（信号与信息处理专业论文）分布式无线通信系统中网络技术的研究.pdf

北京邮电大学博士学位论文 摘要 摘要 未来的移动通信系统的发展是追求更高的频谱利用率，以解决人们 对带宽的需求和有限的无线资源之间的矛盾。分布式无线通信系统采用 基于分布式天线的宏分集技术，大大提高了系统容量。它突破了传统蜂 窝结构的限制，提出了虚拟小区和虚拟基站的概念，是一个全新的系统 架构。 本论文首先介绍了分布式无线通信系统的产生背景和研究现状，包 括国内的相关研究工作和国外对一些与之类似的系统的研究工作。另外 阐述了当前网络i p 化和移动化的发展趋势，以及业务建模的研究现状。 其次，本论文比较了传统蜂窝系统和分布式无线通信系统的用户发 射功率和反向链路用户容量。为了比较的公平性，两种系统都采用相同 分布的天线，其中分布式无线通信系统对天线重新进行了拓扑连接。经 过理论分析和计算，证明了分布式无线通信系统反向链路容量的优势。 再次，本论文在分析了w c d m a 接入网、全i p 网络结构、m o b i l ei p 等技术的基础上，提出了分布式无线通信系统的网络架构和协议栈，定 义了各网络元素的功能。重点设计了接入层协议一一无线接入控制 ( r a c ) 协议，包括信道、移动节点和处理节点的有限状态机、协议消 息、交互流程。在o p n e t 仿真平台上实现了分布式无线通信系统的仿 真及演示系统。提出了用于克服乒乓效应的基于切换窗的切换算法和在 天线随机分布情况下的动态自适应天线选择及切换算法。 接下来，结合从现有g p r s 网络上采集的实际数据，对h t t p 和w a p 这两种具有代表性的数据业务进行了业务建模。目的是为以后分布式无 线通信系统结合业务层面的研究打下基础，同时也能为当前3 g 网络规 划的实践提供参考。 最后，对全文进行了总结，并对分布式无线通信系统的未来研究方 向给出y ) l 点建议。 关键词：分布式无线通信系统分布式天线 反向链路容量网络结构 接入控制协议切换业务建模 北京邮电大学博士学位论文英文摘要 a b s t r a c t w h a tt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mp u r s u i t si s h i g h e rf r e q u e n c y e f f i c i e n c yt o s e r v et h ei n c r e a s i n gd e m a n do fb a n dw i t h i nl i m i t e dw i r e l e s s b a n d w i d t h d i s t r i b u t e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( d w c s ) e m p l o y s m a c r od i v e r s i t yt e c h n o l o g yb a s e do nd i s t r i b u t e da n t e n n a sa n di m p r o v e st h e s y s t e mc a p a c i t yg r e a t l yi t i sat o t a l l yn e wa r c h i t e c t u r ew i t hv i r t u a lc e l la n d v i r t u a lb a s es t a t i o n ，w h i c ha b a n d o nt h el i m i to ft r a d i t i o n a lc e l l u l a rc o n c e p t f i r s t l y , w ei n t r o d u c et h eb a c k g r o u n do fd w c s a n d t o d a y sr e s e a r c h i n g o ni t ，w h i c hi n c l u d e st h ed o m e s t i cr e s e a r c hw o r ka n ds o m es i m i l a rr e s e a r c h w o r ko f f o r e i g ns c i e n t i s t s f u r t h e r m o r e ，t h ed e v e l o p m e n tt r e n dt o w a r da 1 1 i p n e t w o r kw i t hm o b i l ei pi sd e s c r i b e d ，a n dt h er e s e a r c h i n go nt r a f f i cm o d e l i n g i sd e p i c t e d s e c o n d l y , t h eu s e rt r a n s m i s s i o np o w e ra n dt h er e v e r s el i n kc a p a c i t yo f d w c sa r ec o m p a r e dw i t ht h o s eo ft r a d i t i o n a lc e l l u l a rs y s t e mr e s p e c t i v e l y f o rf a i m e s s ，t h e s et w os y s t e m su s et h es a m es e to fa n t e n n a ，b u td w c s c o n n e c t st h ea n t e n n a sw i t hi t sn e w t o p o l o g y w i t h t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d c a l c u l a t i o n ，i ti sp r o v e dt h a td w c s i m p r o v e ss y s t e mc a p a c i t ye v i d e n t l y t h i r d l y , b a s e do nt h ea n a l y s i so f a c c e s sn e t w o r ka n da l l - i pa r c h i t e c t u r e o fw c d m a ，m o b i l ei p , t h en e t w o r ka r c h i t e c t u r ea n dp r o t o c o ls t a c ko f d w c si sp r e s e n t e d 、a n dt h ef u n c t i o no fn e t w o r ke l e m e n t sa r ed e f i n e d t h e p r o t o c o lo f a c c e s ss t r a t u mn a m e dr a d i oa c c e s sc o n t r o lp r o t o c o li sd e s i g n e d i nd e t a i l 。r a cp r o t o c o li n c l u d e st h ed e f i n i t i o n so fl o g i c a lc h a n n e l f s mo f m o b i l en o d ea n d p r o c e s s i n gn o d e ，m e s s a g e a n di n t e r a c t p r o c e s s i n g p r o c e d u r e as i m u l a t i o n a n dd e m os y s t e mo fd w c si s i m p l e m e n t e di n o p n e ts i m u l a t i o np l a t f o r i l l i na d d i t i o n ，ah a n d o v e ra l g o r i t h mb a s e do n h a n d o v e rw i n d o wi sp r e s e n t e dt oo v e r c o m e t h e p i n g - p a n g ”e f f e c t m o r e o v e r 、 w eg i v ea na d a p t i v ea l g o r i t h mf o ra n t e n n ac h o o s i n ga n dh a n d o v e ri nt h e c o n d i t i o no fr a n d o ma n t e n n al o c a t i o n f o u r t h l y , t h et r a f f i cm o d e l o fh t t pa n dw a ps e r v i c ei sp r e s e n t e db a s e d o nt h e a n a l y s i s o ff f a c ef i l ef r o mg p r sn e t w o r k i ti st h ef o u n d a t i o no f r e s e a r c h i n g o nd w c sw i t h a p p l i c a t i o n sa n d i tc a nb eu s e da st h er e f e r e n c et o i i 北京邮电大学博士学位论文英文摘要 n e t w o r k p l a n n i n ga n do p t i m i z a t i o no f 3 g f i n a l l y , t h ew h o l ep a p e r i ss u m m a r i z e d ，a n ds o m ei d e a sa b o u tt h ef u t u r e r e s e a r c ho nn e t w o r k t e c h n o l o g i e so fd w c s a r ep u tf o r w a r d k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，d i s t r i b u t e da n t e n n a ， r e v e r s el i n k c a p a c i t y , n e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，r a d i oa c c e s sc o n t r o l p r o t o c o l ， h a n d o v e r , t r a f f i cm o d e l i n g 独创性说明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位或 沦文而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 签名：验 日期：僻年7 月弓日 关于论文使用授权的说明 本论文作者完全了解北京邮电大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构交送论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。本人授权北 京邮电大学可以将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、缩印或扫描等复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 虢型i 柳虢避塑嗍一年7 月日 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 移动通信发展现状 第一章绪论 近些年来，通信技术的飞速发展给人们的生活和工作带来了极大的方便。以光 纤网络为主流的物理传输网络构成了通信网络的基础，光纤技术的发展大大提高了 数据传输的速率；a t m d 等网络互联和交换技术的发展极大地促进了广域网的建设 进程。w e b 、e m a i l 等多种数据业务、多媒体业务的蓬勃发展使得通信不再局限于语 音，使得通信的应用更多样化，从而也增加了对带宽的需求。蜂窝移动通信、卫星 通信等无线传输技术使通信获得了移动的自由，满足了人们随时随地都可以进行通 信的愿望。但是，无线接入网的传输速率远远低于光纤的传输速率，成为传输上的 瓶颈。因此，发展高速无线接入网是十分必要的。 2 g 蜂窝移动通信技术以g s m 技术为代表，主要采用t d m a 方式：3 g 蜂窝移 动通信技术以w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 为代表，采用c d m a 方式。3 g 蜂窝网络容量相对于2 g 蜂窝网络的容量和传输带宽有明显的提高。而2 g 3 g 蜂窝 网络都是采用集中式处理结构。为了提供系统容量和性能，小区结构正在向微微小 区、多层小区、智能小区方向发展。但是小区分裂对系统容量的提高是有限的，所 以这种传统的蜂窝结构限制了系统容量的提高。为了支持各种数据业务和多媒体业 务，无线传输的主要发展趋势是追求高速率、高效率，无线网络结构方面则趋于与 i n t e m e t 融合，走m 化的发展方向。但是无线通信未来发展的瓶颈仍然是如何更充分 和更经济地利用有限的时间、频率、码字和空间资源，以提供更高的频谱效率和传 输速率。因此如何提高无线通信系统的容量成为目前无线通信领域的一个重要研究 课题。 另外，从单一的话音业务到多媒体数据业务的演进是移动通信系统发展的必然 趋势。2 g 网络主要以电路交换的话音业务为主，而3 g 网络通过分组交换承载多种 不同q o s 的业务，包括话音业务和多媒体数据业务。无线通信系统是一个资源受限 的系统，因此，合理地规划网络、有效地利用资源就显得更加重要。了解业务的特 性、建立准确的业务模型对现有2 g 3 g 网络的规划和诸如分布式无线通信系统这样 的新型无线通信系统的设计都有重要的意义。 1 2 分布式无线通信系统的发展 清华大学和北京邮电大学在国家自然科学基金立项时提出了分布式无线通信系 北京邮皂大学博士学位论文 第一章绪论 统的概念。分布式无线通信系统是基于分布式天线、分布式光纤、分布式处理和分 布式网络的一种新型的无线信息系统，如图1 - 1 所示。它突破了传统小区以基站为中 心的结构，采用以用户为中心的结构3 1 。 分布式天线 w 天线 。处理节点 o 网络节点 图1 - 1 分布式无线通信系统的逻辑图 分布式天线发送和接收来自用户的无线射频信号。在未来移动通信中往往都采 用比较高的频段，这使得无线信号的传播距离很短。因此要实现对某令区域的无缝 覆盖就需要很多的天线。这就要求天线的结构要简单，从而能有效地降低天线成本， 适于大规模使用。又考虑到复杂的处理会损失信息量，所以在天线只对无线信号进 行功率放大、光电转换等最简单的功能。 分布式光纤传输系统完成蜂窝式天线和分布式处理系统之间的信号传输。从功 能上来看，分布式光纤传输系统相当于空中传输的延续，但是它基本上不降低信号 质量。副载波光纤技术可以用厘米、毫米波段的模拟副载波信号直接对光信号进行 强度调制。不同用户的信号可以采用a m 、f m 、f s k 、p s k 等多种形式调制到副载 波上，副载波以频分的形式进行复用1 4 j 。1 9 9 1 年t s c h u 和m j g a i n 提出了一种光 纤微蜂窝无线系统，它采用副载波光波技术传输分布式天线和基站之间的射频信号 5 1 。多个天线和基站之间的信号传输需要采用多路复用技术，这也是降低传输成本的 关键。1 9 9 3 年，r o h m o t o 等人提出了光纤微蜂窝无线系统的频谱传送交换机( s d s ) ， 解决了多用户多天线时的副载波复用问题【6 】。1 9 9 8 年，k i t a y a m a k ，等人实现了6 0 g h z 的光波微波无线试验系统【7 】。由此可见，副载波光波技术是实现用光纤来传输分布 式天线的射频信号的有效手段。图l - 2 给出了用副载波光波技术实现分布式天线和分 2 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 布式光纤传输系统的参考结构。天线接收的射频信号作为副载波直接调制光信号。 图1 2 分布式天线和分布式光纤传输结构 分布式处理系统完成最后的处理，如变频、调制解调、匹配接收机、信道编译 码等。由于分布式系统在地域上本身就有分布的特点，因此可以通过划分处理区域 的方法减少单个处理节点的复杂度，使得系统可以以模块化的方法扩充。当然为了 实现逻辑意义上的集中处理，每个处理节点之间的信息传输也是必要的。因此，从 信号处理子系统的角度看，它也是一个由高速光纤网络连接起来的并行分布式处理 网络。同时，这里所说的并行处理还包括在每一个处理节点上将所分配的任务按并 行处理的方式执行。这实际上就是一个基于处理单元网络和处理节点网络的软件无 线电系统。处理节点之间相互通信，还可以协调工作任务，共同完成物理层和链路 层的功能。 分布式网络的功能相当于传统无线通信网络中的核心网络。网络节点分布在不 同的地理位置上，甚至可以是i n t e r n e t 网络的节点。网络节点主要完成数据交换、路 由、安全认证以及相关数据访问等功能。当引入移动p 后，分布式网络还需要承担 代理服务器的功能。分布式网络可以采用t c p i p 协议进行数据传输，取代传统的建 立在七号信令网上的m a p 协议和i s 一4 l 协议，从而能够和i n t e m e t 更好地结合，最 终完成与i n t e m e t 的融合，称为i n t e r n e t 的一部分。这也是目前3 g 核心网的演进方 向，即构成全业务全球核心网。 分布式无线通信系统摒弃了传统的以基站为中心的蜂窝小区的概念，而使用以 用户为中心的虚拟小区的概念。用户根据一定的准则选择一个或多个天线进行通信， 这个天线集合就是该用户的虚拟小区，如图1 - 3 所示。当用户移动时，用户的虚拟小 区也随之移动。相应地，分布式无线通信系统中采用以用户为中心的分布式接收、 3 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 发送，各计算单元分别负责一部分天线信号的处理，包括信号的调制解调，编码 译码等。传统的中心处理基站也由虚拟基站代替。分布式处理系统根据用户虚拟小 区的位置，网络负荷等因素分配相应的处理计算单元构成虚拟基站，对分布式光纤 传输来的各天线接收的用户信号进行相应的处理。另外，在d w c s 中，分布式节点 相互协调完成无线信号和数据的处理，显然这需要在节点之间建立高速率和高质量 的通信机制。虚拟隧道的基本思想是在高速的有线网络上建立虚拟连接，使得节点 之间能够有效地进行点到点通信。节点通过虚拟隧道的形式对物理光纤连接进行复 用a 一个虚拟隧道有一个或多个光纤链路组成，在连接过程中，光纤链路可能发生 变化。虚拟隧道分为两种：一是分布式处理网络中的虚拟隧道，传送r f 信号；二是 分布式核心网络中的虚拟隧道，传送网络层数据。虚拟隧道主要解决d w c s 高速数 据传输和移动管理问题。 a u ：天线单元m n ：移动节点 图i - 3 虚拟小区示意图 自分布式无线通信系统的概念提出以来，研究工作主要集中在对系统容量的分 析上。文献【8 】在只考虑路径损耗的情况下分析了分布式无线通信系统的反向链路用 户容量，给出了反向用户容量的计算公式。在相同的天线结构下比较了单天线传统 蜂窝结构、采用分布式天线的蜂窝结构和使用不同天线数目的分布式无线通信系统 的反向链路用户容量。文献【9 还对前向链路用户容量进行了分析，比较了有功控的 选择发送、无功控的选择发送和基于n p p 功控方式发送条件下的前向链路用户容量， 证明了d w c s 在前向链路用户容量上的优势。文献【l o 1 1 】分析了考虑阴影衰落情况 下分布式无线通信系统在采用最大比合并下的中断概率，并与采用软切换的传统蜂 窝作了比较。文献【1 2 从单用户环境和多用户环境两个方面分析了分布式无线通信系 统的信道容量以及前向和反向链路用户容量，并与采用分布式天线的蜂窝结构作了 相应的比较。以上的研究和分析表明分布式无线通信系统的容量要远优于相同天线 4 北京邮电大学博士学位论文 第一章绪论 密度下的蜂窝移动通信系统。文献 1 2 还提出了适合于分布式无线通信系统的前向多 天线发送算法c m e m o 。该算法基于层次的时空发送结构，结合信道状态信息按照 注水功率分配原则对个天线的发送波形进行联合调整，不仅大大提高了性能，而且 具有很高的频谱利用率。这些研究工作为分布式无线通信系统的研究打下了坚实的 基础，验证了该系统在容量上的优越性。 1 3 虚拟小区网络( v c n ) 的发展 国外的一些学者也有类似的研究工作。1 9 9 4 年，i t w aj o n gk i m 和j e a n - p a u l l i n n a r t z 在提出了虚拟蜂窝网络( v i r t u a lc e l l u l a rn e t w o r k ) 的概念 1 3 】。虚拟蜂窝网 络由端口、端口网络和端口服务器( p s ) 组成，如图1 - 4 所示。虚拟蜂窝网络不使 用传统蜂窝中频率复用的方法。在虚拟蜂窝网络中，每个终端使用整个系统带宽来 发送分组。附近的端口负责接收并通过端口网络将分组转发到端口服务器。上行采 用时隙a l o h a 随机接入协议和分组冲突重传。p s 采用复制解析协议( d u p l i c a t i o n r e s o l u t i o np r o t o c o l d r p ) ，该协议有两种方案：一种是接收一个正确分组以后丢弃所 有的复制分组，另一种是接收所有的正确分组并选择一个与有效码字h a m m i n g 距离 最小的分组。p s 监视接收用户信号最好的端口，并从上行链路质量最好的端口发送 下行数据或从上行链路质量最好的一组端口用d s c d m a 进行组播。虚拟小区定义 为终端的信号( 功率) 能捕获一个端口而且又没有其它终端在发射信号的区域。随 后h w a j o n gk i m 和w o n - y o u n gj e o n g 提出了多分组编码协议( m p e ) ，改善了v c n 上行随机接入协议的由于没有功率控制而造成的不公平性，同时还提出了下行最小 组( m g ) 协议，用于支持单播和多播 1 4 l 。 图1 4 虚拟蜂窝网络示意图 1 9 9 9 年j d + b a k k e r 和r p r a s a d 在d e l t ；t 理工大学的移动多媒体通信( m o b i l e m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n m m c ) 研究项目中基于v c n 的概念重新定义了虚拟小 5 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 区。在m m c 系统中，虚拟小区由多个基站( b s ) 组成，其中有一个控制基站( c b s ) 用于信号的合并和负载均衡，如图1 5 所示。他们还提出了一种用于虚拟蜂窝网络的 混合f d m a c d m a 的多用户接入方案，并对分布式资源分配算法进行了仿真【1 6 】。 另外还讨论了v c n 中的切换问题，将切换分为无线切换和缓冲区切换。无线切换定 义无c b s 不变的情况下虚拟小区的b s 集合发生变化的情况。缓冲区切换指的是c b s 的切换。针对缓冲区切换，他们提出了丢弃所有状态、状态预传输和状态后传输三 种方法并比较了它们的复杂度、性能和适用环境1 1 7 】。 图1 - 5 m m c 中的v c n 结构 这些研究主要集在网络接入方式、无线资源分配等问题上，有许多分布式无线 通信系统值得借鉴的地方。 1 4 移动通信网络和i p 网络的发展与融合 目前，通信的发展趋势是移动化和口化。移动是用户对于随时随地的自由通信 的渴望，驴化则是业务多样化所带来的需求。口协议族及其良好的可扩展性使得网 络的扩展和业务的扩展更加快速和便捷。 在电信领域，以蜂窝移动通信网络为代表的移动通信技术是发展的主线。蜂窝 移动通信网络是一种集中式管理网络，系统的服务范围按照地理区域被划分为不同 小区，严格按照分层结构组成了有线部分的服务体系。蜂窝网一直以语音为主要业 务，但是现在数掘业务的发展需要对i p 业务的支持。g p r s 是通过蜂窝网络支持数 据业务的技术。另外，在第三代移动通信系统中，核心网和接入网都引入了口技术， 进行蜂窝网与p 网的融合 1 ”。 而i p 技术的发展主要是在计算机领域，主要以数据业务为主服务于固定接入的 6 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 计算机或服务器【2 0 1 。最初的设计限制了i p 对移动性的支持。移动通信业务的发展 促使i p 增加对移动性的支持。移动i p ( m o b i l ei p ，包括m i p v 4 和m i p v 6 ) 通过代理 和隧道技术较好地解决了i p 的宏观移动性问题【2 2 1 。m i p 对于微观移动性管理的性 能较差，即在不能很好地解决移动终端快速移动问题。于是，针对于微观移动性， 业界又提出了多种解决方案对m p 进行补充。这类的微观移动性解决方案主要分为 基于路由机制的和基于隧道机制的两种。基于路由机制的主要包括：a v a l k o 等人提 出的c e l l u l a ri p 2 3j 、z a c hd s h e l b y 等人提出的c e l l u l a ri p v 6 t 2 4 】和r r a m j e e 等人提出 的h a w a i i 【2 “。基于隧道机制的主要包括：h e s h a ms o l i m a n 等人提出的分层m i p l 2 6 和e v ag u s t a f s s o n 等人提出的m i p 地域性注册 2 7 】。另外m p l s 作为技术与a t m 技术 的融合的产物，它对于解决口的移动性问题也有其优势。2 0 0 0 年o l i v e rt wy u 提 出了基于m p l s 的下一代无线移动网络【” 。2 0 0 1 年z h o n g r e n 等人提出了将移动口 和m p l s 结合起来，利用m p l s 的标签机制来快速地建立信道【29 1 。在此基础上， t i n g z h o uy a n g 等人提出了分层移动m p l s f 3 0 】。j o n g m o o nc h u n g 提出了无线m p l s 的概念( 3 “。2 0 0 2 年，t i n g z h o uy a n g 研究了基于m p l s 的无线网络中支持区分业务 ( d s ) 的移动性问题p 引；v a s o sv a s s i l i o u 等人给出了采用分层移动口和m p l s 的下 一代无线接入网u 。 移动通信网络的m 化和计算机网络的移动化是当前两种技术相互借鉴、相互融 合的趋势。因此，分布式无线通信系统网络结构的设计必须考虑到这个问题。 1 5 无线网络中的数据业务模型 业务模型是解决网络规划和网络性能优化等一系列问题的基础。无论是设计 d w c s 这样的新型无线通信系统还是规划传统的蜂窝移动通信系统，都需要考虑业 务的特性及其对网络的影响。根据关注的对象不同，可以把业务模型的分为两种， 一种是从单个用户的行为出发，描述业务源模型，即客户端模型，另一种是从多个 用户的集体行为出发，描述业务聚合流的模型，即流量模型。 e t s i 在协议规范中给出了通用的数据业务源模型【3 4 】。h r r p 业务作为最具代表 性的数据业务，是i n t e r n e t 中最主要的业务之一。最初的h t t p 模型仍然是基于o n - - o f f 的模型口“，后来的研究发现单纯的o n - - o f f 模型不能准确地描述h t t p 的 复杂行为，从而提出了基于网页的经验模型阁 3 n 。无线网络中的h t t p 业务模型在 有线网络中的业务源模型的基础上1 3 8 ( 3 9 1 “。w a p 业务针对于无线通信系统中带宽资 源紧缺的状况专门对内容和协议进行了优化，另外它还受到终端处理能力的限制。 现有的一些廿业务模型基本上都是描述w s p 层或w s p 层以上层面上的行为 1 4 1 1 4 2 ，而下层的行为通过w a p 协议栈来仿真。 7 北京邮电大学 毒士学位论文第一蠢绪论 传统的语音业务可以用p o i s s o n 过程来建模。如果用不同的时间尺度来聚合其流 量模型，其突发特性将随着聚合尺度的增加而衰减。但是，近十年的研究结果表明， 数据业务的流量模型的突发特性不随着聚合尺度的增加而衰减，或衰减非常慢 【4 3 】【4 4 l 【4 5 】【4 6 】【4 “。这种在不同时问尺度上都具有向类似的突发特性的现象成为自相似特 性。自相似特性是数据业务的一个重要特性，也是衡量业务源模型的一个重要工具。 1 6 论文的创新点和组织结构 本论文从分布式无线通信系统的容量和接入协议入手，对分布式无线通信系统 的网络技术进行了研究和探讨。主要创新之处包括以下几点： 在阴影衰落和采用c d m a 的前提下，独立推导了与传统蜂窝系统采用相同天线 分布的分布式无线通信系统的反向链路用户容量的估算公式。证明了分布式无线 通信系统的容量优势。 提出了分布式无线通信系统的网络架构，包括网络元素的功能定义，网络拓扑的 组织结构。提出了分布式无线通信系统的接入协议，包括移动节点的注册过程、 接入过程和切换过程。提出了各个网络元素的有限状态机、消息和及其处理流程。 给出了软件实现结构，并在o p n e t 仿真平台上实现了仿真及演示系统。 提出了用于克服乒乓效应的基于切换窗的切换算法和随机天线分布情况下的天 线选择及切换算法。 改进了h t t p 业务的分层业务模型，基于o b j e c t 层来描述业务量，从而使模型 更直观，更易于使用。通过分析在g p r s 网络上采集的数据，提取了业务模型参 数，并进行了仿真验证。 提出了基于分层和分组类型的w a p 业务模型。该业务模型摆脱了现有模型对 w a p 协议栈的依赖，简单实用。通过分析在g p r s 网络上采集的数据。提取了 业务模型参数。通过仿真验证了模型的有效性和准确性。 本论文所研究的分布式无线通信系统突破了传统蜂窝系统的限制，采用了分布 式天线、分布式光纤、分布式处理和分布式网络的全新结构。论文在分析分布式无 线通信系统容量的基础上，提出了分布式无线通信系统的网络架构，并重点实现了 接入网的无线接入控制协议，这部分是对分布式无线通信系统的理论研究包括第 二章和第三章。为了更好地研究分靠式无线通信系统，论文第四章对无线通信系统 中数据业务模型和业务特性进行了分析。这部分不但对分布式无线通信系统的理论 研究而且对现有3 g 系统的规划实践都有一定的指导意义。论文的具体结构如下： 第二章主要分析了分布式无线通信系统的反向链路用户容量。在假设采用码分 8 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 多址和考虑大尺度衰落的前提下，比较了传统蜂窝系统和分布式无线通信系统使用 相同天线拓扑时的反向链路用户容量。推导了分布式无线通信系统的反向链路用户 容量估算公式。理论计算表明分布式无线通信系统的反向链路用户容量比传统蜂窝 系统有明显的优势。 第三章主要是提出了分布式无线通信系统的网络架构和接入层协议。首先，定 义了网络元素的功能，组网方式，以及各个网络元素的协议栈。然后定义了移动节 点接入过程、切换过程的协议，包括有线状态机、消息、原语。并用o p n e t 进行了 软件实现。重点分析了切换问题。通过仿真测试，验证了该协议的有效性和鲁棒性。 最后，提出了用于克服乒乓效应的基于切换窗的切换算法和随机天线分布情况下的 天线选择及切换算法。 第四章主要分析了无线通信系统中具有代表性的两种数据业务h t t p 业务 和w a p 业务。在对业务特征进行分析的基础上，改进了h t t p 的业务模型并提出了 一种全新的w a p 业务模型。通过分析在g p r s 网络上采集的实际数据，提取了这两 种业务的模型参数，并通过仿真进行了验证。最后还对数据业务的自相似特性进行 了分析。 第五章对全文进行了总结，并提出了几点对分布式无线通信系统未来研究方向 的初步构想。 1 7 本章参考文献 1 s h i d o n gz h o u ，m i n gz h a o ，x i b i nx u ，e t c ， d i s t r i b m e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ：an e wa r c l l i t e c t u r ef o rf u t u r ep u b i l cw i r e l e s sa c c e s s ，”i e e ec o m m u n m a g ， m a r 2 0 0 3 ，v 0 1 4 1 ，p p 1 0 8 1 1 3 2 】j i n gw a n g ，y a hy a o ，m i n gz h a o ，e t c ，“c o n c e p t u a lp l a t f o r mo fd i s t r i b u t e dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，”i np r o c o f i e e ev t c b i r m i n g h a m ，a l ，u s a ，2 0 0 2 ，v 0 1 2 ， p p 5 9 3 5 9 7 3 】王京，姚彦，赵明，等，“分布式无线通信系统的概念平台”，电子学报，2 0 0 2 年，第7 期。 4 t e d a r c i e ，“s u b c a r r i e rm u l t i p l e x i n gf o rm u l t i p l e a c c e s sl i g h t w a v en e t w o r k s ”i e e e j l i g h t w a v e t e c h n 0 1 ，a u g 1 9 8 7 ，v 0 1 l t - 5 ，p p 1 1 0 3 1 1 1 0 5 t s c h ua n dm j g a n s ，“f i b e ro p t i cm i c r o c e l l u l a rr a d i o ”，i e e et r a n s v e h t e c h n 0 1 a u g 1 9 9 1 ，v 0 1 4 0 ，p p 5 9 9 6 0 6 ， 【6 】6r o h m o t o ，ho h t s u k a ，a n dh i c h i k a w a ， f i b e r - o p t i cm i c r o e e l lr a d i os ”t e m sw i t ha s p e c t r u md e l i v e r ys c h e m e s ”，i e e ej s e l e c t a r e a sc o m m u n ，s e t p 1 9 9 3 ，v 0 1 1 1 ，p p 9 北京邮电大学博士学位论文第一章绪论 7 k i t a y a m ak ，k u r it ，a n do g a w at ，“e r r o r - f r e eo p t i c a l1 5 6 m b i f f sm i l l i m e t e rw a v e t r a n s p o r tt h r o u g h6 0 g h ze x t e r n a lm o d u l a t i o n ”，o f c 9 8 t e c h n i c a l d i g e s t ，j a n p a n ， 1 9 9 8 ，p p 1 4 1 5 【8 】鲁艳玲，鲁艳平，吴伟陵，“虚拟小区的反向链路容量分析”，电子学报，已录用。 9 】鲁艳玲，“分布式动态虚拟小区系统网络结构及若干关键问题研究”，博士学位 论文1 ，北京，北京邮电大学，2 0 0 3 。 【l o 王际兵，赵明，李刚，等，“虚拟无线通信系统的最大比宏分集”，清华大学学报 ( 自然科学版) ，2 0 0 0 年，第4 0 卷，第1 期。 【1 1 】代琳，周世东，姚彦，“最大比宏分集下的c d m a 系统反向容量分析”，电子学 报，2 0 0 3 年，第7 期。 1 2 】代琳，“分布式无线通信系统的容量和关键技术的研究”， 博士学位论文 ，北京， 清华大学，2 0 0 2 。 1 3 h w aj o n gk i ma n dj e a n p a u ll i n n a r t z ，“v i r t u a lc e l l u l a rn e t w o r k ：an e ww i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n sa r c h i t e c t u r ew i t hm u l t i p l ea c c e s sp o r t s ，”i np r o c i e e ev t c ， s t o c k h o l m ，j u n e1 9 9 4 ，v 0 1 2 ，p p 1 0 5 5 1 0 5 9 1 4 h w aj o n gk i ma n dw o n - y o u n gj e o n g ，“c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lf o rv i r t u a lc e l l u l a r n e t w o r k ( v c n ) ，”i np r o c i e e ei n t s y r u p p e r s o n a l ，i n d o o ra n dm o b i l er a d i o c o m m u n i c a t i o n s ，s e p t 1 9 9 5 ，v 0 1 1 ，p p 3 4 3 - 3 4 7 15 j d b a k k e ra n drp r a s a d ，“am u l t i p l ea c c e s sp r o t o c o li m p l e m e n t a t i o nf o rav i r t u a l c e l l u l a rn e t w o r k ，”i np r o c o fi 髓ev t c ，h o u s t o n ，j u l y , 1 9 9 9 ，v 0 1 2 ，p p 1 7 0 7 一1 7 1 1 r 1 6 j d b a k k e ra n dr a m j e ep r a s a d ，“h a n d o v e ri n av i r t u a lc e l l u l a rn e t w o r k ，”i n p r o c e e d i n g so f i e e ev e h i c u l a rt e c h n o l o g yc o n f e r e n c e i e e e ，s e p t 1 9 9 9 ，v 0 1 1 ，p p 5 4 4 5 4 8 【1 7 j d b a k k e ra n d 心p r a s a d ，“s i m u l a t i o no f a v i r t u a lc e l l u l a rn e t w o r k m u l t i p l e a c c e s s p r o t o c o l ，”i n p r o c o f l e e e v t c ，s e p t ，1 9 9 9 ，v 0 1 2 ，p p ，1 1 9 4 - 1 1 9 6 18 13 g p p o n l i n e a v a i l a b l e ：h t t p ：w w w 3 9 p p o r g 1 9 j o np o s t e l ，“i n t e r n e tp r o t o c o l ，v e r s i o n4 ( i p v 4 ) s p e c i f i c a t i o n ，i e t fr f c7 9 1 ，s e p t 1 9 8 1 2 0 s d e e r i n g ，r h i n d e n ，“i n t e m e tp r o t o c o l ，v e r s i o n6 ( i p v 6 ) s p e c i f i c a t i o n ”，i e t fr f c 1 8 8 3 ，d e c 1 9 9 5 21 j a m e sd s o l o m o n ，“m o b i l e i pt h ei n t e r a c t u n p l u g g e d ”，p r e n t i c e h a l l 2 2 d a v i db j o h n s o n ，c h a r l e se p e r k i n s ，a n dj a r ia r k k o ， m o b i l i t ys u p p o r