（交通信息工程及控制专业论文）无线ATM多址接入协议及相关技术的研究.pdf

摘要 l 无线a t m 是为解决无线多媒体业务的接入、传输设计的，无线a t m 由无线接入 1 亨和移动a t m 两个部分组成，分别负责用户的无线接入和移动性管理。而无线a t m 的多址接入协议的作用是共享频谱有限的无线资源，并能提供保证系统q o s 性能的接入 控制。现阶段虽然有多种无线接入技术，但是无线a t m 在保障系统的q o s ，尤其是混 合业务的q o s 方面仍然有其独特的优势：彳 论文研究无线a t m 的多址接入控制协议及其相关技术，内容涉及媒质接入控制层 ( m a c ) 和逻辑链路控制层( l l c ) 的协议设计和分析，物理层的发射分集技术以及网 络层的综合话音，数据业务的切换模型。主要工作和成果包括以下几个方而： 1 提出了一种基于竞争预约的混合调度无线a t m 媒质接入协议c r h s m a ( c o n t e n t i o n r e s e r v a t i o na n dh y b r i ds c h e d u l i n gm u l t i p l ea c c e s sp r o t o c 0 1 ) 。c r h s m a 对r t - v b r 业务的调度采用确定调度的方法，即让移动台向基站发送移动台缓冲区的一组信元 的生存时阳j 信息，同时发送移动台的缓冲区的信元队列长度这样，基站的调度器 就能对r t v b r 业务进行确定的调度，保障其q o s 要求。同时，对c b r 业务( 话音) 进行话音插空检测，而对数据业务的调度则是移动台在上行链路的数据信包头上预 留4 个比特用来指示移动台缓冲区信息。仿真结果表明，q m s m a 在保证r t v b r 业务的q o s 要求的同时，保持了较高的信道利用效率：丐 ， 2 提出了一种基于自适应m u l t i c o p y 重传的无线a t m 逻辑链路控制协议，其机理是 重发方案。对单个移动台从理论上分析了这种a r q 协议的性能，然后结合第二章 3 研究了发射端发射分集的两种信号优化设计问题。将发射分集技术按照是否有反馈 杓：信道的相关矩阵的特征值结构的方向上集中更多的能量，可以使得系统的误码率 性能趋”f 最优。讨论了在矢量输入方式下，反馈信道的状态信息时使接收端信噪比 北方交通大学博士学位论文捅要 墩人的信q 设计问题；提出通过计算q 函数的切诺夫上霸咏计算系统的误码率性能 卜界”根士| 1 ) ：这个上界来进行发射端的优化信号设计。 ， 4 提出了一种用j ：蜂窝通信系统中的综合话音数据业务的切换新模型预留信道 且排队模型g c q s ( g u a r dc h a n n e l sa n dq u e u e i n gs c h e m e ) 。在所提出的模型中， 话音业务采用预留信道的方法，而数据业务采用切换队列模型文文中将g c q s 与仅 仅为越区切换用户预留信道的g c s 模型进行了比较，结果表明采用g c q s 模型， 数据业务的切换拒绝概率大为降低，同时，新呼叫接入的阻塞概率和话音业务的切 适合 5 分析了在无线a t m 切换过程中遇到的话音视频等流业务的时延抖动问题，提出在 移动台设置缓冲区消除时延抖动，并且根据缓冲区延时单元的划分及延时单元内的 时延抖动的上 延抖动的变化 协议设计参数 关键词：无线a t m 媒质接入控制逻辑链路控制发射分集越区切换 一 a b s t r a c t w i r e l e s sa t mi su s e df o rt h ea c c e s sa n dt r a n s p o r to fw i r e l e s sm u l t i m e d i as e r v i c e s i ti s c o m p o s e do ft h ew i r e l e s sa c c e s sl a y e ra n dm o b i l ea t m t h ef i r s tp a r ti sr e s p o n s i b l ef o r u s e r s w i r e l e s sa c c e s s a n dt h es e c o n di su s e df o rt h em a n a g e m e n to fu s e r s m o b i l i t y t h e f u n c t i o no ft h ew i r e l e s sm u l t i p l ea c c e s sp r o t o c o li st os h a r et h el i m i t e dw i r e l e s sf r e q u e n c y r e s o u r c e sa m o n gu s e r s ，a n dt op r o v i d et h ea c c e s ss c h e m ef o rt h e mw h i l eg u a r a n t e e i n gt h e i r q o sr e q u i r e m e n t s ，t h o u g ht h e r ea r eal o to fm u l t i l ；，l e a c c e s st e c h n i q u e s ，w i r e l e s sa t ms t i l l h a si t sa d v a n t a g e si ng u a r a n t e e i n gt h es e r v i c e s ，e s p e c i a l l yh y b r i ds e r v i c e s q o sp e r f o r m a n c e t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e st h em u l t i p l ea c c e s sp r o t o c o la n dr e l a l e dt e c h n i q u e so fw i r e l e s s a t m i ti n c l u d e st h ed e s i g no fm a c p r o t o c 0 1 t h ed e s i g na n da n a l y s i so fl o g i c a ll i n kc o n t r o l p r o t o c o l ，t r a n s m i td i v e r s i t yt e c h n i q u e si np h y s i c sl a y e ra n dt h eh a n d o f fm o d e li ni n t e g r a t e d v o i c e d a t ac e l l u l a rs y s t e m s t h em a j o ra c h i e v e m e n t sa r eo u t l i n e da sf o l l o w s ： 1 ac o n t e n t i o nr e s e r v a t i o na n dh y b r i d s c h e d u l i n gm e d i aa c c e s sc o n t r o lp r o t o c o l ( c r h s m a ) f o rw i r e l e s sa t ms y s t e mi s p r o p o s e d i n c h a p t e r2 c r h s m a s c h e d u l e st h ei t - v b rs e r v i c ei nad e t e r m i n a t em a n n e r t h em o b i l es t a t i o n st r a n s f e r t h es u r v i v a lt i m eo ft h ec e l l si nt h em o b i l eb u f f e rt ot h eb a s es t a t i o ni nc o m p a n yw i t h t h ec e l lq u e u ei n f o r m a t i o no ft h eb u f f e r i nt h i sw a yt h es c h e d u l e ri nt h eb a s es t a t i o n c a ns c h e d u l i n gt h er t v b rs e r v i c e si nad e t e r m i n a t em a n n e ra n dg u a r a n t e et h e i r o o sr e q u i r e m e n t s i nt h es a m et i m et h es c h e d u l e ri m p l e m e n t st h ev o i c eo n o f f d e t e c t i o nf o rt h ec b rv o i c es e r v i c e s a n df o rt h ed a t as e r v i c e s ( s u c ha sn r t v b r ， a b ra n du b r s e r v i c e s ) ，t h em o b i l es t a t i o n st r a n s f e rt h em o b i l eb u f f e ri n f o r m a t i o n t ot h eb a s es t a t i o ni nt h ew a yo f r e s e r v i n g4b i t st oi n d i c a t et h eq u e u el e n g t hi nt h e m o b i l es t a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tc r h s m ac a l lg u a r a n t e et h eq o sr e q u i r e m e n t s o f r t v b rs e r v i c e sa n dc a n p r o v i d eq u i t eh i 曲c h a n n e l u t i l i t ye f f i c i e n c y 2 a nl l c p r o t o c o lf o rw i r e l e s sa t m i sp r o p o s e di nc h a p t e r3 t h ea r qs c h e m ei n w i r e l e s sa t m sd o w n l i n kc a nb ec o n s i d e r e da sas p e c i a ls e l e c t i v ea r q s c h e m e i t i sa h y b r i ds t o p w a i ta n ds e l e c t i v ea g qo n e n 坞p e r f o r m a n c e o f t h i sa r q p r o t o c o l i nt h es i n g l em o b i l es t a t i o ni sa n a l y z e d c o m b i n e dw i t ht h ec r h s m ap r o t o c o l ，t h e s y s t e m se f f i c i e n c yp e r f o r m a n c ei ss t u d i e db ys i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o w t h a tt h e l l c p r o t o c o la d a p t s t ot h ec r h s m aw e l l 3 t h e o p t i m i z e ds i g n a ld e s i g np r o b l e m o ft r a n s m i t d i v e r s i t yt e c h n i q u e a tt h e t r a n s m i t t e ri ss t u d i e di nc h a p t e r4 t r a n s m i td i v e r s i t yt e c h n i q u e sa r ec l a s s i f i e di nt w o a p p r o a c h e s ，w h i c ha r et e r m e d a s o p e nl o o p t r a n s m i t d i v e r s i t ya n dc l o s e dl o o p t r a n s m i td i v e r s i t yb yc o n s i d e r i n gw h e t h e rt h e r ei sf e e d b a c ki n f o r m a t i o n t h e yc a u i 北方交通大学博士学位论文 a b s t r a c t 4 5 a l s ob ec l a s s i f i e di n t ov e c t o rc o d i n gi n p u ta n ds c a l a r - c o d i n gi n p u tt r a n s m i td i v e r s i t y t h eb e r p e r f o r m a n c ei nt h e c a s eo f s c a l a ri n p u ti ss t u d i e da n dt h ep r o b l e m o f s i g n a l d e s i g n i s a n a l y z e dw h e nt h ec h a n n e l s s t a t i s t i c a li n f o r m a t i o ni sf e db a c k i ti s c o n c l u d e dt h a tw h e nm o r ep o w e ri sf o c u s e di nt h ed i r e c t i o nd e t e r m i n e db yt h e e i g e n s t r u c t u r e o ft h e p o s t e r i o rc h a n n e lc o r r e l a t i o nm a t r i x ，t h eb e rp e r f o r m a n c e c o u l db eo p t i m u m t h ep r o b l e mo f s i g n a ld e s i g ni sa l s os t u d i e dw h e nt h ec h a n n e l s t a t ei n f o r m a t i o ni sf e db a c ku n d e rt h ec o n d i t i o no fv e c t o rc o d i n gi n p u t a n dt h e u p p e rb o u n d o fb e r b yc a l c u l a t i n gt h eu p p e rb o u n do fq f u n c t i o na n dt h ew a y o f d e s i g n i n g t h et r a n s m i ts i g n a la c c o r d i n gt ot h eb o u n da r e g o t i nc h a p t e r5am a t h e m a t i c a lm o d e ln a m e dg c q so f h a n d o f f i ni n t e g r a t e dv o i c e d a t a c e l l u l a rs y s t e mi sd e v e l o p e d i nt h ep r o p o s e ds c h e m e ，t h eh a n d o f fo fv o i c es e r v i c e s a d o p t st h es c h e m eo fg u a r dc h a n n e l sa n dt h eh a n d o f f o fd a t as e r v i c e se m p l o y st h e s c h e m eo f q u e u e i n gm o d e l p e r f o r m a n c e sm e a s u r e so b t a i n e di n c l u d ec a l lb l o c k i n g p r o b a b i l i t y ，h a n d o f f r e f u s e dp r o b a b i l i t ya n d c a r r i e dt r a f f i c t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e s c h e m ec a r lg r e a t l yr e d u c et h eh a n d o f fr e f u s e dp r o b a b i l i t yo fd a t as e r v i c e s s e v e r a l s c h e m e so fd y n a m i cb a n d w i d t hr e s e r v a t i o na r ec o m p a r e da n dt h ea p p r o p r i a t ew a y t h a tc a nb eu s e di ng c q si sp o i n t e do u t t h e d e l a y j i t t e ro f t h es t r e a ms e r v i c e ss u c h a sv o i c ea n dv i d e ow h e naw i r e l e s sa t m t e r m i n a li si nh a n d o f fi sa n a l y z e d ab u f f e ra tt h em o b i l es t a t i o ni ss e tt oe l i m i n a t e t h ej i t t e r t h ew a yo fd i v i d i n gt h ed e l a yu n i t sa n dd e t e r m i n i n gt h eb u f f e rl e n g t h a c c o r d i n g t ot h eu p p e rb o u n do f t h ed e l a yu n i t si sa l s og i v e n b e c a u s eo f t h eh a n d o f f t h ec b rs e r v i c e si nt h em o b i l es t a t i o nm a ye n c o u n t e rt h ep r o b l e mo f d e l a yj i t t e r i t c a na f f e c tt h ed e s i g no fm a c p r o t o c o lp a r a m e t e r s aw a yo fa d j u s t i n gt h em a c p r o t o c o lp a r a m e t e r sb a s e d o nt h eh a n d o f f d e l a yi sg i v e n k e y w o r d s ：w i r e l e s sa t m ，m e d i aa c c e s sc o n t r o l ( m a c ) ，l o g i c a ll i l l l ( c o n t r o l ( l l c ) ，t r a n s m i td i v e r s i t y ，h a n d o f f i v 北方交通大学博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 现代科学技术尤其是信息技术的迅猛发展正推动现代社会向信息社会迈进，宽带 化、智能化、个人化是信息社会的主要特征。由于新技术革命的推动，经济全球化和社 会信息化趋势日益明显，将大大激发对通信信息的市场需求，通信信息产业将获得飞速 发展。移动通信技术是通信技术中一道亮丽的风景线，其发展速度和通信用户数增长速 度一直保持着名列前茅的位置。移动通信的发展走过了从模拟到数字、从单一业务到综 合业务的过程，现在正在走向第三代，其主要思想是实现全球漫游和支持多媒体业务， 具有更宽的频带和采用更高的射频频率能传输更高的数据率和多媒体信息，进步满 足社会经济和文化生活的需要1 1 。 1 1 选题背景 1 1 1无线数据通信 无线数据通信可以分成两大类，一类是点对点的无线数据通信系统，它们可以采用 不同的传输速率和载波频率。另一类是采用c d m a 、t d m a 、f d m a 、s d m a 和a l o h a 等多址技术的蜂窝结构的无线数据通信系统。由于第一类系统仅用于某些专用的环境 下，在这早只研究能提供某种漫游功能的无线数据通信系统，它包括不同的移动数据通 信系统和无线宽带本地接入系统，些典型的应用形式见表1 1 。 从用户和市场的观点看，移动数据通信系统和无线宽带本地接入系统的功能是不重 叠的，移动数据通信系统可以看作是调制解调器的替代品，其最典型的应用就是收发电 子邮件，而无线宽带本地接入系统基本上是为本地的、室内的计算机系统的短距离高速 通信而设计的，它可以采用普通的无线链路，也可采用红外线链路的方式。 移动数据通信系统的主要功能是提供具有大范围移动性和漫游功能的低比特率无 线数掘传输，如g s m 数据业务、g p r s 和h s c s d 以及正在研究丌发的第三代移动通信 系统。i f 无线宽带本地接八系统仅仅在小范围、受限制的区域内提供移动性。 北方交通大学博士学位论文第一章绪论 表1 1网络和无线接入方式 无线数据接入方式数据速率主干网 d e c t lm b p s ( 每用户速率)i s d n g s m 数据业务，窄带c d m a 9 6 k b p s ( 每用户速率) i n t e m e t g p r s 1 7 1 2k b p s ( 每用户速率)i n t e m e t e d g e 3 8 4 k b p s ( 每用户速率) i n t e r n e t c d p d1 9 2k b p s ( 每用户速率)i n t e m e t w - c d m a ，c d m a 2 0 0 0 ，t d s c d m a 0 三h 2 一e + l h ，+ l 0 在为信元生存时间足够小和缓冲区队列长度足够大的的r t - v b r 终端移动台分配完 时隙后，基站调度台为数据终端分配时隙。如果在为数据终端分配完时隙后，在这一帧 中仍有空闲时隙，调度台检查基站设置的r t v b r 终端请求队列，根据其缓冲区的信元 数，考虑整个系统的请求，再次为r t v b r 终端分配时隙。在经过这一步后，如果仍有 时隙空闲，调度台将剩余的时隙为r t v b r 终端请求队列中的移动台平均分配。时隙分 配过程见图2 “a 一2 1 1 b 。采用这种分配方式，在满足r t v b r 终端时延要求的基础上， 尽量利用了空闲时隙，在低负载的情况下能使r t v b r 终端的时延进一步减小。 2 非实时数据业务的调度 在 11 中，突发数据业务也采用短分组捎带的形式，短分组中的数据为移动台缓冲 区信元队列的绝对长度，这种方法为每一个数据终端都准备了一个用于捎带的微时隙， 无论它的缓冲区中有没有信息等待发送，缓冲区队列的长度多大，都要安排微时隙，浪 费了信道资源。【1 2 】中的结论表明，在上行突发数据包的包头中，预留4 比特用柬传输 数据终端的缓冲区的信元队列信息已经足够准确。在此，也用4 个比特用于数据业务预 留时隙。 2 9 北方交通大学博士学位论文第二章无线a i m 竞争琐约混合调度多址接入_ | 卉议 鲁曼量兽喜詈曼| 鼻量舅鼍皇曼量| 舅舅曼宣| 奠舅量_ ， 这4 个比特就对应缓冲区队列长度的1 6 个状态，用i 表示，用如下的编码规则来指 示缓冲区的队列长度。 假设基站认为的缓冲区中的信元个数为l i ，则当0 1 s2 时，厶= ，；而当3 s i 1 5 o 时，l = 2 “2 。而基站为此移动终端分配的时隙数为s ，= s 肚厶工，其中s 胁为一 j t l 帧中分配完c b r 和r t v b r 业务后剩下的时隙数，。为激活的数据终端的个数，可以 看出，这种分配方式为缓冲区中信元数多的移动终端分配了更多的时隙。 3 c b r 业务的调度 c b r 业务是恒定比特率业务，在一帧的周期内c b r 终端产生的信元数是不变的， 因此可以为它们周期性地分配固定数量的时隙。基站的具体的调度算法见流程图2 1 2 a 和图21 2 b 。 4 不能捎带时上行业务的调度方法 c b r 业务采用o n o f f 模型，当c b r 终端处于o f f 状态时，仍然为c b r 业务分 配固定的带宽，这样就浪费了系统的带宽。同时，突发数据业务终端的缓冲区中没有信 元时，也无法进行捎带，此时应该采用别的办法进行带宽的预约和分配。在这里采用的 办法是让这些终端竞争每一帧帧尾中的预留竞争微时隙，以解决c b r 业务的o n o f f 状态的变化和突发数据业务无法捎带时的问题。 3 0 。 图2 1 2 a 无线a t m 基站调度流程图 3 1 北方交通大学博士学位论文 第二章无线a t m 竞争预约混合调度多址接入协议 否 是 计算vbr 终端总的 缓冲队列的信元数 为vbr 终端 分配时隙 否还有剩 时隙? 上是 将剩余时隙平均分配给 vbr 链表中的vbr 终端 结束 图2 1 2 b 无线a t m 基站调度流程图 2 2 3c r h s m a 协议的竞争接入过程 在无线a t m 的帧中预留有一部分竞争微时隙，竞争的过程如下： 竞争的移动台随机选择微时隙中的一个进行接入，如果发生碰撞，则移动台等到下 一帧爿继续发送。基站在下一帧的下行链路帧头中广播上一帧的竞争接入的结果。上行 链路的竞争采用s l o t t e d a l o h a 协议，其中竞争微时隙的数目可以动态调整，动态时隙 调整的目的是在提供尽可能大的带宽作预约时隙的同时，又尽量减小竞争移动台的网络 接入时延。采用的办法是首先每帧预留一定数量的微时隙，当基站检测到有n 个冲突发 生，并且在所有的微时隙中有m 个空闲时，意味着此时小区中至少有2 n 个移动台在参 加竞争，设下一帧增加的微时隙数为k ，则有： t = f 小 而如果所有的微时隙上都没有发生冲突 帧中减少一个微时隙。 2 n m 2 n 0 ，l ( t ) 满足：l i m l ( z x ) l ( r ) = l 。 其有长时相关性的随机过程的特点是：当间隔值r 增大时，其自相关函数是不可加的， 即有：。p ( o = m a 具有长时相关性的随机过程其自相关函数的不可加性意味着：尽管间隔值t 很大使 3 7 北方交通大学博士学位论文 第二章无线a t m 竞争预约混合调度多址接入协议 每 单独的自相关函数值p ( r ) 很小，但它们累积起来的影响却很重要，与传统的只有短 时相火性的随机过程具有明显的区别。 3 2 中的结果表明，如果数据源具有o n 和o f f 的周期，当o n 状态或o f f 状态持 续的时f l 均值为有限值，而方差为无限大( 重尾) 时，其聚合业务就具有以上讨论的自 相似性。当以下等式中的a 值小于2 时，p a r e t o 分布就是重尾分布的一种： f ( x ) = l 一( ) 8 ，x 0 ( 23 ) x + 在仿真中，采用两种不同的模型来模拟非实时数据业务，第一种方法采用重尾的 p a r e t o 分布来决定分组的到达间隔时间分布，第二种采用泊松到达模型决定数据分组的 到达间隔时间，而分组的长度采用离散均匀分布。 图2 2 0 和图2 2 1 分别为均值为1 的泊松分布和p a r e t o 分布的时阳j 序列图。 图22 0 均值为1 的泊松分布时间序列图2 2 1 均值为1 的p a r e t o 分布时间序 2 3 2仿真结果及讨论 论文中，将按以下三种情况来讨论系统的性能： 1c r h s m a 协议和c f d 3 r m a c 协议的比较； 2 系统中存在c b r 业务和实时v b r 业务时的情况； 3系统中不同的非实时v b r 业务对v b r 业务的误码率性能的影响。 系统中采用的仿真参数见表2 1 。 3 8 北方交通大学博士学位论文第二章无线a t m 竞争预约混合调度多址接入协议 表2 1 仿真参数 仿真参数 值 帧长度3m s 信道速率 2 0 m b p s 时隙长度2 2 5 t t s 微时隙长度2 5u s 话音激活期长度 1 o os 话音静默期长度 1 3 5s 话音编码速率 3 2 k b p s 一个视频帧的平均信元数1 0 4 9 一个视频帧的方差( 信元)8 8 2 0 9 视频帧的相关系数，p 0 9 8 4 视频帧的长度4 0 m s 平均n r t - v b r 的突发长度4 8 k b n r t - v b r 白相似业务源的p a r e t o 的成形参数 1 1 n r t v b r 突发的平均间隔时间 ls 视频信元的最大传输时延 3 0m s 评价的性能指标有三项，分别是信元传输时延、信元丢失率和信道利用率。信元传 输时延是信元产生到信元完成接收所花费的时间，信元丢失率是指丢弃的信元数和产生 的总的信元数的比值。而信道利用率是指用于传输无线a t m 信元的微时隙数和一帧中 总的微时隙数的比值。在论文中，仅仅考虑了上行链路的发送情况，因此总的微时隙数 为6 0 0 ，为一帧中总的微时隙数的5 0 。 八一 ” ” 主三二o - _ = = = = = = = = 妻= = = = = = = = = = = j b u rl e n a m o f m o r a l e 图2 2 2 系统中实时v b r 终端数为 6 时信元丢失率 卜一，：勰。 ”s ” l 3 9 b u f f e rl e n g l l lo f m o r a l e 图2 2 3 系统中实时v b r 终端数为 7 时信元丢失率 苎垄茎塑查兰堕主兰位论文第二章无