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无线接入刚络中q o s 若干关键问题研究 无线接入网中q o s 若干问题研究 摘要 移动通信已经成为研究的热点，而移动i p 中的服务质量问题是一个急需研究 的课题，这是因为移动通信网中的服务质量直接决定了移动网络的可用性和实用 性。现阶段i n t e r n e t 上的服务质量问题研究已经达到了相当的水平，而移动网络在 这方面还刚刚起步，同时移动网络具有一些特有的性质，在实施服务质量时还必 须考虑这些因素。国际上在这方面的研究刚刚开始，是一个比较合适的研究方向。 本文主要研究无线接入网络中服务质量的若干问题，其中主要研究的是如下几 个问题：1 、研究基于终端的调度方法，解决无线终端的能耗；2 、研究基于自适 应门限的接入策略，保证用户端的服务质量，如呼叫阻塞率；3 、研究t c p 在无线 链路上性能问题，主要集中在链路模型和无线延迟带来的性能，吞吐量影响。 本文的主要贡献概括如下： 1 提出了移动终端中一种延迟发送的调度方法。移动终端中的能量消耗是一 个重要问题。移动终端中电能有限，怎样降低能耗将是一个无线终端中一个具有 挑战性的问题。无线终端的能量消耗主要集中在数据发送时的能量消耗。根据信 息理论，每比特数据的发送，其时间需求和能量需求是成法比例的。从而怎样在 满足时间约束的前提下，把数据在合适的时刻以合适的速率发送出去是一个核心 问题。这一部分的研究理论分析和实验结果都已经完成，已经总共投稿两篇，一 篇已经录用( 国际通信技术会议i c c t 0 3 ，北京，e i 索引) ，另外一篇投“通信学报”。 2 基于概率的自适应呼叫接入控制方案。自适应呼叫接入控制方案对无线接 入网络来说至关重要：而且现在已经有很多自适应呼叫接入控制方案，但是这是 方案对不同的业务流量不能很好地适应。在本文中，我们设计了一种类似r e d 的 基于概率的自适应呼叫接入方案。仿真实验的结果表明我们的方案具有一定的优 势。此外，我们还设计了一种无线多媒体自适应接入方案，并且进行了验证。 3 t c p 在无线链路上的解析模型。主要是分析吞吐量和突发错误之间的关 系。利用随机过程和马尔科夫过程推导出t c p 吞吐量和无线链路错误、无线链路 引入的随机延迟之间的关系。这一部分的理论模型已经完成，实验结果也很好地 得到了验证。 复且大学博士学位论文v 摘要 关键词：无线接入网络，移动终端，低能耗，接入策略，多媒体接入模型，无 线链路，性能增强 复旦大学博士学位论文 v i 无线接入网络中q o s 若干关键问题研究 t h er e s e a r c ho f k e yq o s p r o b l e m sf o rw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k a b s t r a c t n o w a d a y sm o b l i ec o m m u n i c a t i o nh a sb e c o m eah o tr e s e a r c hi s s u e b e c a u s et h e q o so fm o b i l en e t w o r kd i r e c t l yd e c i d e st h eu s a b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t yo fn e t w o r k ， q o s r e l a t e dp r o b l e m si nm o b i l en e t w o r kh a v eb e e ni nd i r en e e do fas o l u t i o n c u r r e n t l y t h eq o so fi n t e m e th a sm a d ea b i gl e a p ，b u tt h a to f m o b i l en e t w o r kas m a l ls t e p t h e r e a r eal o to fq o ss o l u t i o n sf o rw i r e dn e t w o r k ，b u tt h e r ea r es h a r pd i f f i r e n c eb e t w e e n w i r e dn e t w o r ka n dw i r e l e s sn e t w o r k ，t h u st h e s es o l u t i o n sc a n n o t a p p l yt o w i r e l e s s n e t w o r kw i t h o u tm o d i f i c a t i o n f o rw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r kt h eq o sp r o b l e m sa r e j u s t b e c a m et ob e s p o t t e d ，a n dt h e r ea r ea l o to fi s s u e s s o m e k e yq o sp r o b l e m si nw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k a r ef o c u s e di nt h i st h e s i s ，e s p t h e f o l l o w i n gt h r e ep r o b l e m s ：1 r e s e a r c ho f t e r m i n a l b a s e ds c h e d u l e p o l i c y a n d d e c r e a s i n g t h e e n e r g y c o m s u m p t i o n o fw i r e l e s st e r m i n a l s ；2 r e s e a r c ho fa d a p t i v e a d m i s s i o nc o n t r o lp o l i c ya n dp r o v i d i n gg u r a n t e e dq o sm e a s u r e s ，s u c ha st h er a t eo f h a n d o f fc a l l s ；3 r e s e a r c ho ft h ep e r f o r m a n c ep r o b l e m so ft c po i lw i r e l e s sl i n k sa n d f o c u s i n go np e r f o r m a n c e t h o u g h p u te f f e c t i o nc a u s e db yl i n km o d e la n dw i r e l e s sl i n k d e l a y t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h et h e s i sa sf o l l o w s ： 1 an e w d e l a y s e n d i n gs c h e d u l ep o l i c yi sc l a s s i f i e da n d t e s t i f i e d m o b l et e r m i n a l h a sl i m i t e d e n e r g ya n dh o w t od e c r e a s et h ee n e r g yc o n s u m p t i o no fw i r e l e s st e r m i n a l si s ag r e a tc h a l l e n g ef o rw i r e l e s st e r m i n a l s m o s to ft h ee n e r g yi sc o n s u m e db ys e n d i n g d a t a a c c o r d i n gt oi n f o r m a t i o nt h e o r y , t h et i m et oc o m p l e t es e n d i n go n eb i ti si n v e r s e p r o p o r t i o n a lt ot h ee n e r g yt os e n do n eb i t s oa tp r o p e rt i m ea n da tp r o p e rr a t et os e n d d a t ai sac o r ep r o b l e m a l lt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l th a sb e e nd o n e ， a n dt w o p a p e r s a r es u b m i t t e d o n ei sa c c e p t e db yi c c c2 0 0 3 w h i c hi si n d e x e d b y e i 2 ap r o b a b i l i t y b a s e dc a l la d m i s s i o nc o n t r o ls c h e m ei sc o n t r i v e d a d a p t i v ec a l l a d m i s s i o nc o n t r o lp l a y sav i t a lr o l ef o rw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k t h e r ea r eal o to fc a l l a d m i s s i o nc o n t r o ls h c e m e sf o rw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k b u tt h e s ea r eq u i t ed i f f i c u l ta n d n o ta d a p t i v et od i f f i r e n tt r a f f i c w e a d o p tam e t h o ds i m i l a rt or e d ( r a n d o me a r l y d e t e c t i o n ) a n dd e v i c eap r o b a b i l i t y - b a s e dc a l la d m i s s i o nc o n t r o ls c h e m e s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h i ss c h e m ew o r k s a n dw ea l s od i v e c eam u l t i m e d i aa c c e s sc o n t r 0 1 复日大学博士学位论文v i i a b s t r a c t s c h e m ea n d v e r i f yt h er e s u l t 3 t h ea n n l y t i c a lm o d e lf o rt c po nw i r e l e s sl i n k si sf o r m u l a t e d t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h o u g h p u ta n db u r s te r r o r si s a n a l y z e d ；a n dr a n d o mp r o c e s sa n dm a r k o v p r o c e s sa r eu s e dt of o r m u l a t et h er e l a t i o n s h i p t h ea n a l y t i c a lr e s u l t sa r eo b t a i n e da n d s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ev e r i f i e d k e yw o r d s ：w i r e l e s s a c c e s sn e t w o r k , m o b i l et e r m i n a l , e n e r g ye f f i c i e n t , a d m i s s i o nc o n t r o l , m u l t i m e d i aa c c e s sm o d e l , w i r e l e s s l i n k , p e r f o r m a n c ee n h a n c e m e n t 复旦大学博士学位论文 v i i i 无线接入网络中o o s 若f 关键问题研究 第一章绪论 1 1 移动通信网络及网络业务的发展趋势 二十世纪九十年代，无线网络技术因为其不受时问、空间限制等特点而得到 了快速发展。无线通信系统结构有了很大的进步，其结构从最开始的单基站大功 率系统发展到多基站小功率系统；从小区域覆盖发展到大区域覆盖；最终实现国 内甚至国际漫游。无线通信系统所提供的业务也从纯语音业务发展到低速数据业 务再发展到多媒体通信业务。同时，无线通信方式也从模拟传输方式发展到数字 传输方式。今天，具有视频会议相关信息传递功能的无线通信终端已经开始进入 消费市场。各种无线通信系统，包括寻呼、蜂窝、集群及其他个人通信服务系统 ( p c s ) 获得了广泛的应用。这些变化，使得无线通信及其相关技术成为研究的热 点。 无线通信经历了几个重要的发展阶段：第一阶段无线通信系统使用模拟通 信，例如美国的a m p s y o u 7 9 1 、英国的t a c s 、日本的n t t 等无线通信系统。2 0 世 纪9 0 年代，我国引进了利用数字方式进行传输的第二代无线通信系统，具有更 高的频谱利用率，能提供语音和低速率的数据业务。g s m 、p d c 、i s 一1 3 6 、i s 一9 5 等都属于第二代系统。随着多媒体业务在有线网络中的广泛使用，不久的将来， 无线网络也将提供多媒体业务。第三代无线通信系统将超出第二代无线通信系统 的范围( g s m ，i s - 9 5 ) ，为用户提供更高速率、更灵活的多媒体服务( 语音、数据、 图像) 。 在这种情况下，必须有新的通信技术来支持这些新业务的发展。目前大多数 国家选用码分多址( c d m a ) 作为第三代无线通信网络的传输标准，美国、欧洲、日 本、韩国、中国纷纷涉足这一领域，目的是为了能在未来的无线通信领域占有一 席之地。欧洲国家建立了3 g p p 组织，用于对其无线传输技术标准化；美国则成 立了相应的3 g p p 2 组织，用于对美国的无线传输技术进行标准化；而i t u 则提出 了i m t 2 0 0 0 。 在各种技术方案中，基于i s 一9 5 的美国标准c d m a 2 0 0 0 与基于g s m 的欧洲与 日本标准w c o m a 两个版本是最具有影响力的。同时，中国也提出了t d s c d m a 标 准。这些标准的融合与否将是第三代无线通信系统是否有国际统一标准的关键。 我国比较倾向于选择w c d m a 作为我国的第三代无线通信标准。w c d i c t a 的提出与欧 洲电信标准局( e t s i ) 的全球无线通信系统( u m t s ) 相关。在e t s i 的文件中，w c d m a 被称为u t r a 。 复旦大学博士学位论文 第一章绪论 作为第三代无线网络的最主要的应用，无线接入因特网技术的研究被提到f 程上来。不久的将来，无线用户将可以在任何时间、任何地点访问因特网。目前， 无线接入因特网业务主要包括w e b 浏览器、e - m a i l 、文件传输、v o i p 、电视会议 等高速多媒体业务。今后，还可能出现面向家庭并提供信息、娱乐、视频点播等 等可能的无线接入业务，同时还可能出现电子新闻、股票信息、电子银行等业务。 1 2 第三代无线通信系统 无线网络的最主要的优点在于( 1 ) 终端的可移动性；( 2 ) 在无线设备之间不需 要连线，网络建设费用比较低，并能快速组网。无线网络在其结构及传输模式上 和有线网络存在很大的不同，无线网络面临着一些特有的技术挑战。这些挑战主 要是：用户移动性；链路不确定性；低带宽有效性。 一移动性 在通话的过程中，如果移动用户改变位置，那么相应的接入点也随之改 变，一般把这个过程称为移动切换。这时，连接必须被重新路由到新的 接入点，并且在新的位置上为移动用户分配所需的带宽。当移动用户在 移动的时候，网络必须连续跟踪他们的位置并发送数据。用户移动性将 引起相邻蜂窝间资源的动态改变。 - 不确定性 无线信号在传输时存在干扰，经历长距离传播时出现信号衰减，信号在 经历不同的物理障碍时可以引起多路衰落。虽然目前无线系统普遍采用 了通道纠错码、分集、功率控制等技术，无线网络仍然具有比有线网络 高得多的差错率( 1 0 。3 ) ，并且无线网络的衰减是随时间、空间快速改变的。 - 低带宽 无线网络的带宽很低，其主要原因是无线媒质本身的物理限制和无线带 宽的高费用以及不同的政府对带宽分配的策略。目前无线通信的一个研 究热点就是如何提供高速的无线传输技术，并能提供很好的无线接入控 制策略。 无线通信目前主要采用蜂窝技术，而使用蜂窝技术的最大好处就是能同时在 不同的区域重用相同的频率资源，提供网络频谱利用率。在具有大量用户的通信 环境中，系统应有足够的容量，才能保证在每个用户发出通信请求时，获得专用 的通信信道或者路径。对于给定的频谱，可选择的多址接入方式很多。每种接入 复旦大学博士学位论文 2 无线接人心络中q o s 若干关键问题研究 方式可以独立使用，也可以混合使用。在现代无线通信理论中，按照频率、时间、 码形来进行分类，目前主要有三种多址接入方式，如图1 1 所示，主要特征如下： 图i i 三种基本的多址接入方式 频分多址接入( f d m a ) 频分多址接入为每个用户分配个频点。f d m a 是最简单和最古老的多址 接入方式，在第一代蜂窝系统( 例如a m p s 和各种卫星通信系统) 广泛使 用。这种接入方法对c b r 业务有效，而对可变速率业务的传输不是很有 效。f d m a 是一种频谱效率高，信道效率低的多址接入方式； 一时间多址接入( t d m a ) 时间多址接入为每个用户分配个时间段，这种技术目前被广泛应用于 第二代数字蜂窝系统。 一码分多址接入( c d m a ) 在码分多址接入，每个用户使用全部的频谱空间，数据流的每个比特( b i t ) 将被一个扩频码来调制编码。通过不同的码来区分用户。和f d 姒和t d m a 不同，c 嗍传输信号的频谱被扩展，从而使得c 龇具有更强大的抑制 干扰和信号衰落的能力。目前最主要的扩频技术主要有两类：直接序列 扩频( d s s s ) 和跳频扩频( f h s s ) 。 f d t d m a f f d c d m a f f d t d c d m a f 图1 2 混合的多址接八方式 f d m a 、t d m a 、c d m a 是三种最基本的无线用户接入方式。不过在现有的和将来 复旦大学博士学位论文 第一章绪论 的新的系统中，很少单独采用以上任一种方式：大多数系统都是三种基本方式的 某种组合。其混合形式包括：p d m a + t d m a ；f d m a + c d m a ；t d m a + c d m a ；f d m a + t d m a + c d m a ； 如图1 2 。 在国际电联目前接受的第三代移动通信系统w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t ds c d m a 中，码分多址c d m a 是公认的无线电传输主流技术。w c d m a 采用信号带宽5 m h z 来 传输数据和语音信号，c d m a 2 0 0 0 则是1 2 5 m h z 。由于传输信道的容量远大于单个 用户的信息量，所以特别适于采用高冗余度的前向纠错编码技术。在c d m a 2 0 0 0 系统中，其上行链路和下行链路中均采用了比i s 一9 5 系统中码率更低的卷积编 码，同时采用交织技术将突发错误分散成随机错误，两者配合使用，从而更加有 效地对抗移动信道中的多径衰落。t u r b o 编码技术亦广泛被采用。另一方面，无 线蜂窝网络使用各种增强的自动重传技术来降低无线链路层的差错。因此，随着 c d m a 传输带宽的增大，高效的自动重传技术和前向纠错编码等技术的广泛应用， 第三代移动通信系统中无线链路的比特差错率将会显著下降，从而对t c p 性能的 影响可以忽略不计f l i u 。“。 同时，在向第三代移动通信系统演化的过程中，3 g p p 2 ( t h et h i r dg e n e r a t i o n p a r t n e r s h i pp r o j e c t2 ) 3 g p p 2 1 直接采用移动i p ”嘲作为网络层移动管理的标 准。尽管3 g p p o “”( t h et h i r dg 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 ) 目前的发展策 略是将移动管理建立在通用分组无线业务嵋v r s j ( g p r s ：g e n e r a l p a c k e tr a d i o s e r v i e e ) 的基础上，但是最终仍将在网络层采用移动i p 技术c o m 0 1 1 。 1 3 主要创新内容和论文结构 本文主要研究无线接入网络中服务质量的若干问题，其中主要研究的是如下 几个问题：l 、研究基于终端的调度方法，解决无线终端的能耗；2 、研究基于白 适应门限的接入策略，保证用户端的服务质量，如呼叫阻塞率；3 、研究无线链 路上的t c p 性能问题，集中在链路模型和无线延迟带来的性能，吞吐量影响。 1 3 1 本文的主要贡献 1 提出了移动终端中一种延迟发送的调度方法。移动终端中的能量消耗是 一个重要问题。移动终端中电能有限，怎样降低能耗将是一个无线终端中一个具 有挑战性的问题。无线终端的能量消耗主要集中在数据发送时的能量消耗。根据 信息理论，每比特数据的发送，其时问需求和能量需求是成法比例的。从而怎样 在满足时间约束的前提下，把数据在合适的时刻以合适的速率发送出去是一个核 心问题。这一部分的研究理论分析和实验结果都已经完成，已经总共投稿两篇， 复旦大学博士学位论文 4 无线接入网络中o o s 若干关键问题研究 一篇已经录用( 国际通信技术会议i c c t 0 3 ，北京，e 】索引) ，另外一篇投“通信 学报”。 2 基于概率的自适应呼叫接入控制方案。自适应呼叫接入控制方案对无线 接入网络来说至关重要；而且现在已经有很多自适应呼叫接入控制方案，但是这 是方案对不同的业务流量不能很好地适应。在本文中，我们设计了一种类似r e d 的基于概率的自适应呼叫接入方案。仿真实验的结果表明我们的方案具有一定的 优势。此外，我们还设计了一种无线多媒体自适应接入方案，并且进行了验证。 这一部分的内容已经整理并投稿到i c c n m c 0 3 。 3 t c p 在无线链路上的解析模型。主要是分析吞吐量和突发错误之间的关 系。利用随机过程和马尔科夫过程推导出t c p 吞吐量和无线链路错误、无线链 路引入的随机延迟之间的关系。这一部分的理论模型已经完成，实验结果也很好 地得到了验证。 1 3 2 本文的组织结构 本文共分六章。论文总的安排如下： 第一章绪论。主要介绍了关于无线移动通信网络及网络业务的发展趋势；第 三代无线通信系统；以及本文的主要创新点和论文结构。 第二章背景知识。主要介绍关于无线接入网络的框架、网络要素、网络服务 质量，以及研究无线接入网络的一般方法和工具。 第三章无线终端中的调度策略。一方面介绍了无线蜂窝中的分组调度策略： 另一方面主要是提出了一种低功耗的无线终端调度策略。 第四章支持自适应多媒体服务的链路接入方案。在这一章中，我们解决了两 个方面的问题：一是提出了一种基于概率的自适应接入算法，并且通过对比实验 验证了我们方案的优越性；二是提出了一种无线多媒体自适应接入方案，并通过 实验检验了算法的可行性。 第五章t c p 在无线链路上的性能分析与评估。在这一章中，首先对各种无线 链路上的t c p 增强技术进行了技术评价和比较；然后重点分析了在具有链路级 差错控制的无线t c p 的性能，得到了相关的解析公式并通过实验进行验证。 第六章结论与展望。对全文进行了总结，并提出了需要进一步研究的相关问 题。 复旦大学博士学位论文 无线接入网络中q o s 若干关键问题研究 第二章背景知识 2 1 无线接入网络的基本框架 在这一部分中，我们首先介绍了全球通信系统g s m 和通用分组无线业务 g p r s 。在这个基础上，抽象出无线接入网络的基本框架结构。这一部分内容是 我们研究无线接入网络系统的基本前提。 2 1 1 全球通信系统g s m 2 1 1 1 全球通信系统简介 全球通信系统( g s m ：g l o b a ls y s t e m f o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) 8 “9 3 1 8 “p 9 卅是 全球最成熟的数字移动电话网络标准之一，而且目前世界上大概有7 5 的手机 使用的标准是g s m 。截止到2 0 0 1 年，全世界1 6 2 个国家已经建设了4 0 0 个g s m 通信网络。 图2 1g s m 网络的体系结构图 图2 1 是一个典型的g s m 网络的体系结构图。g s m 系统主要包括如下几个 部分： 一移动交换中i ) ( m s c ：m o b i l es w i t c h i n gc e n t e r ) 移动交换中心通过移动交换中心网关( g m s c ：g a t e w a ym s c ) 与公共交换 电话网p s t n 相连，进行所有的信令处理，以建立与移动台的通信联系。 复旦大学博士学位论文 第二章背景知识 基站系统( b s s ：b a s es t a t i o ns u b s y s t e m l 基站系统包括基站控制器( b s c ：b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ) 年t l 基站收发系统 ( b t s ：b a s et r a n s c e i v e rs t a t i o n ) 。基站系统可以覆盖一个或若干个无线小 区。基站系统提供无线信道，以建立在基站系统覆盖范围内与移动台的 无线通信。 移动台( m s ：m o b i l es t a t i o n ) 移动台就是通常说的手机，是连接移动网络的终端设备。移动交换中心 通过公用陆地移动网络( p l m n ：p u b l i cl a n dm o b i l en e t w o r k ) 与其它g s m 网络连接。 一g s m 中重要的数据库 归属位置寄存器( h e r ：h o m el o c a t i o nr e g i s t e r ) 、拜访位置寄存器( v l r ： v i s i t i n g l o c a t i o n r e g i s t e r ) 、设备标识寄存器( e i r ：e q u i p m e n ti d e n t i t y r e g i s t e r ) 和鉴别中心( a u ：a u t h e n t i c a t i o nc e n t e r ) 。 2 1 1 2 全球通信系统的主叫过程 全球通信系统用户作为主叫的通话过程比较简单，在这里我们不做描述；相 反，全球通信系统用户作为被叫的通话过程比较复杂。下面简要描述当某一公共 交换电话网用户呼叫全球通信系统用户时，通话连接的建立过程。 圆 电话帆 i 图2 2g s m 网络中的主叫过程 图2 2 描述了这个通信的建立过程。图中归属网络、拜访网络均是独立的全 球通信系统，两者以及公共交换电话网通过公共陆地移动网络连接。 1 ) 固定电话机发起呼叫。 2 ) 电话网交换机根据被呼移动台号码m s i s d n 向归属位置寄存器查询路由 号码。 3 ) 归属位置寄存器向移动台当前漫游的拜访位置寄存器查询路由号码。 4 ) 拜访位置寄存器将移动台的临时路由号码返回归属位置寄存器。 复旦大学博士学位论文 无线接入网络中q o s 若f 关键问题研究 5 ) 电话网的交换机得到移动台的l 临时路由号码。 6 ) 电话网的交换机将呼叫转发到拜访网络。 7 ) 拜访网络的移动交换中心通过寻呼发现移动台的具体位置，在公用控制 信道通知移动台。如果移动台响应，通话建立。 2 1 2 通用分组无线业务g p r s 2 1 2 1g p r s 简介 通用分组无线业务( g p r s ：g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) b r a 9 7 1 。棚7 】【b 聃9 1 是 在全球通信系统上开通的一种新型分组数据传输业务。g p r s 由欧洲电讯标准研 究院制定，属于二代半移动通信系统。g p r s 主要是在移动用户和远端的数据网 络，如支持t c p i p 和x 2 5 的网络之间提供一种分组数据连接，从而给移动用户 提供高速无线口和无线x 2 5 业务。 g p r s 的主要优点是：第一，连接建立快和传输速率高。g s m 连接建立需要 几秒的时间，传输速率限制在9 6 k b p s ；g p r s 连接建立小于1 秒，最高的理论 传输速率为1 1 5 2 k b p s 。第二，永远在线，基于传输流量计费。g s m 计费基于连 接的时间；而g p r s 基于为用户传输的数据量，这点非常适合具有突发特性的分 组业务。 2 1 2 2g p r s 系统结构 g p r s 网络是基于现有的g s m 网络来实现的，并且需要增加一些功能节点， 如服务g p r s 支持节点( s g s n ：s e r v i c eg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) 和网关g p r s 支持 节点( g g s n ：g a t e w a yg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) 。g p r s 网络的参考模型如图2 4 所 示，下面对图中重要节点和接口进行说明。 s g s n s g s n 主要功能是对m s 进行鉴别和移动性管理，进行路由选择，建立 m s 到g g s n 的传输通道，接收基站系统透明传送来的m s 数据，进行 协议转换后通过g p r s 骨干网( 也称内部p l m n ) 传送给g g s n ，或反向 传输数据，并进行计费和业务统计。 g g s n g g s n 是用于接入外部数据网络的节点；对于外部网络而言g g s n 就是 一个子网路由器。g g s n 接收移动台发送的数据，根据地址路由到相应 的外部网络；或接收外部网络的数据，根据其地址选择g p r s 网内的传 输通道，传送给相应的s g s n 。此外，g g s n 还具有地址分配和计费功 复旦大学博士学位论文8 第二章背景知识 能。 一j n 咖堆f a l e a , a 曲 s 驴们虹2a n d d a m t h 向m t 曲c 日 图2 3g p r s 网络的逻辑结构 g b 接口 g b 接口是b s c 和s g s n 之间的接口。g b 接口支持移动管理功能和会话 功能，如g p r s 接入，分离、安全、路由区更新、数据连接信息的激活 去激活等，同时支持m s 分组业务经b s c 到s g s n 的传输。 - g r d g p 接口 g n g p 接口是s g s n 和g g s n 之间的接口，支持两者之间信令和数据信 息的交换。其中g p 是s g s n 到其它p l m n 网络的g g s n 接口。 _ g r 接口 g r 接口是s g s n 与h l r 之间的接口，通过m a p 信令传输用户数据、当 前s g s n 地址、位置信息等。 _ g s 接口 g s 接口是s g s n 与m s c v l r 之间的接口，用来支持s g s n 和m s c v l r 之间的工作，使s g s n 能够传送m s 的位置信息到m s c v l r ，或接收 m s c v l r 的寻呼信息，从而可以节约无线资源。 _ g d 接口 g d 接口是s g s n 与s m s g m s c 之间的接口，支持通过g p r s 的分组业 务信道传输短消息。 g c 接口 g c 接口是g g s n 与h l r 之间的接e l ，支持g g s n 从h l r 获得m s 的 位置信息，从而支持g g s n 的分组数据业务。 g i 接口 复旦大学博士学位论文9 无线接入网络中q o s 若十关键问题研究 g i 接口是g g s n 与外部公共或私有分组数据网络之间的接口。这个接口 所支持的协议不是由g p r s 标准制定的，根据互通的数据网络而采用相 应的口协议或x 2 5 协议。 _ u m 接口 u m 接口是空中接口，其射频部分与g s m 相同，但是逻辑信道增加了分 组数据信道，支持多个时隙，最多8 个的合并传输方式。 2 1 - 2 3g p r s 的接入过程 下面具体说明g p r s 用户是如何接入g p r s 网络以及如何利用g p r s 网络访 问外部数据网，如因特网。g p r s 用户使用g p r s 业务之前，首先要通过g p r s 接入过程( a t t a c h m e n t ) 将自己的信息注册到g p r s 系统中，如s g s n 节点、h l r 等。接入过程结束后，s g s n 建立了移动台的信息，并对移动台作移动性管理， 且尽可能地获得移动台的位置信息。移动台如要访问外部数据网，需要发起p d p 上下文激活过程( p d pc o n t e x ta c t i v a t i o n ) ，此过程使移动台到g g s n 建立一条逻辑 通路，从而可以访问外部数据网。 一g p r s 手机接入过程 当g p r s 用户开机时，g p r s 手机将监听无线公共信道，收听系统信息，然 后在系统信息给出的控制信道上发送接入请求，系统将分配无线信道给g p r s 手 机。之后，g p r s 手机在系统分配的无线信道上向s g s n 发送接入请求。下面给 出一种简单的接入过程。 1 ) 移动台向s g s n 发送一个接入请求消息，开始启动接入过程。 2 】s g s n 向m s 发送一个全球移动用户标识0 m s i ：i n t e r n a t i o n a lm o b i l e s u b s c r i b e r i d e n t i t y ) 请求消息，请求移动台的i m s i 。 3 ) 移动台发送i m s i 标识响应消息，将i m s i 告知s g s n 。 4 ) s g s n 用取得的i m s i 到h l r 中请求对移动台进行鉴别，并对m s 进行授 权。 5 ) 移动台通过鉴别后，s g s n 向h l r 发送位置更新消息。 6 ) h l r 发送一条用户数据消息0 m s ig p r ss u b s c r i p t i o nd a t a ) 给s g s n 。 7 ) s g s n 根据移动台的g p r s 用户数据决定是否允许移动台在当前路由区 内接入，如允许，s g s n 将向h l r 返回确认消息。 8 ) h l r 向s g s n 返回一条位置更新确认消息。 9 ) s g s n 向m s 发送一条接受接入的确认消息，接入过程结束。 一p d p 上下文激活过程 移动台接入成功后，要想访问外部数据网，还须发起p d p 上下文激活过程。 复旦大学博士学位论文 1 0 第二章背景知识 下面这个例子给出一个典型的p d p 上下文激活过程。 1 ) 移动动终端向s g s n 发送激活p d p 上下文请求消息，消息内容包括：访 问点名a p n = w w w y a h o o ，m ；p d p 地址为空，表示请求动态地址分配； 服务质量和其它选项。 2 ) s g s n 请求d n s 对a p n 进行解析，得到能处理该a p n 的g g s n 的i p 地址。 3 ) s g s n 向g g s n 发送建立p d p 上下文请求消息，消息内容是：a p n = w w w y a h o o , c o mp d p 地址为空，表示请求动态地址分配：服务质量和其 它选项。 4 ) g g s n 对该用户进行鉴别，鉴别通过后使用r a d i u s 服务器、或d h c p 服 务器、或直接由g g s n 为该用户分配动态地址。g g s n 向s g s n 返回 建立p d p 上下文响应消息。 5 ) s g s n 向终端发送激活p d p 上下文的响应消息。到此，移动终端和外部 数据网之间的数据通道建立起来，移动终端可以和该数据网进行通信。 分组数据传输示例 移动台数据通过基站收发系统b t s 和基站控制器b s c 发送到s g s n ，s g s n 检查p d p 上下文和g g s n 地址，通过通用隧道协议( g t p ：g e n e r a l t u n n e l p r o t o c 0 1 ) 对数据包进行封装并发往相应g g s n ，g g s n 解封装，转发到夕卜部数据网。当外 部数据到达g g s n 后，g g s n 通过检索存贮的p d p 上下文找到服务移动台的 s g s n 地址，封装数据包并路由到适当的s g s n ；经过s g s n 解封装，然后路由 到基站控制器，最后由基站收发系统发送到移动台。当g p r s 手机访问 w w w y a h o o c o m 时，分组数据在g p r s 中的传输示意见图2 4 。 复旦大学博士学位论文 图2 4g p r s 手机收发分组数据过程图 无线接入网络中q o s 若十关键问题研究 2 1 3 无线接入网络的基本框架 从上面的介绍我们可以归纳出，无线接入网络的基本框架可以归纳为这样几 个部分： 无线终端：移动终端、移动台、m s 和g p r s 手机均是特定的无线终端。 接入系统：接入系统，负责接入控制和资源管理。基站系统是一种典型的接 入系统。 陆地数据网络：陆地数据网络负责提供数据业务的支撑。 2 2 无线接入网络中决定o o $ 的网络要素 图2 1 是一个典型的无线接入网络的结构。在这个结构中，我们可以列出一 些无线接入网络中的重要的网络要素。 _ 无线终端 无线终端可以是各种无线接入设备，比如手机、无线p d a 等。这些设备 通过无线链路以及各种接入系统，和蜂窝系统连接。无线终端的特点是 要求便携性，要求体积小、重量轻；同时一般情况下都使用电池，要求 待机时间长和能量消耗低。现有的各种无线终端可以向用户提供各种语 音业务、数据业务。 - 无线链路 无线链路与有线链路相比，有很大的不同。无线链路受环境的影响很大， 无线链路一般随着环境的变化而变化。无线链路具有更高的比特差错率， 同时这种差错表现为很大的突发性。 - 接入系统 接入系统完成资源的管理和接入控制的重要部分。在无线网络中，无线 链路是有限的资源，如何提高无线链路的利用率是无线网络需要解决的 重点问题。蜂窝技术的提出，就是为了解决无线链路的短缺问凰；把地 理位置分割为一个一个的小蜂窝，然后在每个蜂窝内实行无线链路的重 用，大大提高了频谱的利用率。 - 高层协议 从无线终端到相应的通信实体之间，高层协议一般基于t c p i p 协议。而 t c p i p 协议最初的设计考虑是在有线网络上，是基于传输媒质的差错率 比较低这样的假设上。显然无线网络中的通信，由于包含了无线链路部 分，使得无线网络具有较高的链路差错率、较高的链路突发错等特征。 显然，这些特征将大大影响t c p i p 协议的性能。 复旦大学博士学位论文 第二章背景知识 2 3 无线网络中服务质量参数 全球移动通信系统( u m t s ：u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 是 3 g p p 组织制定的一个第三代无线通信的标准。在相应的技术文档中，对于服务 质量有相关的描述。在这里我们主要介绍一下u m t s 中服务质量的相关问题， 包括u m t s 服务质量体系结构，u m t s 服务质量类以及u m t s 服务质量参数。 2 3 1u m t s 服务质量体系结构 图2 5u m t s 服务质量体系结构 图2 5 是u m t s 服务质量体系结构图q c 枷 【q c a 0 1 】1 8 q c a o ”。在一个终端设备( t e ： t e r m i n a le q u i p m e n t ) 至l j 另外一个终端设备的通信过程中，通信必须经过不同的网 络载体，而这些载体提供可能完全不一致的网络服务。也就是说，端到端的服务 是通过不同的网络服务来( 不仅仅包括u m t s ) 共同实现的。这些网络服务可以是 使用不同服务体系的网络，比如提供区分服务的网络或者是提供集成服务的网络 等等。 如何刻画不同的网络服务，这是一个重要的问题。在u m t s 中，各种不同的 复旦大学博士学位论文1 3 无线接a 网络中如s 若干关键阔题研究 网络服务是通过使用服务质量类及