（交通信息工程及控制专业论文）无线链路与传输层协议研究及其网络性能分析.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 摘要 无线通信业务的飞速发展，使得频谱资源和用户需求之间的矛盾越来越突 出。巨大的无线信息容量需求推动了c d m a 无线通信的迅速发展，多种业务的 需求则直接导致了无线网络传输数据的分组化。本文以蜂窝分组无线网络中 h a r q 、r l p 、t c p 以及t c p r l p 协议栈为对象进行了深入的分析研究。 本文首先对基于平均分集合并的c d m a 系统进行了研究，对采用平均分集 合并技术系统的信噪比进行了分析，并根据c d m a 干扰受限特性对通常的吞吐 率指标就所分配的功率比例进行归一化，得出有效吞吐率指标，以反映在无线 小区中分配单位比例功率对无线小区吞吐率的增益。研究结果表明：平均分集 合并c d m a 系统的吞吐率随着所分配功率比例的增加而增加，当功率比例达到 临界值后，吞吐率将达到饱和。系统的有效吞吐率指标在兼顾吞吐率指标的同 时所对应的功率比例有一最优化值，超过此最优化值后功率比例的增加将导致 小区对功率利用率的降低。在可变扩频增益系统中，对不同数据传输速率下系 统误码率的分析表明：在可变扩频增益系统中，保持纠错编码前误码率为一确 定最优值对于提高单个通信连接和整个小区功率的利用率都是必要的。 在无线链路协议( r l p ) 性能分析中，根据c d m a 系统的于扰受限特性， 针对分组数据传输c d m a 系统提出一种新的系统容量定义，并就r l p 中不同的 a r q 方式和不同信道模型，对分组数据传输c d m a 系统容量进行了比较研究。 结果表明，与传统定义相比，采用本文的容量新定义可以更合理地描述信道资 源利用率和频谱效率。根据新定义，在独立同分布信道模型下s r 的容量特性优 于g b n ，但在相关信道模型下，信道的衰落特性则有利于g b n 容量性能的提高， 随着衰落速度的变缓，g b n 的容量性能将逐步向s r 逼近。 在考虑纠错编码冗余位对无线信道资源占用的条件下，引入有效系统吞吐 率性能指标，分别对r l p 中的s r 年i i g b n 方式在独立同分布和相关信道模型下的 性能进行了研究。结果表明，在分组c d m a 无线通信系统设计中，纠错编码可 以在给定编、译码算法、给定分组包长以及重传方式的基础上，通过合理选择 编码冗余位长度而获得最大的系统有效吞吐率，也即实现系统有效容量的最大 化。 在独立同分布信道条件下对t c p 和u d p 协议性能就不同的回传时延( r t t ) 第1 i 页西南交通大学博士研究生学位论文 和最大拥塞控制窗1 2 1 ( ，m 。) 参数进行了比较研究。在相关信道条件下，根据 c d m a 的干扰受限特点，通过引入有效因子作为传输层协议性能评价指标，对 t c p 和u d p 在不同r t t 和阡。参数条件下进行了比较研究。研究结果表明： 随着阡。的减小和衰落速度的降低，t c p 的有效因子性能将提高；在通常语音 和数据通信误码率工作区域内，网络时延的增加有助于有效因子性能的提高。 对于有效因子性能，t c p 的r e n o 和t a h o e 版本是基本相同；对于t c p 性能， 阡，m 。、的影响相互矛盾，阡，m ；的增加会导致有效因子的降低，但却有助于t c p 连接吞吐率的提高，说明实际应用中阡，m 。的设置应根据具体情况在无线网络容 量和单个t c p 连接流量之间取得折衷。 针对无线衰落信道条件下的t c p 建模，本文将r t t 较大时t c p 吞吐率的解析 表达式由独立同分布信道推广到衰落无线信道的离散时间二态相关信道模型， 推导出了海量数据流条件下t c p 连接的稳态吞吐率关于衰落幅度、平均误包率 和回传时延的显式表达式解析模型。与已有文献结果相比，在考虑无线信道衰 落时，本模型更简单、结果更精确。 以数据吞吐率和有效因子为性能评价指标，讨论了平均分集合并技术采用 前后t c p r l p 协议栈对r l p 重传次数的要求，以及可变扩频增益系统中不同数 据帧大小对t c p r l p 协议栈性能的影响。研究结果表明：平均分集合并技术的 采用有助于吞吐率和有效因子性能的提高，并可降低对r l p 最大重传次数的要 求。此外，将大的数据帧分解为小的数据帧也有助于系统性能的提高。 关键词：r l p ；t c p ： c d m a ；a r q ；h a r q 西南交通大学博士研究生学位论文第1 i i 页 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s t h ec o n f l i c t b e t w e e ns p e c t r u mr e s o u r c e sa n dc u s t o m e r ，sd e m a n dg r o w sm o r ea n dm o r e a c u t e l y t r e m e n d o u si n f o i t f l a t i o n r e q u i r e m e n td r i v e s t h ed e v e l o p m e n to fc o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ( c d m a ) w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yr a p i d l y , a n da l lk i n d s o fs e r v i c ed e m a n dr e s u l ti np a c k e t s w i t c h e do r i e n t e dc e l l u l a rw i r e l e s sn e t w o r kd a t a i nt h i sp a p e r , h a r q r l p , t c pa n dt c p r l pw i l lb e i n v e s t i g a t e di ng r e a td e t a i l s f i r s to fa l l ，a v e r a g ed i v e r s i t yc o m b i n i n go r i e n t e dc d m a s y s t e mi sa n a l y z e d ， a n ds i g n a l t o - n o i s er a t i oo fa v e r a g ed i v e r s i t yc o m b i n i n gi s d i s c u s s e d a i m i n ga t i n t e r f e r e n c e 1 i m i t e dc h a r a c t e r i s t i c so fc d m a e f f e c t i v et h r o u g h p u ti si n t r o d u c e da s t h en o r m a l i z dt h r o u g h p u tt om e a s u r et h r o u g h p u tg a i no fc e l lc o r r e s p o n d i n gt ou n i t o fp o w e ra l l o c a t i o n p e r c e n t e g y , a n d t h ee f f e c t i v e t h r o u g h p u tp e r f o r m a n c e i s i n v e s t i g a t e di nd e t a i l s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et h r o u g h p u tc a nr e a c hs a t u r a t i o n w i t ht h ei n c r e a s eo fp o w e ra l l o c a t i o n a n dt h ep o w e ra l l o e a t i o nc a l lb eo p t i m i z e dt o a c h i e v em a x i m u me f f e c t i v e t h r o u 曲p u t t h e s e l e c t i o no fb e rb e f o r e e r r o r c o r r e c t i n gc o d i n go f v a r i a b l es p r e a d i n gg a i ns y s t e mi sa n a l y z e d ，a n dt h er e s u l t s h o w st h a tm a i n t a i n i n ga no p t i m i z e dv a l u co fb e rb e f o r ee r r o r - c o r r e c t i n gc o d i n g w i l ld og o o df o rt h et h r o u g h p u tp e r f o r m a n c eo f s i n g l el i n ka n d t h ep o w e ru t i l i z a t i o n o f w h o l ec e l l t h e r e a f t e r ，i na n a l y s i n g r a d i ol i n k p r o t o c o l ( a l p ) ，a n e x t e n d e d c a p a c i t y d e f i n i t i o nf o r p a c k e t s w i t c h e d c d m as y s t e mi si n t r o d u c e db a s e do nt h e j n t e r f e r e n c e l i m i t e dc h a r a c t e r i s t i c so fc d m a a c c o r d i n gt ot h ee x t e n d e dd e f i n i t i o n t h ec a p a c i t yo fp a c k e t s w i t c h e dc d m a s y s t e mf o rd i f f e r e n ta r qa n dd i f i e r e n t c h a r m e ln m d e l si s i n v e s t i g a t e d i ti ss h o w nt h a t c o m p a r e dw i mt h et r a d i t i o n a l d e f i n i t i o n ，t h ea d o p t i o no fe x t e n d e dd e f t n i t i o nc a nd i s c r i b em o r ea c c u r a t e l yt h e u t i l i z a t i o no fw i r e l s sc h a n n e lr e s o u r c ea n ds p e c t r u me f 五e n c y f 0 ri i dc h a u n e l m o d e l ，t h ec a p a c i t yc h a r a c t e r i s t i c so fs r i ss u p e rt ot h a to fg b n ，b u tf o rc o r r e l a t e d c h a n n e lm o d e l t h e f a d i n g o fw i r e l e s sc h a n n e l m a yi m p r o v e t h e c a p a c i t y c h a r a c t e r i s t i c so fg b n w i t ht h es l o w e rf a d i n g t h ec a p a c i t yc h a r a c t e r i s t i c so fg b n w i l ia p p r o a c ht h a to f s r e f r e c t i v es y s t e r nt h r o u g h d u ti sa l s oi n t r o d u c e da san e wm e t r i ct a k i n gi n t o a c c o u n tt h ew i r e l e s sc h a u n e lo c c u p a t i o no fe r r o rc o r r e c t i n gc o d i n gr e d u n d a n t b i t b y e v a l u a t i n gt h ep e r f o r m a n c eo fs ra n dg b n o ni i da n dc o r r e l a t e dc h a n n e lm o d e l i t i si n d i c a t e dt h a tt h ep r o p e rs e l e c t i o no ft h en u m b e ro fr e d u n d a n tb i t sc a r lm a x i m i z e s y s t e me f f e c t i v et h r o u g h p u tf o rg i v e nc o d i n ga n dd e c o d i n gs c h e m e ，f l a m es i z ea n d r e t r a n s m i s s i o nm o d eo f r l p 第1 v 页西南交通大学博士研究生学位论文 n e x t p e r f o r m a n c eo f t c p a n du d po v e ri i di si n v e s t i g a t e df o rd i f i e r e n tr o u n d t r i pt i m e ( r t t ) a n d m a x i m u m c o n g e s t i o nc o n t r o lw i n d o w ( 缸) a c c o r d i n gt ot h e i n t e r f e r e n c e l i m i t e dc h a r a c t e r i s t i c so fc d m a e f f e c t i v ef a c t o ri si n t r o d u c e da san e w m e t r i c sf o rt r a n s p o r tl a y e rp r o t o c o lo v e rc o r r e l a t e dw i r e l e s sc h a n n e lm o d e l t h e n t c pa n du d po v e rc o r r e l a t e dc h a n n e la r ei n v e s t i g a t e df o rd i f f e r e n tr t ta n dw m a x o u rr e s u l t ss h o wt h a t ，w i t ht h ed e c r e a s eo f a xa n ds l o w e to f f a d i n g ，t h ee f f e c t i v e f a c t o rp e r f o f i n a n c eo ft c pw i l lb ei m p r o v e d ，i nu s u a lv o i c ea n dd a t ac o m m u n i c a f t o n ， t h ei n c r e a s eo fr t tm a yd og o o df o rt h ee f f e c t i v ef a c t o ro ft c pc o n c e r n i n g e f f e c t i v ef a c t o rm e t r i c f o rr e n oa n dt a h o ev e r s i o no ft c p t h e i rp e r f o r m a n c ea r e a l m o s tt h es a m e i nf a c t ，t h ei m p a c to f a xo nt h et h r o u g h p u ta n de f f e c t i v ef a c t o r p e r f o r m a n c e o ft c pi s c o n t r a d i c t e d ，t h ei n c r e a s eo fw m a xw i l li m p r o v e t h e t h r o u g h p u tp e r f o r m a n c e b u tw i l ld e c r e a s et h ee f f e c t i v ef a c t o r p e r f o r m a n c e t h e r e f o r et h es e l e c t i o no f 诅xc a nb ec o m p r o m i s e db e t w e e nt h r o u g h p u to f s i n g l e l i n ka n dc e l lc a p a c i t y t h e n ，a i m i n ga tt c p r e n ou n d e rw i r e l e s sf a d i n gc h a n n e l ，a na n a l y t i c a lm e d e l o fs t e a d y s t a t et h r o u g h d u to ft c pi s g e n e r a l i z e df r o mi i d c h a n n e lt ot w o s t a t e m a r k o vc h a n n e l s s t e a d y - s t a t et h r o u g h p u to ft c pa saf u n c t i o no f f a d i n gm a r g i n ， a v e r a g ep a c k e t e r r o rr a t ea n dr t ti so b t a i n e du n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tal a r g e a m o u n to fd a t ai ss e n tw i t hl o n gr t t o u ra n a l y t i c a lm o d e lc a p t u r e sn o to n l yt h e b e h a v i o ro ff a s tr e t r a n s m i ta n dt i m e o u tm e c h a n i s mb u ta l s o t h ec o r r e l a t e c h a r a c t e r i z a t i o no fw i r e l e s s c h a n n e l c o m p a r e dw i t h t h e e x i s t i n gr e s u l t s ，o u r a n a l y t i c a im o d e li ss i m p l e ra n dt h ep r e d i c t e dr e s u l to f t h em o d e ii sm o r ec o n s i s t e n t w i t ht h es i m u l a t i o nr e s u l t i nt h ee n d w i t ht h et h r o u g h p u ta n de f f e c t i v ef a c t o ra sm e t r i c s t h ep e r f o r m a n c e o ft c p 舢p p r o t o c 0 1s y s t e mw i t h o u tc o d ec o m b i n i n ga n dw i t ha v e r a g ed i v e r s i t y c o m b i n i n gi sc o m p a r e d i ti s s h o w nt h a t ，c o d ec o m b i n m gc a ni m p r o v e s y s t e m p e r f o r r l l a n c eb u tt h em a ) 【i m u mt r a n s m i s s i o nt i m ei nr l pm a y b ec o r r e s p o n d i n g l y r e d u c e d i na d d i t i o n ，b yd i v i d i n gd a t af r a m ei nr l pi n t os m a l l e ru n i t s ，i ti sa l s o u s e f u lt oi m p r o v et h es y s t e m p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：r l p ；t c p ；c d m a ；a r q ；h a r q 西南交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书： 2 不保密舀，适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、”) 学位论文作者签名 日期：为口牛年5 f 指导教师签名： 糍 日期：珈。y 年岁月3 日 瓴p 彳 ， 月 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究 工作所取得到成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作过贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 根据c d m a 功率受限特点对传统吞吐率指标就所分配功率比例进行归一 化，提出有效吞吐率指标，以反映在无线小区中分配单位功率比例对无线 小区吞吐率的增益。研究表明，在兼顾吞吐率指标的同时，所对应功率比例 存在一最优化值。( 第2 章) 2 针对分组数据传输c d m a 系统干扰受限特性和r l p 差错重传机制，提出 一种新的系统容量定义。与传统定义相比，采用新的容量定义可以更合理 地描述信道资源利用率和频谱效率。通过适当选择编码冗余位长度可获得 最大系统有效吞吐率，也即实现系统有效容量的最大化。( 第3 章) 3 根据t c pr e n o 协议的拥塞控制和超时重传机制，得到更为简洁准确的t c p 稳态吞吐率显式解析表达式模型，该解析模型所用无线信道模型与t c p 的 实际运行情况更吻合且适用于r t t 较长的t c p 使用环境。( 第4 章) 4 根据c d m a 干扰受限特性提出有效因子概念，作为c d m a 技术无线信道 上传输层性能的评价指标，以准确反映c d m a 系统的容量特性。采用平均 分集合并技术有助于系统吞吐率和有效因子性能的提高。( 第4 章) 5 本文研究表明，网络时延的增加导致t c p 吞吐率下降，而最大拥塞控制窗 口w m 。的增加会导致有效因子降低，但却有助于t c p 连接吞吐率的提高。 因而在选择阡，m 。时，应根据具体情况在无线网络容量和单个t c p 连接流量 之间取得折衷。( 第4 章) 6 本文研究表明，平均分集合并技术的采用将降低对r l p 最大重传次数的要 求，协议性能可在较小的重传次数条件下达到饱和，将大数据帧分解为小 数据帧有助于系统性能的提高。( 第5 章) 学位论文作者签名：私丸 日期：年月日 西南交通大学博士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 无线通信是当今通信领域内最为话跃和发展最为迅速的领域之一。也是将 在2 l 世纪对人类的牛活和社会发展具有重火影响的科学技术领域之一。7 0 年 代末贝尔实验室提出蜂窝系统的概念开辟了频谱资源在地域上重复利用的新途 径，从而使公用陆地无线通信的发展成为可能。但面对巨大的潜在市场需求， 频谱资源的不足仍然威胁着蜂窝无线通信的发展，蜂寓无线通信的发展一直在 为提高频谱资源的利用率而进行爿i 懈的努力。 1 1 分组无线通信网络概述 1 、无线频谱效率的概念 频谱资源的有效利用程度通常称为频谱效率，但在具体计算时不同的作者 的理解不尽一致，一直到1 9 8 8 年。g ，c a l h o u n 还在其著作中把频谱效率“i 成一 个多义的概念其六种不同的定义分别如下：信息密度( 比特，单位带宽) ；频 谱话路效率( 话路数单位带宽) ；频谱地域效率( 话路数单位带宽单位面积) ： 频瞒通信效率( 话务量单位带宽单位面积) ；频谱经济效率( 价格单位面积 单位带宽单位话路) ；频谱配置效率( 经济效益，单位带宽) 。而后两种定义已 超出了技术的范畴。 就通信领域中纯技术意义上的频谱效率而言，1 9 7 7 年h a t f i e l d 曾对各种定 义进行。过比较，认为诂务量单位带宽，单位面积是比较合适的度量，而在给定 用户平均通话占用时间和系统阻塞概率的前提下也可以用户数单位带宽单位 面积为度量，两者间有简单关系。 w c y l e e 在1 9 8 5 、1 9 8 7 和1 9 8 9 年几次对频谱效率进行了讨论，他 在1 9 8 9 年的论文中认为最合适的度量是无线电容量m 口 m = = 单位小区( 1 1 ) b 。k 其中研是系统占用带宽，是每信道占用带宽，k 是小区群中的小区数。在此 基础上给定一些附加的补充参数后即可得到频谱效率的其它一些度量，如：话 备景，单位小区、话务量，单位商积、每小时呼叫数单位而积和用户数单位面积 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 等。 上述各种定义从根本卜可以分成两类：第一类定义是阱信息量学位带宽， 单位面积，单位时唰为基础，这类定义从理论上讲是严格的，但在实用上则不太 方便，因为在实际应用中往往很难对信息量进行测量，对模拟话音尤为如此。 第二类定义是以信道数单位带宽单位面积为基础，这类定义在实际应f i = j 中较 为方便，但由于对信道没有严格的定义，往往会导致频谱效率比较分析的混乱。 对此的解缺方法有两种：一是规定信道必须传送一定质量的话音，但这种方浊 由于话音质量缺乏客观的评估方法而有缺陷；另一种方法是规定信道有一定的 信道容蹙这样两种定义之间就有了简单的关系，同时不但可用于话音业务频 谱效率的分析，也可以用于数据业务的分析。 蜂窝通信系统的频谱效率严格来讲与系统的很多部分都有关系，比如：调 制、编码、解涮、均衡、译码、发信功率的控制及接收信号的分集方式、系统 的频率规划、小区频率复用图样、小区的地理分布、天线的方向性和多址方式 等，特别是多址方式对蜂窝通信系统频谱效率的影确尤为显著。 2 、三种多址技术 多址技术使众多的用户使用共用的通信信道成为可能，这里的通信信道可 以是时域、空域或者频域的。实现多址的方法基本有三种，分别采用频率、时 间或序列码分隔的多址接续方式，相应为频分多址f d m a ( f r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l ea d d r e s s ) 、时分多址t d m a ( t i m e d i v i s i o n m u l t i p l ea d d r e s s ) 和码分多址 c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea d d r e s s ) 以及它们的混合方式。 f d m a 为每一个用户指定了特定的频率信道，这些信道按要求分配给请隶 服务的用户，在呼叫的整个过程中，其它用户不能共享这一频段。f d m a 的特 点是：每一信道占用一个载频，相邻载频之间的间隔应满足传输信号带宽的要 求；符号时间与平均时延扩展相比较很大；通信设备庞大，重复设置收发设备； 越区切换较为困难和复杂，对于数据传输影响较大。 t d m a 是在一个宽带的无线载波上，把时间分成周期性的帧，每一帧再分 割成若干时隙( 无论帧或时隙都是互不重叠的) ，每个时隙就是一个通信信道， 分配给一小用户。t d m a 的特点是：突发传输的速率高；码间串扰随载波上时 隙数的增加而加大；通信设备复杂性减小；抗干扰能力强，越区切换简单。 c d m a 是为缚一用户分配各自特定的地址码，利用地址码相互具有的准正 交性，在时域、空域和频域公共的信道传输信息。c d m a 的特点是：通信容量 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 大，c d m a 是干扰受限系统，任何降低干扰的措施均可转化为系统容量的提高； 抗多径衰落能力强；抗窄带干扰能力强，对窄带系统干扰小；可实现平滑的软 切换和有效的宏分集。 3 、无线通信系统的发展趋势 在7 0 年代解决了公用无线通信系统的大容量要求和频谱资源受限的矛盾 后，一些国家先后开发出了第一代的模拟通信系统。到8 0 年代中期，世界各国 纷纷建立了自己的蜂窝无线通信网，主要代表有：英国的e t a c s ( e u r o p e a n t o t a l a c c e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 系统；法国的4 5 0 系统和北欧的n m t - 4 5 0 ( n o r d i c m o b i l et e l e p h o n e 一4 5 0 ) 系统等。这些系统都是双工的f d m a 模拟制式系统，被 称为第一代蜂窝无线通信系统。尽管模拟蜂窝系统取得了巨大的成功，但是在 实际的使用的过程中也暴露出一些问题：业务种类单一，只有语音业务；模拟 系统存在同频干扰和互调干扰；模拟系统保密性差：特别是频谱效率低，有限 的频谱资源和无限的用户容量需求的矛盾十分突出。 在计算机技术发展的推动下，现代无线通信逐步由模拟方式转向数字方式， 一些国家陆续开发出了以t d m a 为基础的第二代数字无线通信系统。比较典型 的有欧洲的g s m 系统、美国的d a m p s 和i s 9 5 系统以及日本的j d c 系统等。 与f d m a 为基础的模拟无线通信系统相比，数字无线通信系统具有许多优势： 频谱效率更高、系统容量更大、保密性更好和话音质量更清晰等，因而数字无 线通信系统在世界各地获得了迅速普及。但是，第二代的数字无线通信系统也 只能提供话音和低速数据业务的服务。 在信息时代，图象、话音和数据相结合的多媒体业务和高速率数据业务的 业务量将会大大增加，而目前的第二代数字无线通信系统不仅远远不能满足未 来通信业务多样化的要求，而且随着用户数目的迅猛增加，现有的系统也远远 不能满足用户容量发展的需求，频谱效率的问题更为突出，新一代无线通信系 统的研究和发展已成为通信领域一个新的研究热点问题。 新一代无线通信系统是相对于现在应用的无线通信系统而言，要求实现从 目前的话音业务为主的无线通信系统过渡至话音业务和高速数据业务混合的无 线通信系统，并最终实现“任何人( w h o e v e r ) 在任何地方( w h e r e v e r ) 任何时间 ( w h e n e v e o 可以同任何对方( w h o m e v e r ) 进行任何形式( w h a t e v e o 的通信”。与现有 的无线通信系统相比，新一代无线通信系统具有如下特点： 新一代无线通信系统将是一个全球普及和全球无缝漫游的系统，它将使用共同 第4 页 西南交通大学博士研究生学位论文 的频段，全球统一的标准； 新一代无线通信系统能支持从话音到分组数据和多媒体业务，并根据需要提供 带宽； - 新一代无线通信系统便于过渡和演进，能在第二代网络的基础上逐渐灵活演进 而成，并能与固定网相兼容： 新一代无线通信系统具有更高的频谱效率； - 新一代无线通信系统具有吏高的服务质量、更低的成本和更高的保密性。 表1 1 是当今世界上关于新一代无线通信系统无线传输技术的提案1 ，从 1 0 个候选拽术看，其中有8 个采用了c d m a 技术，说明在物理层的多址技术 选择上，采用c d m a 技术因其具有更高的频谱效率和更高的抗干扰能力，已成 为新一代无线通信系统技术发展的主流。 在业务的发展上，无线通信网络上的业务将逐步呈现分组化特征，而网络 结构将逐步实现以i p ( i n t e m e t p r o t o c 0 1 ) 为核心的模式。目前在固定通信领域， 话静k 务难在受到数据业务的强有力挑战。与固定通信相比，星前无线通信的 话音通信量仍然占绝对优势，但随着新技术的引入无线数据业务己开始呈现 蓬勃发碰的势头，未来无线通信系统更是以能够提供宽带的多媒体数据业务作 为一个主要出发点。千r 应，未来无线通信网络将向坤化方向演进，未来的无线 通信网络将是一个全l p 的分组网络。对此，两个t 要的第三代无线通信标准组 织3 g p p 和3 g p p 2 訇：将第三代无线通信发展的目标设定为全口网。i t u 也认为， 可以将i m t - 2 0 0 0重新定义为1 m t - i n t e m e tm o b i l e m u l t i m e d i a t e l e c o m m u n i c a t i o n s ，即“互联网移动多媒体通信”。可以想象，来采的无线通信 表1 - 11 0 种i m t - 2 0 0 0 地面无线传输拉水提案 序号提交技术双工方式应州环境提交者 1j ：l c d m af d d ，t d d所有环境h 本；a r i b 2e t s i u t r a u m t sf d d ，t d d所有环境啦洲：e t s i 3w i m sw c d m af d d所有环境美国：t i a 截止1 9 9 8 年6 月3 0 日提交到i t l 的地面第三代移动通信无线传输技术。 西南交通大学博士研究生学位论文第5 页 4w c d m n a f d d 所有环境美国：t i p i 5g l o b a lc d m ai if d d所有环境韩国：t t a 6t d s c d m at d d所有环境中国：c a t t 7c d m a 2 0 0 0f d d t d d 所有环境美国：t i a 8g l o b a lc d m aif d d所有环境美国：t i a 9u w c 1 3 6f d d所有环境美国：t i a 室内、室外到室 欧洲： 1 0 2e p d e c tt d de t s i d e c t 计 内 划 核心网络将采用宽带i p 网络，在此口网上，承载从实时话音、视频到w e b 浏 览、电子商务等多种业务，它将是一个电信级的多业务统一网络，在无线部分 使用宽带无线接入技术，实现无线和口的真正融合。 1 2r l p 研究现状与问题分析 在无线信道上，由于误码的产生和前向差错控制f e c ( f o r w a r de r r o r c o n t r 0 1 ) 纠错能力的局限性，不可避免要在数据链路层采用无线链路协议r l p ( r a d i ol i n kp r o t o c 0 1 ) 以实现数据帧的正确传送。r l p 的功能主要通过自动重 传请求a r q ( a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ) 实现。文献 2 3 【4 】对a r q 中的停等 s w ( s t o pa n d w a i t ) 、后退n 步g b n ( g o b a c k n ) 和选择性重传s r ( s e l e c t i v e r e p e a t ) 三种方式进行了描述。g f a y o l l e 等人在文献【5 】中对独立同分布i i d ( i n d e p e n d e n ta n di d e n t i c a l l yd i s t r i b u t e d ) 信道( 即随机误包信道) 条件下的s w 和g b ( 0 0 ) 方式的排队性能进行了分析研究。ec f u j i w a r a 等人在文献 6 仲 分析了独立同分布信道条件下s w 和g b n 的最大吞吐率性能。j m ，m o r r i s 、 z e p d e c t 是欧洲数字无绳通信系统d e c t ，它是由于使用了第三代移动通信频谱的原因而 提交。 箱6 页西南交通大学博士研究生学位论文 h b r u n e e l 和m m o e n e c l a e y 等人在文献 7 1 1 8 1 1 9 1 中提出了独立同分布信道条件 下提高s w 和g b n 吞吐率性能的改进措施。出于s r 足阻提供接收端缓存器为 代价获得a x q 中最高的吞吐率性能，e j w e l d o n 、yc h a n g 、c l e u n g 、m j m i l l e r 和s l i n 在文献 1 0 1 1 1 2 中针对接收端有限尺寸缓存器的大小对s r 性 能的影响进行了分析。针对一点对多点的传输情况，d t o w s l e y 和k m a s e 等 人在文献 1 7 】【1 8 】中对g b n 的性能进行了分析。将分组包在信道上的传送过程 视为一个排队服务系统的服务过程，蕾| 对a r q 的性能分析也可以从排队论的 角度展开，m e a n a g r l o s t o u 、e n p r o t o n o t a r i 0 5 、a gk o n h e i m 和d t o w s l e y 等人在文献 1 9 】【2 0 【2 1 2 2 2 3 巾以排队论为数学手段对a g q 怕吞吐率和延迟 性能进行了探讨。由于s r 只针对发生错误的分组包进行重新传送，因而错误 分组包的重传不可避免带来接收端分组包的排序问题，n s h a c h a m 等人在文献 f 2 4 1 中着重对s r 运行过程中重新排序所导致的时延进行了分析。d ll u 和j f c h a n g 在文献 2 5 中则侧重于寻求提供一种能适用于独立同分布信道条件下的 三种a r q 的统一性能分析方法，并提出了信号流图法作为相应系统的数学分 析工具。 在1 一期关于a r q 的分析研究中通常假设传送分组包的信道是独立同分布 信道，认为信道上的分组包的误包是相互独立的，而事实上信道上的误包很可 能具有相关性，对于运行于无线信道之上的r 【j 尤甚由于无线信道衰落导致 误码的突发性，信道上分组包的各次误包之间具有的相关性是非常显著的。d t o w s l e y 2 6 1 研究了相关信道上s w 和g b n 的特性，但研究侧重于a r q 的排队 性能分析。c h ，c ，l e u n g 、yk i k u m o t o 和s a s o r e n s e n 【“j 对一阶m a r k o v 相关 信道上的a r q 性能进行了分析，但分析仅限于g b n 。d l l u 和j f c h a n g 在文献 2 8 1 叫j 研究了s w 、g b n 和s r 三种a g q 在相芙信道上的性能，但与前 述研究一样假设了回传反馈信道是理想无误包的。s r k i m 和c k u n 在文献 2 9 的研究中考虑了回传反馈信道的误包特性，在此i 玉础上y j c h o 和c k u n ” 将a r q 的研究推广到更一般的情况，考虑了协议运行中的超时重传机制。 m z o r z i 和r r r a o 在文献【3 1 3 2 巾分别应用更新理论对g b n 和s r 在非理 想回传反馈相关信道上的性能迸行了研究，大大简化了解析分析的复杂度。 针对信道的相关性而提出的对a r q 的改进也是关于相关信道上a r q 研究 的一个重婪方面。a r q 的改进可分为两种类型：一种是协议操作针对信道条件 的变化作自适应调整，一种是数据帧长度针对信道条件作调整。相应于前者， 西南交通大学博士研究生学位论文第7 页 m z o r z i 和r r r a o 在文献 3 3 】中针对无线信道的相关特性提出了改进时间分 集的g b n ，时间分集参数可以是基于事先的信道评估，也可以基于实时的信道 条件测量。o n a k a m u r a 等人在文献 3 4 3 5 1 中提出了t d d 方式下g b n 的预先 重传技术( p r e r e p e