性能统计量、网络链路的流 量和延迟等，由此既可以获取某些业务层的统计数据，也可以得到协议内部的某 些特殊的参数的统计结果。 网络仿真可以进行网络结构、设备和应用的设计、分析和管理，其主要特点 为： 网络仿真能够为网络的规划设计提供可靠的定量依据。网络仿真技术能 够迅速地建立起现有网络的模型，并能够方便地修改模型并进行仿真， 获取特定网络的性能参数，这使得网络仿真非常适用于预测网络性能。 网络仿真能够验证实际方案或比较多个不同的设计方案。在网络规划设 计过程中，经常出现多个不同的设计方案，各有优缺点，仅凭主观判断 很难作出正确的选择，因此如何进行科学的比较和取舍往往是网络设计 者们感到头疼的事。网络仿真能够通过为不同的设计方案建立模型、进 行模拟，获取定量的网络性能预测数据，为方案的验证和比较提供可靠 的依据。 ( 这里所指的设计方案可以是网络拓扑结构、路由设计、业务 配置等等) 网络仿真的具体应用有： 端到端的性能分析 堕j ! 三些奎堂堡主堂垡笙苎 兰二：主竺笙 端到端的性能包含了路由器的处理能力、服务器的处理能力以及网络带宽等 因素，网络仿真系统可以分析确定各种因素对端到端性能有多大的影响。 分析新增业务和用户对网络的影响 通常新增业务需要选择适当的网络做测试，这样成本很高而且具有一定的风 险。网络仿真集成了非常多最新的技术和应用( 如m p l s 、m u l t i c a s t 等) ，因 此可以利用网络仿真模拟开展新业务和增加新用户时网络状况，分析可能对网络 造成的影响。 预测业务量的增长 网络仿真的流量模型包含了业务量的信息，因此它可以用来预测不同业务的 增长规律和在网络中所占的比重，这对网络规划设计和维护都有重要的参考价值。 指导新网络建设 新网络建设的传统方法是依赖人的经验，利用网络仿真技术可以在充分参考 人的经验基础上建立新的网络的模型，获取新网络的性能参数，然后再不断进行 调整。极大地降低了网络建设的风险。利用网络仿真技术指导新网络建设的另一 个特点是可以利用以往仿真积累的科学数据，从而得到比经验计算更为精确的结 果。 1 2 课题意义和论文工作 在建设和发展第一代、第二代移动通信系统的过程中，由于我国在技术方面 处于被动地位，国内大多数厂家只能组装国外产品，仅占很少的国内市场份额， 绝大多数市场被国外公司所占有。通信产品市场之争关键在于技术标准之争。我 国由于不掌握核心技术，不得不使用别人的专利，付出了上百亿美元的依附于移 动通信标准的知识产权费。而如今在政府的支持和相关单位的共同努力下， t d s c d m a 系统标准被国际电联接受，成为第三代移动通信系统主流标准之一， 这是我国通信产业发展的一个机遇。如今中国的3 g 产业即将启动，t d s c d m a 技术必将扮演重要的角色。现在国内外已经有大量介绍w c d m a 以及c d m a 2 0 0 0 的书籍和资料，相比之下有关t d s c d m a 的文献资料较少。本论文利用先进的网 络仿真软件o p n e tm o d e l e r l 0 0 ，对t d s c d m a 系统的网络性能进行仿真分析， 仿真结果对于初期网络规划设计具有一定的参考价值；所作工作对使用o p n e t 进 行网络仿真，尤其是针对移动通信网络方面也具有一定借鉴意义。 在课题开展期间，本人所做工作和贡献如下： 搜集并阅读大量有关3 g 尤其是t d s c d m a 标准的技术规范和资料。对系统 6 西北t 业火学硕士学位论文 第一章绪论 的网络结构，关键技术，接口协议等相关领域进行广泛的了解和归纳。了解国 内外移动通信产业的最新发展动向。 学习先进的网络仿真软件o p n e t m o d e l e r ，利用其强大的建模编辑器和结果分 析收集功能建立仿真模型，逐步掌握该软件的建模特点、结构体系和仿真流程。 熟悉t d s c d m a 系统的q o s 的概念、体系结构和业务分类。利用o p n e t m o d e l e r 软件，搭建了t d s c d m a 系统的基本网络模型，根据3 g p p 技术规 范定义的业务类型进行仿真，考察了不同业务基本的q o s 指标。仿真中业务 性能参数为实际网络的业务开展提供了参考。 对蜂窝移动通信系统中采用的不同切换技术进行介绍，重点研究t d s c d m a 系统特有的接力切换。同时在o p n e tm o d e l e r 中建立切换仿真模型，对比 t d s c d m a 系统下不同切换方式的系统性能参数，从定量的角度对接力切换 的性能优势进行了分析。 根据目前t d s c d m a 产业最新的进展情况，进一步提出了如何更好地利用 o p n e t 软件对t d s c d m a 系统进行仿真研究的方向。 7 西北t 业大学硕士学位论文 第二章t d s c d m a 网络结构和无线接口协议 第二章t d - s c d m a 网络结构和无线接口协议 t d s c d m a 系统作为i t u 第三代移动通信标准之一，其网络结构遵循i t u 的 统一要求，通过3 g p p 组织标准融合后，t d s c d m a 与u m t sf d d ，即w c d m a 的网络结构基本相同，为了便于对后面仿真网络拓扑结构的理解，本章先简单介 绍一下其网络组成和相应功能。同时由于第三代移动通信系统的主要区别体现在 无线接口的无线传输技术上，特别是无线接口的物理层差异较大。所以对无线接 口协议方面的相关内容也给予一定笔墨进行介绍。 2 1t d s c d m a 网络结构 2 1 。1 概述 在欧洲，第三代移动通信系统也被称为通用移动通信系统( u n i v e r s a lm o b i l e t 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 ) ，它是i m t 2 0 0 0 家族中的重要一员。无线传输 技术分为采用f d d 方式的w c d m a 以及t d d 方式的t d s c d m a 和u t r at d d ，后 两种标准经过融合，成为u m t s 的t d d 标准，被写入3 g p pr 4 系列规范中。 u m t s 系统与第二代移动通信系统在逻辑结构方面基本相同。如果从功能上 看，可以分成一些不同功能的子网，主要包括无线接入网络( r a d i oa c c e s sn e t w o r k ， r a n ) 和核心网络( c o r en e t w o r k ，c n ) 。其中无线接入网络处理所有与无线有 关的功能，而核心网处理u m t s 系统内所有的话音呼叫、数据连接和交换，并实现 与外部网络的连接和路由选择。u t r a n 、c n 与用户设备( u s e re q u i p m e n t ，u e ) 一起构成了完整的u m t s 系统，其系统结构如图2 - 1 所示。 核心埘( c n ) j _ i 。 无线接入网( u r p , a n ) + u u 用户设备( t r e ) 图2 - 1 u m t s 的系统结构 8 堕些三坚兰堡主堂垡望壅第二章t d s c d m a 网络结构和无线接口协议 从3 g p pr 9 9 及以后标准的角度来看，u e 和u t r a n ( u m t s 陆地无线接入网络) 由全新的协议构成，其设计基于w c d m a 或者t d s c d m a 无线技术。而c n 则采用 g s m g p r s 的定义，这样可以实现网络的平滑过渡，此外在第三代网络建设的初 期可以方便实现全球漫游。 u m t s 的一般结构在物理方面使用域的概念进行模型化，从大的方面分为两个 域：用户设备域和基本结构域。 图2 - 2u m t s 网络的域结构 用户设备域可进一步分为移动通信设备( m e ) 域和u m t s 用户业务识别单元 m s i m ) 域。 1 移动设备域的功能是完成无线传输和应用。 2 用户业务识别单元域包含用于确定身份的数据资料，一般存入智能卡中。 它只与特定的用户有关，而与用户所使用的移动设备无关。体现了终端移动性和 用户移动性的分离。 基本结构域可进一步分为接入网域和核心网域，两者通过开放接口连接。接 入网域由与接入技术相关的功能模块组成，而核心网域的功能与接入技术无关。 接入网域由管理接入网资源的物理实体组成，向用户提供接入到核心网域的 机制。无线接入网是移动通信网中承上启下的部分，u m t s 无线接入网( u t r a n ) 的组成在随后章节会详细介绍。 核心网域由提供网络支持特性和通信业务的物理实体组成。提供的功能包括 用户位置信息的管理、网络特性和业务的控制、信令和用户信息的传输机制等。 核心网域又可分为原籍网域、传输网域和服务网域。 西北工业大学硕士学位论文第二章t d s c d m a 网络结构和无线接口协议 原籍网域：管理用户永久的位置信息。用户识别单元和原籍网域有关。 传输网域：是服务网域和远端用户间的通信路径。 服务网域：与接入网域相连接，其功能是呼叫的寻路以及将用户数据与信息 从源传输到目的地。它既和原籍网域联系以获得与用户有关的数据和业务，也和 传输网域联系获得与用户无关的数据和业务。 t d s c d m a 和w c d m a 都采用第二代移动通信的g s mm a p 核心网，以后逐步 向全i p 网络发展。这样是为了实现网络的平滑过渡，保护已有投资。 核心网 芸冯 一， 一一一 电路交换域( c s ) n 五刖一、 、 、 | 分组交换域( p s ) ，_ 。 l n 硪8 r n 。f 5 - - 划广播域( b c ) l 竺竺! r i u 接1 ：3 图2 3 核心网分类示意图 r ，4 版本的核心网从逻辑上可分为电路交换域( c s ) 、分组交换域( p s ) 和广 播域( b c ) ，分别处理电路交换业务、分组交换业务和广播组播业务。c s 域处理传 统的电路交换业务，每次通信需占用一些资源建立一条专用链路，比如语音业务； p s 域处理分组交换业务，不需要建立专用链路，每个分组自己寻找路由。其中p s 域的实体主要包括以下两个部分： ( 1 ) 服务g p r s 支持节点( s g s n ) 。s g s n 主要完成分组的路由寻址和转发，负 责跟踪记录移动台的位置信息，执行安全性功能。具有网络接入控制、用户数据 管理以及计费、网络管理等功能。s g s n 在p s 域中的地位类似于c s 域的m s c v l r 。 r 2 ) 网关g p r s 支持节点( g g s n ) 。g g s n 起网关作用，主要完成移动性管理、 路由选择和转发、计费数据的收集和传送，以及网络管理等功能。可以和多个不 同的分组网相连，实现和外部分组交换网的互联功能，完成不同网络之间的数据 格式、信令协议和地址信息的转换，以确保不同网络之间能够通信。 1 0 堕! ! 兰些_ 大堂堡主掌健堕童第二章t d s c d m a 网络结构和无线接口协议 2 1 2u t r a n 的基本结构 u t r a n 是第三代移动通信网络中的无线接入网部分，其结构如图2 4 所示。 u t r a n 包含一个或几个无线网络子系统( r n s ) 。一个r n s 由个无线网络控制 器( r n c ) 和一个或多个基站( n o d eb ) 组成。r n c 和c n 之间通过i u 接口连接， n o d eb 和r n c 通过u b 接口连接。在u t r a n 内部，无线网络控制器( r n c ) 之间 通过i u r 互联，i u r 可以通过r n c 之间的直接物理连接或通过传输网连接。r n c 用来 分配和控制与之相连或相关的n o d eb 的无线资源，n o d eb 则完成i u b 接口和u u 接口 之间的数据流的转换，同时也参与一部分无线资源管理。 c n d - l u l l 。 u t i t a ：n n 一叫 图2 4u t r a n 结构示意图”1 ( 1 ) 无线网络控制器 r n c ( r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ，无线网络控制器) 用于控制u t 黜州的无线 资源。它通过i u 接口与电路域的m s c 和分组域的s g s n 以及广播域设备相连，在移 动台和u t r a n 之间的无线资源控制协议( r r c ) 在此终止。它在逻辑上对应g s m 网络中的基站控制器( b s c ) 。控制n o d eb 的r n c 称为该n o d eb 的控制r n c ( c r n c ) ，c r n c 负责对其控制的小区的无线资源进行管理。 如果在一个移动台与u t r a n 的连接中用到了超过一个r n s 的无线资源，那么 这些涉及的i 出s 可以分为： 服务r n s ( s r n s ) ：管理u e 和u t r a n 之间的无线连接。它是对应于该u e 的 i u 接口( u u 接口) 的终止点。无线接入承载的参数映射到传输信道的参数，是 否进行越区切换，开环功率控制等基本的无线资源管理都是由s r n s 中的s r n c ( 服务r n c ) 来完成的。一个与u t r a n 相连的u e 有且只能有一个s r n c 。 漂移r n s ( d r n s ) ：除了s i 州s 以外，u e 所用到的r n s 称为d r n s 。其对应的 西北业大学硕士学位论文 第二章t d - s c d m a 网络结构和无线接口协议 r n c 则是d r n c 。一个用户可以没有，也可以有一个或多个d r n s 。 通常在实际的r n c 中包含了所有c r n c 、s r n c 和d r n c 的功能。 ( 2 ) 基站 n o d eb 是u m t s 系统的基站，即无线收发信机，通过标准的i u b 接口和r n c ：e 连，主要完成u u 接口物理层协议的处理。它的主要功能是扩频、调制、信道编码 及解扩、解调、信道解码，还包括基带信号和射频信号的相互转换等功能。同时 它还完成一些如内环功率控制等的无线资源管理功能。它在逻辑上对应于g s m 网 络中的b t s 。 n o d eb 由下列几个逻辑功能模块构成：r f 收发放大、射频收发系统( t r x ) 、 基带部分( b a s eb a n d ) 传输接口单元、基站控制部分。如图2 5 所示 2 2 无线接口协议 2 2 1 概述 图2 5n o d eb 的逻辑组成框图 无线接口指用户终端和接入网之间的接口，简称u u 接口，通常也称之为空中 接口。无线接口协议主要是用来建立、重配置和释放各种第三代移动通信无线承 载业务的。不同的无线接1 3 协议使用各自的无线传输技术( r t t ) ，现行的第三代 移动通信系统w c d m a 、t d s c d m a 和c d m a 2 0 0 0 ，它们的主要区别就体现在无 线接口的无线传输技术上。所以，本节主要介绍t d s c d m a 的无线接口协议。 无线接口协议分层结构如图2 6 所示，它分为物理层( l 1 ) 、数据链路层 西北工业大学硕士学位论文 第二章t d s c d m a 网络结构平u