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全l p 无线移动网络平滑切换的研究 全i p 无线移动网络平滑切换的研究 摘要 移动通信网络正在从线路交换的网络向包交换网络发展，呈现出全i p 化的发展趋 势。无线移动网络全i p 化后，移动i p 作为i p 网络中的移动管理方案受到关注。但是 移动i p 的移动切换过程时延长、丢包多、信令负荷重等问题，不能支持无线移动网络 中频繁的移动切换，如何在i p 网络中实现快速、平滑、无缝的移动切换成为近年来研 究的一个热点。本文对全i p 无线移动网络中平滑切换的机制、数据包缓存策略、数据 包转发策略以及软切换问题进行了深入的研究和论述。 首先对全i p 嘲络中的移动管理解决方案m o b i l ei p 存在的问题进行了分析，对微移 动协议的研究进行了较为全面的综述。m o b i l e i p 的移动切换过程具有时延长、丢包多、 信令负荷重等问题，不能支持无线移动网络中频繁的移动切换。微移动协议作为m o b i l e i p 的扩展，在快速切换和平滑切换上采取了多种技术手段。其中平滑切换的技术主要 有多播和缓存转发。 针对移动切换的缓存转发过程中存在的数据包失序问题，提出了多径单流的缓存转 发m p s s f 。该方法利用了数据流的突发特性，将移动切换的路由更新延迟到一个合适 的时点进行。在该时点处，旧转发路径上已经没有传送中的数据包，这样，新旧转发路 径上的数据包流前后相继地合并成为一条没有失序的流。理论分析和实验表明，在适当 的数据包到达强度范围内，路由更新可以在有限的时间内完成，较好地保持了t c p 在 移动切换过程中的拥塞窗口，提高了t c p 的有效吞吐量。 对于数据包缓存中存在的缓存资源占用多，重复包多的问题，提出了两阶段的数据 包缓存策略。平滑切换中数据包缓存的难点是对切换开始前已经转发但是仍在无线链路 层传送的数据包。两阶段缓存策略在切换前阶段利用一个小的循环缓存来恢复这部分 包，在切换开始后再加大缓存空间用于缓存后续到来的数据包，节约了缓存空间的占用， 减少了重复包。 为进一步解决数据包缓存中重复包问题，提出了链路层数据包缓存策略。在无线链 路层a r q 重发缓存的基础上，新增加一个二级缓存器，将重发缓存中移出但是所属数 据包未完成发送的数据帧缓存起来。这样，所有未完成发送的数据包均保留在无线链路 层中，在移动切换时得以从重发缓存和二级缓存中恢复出来。由于a r q 的作用，这样 恢复出的数据包最接近于接收端的实际情况。模拟实验结果表明，链路层数据包缓存策 略额外占用的缓存较少，通过改进a r q 协议可以使重复包的数量接近于零。 最后对于全i p 无线移动网络中软切换的问题进行了探讨，提出了面向移动节点的 复旦大学博士学位论文 全i p 无线移动阿络平滑切换的研究 双播软切换方法。在移动节点具备两个无线接口的情况下，可以采用以移动节点为目标 的双播实现i p 层的软切换。提出的i p 包序号选项和按序接收的双播数据流合并算法， 与i p 单播有较好的相容性。 关键词全i p 无线移动网络平滑切换多径单流转发两阶段缓存链路层数据包缓存 序号选项i p 软切换 复巨人学博士学位论文 竺! ! 墨堡整垫塑竺塑塑垫塑堑壅 r e s e a r c h0 1 1s m o o t hh a n d o v e r i na l l i pw i r e l e s sa n dm o b i l en e t w o r k a b s t r a c t m o b i l en e t w o r ki sc h a n g i n gf r o mac i r c u i t - s w i t c hn e t w o r kt oap a c k e t - s w i s hn e t w o r k , a n dw i l lb ea na l l - i pw i r e l e s sn e t w o r ki nt h ef u t u r e i ns u c han e t w o r k 。m o b i l ei p a sa m o b i l i t ym a n a g e m e n ta r c h i t e c t u r ei n i pn e t w o r k s ，i sa t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ei n t e r e s t s u n f o r t u n a t e l y , t h eh a n d o v e ro fm o b i l ei ph a sm a n yd r a w b a c k s ，t h u sm o b i l ei pp e r f o r m s b a d l yi na nm o b i l ee n v i r o n m e n tw h e r eh a n d o v e rh a p p e n sf r e q u e n t l y h o wt or e a l i z ef a s t ， s m o o t ha n ds e a m l e s sh a n d o v e ri na na l l i pn e t w o r ki sb e c o m i n gah o tt o p i ci nr e c e n ty e a r s t h e a r c h i t e c t u r e ，p a c k e tb u f f e r i n g a n d f o r w a r d i n g s c h e m e si ns m o o t hh a n d o v e ra r e i n v e s t i g a t e d i nd e t a i la n ds o m en e ws c h e m e sa r ed e v e l o p e di nt h i st h e s i s f i r s t l y , t h e d r a w b a c k so fm o b i l ei pi na l l i pw i r e l e s sn e t w o r ka r e a n a l y s a d a n d r e s e a r c h e si nm i c r o m o b i l i t yp r o t o c o l sa r er e v i e w e d b e c a u s et h eh a n d o v e ro fm o b i l ei ph a s m a n yp r o b l e m s s u c ha s l o n gl a t e n c y , l o t s o fp a c k e t d r o p p i n g , h e a v ys i g n a l l o a d sa n ds oo n m i c r o m o b i l i t yp r o t o c o ba r ed e v e l o p e d a l le x t e n s i o no fm o b i l ei pb yw a yo f f a s th a n d o v e ra n ds m o o t h h a n d o v e r m u l t i e a s t i n g ( b i c a s d n g ) a n db u f f e r i n g f o r w a r d i n gs c h e m e sm m o s t l ya d o p t e d s m o o t h h a n d o v e rt e c h n i q u e i no r d e rt oo v e r c o m et h ep a c k e td i s o r d e ri n p a c k e tb u f f e r i n g & f o r w a r d i n g an e w f o r w a r d i n gs c h e m ec a l l e dm p s s f ( m u l t i p l ep a t hs i n g l e s 雠e a mf o r w a r d i n g ) i sp r o p o s e d b e c a u s eo f t h eb u r s tn a t u r eo f d a t af l o w , t h er o u t i n gu p d a t ed u r i n gh a n d o v e ri sp o s t p o n e dt oa p r o p e rt i m ep o i n tw h e n n op a c k e ti sf l y i n go nt h eo l dp a t h t h e np a c k e t sb y w a y o fo l da n d n e w p a t hc o u l db em e r g e di ns e q u e n c eo r d e rl i k eas i n g l es t r e a m t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tr o u t i n gu p d a t ec o u l db ed o n ei ns e c o n d si nac e r t a i nr a n g eo f a r r i v a ll o a d ，t h ec o n g e s t i o nw i n d o wo f t c pi sk e p tu n c h a n g e dd u r i n gh a n d o v e ra n dg o o d p u t o f t c pi si n c r e a s e dr e m a r k a b l y t h e t w o s t a g eb u f f e r i n g m e t h o di sp r o p o s e dt od e c r e a s eb u f f e ro c c u p a n c ya n dm i n i m i z e p a c k e tl o s s t h ed i f f i c u l tp a r to fp a c k e tb u f f e r i n gi ns m o o t hh a n d o v e r i st h o s et r a n s p o r t i n gi n w i r e l e s sl i n kl a y e rw h e nh a n d o v e rb e g i n s t h et w o s t a g em e t h o di sd e s i g n e dt on s eas m a l l c i r c u l a rb u f f e rb e f o r eh a n d o v e rt op r e s e r v et h i sp a r to fp a c k e t s ，a n du s i n gal a r g e rb u f f e rt o s a v et h o s ea r r i v e sa f t e r w a r dd u r i n gh a n d o v e r t h eb u f f e ro c c u p a n c yi sr e d u c e da n dd u p l i c a t e p a c k e t sd e c r e a s e d 复旦大学鸺士学位论文 全i p 无线移动网络平滑切换的研究 d u p l i c a t ep a c k e t sp r o b l e m i sc o m m o ni n p a c k e tb u f f e r i n g ，t h e l i n k l a y e rp a c k e t b u f f e r i n gm e t h o di sp r o p o s e dt o d e a lw i t hi t w h e naf r a m et r a n s m i t t e ds u c c e s s f u l l yi n w i r e l e s sl i n kl a y e rw i t ha r q ，i ti sd e l e t e df r o mr e t r a n s m i s s i o nb u f f e r t h ef r a m ei ss t o r e d t e m p o r a r i l yi nas o c o n d a l t b u f f e ru n t i la l lf r a m e so ft h es a m eu p p e rl a y e rp a c k e td e l e t e df r o m r e t r a n s m i s s i o nb u f f e r t h u sa l lp a c k e t st r a n s m i t t i n gi nw i r e l e s sl i n kl a y e ra r ep r e s e r v e di nt h e l 2b u f f e r sa n dc o u l d b er e c o v e r e dd u r i n gh a n d o v e ls i m u l a t i n gr e s u l t ss h o wl i n kl a y e r b u f f e r m e t h o dc o n s u m e sl i t t l ee x w ab u f f e rb u td u p l i c a t ep a c k e rd e c r e a s e dr e m a r k a b l ye s p e c i a l l yi n a l le n h a n c e da r q p r o t o c 0 1 m o r e o v e ls o f th a n d o v e ri na i i - i pw i r e l e s s & m o b i l en e t w o r ki s d i s c u s s e da n da n m n o r i e n t e db i c a s t i n gs o f th a n d o v e rm e t h o di sp r o p o s e d m e nm n h a st w oa i ri n t e r f a c e s s o f th a n d o v e ri sp o s s i b l eu s i n gb i c a s t i n gf r o mg f a t om n an e wi po p t i o nc a l l e ds e q u e n c e n u m b e r o p t i o n i ss u g g e s t e da n d b l c a s t i n gf l o w s a r em e r g e di nt h ee x t e n d e d o p t i o np r o c e s s i n g p r o c e d u r eu s i n gr e s e q u e n c i n g b u f f e r k e yw o r d a i i - i pw i r e l e s sn e t w o r k , s m o o t hh a n d o v e r , m p s s f , t w o - s t a g eb u f f e r i n g , l i n k l a y e rp a c k e tb u f f e r i n g ，s e q u e n c e n u m b e r o p t i o n , s o f t h a n d o v e ri ni pn e t w o r k 复旦| ：k 学瞒十学位论文 全i p 无线移动同络平滑切换的研究 1 1 移动通信系统的发展 第一章绪论 第一代移动通信系统系统采用的是频分多址( f d m a ) 为基础的模拟技术，实现了真 正意义上的蜂窝移动通信功能，如美国的a m p s 系统。o ”川、欧洲的t a c s 系统等。9 0 年代相继推出的以时分多址( t d m a ) 和窄带码分多址( c d m a ) 为基础的第二代数字移动 通信系统，相比第一代系统有着频谱效率高、系统容量大、保密性好、标准化程度高等 优势，得到了迅速的发展和普及，形成了具备区域性或全球漫游能力的大规模覆盖，满 足了人们对移动话音和低速数据通信的需求。第二代系统代表性的有欧洲的g s m 系统 脚“9 习嗍、北美的i s 9 5 系统8 5 蚓、日本的p d c 系统等。 随着社会信息化程度越来越高，人们对以i n t e m e t 为媒介的新的信息发布和信息沟 通方式的需求也在迅速增长。虽然目前窄带移动电话业务需求依然很大，但随着i n t e m e t 等高速数据通信及多媒体通信需求的驱动，宽带多媒体综合业务将逐步增长。现有的系 统不能满足用户对高速宽带多媒体业务的需求和用户容量韵进一步增长。所阻对新一代 移动通信系统的研究成为近年来一个研究热点。 国际电联( i t u ) 提出的i m t - 2 0 0 0 标准f f r t 8 又称为第三代移动通信系统。主要特征是 可提供移动多媒体业务，其中高速移动环境支持1 4 4 k b s ，步行慢速移动环境支持 3 8 4 k b s ，室内支持2 m b s 的数据传输。其设计目标是为了提供比第二代系统更大的系 统容量、更好的通信质量，而且要能在全球范围内更好地实现无缝漫游及为用户提供包 括话音、数据及多媒体等在内的多种业务，同时也考虑与己有第二代系统的良好的兼容 性。在经过几年的技术评估、研究分析及大量的协调和融合工作之后，确定了以宽带 c o m a 技术为主的无线接口技术规范u t o o i ，代表性的- - _ _ - - 种是欧洲和日本的w c d m a l “”】、 北美的c d m a 2 0 0 0 t c s 0 0 0 。1 和中国的t d s c d m a s c d m a 。 由第二代系统向第三代系统的过渡即所谓2 5 代系统已经部署运营，如g s m 基础上 的g p r s a r a 9 7 c a l 9 7 b e t e l 及i s 一9 5 基础上的c d m a 2 0 0 01 x e r a m 9 8 。第三代系统也开始逐步 进入商用。但也应该看到3 g 系统尚有很多不足的地方，如：3 g 没有形成全球统一标准： 3 g 所采用的语音交换架构仍承袭了第二代系统的电路交换，而不是纯i p 方式；视频流 媒体的应用不尽如人意；数据传输率也只接近于普通拨号接入的水平，更赶不上x d s l 等。所以，在第三代移动通信还没有完全铺开，距离完全实用化还有一段时间的时候， 日本、欧盟等国家开始了对“下一代”移动通信系统的研究，国际电联( i t u ) 也于2 0 0 2 年初启动了类似的研究计划，我国亦在8 6 3 “十五”研究计划中启动了该方面的研究。 但由于目前第三代移动通信系统还刚刚起步，尚未大规模商用，其本身的能力尚有很大 的扩展空间，目前不宜人为地定义出新的一代，因而i t u 强烈呼吁不要使用“第四代移 复旦大学博士学位论文 全i p 无线移动网络平滑切换的研究 动通信”( 4 g ) 这个术语，而采用后i m t 一2 0 0 0 系统( s y s t e m sb e y o n di m t 一2 0 0 0 ，b 3 g ) 。 到目前为止，下一代移动通信系统技术还只是一个主题概念，即无线互联网技术。 2 0 0 1 年l o 月i t u - rw p s f 东京会议上，初步提出b e y o n di m t - 2 0 0 0 是指广泛用于各种 电信环境的无线系统的总和包括蜂窝、固定无线接入、游牧( n o m a d i c ) 接入系统等。 b e y o n di m t 2 0 0 0 的能力将含盖并远远超出i m t 2 0 0 0 系统及与其进行互连的无线系统 的能力，含盖了目前的i m t 一2 0 0 0 、无线接入、数字广播等系统的能力，并将新增两个 部分即支持约l o o m b p s 的蜂窝系统和支持高达几百m b p s 以上速率的游牧本地无线 接入系统等。可见是多功能集成的宽带移动通信系统，也是宽带接入i p 系统；能够实 现全球无缝漫游；具有非常高的灵活性，能自适应地进行资源分配；支持下一代 i n t e m e t ( i p v 6 ) ，而且是全i p 网络：当然服务成本低也将是一个重要特征。 1 2 全l p 无线移动网络 现有的电路交换的无线移动通信网正在向支持分组交换的网络过渡。3 g 系统除了支 持现有的语音和数据业务外，还要支持视频多媒体服务。将来的应用和服务将在数据速 率和带宽方面提出更多的要求，如果想满足高流量等级和不断变化的需求，唯一的办法 是过渡到全i p 网络，将无线话音和无线数据综合到i p 这一个技术平台上传输。未来的 移动网络将实现全包交换，话音和数据都由l p 包来承载，话音和数据的隔阂将消失。 i p 被认为是下一代移动通信最适合的网络层技术，统一的i p 核心网将使不同的无 线和有线接入技术实现互联与融合，其优点表现为：i p 可运行于不同的无线接入网络 之上，独立于物理传输媒体和接入技术，使得无线网络更具扩展性：采用i p 可以与因 特网等固定网络很好的综合；无线网络采用i p 还可参考因特网上业已成熟的业务管理 和q o s 模型提高无线网络支持多媒体业务的能力；另外采用i p 协议进行数据业务传输 和信令有助形成统一的无线网络传输和管理方案。因此无线通信网的全i p 化成为了移 动通信发展的一个重要课题。 各个电信标准化组织都在探讨全i p 网络的概念，两个主要的第三代移动通信标准 化组织3 g p p f 3 g 州和3 g p p 2 3 6 p 2 都将3 g 移动通信系统的发展方向设定为全i p 网 p a t 0 0 ， 希望在未来能实现真正全球完全一致的全i p 核心网络，不仅是用i p 取代传统网络的传 输层，而是用i p 技术全面改造传统网络的各个层次。未来的无线基站都将通过i p 协议 接入全i p 核心网络，原来涉及呼叫处理、移动管理、用户数据等功能都将由网络上的 服务器或数据库来实现。 全i p 无线网络( a l li pw i r e l e s s n e t w o r k ) 可以理解为：实现核心网和接入网的基于i p 的传送系统以降低成本，提高网络的可靠性与可扩展性：实现基于全i p 的信令和网络 控制以简化网络管理：实现基于i p 的应用服务以方便引入新的业务。基于全i p 技术的 新一代无线通信系统和i n t e m e t 的结合，必将为用户提供快速、高效、方便、丰富的应 复卫大学i l | + 学位论文 2 全i p 无线移动网络平滑切换的研究 用。 全i p 无线网络技术目前还正处于发展之中，在网络拓扑结构、移动性管理、底层 传输机制等方面都有大量的问题等待研究。如何在m o b i l ei p 基础上实现快速无缝的移 动切换是移动性管理中的一个研究热点。 1 3 本文结构 本文围绕着全i p 无线移动网络的平滑切换问题展开研究和论述。 第一章绪论。介绍本文的研究背景和篇章结构。 第二章背景知识。介绍本文研究中相关的知识点，包括第三代移动通信系统及其 向全i p 网络的演进，移动管理的些概念，移动i p 及其在全i p 无线移动网络中的作 用，t c p 的拥塞控制机制等。 第三章微移动协议。分析了移动i p 在无线移动网络中存在的问题，总结了近年来 微移动协议的研究现状着重从域内路由设计、快速切换技术、平滑切换技术、寻呼等 角度进行了分析和比较。得出多播、存储转发和隧道转发是微移动切换平滑切换的主要 技术。 第四章多径单流缓存转发方案m p s s f 。描述了m p s s f 坍议细节，并从局部往返 时间、路由更新时延、数据包失序、网络资源消耗和数据包时延等方面进行了理论分析 和模拟实验。m p s s f 解决了多流转发方案的数据包失序问题，相比单流转发方案也降 低了网络资源消耗和数据包附加时延。 第五章两阶段数据包缓存策略。提出在切换前阶段采用小的循环缓存保存尚在无 线链路上传送的数据包，切换后阶段加大缓存空间保存后续到达的数据包；从丢包数、 重复包数以及缓存需求等方面与其他策略进行了比较分析。 第六章链路层数据包缓存策略。利用链路层a r q 重发缓存和附加的二级缓存将未 完成发送的数据包的所有分帧保存在链路层中。当移动切换发生时，可以从这些缓存中 完全恢复出所有未完成发送的数据包。由于a r q 的作用，链路层数据包缓存最接近于 接收端的实际情况。文章从缓存占用与重复包数量等方面进行了实验研究，结果表明， 该策略对缓存需求的增加极为有限，但重复包数接近于零。 第七章全i p 网络中的软切换。在多穴移动节点情况下，提出了面向移动节点的双 播软切换的构想。讨论了在局部注册情况下的双播的机制，i p 包序号选项的格式与使 用、按序接收的双流合并算法及其实现途径。 第八章结论与展望。对全文进行了总结，并提出了需要进一步研究的几方面问题。 复旦大学瞒士学位论文 全i p 无线移动网络平滑切换的研究 第二章背景知识 2 1 第三代移动通信系统 第三代移动通信系统是国际电信联盟( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n i t u ) 在1 9 8 5 年提出的工作在2 0 0 0 m h z 频段、预期在2 0 0 0 年左右商用的系统，当时称为 未来公共陆地移动通信系统( f u t u r ep u b l i cl a n dm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s f p l m t s ) ，1 9 9 6 年正式更名为国际移动通信2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l e t e l e c o n m u n i c a t i o n2 0 0 0 ，i m t 一2 0 0 0 ) 。此后，第三代移动通信系统的研究进入实质性 阶段。1 9 9 7 年4 月，i t u 向全世界发出征集i m t - 2 0 0 0 无线传输技术规范的通函，截止 到1 9 9 8 年6 月3 0 日，共收到各区域性或国家标准化组织提交的无线传输技术提案共 1 0 种，其中包括我国无线通信标准研究组( c 矿r s ) 提交的中国自己的标准t d - s c d m a 。经 过各国标准化组织的多次融合和i t u - rt g 8 1 ( 无线技术组) 多次会议讨论，最终于1 9 9 9 年1 1 月的i t u rt g 8 l 赫尔辛基会议上通过了“i m t - 2 0 0 0 无线接口技术规范建议” ( i m t r s p c ) r s p c i ，表明第三代移动通信系统无线接口技术标准方面的工作基本完成，第 三代移动通信系统的开发和应用将进入实质性的阶段。在这个技术规范建议中包括了五 种无线传输技术，其中主要有日本和欧洲提出的w c d m a 、北美提出的c d m a 2 0 0 0 以及我 国提出的具有自主知识产权的t d - s c d m a 等三种c d m a 技术。其他还有在北美i s 一1 3 6 基 础上提出的u w c - 1 3 6 方案和欧洲数字无绳通信系统( d e c t ) 这两种t d m a 技术方案，因为 影响较小较少被人提及。此后，w c d m a 的标准化工作交给3 g p p ”】( t h e3 r dg 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 ) 组织具体进行，c d m a 2 0 0 0 则由3 g p p 2 0 q e e 2 1 “h e3 r dg 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 t2 ) 组织负责。我国的t d s c d m a 由于核心网与w c d m a 一致故交由 3 g p p 组织进行进一步标准化，最终在2 0 0 1 年3 月t d - s c d m a 标准的各项技术规范写进 了3 g p pr e l e a s e4 中，成为真正意义上的国际标准。 2 1 1i m t 2 0 0 0 i t u 提出的i m t 一2 0 0 0 主要由频谱规划、无线传输方案和网络方案三部分组成，其中 无线传输技术的研究与选择是最为核心和关键的部分。对无线传输技术的基本要求包括 以下方面： 较高的频谱效率：在3 0 m h z 带宽内的话音业务容量及信息容量。涉及信源编码、 多址技术、调制技术、射频信道参数( 如带宽、信道间隔、信道分配) 和双工技 术等诸多方面。 能适应各种无线运营环境：应考虑到各种无线传播特性的差异。包括最大传输 距离、总路径耗损预测模型、多径时延展宽、快慢衰落统计特性和最大多普勒 复量_ 人学博士学位论文 全i p 无线移动网络平滑切换的研究 频偏等。 提供多种业务包括宽带多媒体业务：能支持话音到分组数据到多媒体业务，能 根据业务要求提供带宽。以下要求必须满足： _ 快速移动环境终端速度为2 5 0 k m h 的用户，速率不低于1 4 4 k b i t s ( 希望 能达到3 8 4 b i t s ) 。 城市或郊区室外环境，终端速度为1 5 0 k m h 的用户，速率不低于3 8 4 k b i t s ( 最好能达到5 1 3 k b i t s ) 。 一室内或小范围室外环境，终端速度为1 0 k m h 的用户，速率达到2 m b i t s 以 上。 高服务质量：不同的业务有着不同的服务质量衡量标准，应对应不同业务考虑 无线传输的设计以满足不同的业务质量要求。 网络的灵活性及无缝覆盖能力：能保证全球漫游的袖珍终端随时接入系统并得 到所需的服务。涉及位置登记、切换、功率控制、同步、无线覆盖及小区结构 配置等。 符合i m t - 2 0 0 0 标准要求的无线通信系统统称为第三代移动通信系统( 3 g ) 。3 g 系统 既要提供对称的实时的业务如传统的话音业务以及可视电话，还要提供非对称非实时的 业务如w w w 、e - m a i l 、f r p 等i n t e r n e t 服务。 2 1 2u m t s w c d m a w c d m a 标准主要由欧洲电信标准组织( e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d s i n s t i t u t e 。e t s i ) 提出的u t r a - f d d 和日本无线电工商业联合会( a s s o c i a t i o n o fr a d i o i n d u s t r i e sa n db u s i n e s s ，a r i b ) w - c d m a 方案融合而成。 w c d m a 系统支持宽带业务，可有效支持电路交换业务( 如p s t n 、i s d n 网) 、分组交换 业务( 如i p 网) 。灵活的无线协议可在一个载波内对同一用户同时支持话音、数据和多 媒体业务，通过透明或非透明传输块来支持实时、非实时业务。业务质量可通过延迟、 比特差错率和帧差错率等参数进行调整。 w c d m a 采用d s c d m a 多址方式，码片速率是3 8 4 m e h i p s ，载波带宽为5 m h z 。系统 不采用g p s 精确定时，不同基站可选择同步和不同步两种方式，可以不受g p s 系统的限 制。在反向信道上，采用导频符号相干r a k e 接收的方式，解决了c d m a 中反向信道容量 受限的问题。 欧洲版本的3 g 系统技术规范称为u i t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e p h o n es y s t e m ) u m t 剐 h o 1 ，由核心网( c o r en e t w o r k ，c n ) 、无线接入网( u m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s s n e t w o r k 。u t r a n ) 和用户装置( u s e re q u i p m e n t ，u e ) 三部分组成。c n 与u t r a n 的接 口定义为i u 接口，u t r a n 与u e 的接口定义为u u 接口，采用w c d m a 技术。u m t s 的网络 复9 大学博士学位论文 全i p 无线移动网络平滑切换的研究 结构如图2 1 所示。 u m t s 的核心网基于g s m - m a p ，同时通过网络扩展方式提供在基于a n s i 一4 1 的核心网 上运行的能力。包括传统的线路交换域( c i r c u i ts w i t c hc o r en e t w o r k ，c sc n ) 和分组 交换域( p a c k e ts w i t c hc o r en e t w o r k ，p sc n ) 。c sc n 包括移动交换中心( m o b i l es w i t c h c e n t e r ，m s c ) 、归属位置寄存器( h o m el o c a t i o nr e g i s t e r ，h l r ) 、访问位置寄存器 ( v i s i r i n gl o c a t i o nr e g i s t e r ，v l r ) 、设备标识寄存器( e q u i p m e n ti d e n t i t yr e g i s t e r e i r ) 及认证中心( a u t h e n t i c a t i o nc e n t e r ，a u c ) 。p sc n 包括服务g p r s 支持节点( s e r v i c e g p r ss u p p o r t i n gn o d e ，s g s n ) 和网关g p r s 支持节点( g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n gn o d e g g s n ) 。 u t r a n 包括许多无线网络子系统( r a d i on e t w o r ks u b s y s t e m ，r n s ) ，通过i u 接口 连接到c n ( 与c sc n 连接的接口为i u c s ，与p sc n 连接的接口为i u - p s ) 。一个r n s 包括一个无线网络控制器( r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ，r n c ) 和一个或多个n o d eb 。 o s e 粕。 烈 阚 k - c $ 鬓鬃黼 、 叠 1 7 “ijm 。零献 也瑟鍪l 薹 j 生l 一 蔫“ i 矿 麟l 一 h j 肾：。 图2 1u m t s 网络结构示意图 n o d eb 是3 g 网络的基站，相当于g s m 网络中的基站收发器( b t s ) ，负责发送接收无 线信号。通过l u b 接口连接到r n c 上。一个n o d eb 包括一个或多个小区。 r n c 相当于g s m 网络中的基站控制器( b s c ) ，负责控制无线信号的发送与信号处理， 例如通话的建立与释放、u e 的功率控制、决定u e 的切换以及频谱资源管理等。在u t r a n 内部，r n s 中的r n c 之间能通过i u r 接口交互信息，i u 接口和i u r 接口是逻辑接口。i u r 接口可以是r n c 之间物理的直接相连或通过适当的传输网络实现。 2 1 3c d m a 2 0 0 0 美国电信工业联合会( t e l e c o m m u n i c a t i o n si n d u s t r ya s s o c i a t i o n ，t i a ) t r 4 5 5 复旦大学博士学位论文 6 全i p 无线移动网络平滑切换的研究 向i t u 提出的r t t 方案称为c d m a 2 0 0 0 ，其核心是由朗讯、摩托罗拉、北方电讯和高通 联合提出的宽带c d m a o n e 技术。c d m a 2 0 0 0 的一个主要特点是与现有的t i a e i ai s 一9 5 一b 标准后向兼容，并可与i s 一9 5 b 系统的频段共享或重叠，这样就使c d m a 2 0 0 0 系统可在 i s 一9 5 b 系统的基础上平滑地过渡、发展，并保护已有的投资。另外，c d m a 2 0 0 0 还能有 效地支持现存的i s 一6 3 4 a 标准。c d m a 2 0 0 0 的核心网基于a n s i 一4 1 ，同时通过网络扩展方 式提供在基于g s m m a p 的核心网上运行的能力。 c d m a 2 0 0 0 采用多载波c d m a ( m c c d m a ) 多址方式，可支持话音、分组和数据等业务， 并且可实现q o s 的协商。c d m a 2 0 0 0 包括l x 和3 x 两个部分，也易于扩展到6 x 、9 x 和1 2 x 。 对于射频带宽为1 2 5m h z 的c d m a 2 0 0 0 系统，采用多个载波来利用整个频带，如果频带 划分以5 m h z 为基准，则可以同时支持3 个载波，即c d m a3 x 技术。支持1 个载波的 c d m a 2 0 0 0 标准i s 一2 0 0 0 口3 2 0 0 0 1 已在1 9 9 9 年6 月通过。 图2 2c d m a 2 0 0 0 系统参考模型 由于载波问可以重叠，频谱利用率较高，c d m a 2 0 0 0 提供了多载波方案。在此方案中 带宽为1 2 5 m l l z ，码片速率是1 2 2 8 8 m c h i p s 。采用此方案可以使i s 一9 5 平稳过渡到第 三代移动通信系统。 图2 2 是简化的c d m a 2 0 0 0 系统参考模型。主要包括无线部分、核心网电路域、核 心网分组域、智能网部分、短消息中心、无线应用协议网关、定位等部分。 c d m a 2 0 0 0 的无线部分包括基站控制器( b s c ) 、基站收发系统( b t s ) 及分组控制功能 f p c f ) 。其中b t s 主要负责收发空中接口的无线帧，b s c 主要负责对其所辖的多个b t s 进行管理，将话音和数据分别转发给移动交换中心( m s c ) 和p c f ，也接收分别来自 复旦大学博士学位论文 全i p 无线移动网络平滑切换的研究 m s c 和p c f 的话音和数据。p c f 主要负责与分组数据业务有关的无线资源的控制，也 可看作是分组域的一个组成部分。 核心网电路域包括m s c 、访问位置寄存器( v l r ) 、归属位置寄存器( h l r ) 认证中心 ( a c ) 。 核心网分组域包括p c f 、分组数据服务节点( p d s n ) 、认证授权计费( a a a ) 和家乡代 理( h a ) 。其中p c f 负责与b s c 配合，完成与分组数据有关的无线信道控制功能。p d s n 负责管理用户通信状态，转发用户数据。a a a 负责管理用户，包括用户的权限、开通 的业务等信息。由于a a a 采用的主要协议为远程鉴权援号用户服务( r a d i u s ) ，故又称 为r a d i u s 服务器。当使用移动i p 协议时，h a 负责将分组数据通过隧道技术发送给 移动用户，并实现p d s n 之问的宏移动管理。同时，p d s n 还起到外地代理f f 的功能， 提供隧道出口，并将数据解封装后发往移动台。 2 1 4t d s c d m a 时分同步码分多址( t d s c d m a ) i s c d m x 是由中国信息产业部电信科学技术研究院 ( c a t l 5 和德国霞门予公司合作开发的。它的目标是要确立一个具有高频谱效率和高经 济效益的先进的移动通信系统。它与u m t s 和i m t - 2 0 0 0 的建议完全一致。这个由中国 标准协会中国无线通信标准组织( c w t s ) 制定的标准已被i t u 和3 g p p 接受，成为具有 自主知识产权的第三代国际标准。 第三代数据传输业务包括对称的电路交换业务，例如比特速率为8 k b i g s 的语音业务 和速率高达3 8 4 k b i “s 的多媒体业务，以及非对称的分组交换业务和速率高达2m b i t s 的互联网业务， w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 都基于频分双工( f d d ) 的传输模式，需要对称地运行在成对 频带上。因此，对称的语音和多媒体业务可以很好地进行优化。但是，对于非对称业务， 由于一个链路方向的负载减少，则会显示出一个较低的总频谱利用率。 t d s c d m a 被设计为不管是对称还是非对称业务，都能显示出最佳性能的系统。 因此采用时分复用( a d d ) 模式，在周期性重复的时间帧里传输基本的t d m a 突发脉冲 的工作模式( 和g s m 相同) 。通过周期