（电路与系统专业论文）协同通信网络结构及优化研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

苎塞坚皇奎兰壁堡苎一! ! 里 摘要 协同通信网络是一f 一代网络的发展方向，他由覆盖范围不同、传输速率各异的各种 网络构成，能够提供单一网络不能提供的业务。可以从两个角度看待协同通信网络：同 构网内协同通信和异构网间协同通信。 本文对于同构网内协同通信主要集中在中继器的研究。中继系统的信道容量以及资 源优化方案是中继系统中重要的研究课题。对于单中继器网络，论文推导了在不同信道 反馈能力( i c s i 、m c s i 和s c s i ) 下的信道容量表达式，并针对中继器的不同工作模式 ( 再生式中继与非再生式中继) 给出了在信道容量最大化或信噪比最大化准则下的功率 分配方案。通过构造二维仿真模型，对优化功率分配方案进行了数值仿真分析，并比较 了直传系统和等功率分配方案的性能。从仿真结果还可以看出中继器的位置对于系统性 能有着重要影响，并对中继器的选择( 选址) 提供了指导原则。 随着m i m o 技术的发展和虚拟天线阵( v a a ) 概念的提出，中继系统从单中继系 统向多中继系统演进，网络中的多个终端形成m i m o 中继器向接收机转发信息。m i m o 中继系统结合了传统m i m o 系统和单中继器系统的特点，其系统复杂性要远大于单中 继系统。论文在传统m i m o 信道的基础上，推导了m i m o 中继系统的信道容量，并以 闭合表达式的形式给出了具有两个中继器的m i m o 中继系统的优化功率分配方案，使 信道容量最大化。通过数值仿真，论文比较了优化功率方案、直传系统和等功率分配方 案的性能，同时对中继器的选择和分布给出了指导原则。 作为协同通信网络研究的另一方面，异构网络间协同通信也是本文的研究内容，主 要集中在移动性管理结构、垂直切换信令流程和垂直切换算法。由于协同通信网络出拓 扑结构不同，性能各异的网络构成，且各个网络在地理位置上有可能重叠，甚至完全覆 盖。因此，分层结构是协同通信网络的基本结构，即不同的网络构成协同网络的不同层 次但彼此地位相等。论文以移动i p 为基础，通过引入上层网络路由器( h t nr o u t e r ) 和下层删络路由器( l t nr o u t e r ) 将各个网络通过i p 核心网连接起来，构造分层协同通 信系统，可在其中配置宏移动性管理协议( m i p ) 和微移动性管理协议( m i p r r ) 实现 异构网络的移动性管理。 北京邮电大学博士论文 摘要 异构网络胁同通信的显著特点之一是移动终端可以在不同网络间切换，即垂直切 换，并保证会话过程的持续性，实现这个目标需要垂直切换信令和垂直切换算法的支持。 论文提出了一种跨层( c r o s s 1 a y e r ) 切换信令流程，在链路层切换完成前，通过链路层 的信息触发网络层注册信息，使延迟较长的网络层切换提前完成，降低垂直切换延迟， 提高了通信过程的q o s 。在垂直切换算法方面，论文提出了一种应用模糊逻辑的智能垂 直切换判决算法以适应异构重叠网络环境。算法以移动台接收信号强度为切换判决指 标，将移动台速度和w l a n 网络业务量作为切换判决的附加参数，并且考虑移动台的 移动方向，以实现w l a n 和g p r s 网络间具有q o s 保障的垂直切换。通过构造仿真模 型对智能垂直切换算法进行了仿真并与传统算法进行了比较。 论文最后对全文进行了总结，并指出了今后的研究方向。 关键词：协同通信网络中继器m i m o 中继垂直切换信令垂直切换 i i 苎室塑皇查兰苎兰堡茎一! ! ! ! 竺 a b s t r a c t c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k i st h et r e n do ft h ed e v e l o p m e n to fn e x tg e n e r a t i o n n e t w o r k ，w h i c hc o n s i s t so fd i v e r s en e t w o r k sw i t hd i f f e r e n tc o v e r a g ea n dt r a n s m i td a t ar a t e ， p r o v i d i n gt h es e r v i c e st h a ta r en o ta v a i l a b l ei n as i n g l en e t w o r k t h es t u d yo fc o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kc o u l db ed i v i d e di n t ot w oc a t e g o r i e s ：c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ni n h o m o g e n e o u s n e t w o r ka n dc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，r e l a yi st h em a i nf i e l di nt h es t u d yo ft h ec o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o ni n h o m o g e n e o u sn e t w o r k t h ec h a n n e lc a p a c i t ya n d r e s o u r c eo p t i m i z a t i o na r et h et w op r i m a r y r e s e a r c ht o p i c si nr e l a y i n gs y s t e m f o rt h er e l a y i n gs y s t e mw i t ho n er e l a y , t h ee x p r e s s i o n so f c h a n n e lc a p a c i t yu n d e rd i f f e r e n tc h a n n e ls t a t u s i n f o r m a t i o n ( i c s i ，m c s ia n ds c s i ) a r e d e r i v e d ，a n dt h eo p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o ns c h e m em a x i m i z i n gt h ec h a n n e lc a p a c i t yo rs n r a r ed e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h r o u g ha2 - ds i m u l a t i o nm o d e l ，n u m e r i c a lr e s u l t sa r e g i v e nt oc o m p a r et h ep e r f o r m a n c e so ft h eo p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o n s c h e m ew i t ht h a to f u n i f o r ma l l o c a t i o ns c h e m ea n dd i r e c tt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，i n d i c a t i n gt h a tt h el o c a t i o no ft h e r e l a yi n f l u e n c et h es y s t e mp e r f o r m a n c e a n d p r o v i d i n g t h eg u i d a n c et os e l e c t ( s i t e ) t h er e l a y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i m o t e c h n o l o g ya n d t h ec o n c e p to fv i r t u a la n t e n n a a r r a y ( v a a ) ， r e l a y i n gs y s t e mi se v o l v i n gf r o mt h es y s t e mw i t hs i n g l er e l a yt o t h es y s t e mw i t hm u l t i p l e r e l a y , i nw h i c hs e v e r a lt e r m i n a l sf o r m i n g am i m o r e l a yf o r w a r ds i g n a lt ot h er e c e i v e r m i m o r e l a y i n t e g r a t e st h et r a d i t i o n a lm i m os y s t e ma n dt h es i n g l er e l a ys y s t e m ，t h ec o m p l e x i t yo f v 、t h i c hi sf a rm o r et h a nt h a to ft h es i n g l er e l a ys y s t e m b a s e do nt h ea n a l y s i so ft r a d i t i o n a l m i m oc h a n n e l ，t h ec a p a c i t yc h a n n e lo ft h em i m o r e l a y i n gs y s t e mi sd e v e l o p e d ，a n dt h e o p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o n f o rt h em i m or e l a y i n gs y s t e mw i t ht w or e l a y s a r ep r o p o s e di n c l o s e - f o r me x p r e s s i o n p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o n sb e t w e e no p t i m a lp o w e ra l l o c a t i o ns c h e m e ， u n i f o r ma l l o c a t i o na n dd i r e c tt r a n s m i s s i o n s y s t e m a r e p r e s e n t e d i nn u m e r i c a l r e s u l t s ， p r o v i d i n g t h eg u i d a n c et os e l e c ta n dd i s t r i b u t et h em i m o r e l a y s t h ec o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s ，t h eo t h e ra s p e c to ft h e s t u d yo nt h ec o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ，i sa l s oi n c l u d e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h e m a i nf i e l d sa r em 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 e ，v e r t i c a lh a n d o f fs i g n a l i n gp r o c e s sa n d v e r t i c a lh a n d o f fa l g o r i t h m s i n c et h e c o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kc o n s i s t so f n e t w o r k sw i t hd i f f e r e n tp e r f o r m a n c e sa n dt o p o l o g i e s ，t h ec o v e r a g eo fs u b n e tm a yo v e r l a p t h e nh i e r a r c h i c a la r c h i t e c t u r ei st h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h e c o o p e r a t i v e c o m m u n i c a t i o n i i i 北京邮电大学博士论文 a b s t r a c t n e t w o r k ，e a c hs u b n e tb e i n gd i f f e r e n tt i e ro rl a y e ri nt h ew h o l en e t w o r k b a s e d o nm o b i l ei p , h i g ht i e r n e t w o r kr o u t e r ( h t nr o u t e r ) a n dl o wt i e rn e t w o r kr o u t e r ( l t nr o u t e r ) a r e i n t r o d u c e dt oc o r l n e c te a c hs u b n e ta n dc o n s t r u c tc o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kt h r o u g h t h ei pc o r e n e t w o r k m a c r o - m o b i l i t ya n dm i c r o - m o b i l i t ym a n a g e m e n tp r o t o c o l c o u l db e c o n f i g u r e d o nt h eh i e r a r c h i c a l a r c h i t e c t u r et o i m p l e m e n t t h e m o b i l i t ym a n a g e m e n ti n c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r k h a n d o f fb e t w e e nh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k sf e a t u r e s l a r g e l y i n c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r k ，a l l o w i n gm o b i l eu s e r t os w i t c hf r o md i f f e r e n tn e t w o r k sa n d m a i n t a i n i n gt h eo n g o i n g c o n n e c t i o n v e r t i c a lh a n d o f fs i g n a l i n gp r o c e s sa n dv e r t i c a lh a n d o f fa l g o r i t h ma r en e e d e dt o a c h i e v et h i sg o a l ac r o s s - l a y e rs i g n a l i n gp r o c e s sf o rv e r t i c a lh a n d o f fi s p r o p o s e di nt h i s d i s s e r t a t i o n ，w h i c hr e d u c e s t h eh a n d o f f l a t e n c y a n d p r o v i d e s t h e q o sg u a r a n t e e i n c o m m u n i c a t i o ns e s s i o nt h r o u g ht r i g g e r i n gt h en e t w o r kl a y e rr e g i s t r a t i o nm e s s a g eb e f o r et h e c o m p l e m e n to fl i n kl a y e rh a n d o i f , w h i c hc o u l df i n i s ht h en e t w o r kl a y e rh a n d o f fw i t hl o n g l a t e n c yi na d v a n c e b a s e do nf u z z yl o g i c ，a ni n t e l l i g e n tv e r t i c a lh a n d o f fd e c i s i o na l g o r i t h mi s p r o p o s e d ，w h i c ht a k e sr s s a sh a n d o f f i n d i c a t i o na n d a c c o u n t sf o rt h es p e e do f t h em o v e m e n t a n dt l ew l a nt r a f f i c 【na d d i t i o n ，t h ed i r e c t i o no fm o v e m e n ti sa l s ot a k e ni n t oa c c o u n t k e y w o r d ：c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , r e l a y , m i m or e l a y , v e r t i c a lh a n d o f f s i g n a l i n gp r o c e s s ，v e r t i c a lh a n d o f f 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名 主生超 目期：型：! ：! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论 文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注释： 本学位论文不属于傈密范围，适用本授权书。 本人签名 导师签名 弛张 日期： 日期： 弦s ? i 。产 了万专卅 第一章协同通信网络研究背景 协同通信网络( c o o p e r a t i v ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r k s ) 的概念是随着通信网络的不 断发展而产生的。由于历史的原因，侧重于语音通信的电话网络与侧重于数据通信的 i n t e m e t 并行发展，形成了利用不同介质、拓扑结构各异的网络共存的局面。尽管这些 网络可以在某些方面满足用户的需求，但没有任何一个网络能够同时达到用户在移动 隆、服务质量、内容、安全、速度等诸多方面的需求。人们逐渐认识到，为了更加有效 的利用资源，减少网络的重复建设，提高资本利用率，必须将各种网络统一到单一的信 息平台上，因此网络内部与网络之间的协同工作是必然的趋势。本章首先从协同通信的 角度回顾了通信网络的发展历程，阐述了协同通信网络的概念，然后分别就网络内部的 街同通信和网络间的协同通信机制做了详细介绍，并指出了协同通信网络中存在的资源 优化问题，在本章的最后列出了本文所做的主要工作。 1 1 协同通信网络概念 1 1 1 协同通信背景 自1 8 7 6 年贝尔发明第一部电话以来，固定电话网就以极其迅猛的速度发展起来。 至2 0 0 4 年底，世界固定电话用户已达1 2 亿，我国也已达到3 1 2 亿【1 1 】，居世界第一位。 与固定电话网络不同，早先的移动通信网络主要用于公共安全领域。1 9 3 4 年，美国建立 了车载移动通信系统，为用户提供公共安全服务。当时大部分车载移动用户不能与公用 电爵交换网( p s t n ) 通信，移动电话网络与固定电话网络基本处于相互隔离的状态。 随着信令与终端技术的不断发展，固定电话网络和无线电话网络之间实现互相通信，高 级移动电话系统( a m p s ) i - 2 】就是人们所熟悉的一种可与p s t n 通信的蜂窝无线通信 系统，实现了移动网络与p s t n 的协同工作。目前的无线通信网络，例如，g s m g p r s 网络与c d m a 蜂窝无线通信网络，均能与p s t n 协同工作。无线通信网络与p s t n 的 协同通信也是两种网络得以迅速发展的重要原因之一。至2 0 0 4 年底，世界移动电话用 户达l5 亿，中国达3 3 亿【l l 】，已超过固定电话的用户数，居世界第一位。 在侧重于话音通信的电话网络发展的同时，侧重于数据通信的因特网( i n t e m e t ) 也 北京邮电大学博士论文 第一章潞同通信网络研冗背景 在蓬勃发展。自1 9 9 1 年i n t e m e t 实现商业运作后，截至2 0 0 4 年底，世界i n t e m e t 用户接 近l o 亿，中国也已达到9 4 0 0 万【l 一3 】，居世界第二位。随着i n t e m e t 的迅速普及和网上 内容的逐渐丰富，用户对i n t e m e t 的移动性也提出了要求，希望能够以无线方式访问 i n t e m e t 。从网络结构上看，目前基本上有两种方案实现i n t e m e t 的无线接入：第一种( 如 图1 1 所示) 方案是将i n t e m e t 当作一个内容丰富的分布式数据库，从蜂窝网络中访问 该数据库，实现蜂窝网络与i n t e m e t 的协同通信。第二种方案( 如图1 2 所示) 是将有 线i n t e r a c t 进行扩展。形成无线局域网( w l a n ) 1 4 1 ，并采取不同于现有蜂窝网络的 物理层调制方案，如正交频分复用( o f d m ) 或补码键控( c c k ) ，使移动终端通过与 i n t e m e t 相连接的无线接入点( a p ) 商遮访问i n t e m e t 。 图1 1 所示的协同工作方案是将访问i n t e m e t 作为一种数据业务，包括收发电子邮 件、网页浏览、网上聊天等，提供给蜂窝无线网络的用户，例如基于g s m 网络的通用 分组无线业务( g p r s ) 和基于c d m a 网络的c d m a l x 业务。这种方案的好处是在蜂 窝网络和i n t e m e t 之间进行较高层次的协同工作，通过网络间的网关将两个网络连接起 来，屏蔽了物理屡和链路层的差异，对网络和终端的设计不需要进行较大的改动，可以 在很大的区域内( 蜂窝网络的覆盖范围) 为访问i n t e m e t 提供移动性支持。然而，由于 采用原蜂窝网络的物理层和链路层技术( 如调制解调方案、多址方式等) 向移动用户传 送i n t e m e t 的内容，因此传输速率受到原蜂窝网络的限制。例如，g s m g p r s 网络理论 上提供的最高速率为1 7 0k b s 【1 - 5 b 宽带c d m a ( w c d m a ) 系统可为室内用户提供2 m b s 的数据速率，为室外用户提供3 8 4k b s 的数据速率 1 6 】i c d m a l x 提供的最高速 率为1 5 3 6k b s 1 7 1 。 嘻站 i 终墙 i n r p r n p t 擞备器 图1 1 在蜂窝网络中接入i n t e m e t 图1 2 所示的第二种无线接入i n t e m e t 的方案中，采用了不同于蜂窝网络的物理层 2 冀 北京邮电大学博士论文 第一章协同通信网络研究背景 技术和多址接入方式 1 4 ，充分利用i p 网络的业务特点，较好地将无线接入和有线 i n t e m e t 结合起来，可为用户提供高达5 4 m b s 的速率【l - 8 ，远高于目前所有的蜂窝无线 网络。尽管w l a n 可提供非常高的速率，但并不支持与现有电信网络业务的互通，通 过w l a n 接入i n t e r n e t 的用户将只能访问i n t e r a c t 中的业务。从业务互通的角度看，这 种方案并没有实现网络的协同工作。此外，w l a n 的覆盖区域不大，半径通常在1 0 0 至2 0 0 米，对服务区之间的切换支持非常有限，限制了用户的活动范围，这极大的阻碍 了w l a n 的发展。 蛘博i 司端r 一一i 赢_ 一一 图1 2 在w l a n 中接入i n t c m e t 1 1 2 协同通信网络的特征 从网络演进的角度看，异构网络间的协同通信( 如蜂窝通信网络与w l a n 、卫星通 信网络与蜂窝通信网络) ，尤其是在各种网络自身优势( 如在速率、覆盖、移动性等方 面的优势) 基础之上的协同通信，使用户在当前的接入网中能够访问另一种网络的业务， 在业务层面实现异构网络的互通是下一代网络发展的必然趋势将极大的促进通信网络 的发展。目前，世界范围内的各种通信标准化组织正从各自的角度描述着协同通信网络 的机制及远景，为电信网络与t m c m e t 的协同工作制定标准或规范。第三代合作伙伴计 划( 3 g p p ) 【一9 、3 g p p 2 1 1 0 】和国际电信联盟( i t u ) 1 - 1 1 】从电信网络的角度 i - 1 2 1 1 3 1 1 4 】，因特网工程任务组( i e t f ) 1 - 1 5 】从i p 网络层和应用层的角度 【1 - 1 6 】【1 1 7 1 ，散出了不同的描述。尽管这些绲织的表述不同，但从中可以看出协同通信 网络的几点特征： 1 ，协同通信网络实现业务控制与连接控制分离，使承载网络能够迅速的开展新业务， 用户在一种网络中能够访问另一种网络中的服务： ! ! 塞坚皇盔兰竖主笙苎 兰二兰立旦堕! 墅里兰塑! ! 苎墨 2 协同通信网络将以i p 为基础连接使用不同技术的各种通信网络，提供丰富的移动 性管理功能，包括支持网络间的漫游，支持无缝切换，用户能够以自动或手动的方 式选择最佳接入方案； 3 支持各种电路交换业务和分组交换业务，包括语音业务、数据业务等，并对这些业 务提供端到端的q o s 保障，确保通信质量及信息安全。 图1 3 所示的协同通信网络不同于图1 1 与图1 2 中的网络，该系统包括了移动通信 网络( 2 g 3 g ) 、固定电话网络( p s t n ) 、i m e r n 耽( 含w l a n ) 和卫星通信网络等，各 个子网络在空间上有可能相互重叠，用户可在重叠区域选择最佳的接八方式。各个网络 经接入路由器( a r ) 和骨干网相连。当用户移动至某个网络的覆盖范围外时，正在进 行的通信无需中断，可无缝切换至另一各网络中，使通信得以继续。协同通信网络拓展 了用户移动性的概念，突破了用户移动性在同种网络内进行的限制，使用户能在不同网 络间漫游，并且充分发挥了各种网络的优势，尽最大可能为用户提供最佳服务， 图1 3 协同通信网络 1 1 3 协同通信的分类 从网络协同通信作用的范围看，协同通信可分为两大类：同构网内的协同通信与异 掏网间的协同通信。 同构网内的协同通信：主要针对无线接入网信号衰落大的特点而设计。无线信号传 播的特性和传播环境的复杂性决定了在发射机及接收机之间存在着较大的衰落【1 1 8 】。 ! ! 塞些皇查兰竖主堡兰 笙= 皇堕旦塑堡塑竺堕墅笪墨 为了使用户在衰落较大的区域仍然能够访问网络提供的服务，可以在该区域增设基站 ( b s ) ，使无线信号完全覆盖该区域。这种方法较为直接，缺点是成本较高。另一种比 较经济的方法是在该区域安装中继器( r e l a y ) 1 - t 9 l ，中继器与发射机之间采用无线连 接，对发射机的信号进行转发。接收机可从中继器和发射机同时接收信号，提高接收信 号的质量，为通信过程提供q o s 保障。目前，对于中继器的理解可以是一个预先安装的 独立设备，也可以是接收机根据某种准则在网络中选择的一个或几个终端 1 2 0 。此时， 网络中的终端本身就具有信号转发功能和简单的路由功能，可以从自组织网络( a dh o e n e t w o r k ) 的角度来看待网络内的拚同通信f 1 2 1 1 。当系统只采用一个中继器时，称该中 继器为转发器( r e p e a t e r ) ：当采用多个中继器时，称由这些中继器构成的中继器组为 m i m o 中继或虚拟天线阵( v a a ) 。从中继器工作的方式来看，分为再生中继( r e g e n e r a t i v e r e l a y ) 与非再生中继( n o n - r e g e n e r a t i v er e l a y ) 。非荐生中继仅对从发射机接收到的信 号进行功率放大，然后转发给接收机；而再生中继对从发射机接收到的信号进行解码 ( d e c o d e ) ，获得原始的信息，然后将原始信息重新编码( r e c o d e ) 后转发给接收机。无 论何种方式的中继器都要占用通信网络的资源，例如功率、时隙、码字等。因此，在 中继器与发射机之间，中继器之间进行资源的优化与平衡显得尤为重要。 异构网间的协同通信：主要提供对异构网络通信的移动性管理功能。下代网络是 以i p 为基础的网络，用户可具有极高的移动性，并有多种接八方式可以选择，这使得 移动性管理问题分布在网络的不同层次上：网络层、链路层和空中接口层。扶作用范围 来看，可分为宏移动性管理，微移动性管理和空中接口移动性管理。宏移动性管理主要 处理大范围内的移动性，如不同网络间的漫游，当用户从个网络漫游至另一个网络时， 仍然可以不问断地通信。微移动性管理主要处理小范围内的移动性支持，如同一网络或 域内部的移动性。空中接口移动性管理与接入网使用的无线技术密切相关。进行移动台 在各个基站或接入点之间的切换管理。为提高有效性，宏微移动性管理结构已被广泛接 受。产业界和学术界对宏移动性管理标准已基本达成一致，即以m o b i l ei p 为基础提供 宏移动性支持。对微移动性管理协议的研究是目前的热点，已经提出了许多微移动性协 议，将与域内移动相关的信令负荷和切换过程限制到本地的域内完成。目前已提出的微 移动性协议可分为两大类：一类是基于路由的方案，例如，h a w a i i 1 2 2 ，c e l l u l a ri p 【l 。2 3 】 等等；另一类是基于隧道( t u n n e l ) 的方案，例如m i p r r t 2 4 。为了区别于同构网络 内的切换( 如g s m 网络或c d m a 网络内基站之间的切换) ，将异构网络间的的切换称 苎塞坚皇查兰! 苎主堡茎 苎二兰坐旦望生堕坐墅堕! ! 苎生 为垂直切换( 如g s m 网络与w l a n 之间的切换) ，而将同构网络内的切换称为水平切 换 1 2 s 。垂直切换是一种全新的切换概念，使移动节点能够在不同的接入网间无缝的 切换，保持通信的持续，尽量获取最佳的服务。垂直切换需要网络间切换算法及切换信 令 1 2 6 的支持。 1 2 协同中继网络研究 1 2 1 单中继网络 图1 4 ( a ) 是传统的通信网络结构，发射机以某种调制编码方式直接向接收机发射 信号，接收机将信号解调解码后获得原始信息，收发机之间只有一个无线信道。然而， 由于接收机的移动性，当接收机移动至较复杂的环境，发生深度衰落时，会导致接收性 能的急剧下降误码率增大，并有可能会产生通信中断( o u t a g e ) 。为了克服深度衰落， 降低通信中断的概率，可以增大发射功率或增加基站以改善接收效果。然而，任何实际 的发射机均存在功率限制，不可能无限增大发射功率。此夕 ，随着发射机额定功率的增 大和基站数的增多，网络成本会急剧增大。此时在发射机与接收机之间增加中继器来 转发信号是一个比较经济可行的方案。图1 4 ( b ) 表示了一个典型的单中继网络模型， 转发器与发射机之间采用无线连接进行信令和数据的交互，有效的降低了成本，简化了 安装复杂性，同时扩大了网络的覆盖范围。从图中可看出，发射机与接收机间包括三个 无线信道：发射机至接收机( c h a n n e li ) ，发射机至转发器( c h a n n e l2 ) 和转发器至接 收机( c h a n n e l3 ) 。其中，c h a n n e ll 是经历深度衰落的直传信道，c h a n n e l2 与c h a n n e l 3 是由于转发器的引入而新增的两个无线信道，他们通常在频率或时间上正交。由于 c h a n n e l2 和c h a n n e l3 的存在，系统可获得分集增益，提高接收质量。同时也应当看到， 转发器提供分集增益的同时也引入了新的衰落和噪声( 包含来自网络中其他无线信号的 干扰和转发器本身的噪声) 。目前的研究表明，在一定的资源( 如能量或功率) 限制下， 经资源优化分配后的中继网络性能会优于直传网络，但并不总是这样，尤其是不考虑直 传信道而仅利用中继信道时更是如此。此时将存在个中继器可以提供性能增益的区 域，称之为有效区域 1 2 7 】：在此区域之外，中继器并不能提供- 牲能增益。这种睛况下， 中继器的位置对于整个系统性能有着重要影响。若中继器的选址不合适，中继网络性能 甚至会逊于直传网络。正是由于中继器位置的重要性，也导致了对中继器在网络中存在 七京邮电大学博士论文 第一章协同通信网络研究背景 形式的不同理解。 l 接收帆 图1 ，4 单中继网络模型 可以将图1 4 ( b ) 所示的转发器当作一个在确定位置预先安装好的专门用于转发信 号的中继设备。发射机预知自己的中继器，该区域中的终端也预知该中继器的存在，并 固定地从该中继器上接收转发的信号。这种中继器实现起来比较简单，但当终端移动出 有效区域之后，若仍使用该中继器，将会降低系统性能。解决的办法是安装多个中继器， 网络自适应的为用户选择能够获得最佳性能的中继器。从目前中继网络的发展趋势上 看，这个方法将被自组织网络替代，即由网络中的终端充当中继器，向接收机转发来自 发射机的信号。终端不仅能够接收自身的信号，还可以转发其他终端的信号，具备简单 的路由功能。这将使中继网络的构造与解构极具动态性，无需耨增专用中继器，作为中 继器的终端可随接收机位置和信道条件的变化而改变。个典型应用场合是在空旷地带 用户密集的集会，如体育比赛或商业演出。距离发射天线远的用户可选择距离发射天线 近的用户作为自己的中继器以获得良好的接收效果，中继网络随用户的聚集而产生，随 用户的离去而消失。 如1 l | 3 所述，中继器可选择再生或非再生的方式将信号转发给接收机。当中继器 工f 乍于非再生方式时，仅将接收到的衰落信号进行功率放大，然后再转发给接收机。在 接收机端进行解码，恢复原始信息。应当注意，中继器放大有用信号的同时也放大了中 继器引入的噪声( 如图1 4 ( b ) 所示) ，与接收机自身的噪声一起影响接收机的解码， 中继器产生了传递噪声的消极作用。因此，需要将中继器的发射功率控制在合理的水平 之上。对于再生式中继，中继器对来自c h a n n e l2 的信号进行解码，获得发射机的原始 信患，然后将信息重新编码后经c h a n n e l3 转发给接收机，尽管再生式中继不会像非再 节式中继那样将本身的噪声传递至接收机，但在解码的过程中，由于信道衰落和自身噪 誊撇 ! ! 塞堂皇查兰堡主垦苎 墨二兰塑旦望笪塑垒竺塞笪苎 声的影响，可能会产生误码，并将错码传递至接收机。因此，整个系统的性能( 如错误 概率，信道容量等) 将由两次解码共同决定。 1 2 2m i m o 中继网络 提高通信系统容量( b p s h z ) 是多年来各国研究人员的重要研究领域之一，具有高 斯噪声的单链路容量已由香农在【1 2 8 】中给出。然而，急剧增加的用户数和新业务对系 统容量的强大需求已使单链路传输不能满足未来通信网络的设计要求。多输入多输出 ( m i m o ) 技术是下一代网络可能采用的物理层技术之一，以其高系统容量得到学术界 和产业界的关注。m i m o 技术的主要特点是在多个并行的信道上传输信息，输入与输出 均为多维矢量信号，其信道容量的理论上界在 1 2 9 j 中给出，并可通过空时编码 ( s p a c e t i m ec o d e ) 1 - 3 0 的方法逼进该上界。 i 型止堂銎- i 塑型逛一l i| i 麓目寸帆 接收帆 图1 5m i m 0 中继网络模型 图1 5 表示了一个典型的m i m 0 中继网络模型。基站端具有多个发射天线，中继器 组包含多个天线，在发射机与中继之间形成m i m o 广播信道，中继与接收机之间为多 址信道( m a c ) ，由图中可看出，中继器的天线构成了一个接收阵列，他们可能属于不 同终端。因此，m i m o 中继也称为虚拟天线阵( v a a ) 【1 - 3 1 。各个中继器间可以相互 协同，交换信令及数据。与单中继网络类似，m i m o 中继网络可工作于再生模式和非再 生模式。对于非再生式m i m o 中继，各个中继器仅放大来自发射机的信号，然后再转 发至接收机，在接收机端进行解码，各个中继之间需要交换的信息量不大。对于再生式 m i m o 中继，中继器将对发射机发送的信号进行解码，获得原始信息，再将原始信息重 新编码后转发给接收机。在中继端解码需要在中继器间交换大量的数据及信令，这将增 大系统的开销。因此，在m i m o 中继系统中更倾向于选择非再生式中继。 在m i m o 中继系统中，由于是多个中继器协同工作，各中继发送的信号将通过不 r 北京邮电太学博士论文 第一章协同通信网络研究背景 同路径，经历不同衰落，因此，中继器位置的选择、发射功率的分配对于系统性能有着 重要的影响，需要加以合理考虑。资源分配算法应尽可能减少中继间的信息交互，降低 系统开销，使系统获得最佳性能。 i 3 异构网间的协n n 信 1 3 i 移动性管理 移动性管理是协同通信网络的重要组成部分，包含两个主要功能：位置管理与切换 管理；位置管理主要提供网络间、业务提供商阃的漫游与寻呼支持：切换管理在用户的 接入位置发生改变时维持不间断的通信。 1 3 1 1 位置管理 宏移动性管理协议：为了实现节点在移动过程中可以与i n t e m e t 保持连接，移动i p 为每个移动节点使用一对i p 地址：家乡地址和转交地址( c o a ) 。家乡地址是节点在它 的家乡网络注册的永久地址，用于在i n t e m e t 上唯一地识别该节点，不论移动节点是否 处于家乡网络中，家乡地址都保持不变。转交地址是节点移动至外部网络时获得的一个 ；时地址，为发向该节点的数据报确定路由。移动i p 通过移动节点( m n ) 、家乡代理 rh a ) 和外部代理( f _ a ) 三者合作实现对节点的移动性支持。当移动节点漫游至外部 网络时，从外部代理处得到转交地址，并将转交地址向家乡代理注册。发往移动节点的 分组将首先发送至家乡代理，然后家乡代理根据移动节点注册的转交地址通过隧道转发 给外部代理，最后由外部代理将数据包发送至移动节点。尽管移动i p 能够提供网络间 的移动性支持，但由于移动f p 对任何级别的移动性都采取相同的处理方法，而不考虑 移动范围的大小，这将导致用户在小范围内频繁移动对产生大量的注册请求及应答消 息，增加了网络的负担，也增加了切换延时。另外，移动i p 不支持寻呼操作，无论用 户是否处于激活状态，系统总需要知道用户的确切位置，这增大了移动终端的电源消耗， 缩短了终端的使用时间。因此，需要微移动性管理作为移动i p 的扩展来弥补上述缺陷。 移动i p 中的个重要假设是移动节点和移动代理都使用可寻址的公共【p 地址，这限制 了使用私有f p 地址的移动节点的移动性，他们将无法与外部网络进行通信。因此，为 了支持这些移动节点的漫游功能，有必要对移动i p 补充网络地址黯译( n a t ) 的功能。 ! !