（通信与信息系统专业论文）无线单播组播混合系统中资源分配优化策略的研究.pdf

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t f 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： 二受乞数生 日期：业：z ! z 兰 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：本学位论文不属于保密范围， 本人签名： 垒鱼熬生 导师签名： 錾! 兰 适用本授权书。 日期：型! ! ! ! 竺 北京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 无线单播组播混合系统中资源分配优化策略的研究 摘要 近年来，随着无线移动通信技术的发展以及便携式终端的出现， 移动多媒体业务受到越来越多的关注，例如移动电视业务和视频点播 业务。相关的标准化组织为了更有效地基于蜂窝移动网络提供组播和 广播业务制定了相应的规范，包括3 g p p 的m b m s 、3 g p p 2 的b c m c s 以及m o b i l ew i m a x 系统论坛的m b s 等。 无线单播和组播作为两种不同的传输机制，具有各自的优势。对 于单播传输机制可以利用其多用户多样性，而组播传输机制通常以组 内具有最差信道条件的用户的业务质量为准来设定传输速率以获得 多用户增益。未来的蜂窝移动通信系统必定是支持单播和组播这两种 传输机制的混合系统，因此，如何基于这种场景提出有效的资源分配 优化策略，从而提高整个系统的资源利用效率，成为目前的一个重要 研究点。 本文的研究工作主要包括两方面的内容：第一，针对蜂窝系统中 单播组播混合流场景提出了多组播组与单播业务混合情况下基于跨 层设计的优化传输机制( 简称为跨层优化传输机制) ，通过将上层用 户请求信息与底层s n r 分布信息结合，研究并给出了跨层优化传输 机制相比传统的静态时隙分配机制所带来的组播平均速率和容量增 益；第二，针对移动电视业务与视频点播业务混合系统共享资源的场 景，研究基于单播与组播联合提供组播型业务，建模并仿真了系统可 以优化的组播节目数目、系统的其他参数选取与系统性能的关系，研 究结果表明，在系统资源有限的情况下可以提升混合系统的服务性 能。最后在总结已有研究工作的基础上，对下一步的研究工作做了展 梁。 关键词：移动多媒体组播广播资源分配优化混合 北京邮电大学硕士研究生学位论文 t h er e s e a r c ho no p t i m i z a t l 0 ns t ra t e g yo f r e s o u r c ea l l o c a n o nf o ru n i c a s ta n d m u u 盯c a s tm i x e dw i r e l e s ss y s t e m s a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yi nw i r e l e s s m o b i l ec o m m u n i c a t i o n sa n dt h ea p p e a r a n c eo fp o r t a b l eu s e re q u i p m e n t s ， m o b i l em u l t i m e d i as e r v i c e sh a v eb e e np a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n ， s u c ha sm o b i l et va n dv o ds e r v i c e s t h er e l a t e ds t a n d a r d i z a t i o n o r g a n i z a t i o n sa l s oh a v et a k e no nt h e i rw o r k sw i t ht h er e s e a r c ha b o u t b r o a d c a s ta n dm u l t i c a s tt op r o v i d et h em o b i l em u l t i m e d i as e r v i c e si nt h e c e l lm o b i l en e t w o r k sw i t hh i g he f f i c i e n c yo fr e s o u r c e s o m es t a n d a r d s h a v eb e e np u b l i s h e d ，e g m b m so f3 g p p , b c m c so f3 g p p 2a n dm b s o fm o b i l ew i m l 岖s y s t e mf o r u m e t c 。 w i r e l e s su n i c a s ta n dm u l t i c a s ta r et w od i s t i n c tt r a n s m i s s i o ns c h e m e s w i t hr e s p e c t i v ea d v a n t a g e s t h eu n i c a s tt r a n s m i s s i o ns c h e m ec a ne x p l o i t m u l t i u s e rd i v e r s i t y m u l t i c a s tt r a n s m i s s i o ns c h e m ec a ng e tm u l t i u s e rg a i n ， i nt h ec a s ew h i c ht h et r a n s m i s s i o nr a t eo ft h em u l t i c a s tg r o u ps h o u l db e a d i u s t e da c c o r d i n gt ot h eu s e rw i t ht h ew o r s tc h a n n e l t h ec e l l u l a rm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m sw i l ls u p p o r tt h et w ot r a n s m i s s i o ns c h e m e si n n e a rf u t u r e ，s oh o wt oc o p ew i t ht h ep r o b l e mo fr e s o u r c ea l l o c a t i o n b e c o m e sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hi s s u e t w os c h e m e sf o c u s e do nu n i c a s ta n dm u l t i c a s tm i x e dw i r e l e s s s y s t e m sa r ep r e s e n t e di n t h i st h e s i s t h ef i r s t o n ei sa no p t i m i z a t i o n t r a n s m i s s i o ns c h e m eb a s e do nc r o s s 1 a y e ri n f o r m a t i o n ( c r o s s - l a y e r o p t i m i z a t i o nt r a n s m i s s i o ns c h e m e ) f o rm u l t i p l e m u l t i c a s tg r o u p sa n d u n i c a s tt r a f f i cm i x e ds c e n a r i o ，w h i c hc o m b i n e st h e u s e r r e q u e s t i n f o r m a t i o nf o rs e r v i c e sa n dt h eu s e rs n rd i s t r i b u t i o ni n f o r m a t i o n t o g e t h e r t h ep r o p o s e ds c h e m ei sc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lo n ei n t e r m so ft h ea v e r a g er a t ea n dc a p a c i t yo fm u l t i c a s tt h r o u g ht h e o r e t i c a l i i i 北京邮电大学硕士研究生学位论文 a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s a d d i t i o n a l l y , f o rt h es c e n a r i oo fm i x e d m o b i l et va n dv o ds e r v i c e s s h a r i n gs y s t e mr e s o u r c e ，t h i sp a p e r p r o p o s e st op r o v i d em o b i l et v s e r v i c ew i t hm i x e dm u l t i c a s ta n du n i c a s t t r a n s m i s s i o ns c h e m e s ，t h er e l a t e ds y s t e mm o d e li ss t u d i e d ，a n dt h ee f f e c t s o fd i f f e r e n tp a r a m e t e r so nt h eo p t i m i z e dm u l t i c a s e dn u m b e rf o rm o b i l e t vc h a n n e l sa n dt h ep e r f o r m a n c eo fs e r v i c eb l o c k i n gp r o b a b i l i t ya r e s h o w n t 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 t sd e m o n s t r a t et h a t t h ep r o p o s e ds c h e m ec a ne n h a n c et h es y s t e mp e r f o r m a n c ew h e nt h et o t a l s y s t e mr e s o u r c ei sf i x e d a tl a s t a l lt h er e s e a r c hw o r kd o n ei nt h i st h e s i s i sc o n c l u d e da n dt h ep r o s p e c t i v es t u d yi nf u t u r ei sg i v e n k e yw o r d s ：m o b i l em u l t i m e d i a ，m u l t i c a s tb r o a d c a s t ，r e s o u r c e a l l o c a t i o n ，o p t i m i z a t i o n ，m i x e d i v 北京邮电大学硕士研究生学位论文目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 1 1 无线移动通信技术的发展。1 1 1 2 移动多媒体业务与广播组播技术2 1 1 3 单播组播混合系统面临的问题一3 1 2 本文的主要研究内容3 1 3 论文的组织结构4 第二章无线单播组播系统的相关技术概述5 2 1 单播技术中常用的接入方式5 2 1 1 频分多址接入技术( f d m a ) 6 2 1 2 时分多址接入技术f f d m a ) 6 2 1 3 码分多址技术( c o m a ) 7 2 1 4 空分多址接入技术( s d m a ) 8 2 1 5 正交频分多址接入技术( o f d m a ) 一8 2 2 无线组播广播技术。9 2 2 1m b m s 技术9 2 2 2e m b m s 技术1 3 2 2 3b c m c s 技术1 4 2 2 3m b s 技术1 7 2 2 4 基于其他类型网络的组播j 一播技术。2 0 2 3 本章小结2 2 第三章无线单播组播技术相关研究现状。2 3 3 1 无线单播技术相关研究现状。2 3 3 2 无线组播技术相关研究现状2 4 3 - 3 单播组播混合系统的相关研究。2 5 3 3 1 混合系统的组网模式2 5 3 3 2 混合系统的系统帧格式设计2 6 3 3 3 混合系统中的业务提供机制2 8 3 4 本章小结3 0 第四章单播组播混合系统资源分配优化策略及性能分析。3 1 4 1 基于跨层设计的单播组播混合流优化传输机制3 1 4 1 1 蜂窝用户s n r 分布模型3 1 4 1 2 基于跨层设计的优化传输机制3 4 4 1 3 系统性能研究3 7 4 2 基于跨层设计的单播组播混合流优化传输机制性能分析3 9 4 2 1 组播组s n r 门限值分析。4 0 4 2 2 组播组平均速率和容量增益性能分析4 0 北京邮电大学硕士研究生学位论文目录 4 2 3 组播容量增益性能分析4 1 4 3 单播组播联合提供传统组播业务机制研究。4 3 4 3 1 基于单播组播联合的业务提供机制。4 3 4 3 2 系统模型4 3 4 4 单播组播联合提供传统组播业务机制性能分析4 5 4 4 1 移动电视业务频道数对v o d 业务性能的影响研究。4 5 4 4 2 业务比例对最优化组播节目数目的影响研究。4 6 4 4 3 总业务请求到达率对最优化组播节目数目的影响研究4 7 4 4 4v o d 业务时长对系统业务性能的影响研究4 8 4 4 5 移动电视业务和v o d 业务的性能对比4 9 4 5 本章小结5 0 第五章论文研究工作总结与下一步工作展望5 l 5 1 本文所做研究工作总结。5 1 5 2 未来的研究工作展望。5 1 参考文献5 3 附录1 缩略语5 6 j l 贮谢! ；9 作者攻读学位期间发表的学术论文目录6 0 北京邮电大学硕士学研究生位论文第一章绪论 第一章绪论 本章在简单介绍无线移动通信技术的历史、现状以及未来发展方向的基础 上，阐述了移动多媒体业务与广播组播技术的发展、论文的主要研究内容和目标 以及论文所完成的工作，最后给出了本论文的组织结构。 1 1 课题研究背景 1 1 1 无线移动通信技术的发展 从上一世纪2 0 年代开始，无线移动通信技术的发展经历了五个阶副卜2 l ： 第一阶段是从上一世纪2 0 年代至4 0 年代：首先在短波几个频段上开发出专 用移动通信系统，其代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统。该系统工 作频率为2 m h z ，到4 0 年代提高到3 0 - - - 4 0 m h z ，特点是专用系统开发，工作频 率较低。这一阶段是现代移动通信的起步阶段。 第二阶段是从4 0 年代中期至6 0 年代初期：在这阶段，公用移动通信业务 开始问世，其特点是从专用移动网向公用移动网过渡，接续方式为人工，网的容 量较小。 第三阶段是从6 0 年代中期至7 0 年代中期：使用1 5 0 m h z 和4 5 0 m h z 频段， 实现了无线频道自动选择并能够自动接续到公用电话网。这一阶段是移动通信系 统改进与完善的阶段，其特点是采用大区制、中小容量，使用4 5 0 m h z 频段，实 现了自动选频与自动接续。 第四阶段是从7 0 年代中期至8 0 年代中期：1 9 7 8 年底，美国贝尔试验室研 制成功先进移动电话系统( a m p s ) ，建成了蜂窝状移动通信网，有效提高了系统 容量。这一阶段是移动通信蓬勃发展时期。 第五阶段是从8 0 年代中期开始至今：由于数字无线传输的频谱利用率的提 高，系统容量大大增加，同时数字网与i s d n 等兼容，能提供语音、数据多种业 务服务。实际上，早在7 0 年代末期，即模拟蜂窝系统还正处于开发阶段时，一 些发达国家就已经开始了有关数字蜂窝移动通信系统的研究。到8 0 年代中期， 欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网( g s m ) 的体系，即第二代全球移动通信系 统。 如今，正是第三代数字移动通信系统在全球得到广泛应用的时代，通信带宽 进一步增加，数据业务比重大幅上升，移动多媒体业务潜在市场巨大。当今无线 移动通信的发展主要体现在五大技术的发展中：一是举世瞩目的3 g 技术，二是 第1 页共6 0 页 北京邮电大学硕士学研究生位论文 第一章绪论 3 5 g h z 宽带固定无线接入的推广应用，三是w l a n 标准的选用，四是宽带无线 技术w i m a x ，五是超宽带无线接入技术u w b 。这些技术的发展和应用导致无 线移动通信的接入多元化、网络一体化和综合布局。蜂窝移动通信系统的总体演 进方向见图1 - 1 。 蠢 低 l 鲇51 9 9 52 0 0 02 0 0 5 2 0 1 0 2 0 1 5 嘲 i l 强艟l z 2 1l 数握i 麟 l f l 鼬锄脚3 d 脚l 陈伽l 脚l o o r , 叫o , , p 图1 - 1 蜂窝移动通信系统的演进 未来无线移动通信技术的发展趋势【3 5 】大致可以归结为： ( 1 ) 宽带化一利用更高的带宽，进一步增大数据速率，进一步提升物理层技 术以增加频谱效率； ( 2 ) 覆盖无缝化用户可以随时随地接入网络，能实现无缝漫游和切换； ( 3 ) 网络融合一原本异类和完全分离的网络走向融合； ( 4 ) 终端智能化一终端和网络组成部分具有更多的灵活性，如认知无线电技 术； ( 5 ) 向全i p 网络和v o i p 转化一基于口的网络技术能够有效地屏蔽底层接入 技术，使得网络区域扁平化。 1 1 2 移动多媒体业务与广播组播技术 随着移动通信网络的技术发展，以及便携式终端( 如手机、p d a 、m p 3 、笔 记本电脑1 的出现，用户对业务的需求也呈现多样化，特别是用户对移动多媒体 业务的需求拥有很大的市场。 传统的提供移动多媒体业务【锄l 的方式是基于现有的广播网络，如欧洲的 第2 页共6 0 页 北京邮电大学硕士学研究生位论文第一章绪论 d v b h 、中国的c m m b 、韩国的t d m b 等，但是这些传统的广播网络由于缺乏 有效的用户上行反馈信道，使得其与用户的交互性不足而受到一定的限制。虽然 目前的移动蜂窝网络也可以提供移动多媒体业务，但是大多为点对点单播模式， 这种方式的资源利用率低、成本高、资费昂贵，不利于业务的推广。因此，为了 实现在现有蜂窝网络中提供低成本多媒体业务的目标，需要引入新型技术来承载 此类业务。3 g p p 在r 6 版本中引入了多媒体广播组播业务功能m b m s 【9 。删，其 目的就是为了通过现有的g s m 厂w c d m a 网络来有效地支持组播厂广播业务，在同 一时间为多用户提供高速率数据业务。目前，3 g p p 有关e m b m s 的标准化工作 正在进行当中，其他标准化组织也相继定义了相关的组播广播技术规范，如 3 g p p 2 的b c m c s l l l 1 2 】和移动w i m a x 系统论坛的m b s 1 3 】。 1 1 3 单播组播混合系统面临的问题 未来的无线通信系统中，单播和组播业务流会共存，单播和组播机制也会同 时存在，而这两种传输机制又具有各自不同的优势。就单播传输机制而言，由于 不同用户具有各自独立的传输条件，因而可以利用其多用户多样性，即为单个用 户分配最佳的系统资源，如传输的时隙、载波频率等，而组播传输机制作为面向 多用户的传输机制，在获得多用户增益的同时，通常以组内用户的最差接收条件 为准来提供服务和传输性能。 无线通信系统所拥有的资源有限，特别是其无线频谱资源。对于蜂窝移动通 信系统而言，在有限的频谱资源条件下，要为用户提供满足其需求丰富多彩的业 务，需要通过有效的机制和策略来提高整个通信系统的资源利用效率。如何基于 单播与组播共存的混合系统，充分利用单播和组播两种传输机制的特点，合理地 设计系统，如单播和组播流在帧时隙上的分配，或者针对不同业务的特点利用两 种机制来提升业务性能，这些都可以归结为混合系统中的资源分配优化策略问 题，也是单播组播混合系统亟待解决的问题之一。 1 2 本文的主要研究内容 针对以上单播组播混合系统中存在的的问题，本文在调研相关研究背景的基 础上，从以下两个角度进行了深入研究： ( 1 ) 针对单播组播混合流场景，主要研究多组播组与单播业务混合时的基于 跨层信息结合的优化传输机制，并分析相比传统静态时隙分配机制所获得的组播 组平均速率和容量增益； ( 2 ) 对于传统的组播业务，例如移动电视业务，考虑用单播和组播两种机制 第3 页共6 0 页 北京邮电大学硕士学研究生位论文第一章绪论 动态联合提供业务，并结合类似的业务，如t r u e v o d 业务，研究一定系统资源 条件下最优化的组播移动电视业务节目数目，并分析相关参数对系统业务性能的 影响。 1 3 论文的组织结构 论文的组织结构如下： 第一章是绪论部分，主要介绍课题的相关研究背景、研究现状、未来发展方 向以及本文所做的主要工作；第二章系统地介绍了蜂窝通信系统中与单播技术相 关的多址接入技术、几种典型的组播广播技术标准，并将基于蜂窝移动网络和 基于传统广播网络提供移动多媒体业务的特点进行了对比；第三章介绍了单播技 术、组播技术的相关研究以及单播组播混合系统中有关资源分配的研究现状，并 就目前已经提出的一些的资源分配机制进行了对比和分析；第四章介绍了本文所 提出的资源分配优化策略，即针对多组播组与单播业务流混合流场景的基于跨层 设计的优化传输机制以及单播与组播机制联合提供传统组播业务机制，分别介绍 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线单播组播系统的相关技术概述 第二章无线单播组播系统的相关技术概述 本章主要介绍了无线通信系统中单播、组播的相关技术，包括单播系统通常 采用的多址接入技术、一些基于蜂窝移动网络提供组播广播业务的技术以及基 于其他网络提供的组播广播技术。 2 1 单播技术中常用的接入方式 为了解决移动通信系统中频率利用率的问题，系统通常采用多址技术，有些 系统只采用一种多址技术，而有些系统则可能同时采用两种以上的多址技术，不 同的多址技术具有不同的工作原理和特点。 由于通信( 子) 网中所注册的用户数通常大于同一时刻实际请求服务的用户 数，多址技术其实就是研究如何将有限的通信资源在多个用户之间进行有效的切 割与分配，在保证多用户之间通信质量的同时尽可能地降低系统的复杂度并获得 较高系统容量的一种技术，当通信网络按照不同的多址技术将无线资源分配给当 前服务的用户以便支持多媒体单播组播广播业务时，这种通信机制就可以成为 单播。 时间时问 j f d m a _ -。频率 一t d m a l 图2 - 1f d m a 、t d m a 、c d m a 示意图 对通信资源的切割与分配实际上就是对多维无线信号空间的划分，在不同的 维上进行不同的划分就对应着不同的多址技术。常见的维有信号的时域、频域和 空域，此外还有信号的各种扩展维。信号空间划分的目标是要使得各用户的无线 信号之间在所划分的维上达到正交，以便这些用户就可以共享有限的通信资源而 不会相互干扰。下面将主要介绍蜂窝移动通信系统中几种典型的多址技术【l 引， 即单播技术，主要有频分多址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 、码分多址( c d m a ) 第5 页共6 0 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线单播组播系统的相关技术概述 等，如图2 1 所示。 2 1 1 频分多址接入技术( f d m a ) f d m a ( f r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ! 口频分多址接入，将不同的用户 分配在时隙相同而频率不同的信道上。按照这种技术，可以在频分多路传输系统 中集中控制的频段根据要求分配给用户。同固定分配系统相比，频分多址使通道 容量可根据要求动态地进行交换。 在f d m a 系统中，分配给用户一个信道，即一对频谱，一个频谱用作前向 信道即基站向移动台方向的信道，另一个则用作反向信道即移动台向基站方向的 信道。这种通信系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号，任意两个 移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转，因而必须同时占用两个信道( 两 对频谱) 才能实现双工通信。 频分多址是把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的频道( 也称信道) 分 配给不同的用户使用。这些频道互不交叠，其宽度应能传输一路数字话音信息， 而在相邻频道之间无明显的串扰。a m p s 、n a m p s 、t a c s 、m r r 和j t a c s 等第 一代模拟蜂窝移动通信系统所采用的多址技术就是f d m a ，f d m a 也是其唯一的 选择，而在数字蜂窝移动通信系统中，则很少采用纯f d m a 的方式。 采用f d m a 的系纠1 4 l 具有如下特点： ( 1 ) 每个信道占用一对频率，而且只能传输一路话音，信道空闲时也不能被 其他用户共享，使得频谱利用率低，系统容量有限； ( 2 ) 信息连续传输。当系统分配给b s 和m s 一个f d m a 信道，贝, j b s 和m s 之间 可以连续传输信息，直到通话结束，其占用的信道才会被收回卜 ( 3 ) f d m a 系统码间干扰小，几乎无需均衡，对同步控制系统要求低，m s 设 备也相对简单，易于实现，但系统由于存在多个频率信号，容易相互干扰，而且 保密性差； ( 4 ) b s 的共用设备成本高，而且数量大，每个信道就需要一套收发信机； ( 5 ) 在越区切换时，需要占用语音信道来传输数字信令。 2 1 2 时分多址接入技术( t d m a ) t d m a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 耳p 时分多址接入，是在一个宽带的无 线载波上，将时间分割成周期性的帧，每一帧分割成若干个时隙( 无论帧或时隙 都是互不重叠的) ，每个时隙就是一个信道，分配各一个用户单独使用。在满足 定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混 第6 页共6 0 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章无线单播组播系统的相关技术概述 扰。同时，基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各 移动终端只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区分并 接收下来。 时分制是把一个传输通道进行时间分割以传送若干话路的信息，把n 个话 路设备接到一条公共的通道上，按一定的次序轮流的给各个设备分配一段使用通 道的时间。t d m a 把一个射频分成多个时隙，再把这些时隙分给多组通话。这 样，一个射频可以同时支持多个数据频道，该技术是第二代蜂窝移动通信系统 d a m p s 和g s m 系统的基础。 t d m a 系统的特点如下i ( 1 ) t d m a 系统需要严格的定时和同步，需要采用自适应均衡来消除码间干 扰，用于同步控制等的系统开销大； ( 2 ) 系统不存在频率分配问题，对时隙的管理相对来说比较经济，通过对时 隙的动态分配，能有效提升系统容量： ( 3 ) t d m a 系统基站所需要的发射机较少，可避免不同频率发射机之间的干 扰，保密性能好； ( 4 ) t d m a 系统可以利用空闲时隙来检测用户信号强度或者发送控制信息， 有利于网络控制和m s 越区切换的实现； ( 5 ) t d m a 方式可以提高频谱利用率，也利于非语音业务的传输。 2 1 3 码分多址技术( c d m a ) c d m a ( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 即码分多址接入，其利用相互( 准) 正 交的地址码来区分用户，而用户收发的信息在频率、时间、空间上都有可能重叠。 系统接收端需要拥有与发送端完全相同的本地地址码才能对接收到的信号进行 相关检测和解调。其他用户对应不同的地址码，因而其信息不能被当前用户解调， 相对于对当前用户在信道中引入了噪声和干扰，一般称其为多址干扰，c d m a 系统也因此被称为白干扰系统。 c d m a 技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求。第二次世界大 战期间因战争的需要而研究开发出c d m a 技术，其思想初衷是防止敌方对己方 通讯的干扰，在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信，后来由美国高通公司更新 成为商用蜂窝电信技术。1 9 9 5 年，第一个c d m a 商用系统( 被称为i s 9 5 ) 运行之 后，c d m a 技术理论上的诸多优势在实践中得到了检验，从而在北美、南美和 亚洲等地得到了迅速推广和应用。目前在世界上广泛使用的第三代移动通信系统 几大标准，如w c d m a 、t d s c d m a 、c d m a 2 0 0 0 均是基于c d m a 技术的系 统。 第7 页共6 0 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线单播组播系统的相关技术概述 c d m a 系统具有如下特点： ( 1 ) 系统采用扩频通信技术，因而可以减小用户间干扰以及噪声干扰，从而 增加系统容量； ( 2 ) 系统的终端功率可以降低，使得其待机时间更长，同时可以降低电磁辐 射对人的伤害； ( 3 ) 系统带宽可扩展性较大，可以用于传输高速数据信息； ( 4 ) 拥有良好的认证机制、安全性和保密性。 2 1 4 空分多址接入技术( s d m a ) s d m a ( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ) 即空分多址接入，是一种新发展的多 址技术，主要通过空间的分割来区分不同用户。实现s d m a 的核心技术是智能天 线的应用，理想情况下它要求天线给每个用户分配一个点波束，这样根据用户的 空间位置就可以区分每个用户的无线信号，换句话说，处于不同位置的用户可以 在同一时间使用同一频率和同一码型而不会相互干扰。实际上，s d 蝴常都不 是独立使用的，而是与其他多址方式如f d m a 、t d m a 和c d m a 等结合使用；也 就是说对于处于同一波束内的不同用户再用这些多址方式加以区分。 应用s d m a 的优势是明显的：首先，它可以提高天线增益，使得功率控制更 加合理有效，显著地提升系统容量；其次，可以削弱来自外界的干扰；第三，可 以降低对其他电子系统的干扰。如前所述，s d m a 实现的关键是智能天线技术， 这也正是当前应用s d m a 的难点，但s d m a 的推广是必然的趋势。 2 1 5 正交频分多址接入技术( o f d m a ) o f d m a ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 即正交频分多址接 入，是o f d m 技术的演进。在利用o f d m 对信道进行子载波化后，在部分子载 波上加载传输数据的传输技术。o f d m a 技术与o f d m 技术相比，每个用户可 以选择信道条件较好的子信道进行数据传输，而不像o f d m 技术在整个频带内 发送，从而保证了各个子载波都被对应信道条件较优的用户使用，获得了频率上 的多用户分集增益。在o f d m a 中，一组用户可以同时接入到某一信道。 使用o f d m a 技术的系统具有以下特点： ( 1 ) 频谱资源利用率高； ( 2 ) 能够有效地抵抗多径干扰和用户间干扰； ( 3 ) 系统对时间和频率的同步要求非常高； ( 4 ) 一般情况下，系统的峰均功率l 匕( p a p r ) 较高。 第8 页共6 0 页 北京邮电大学硕上研究生学位论文 第二章无线单播组播系统的相关技术概述 2 2 无线组播广播技术 本节主要介绍目前蜂窝移动通信系统中的相关组播广播技术标准【1 6 l ，包括 m b m s 、e m b m s 、b c m c s 和m b s 技术，最后简要介绍了一些基于传统广播 网络来提供移动多媒体业务的技术。 2 2 1m b m s 技术 2 2 1 1m b m s 技术概述 随着移动通信领域便携终端的不断普及，用户不再满足于传统的简单数据业 务，而是希望能利用手中的终端接收到高速视频流媒体业务，如视频点播、电视 广播、视频会议、互动游戏等。2 0 0 4 年一些移动运营商相继推出移动电视业务 后发现利用传统的点对点移动流媒体技术完全无法满足用户对于多媒体业务的 需求。此时，3 g p p 也在设计基于g s m 例c d m a 网络来有效提供广播组播业务， m b m s ( m u l t i m e d i ab r o a d c a s tm u l t i c a s ts e r v i c e ，多媒体广播组播服务) 就是其在： r e l e a s e6 中引入的一项业务，m b m s 业务是通过共享网络资源从一个数据源向 多个用户传送数据来支持的。在后续版本中，一方面m b m s 的业务性能需要不 断提升，另一方面需要适应新的系统架构演进长期演进( s a e l t e ) 系统的发展。 因此，m b m s 在逻辑架构、业务模式、传输方式和信道结构等方面都将会得到 不断改进1 1 7 j 。 m b m s 的技术优势体现为以下方面： j ( 1 ) 网络投资少； 基于现有g s m w c d m a 网络实现m b m s ，只对现有网络做了较小的改动以 及增加了一些新的功能模块，成本较低，建设周期短；传统广播网络相比，运营 商在运营手机移动电视这类业务的同时，还可以利用蜂窝网络本来就有的上行信 道提供更加丰富的业务和商业模式。 ( 2 ) 无线资源调度方式灵活； m b m s 可以依据组播组内的用户数目多少选择最合理、有效的传输方式，从 而提高广播组播的资源利用率。 ( 3 ) 易于进行深度网络覆盖。 m b m s 覆盖方式与蜂窝网已有覆盖方式相同，通过蜂窝小区实现连续覆盖， 通过r n c 控制业务数据在不同蜂窝的发送时间，保证各蜂窝业务的同步，减少用 户在跨蜂窝移动时的数据丢失。 ( 4 ) 支持业务丰富； m b m s 不仅能实现纯文本低速率的消息类组播和广播，还能实现高速率多媒 第9 页共6 0 页 北京邮电大学硕上研究生学位论文第二章无线单播组播系统的相关技术概述 体数据业务的组播和广播，例如移动电视、视频点播等业务。m b m s 的最小覆盖 单元是蜂窝网小区，可以和位置业务良好融合，为不同位置用户提供各种层次丰 富的业务。蜂窝网的每个小区覆盖范围较小，并有更精确的网络规划，因此可以 选择在不同的网络区域广播不同的内容。在交互性方面，虽然m b m s 没有设置专 门的上行信道，但可以利用蜂窝网已有的上行信道实现交互，如进行业务订阅。 m b m s 还可以为用户提供多种丰富的“p u s h 业务。 2 2 1 2m b m s 网络架构 在r 6 l 订版本中，m b m s 功能的引入主要是通过对现有网络的改进是实现 的，主要的改进在于：一方面通过增加新功能实体一广播组播业务中心( b m s c ) 来提供并管理m b m s 业务；另外一方面是在已有功能实体( ，如：s g s n 、g g s n 、 b s c 、r n c 和u e ) 上增加对m b m s 业务的支持，并定义了新的逻辑共享信道来 实现空口资源共享，其系统参考模型【1 8 】如图2 2 所示。 图2 2m b m s 系统参考模型图 b m s c ( b r o a d c a s tm u l t i c a s ts e r v i c ec e n t e r ) 作为新增的功能实体，是广播组 播内容提供者的入口，用于授权并在移动网络中发起m b m s 承载业务，并按照 预定时间计划向用户传送m b m s 内容。每一个m b m s 用户都拥有b m s c 实体， 主要包括以下功能： ( 1 ) 对第三方内容提供商进行鉴权、授权和计费； ( 2 ) 提供m b m s 传输所需的相关参数，如q o s 、组播广播信息通告、发起 和终止m b m s 传输资源； ( 3 ) 从外部数据源接收m b m s 内容后发送给用户，安排m b m s 会话的 通告、重传等； ( 4 ) 提供业务声明，主要包括媒体类型描述( 如视频和音频的编码类型) 、 会话描述( 组播业务标识、地址、传送时间等) ； ( 5 ) 保护数据传输的安全性和完整性，如向m b m s 用户分发密钥。 第1 0 页共6 0 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章无线单播组播系统的相关技术概述 对原有的u m t s 分组域功能实体g g s n 、s g s n 、i 凰a n g e 凡州和l i e ，也 需要增力 i m b m s 相关功能和信令交互过程。新增的功能包括以下4 种： ( 1 ) u e 支持激活去激活m b m s 承载业务；u e 支持有关m b m s 的安全功能， 如对内容进行加密和一致性保护；能够接收m b m s 业务通告、寻呼信息或支持同 步业务；根据m b m s 会话标识决定是否忽略m b m s 会话( 如在u e 已经接收了一个 m b m s 会话的情况下就可以忽略下一个即将到达 幂j m b m s 会话) 。 ( 2 ) u t r a n g e r a n 在预定的m b m s 业务区域内传送m b m s 数据，组播模 式下u t r a n g e r a n 根据小区中当前服务用户数目和可用无线资源选择合适