（通信与信息系统专业论文）异构无线网络试验平台中蜂窝网空中接口的优化、升级与实现.pdf

r 。- 。一 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， 本人签名：一一褰瓤 本人承担一切相关责任。 日期：丝2 仝：l ：! 翌 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) 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：壅扯日期：型里：l ! 里 导师签名：至上也一 日期： 丝i 旦牟! ! 墨! 里里 一 k l f 本论文由国家8 6 3 计划项目( 编号2 0 0 7 a a 0 1 2 2 2 1 ) ：异构无线网络中具有主动 特性的资源管理技术资助以及国家自然基金重点项目( 编号：6 0 8 3 2 0 0 9 ) ：基于认知 的无线资源管理与利用资助。 1 4 1 1 k i 异构无线网络试验平台中蜂窝网空中接口的优化、 升级与实现 摘要 针对现在多种多样的无线通信技术和接入环境，以及人们日益增长 的“随时随地 接入网络获取信息的需求，移动通信的未来发展方向将 是把现存的无线通信网络进行无缝整合，构建一个能让用户在多种无线 网络间无缝切换，各类业务能够在多种无线接入网络上透明传输的全i p 的异构融合网络。异构无线网络的无线资源管理是当前研究的一个热点 问题，但由于异构无线网络本身的复杂性，大范围的工程试验成本很高， 因此，目前的研究多以理论仿真为主。我们试着通过搭建软件试验平台 的方法模拟现实的通信环境，在搭建的试验平台上验证所提出的异构无 线网络资源管理算法，为算法的实际应用提供依据。 本文选取代表传统移动通信的蜂窝网、代表城域网宽带无线接入的 w i m a x 和代表局域网宽带无线接入的w l a n 三种当今无线通信技术不 同领域中有代表性的技术，构建成一个异构无线网络试验平台，来研究 具有主动性的无线资源管理技术。本文对异构无线网络试验平台中初步 搭建的蜂窝网部分进行优化、完善和升级。首先通过对t d s c d m a 与 l t e 接入网部分的对比，确定蜂窝网试验平台的升级方案；在此基础上 完成对原来已有功能的完善和未实现功能的添加；并结合具有主动特性 的异构无线网络资源管理，在蜂窝网试验平台上添加相关接口和相应的 通信流程。最后对蜂窝网试验平台及其与试验平台中其他实体间的相互 通信进行用例测试。从蜂窝网方面保证在试验平台上进行的无线资源管 理技术的研究具有现实意义。 关键词：蜂窝网络，时分同步码分多址接入技术，长期演进技术，异构 无线网络，无线资源管理 y ， 、丫， - o p t i m i z a t i o n ，u p g r a d ea n di n 口l e m e n t a t i o no f c e l l u l a ra 己i n t e r f a c ei nh e t e r o g e n e r o u s n e t w o r ke x p e r i m e n t a lp l a r f o i u 江 a bs t r a c t t om e e tp e o p l e si n c r e a s i n gn e e d so fa c c e s s i n gn e t w o r kt oa c q u i r e i n f o r m a t i o na n y w h e r ea n da n y t i m ei nv a r i o u sc o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t s u p p o r t e db yv a r i o u sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，t h e f u t u r em o b i l e c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kw i l lb ea na l li p b a s e dh e t e r o g e n e o u sn e t w o r k ， w h i c hw i l le n a b l ei n t e g r a t i o no fd i f f e r e n tr a d i oa c c e s st e c h n o l o g i e s ，s e a m l e s s h a n d o v e ra n dt r a n s p a r e n ts e r v i c ed e l i v e r ya c r o s so n en e t w o r k r a d i or e s o u r c e m a n a g e m e n ti sac r u c i a li s s u ei ns t u d y i n gh e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k s h o w e v e r , f o rt h ec o m p l e x i t yo ft h ep r o b l e m ，i tw i l lc o s th i g ht od ol a r g e - s c a l e p r o j e c te x p e r i m e n t c u r r e n tr e s e a r c h e sf o c u so nt h e o r ya n a l y s i s w ea r et r y i n g t ob u i l das o f t - w a r ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mt os i m u l a t et h er e a lc o m m u n i c a t i o n e n v i r o n m e n t ，w h i c hw i l lp r o v i d eb a s i sf o rt h ea l g o r i t h mu s i n gi np r a c t i c e w es e l e c tc e l l u l a rn e t w o r kw h i c h r e p r e s e n t s t r a d i t i o n a lm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ，w i m a xw h i c hr e p r e s e n t s b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s t e c h n o l o g yi nm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ，a n dw l a nw h i c hr e p r e s e n t s b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g yi nl o c a la r e an e t w o r kt ob u i l da h e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r ke x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，b a s e do nw h i c hw e s t u d yr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n tt e c h n o l o g i e sw i t ha c t i v ec h a r a c t e r i s t i c t h i s p a p e rd e s i g n sa n di m p l e m e n t st h eo p t i m i z a t i o na n du p g r a d es c h e m e so f c e l l u l a ra i ri n t e r f a c ei nh e t e r o g e n e o u sn e t w o r kp l a t f o r mb a s e do nt h ee x i s t i n g b a s i ca r c h i t e c t u r e f i r s t l y , w ec o m p a r et d - s c d m aw i t hl t ea n dm a k es u r e t h eu p g r a d es c h e m e s e c o n d l yw ep e r f e c te x i s t i n gf u n c t i o na n da d dn e w f u n c t i o n si nt h ep l a t f o r m t h i r d l y , w ea d di n t e r f a c e sa n dc o m m u n i c a t i o n p r o c e d u r e s i nt h ec e l l u l a rp l a t f o r mc o r r e s p o n d i n gt ot h er a d i or e s o u r c e m a n a g e m e n tt e c h n o l o g i e sw i t ha c t i v ec h a r a c t e r i s t i c s f i n a l l y , w ed e s i g nu s e l i c a s e st oe n s u r et h ef u n c t i o n so ft h ec e l l u l a rp l a t f o r m s a l lo fa b o v ea n do t h e r p a r t s o f h e t e r o g e n e o u s n e t w o r k p l a t f o r m e n a b l et h er a d i or e s o u r c e m a n a g e m e n ta l g o r i t h m sv e r i f i e di nt h ep l a t f o r mh a v em o r ep r a c t i c ev a l u e k e yw o r d s ：c e l l u l a rn e t w o r k , t i m ed i v i s i o n s y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ，l o n gt e r me v o l u t i o n ，h e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k ， r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t i i i 。 i 、 f 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1异构网络技术研究背景1 1 2 1 3 1 4 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 1 1 1异构无线网络技术出现的必然性1 1 1 2 课题来源2 1 1 2 1异构无线网络试验平台概述2 1 1 2 2 蜂窝网试验平台升级和完善的必要性3 1 13t d s c d m a 技术和l t e 技术4 1 1 3 1 t d s c d m a 技术4 1 1 3 2 l t e 技术5 1 1 3 3t d s c d m a 的升级方向6 异构无线网络研究现状7 研究意义8 论文的主要工作及组织架构8 t d s c d m a 与t d dl t e 空中接口的比较及主动特性的介绍1 0 c d m a 与o f d m a 的比较1o 2 1 1 多址技术基本原理。1o 2 1 2c d m a 与o f d m a 特点比较1 1 t d s c d m a 与l t e 空中接口协议对比11 2 2 1 物理层对比l3 2 2 2m a c 媒体接入控制子层对比16 2 2 3r l c 无线链路控制子层对比17 2 2 4r r c 无线资源控制子层对比。1 7 2 2 5t d s c d m a 与l t e 空中接口对比小结1 8 接入网架构对比18 主动特性19 2 4 1主动终端1 9 2 4 2 主动接入点1 9 本章小结19 i v 第三章异构无线网络中蜂窝网空中接口试验平台的升级与优化2 0 3 1试验平台的升级。2 0 3 1 1 蜂窝网升级方案设计2 0 3 1 2 实体进程与线程设计2 1 3 1 2 1 r n c 实体2 1 3 1 2 2n o d eb 实体2 1 3 1 3 无线资源管理模块的设计2 1 3 1 4 无线资源管理模块的实现2 2 3 1 4 1 无线资源列表2 2 3 1 4 2 无线资源列表的操作2 4 3 2 试验平台的完善2 6 3 2 1 通信接口设计2 6 3 2 1 1r n c 与n o d eb 的接口消息2 6 3 2 1 2r n c 与p r m 的接口消息2 7 3 2 1 3r n s 与终端的接口消息2 8 3 2 2 备选基站集：2 9 3 2 3 数据传输模块的设计与实现2 9 3 2 4 通信流程的完善3 0 3 2 4 1入网流程。3 0 3 2 4 2 端到端通信流程3 1 3 2 4 3 切换流程3 4 3 2 4 4 离网流程3 6 3 3 异构无线网络主动特性在蜂窝网试验平台的设计和实现3 7 3 3 1具有主动特性的资源管理技术3 7 3 3 1 1 主动性带宽分配与接纳控制3 7 3 3 1 2 主动性频谱资源共享及最优化利用3 7 3 3 1 3 主动性流量调度与负载均衡3 8 3 3 2 信息上报机制3 9 3 3 3 主动分组4 1 3 3 4 主动性接纳控制与带宽分配的接口与流程4 2 3 3 5 主动性频谱资源共享的接口与流程4 4 3 3 6 主动性负载均衡的接口与流程4 7 v f p 、v 3 3 7 虚拟终端与蜂窝网的相关接口与操作4 9 3 4 本章小结5 0 第四章异构无线网络中蜂窝网空中接口试验平台用例测试5 l 4 1典型场景设计与参数设置5 1 4 1 1 整体部署51 4 1 2 蜂窝基站基本参数设置5 2 4 1 3 终端参数设置5 3 4 1 3 1实际多模终参数设置5 3 4 1 3 2 虚拟多模终端参数设置5 3 4 2 蜂窝网通信过程测试用例的设计5 3 4 2 1 入网注册5 4 4 2 2 端到端通信5 4 4 2 2 1 蜂窝网多模终端作为主叫5 5 4 2 2 2 蜂窝网多模终端作为被叫5 5 4 2 3 切换5 6 4 2 3 1 终端发起的切换5 7 4 2 3 2 网络发起的切换5 7 4 2 4 与蜂窝网相关的资源重配置5 9 4 3 蜂窝网用例测试结果分析6 0 4 3 1 入网注册测试结果6 0 4 3 2 端到端通信测试结果6 0 4 3 3 切换测试结果6 1 4 3 4 资源重配置测试结果6 1 4 3 5 其他测试结果6 2 4 4 本章小结6 2 第五章总结与展望6 3 5 1 论文工作总结。6 3 5 2 下一步工作展望6 3 参考文献6 5 附勇乏1 6 7 致谢7 0 攻读学位期间发表的学术论文7 1 v i k k 北京邮电大学顾+ 研究生学位论文 异构无线网络试验平台中蜂窝网空中接口的优化、升级与实现 1 1 异构网络技术研究背景 第一章绪论 自二十世纪八十年代第二代移动通信系统在全球范围内迅速扩张以来，人们对于 通信的需求日益增长，许多不同类型的无线接入技术如雨后春笋般发展起来，然而这 些技术都是针对某些特定的业务或用户而专门设计的，这种“一种应用，一种技术 的网络格局己逐渐暴露出其弊端：多种复杂的协议、多种复杂共存的无线网络、网络 管理和维护成本高、不利于无线网络资源的共享、更不利于跨网络多功能综合业务的 提供等。如何能够既满足用户需求，又充分利用各种技术的优势成为学术界关注的焦 点。异构无线网络技术就是在这样的背景下应运而生的。蜂窝网络作为一项传统并已 获广泛应用的典型移动通信技术，必然也是异构无线网络研究关注的重点。 1 1 1 异构无线网络技术出现的必然性 随着以i n t e r n e t 为代表的信息网络技术渗透到医疗、军事、工商业、社会保障、 监督控制等社会生活的方方面面，网络已成为人们生活中必不可少的部分，并改变着 人们生活和思维的方式，人们随时随地接入网络获取信息的愿望变得愈加强烈。下一 代通信网络的核心网部分必然是统一灵活的全i p 网络架构。移动无线通信凭借其便 捷灵活的特性，是满足人们日益增长的“随时随地 接入网络需求的最好途径，受到 了世人的高度瞩目，也是现今最具创新潜力的领域。 现今全球运营商、制造商正致力于3 g 的研发与运营，g s m ，i s 9 5 还在广泛商 用，超3 g 和4 g 技术的研究也进展迅速。在这2 g 向3 g 发展，4 g 又指日可待的时 代，广泛存在着很多无线技术，如g s m 、t d s c d m a 、w c d m a 、，a n 、w i m a x 、 u w b 、b l u e t o o t h 等。然而，这些无线通信技术都只能满足用户特定的需求，如w l a n 能够低价提供高速数据速率，但是不能够保证无缝覆盖，尤其对于高速移动用户； b l u e t o o t h 虽然支持的数据速率低，但是无线接入时消耗的功率小；蜂窝网络如g s m 、 t d s c d m a 能够支持高速移动、提供广域无缝覆盖甚至全球覆盖，但是成本昂贵。 在这种多样的无线通信环境下，各种技术靠自身的力量，无论从技术角度还是从 经济角度都很难满足人们“随时随地 接入网络的需求。解决这个问题的最好方法就 是能够充分挖掘这些网络的异构特性，让用户以最合适的方式接入网络。这也就是下 一代移动通信网络的主要发展方向将现存的无线通信网络进行无缝整合，构建一 个能让用户在多种无线网络间无缝切换，各类业务能够在多种无线接入网络上透明传 输的异构无线网络。 北京邮电大学硕上研究生学位论文异构无线网络试验平台中蜂窝网空中接u 的优化、升级与实现 1 1 2 课题来源 本文的工作来源于北京邮电大学无线通信与网络研究室承担的8 6 3 计划项目的 子项目，即建立“具有主动特性的异构无线网络资源管理技术 的试验平台。这个项 目分为两期。一期实现蜂窝网w i m a x w l a n 三种网络的互联互通、垂直切换以及 三待机，即在三种网络覆盖的地方，终端同时和三个基站保持联系，但有业务时只选 择其中种网络进行通信。二期通过试验平台上带宽分配、网络选择、流量调度等算 法的实现，以及主动分组的生成、处理，验证新的算法和协议。 本文是对一期已经搭建的异构无线网络试验平台的蜂窝网部分进行升级和完善， 并结合二期的目标在蜂窝网试验平台添加相应的接口和流程。本小节后面部分主要介 绍试验平台的概况以及蜂窝网试验平台升级和完善的必要性。 1 1 2 1 异构无线网络试验平台概述 关于异构无线网络的理论研究已经是学术界的热点问题，但是对于这种复杂的涉 及不同网络的技术仅从纯理论的角度去研究是远远不够的，业界普遍认同的方法是根 据网络特征建立网络模型，通过搭建试验平台来模拟观察网络行为，为异构网络理论 的优化、改进以及实践提供试验论证。 网络模拟可以通过n s 2 、o p n e t 等网络仿真工具，以事件驱动为基础模拟网络 行为。除仿真方法外，国内外科研机构常开发硬件试验平台，这样的平台一般具有简 化的软硬件平台，比仿真方法有更好的试验效果，也为工程实现提供原型，但是这种 方法成本较高，重用性和可扩展性不强。因此，可以结合以上两种方法，通过计算机 编程的方法搭建软件试验平台，成本低，可扩展性好，对于资金有限的高校实验室来 说是个不错的选择，在目前的研究中也被普遍认可。 图1 1 异构无线网络试验平台网络拓扑图 2 ， 北京邮电大学硕士研究生学位论文异构无线网络试验平台中蜂窝网空中接口的优化、升级与实现 “具有主动特性的异构无线网络资源管理技术 项目所搭建的试验平台是在 m i c r o s o f tv i s u a lc + + 环境下，通过w i n d o w s 编程技术实现蜂窝网、w i m a x 和w l a n 三网的融合。试验平台实现的虚拟网络拓扑结构如图1 1 所示。 该异构无线网络试验平台采用“集中式 的网络架构，引入重配置代理管理器 ( p l m ) 实体，p r m 一方面具有不同网络问实现端到端通信的路由功能，另一方面 起到集中管理异构无线网络无线资源的作用。终端设计并实现为多模终端，具有与三 种网络进行通信的接口。试验平台用不同的计算机模拟p r m 、多模终端、三种网络 的接入点，通过w i n d o w ss o c k e t 网络编程技术实现计算机间通信，通过w i n d o w s 消 息机制实现线程间通信。不同实体在计算机上的分布如图1 2 所示。 图1 2 异构无线网络试验平台不同实体在计算机上的分布 1 1 2 2 蜂窝网试验平台升级和完善的必要性 蜂窝网络部分在整个试验平台中的位置如图1 3 所示。 霉、 其他删络 图1 - 3 蜂窝网试验平台在异构无线网络试验平台的位置 一期已完成的异构无线网络试验平台蜂窝网部分根据t d s c d m a 空中接口标准 3 ，_ ， 澄熟倔翟 北京邮电大学硕上研究生学位论文 异构无线网络试验平台中蜂窝网空中接u 的优化、升级与实现 标准已搭建了初步的框架，主要实现t d s c d m a 无线网络子系统( i s ) ，包含若 干个n o d e b ( t d s c d m a 小区基站) ，一个r n c ( 基站控制器) ，n o d e b 实现空中接 口的物理层的转发功能，r n c 对空中接口物理层以上各层的简化功能进行实现；有 基本的与平台中其他实体，如p r m 、多模终端的接口，能够运行简单的通信流程。 已实现的的蜂窝网试验平台虽然已经具备了基本的通信功能，但是接口仍然不健 全，尤其是要实现二期的算法，还需要添加相关的接口，而且已经定义的接口有些没 有功能实体，有些功能还不完善；通信流程也比较粗糙，没有真实的业务数据，有些 过程不符合逻辑，需要进一步完善并添加相应模块等；更重要的是一期的蜂窝网是根 据t d s c d m a 空中接口的标准设计实现的，而t d s c d m a 所采用的c d m a 多址接 入技术无法满足灵活的资源管理。综上，对异构无线网络试验平台的升级和完善势在 必行。本文将结合先进的蜂窝网技术及t d s c d m a 的演进路线设计并实现蜂窝网试 验平台的升级，根据整个项目的最终目标设计、完善并实现蜂窝网试验平台的接口和 通信流程。 1 1 3t d 。s c d m a 技术和l t e 技术 自2 0 世纪7 0 年代美国贝尔实验室提出了蜂窝网概念以来，移动通信技术取得了 飞速的发展。蜂窝网不仅成功地用于第一代模拟移动通信系统，第二代、第三代也继 续延用了蜂窝网的概念，在下一代移动通信技术中，蜂窝网也成了默认的网络架构。 本文要将异构无线网络试验平台根据t d s c d m a 标准实现的蜂窝网部分进行升级， 下面将介绍t d s c d m a 技术以及它的演进技术l t e ，并分析如何对t d s c d m a 进 行升级。 1 1 3 1t d s c d m a 技术 移动通信技术的发展非常迅猛，尤其是近2 0 年来，移动通信系统的发展及更新 换代更是让人眼花缭乱。当前，第三代移动通信系统引起了全世界的广泛关注。早在 1 9 8 5 年，国际电信联盟( i t u ) 就提出了第三代移动通信( 3 g ) 的概念，许多国家 和著名电信设备制造商先后提出了十几种空中接口建议。在建设和发展第一代和第二 代移动通信时，由于我国在技术方面处于被动地位而错失良机。大多数厂商主要依靠 组装国外产品来支持市场。现代电信技术的发展尤其是移动通信技术的发展过程告诉 我们，标准是现代技术发展的核心。中国作为一个移动通信市场大国和经济快速崛起 的国家，不能永远处于技术跟随和模仿的位置，必须抓住第三代移动通信发展的有利 时机。在国家主管部门的支持下，大唐移动经过多年研究提出了具有一定特色的3 g 通信标准时分同步码分多址接入( t d s c d m a ) 。2 0 0 0 年5 月t d s c d m a 被世 界无线电行政大会正式接纳，成为第三代移动通信四大主流无线接口标准之一。这是 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文异构无线网络试验甲台中蜂窝嘲空中接口的优化、升级与实现 中国百年通信史上第一个具有完全自主知识产权的国际通信标准，在我国通信发展史 上具有里程碑的意义并将产生深远影响，是整个中国通信业的重大突破。 t d s c d m a 是基于时分复用( t d d ) 模式，采用了智能天线、联合检测、同步 c d m a 、接力切换及自适应功率控制等诸多先进技术，与其它3 g 系统相比具有较为 明显的优势，主要体现在高频谱利用率、频谱灵活且不需要成对的频率，组网灵活， 适用于多种使用环境、设备成本低等。同时，在我国政府的大力支持与科研人员的共 同努力下，t d s c d m a 已经证明了是一种具有巨大发展潜力的第三代移动通信系统。 2 0 0 1 年1 0 月2 5 日，大唐电信获取三个3 g 标准频段，分布在1 8 8 0 1 9 2 0 m h z 、 2 0 1 0 2 0 5 0 m h z 、2 3 0 0 2 4 0 0 m h z 。自2 0 0 2 年l o 月3 0 日，由大唐、中兴、普天、华 为等8 家中国最具实力的科技企业发起成立了t d s c d m a 产业联盟( t d i a ) ，t d i a 将为t d s c d m a 产业振兴、移动通信推广应用、实现中国移动通信产业的全面崛起 奠定新的里程碑，为全球信息产业的发展做出新贡献。如今t d i a 已有8 家理事成员 单位，5 5 家非理事成员单位。 2 0 0 4 年，信息产业部组织了3 gt e g ，针对3 g 技术进行大规模测试。2 0 0 5 年9 月1 4 日，信产部电信研究院通信标准研究所如期公布了t d s c d m a 外场测试结果， 宣布t d s c d m a 已具备大规模独立组网能力。2 0 0 6 年1 月2 0 日，信产部正式颁布 t d s c d m a 为我国通信行业标准。2 0 0 6 年的规模网络技术应用试验对t d s c d m a 的成熟起到了非常大的促进作用。通过应用试验，t d s c d m a 网络与产品的可商用 性已经得到验证。2 0 0 8 年4 月1 日起，中国移动面向北京、上海、天津、沈阳、广 州、深圳、厦门和秦皇岛8 个城市，正式启动t d s c d m a 社会化业务测试和试商用。 t d s c d m a 随着试商用的逐渐展开，产品技术和产业链也将逐渐走向成熟。2 0 0 9 年 1 月7 日，工信部为中国移动发放基于t d s c d m a 技术知识的3 g 牌照，此举成为 t d s c d m a 技术发展的强大市场驱动，从而促成了网络和终端成熟的进一步加速。 1 1 3 2l t e 技术 长期演进( l o n gt e r me v o l u t i o n ，l t e ) 始于2 0 0 4 年3 g p p 的多伦多会议，是无 线通信技术发展到第四代的最后一步，是3 9 g 的全球标准。l t e 为提高移动通信网 的容量和速度，改进并增强了3 g 的空中接口技术，采用o f d m 和m i m o 作为其无 线网络演进的唯一标准。l t e 标准能够提供下行至少1 0 0 m b p s 、上行至少5 0 m b p s 的 峰值速率以及接入网往返时间( r o u n d t r i pt i m e s ，r t t ) 低于1 0 m s 。它支持从1 4 m h z 到2 0 m h z 的灵活系统带宽分配，有时分双工( t d d ) 和频分双工( f d d ) 两种模式。 l t e 标准中的一部分是系统架构演进( s y s t e m a r c h i t e c t u r ee v o l u t i o n ，s a e ) 。s a e 可以看做核心网的演进，是为了将来替代g p r s 核心网。同时它也能够支持与之前系 5 北京邮电大学硕：t 研究生学位论文异构无线网络试验平台中蜂窝网窄中接l | 的优化、升级与实现 统，如g p r s ，或者非3 4g 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 ( 3 g p p ) 系统，如w i m a x 等的移动性，是一个全m 的扁平网络架构。 l t e 的主要先进性在于高数据速率、低时延、优化分组数据应用、在同一平台支 持f d d 和t d d 两种模式，以及简单的架构，从而减少运营成本。l t e 也将支持与之 前网络技术如g s m 、t d s c d m a 、w c d m a 等的无缝漫游。 2 0 0 5 年6 月，3 g p p 提出了l t e 的系统需求，形成了需求报告t r 2 5 9 1 3 。随后 开始了对各种全新的空中接口技术和接入网络结构的研究，对l t e 的研究也成为 3 g p p 相关工作组的工作重点。最早涉及到l t e 的3 g p p 版本是r d e a s e8 f 1 1 。2 0 0 8 年 1 2 月，r e l e a s e8 被锁定，2 0 0 9 年1 月，a s n 1 被锁定。标准制定已经基本完成【2 】， 芯片、测试设备及基站等硬件设计也已经进行到一定程度。2 0 0 8 年2 月，爱立信于 巴塞罗那全球移动大会上演示全球首次基于l t e 技术的移动电话之间的通话。2 0 0 9 年4 月，摩托罗拉在2 0 0 9 美国无线通信展上展示了其无线宽带基站( w b r ) 5 0 0 r 系 列l t ee n o d e b 平台，基于这个“零占地”( z e r of o o 唧n t ) l t e 解决方案，新型的基 站将能在同一硬件平台支持f d d 和t d d 两种制式。 2 0 0 8 年，随着中国三大运营商同步宣布选择l t e 做为后3 g 时代的演进方向， 高通宣布放弃u m b 标准而转投l t e ，而日本、美国等国家都将在2 0 1 0 年开始进入 l t e 的试商用时代，l t e 一夜之间家喻户晓。后3 g 时代以“l t e ”为主的新产业格 局悄然形成。 1 1 3 3t d s c d m a 的升级方向 近年来，在传统蜂窝移动通信技术快速发展的同时，部分宽带无线接入技术，如 w i m a x 也开始提供部分移动功能，力图抢占移动通信市场。面对移动w i m a x 等宽 带无线通信技术的快速发展，为了保证3 g 系统持续演进的竞争力，移动通信业界提 出了新的市场要求，要求进一步增强3 g 技术。 t d s c d m a 已经证明了是一种具有巨大发展潜力的第三代移动通信系统。 t d s c d m a 的成功发展除了其向产业化转变和大规模商用外，还有一个重要内容就 是t d s c d m a 的后续发展问题。如何提高t d s c d m a 系统的容量，如何保证 t d s c d m a 能够满足未来十年甚至更长时间各种业务的传输需求，将是t d s c d m a 增强和演进所面临的最大问题之一。 从3 g p pl t e 的标准化进程来看，其初衷为第三代移动通信系统的演进，但由于 其他技术的竞争、业务的需求和运营商的压力其标准化进程实质为一场技术革命过 程。t d s c d m a 的演进有两个方向：多载波t d s c d m a ；另一个是t d d o f d m ， 即t d dl t e 。前者作为一个强调兼容性的平滑演进版本，为现有的t d s c d m a 系统 6 ， 北京邮电大学硕上研究生学位论文异构无线网络试验平台中蜂窝网空中接口的优化、升级与实现 提供性能提升的方案；后者作为一个强调性能提升的全新版本，为现有的t d - s c d m a 系统提供更远期的演进方案3 1 。 1 2 异构无线网络研究现状 学术界关于异构无线网络的研究最早可以追溯到1 9 9 5 年，美国加州大学b e r k e l e y 分校发起的b a n w a n 计划，其负责人k a t z 在文i f l 炙 4 1 d f l 首次提出应该将相互重叠的 各种无线接入技术结合起来构成异构无线网络，从而满足未来移动用户多样化的业务 需求。k a t z 还在文献 5 】中指出，异构无线网络中的终端应该具有接入到多个系统的 网络接口，这种终端就是多模终端，并将多模移动终端在不同接入系统之间的切换定 义为垂直切换。 在随后的十几年中，国内外许多研究组织已致力于异构网络技术的研究，例如美 国的佐治亚理工大学和佛罗里达州立大学、芬兰的奥卢大学和希腊的雅典大学，以及 爱立信研究院、诺基亚研究院和朗讯实验室等。中国国家8 6 3 项目也把未来无线通信 通用环境作为8 6 3 计划通信技术主题的重大项目，目标是建立关键技术验证系统，从， 而支持面向未来的无线通信新业务。 目前，异构无线网络的研究主要集中于以下几个方面： ( 1 ) 终端角度。终端能够根据现有的网络所提供的业务情况和网络的负载状态j 接入不同的网络，这要求终端是有多个接口接入到不同无线网络的多模终端。目前， 软件无线电被认为是实现多模终端的最有前景的技术。 ( 2 ) 网络架构角度。根据各无线接入系统之间的互连方式和异构无线网络各功 能模块的分布方式可以有“分布式和“集中式”两种网络架构。“分布式 网络架 构即各无线接入系统间直接互连，异构无线网络的功能模块分布在各无线接入系统 中；“集中式 网络架构即各无线接入系统通过第三方互连，异构无线网络的功能模 块也分布在该第三方中。 ( 3 ) 无线资源管理角度。异构无线网络的构想就是在各无线通信技术激烈竞争 有限的无线资源情况下提出的。因此，通过异构无线网络这一平台使无线资源能够和 谐、高效、最优的在各种无线通信技术中利用是异构无线网络研究的主要目标。异构 网络无线资源管理主要包括：终端接入时选择无线资源质量最好的网络接入，如接纳 控制；各无线网络间无线资源的调度，如频谱共享；通过调度各网络间的用户而达到 无线资源的有效利用，如负载均衡等。 ( 4 ) 协议角度。由于异构无线网络包括多种无线网络，所以如何实现网络间通 信和终端在多种网络下无缝漫游也是异构无线网络需要研究的问题。这就涉及到异构 7 北京邮电人学硕士研究生学位论文异构无线网络试验平台中蜂窝网空中接口的优化、升级与实现 无线网络的通信协议，如传输协议、路由协议和移动性管理等。 除以上技术问题外，从运营商角度，怎样在异构环境中为用户选择最有效的网络， 从而达到使用户享受高性价比服务的同时达到网络的高性价比，这也是异构无线网络 研究的现实目标。 1 3 研究意义 通过前面对异构无线网络的背景和发展现状的分析，我们有充分理由相信，下一 代无线通信系统必将是一个能够将现有的和未来将要出现的各种无线接入系统有机 融合在一起的开放式的多层次网络环境，即异构无线网络。 异构无线网络的研究具有强大的技术推动力和商业驱动力。从技术发展的角度来 看，异构无线网络的整合能够实现通信环境从“不同的无线技术，不同的网络技术” 向“不同的无线技术，相同的网络技术发展；从商业价值的角度来看，异构网络的 整合有利于不同网络之间的协作互补，而且多网融合能够提高网络利用率和便于业务 的提供；对于无线运营商而言，如果希望将自己的无线接入系统加入到异构无线网络 中，只需在原有系统结构的基础上添加少量的网络实体并引入相应的管理功能，既不 需要大量的资金投入，也不需要漫长的建设周期，而且有利于提高原有系统的市场竞 争力。另外，通过合理的无线资源管理，可以充分利用异构无线网络中各种无线接入 系统的基础设施和频率资源，并且充分激发这些系统的潜能，共同为用户提供单系统 运营模式下所无法支持的业务和功能，从而在满足用户复杂多变的个性化业务需求的 同时提高无线运营商的利润水平。因此，这种多系统融合演进的发展路线既具备了单 系统演进路线的低成本、低风险的优点，又能够满足革新式发展路线所制定的系统设 计目标，是一种实