（通信与信息系统专业论文）tdscdma与ad+hoc网络融合的mac协议研究.pdf

摘要 本学位论文的研究课题来源于江苏省科技成果转化专项资金项目“基于多网融合技术的 t d - s c d m a 多模终端的研制及产业化( b a 2 0 0 6 1 0 1 ) ”，其主要任务是分析t d s c d m a 蜂窝网 与白组织网络( a dh o en e t w o r k s ) 相融合的关键技术，提出一种将t d s c d m a 与a dh o e 网络 相融合的媒体接入控制( m a c ，m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层协议。 a dh o c 网络与t d s c d m a 蜂窝移动系统相结合，能够利用移动终端的多跳转发能力扩大蜂 窝移动通信系统的覆盖范围、均衡相邻小区的业务、提高小区边缘的数据速率等等。本文在 t d s c d m a 标准的空中接口上，根据终端不同的工作模式提出了时隙划分策略，在此基础上提 出了一种将t d s c d m a 与a d h o c 网络融合的m a c 协议，该协议是冲突避免的，有效地解决了 暴露终端与隐藏终端的问题，结合功率控制算法，还有效地降低了功耗，提高了整个网络的容量。 本文分五章。第l 章介绍课题背景、课题内容以及本学位论文的章节安排。第2 章概述蜂窝 网与a dh o c 网络融合的优势及发展趋势，讨论了国际上的研究现状，并对国际上提出的几种模 型进行了分析。第3 章首先重点介绍t d - s c d m a 标准的物理层和m a c 层，然后讨论a dh o c 网 络的分层参考模型和关键技术，详细介绍了a dh o c 的m a c 层技术。第4 章首先提出t d s c d m a 与a dh o e 网络融合的网络模型，划分了三种工作模式，然后针对不同的工作模式提出了时隙的 划分策略，在逻辑上定义了网关模式与a dh o e 模式下的帧结构，在此基础上提出了一种结合功 率控制的m a c 协议。第5 章首先推导了t d s c d m a 与a d h o e 网络融合后基站的上行链路极限 容量公式，论证了t d s c d m a 与a dh o e 网络相融合后可以提高整个系统的用户容量，然后分 析了a dh o c 模式下系统的接入概率、吞吐量与接入时延等性能指标。 关键词：t d s c d m a ，自组织网络，多网融合，媒体接入控制，功率控制，性能分析 a b s t r a c t 1 1 1 er e s e a r c hs u b j e c to ft h i st h e s i si ss u p p o r t e db yt h ek e yh a r r e s tc e n v e r s i o nf o u n d a t i o no f j i a n g s up r o v i n c e w i n c hi sn a m e dr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fm u l t i - m o d et d s c d m at e n n i n a l b a s e do nt h et e c h n o l o g yo fm u l t i - n e t w o r k sc o n v e r g e n c ea n di t si n d u s t r i a l i z a t i o n sm a 2 0 0 6 1 0 1 ) t h em a i nt a s ki st oa n a l y z et h ek e yt e c h n i q u e so ft h es y n c r e t i cn e t w o r k st h a ti n t e g r a t e dt d s c d m a c e l l u l a t n e t w o r ka n d a dh o cn e t w o r k s ，a n dt op r o p o s eam a cp r o t o c o lf o r t h ei n t e g r a t e dn e t w o r k s i n t e g r a t i o no ft d s c d m aa n da dh o cn e t w o r k sc a r te x p a n dt h ec o v e r a g eo fc e l l u l a rm o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，b a l a n c et h eo p e r a t i o no fn e i g h b o r i n gc e l l sa n di m p r o v et h ed a t am t eo fc e l l e d g cu s i n gt h em u l t i - h o pa n dr e l a yc a p a b i l i t yo fm o b i l et e r m i n a l s as l o ta s s i g n m e n ts t r a t e g yb a s e do n d i f f e r e n to p e r a t i o nm o d e so ft o n n i n a l s0 1 1t d 。s c d m ai n t e r f a c eh a sb e p r o p o s e d a n dam a c p r o t o c o lf o rt h ei n t e g r a t e dt d s c d m aa n da dh o cn e t w o r k sh a sa 1 8 0b e e np r e s e n t e d ，i nw i n c ht h e c o l l i s i o ni sa v o i d e d t h i sp r o t o c o le f f i c i e n t l yr e s o l v e st h ep r o b l e m so f h i d d e nn o d e sa n de x p o s e dn o d e s c o m b i n n i n gt h ep r o t o c o la n dt h ep o w e rc o n t r o l , t h ep o w e ri ss a v e da n dt h en e t w o r kc a p a c i t yi s i m p r o v e d t l l i st h e s i si sd i v i d e di n t of i v ec h a p t e r sa sf o i l o w 8 i nc h a p t e rl 。t h eb a c k g r o u n do f t h er e s e a r c ht a s ka n dt h ea r c i n t e c t o r eo f t i n st h e s i sa r ei n t r o d u c e d t h ea d v a n t a g e sa n dd e v e l o p m e n tt r e n do fi n t e g r a t i n gc e l l u l a ra n da dh o cn e t w o r k sa r eb r i e f l y i n l r o d u c e di nc h a p t e r2 1 1 1 ei n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hs i t u a t i o na b o u tt h i ss u b j e c ti sd i s c u s s e d f i n a l l y , s o m em o d u l e sp r o p o s e db yi n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h e r sa r ed i s c u s s e d i nc h a p t e r3 f i r s t l y , t h ep h yl a y e ra n dm a c l a y e ro f t d s c d m a a r ee m p h a s i z e d s e c o n d l y , t h e r e f e r e n c em o d e l so fd i f f e r e n tl a y e r sa n dk e yt e c h n o l o g i e so fa dh o cn e t w o r k sa r cd i s c u s s e d f i n a l l y , t h et e c h n o l o 面e si nm a c 1 a y e ro f a dh o cn e t w o r k sa r ei n t r o d u c e di nd e t a i l t h es y n c r e t i cn e t w o r km o d e li sp r o p o s e d ，a n dt h r e ew o r km o d e sa l ed e f i n e di nc h a p t e r4 b e s i d e s ， d i f f e r e n ts l o ta s s i g n m e n ts t r a f e 面e sb a s e do nd i f f e r e mw o r km o d e sa r ep r o p o s e d 1 1 】es t r u c t u r e so f t h e f t a n i e si ng a t e w a ym o d ea n da dh o cm o d ea t ed e f i n e dl o g i c a l l y t h e n , t h em a c p r o t o c o lc o n s i d e r i n g p o w e rc o n t r o li sp r o p o s e d i nt h el a s tc h a p t e r , t h ee q u a t i o no f u p l i n kl i m i t e dc a p a c i t yo f b a s es t a t i o ni nt h es y n c r e t i cn e t w o r k t h a ti n t e g r a t e dt d s c d m aa n da dh o cn e t w o r k si sd e r i v e d t h e n t h ef a c tt h a tt h ei n t e g r a t e d t d - s c d m aa n da dh o cn e t w o r k sc a r li m p r o v et h ec a p a c i t yo f w h o l en e t w o r ki sd e m o n s t r a t e 正如t h e e n d , t h ep e r f o r m a n c er n e a 懿h 嚣s u c ha st h ea v e r a g ea c c e s sp r o b a b i l i t y , t h r o u g h p u ta n da v e r a g ea c c e s s d e l a yi na dh u cm o d e a r ea n a l y z e d k e yw o r d s ：t d s c d m a ，a dh o c ，m u l t i - n e t w o r ki n t e g r a t i o n ，m a c ，p o w e rc o n t r o l ，p e r f o m m c e a n a l y z e h 缩略语 ( 按文中出现顺序) 自组织网络( a dh o cn e t w o r k s ) 媒体接入控制( m a c ，m e d i u m a c c e s s c o n t r 0 1 ) 国际电信联盟( i t u ，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 ) 第二代移动通信系统( 2 ( 3 ，2 n dg e n e r a t i o n ) 第三代移动通信系统( 3 g ，3 r d g e n e r a t i o n ) 时分双工( t d d ，t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 蜂窝与自组织网络融合的中继技术( i c a r ，i n t e g r a t i o n o f c e l l u l a r a n d m o d e r n a d h o c r e l a y i n g t e c h n o l o g i e s ) 蜂窝与自组织网络统一的体系结构( u c a n ，au n i f i e dc e l l u l a ra n da dh o cn e t w o r k a r c h i t e c t u r e ) 用于蜂窝系统的普适a d h o c 中继( p a r c e l s ，p e r v a s i v e a d h o c r e l a y i n g f o r c e l l u l a r s y s t e m s ) 移动援助连接请求( m a c a ，m o b i l e - a s s i s t e dc o n n e c t i o n - a d m i s s i o n ) 多跳蜂窝网络( m c n ，m u l t i - h o pc e l l u l a r n e t w o r k ) a dh o c 转发台( a r s ，a dh o cr e l a ys t a t i o n ) 移动交换中心( m s c ，m o b i l es w i t c h i n gc e n t e r ) 专用信道( d c h ，d e d i c a t e dc h a n n e l ) 高速率传送( h d r ，h i g l ld a t ar a t e ) 信道借用( c b ，c h a n n e lb o r r o w i n g ) 无线资源控制( r r c ，r a d i or e s o u r c ec o n t r 0 1 ) 正交可变扩频因子( o v s f ，o r t h o g o n a lv a r i a b l es p r e a d i n gf a c t o r ) 下行导频时隙( d w p t s ，d o w n l i n kp i l o tt i m es l o t ) 保护间隔( g p ，g u a r dp e r i o d ) 上行导频时隙( u p p t s ，u p l i n kp i l o tt i m es l o t ) 无线链路控制( r l c ，r a d i ol i n kc o n t r 0 1 ) 传输格式( t f ，t r a n s p o r tf o r m a t ) 用户设备( u e ，u s e re q u i p m e n t ) 业务接入点( s a p ，s c l v i c ca c c e s sp o i n t ) 无线网络控制器( r n c ，r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ) 控制无线网络控制器( c r n c ，c o n t r o l l i n gr a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r ) 服务无线网络控制器( s r n c ，s e r v i n g r a d i o n e t w o r k c o n t r o l l e r ) 接入服务等级( a s c ，a c c e s ss e r v i c ec l a s s ) 高速f 行分组接入技术( h s d p a ，h i g hs p e e d d o w n l i n kp a c k a g e s a c c e s s ) m a c 逻辑信道优先权( m l p ，m a cl o g i cc h a n n e lp r i o r i t y ) 逻辑链路控制( l l c ，l o g i cl i n kc o n t r 0 1 ) 通川电信无线接入频分双工( u m t sf d d ，u n i v e r s a lt e l e c o m m u n i c a t i o n r a d i oa c c e s sf d d ) 协议数据单元( p d u ，p r o t o c o ld a t au n i t ) 分布协调功能( d c f ，d i s t r i b u t e dc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) v 点协调功能( p c f ，p o i n tc o o r d i n a t i o nf u n c t i o n ) 误比特率( b e r ，b i te r r o rr a t e ) 中国无线通信标准化组织( c w t s ，c h i n a w i r e l e s s t e l e c o m m u n i c a t i o n s s t a n d a r d s g r o l l p ) 通用地面无线接入时分双工( u n i a t d d ，u n i v e r s a l t e l e c o m m u n i c a t i o n r a d i o a c c e s s t d d ) 功率损耗问题( p i p ，p o w e ri m p a i r m e n tp r o b l e m ) 网关广播信道( g b c h ，g a t e w a yb r o a d c a s tc h a n n e l ) 网关控制信道( g c c h ，g a t e w a yc o n t r o lc h a n n e l ) 网关数据信道( g d c h ，g a t e w a yd a t ac h a n n e l ) a dh o c 广播信道( a b c h ，a dh o cb r o a d c a s tc h a n n e l ) a dh o c 控制信道( a c c h ，a dh o cc o n t r o lc h a n n e l ) a dh o c 数据信道( a d ( m ，a dh o cd a t ac h a n n e l ) 多用户检测( m u d ，m u l t i - u s e rd e t e c t i o n ) 背景噪声提升( b n r ，b a c k g r o u n dn o i s er i s e ) v 1 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。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。 研究生签名：主匠叠! 二e l 期：旦星：三：之互 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查 阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：乏整豸! 二导师签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 移动通信和互联网的飞速发展，使得信息获取和传输的方式发生了很大的变化，人们能够以 无线接入的方式随时随地实现各种通信需求，由此出现了针对不同应用的多种网络，从不同层次 满足人们日益增长的通信需求。无线局域网、无线个域网、车域网、家域网、蜂窝移动通信网及 卫星广域网等都是具有代表性的网络，在为解决频率资源与系统容量的矛盾提供有意义的解决方 案的同时，多种网络并存所带来的矛盾和问题也逐步显现。在这一背景下，多网融合平台技术应 运而生，代表着下一代网络的发展方向。现阶段国际上多网融合的基本方向是以口为基础的， 在我国，人们常指电信网、计算机网和广播电视网的三网融合。事实上。融合是指在技术上实现 协议的互通，在业务上实现内容的互通，使一网专属的业务铺设到整个融合的网络中，并拓展出 新的业务。本项目将这一概念加以延伸，在已有成果基础上实现包括蜂窝网、i n t e r a e t 、电信网 在内的骨干网与包括家域网、个域网和车域网等在内的无线接入网络的融合。 在蜂窝系统的概念提出后，从以模拟调制、频分多址为主要特征的模拟蜂窝系统，具有保密 性强、频谱利用率高、能提供丰富的业务、标准化程度高等特点的第二代移动通信系统( 2 g ， 2 n dg e n e r a t i o n ) ，到现在的第三代移动通信系统( 3 g ，3 r dg e n e r a t i o n ) w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 、 t d s c d m a 以及最近被国际电信联盟( i t u ，i l l t e m a t i l a l t e l e c o m m u n i c a t i o n u n i o n ) 接纳为3 g 标准的w i m a x ，蜂窝侈动通信网络经历了飞跃发展。 在3 g 标准领域，我国提出的t d s c d m a 以其独特的技术优势备受关注。由于国内庞大的 市场前景，这一标准受到了各大主要电信设备厂商的重视。全球一半以上的设备厂商都宣布可以 支持t d s c d m a 标准。它是目前国际上惟一能够进行商用的时分双工( t d d t i m ed i v i s i o n d u p l e x ) 方式3 g 标准，这意味着国际统一划分的t d d 频段将全部由t d - s c d m a 技术使用，为 实现全球应用和漫游提供了宝贵的频率资源，也为中国设备制造商和运营商利用自身优势走向国 际市场提供了难得的机会。具有我国自主知识产权的t d s c d m a 技术不仅适用于公众网络，而 且适用于军队、电力、油田、水利等与国家安全和社会保障密切相关的专用通信网络，因此，对 t d s c d m a 技术的研究和开发不仅对国民经济的发展具有重要作用，在国家安全和社会保障方 面更具备得天独厚的优势，它能够把中国的移动通信事业带入一个崭新的发展时代。 a dh o c 网络又叫无线自组织网络、多跳网络，是一种由一些带有无线收发装置的移动节点 组成的多跳临时自治系统。不同于有中心的集中式控制蜂窝移动通信系统，a dh o c 网络是一种 有特殊用途的对等式网络，网络中各节点相互作为其邻居节点的路由器，通过节点转发实现节点 间通信。与其他传统通信网络相比，a dh o c 网络具有动态变化的网络拓扑、自动配置、多跳、 无中心和自组织性等显著特点，无需任何预先铺设的网络设施就可实现快速自动组网，因此可以 作为许多现有通信网络的扩展和接入手段。将a dh o c 网络与蜂窝移动通信网络相结合具有很多 优势，例如可以扩展蜂窝网络的覆盖范围，提高蜂窝系统的容量，平衡相邻小区业务，减少基站 数量，降低移动终端的功耗，是目前通信领域的热门课题。根据目前t d s c d m a 技术的发展现 状和趋势，研制a dh o c 网络与t d s c d m a 技术相结合的多模移动终端具有重要的意义。 本学位论文的任务是基丁t d s c d m a 标准的物理层空中接口，提出一种将t d - s c d m a 蜂 窝网络与a dh o c 网络融合的媒体接入控制( m a c ，m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层协议。使移动终 端既能以正常的方式接入蜂窝网与基站通信，也能以自组织的形式组成分布式的a dh o c 网络， 在该a d h o c 网络中，终端能够以多跳的形式接入基站或者与其他终端通信。 东南大学硕士学位论文 本文共分五章，各章的主要内容如下： 第1 章绪论。介绍课题背景，课题内容以及本论文章节安排。 第2 章蜂窝网与a dh o c 网络的融合方案。概述了蜂窝网与a dh o c 网络融合的优势及发展 趋势，讨论了国际上的研究现状，并对国际上提出的几种模型进行了分析。 第3 章t d s c d m a 与a dh o c 网络的关键技术。首先介绍了t d s c d m a 标准的物理层和 m a c 层，然后讨论a dh o c 网络的分层参考模型、关键技术，特别是a dh o c 的m a c 层技术， 并论述了将t d s c d m a 与a dh o c 网络融合的优势与需要解决的关键技术问题。 第4 章t d s c d m a 与a dh o c 融合的m a c 层协议。对t d s c d m a 与a dh o c 网络融合的 场景进行了分析，划分了三种工作模式，针对不同的工作模式提出了时隙的划分策略，在逻辑上 定义了网关模式与a dh o c 模式下的帧结构，在此基础上提出了一种结合功率控制的m a c 协议。 第5 章t d s c d m a 与a dh o c 融合的性能分析。首先推导了t d ，s c d m a 与a dh o c 网络融 合后基站的上行链路极限容量公式，论证了t d s c d m a 与a dh o c 网络相融合可以提高整个系 统的网络容量，并且分析了a dh o c 模式下系统的平均接入概率、吞吐量与平均接入时延等性能 指标。 2 第2 章蜂窝网与a d h o e 网络的融合方案 第2 章蜂窝网与a dh o e 网络的融合方案 随着研究的不断深入，a dh o t ：网络的优势越来越明显，它已经开始被当作下一代移动通信 网络的一种应用方案。由于a dh o c 网络具有组网灵活的特性，目前已成为国际上研究的热点之 一，但是想要大范围的应用a d h o c 网络仍然有很多困难。目前的解决方法和研究热点是将a d h o e 网络与其他现有网络融合，例如蜂窝网、i n t e m e t 网。作为现有移动通信网络在热点地区的补充， a dh o c 网络可以提供高速宽带的语音、数据和图像业务。 a dh o c 网络与蜂窝移动网络相结合，利用移动终端的多跳转发能力可以扩大蜂窝网的覆盖 范围、均衡相邻小区的业务、提高小区边缘的数据速率等。 本学位论文主要研究蜂窝网与a dh o e 网络的融合。国际上相关研究小组很多，也提出了多 个系统模型，其中有蜂窝与现代a d h o c 中继技术的融合( i c a r ，i n t e g r a t i o n o f c e l l u l a r a n d m o d e l m a d h o e r e l a y i n g t e c h n o l o g i e s ) ，统一的蜂窝与a d h o c 网络体系结构( u c a n ，a u n i f i e d c e l | u l a ra n d a dh o cn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ) ，用于蜂窝系统的普适a dh o c 中继( p a r c e l s ，p e r v a s i v ea dh o c r e l a y i n g f o rc e l l u l a rs y s t e m s ) ，援助移动连接请求( m a c a ，m o b i l e a s s i s t e dc o n n e c t i o n - a d m i s s i o n ) ，多跳蜂窝网( m c n ，m u l t i - h o p c e l l u l a r n e t w o r k ) 等。下面简要介绍这几种方案。 2 1i c a r 融合方案 i c a r 系统最早提出将传统蜂窝网和a dh o e 转发技术相结合，重点针对解决蜂窝系统中信息 流量不均衡时的拥塞问题【l ji z j 。i c a r 系统通过在小区间使用a dh o c 转发台( a r s ，a dh o cr e l a y s t a t i o n ) 将数据流从一个小区动态转移到其他小区，从而有效地平衡小区间的流量负载。这不仅 增加了系统的容量还可以减少移动节点的发送功率，并且扩展了系统的覆盖面积 基站和a r s 的主要不同在于：一旦基站建立，通过有线接口连接移动交换中, l , ( m s c ，m o b i l e s w i t c h i n g c e n t e r ) 后它的位置就固定了，而a r s 是一个无线通信设备。a r s 的控制器要比基站 的简单很多。另外a r s 可以小范围地移动，并且能通过无线接口与移动用户、基站、其他a r s 直接通信。基础转发模式如图2 1 所示，拥塞小区b 中的移动用户x 通过两个a r s 与小区a 中 的基站( b s a ) 通信。 m o b i l eh o s t ( 瑚) a dh o cr e l a ys t a t i o n ( a r s ) r e a l y ( r ) i n t e r f a c e c e l l u l a r ( c ) i n t e r f a c e 图2 1 基础转发模式 每个a r s 有两个空中接口，c ( c e l l u l a r ) 接口是与基站之间通信的接口，r ( r e l a y ) 接口是 与移动节点或其他a r s 通信的接口。假定c 接口丁作在i9 0 0 m h z 频段，r 接口使用2 4 g h z 频段( 使用别的频段也可以，例如在2 g 系统中使用的是8 5 0 m h z ，3 g 系统使用的是2 g h z ) 。r 3 东南大学硕士学位论文 接口使用的m a c 协议与无线局域网或a d h o e 网络中使用的协议相似。由于a r s 的主要作用是 转发，因此每个a r s 的r 接口传输范围都远小于基站，这意味着a r s 的花费要远远小于基站。 a r s 之间可以相互通信，同时一定的移动性以及工作频段的不同使之能够与基站以较高的速率 通信。 直接与移动节点通信的a r s 称为代理( 直接与基站通信的a r s 称为网关，a r s 可以同时 作为代理和网关) ，只有a r s 作为网关时它才同时使用c 接口和r 接口，作为转发节点时它只 使用r 接口，这也意味着a r s 只有在作为网关时才使用专用信道( d c h ，d e d i c a t e d c h a n n e l ) ， 在这种情况下d c h 由m s c 动态的分配。 为了能够转发，移动节点需要有r 接口与a r s 通信。在正常的情况下移动节点还要通过c 接口与基站通信，因此移动节点与a r s 一样有两个接口。因此理论上讲移动节点也可以当作 a r s ，在其他移动节点和基站之间转发信号，但是这样一来安全、认证等问题都难以实现，因此 在i c a r 系统中移动节点没有用来转发数据包。实际上a dh o c 网络面临的最大问题都是因为节 点的快速移动同时缺少中央控制机制，a r s 的位置以及有限的移动都是通过m s c 控制的，因此 转发路径有较好的服务质量，并且一旦建立可以保持高稳定性，更适于实时应用。 2 2u c a n 融合方案 u c a n 也是将a dh o e 局域无线网引入广域无线网络从而提高网络的吞吐量”。在u c a n 中 移动设备也有两个接口( i e e e 8 0 2 1 l b 接口和3 g 接口) ) ，它把移动用户作为转发节点不需要额 外的设备开销。u c a n 体系中主要引入了高速率传送( h d r ，h i g h d a t a r a t e ) 和i e e e8 0 2 1 l b ， 每个移动设备有两个接口，它的体系结构如图2 2 所示。 ；硫酾矿 j 。黎护 图2 2 u c a n 的体系结构 移动设备都接入高数据速率的基站。代理用户的下行链路接收从基站发来的高速率数据包， 再通过i e e e8 0 2 1 l b 接口发送给转发用户，转发用户再发送给目标用户用户在此过程中一直 在检测高速率下行链路的信道状况。 建立宽带i e e e8 0 2 1 l b 链路有三个方面的问题： 1 ) 用户的位置总是在不断变化，基站如何发现具有高质量的代理，从而通过i e e e8 0 2 ，1 l b a d 4 第2 章蜂窝网与a d h o t ：网络的融合方案 h o c 接口到达目的用户。 2 ) 一旦已经建立的a d h o e 转发路由中断或者信道速率降低，基站和目的用户如何得到信息 并发现另一个新的代理 3 ) 每个移动用户是匿名的，怎样激励他们用自己有限的能量通过i e e e8 0 2 1 l b 接口为其他 用户转发数据包 为了解决这些问题，u c a n 提出了代理发现机制。只有低速率下行链路的移动节点通过i e e e 8 0 2 1 i b 接口发送路由请求，这个路由请求信息在邻近移动节点间广播，根据代理发现协议，寻 找到一个具有高速率下行链路的移动用户。这个路由请求转发的过程就在每个节点上建立了路由 信息，数据包可以通过相同路径到达目的节点，因此代理发现协议也可以作为路由建立协议。 代理节点发送一个代理应用信息给基站。根据此信息基站更新到达目的节点的代理表。从目 的节点下一个时间片开始，基站就通过代理节点将数据帧发送到目的节点。当代理节点收到数据 帧，它将检查帧中目的节点的标识段，并通过i e e e8 0 2 1 l b 接口到达目的结点，对于口数据包 可以使用口隧道封装数据帧。 高速率下行链路的信道质量在代理发现中是非常重要的参数，此外还要考虑移动节点的移动 速度。在u c a n 中设计了两个代理发现机制：g r e e d yp r o x yd i s c o v e r y 和o n - d e m a n dp r o x y d i s c o v e r y 2 3p a r c e l s 融合方案 p a r c e l s 是利用漫游移动用户来实现路由转发【4 】。它利用现有的蜂窝网设备而不需要附加的 移动设备来平衡通信负载，避免通信阻塞，减少延迟时间。从网络结构上说，它利用了多跳蜂窝 网的思想 传统蜂窝网中的通信都要通过基站或接入点实现，但由于频率资源的有限性，就算建立更多 的基站，拥塞问题仍然存在。当小区内移动用户超过负荷时就会发生拥塞，这种拥塞小区可以称 之为“热点小区”。为了避免热点小区，一种解决方法是减小小区的范围，增加小区数量，使每 个小区的用户数目下降，但这将需要建立大量基站来保证覆盖率，耗资巨大且基站的利用率很低。 另外一个方法就是将a dh o e 网络模式引入蜂窝网。a dh o e 网络在吞吐量，延时和节省功率 等方面都有较好的性能，其缺点是不适合应用到广域网。因此将a dh o e 网络与蜂窝网结合，利 用两种网络各自的优缺点解决热点拥塞问题。p a r c e l s 利用a dh o e 的特点将热点小区中的数据 流转发到有空闲信道的小区，从而在宏观上增加整个网络的容鼍。正如i c a r 中所提到的，蜂窝 网和a d h o e 网络可以结合在一起的一个很重要原因是它们使用了不同的频率带宽。 p a r c e l s 不需要附加的通信设备，而是利用移动节点实现路由转发。p a r c e l s 另一个特点 是负载平衡算法。为了更好的转发数据流，p a r c e l s 在严重拥塞发生之前就开始向邻近小区分流。 因此p a r c e l s 负载平衡的办法是先验式负载平衡和反应式负载平衡的结合。有了这样的结合， p a r c e l s 不仅能够获得负载平衡，还能够减少控制通信负载和建立等待时间。在选择转发路由时。 p a r c e l s 要考虑很多因素，如当前小区内拥塞情况，a dh o c 网络中的通信状况，节点移动信息 等等，这样才能够找到高质量的转发路径，同时避免潜在的a dh o c 通信干扰。 2 3 1 转发机制 先讨论简单的转发机制：拥塞严重的小区内一个移动节点有新的通信，要求移动节点要先搜 索有无转发路由到空闲小区。 如图2 3 所示，移动节点m 有新电话，但小区已经拥塞，因此m 找到了一条转发路由，通 s 东南大学硕士学位论文 过b 小区进行通信。这种简单的转发机制有如下三个问题： 1 ) 转发路由可能有很多跳，假如移动节点正好在小区中心附近而远离其他小区，为了通过 其小区转发，它的转发路由就会经历多跳。由于移动性，转发的跳数越多，路由中断的可能性就 越大，转发路由的可靠性就越差。 2 ) 转发路由的质量可能会很低，如果转发路由正好经过a dh o c 热点区域。即a dh o c 网络 有繁忙的数据通信。那么转发路由的可靠性也会很差。 3 ) 在热点小区的移动节点有大的初始化延迟无法满足实时通信要求。 基站通过r 接口通信 口移动主机 一 通过c 接口通信 图2 3 简单转发机制 出现上述问题的原因主要在于如下两点： i ) 移动节点之间没有协调操作。通过协调，系统性能会大大提高。在图2 3 中，通过协调， 移动节点k 释放了它当前数据信道给移动节点m ，而k 可以通过较短的转发路由到达小区b 。 2 ) 寻找转发路由完全是反应式的，因此，不但路由质量低，建立延迟也较大。 为了克服上述方法的缺点，p a r c e l s 提出根据小区的状态来协调移动节点之间的操作，以 此提高转发路由的质量，同时这样的协调操作能够防止严重阻塞，降低路由初始建立时间。图 2 4 给出了改进后的转发机制，仍然用图2 3 的例子来说明，拥塞小区a 中移动节点m 有新的通 信需求，由于在图2 4 中引入了协调机制，通过定位信息，移动节点k 距离b 小区有较短的转发 路由，因此它通过i 跳接入小区b 而释放了小区a 的信道给i n ，使得n l 由原来的5 跳接入小区 b 变成直接接入小区a ，而k 只多了l 跳。 2 3 2 拥塞状态 小区内的移动节点从基站获得小区的状态信息，为了告诉移动节点有关信息，基站可以周期 性的广播自己的拥塞状态给小区内所有移动节点。为避免附加的通信开销，可以将状态声明加入 b e a c o n 消息，这种声明被称为“拥塞指示”。拥塞指示包括两种状态：普通拥塞和严重拥塞。在 p a r c e l s 中，拥塞状态反应在专用控制信道d c h 的占用情况上。在p a r c e l s 系统中普通拥塞 占用率为9 0 - 9 5 ，严重拥塞在9 5 以上。 6 第2 章蜂窝网与a d h o e 网络的融合方案 基站通过r 接口通信 口移动主机一-通过c 接口通信 2 4m a c a 融合方案 图2 4 改进后的转发机制 在传统蜂窝网中每个小区的信道数目是固定的，在静态负载下信道复用可以达到最优化，并 且信道分配的管理大大简化。但是在移动通信系统中信道状态是不断变化的，静态的信道分配方 式就导致了其信道利用率不高。当负载增加时，拥塞状况就会进一步加剧。m a c a 是一个动态 信道分配机制，它也是在固定基站的蜂窝网中引入a dh o e 转发技术1 5 】。m a c a 中移动节点具有 a d h o c 特性的信道称为a d h o c 信道，蜂窝网中的信道称为r f 信道。a d h o e 信道被用来直接连 接不同小区内的移动节点，负载较重小区的移动节点可以通过两跳路由接入到附近负载轻的小 区。 2 4 1m a c a 体系结构 m a c a 网络的体系结构如图2 5 所示，阴影小区是热点小区，用实线画出的信道是蜂窝信道， 虚线是a dh o c 信道，用户b 、d 和g 称为代理，它们作为转发节点帮助其他移动用户从热点小 区接入其他小区的基站。m a c a 一般是两跳的转发路由，这样可以保证转发路由的服务质量， 但它允许更多跳。 图2 5m a c a 网络体系结构图 7 东南大学硕士学位论文 这种机制有些像信道借用( c b ，c h a n n e lb o r r o w i n g ) 机制，当一个小区没有足够多的信道 时，它从邻近小区租借一个或者更多信道。但是信道借用有“信道锁定”等问题，因为它改变了预 先的频率复用模型。而m a c a 中不存在这种问题，在弱信号点的移动节点将数据转发给代理而 不是简单的增加功率，然后代理再发送给基站。这对于增加c d m a 网络容量非常有帮助。在无 线网络中，需要对m a c a 中的移动单元的建立和链接进行维护，即要在a d h o e 信道和蜂窝信道 中附加控制信号。而在c b 中控制费用是由信道重定位、信道维护、发送功率估计、同步以及信 道锁定等引起的，它需要更高水平的核心网控制功能。 假设蜂窝网知道每个移动节点的位置，为了减少系统的负载性，在m a c a 中只用到一跳的 a dh o e 链接。移动节点可以通过基站的控制信道交换简单有限的控制信息，同时移动节点可以 工作在不同的频段上( 蜂窝信道和a d h o e 信道) 。 2 4 2m a c a 的切换操作 用户在通信过程中进入热点小区，它