（通信与信息系统专业论文）无线中继网络中切换的研究.pdf

摘要 摘要 下一代的无线蜂窝网络引入了无线中继节点。无线中继节点可以增大小区的覆盖范围或者增大 小区容量，提高小区中用户的通信质量。移动台由一个基站或者中继节点的覆盖范围移动到相邻的 基站或者中继覆盖范围的时候，移动台要进行切换，改变移动台的接入信道。无线蜂窝中继网络中 的切换问题比传统的蜂窝网络更为复杂。本文的研究主要是无线中继网络中的切换，尤其是透明模 式下的切换流程。 无线中继系统的透明模式下，中继和基站发送相同的前导或者中继不发送前导，移动台于是并 不区分基站和中继节点这些接入点。在通信过程中，移动台并不明确其具体的接入点。透明模式下 的切换策略往往只能用上行链路质量做出切换决定，本文提出了一种新的切换策略，即在透明模式 中，切换决定的依据是上下行链路质量。这种切换策略能有效减少切换的概率和减少切换过程中的 掉话。 无线中继网络中，切换可以分成两大类：小区间切换和小区内切换。这两种切换的复杂度和时 间度不同，小区内切换简单而且切换时延很小。本文提出了一种优先切换策略，使得在保证一定的 通话质量下，优先考虑小区内的切换，以小区内的切换代替小区间的切换，从而减少整个系统的切 换时延。 无线中继系统的硬切换中，基站发起切换的时候，基站到移动台的下行传输必须中断。为了使 得在切换过程中数据的传输不会丢失，则原基站中储存的未发送的数据和移动台没有成功接收到的 数据必须前传到目标基站。为了减少数据的前传和数据的重复传输，移动台将其无线链路控制( i u ) 的状态信息反馈给网络端。本文详细讨论了无线中继网络中移动台的r l c 状态信息的传输，提出将 i u 状态信息与切换命令并行传输的策略，从而减少切换中数据中断传输的时间。 关键词：无线中继网络、切换、透明中继、非透明中继、r l c 状态报告 摘要 a b s t r a c t t h er e l a yn o d ei nw i r e l e s sc e l l u l a rn e t w o r kc a ne n l a r g eb o 也t h ec o v e r a g ea n dt h ec a p a c i t yo ft h ec e l l , w h i c hc 如i m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ec o m m u n i c a t i o n am o b i l es t a t i o nn e e d st oh a n do v e rt oa n o t h e ra c o 嚣8 s t a t i o nw h e ni tm o v e sf r o mt h ec o v e r a g eo fo n ea c c e s ss t a t i o nt ot h ec o v e r a g eo fa n o t h e r t h el i n kb e t w e e n m o b i l es t a t i o na n da c c c s ss t a t i o nc h a n g e sw h e nt h eh a n d o f fh a p p e n s t h eh a n d o v e ri nw i r e l e s sc e l l u l a r s y s t e m 丽血r e l a yn o d ei sm o r ec o m p l i c a t e dt h a nc o n v e n t i o n a lh a n d o v e ri nc e l l u l a rs y s t e m t h ep a p e rd o e s s o m er e s e a r c h e sa b o u th a n d o v e ri nr e l a yn e t w o r kw i t ht r a n s p a r e n to rn o n t r a n s p a r e n tr e l a yn o d e ，e s p e c i a l l y t h eh a n d o v e ri nt r a n s p a r e n tm o d e i nt r a n s p a r e n tm o d e ，r e l a yn o d et r a n s m i t st h es a m ep r e a m b l ew i t ht h eb a s es t a t i o no rd o e sn o tt r a n s m i t p r e a m b l e ，a n dm o b i l es t a t i o nd o e sn o td i f f e r e n t i a t et h ea c c e s ss t a t i o no fr e l a yn o d ea n db a s es t a t i o n ，s o m o b i l es t a t i o nd o e sn o tk n o ww h i c hr e l a yn o d es e r v i c e df o ri t t h eh a n d o v e rd e c i s i o ni nt r a n s p a r e n tm o d e i su s u a l l ym a d eb yb a s es t a t i o nb a s e do nt h eq u a l i t yo fu p l i n kl i n k s ，w h i c hm a ys e l e c ta na c c e s ss t a t i o n 诵t h t h eb e s tu p l i n kq u a l i t yb u t t h ew o r s td o w n l i n kq u a l i t y t h ep a p e rp r o p o s e san e wh a n d o v e rs c h e m ei n w h i c ht h eh a n d o v e rd e c i s i o ni sm a d eb a s e do nb o t ht h ed o w n l i n ka n dt h eu p l i n kq u a l i t y , w h i c hc a ns e l e c ta m o r er e l i a b l ea c c e s ss t a t i o n t h eh a n d o v e ri nar e l a yn e t w o r kc a nb eg r o u p e di n t ot w oc l a s s e s ：i n t r ac e l lh a n d 嘣a n di n t e rc e l l h a n d o v e r t h ei n t r ac e l lh a n d o v e ri sl e s sc o m p l i c a t e da n dt h ed e l a yi ni n t r ac e l lh a n d o v e ri sl e s st h a nt h a ti n i n t e rc e l lh a n d o v e r t h ep a p e r p r o p o s e sap r i o r i t yh 眦 o v e rs c h e m e t h ep r o p o s e dl 场旧d o v 廿s c h e m et a k e s i n t r ac e l lh a n d o v e ra sap r i o r i t y , w h i c hc a ni m p r o v et h ed e l a yo fh a n d o v e r t h ed o w n l i n kd a t at r a n s m i s s i o ns h o u l db ei n t e r r u p t e dw h e nah a r dh a n d o v e rh a p p e n s t h es o u r c eb a s e s t a t i o nn e e d st of o r w a r dt h ed a t aw h i c hh a sb e e ns e n tb u th a sn o tr e c e i v e dc o r r e c t l yb yt h em o b i l es t a t i o nt o t h et a r g e ts t a t i o n ，w h i c h np r o m i s et h el o s s l e 鹞t r a n s m i s s i o n i i lo r d e rt oa v o i dt h es e c o n d - t i m e t r a n s m i s s i o no ft h ed a t a ，m o b i l es t a t i o nn e e d st os e n dr l cs t a t u sr e p o r tt ot h eb a s es t a t i o n t h ep a p e r d i s c u s s e st h et r a n s m i s s i o no fr l cs t a t u sr e p o r ti nw h - e l e s sn e t w o r k 州t l i a yn o d e ，a n dt h e np r o p o s e sa m e t h o dw h i c hc a l lp r o m i s et h er l cs t a t u sr e p o r ti st r a n s m i t t e dp a r a l l e lw i t ht h eh a n d o v c rc o m m a n d t h e m e t h o dc a l lr e d u c et h ei n t e r r u p t i o nt i m ew h e nh a n d o v e rh a p p e n s k e yw o r d s ：w i r e l e s sr e l a yn e t w o r k , h a n d o v e r , t r a n s p a r c n tr e l a y , n o n - t r a n s p a r e n tr e l a y , r l cs t a t u sr o p o r t 插图目录 插图目录 图2 1 越区切换示意图7 图2 2 硬切换执行过程9 图2 3 软切换执行过程9 图2 4 软切换执行示意图1 0 图2 5 接力切换示意图1 1 图2 6 切换的基本过程1 l 图2 7 移动台功率接收示意图1 2 图2 8 提高小区容量的中继节点位置示意图1 4 图2 9 扩大小区容量的中继节点位置示意图1 4 图2 1 0 透明中继模式下基站的帧结构1 5 图2 1 l 透明模式下中继节点的帧结构1 6 图2 1 2 非透明模式下基站的帧结构1 7 图2 一1 3 非透明模式下中继节点的帧结构1 8 图2 1 4 中继系统中的七种切换1 9 图2 1 5 透明模式下切换的信令流程2 0 图2 1 6 非透明模式下小区内切换信令流程2 2 图3 1 系统模型图2 5 图3 2f d d 下m a c 帧结构。2 6 图3 3 考虑上行链路质量的切换流程：2 7 图3 4 传统切换流程中基站流程图2 9 图3 5 基站切换流程图3 0 图3 6 第一次切换决定合理的切换流程图o 3 1 图3 7 第一次切换决定不合理的切换流程图：。3 2 图3 8 候选中继节点在切换中的流程3 4 图3 9 切换过程基站流程图3 5 图3 1 0 切换概率比较3 7 图3 1 1 切换过程掉话比较。3 8 图4 1 小区内切换的例子3 9 图4 - 2 小区内的切换4 0 图4 3 小区间切换的例子4 l 图4 4 小区间切换的例子4 2 图4 5 建议切换流程4 4 图4 6 仿真中的场景示意图4 5 图4 7 两种切换策略中小区间切换的切换次数比较4 5 图4 8 两种切换策略中小区内切换的切换次数比较4 6 图5 1m 中切换基本流程4 7 图5 2 无需r l c 状态信息的前传4 9 图5 3 需要r l c 状态信息的前传4 9 图5 4r l c 状态报告在切换命令之前发送给原基站5 0 v 插图目录 图5 5r l c 状态报告在切换命令之后发送给原基站5 0 图5 6r l c 状态报告发送给目标基站5 l 图5 7 中继网络中r l c 状态信息传输方法一5 2 图5 8 中继网络中r l c 状态信息传输方法二5 2 图5 9 中继网络中r l c 状态信息传输方法三5 3 图5 1 0 中继网络中r l c 状态信息传输方法四。5 3 v i 缩略词表 缩略词表 缩写 英文全称 中文注释 3 g p p3 mg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t 第三代移动通信合作伙伴组织 a sa c c e s ss t a t i o n 接入点 b sb a s es t a t i o n 基站 b s cb a s es w i t c h c e n t e r 基本交互中心 c d m ac o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 码分多址接入 c 、i rc a r r i e ri n t e r f e r e n c en o i s er a t i o 载干噪比 f c hf r a m ec o n t r o lh e a d e r 帧控制头 f d 【a f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s频分多址接入 h a r qh y b r i d a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t混合自动重传请求 h oh a n do v e r 切换 m a c m e d i aa c c e s sc o n t r o l 媒体接入控制 m 蹦om u l t ii n p u tm u l t io u t p u t 多入多出 m s m o b i l es t a t i o n 移动台 m s c m o b i l es w i t c hc e n t e r 移动交互中心 啪 l o n gt i m ee v o l u t i o n长期演进协议 n o d e b b 节点( 基站) o f d m o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 正交频分复用 i u cr a d i ol i n kc o n t r o l 无线链路控制层 r n r e l a yn o d e中继节点 r n c r a d i on e t w o r kc o n t r o l 无线网络控制 r s s i r e c e i v es i g n a ls t r e n g t hi n d i c a t i o n 接收信号强度指示 r t gr e c e i v e - t r a n s m i s s i o ng a p 接收发送空隙 s n s e q u c en u m b e r序列号 硝 t i m i n ga d v a n c e时间提前量 订gt r a n s m i s s i o n - t r a n s m i s s i o ng a p 发送空隙 v 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它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。 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。 签名：三三堡笠导师签名：日 期： 第一章绪论 1 1 论文背景 第一章绪论 无线通信技术的日新月异是人类文明发展和社会进步的一个重要表现。在过去的一百多年里， 随着数字技术和集成电路制造技术的进步，无线通信技术在人类社会的各个方面得到了无处不在的 应用。与此同时，在无线通信技术的推动下，无线网络的研究和虑用也得到了高速发展。迄今己经 有三代移动通信系统投入商用i l z 】。 第一代移动通信( 1 g ) 主要采用模拟语音调制技术和频分多i k ( f d m a ) 技术，传输速率约2 4 k b s ， 不能进行长途漫游，是区域性的移动通信系统。1 g 有多种制式，但它们之间互不兼容。同时，1 g 存在很多不足之处，如容量有限，制式太多，互不兼容，保密性差，通话质量不高，不能提供数据 业务，不能提供自动漫游，设备价格高等。 第二代移动通信( 2 g ) 主要采用数字的时分多址( t d m a ) 技术和码分多址( c d m a ) 技术，传输速率 为9 6 k b s 。全球主要有g s m 和c d m a ( i s 9 5 ) 两种体制。2 g 主要提供数字化的语音业务及低速数据 业务。2 g 克服了模拟系统的弱点，话音质量和保密性能得到很大的提高，并可进行省内、省际自动 漫游：但无法进行全球漫游。 第三代移动通信( 3 g ) 将有更宽的带宽和更高的速率。2 g 到3 g 的发展是一个逐步的过程。3 g 与 之前的技术相比将有更高的带宽，其传输速率高达2 m b s 。目前全球有三大标准：欧洲提出的 w c d m a 、美国提出的c d m a 2 0 0 0 和我国提出的t d s c d m a 。3 g 不仅传输话音，还支持高速数据 传输和宽带多媒体服务。它提供全球覆盖并实现各种网络之间业务的无缝连接，支持多媒体业务， 为用户提供更好的无线通信服务。 基于正交频分复用( o f d m ) 技术的第四代移动通信( 4 g ) 是一个基本概念，仍然处在研究阶段。4 g 要在传统网络和技术的基础上提高网络效率和功能，提高数据通信速率，增强通信网络间的互通性。 4 g 能够根据移动速度可变地支持各种数据传输速率；以i p 为基础进行无线接续，支持q o s ；各系 统之间实现无缝的业务支持；支持全球漫游；支持多重模式；支持对称和非对称业务等。 可以相信，随着无线通信技术和无线网络的发展，人类离通信技术发展的最终目标一任何人 ( w h o e v e r ) 在任何时候( 、h e l l e v e i ) 可以与任何地方( w h e r e v e r ) 的任何人( w h o m e v e r ) 进行任 何方式( w h a t e v e r ) 的通信已经越来越近。 随着无线应用的不断普及，人们对无线通信的期望和要求也越来越高，然而，无线网络技术的 发展受到频谱资源和无线信道的严重制约，其可用的频段和带宽是非常有限的。第二代通信系统可 使用的频段只有9 0 0 m h z 和1 8 0 0 m h z 两个，带宽仅仅只有数1 0 k h z ；第三代通信系统使用的频段 是2 g i - l z ，带宽也只有5 m h z ：而第四代移动通信系统和宽带无线接入系统能使用的带宽也仅为数 1 0 m h z 。另外，无线信道是开放的媒质，存在严重的干扰、衰落以及噪声，尤其是当接入设备高速 移动时，因多普勒频移引起的时间选择性衰落和因多径效应引起的频率选择性衰落将大大影响通信 质量。因此，在有限的带宽以及恶劣的无线信道上提供高速的传输速率，给无线通信和无线网络技 术的发展带来巨大的挑战和机遇。 许多有效的技术应运而生，在物理层，主要有多输入多输出( m i m o ) 技术以及相应的空时编码、 1 东南大学硕士论文 空时信号处理技术、o f d m 技术、l d p c 码、链路自适应技术、分集接收技术以及高性能的检测、 同步、估计方法等。在链路层，主要有无线资源管理技术，它在多媒体业务与无线信道之间建立了 一个高效稳同的桥梁，使得在时变的无线衰落信道中保证多媒体业务的服务质量变的切实可行。 此外，多跳技术作为一种能极大提高通信质量的新技术吸引了业界越来越多的注意。多跳技术 的根本思想是通过无线小区中若干节点问对信号的转发来完成整个通信过程。到目前为止，这种技 术经历了两个发展的阶段：第一个阶段是点对点中继阶段，在这一阶段的研究中，要求用户的设备 不但能接收信号，而且能转发信号；第二个阶段是固定中继阶段，其基本思想是在小区中增加若干 具有特定功能的固定中继器来专用于信号的转发。 1 2o f d m 技术 随着数据速率的不断提高，高速数据通信系统的性能不仅仅受噪声限制，更主要的影响来自于 无线信道时延扩展特性导致的码间干扰( i s i ，i n t e r - s y m b o li f l t e r 】衙朗c e ) 。信道均衡是经典的抗码间 干扰技术，但是如果数据速率非常高，采用单载波传输数据，往往需要设计几十甚至上百个抽头的 均衡器，这在硬件实现上非常困难。为了解决这一问题，人们提出了正交频分复用( o f d m ) 1 2j 技术。 o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 是多载波技术【3 4 】的一种形式。它可以追溯 到上世纪6 0 年代，但在之后相当长的一段时间，o f d m 技术一直没有形成大规模的应用。当时o f d m 技术的发展遇到了很多似乎难以解决的问题。首先，o f d m 要求各个子载波之间相互正交。尽管 w e i n s t e i n 和e b c r t 于1 9 7 1 年提出通过i d f t 和d f t 快速实现o f d m 的调制和解调方法，为后来o f d m 广泛应用于通信领域开辟了道路，但实际上如此复杂的实时傅立叶变换设备在当时是根本无法完成 的。此外，发射机和接收机振荡器的稳定性以及射频功率放人器的线性要求等因素也都是o f d m 技 术实现的制约条件。 2 0 世纪8 0 年代以来，大规模集成电路技术的发展解决了f f t 的实现问题，随着d s p 芯片技术 的发展，格栅编码( t r e l l i s c o d e ) 技术、软判决技术( s o f l d e c i s i o n ) 、信道自适应技术等的应用，o f d m 技术开始从理论向实际应用转化。o f d m 技术凭借其同有的对时延扩展较强的抵抗力和较高的频谱 效率两人优势迅速成为研究的焦点并被多个标准采用，如数字音频广播( d a b ) 、数字视频广播 ( d v b ) 、高速数字用户线( h d s l ，1 6 m b l 掩) 、非对称数字用户线( a d s l ，6 m b p s ) 、甚高速数字 用户线( v d s l ，l o o m b p s ) 以及无线局域网标准8 0 2 1 l a g ，无线城域网标准8 0 2 1 6 和无线，“域网 标准8 0 2 2 0 等。 o f d m 技术的主要优点有： ( 1 ) 抗码间干扰能力强，适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输。由于o f d m 把高速 数据流通过串并转换，将要传输的信息均分于各个子载波，使得每个子载波上的数据符号持续长度 相对增加，从而可以有效地减少由无线信道的时间弥散所带来的i s i 。 ( 2 ) 频谱利用率高。o f d m 技术将频带分为许多相互正交的子频带来传输并行的数据淹，允许 子信道的频谱相互重叠，能够更好地利用频谱资源。 ( 3 ) 通过各子载波的联合编码，可以使系统性能得到较大的提高 ( 4 ) 可由i f f t 、f f r 实现，实现复杂度比采用均衡器的单载波系统小得多。 ( 5 ) 容易与其他技术相结合，如与c d m a 技术相结合的m c - c d m a 以及与m i m o 技术相结 合的m m o o f d m 。 与传统的单载波传输系统相比，o f d m 主要的缺点有： ( 1 ) 对定时误差和频率偏移敏感程度高。 2 第章绪论 ( 2 ) o f d m 系统中的信号存在较高的峰值平均功率比( p 胀) ，因而对放人器的线性要求很高。 1 3 中继技术 无线通信经过近十年的快速发展，己经渐趋成熟，但是目前大多数的无线服务系统仍然是基于 一种单跳( s i n g l e h o p ) 的小区结构，这意味着基站和用户设备之间的信息交换只能包含一次信号的传 输。在这种单跳的系统环境下，服务提供商必须建立这样一种基本构架，用数量庞大的同定基站或 者访问节点来环绕整个的服务区域。而为了支持更多的连接，小区中的单个基站所能覆盖的区域就 需要向内收缩，这样整个服务区域中所需要的基站数量就增加了。这种现象导致了几个必然的后果： 第一，需要人量的支出以建设数量巨人的基站；第二，总的吞吐量将被一个区域中的小区数量所限 制；第三，用户设备的大功率消耗与基站有着同样的传输范围，而不会随着功率的增加而增加。如 果需要增大一个地理区域的吞吐量，就必须在这个区域上建立更多的基站。 近年来，随着无线移动通信需求量的增人，人们发现当前的无线移动通信已经难以满足越来越 高的通信质量和通信容量需求。但是，现有的通信技术已经很难再有提高的空间，通信带宽的限制、 信号在传播中的功率衰减以及各种干扰和噪卢的存在都严重制约着无线通信的进一步发展。针对这 样的需求矛盾，在目前出现许多的新技术中，多跳技术即中继技术【5 】作为一种能极人提高通信质量 的新技术吸引了业界越来越多的注意。 在无线通信中，由于树木、建筑物等的遮挡，常存在无线电波无法到达的“盲区”，采用中继传 输的方式可以消除“盲区”的影响，提高网络覆盖率。同时，中继传输还可以降低发射机的功率， 减少对邻近信道的干扰，提高移动终端电池的使用寿命。常见的中继网络有：a dh o c 网络、无线传 感器网络等。中继网络通常由发射机、中继器和接收机组成。中继器接收来自发射机的信号，经处 理后，向接收机转发。中继器处理信息的方式一般有两种：一种是对接收到的信号进行放大后再发 送，称为非再生中继；另一种是对接收到的信号进行译码后再发送，称为再生中继。 目前，引起广泛关注的合作分集网络是基于无线中继技术的，利用中继器将信号合作传输到接 收机。接收机合并来自发送端和中继器的信号，从而形成分布式空间分集。因此，中继网络又可按 是否含有分集分为多跳中继网络和合作分集网络。 1 4 混合a r q ( h a r q ) 技术 根据被重发的信息的不同特征和接收端对多次发送的信号处理方法的不同，h a r q 技术1 6 , 7 1 一般 可以分为两类。 第一类h a r q 技术是早期提出的我们称其为i 型h a r q ，它只是单纯的将a r q 系统和f e c 组 合在一起，并没有把两者有机结合起来，“其原理是：发送端经过c r c 编码和f e c 编码，将数据发 送，接收端进行f e c 译码和c l 校验：如果分组有错则请求重传，并放弃错误分组：重传分组与已传 分组相同，没有组合译码。h a r qi 型系统的性能主要依赖f e c 的纠错能力，而f e c 又必须与信道误 码率相匹配。因此在噪声和干扰基本恒定的系统中，误码率基本不变，我们可以设计相应的f e c ， 这时i 型h a r q 具有良好的性能，如果信道环境变化很大，如无线信道中，误码率则也会随着信噪 比变化很大，这样若按最差的环境设计系统，则引入的冗余太大，如果f e c 的纠错能力不够的话， 重传的概率又比较大，所以在这种时变的信道环境下，i 型h a r q 的吞吐量小，效率低下另一方 面，在i 型h a r q 中，接收端完全丢弃出错的数据包，在接收重发信号时，不再利用以前接收到的 数据，很显然，这种方法没有充分利用多次重发的联合信息。当然i 型h a r q 也有优点，由于接收 3 东南大学硕士论文 端不必每次重传发错的包，因此不需要很大的存储空间，节省了成本，同时，译码算法非常简单。 由于i 型h a r q 不能自适应地对信道情况的变化作出相应的调整，从而导致其在时变信道环境 下效率较低，同时i 型h a r q 对前面出错的数据包一概丢弃，浪费了很多有用的信息，为了克服这 些缺点，人们提出了第二类h a r q ，第二类保留这些没能正确接收的数据分组，并将他们与重传的 数据包进行合并，显然这种方法在译码时充分利用了先前的接收信息，性能比第一类优越。第二类 可以进一步划分为三种类型： c h a s e 合并：重传数据分组与原始数据分组完全一致。但是错误分组要被存储在接收端缓存中， 以便和原始数据分组进行合并，这种合并可以在符号级别，也可以在比特软信息级别。 全增量冗余( f u l li n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y ) ：重传数据分组中只包含与原始数据分组不同的校验 比特而并不包含系统比特，在接收端与已传分组进行组合译码 部分增量冗余( p a r t i a li n c r e m e n t a lr e d u n d a n c y ) ：重传数据分组包含与原始数据分组相同的系统 比特和不同的校验比特，在接收端与已传分组进行组合译码，每次传输的数据分组都具备自解码的 功能。 1 5 切换技术 切换【8 9 】是属于移动性管理的一部分。最早的移动通信是大区制移动通信系统，在一个很大的区 域内只有一个基站，因而绝人部分的用户服务都能保证在一个大区内进行。当用户在两个大区的边 界运动的时候，无法保证通信的正常进行。随着用户数目的增加，原有的频率资源捉襟见肘。为了 提高频率的利用率，蜂窝无线通信系统的概念应运而生。由于蜂窝系统中单个小区的覆盖面积比大 区制小得很多，移动台在不同小区间的运动的概率大大的增加了。当移动台在蜂窝系统的覆盖范围 内移动的时候，为了保证正在进行的业务的连续性，切换的概念产生了。 切换即当一个移动台从一个小区运动到另一个小区时为了保证业务的连续性而进行的改变业务 信道的无线资源管理操作。切换的可以分成硬切换，软切换和接力切换，其过程涉及到了移动台， 基站或者中继节点，网络端等设备，还涉及到了控制平面和数据平面的操作，是个大而复杂的过程。 切换一方面保证了业务的连续性，提高了服务质量，也使得整个系统中的业务请求均匀化。但同时 切换也给整个系统带来更大的开销，如何减少这些开销以及如何保证切换时和切换后的服务质量成 为了切换中研究的重要课题。 在无线蜂窝系统中，对切换有三种控制方式： ( 1 )网络控制切换。由移动交换中心( m s c ) 控制切换的时间和地点。移动台完全处丁被 动的状态。 ( 2 ) 移动台辅助控制切换。切换的决定由m s c 或者基站( b s ) 做出，但移动台对切换决 定提供输入信息。 ( 3 )移动台控制切换。切换的决定由移动台做出决定，然后再将其决定发送给网络端。 1 6 论文内容及创新 随着社会的发展，无线中继网络可能在第四代移动通信中应用。在蜂窝系统中，切换时保持通 话的持续性是必不可少的一部分在蜂窝无线中继网络中，中继：符点的覆盖范围非常有限，移动台 经常要进行切换本文在参考了w i n n e ri i 、i e e e8 0 2 1 6 j 和l t e 的基础上，研究了在蜂窝无线中 继网络中的切换。本文的章节安排如下： 4 第一章绪论 第一章：绪论。本章讲述了本文的论文背景和无线通信中的关键物理成技术o f d m 技术，并且 概要的介绍了中继技术、切换技术和h a r q 技术。 第二章：中继网络中的切换。主要讨论了无线中继网络中的切换。本章讨论了切换原因，分类， 基本流程和研究切换时经常用到的切换性能评估标准；讨论了无线中继网络的结构，着重是透明模 式下和非透明模式下的帧结构；还讨论了无线中继网络中切换的信令流程图。 第三章：透明模式下中继网络中小区内切换本章详细讨论了透明模式下小区内切换。在透明 模式下，基站进行切换决定的时候是根据上行链路质量。本章首先讨论了只考虑上行链路质量的切 换策略，接着提出了同时考虑上下行链路质量的切换策略。仿真结果表明，新的切换策略能有效减 少切换的概率和切换过程中的掉话。 第四章：中继网络中优先切换策略。本章讨论了小区内切换和小区间切换的信令流程，接着详 细讨论了小区内切换和小区间切换的切换时延。本章提出了一种优先考虑小区内切换的策略，从而 减少切换的平均时延，提高整个系统的性能。 第五章：移动台r l c 状态信息报告。本章将l t e 标准中的切换标准运用到了无线中继网络中的 切换研究。详细讨论了下行数据传输过程中发生切换，为了使切换过程中数据的不丢失，移动台将 其r l c 状态信息报告给基站，基站根据这些信息有选择的前传其数据。本章详细讨论了在中继网络 中如何传输r l c 状态信息，提出r l c 状态信息与切换命令并行传输的策略。数据分析表明本章提 出的策略能有效的减少切换时延。 第六章：结束语。概括本论文所做的工作，并对进一步的工作进行了展望。 5 第二章中继网络中切换介绍 2 1 切换 第二章中继网络中切换介绍 在移动通信系统中，对于正在通信中的移动台，当它从一个基站的覆盖区域移动到另外一个基 站的覆盖区域时( 如图2 1 所示) ，为了保证通信的连续性，网络控制系统会启动切换过程，将移动 台和网络之间的通信链路从当前基站转移剑新的基站，以保证用户业务的连续传输。所谓切换 ( h a n d o v e r ，h o ) ，通常指移动台在通信期间，由于位置发生改变，而改变与网络的连接关系的过 程，也称为越区切换。 nu _-_u 图2 1 越区切换示意图 切换过程中，通信链路的转移不能影响通话的进行，必须平滑进行，时间要求短，完全自动进 行，用户感觉不到切换的进行。在蜂窝移动通信系统中，小区覆盖范围越小，用户的移动速度越快， 则切换的处理越频繁。在无线中继系统中，中继的覆盖范围有限，所以在无线中继系统中，应尽量 减少切换的时延和切换的概率。 切换处理对于蜂窝移动通信系统来说是非常重要的。因为网络系统由多个小区构成的，在不同 的小区覆盖区域之间的切换经常发生。此外，进行切换可以使移动台以最小的功率与信号最强的基 站进行通信，减少了移动用户的功率消耗。 2 1 1 切换的原因 为了保持通话的连续性，移动终端往往需要切换到能满足该要求的蜂窝小区。在第二代通信系 统中，通常由丁二终端的移动而发生切换，除此之外，以f 几个主要原因也会引起切换： ( 1 ) 信号强度。在移动终端( m s ) 处接收到的信号很弱，或者m s 将移动到另一个小区，或者同 一小区的不同扇区有更好的链路的情形下，可能发生切换。当然，服务基站可通过增加它的发射功 率来提高接收电平，或命令移动终端增加它的发射功率。但如果信号电平持续在门限以下，应该无 条件启动切换。 ( 2 ) 信号质量。当干扰引起m s 处或者接入终端( a s ) 处接收信号质量较大的衰减，使前向纠错 不能产生可接受的质量水平时，即使原来信道的接收电平仍然足够强，也需要切换到质量更好的信 7 东南大学硕士论文 道。如果功率控制已经使接收电平达到了最人可能的等级，信号质量仍在fj 限以下，那么就要求无 条件启动切换。 ( 3 ) 终端与基站之间的距离。各服务小区中终端与基站之间的距离限制与网络规划中规定的该小区 的大小有关。a s 的有效距离将被存入基站数据库中。m s 不断地检查实际距离( 和时间提前量有关) ， 超过门限就必须无条件的执行切换。 ( 4 ) 功率预算。要改善网络的整体性能，最重要的是使发射功率最小，因为这可以使p l m n 中干 扰电平的统计平均值减少。因此，切换时在可用小区的列表中选择最小路径消耗的信道( 其相应参 数称为功率预算) 。在这种方法中，即使原服务小区的接收电平和质量都是可以接受的，只要功率预 算相关参数不满足要求，也要执行切换。 ( 5 ) 没有被分配的时隙中的干扰。为了在一个新载频中或者在同一载频上的空闲信道中选择新的最 佳信道，基站对空闲时隙的噪声电平进行测量。该信息用丁扇区间切换时的目标信道选择，也可用 在呼叫建立时信道分配的过程中。 ( 6 ) 话务量。小区可以通过把正在通信的时间提前量较人的m s 切换到相邻的小区来减轻拥塞和网 络负载。这样的m s 人都处在小区的边缘，因此它既在服务小区的覆盖范闱内，也在相邻小区的覆 盖范围内。由于话务量原因而引起的切换将由移动交换中心( m s c ) 或基站控制中心( b s c ) 控制。 综上，移动终端的运动或者附近环境的变化，导致了由衰落、障碍物和干扰引起的信号变化， 因而启动切换。在第二代通信系统g s m 中，一般由以上切换原因的一种或两种便启动了切换，这只 能保证无线资源使用的连续性等基本的要求。在第三代通信系统和未来的通信系统中切换技术不但 要综合考虑网络的原因，还要考虑用户的原因，情况会更加复杂。 2 1 2 切换的分类 根据切换发生时移动台与源基站和目标基站连接方式的不同，切换基本可以分为硬切换( h a r d h a n d o v c r ) 、软切换( s o f th a n d o v e r ) 、更软切换( s o f t e rh a n d o v e r ) 、接力切换( b a t o nh a n d o v c r ) 等基本类型。 2 1 2 1 硬切换 硬切换是指移动台在载波频率不同的基站覆盖小区之间信道的切换。硬切换过程中，移动用户 仅与新旧基站的其中一个连接，任一时刻只有一个业务信道被激活，一般情况下，移动台先中断与 原基站的联系，再与新基站取得联系，简单地说，即“先断后连”。从一个基站切换到另一个基站过 程中，通信链路有短暂的中断时间。当切换时间较长时，将影响用户通话。 一般来说，硬切换的切换区域非常狭窄，当用户在切换区域活动时很容易发生频繁的硬切换现 象，这也就是所谓地“乒乓效应”，而且信道衰落效应会使“乒乓效应”更为严重，所以在实际硬切 换执行时有一个滞后参数来控制执行的时间，降低切换的频度，但这样的代价是需要小区边缘一个 比较高的发射功率以保持通话质量的要求，而且提高发射功率也给系统中其他刚户带来了更大的干 扰，导致系统容量下降。 下面是一个硬切换执行的过程。 8 第二章中继网络中切换介绍 图2 2 硬切换执行过程 图中当移动终端从左边接入点a s l 的覆盖范围移动到右边接入点a s 2 的覆盖范围时，由于移动 台和左边接入点a s l 之间距离增大，移动台( 或接入点a s l ) 接收到的信号减弱，当这个信号强度 减弱到一定程度时，会启动硬切换过程