（计算机应用技术专业论文）cdma网络中高速实时流越区切换算法的研究.pdf

摘篮 摘要 随着移动通信技术的发展，在即将到来的3 g 时代，高速实时多媒体数掘业 务将成为移动通信网络业务中最重要的组成部分。因此。对这类数掘流的越区切 换进行研究具有卜分重要的意义。数据流越区切换是移动蜂窝通信系统所独有的 功能，也是移动通信系统的上要特征，三经成为增加系统容龟和提高通信质铤的 关键技术。在移动网络的端到端服务质适管理中，系统越区切换阻塞率足一项非 常重要的q o s 指标。如何降低切换连接的阻塞率，同时更加有效地利用系统资 源，一直足无线网络服务质量管理和资源管理的一个重要问题。 本文首先介绍了目前在第二代移动通信网络当中常用的几种切换算法，并对 这些算法的优势和存在的弊端进行了详细分析，发现资源预留粒度的大小会直接 影响传统信道预留算法的性能。针对这一问题，本文提出了一种基于m m n 排 队过程瞬态解的动态信道资源预留算法。利用对实际越区切换阻塞率的统计来动 态调节系统的切换阻塞率指标；并通过对朱来一定时日j 内的越区切换阻塞率的预 测，来对系统内部新增呼叫进行准入控制，可以在一定程度上弥补预留粒度对算 法性能的影响。 文章还介绍了c d m a 系统软切换的过程和特点，并分析了c d m a 网络容量 的随机性和突发性。利用这些成果，通过对小区中不同状态的数据流所占用资源 情况的概率分析，分别提出了在软切换条件下以及软容量情况下的高速实时流越 区切换动态资源预留算法。由于对软切换区域中移动台的运动模式进行了比较准 确的预测，使得在系统动态调节预留资源时比硬切换条件下拥有更低的内部接入 阻塞率和更高的系统资源利用率。 为了保证一定的切换阻塞率指标，同时能够满足数据流的其它服务质量要 求，本文还对高速网络中数掘流的性质进行了详细的分析和研究。并针对数据流 自相似的特性发展了n o r r o s 的排队模型，提出了一种重尾间隔o n o f f 流随机 接入的准入控制方案。在此基础上，提出了一种自相似数掘流的越区切换的动态 资源预留算法，这个算法同时考虑了系统切换阻塞率要求和数据流的长相关特 性。 本文还时所提出数掘流越区切换算法进行了大量的仿真实验，在实验中对系 统模型进行了合理的假设，藿点在系统越区切换阻摩；蕃、内部接入阻塞率以及系 统资源利用率等e 耍性能指标上同传统的算法进行了大量的对比分析，证明了 本文提出算法的有效性。 关键词：越区切换：瞬态解：准入控制；自相似；重尾分伽；软容量 c d m a 刚绪中盎速实时洫越区切换并法的研究 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o f m 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 ，h i g h s p e e d r e a l t i m em u l t i m e d i as e r v i c ew i l lb e c o m et h em o s ti m p o r t a n tp a r to fm o b i l en e t w o r k s e r v i c e si nf o r t h c o m i n g3 gt i m e s s o ，r e s e a r c h i n gi nt h eh a n d o f fo ft h i sk i n do fd a t a f l o wi sv e r ym e a n i n g f u l h a n d o f fi s ap a r t i c u l a rf u n c t i o na n da p r i m a r y c h a r a c t e r i s t i co f m o b i l ec e l ls y s t e m i th a sb e c o m eak e yt oi n e r e a s es y s t e mc a p a c i t y a n di m p r o v ec o m m u n i c a t i o nq u a l i t y i ne n d t o e n dq u a l i t yo fs e r v i c em a n a g e m e n to f m o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k t h eh a n d o f fb l o c kr a t ei sav e r yi m p o r t a n ti n d i c a t o r h o wt or e d u c eh a n d o f fd r o pr a t ea sw e l la st ou t i l i z es y s t e mr e s o u r c ee f f i c i e n t l yi sa p r i m a r yi s s u eo f w i r e l e s sm o b i l en e t w o r kq o sa n dr e s o u r c em a n a g e m e n ta l la l o n g a tf i r s t s e v e r a lh a n d o f fa l g o r i t h m sw h i c ha r eo f t e nu s e di n2 gn e t w o r kh a v e b e e ni n t r o d u c e d t h r o u g he l a b o r a t ea n a l y s i so ft h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t h e s ea l g o r i t h m s ，t h ep a p e rp o i n t so u tt h ef a c t t h a tt h eg r a n u l a r i t yo fr e s o u r c e r e s e r v a t i o nc a ni m p a c tt h ep e r f o r m a n c eo ft r a d i t i o n a la l g o r i t h m s i no r d e rt or e d u c e t h e s ei m p a c t s ，ad y n a m i cr e s o u r c er e s e r v a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt r a n s i e n ts o l u t i o n s f o rm m nq u e u i n gp r o c e s s e sh a sb e e np u tf o r w a r d i nt h ea l g o r i t h m ，t h eh a n d o f f b l o c kr a t ei n d i c a t o ri sa d j u s t e di nt e r mo fs t a t i s t i co fr e a lb l o c kr a t e ，a n dt h r o u g h f o r e c a s t i n gt h ef u t u r eb l o c kr a t e ，t h ec a l la d m i s s i o nc o n t r o lo fm o b i l et e r m i n a li n c e l lc a nb ec a r r i e dt h r o u g h t h i sc a nr e d u c et h ei n f l u e n c et ot h ea l g o r i t h m s p e r f o r m a n c ef r o mt h eg r a n u l a r i t yo fr e s o u r c er e s e r v a t i o n t h ep r o c e s sa n dc h a r a c t e ro fs o f th a n d o f fi nc d m as y s t e mh a v e b e e n i n t r o d u c e d ，a n dr a n d o m i c i t ya n db u r s to fc d m as y s t e mc a p a c i t yh a v eb e e na n a l y z e d a c c o r d i n gt oa n a l y z i n gp r o b a b i l i t yo fu s i n gr e s o u r c eo ft h ef l o wi nd i f f e r e n ts t a t ei n c e l l ，ah i g h s p e e df l o wr e s o u r c er e s e r v a t i o nd y n a m i ch a n d o f fa l g o r i t h mh a sb e e np u t f o r w a r d b e c a u s et h em o v em o d eo fm o b i l et e r m i n a l si ns o f th a n d o f fa r e ah a sb e e n f o r e c a s t e de x a c t l y , t h i sa l g o r i t h mc a nm a k es y s t e mh a v el o w e ro r i g i n a lc a l lb l o c k r a t ea n dh i g h e rr e s o u r c eu s i n gr a t et h a nw h i c hi nh a r dh a n d o f fc o n d i t i o n i no r d e rt oa s s u r ef l o wq o sr e q u e s tw h e na s s u r i n gs y s t e mh a n d o f fb l o c kr a t e l o w e re n o u g h t h ep r o p e r t yo ff l o w si nh i g h s p e e dn e t w o r kh a sb e e na n a l y z e da n d i n v e s t i g a t e de l a b o r a t e l y a n dt h es e l f - s i m i l a r l yf l o wq u e u i n gm o d e lo fn o r r o sh a s b e e ne x p a n d e d ac a l la d m i s s i o nc e n t r e ls c h e m eo fr a n d o ma c c e s so n 一1 3 l f ff l o w s w h i c hh a v eh e a v y t a i ld i s t r i b u t i o na l t e r n a t i o nh a sb e e nb r o u g h tf o r w a r d o nt h i s c o n d i t i o n 。as e l f - s i m i l a r l yf l o wr e s o u r c er e s e r v a t i o nd y n a m i ch a n d o f fa l g o r i t h mh a s b e e np u tf o r w a r d t h i sa l g o r i t h mh a st a k e nb o t hs y s t e mh a n d o f fb l o c kr a t ei n d i c a t o r a n dl o n g r a n g ed e p e n d e n c eo ff l o wi n t oa c c o u n t a b s t r a c t i nt h er e s e a r c h i n go fh a n d o f fa l g o r i t h m s ，l o t so fs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sh a v e b e e nc a r r i e do u t ，w i t hr e a s o n a b l ea s s u m p t i o n so fs y s t e mi n f r a s t r u c t u r e ，e s p e c i a l l y t h em a i nc a p a b i l i t yp a r a m e t e r s ，s u c ha sh a n d o f fb l o c kr a t e ，o r i g i n a lc a l lb l o c kr a t e a n dr e s o u r c eu s i n gr a t e t h r o u g hc o m p a r i n gw i t ha l g o r i t h m so f t e nu s e da tp r e s e n t ， t h ea v a i l a b i l i t ya n da d v a n t a g eo ft h ea l g o r i t h m sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e rh a v eb e e n p r o v e d k e y w o r d s ：h a n d o f f , t r a n s i e n ts o l u t i o n s ，c a l la d m i s s i o nc o n t r o l ，s e l f - s i m i l a r i t y , h e a v y t a i ld i s t r i b u t i o n ，s o f tc a p a c i t y c d m a 刈络中岛逮实时洫越区切换算i 上的研究 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图目录 非优先权越区切换方案的系统模型1 3 推优先权方案系统状态转换图1 4 信道预留越区切换方案的系统模型1 5 信道预留方案系统状态转移图1 5 切换请求排队方案的系统模型1 6 图2 6 越区切换请求排队方案系统状态转移图1 7 图2 7 越区切换请求和内部呼叫请求排队方案系统模型1 8 图2 8 越区切换请求和内部呼叫请求排队方案状念转移图1 9 图2 9m m o o 系统状态转移图2 1 图2 1 0 动态信道预留切换算法的系统模型2 4 图2 1 1 静态信道预留算法的信道占用情况图2 6 图2 1 2 动态信道预留调节算法的信道占用情况图2 6 图2 1 3 动态信道预留调节算法与静态预留算法的越区切换阻塞率比较图2 7 图2 1 4 动态信道预留调节算法与静态预留算法的内部接入阻塞率比较图2 7 图2 1 5 动态信道预留调节算法与静态预留算法的资源利用率比较图2 8 图2 1 6 不同内部接入强度下两种算法的资源利用率比较图2 8 图2 1 7 不同内部接入强度下的两种算法切换阻塞率比较图2 9 图2 1 8 不同内部接入强度下两种算法的内部接入阻塞率比较图2 9 图2 1 9 不同切换请求强度下两种算法的切换阻塞率比较图3 0 图2 2 0 不同切换请求强度下两种算法的内部呼叫阻塞率比较图3 0 图2 2 l 不同切换请求强度下两种算法的资源利用率比较图3 1 图2 2 2 不同切换阻塞率指标下两种算法的切换阻塞率比较图3 1 图2 2 3 不同切换阻塞率指标下两种算法的内部接入阻塞率比较图3 2 图2 2 4 不同切换阻塞率指标下两种算法的资源利用率比较图3 2 图2 2 5 不同系统容量下两种算法的切换阻塞率比较图3 3 图2 2 6 不同系统容量下两种算法的内部接入阻塞率比较图3 3 图2 2 7 不同系统容量下两种算法的资源利用率比较图3 4 图3 1 软切换模型3 7 图3 2 软切换过程图3 9 图3 3c d m a 小区中各区域分布图4 2 图3 4移动台在切换区域中驻留时间概率分布拟合图5 2 图3 5 切换阻塞率比较图5 4 图3 6 内部接入阻塞率比较图5 4 图3 7 平均资源利用率比较图5 5 v i i i 日录 图3 8 不同切换区域宽度下的越区切换阻塞率比较图5 6 图3 9 不同切换区域宽度下的内部呼叫阻塞率比较图5 6 图3 1 0 不同切换区域宽度下的系统平均资源利用率比较图5 7 图3 1 l 不同方向持续时1 8 j 参数下移动台在切换区域中的驻留时日j 分布拟合图5 8 图4 1真实网络流量、传统模型生成流量与自相似 模型生成流量比较图6 2 图4 2m n 模型下用户接入状念转移图7 l 图4 3 随机接入情况下系统中数据流的数量7 4 图4 4 固定流数量条件下系统队列中数据包数量7 4 图4 5 随机接入情况下系统队列中数掘包数量7 5 图4 6 随机接入情况下系统数掘流发包的r s 图7 5 图4 7 固定流数量条件下系统数掘流发包的r s 图7 6 图4 8 两种接入条件下系统丢包率对比图7 6 图4 9自相似条件下动态预留算法越区切换阻塞率图8 3 图4 1 0 自相似条件下动态预留算法内部呼叫阻塞率图8 3 图4 1 1 自相似条件下动态预留算法平均资源利用率图8 4 图4 1 2 自相似条件下动态预留算法系统丢包率图8 4 图4 1 3 考虑数据流自相似性与单纯考虑数据流占空比时算法的 切换阻塞率对比图8 5 图4 1 4 考虑数据流自相似性与单纯考虑数据流占空比时算法的 内部呼叫阻塞率对比图8 5 图4 1 5 考虑数据流自相似性与单纯考虑数据流占空比时算法的 资源利用率对比图8 6 图4 1 6 考虑数据流自相似性与单纯考虑数据流占空比时算法的 系统丢包率对比图8 6 图5 1 a i 仿真中采用的小区群9 8 图5 2 周围小区产生的多址干扰9 9 图5 3 周围小区多址干扰的r s 图1 0 0 图5 4中心小区相应的容镊变化图1 0 0 图5 5 越区切换阻塞率1 0 l 图5 6 内部接入阻塞率1 0 2 图5 7 平均资源利用率1 0 2 图5 8 系统丢包率1 0 3 c d m a 网络中扇速实时流越随切换算法的研究 表目录 衷2 1 仿真参数表3 4 表3 1c d m a 2 0 0 0l x 系统中不同等级的速率集4 z 表6 1 不同类型数据流相应数量所需的最小资源量衷1 0 7 x 声明 本人声明所呈交的论文足我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。就我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 作者躲挑瑞嘞，7 加 关于论文使用授权的说明 、1 中国科学院计算技术研究所有权处理、保留送交论文的复印件，允许论 文被查阅和借阅；并可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印 或其它复制手段保存该论文。 作者签名：妣臣枷师签名：书形日期：眇谚 、； 第一章结论 第一章绪论 1 1 课题的背景、目的和意义 1 1 1 移动通信的发展 科学技术的进步加快了社会的信息化步伐，没有信息的传递和交流人们就无 法适应现代化的快节奏的生活和工作。移动通信在这种大背景下也得到了迅猛的 发展。 移动通信可以说从无线电通信发明之日起就产生了。1 8 9 7 年，马可尼所完 成的无线通信试验就是在相距1 8 海罩的固定站与一艘拖船之日j 进行的。但是， 现代移动通信技术的发展却丌始于上个世纪2 0 年代。在短短的几十年中，已经 走过了两代历程，目前正在丌始步入第三代。而无线接入多址方式也由最初的频 分复用发展到时分多址和码分多址技术，使得移动网络容量和传输速率都得到了 显著提高，网络的业务种类也随之不断增多。 1 1 1 1 前两代移动通信系统的发展介绍 现代移动通信发展到第二代网络大规模投入商用，大致经历了五个发展阶 段： 第一阶段从上世纪2 0 年代至4 0 年代，为早期发展阶段。在这期间，首先在 短波几个频段上开发出专用移动通信系统，其代表是美国底特律市警察使用的车 载无线电系统。该系统工作频率为2 m h z ，到4 0 年代提高到3 0 4 0 m h z ，这个 阶段是现代移动通信的起步阶段，其特点是专用系统开发。工作频率较低。 第二阶段从4 0 年代中期至6 0 年代初期。在此期间内，公用移动通信业务开 始问世。1 9 4 6 年，根据美国联邦通信委员会( f c c ) 的计划，贝尔实验室在圣路易 斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网，称为“城市系统”。当时使用三个频道， 间隔为1 2 0 k h z ，为单工通信模式。随后，西德( 1 9 5 0 年) 、法国( 1 9 5 6 年) 、英国 ( 1 9 5 9 年) 等国相继研制了公用移动电话系统。美国贝尔实验室完成了人工交换系 统的接续问题。这一阶段的特点是从专用移动网向公用移动网过渡，利用人工接 续，网络容量较小。 第三阶段从6 0 年代中期至7 0 年代中期。在此期日j ，美国推出了改进型移动 电话系统( 1 m t s ) ，使用1 5 0 m h z 和4 5 0 m h z 频段，采用大区制、中小容龟，实 现了无线频道自动选择并能够自动接续到公用电话网。德国也推出了具有相同技 术水平的b 网。这一阶段是移动通信系统改进与完善的阶段，其特点是采用大 区制、中小容量，使用4 5 0 m h z 频段，实现了自动选频与自动接续。 第四阶段从7 0 年代中期至8 0 年代中期这是移动通信蓬勃发展时期。1 9 7 8 年底，美国贝尔试验室研制成功先进移动电话系统( a m p s ) ，建成了蜂窝状移动 通信网，大大提高了系统容量1 9 8 3 年，首次在芝加哥投入商用。同年1 2 月， c d m a 州络中扇速实时洫越区切换算 三的研究 在华盛顿也丌始启用。之后，服务区域在美国逐渐扩大。到1 9 8 5 年3 月已扩展 到4 7 个地区，约1 0 力移动用户。其它几个团家也相继丌发出蜂窝式公用移动通 信网。r 本子1 9 7 9 年推出8 0 0 m h z 汽车电话系统( h a m t s ) ，在东京，大阪、神 户等地投入商用。西德于1 9 8 4 年完成c 网。频段为4 5 0 m h z 。英固在1 9 8 5 年丌 发出全地址通信系统( t a c s ) ，首先在伦敦投入使用，以后覆盖了全圈，频段为 9 0 0 m h z 。法国丌发出4 5 0 系统。加拿大推出4 5 0 m h z 移动电话系统m t s 。瑞典 等北欧四囡于1 9 8 0 年丌发出n m t 一4 5 0 移动通信网，并投入使用，频段为 4 5 0 m h z 。 这一阶段的特点是蜂窝状移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发 展。移动通信大发展的原因，除了用户需求迅猛增加这一主要推动力之外。还有 几方面技术进展所提供的必要条件。首先，微电子技术在这一时期得到长足发展， 使得通信设备的小型化、微型化有了可能性，各种轻便电台被不断地推出。其次， 提出并形成了移动通信新体制。随着用户数量增加，大区制所能提供的容量很快 饱和，这就必须探索新体制。在这方面最重要的突破是贝尔试验室在7 0 年代提 出的蜂窝网的概念。蜂窝网，即所谓小区制，由于实现了频率再用，大大提高了 系统容量。可以说，蜂窝网络的提出真正解决了公用移动通信系统要求容量大与 频率资源有限的矛盾。另外，随着大规模集成电路的发展而出现的微处理器技术 日趋成熟以及计算机技术的迅猛发展，为大型通信网的管理与控制提供了技术手 段。 第五阶段从8 0 年代中期开始。这是数字移动通信系统发展和成熟时期，移 动通信技术也进入了第二代高速发展时期。以a m p s 和t a c s 为代表的第一代 蜂窝移动通信网是模拟系统。模拟蜂窝网虽然取得了很大成功，但也暴露了一些 问题。例如，频谱利用率低，移动设备复杂，费用较高，业务种类受限制以及通 话易被窃听等，最主要的问题足其容量已不能满足同益增长的移动用户需求。解 决这些问题的方法是开发新一代数字蜂窝移动通信系统数字无线传输的频谱利 用率高，可大大提高系统容量。另外，数字网能提供语音、数掘多种业务服务， 并与i s d n 等兼容。实际上早在7 0 年代未期，当模拟蜂窝系统还处于开发阶 段时，一些发达国家就着手数字蜂窝移动通信系统的研究了。到8 0 年代中期， 欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网( g s m ) 体系。随后，荚困和同本也制定了各 自的数字移动通信体制。自从泛欧网g s m 在1 9 9 1 年7 月丌始投入商用以来， 到目前，第二代移动通信系统已经成为陆地公用移动通信的主耍系统。 1 1 1 2 第三代移动通信系统的发展 第三代移动通信的概念早在1 9 8 5 年就由i t u ( 国际电信联盟) 提出了，当 时称为f p l m t s ( 未来公众陆地移动通信系统) 。1 9 9 6 年更名为i m t - 2 0 0 0 ( 国 际移动通信2 0 0 0 ) 移动通信在经历了两代发展后，到了上世纪未，以g s m 网 2 第一帝绪论 络为代表的第二代移动通信系统标准体系已经发展得较为完善。技术也相对成 熟，用户数量高速增长，获得了巨大成功。但与此同时，系统本身的问题也逐渐 显露出来。现有g s m 系统。利用单一时隙可以提供9 6 k b p s 或1 4 4 k b p s 的数据 服务。如果采用时分复用的技术，可以提供1 4 4 k b p s n 的速率，如果n = 4 ， 用户的最高数掘速率可达5 7 6 k b p s 。可见，单纯的时分多址方式不会使网络容 量得到本质的提高。显然，第二代移动通信网络的弊端就是系统容量低，支持的 业务种类单一，所提供的服务不能够适应目前高速数掘和多媒体应用发展的要 求。 为了解决这些矛盾，第三代移动通信的标准化工作开始启动，三代系统的发 展也进入了实质阶段。前两代系统上要面向话音传输，与之相比，三代的主要特 征是提供数据业务，语音只足数据业务的一个应用。i t u 对三代系统的基本要 求是：在室内、步行及车载三种环境下，支持话音和各种多媒体数据业务，实现 高质量、高频谱利用率、低成本的无线传输以及全球兼容的核心网络。其中高速 移动环境支持1 4 4 k b p s ，步行慢速移动环境支持3 8 4 k b p s ，在室内支持2 m b p s 的数据传输速率。i t u 希望三代系统能提供更大的系统容量、更好的通信质量， 而且要能在全球范围内实现无缝漫游，为用户提供包括话音、数据及多媒体等在 内的多种业务，同时也要考虑与二代系统的兼容性，保护用户原有的投资。 经过几年的评估和大量的协调工作，9 9 年底，i t u 通过了i m t 0 2 0 0 0 的无线 接口技术规范，这标志着第三代技术的格局已最终确定，它分为c d m a 和t d m a 两大类共五种技术，由于c d m a 码分多址( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 接 入技术优越的数据业务性能，使得c d m a 接入技术已经成为第三代移动通信的 核心技术。其主流为以下三种c d m a 技术：c d m a d s ( 直序列扩频c d m a ) ， 即w c d m a 或u m t s 。它在宽达5 m 的频带内直接对信号进行扩频；c d m a m c ( 多载波c d m a ) ，即c d m a 2 0 0 0 或c d m a3 x ，由多个1 2 5 m 的窄带直序列扩 频系统组成的一个宽带系统；c d m a t d d ( 时分双工c d m a ) ，我国提出的 t d s c d m a 即属于这种技术。前两种技术属于f d d ( 频分双工) 模式，后一种 属于t d d ( 时分双工) 。f d d 适合大区制的全国系统和对称业务，而t d d 适合 用户密度较高的地区和非对称业务。相比之下，t d d 节约频率资源、成本低， 而f d d 覆盖比较好。预计在三代系统中，二者优势互补，用f d d 提供大区制对 称业务，在城市和近郊使用t d d 系统，其问，用多模终端实现漫游。这几项技 术将在两个国际标准化组织内进行实际的工作：由3 g p p 完成c d m a d s ( w c d m a ) 和c d m a t d d 的标准；由3 g p p 2 完成c d m a m c ( c d m a 2 0 0 0 ) 标准。 目前，3 g 网络已经在日本、韩国等少数国家中丌始商用，预计在未来的几 年黾将是三代系统的高速成长期而目前对三代网络的研究，尤其在网络端到 端服务质量管理方面，仍然有许多问题需要进一步完善。因此，对这些问题的研 3 c d m a 喇络中高速实时流越区切换算法的研究 究仍然具有一定的理论与现实意义。 1 1 2 切换在移动通信中的关键作用 1 1 2 1 切换管理是无线资源管理重要组成部分 随着无线移动网络成为通信基础网络的重要组成部分，严重的带宽限制迫使 设计者将无线移动网络的服务区域分为能够重复使用无线频谱的蜂窝小区。并 且。通过降低蜂窝的大小，可以更好的重复使用资源，这些微蜂窝极大地提高了 系统的容量，特别适用于有大业务垦需求的区域。因此，为了满足对无线通信飞 速增长的需求，从根本上增加业务容量，蜂窝小区被设计得越来越小，正在向微 蜂窝( m i c r o ) 和微微蜂窝( p i c o ) 的方向发展。 尽管进一步分裂蜂窝小区可以获得更大的频率重用，但它也导致了越区切换 更为频繁。切换是当用户在蜂窝小区的覆盖区域中移动时，正在进行的呼叫从一 个小区转换到另一个小区的过程。当移动设备从一个小区移动到另一个小区时， 呼叫需要从一个基站切换到另一个基站。很显然，这样的切换使得造成通话中断 的可能性增大，从而影响蜂窝系统的设计和性能。 由此可见，切换足一个重要的移动管理功能，它是蜂窝系统所独有的功能， 也是移动通信系统的关键特征，已成为追求最大系统容量和提高通信质量的关键 技术，同时作为无线资源管理的一个重要组成部分，对优化和管理系统资源也起 着极为重要的作用。 1 1 2 2 越区切换是网络端到端服务质量管理中的关键技术 服务质量( q o s ) 管理是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。如果 没有这一功能，某些应用系统，比如音频和视频，就不能可靠地一直工作下去。 然而，如果网络只用于特定的没有时间限制的应用系统，比如w e b ，或e - m a i l 设置，就无需考虑这项功能了。 q o s 管理根掘某些关键参数对网络服务质量进行整体衡量。不同的业务需要 不同的q o s 保证，如果是f t p 或e m a i l 业务，对准确率要求较高，而对延时 要求相对较低；如果将网络用于交互式话音和视频，就需要非常小的延时，而对 丢包率要求相对较低。因此，q o s 足指网络在传输数据流时要求满足的一系列服 务请求，具体可以黾化为延迟、抖动、丢包二鍪等性能指标。 如何满足在来来移动通信网络当中各种业务的q o s 一直足学术界研究的热 点问题。在移动通信网络当中，用户的移动性以及无线信号受外界干扰而变化无 常，是区别于有线网络的最主要特点。因此，在移动网络的端到端服务质量管理 中，小区日j 的越区切换阻塞率是一项非常藿要的q o s 指标在进行通信系统的 性能评价时强行中断正在进行的通信要比阻塞新的呼叫更加令人不能容忍，所 以，当用户从一个蜂窝小区向另一个小区进行切换时，需要做出很大的努力来保 4 第一帝绪论 持当前正在进行的通信的连续性。 在多种业务并存的第三代宽带移动网络当中，不同的业务会有不同的服务质 量要求，对不同业务移动用户的切换管理会变得更加复杂。如何减小连接的阻塞 率。同时更加有效地提高系统资源的利用率，是无线网络服务质毽管理和资源管 理的一个重要问题。 1 2 切换方案分类 蜂窝移动通信系统的切换是一个复杂的过程，需要移动台、罄站和移动交换 中，c , , - - 方面的彼此配合、互相协调来实现。不同的蜂窝移动通信系统往往采用不 同的切换方案，切换方案也可以按照不同的形式进行分类。 1 2 1 根据切换的过程同时涉及到的基站数量划分 根据切换的过程同时涉及到的基站数量可以分为硬切换和软切换： 硬切换：硬切换移动台足在与新基站重新建立连接前中断与旧基站的连接， 再在一指定时间内与新基站取得联系。第一代和第二代移动通信系统使用的主要 是硬切换技术，硬切换可以在不同载波之间进行。硬切换比较容易产生掉话，据 以往对蜂窝系统的测试统计，无线信道上9 0 的掉话是在切换过程中发生的。 软切换；软切换是当移动设备从一个小区移动到另一个小区时，不中断呼叫， 移动设备可以同时与两个或更多的基站同时进行连接。软切换只能在相同频率的 信道问进行。它在两个基站覆盖区的交界处起到了业务信道的分集作用。 软切换的优点很多，主要是减少了掉话率以及硬切换的“乒乓效应”，并可 以使上行链路的总干扰减少，从而增加上行链路的容量。虽然软切换较硬切换相 比有诸多优点，但它占用了额外的网络资源、操作复杂并且增加了下行链路的干 扰。 1 2 2 根据切换过程的控制方式划分 根据切换过程的控制方式划分，基本上可以分为以下几类： 网络控制切换( n c h o ) ：这种方案主要用于a m p s 、t a c s 和n m t 等模拟 移动通信系统。在这种方案中，移动台完全处于被动。基站监测移动台当前链路 的质量( r s s i ) ，当发现r s s i 低于门限时，便向移动交换中心发出切换请求， 移动交换中心命令周围的基站对该移动台的r s s i 进行测量，并将测量结果汇总 到移动交换中心，由移动交换中心选择切换的目标基站。n c h o 只允许进行小区 日j 的切换，完成一次切换所需的时日j 为几秒钟。n c h o 的主要缺点是：相邻小区 基站对移动台r s s i 的测量不能经常进行，从而降低了测量精度：而且，为了减 轻网络的信令负担。测量结果的汇报也不能连续发送。因此，影响了切换的性能 网络辅助切换( n a h o ) ：这种方式由移动设备丌始进行切换判决，此判决 c d m a 喇络中岛速实时流越逸切换算法的研究 基于上行链路和下行链路的信号测量。网络通知移动设备有关上行链路的信号测 量。因此，激活的移动设备在网络的辅助下迸行切换判决。使用此方式增加了切 换的可靠性，但代价足增加了移动设备的复杂性和当自口无线链路的信令负载。 移动台控制切换( m c h o ) ：这种方案的典型应用足在d e c t 系统中。在这 种方案中，对切换过程的控制更为分散。移动台与基站均参与测量接收信号的强 度( r s s i ) 和质量( b e r ) 。此时，基站将测鼍结果发送到移动台。对不同基站 r s s i 和空闲信道c i 的测量在移动台处进行。对切换的最终判断是在移动台进 行的。m c h o 既允许小区日j 的切换，也允许小区内的切换。对d e c t 而占，完 成一次切换所需要的时间大约为1 0 0 毫秒。这种方式的优点是可以进行快速的切 换，减小了切换时延、在两个不同的网络之问切换时仞始化简单、更具有灵活性。 缺点足增加了移动设备的复杂性，只基于下行链路条件的判决可能不是可靠的切 换判决。 移动台辅助切换( m a h o ) ：这种方案的典型应用是在g s m 数字移动通信 系统中。在这种方案中，对切换过程的控制比较分散。移动台与基站均参与测量 接收信号的强度( r s s i ) 和质量( b e r ) 。对不同基站r s s i 的测量在移动台处 进行，并以每秒钟两次的速率，将测量结果发送给基站。对切换的最终判断在基 站或移动交换中心进行。m a h o 即允许小区间的切换，也允许小区内的切换。 对g s m 而占，完成一次切换所需的时f b j 大约为一秒钟。它的优点足需要较低的 信令负载并切换的时延较n c h o 小，缺点是增加了移动台的复杂性。 m a h o 和m c h o 的主要区别是：在m a h o 中，切换命令是由基站发往移 动台的：而在m c h o 中，切换则是由移动台判定的。从系统角度出发，分散控 制能够获得较佳的性能。因此，移动台参与及移动台控制的m a h o 和m c h o 的 性能优于集中控制的n c h o 的性能。 1 2 3 依据切换发起的信道不同划分 依据切换发起的信道不同，又可以分为下面两种情形： 后向切换：在g s m 系统中采用了这种方案。切换过程的发起足通过当前通 信信道进行的，在得到控制中心对新的信道分配确认信息之前，不进行任何接入 新信道的操作。这种方案的优点在于：移动台与当前基站的通信链路已建立，因 而，有关切换信令的发送可以在当前信道上进行，不需要为此而建立新的通信链 路。缺点足：若当前信道极度恶化，则无法保证以足够低的误码率来传递信令， 情况严重时会造成通信的中断。 前向切换：与后向切换相反，在前向切换中，切换过程的发起是通过选择目 标罄站的最佳信道进行的通过在移动台与目标基站之日j 建立新的通信链路，来 完成有关切换信令的传递。这种方案的优点足：在当前信道极度恶化的情况下， 仍能够通过与目标基站建立新的通信链路，束保证信令信道和业务信道的畅通 6 第一章绪论 显然，这一优点的重要前提是要求足够高的接入成功率与此相对应的缺点是： 由予系统同步、空闲信道可获得性等因素的影响，这种对目标基站的随机接入可 能会被延迟，并且第一次接入即成功的概率不大。 后向切换的可靠性是建立在当前信道具有较佳性能的基础之上的，因此，更 适用于传统的宏蜂窝系统。然而，在实际移动通信环境中，当前信道的恶化往往 e 常迅速。特别是在微蜂窝系统中，地理情况比较复杂，有时移动台会失去与原 基站之间的视距传播，造成短范围内快速的信号衰落。此时，移动台采用前向切 换，与目标基站建立新的通信链路，具有比后向切换更高的可靠性。 1 2 4 根据多层网络中的网络层次划分 在多层网络中垂直切换与水平切换： 垂直切换：在不同网络之间的路径改变称为垂直切换。当垂直切换到较快的 网络层时，如从微蜂窝到微微蜂窝，可以是无损的；当垂直切换到较慢的网络层 时，有可能会出现数据的损失，新的网络层比当前网络层的速度要低，可能会使 网络连接中断一段时间。 水平切换：在多层网络中，在相同网络内的路径改变称为水平切换。水平切 换通常是当移动设备在两个或多个蜂窝覆盖区域之间进行移动时发生的。除非有 特殊的环境，水平切换应该是数据无损的。 1 3 国内外对切换算法的研究情况 为了避免切换连接阻塞现象的发生，常用的做法是在每一个小区预留部分信 道专门用于越区切换的接入。在第二代移动通信网络中普遍使用了这种方法。这 种方法显然有可能造成一定资源浪费，增加小区内部新增呼叫的阻塞率。但在已 有的g s m 网络当中的应用效果比较好。尽管第二代移动网络带宽较小，传输速 率较低，由于2 g 网络的通信业务是以话音和非实时低速率数据业务为主，高速 实时的视频业务无法在第二代移动通信网络中实现。单纯的实时语音业务要求的 带宽只有8 k b p s - - 1 3 k b p s ，并且在核心网络当中采用电路交换技术，所以尽管会 造成一定的资源浪费，但整体业务量相对于网络容量较小，网络中基本业务的服 务质量是比较容易得到保证的。 随着第二代移动通信网络逐渐被第三代网络所取代，移动通信网络的业务种 类和业务量也开始增多，尤其是高速实时性的多媒体业务，尽管3 g 网络的带宽 和容量都有所增加，但这些业务的传输不单纯在带宽和容量上对3 g 网络提出了 要求，在资源的合理利用和分配上也提出了更高的要求。 c d m a 作为第三代移动通信的核心技术之一采用了宽带