（通信与信息系统专业论文）移动wimax系统的中继选择和切换机制研究.pdf

瞳 i丫iiii11ll17iflll9lljl2liii0lll114iu0llll 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。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发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：波汹。 日 期：a 望z q ：立q 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在 论文作者签名： j i p 山东大学硕士学位论文 目录 摘要1 a b s t r a c t 3 英文缩略语5 第一章绪论8 1 1 论文的选题背景8 1 2 论文的主要工作9 1 3 论文的内容安排l0 第二章w i m a x 技术系列标准l l 2 1w i m a x 技术与标准进展1 2 2 2w i m a x 关键技术分析1 5 2 2 1 正交频分复用与正交频分多址15 2 2 2 多天线技术17 2 2 3 混合自动重传请求( h a r q ) 一18 2 2 4 自适应调制编码_ l9 2 2 5q o s 保证机制。2 0 2 2 6 切换机制2 2 2 3i e e e 8 0 2 16 j 标准介绍2 2 2 3 1i e e e 8 0 2 16 j 标准研究背景2 2 2 3 2i e e e 8 0 2 1 6 j 和i e e e 8 0 2 1 6 e 区别与联系2 5 -2 4 本章小结2 8 第三章i e e e 8 0 2 1 6 j 的中继选择策略研究与改进2 9 3 1 引言2 9 3 2i e e e 8 0 2 1 6 j 移动多跳网络2 9 3 2 1i e e e 8 0 2 1 6 j 的工作场景3 0 3 2 2 移动多跳中继网络的优点3 2 3 3 中继站的关键技术3 2 3 3 1 中继对信号的处理模式。3 2 3 3 2i e e e 8 0 2 16 j 的帧结构一3 3 山东大学硕士学位论文 3 3 3 中继之间的协作方式3 5 3 4 中继站点的选择算法及改进3 5 3 4 1 多跳网络的系统模型3 6 3 4 2 现有的中继节点选择方案。3 7 3 4 3 中继节点选择方案的改进3 8 3 4 4 仿真平台及参数设置一3 9 3 4 5 仿真结果及分析4 0 3 5 本章小结4 l 第四章非最优中继选择策略下的系统性能研究4 3 4 1 系统模型4 3 4 2 系统性能分析4 5 4 3 仿真平台及参数设置4 6 4 4 仿真结果及分析4 7 4 5 本章小结一4 9 第五章i e e e 8 0 2 1 6 j 切换算法的改进5 0 5 1 切换准则5 0 5 2 切换的控制策略5 1 5 3i e e e 8 0 2 16 jm s 切换机制5 2 5 3 1 移动多跳中继传播模型一5 3 5 3 2i e e e 8 0 2 1 6 j 切换模型及改进的切换算法5 5 5 3 3 仿真平台及参数设置5 8 5 4 本章小结6 0 第六章总结与展望6 l 6 1 论文的主要工作总结6 l 6 2 前景与展望6 2 参考文献一6 3 致谢6 8 攻读硕士研究生期间发表的学术论文及研究成果6 9 c o nt e n t s a b s 心a c t ( c l l i n e s e ) 1 a b s t r a c t ( e n 西i s h ) “3 a b b r e v i a t i o i l s ”5 c l l a p t e r1 i n t r o d u c t i o n “8 1 1b a c k 伊d 咖d - 8 1 2m a i nw 6 r k ”9 1 3a r r a n g e m e n to f t h et h e s i s 1 0 c h a _ p t e r2 w i m a x p r o t o c o l s 1 1 2 1a d v a n c e si nw i m a xs t a n d a r d s 1 2 2 2t h ew i m a xk e yt e c h n o l o g i e s ”1 5 2 2 1o f d ma n do f d m a 15 2 2 2m u l t i a n t e n n at e c h n o l o g y 17 2 2 3h a r q “1 8 2 2 4a m c ”l 9 2 2 5q o sm e c h a n i s m s 2 0 2 2 6h a n d 0 1 j f m e c h a n i s m 2 2 2 3i n t r l o d u c t i o nt oi e e e s 0 2 1 6 j 2 2 2 3 1i e e e 8 0 2 1 6 js t a n d a r dr e s e a r c hb a c k g r o u n d 2 2 2 3 2r e l a t i o n sb e t w e e ni e e e 8 0 2 16 ja n di e e e 8 0 2 1 6 e 2 5 2 4s u m m a r y 2 8 c h 印t e r3i m p r o v e m e n t o ni e e e 8 0 2 16 jr e l a ys e l e c t i o n 2 9 3 1i n 缸o d u c t i o n “2 9 3 2i e e e 8 0 2 6 jm m r ”2 9 3 2 1i e e e s 0 2 1 6 jw o r ks c e n e s ”3 0 3 2 2t h ea d v a n t a g e so fm m r n e t w o r k ”3 2 3 3t h ek e yt e c h n o l o g i e so fr e l a y s t a t i o n 3 2 3 3 1t h es i g n a lp r o c e s s i n gm o d e 3 2 3 3 2t h e 仔趾n 1 斟v o 收o fi e e e s 0 2 1 6 j 3 3 n j 山东大学硕士学位论文 _ 目_ _ _ d _ e i _ 冒自皇e g 目e 目! 目_ ! ! ! ! ! ! ! 目! e 自_ g g ! ! ! 自自_ _ 嘟i e 皇自! l 目目- 鼍审 3 3 3c o l l a b o r a t i v ea p p r o a c ha m o n gr e l a ys t a t i o n s 3 5 3 4i m p r o v e dr e l a ys e l e c t i o na l g o r i t h m 3 5 3 4 1m m rn e t w o r km o d e l 3 6 3 4 2r e l a ys e l e c t i o na l g o r i t h ma v a i l a b l e 3 7 3 4 3p r o p o s e dr e l a ys e l e c t i o na l g o r i t h m 3 8 3 4 4s i m u l a t i o np a r a m e t e rs e t t i n g s 3 9 3 4 5s i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i s 4 0 3 5s u m m a r y 4 1 c h a p t e r 4 s y s t e mp e r f o r m a n c er e s e a r c hu n d e rn o n - o p t i m a lr e l a ys e l e c t i o ns t r a t e g y 4 3 4 1s y s t e mm o d e l 4 3 4 2s y s t e mp e r f o r m a n c ea n a l y s i s - 4 3 4 3s i m u l a t i o np a r a m e t e rs e t t i n g s 4 6 4 4s i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i s 一4 7 4 5s u m m a r y 4 9 c h a p t e r5i m p r o v e di e e e 8 0 2 16 jh a n d o f f a l g o r i t h m 5 0 5 1h a n d o f fc r i t e r i a s 5 0 5 2h a n d o f fc o n t r o ls t r a t e g i e s 5 1 5 3i e e e 8 0 2 16 jm sh a n d o f f m e c h a n i s m 一5 2 5 3 1m m rc o m m u n i c a t i o nm o d e l 5 3 5 3 2i e e e 8 0 2 1 6 jh a n d o f f m o d e l 5 5 5 3 2s i m u l a t i o np a r a m e t e rs e t t i n g s 5 8 5 4s u m m a r y 6 0 c h a p t e r6 c o n c l u s i o na n de x p e c t a t i o n 6 1 6 1c o n c l u s i o n 6 1 6 2e x p e c t a t i o n ：6 2 r e f e r e n c e s 6 3 a c k n o w l e d g e m e n t 6 8 p u b l i s h e dp a p e r sa n dr e s e a r c hr e s u l t s 6 9 i v 山东大学硕士学位论文 摘要 无线宽带接入迅速发展的驱动力来自用户对宽带业务的需求。近些年来，各 种无线宽带接入技术( w i f i 、w i m a x 、b l u e t o o t h 、3 g ) 的发展，使人们能够摆 脱电话线的束缚，逐渐从固定走向移动。宽带无线接入技术以其成本低廉、不受 地理环境的约束、支持用户的移动性等优点，将成为解决“最后一公里 接入问 题的重要手段，是目前通信与信息技术领域发展最快的技术之一。 基于i e e e 8 0 2 1 6 系列标准的w i m a x 技术加速了宽带无线网络“最后一公 里 的部署，可以为d s l 或有线宽带接入不能到达地区的用户提供便捷的解决 方案，推动了全球宽带无线接入的发展。w i m a x 能够提供高速的数据业务，并 且具有频谱资源利用率高，覆盖范围大等特点。 下一代移动通信系统支持用户1 0 0 m b i t s - - - 1 g b i t s 的传输速率，如此高的速率 对现有的蜂窝网络结构提出了许多现实的挑战。由于频率资源的紧张，大部分无 线系统都将在大于2 g h z 频段上应用，如此高频段无线电信号的衰减比现有的l 2 g h z 频段要严重的多，小区边缘用户的服务质量就得不到保证。如果继续采取 现有的网络结构将无法适应未来无线应用的要求，而a d h o c 网络则是一利- 利用多 个中间节点多跳转发将报文信息从源节点传递到目的节点实现节点之问通信的 网络。移动多跳中继( m o b i l em u l t i h o pr e l a y ，m m r ) 网络综合了蜂窝网络和 a d h o c 网络的优点，通过负载均衡，路径分集等优势提高网络的抗干扰性，增强 网络的稳健性。 i e e e 8 0 2 1 6 中继任务工作组将中继站的思想引入了i e e e s 0 2 1 6 体系并形成了 新的标准i e e e 8 0 2 16 j 。i e e e 8 0 2 16 j 并不是要建立一种包含多跳能力的m e s h 网络， 而是对支持单跳的8 0 2 1 6 d e 标准的扩展和补充使其拥有多跳通信的能力。通过在 基站信号弱的地区布建成本相对低的中继站r s 作为网络拓展负责将无线信号作 一次或者多次转发，也就是说，无线信号要经过“多跳 才能到达终端。r s 的 引入可以扩大网络覆盖范围，提高数据吞吐量以及降低网络运营的成本等。 在移动通信系统中，切换是系统必不可少的过程，用户在蜂窝覆盖区内移动 时其正在进行的呼叫有可能从一个小区覆盖区转移到另一个小区覆盖区，切换必 山东大学硕士学位论文 须快而有效，否则将会影响用户在小区边界处的体验，而且还可能会对网络造成 一定的负荷，降低系统的总体质量。在i e e e s 0 2 1 6 j 下的移动台m s 可供选择的切 换途径增多，既可以选择切换至某一中继站r s ，或者切换至某一基站b s 。在r s 覆盖范围内，由于m s 的移动性以及r s 较小的覆盖范围，m s 的切换更加频繁， 切换控制更加复杂。 本文研究了在m m r 网络中几种中继站的选择算法，并针对m m r 网络提出 一种基于路径损耗和s i n r 的改进最优中继选择算法与现有算法进行比较，仿真 结果表明了在有效降低系统中断概率和提高网络的稳健性等方面所提方案的优 越性；在某些情况下，由于资源调度或者是中继的负载均衡等原因可能无法得到 最优中继的服务，在这种情况下就应该寻找次优中继或者第n 个最优中继，通 过对非最优中继选择策略下的系统中断性能以及误码率的分析研究了系统的分 集级数与中继数目以及非最优中继n 之间的关系。最后提出了在移动多跳中继 网络中，通过考虑网络服务不同q o s 需求的服务类型对切换门限值和迟滞电平 的调整可以对移动台m s 在多跳中继网络切换的执行进行干预，控制切换的层次 和水平，有效降低不必要的切换次数，降低切换过程的“乒乓效应，大大降低 切换过于频繁引起的服务中断，保证了提供服务的连续性，提高了切换效率。 关键词：中继站；i e e e 8 0 2 1 6 j ；中继选择；路径损耗；切换； 2 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sb r o a d b a n da c c e s sd r i v i n gf o r c ei st h en e e d so f u s e r s b r o a d b a n ds e r v i c e s i nr e c e n ty e a r s ，v a r i o u sw i r e l e s sb r o a d b a n da c c e s s t e c h n o l o g i e s ( w i - f i ，w i m a x ，b l u e t o o t h , 3 g ) e n a b l ep e o p l et os h a k eo f ft h es h a c k l e s o ft e l e p h o n el i n e s ，a n dg r a d u a l l yf r o mf i x e dt om o b i l e b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s t e c h n o l o g y , 谢t l li t s l o wc o s t , w i t h o u tg e o g r a p h i c a l c o n s t r a i n t s ，s u p p o r tf o r u s e r m o b i l i t ya n do t h e ra d v a n t a g e s ，w h i c hw i l lb e c o m et h ei m p o r t a n tm e a n so f ”l a s t m i l e ”a c c e s si s s u e si nc o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi st h ef a s t e s t g r o w i n ga r e a so ft h et e c h n o l o g i e s w i m a xb r o a d b a n dw i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g yb a s e do ni e e e 8 0 2 16s e r i e so f s t a n d a r d sa c c e l e r a t e st h e ”l a s tm i l e ”d e p l o y m e n tf o rd s lo rc a b l ea c c e s si n a c c e s s i b l e a r e a st op r o v i d ec o n v e n i e n ts o l u t i o n sw h i c hp r o m o t e st h eg l o b a lb r o a d b a n dw i r e l e s s a c c e s sd e v e l o p m e n t w i m a xc a np r o v i d eh i g h s p e e dd a t as e r v i c e sa n dh i 曲r e s o u r c e u t i l i z a t i o ni nt h es p e c t r u m , al a r g ec o v e r a g ea r e aa n ds oo n n e x tg 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 mc 觚s u p p o r tu s e r s lo o m b i t s - lg b i t st r a n s f e rr a t e ，s u c hah i g hr a t eo nt h ee x i s t i n gc e l l u l a rn e t w o r ks t r u c t u r em a d e m a n yp r a c t i c a lc h a l l e n g e s a s t h ef r e q u e n c yr e s o u r c ec o n s t r a i n t s ，m o s tw i r e l e s s s y s t e m sw i l lb eg r e a t e rt h a nt h e2 g h zb a n da p p l i c a t i o n s ，s u c hah i g hf r e q u e n c yr a d i o r e s u l t st os i g n a la t t e n u a t i o nb em o r es e v e r et h a nt h ee x i s t i n gl 2 g h zb a n d ，c e l le d g e u s e r sw i l ln o tg e tt h eq u a l i t yo fs e r v i c eg u a r a n t e e s u c han e t w o r kw i l ln o tb ea b l et o a d a p tt of u t u r ew i r e l e s sa p p l i c a t i o n s t h ea d - h o cn e t w o r k sa r em o r ei n t e r m e d i a t e n o d e sb ym e a n so fam u l t i h o pp a c k e to fi n f o r m a t i o nw h i c hw i l lb ep a s s e df r o mt h e s o u r c en o d et od e s t i n a t i o nn o d et oa e h i e v ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h en e t w o r k n o d e s m o b i l em u l t i - h o pr e l a y ( m m r ) n e t w o r ki n t e g r a t e st h ea d v a n t a g e so fc e l l u l a r n e t w o r k sa n da d h o cn e t w o r kt oi n c r e a s en e t w o r ki n t e r f e r e n c ea n de n h a n c en e t w o r k r o b u s t n e s st h r o u g hl o a db a l a n c i n ga n dp a t hd i v e r s i t ya d v a n t a g e s i e e e 8 0 2 16r e l a yt a s kg r o u pi n t r o d u c e dr e l a ys t a t i o ni n t oi e e e s 0 2 16s y s t e m a n df o r m e dan e ws t a n d a r di e e e 8 0 2 16 j i e e e s 0 2 16 jd o e s n te s t a b l i s ham u l t i - h o p m e s hn e t w o r kb u te x p a n d ss i n g l e h o p8 0 2 16 d es t a n d a r d st os u p p o r tt h ec a p a c i t yo f 3 山东大学硕士学位论文 m u l t i h o pc o m m u n i c a t i o n s w e a ks i g n a li nan e t w o r kg ot h r o u g h ”m u l t i h o p ”t or e a c h t h ee n db yr e l a ys t a t i o n r sc a ne x p a n dt h en e t w o r k c o v e r a g e ，i n c r e a s e d a t a t h r o u g h p u ta n dr e d u c en e t w o r ko p e r a t i n gc o s t s i nt h em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h eu s e rm o v e si nt h ec e l l u l a rc o v e r a g e a r e aa n di t so n g o i n gc a l lm a yb et r a n s f e r r e df r o mo n ec e l lc o v e r a g ea r e at oa n o t h e r c e l lc o v e r a g ea r e a h a n d o f fs h o u l db eq u i c k l ya n de f f e c t i v e l y , o t h e r w i s ew i l la f f e c t t h eu s e re x p e r i e n c ei nt h ed i s t r i c tb o u n d a r i e s ，b u ta l s om a yc a u s ec e r t a i nn e t w o r kl o a d a n dr e d u c et h es y s t e m 。so v e r a l lq u a l i t y m o b i l es t a t i o nu n d e rt h ei e e e 8 0 2 16 jh a s m u c hc h o i c eo fh a n d o f fm e a n s ，t h eo p t i o nt os w i t c ht oar e l a ys t a t i o no rs w i t c ht oa b a s es t a t i o n w i t h i nt h ec o v e r a g ea r e ao ft h er s ，m ss w i t c hm o r ef r e q u e n t l yb e c a u s e o fm s sm o b i l i t ya n dl e s sc o v e r a g eo ft h er s ，h a n d o f fc o n t r o lw i l lb em o r ec o m p l e x i nt h i sp a p e r , s e v e r a lr e l a ys t a t i o ns e l e c t i o na l g o r i t h m si nt h em m r n e t w o r k sa r e r e s e a r c h e d ，a n dw ep r o p o s ei m p r o v e do p t i m a lr e l a ys e l e c t i o na l g o r i t h mb a s e do np a t h l o s sa n ds i n rw h i c ha r ec o m p a r e d 、j v i t l le x i s t i n ga l g o r i t h m s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h es y s t e mi sr e d u c e dd i s r u p t i o np r o b a b i l i t ya n di m p r o v et h er o b u s t n e s so ft h e n e t w o r k i ns o m ec a s e s ，d u et or e s o u r c es c h e d u l i n go rl o a db a l a n c i n ga n do t h e r r e a s o n sm sm a yn o tg e tt h eb e s tr e l a ys e r v i c e s i nt h i sc a s e ，w es h o u l dl o o kf o r s e c o n d - b e s tr e l a yo rt h en t h - - b e s tr e l a y , a n dw er e s e a r c ht h es y s t e mp e r f o r m a n c es u c h a si n t e r r u p t i o na n db i te r r o rr a t ep e r f o r m a n c eu n d e rt h en t h b e s tr e l a ys e l e c t i o n s t r a t e g y f i n a l l y , i nt h em o b i l em u l t i - h o pr e l a yn e t w o r k ，w ep r o p o s ea ni m p r o v e d h a n d o f fa l g o r i t h mt oa d j u s t m e n tm sh a n d o f f p r o c e d u r eo nt h eh a n d o f ft h r e s h o l da n d h y s t e r e s i sl e v e lb yc o n s i d e r i n gq o sr e q u i r e m e n t so fd i f f e r e n ts e r v i c et y p e s t h i s h a n d o f f a l g o r i t h me f f e c t i v e l yi m p r o v e s t h eh a n d o f f e f f i c i e n c y , r e d u c e s t h e u n n e c e s s a r yh a n d o i f , r e d u c e st h eh a n d o f f ”p i n g p o n g ”e f f e c ta n dg r e a t l yr e d u c e st h e h a n d o f fs e r v i c ei n t e r r u p t i o n st oe n s u r ec o n t i n u i t yo fs e r v i c e s k e yw o r d s ：r e l a ys t a t i o n ；i e e e s 0 2 16 j ；r e l a ys e l e c t i o n ；p a t hl o s s ；h a n d o f f 4 山东大学硕士学位论文 英文缩略语 3 g3 一g e n e r a t i o ni nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m第三代移动通信技术 3 g p p3 一g e n e r a t i o n p a r t n e r s h i pp r o j e c t 3 g p p 23 阿g e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t2 16 q a m16 - s t a t eq u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n 6 4 q a m6 4 - s t a t eq u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n a a s a d a p t i v ea n t e n n as y s t e m a f r s a m p l i f y - - a n d f o r w a r dr e l a ys t a t i o n a i ea i ri n t e r f a c ee v o l u t i o n 灶a u t o m a t i cl i n kt r a n s f e r a m c a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g 心a c c e s sp o i n t a r q a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t a t m a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e b eb e s t e 肋r t b e rb i te r r o rr a t e b p s k b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g b sb a s es t a t i o n b w ab r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s c i dc o n n e c t i o ni d e n t i f i e r s c p sc o m m o np a r ts u b l a y e r c s c o n v e r g e n c es u b l a y e r d c d d o w n l i n kc h a n n e ld e s c r i p t o r 第三代合作伙伴计划 第三代合作伙伴计划2 1 6 进制正交幅度调制 6 4 进制正交幅度调制 自适应天线系统 放大转发中继站 空中接口演进 自动链路转移 自适应调制编码 接入点 自动重传请求 异步传输模式 尽力而为服务 误比特率 二进制相移键控 基站 宽带无线接入 连接标识符 公共部分子层 汇聚子层 下行信道描述器 5 山东大学硕士学位论文 i _ e _ e ! 目! ! 皇! ! ! 自! ! _ i _ _ _ _ _ _ - 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