（通信与信息系统专业论文）蜂窝中继网络的切换机制研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 蜂窝中继网络作为一种新颖、经济的网络架构，通过将中继技术引入传统蜂窝 网络，一跳链路变成两跳或者多跳链路，缩短了通信节点间的通信距离，能够有效 提高数据速率，扩大网络覆盖范围，增加系统容量，从而支持更多用户对高数据速 率业务的需求。然而，中继的引入给切换带来了新的挑战，本文主要针对蜂窝中继 网络的切换机制展开研究。 首先，研究了蜂窝中继网络的切换测量问题。分析对比了传统蜂窝网络和蜂窝 中继网络的差异，并指出这些差异对切换测量的影响，提出了一种基于状态信息辅 助的切换测量方案。此方案根据邻近接入站( 包括b s 和r s ) 和用户设备( u e ) 的状态信息，限定u e 的切换测量对象，从而减少u e 需要切换测量的邻近接入站 数目，缩短切换的测量时间，降低切换延时，提高u e 进行切换测量的效率，有效 地实现网络的快速切换。 其次，分析了在高速运动下组用户在切换过程中面临的问题，通过引入移动中 继站( 膦) 来简化问题，即将多用户的同时的频繁切换问题转化为m r s 的切换 问题，简化了切换流程和信令开销。同时，考虑到高速交通环境下组用户具有运动 线路明确、运动速度相对稳定且容易获得等特点，提出了一种基于预测的组切换方 案，来解决m r s 的切换问题。此方案通过存储道路的相关信息，结合加r s 的位置 信息，预测运行方向、预切换小区以及预切换的触发时机，使得m r s 在合适的时 机进行预切换操作，大大减少了切换延时，提高了用户的服务满意度。 最后，研究了蜂窝中继网络的切换判决算法。将传统蜂窝网络的切换判决算法 引入到蜂窝中继网络中，分析其存在的不足。本文提出了一种基于运动状态的切换 判决算法，此算法通过结合用户的运动状态，使得用户切换到更准确更适合的接入 站，即鼓励低速用户切换到正在接近的相对较近的接入站，鼓励高速用户切换到正 在接近的相对较远的接入站。这样减轻切换中的“乒乓”效应，减少切换开销，尽可 能合理、有效的利用有限的系统资源，提高传输效率、通信质量。最后通过仿真从 多个方面论证了基于运动状态的切换判决算法的性能。 关键词：蜂窝中继网络，中继，切换，组切换，切换测量 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a san o v e ln e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，t h er e l a ye n h a n c e dc e l l u l a rn e t w o r ki n t r o d u c e st h e r e l a yt e c h n o l o g yi n t ot h ec o n v e n t i o n a lc e l l u l a rs y s t e m s t h ed i r e c tl i n kb e t w e e nb a s e s t a t i o n sa n du s e re q u i p m e n td e v e l o p si n t ot w o - h o po rm u l t i h o pr e l a y i n gl i n k s 。功钒t h e c o m m u n i c a t i o nd i s t a n c ei sr e d u c e d , t h ed a t ar a t ec a r lb ei m p r o v e d ，t h ec o v e r a g ec a nb e e x t e n d e da n dt h es y s t e mc a p a c i t yc a l lb ei n c r e a s e d s ot h er e l a ye n h a n c e dc e l l u l a r n e t w o r k ss u p p o r tm o r es u b s c r i b e r si nt h en e e do fh i g l ld a t a - r a t es e r v i c e s h o w e v e r , t h e i n t r o d u c t i o no fr e l a yh a sb r o u g h tt h en e wc h a l l e n g e s t h i sp a p e rf o c u s e so nt h eh a n d o v e r m e c h a n i s mi nt h er e l a ye n h a n c e dc e l l u l a rn e t w o r k s f i r s t l y , t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h ep r o b l e mo fh a n d o v e rm e a s u r e m e n ti nt h er e l a y n e t w o r k s w ea n a l y z et h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et r a d i t i o n a lc e l l u l a rn e t w o r k sa n dt h e c e l l u l a rr e l a y i n gn e t w o r k s ，a n dp o i n to u tt h a tt h e s ed i f f e r e n c e sm a k eag r e a ti m p a c to nt h e h a n d o v e rm e a s u r e m e n t b a s e d0 1 1t h i sa n a l y s i s ，w ep r o p o s eah a n d o v e rm e a s u r e m e n t s c h e m eb a s e do ns t a t ei n f o r m a t i o na s s i s t e d a c c o r d i n gt ot h es t a t ei n f o r m a t i o no f n e i g h b o ra c c e s ss t a t i o n s ( s sa n dr s ) a n du s e re q u i p m e n t ( u - e ) ，t h es c h e m el i m i t st h eu e m e a s u r e m e n to b j e c t s t h u si tc a nr e d u c et h en u m b e ro fn e i g h b o ra c c e s ss t a t i o n sw h i c h u en e e dt om e a s u r e ，s h o r t e nt h eh a n d o v e rm e a s u r e m e n tt i m ea n dr e d u c et h eh a n d o v e r l a t e n c y a tl a s t ，t h ee f f i c i e n c yo fu eh a n d o v e rm e a s u r e m e n ti si m p r o v e da n dt h ef a s t h a n d o v e ri se f f e c t i v e l yi m p l e m e n t e d s e c o n d l y , w ea n a l y z et h ep r o b l e mw h i c ht h eg r o u pu s e r si n t h eh i g hs p e e dw i l lf a c e i nt h eh a n d o v e rp r o c e s s ，b a s e do nw h i c hw ei n t e n dt oi n t r o d u c et h em o b i l er e l a ys t a t i o n ( m r s ) t os i m p l i f yt h ep r o b l e m ，s ot h ep r o b l e mo ft h em u l t i u s e rs i m u l t a n e o u s l ya n d f r e q u e n t l yh a n d o v e rc o n v e r t si n t ot h e p r o b l e mo f 麟h a n d o v e r , i tc a ns i m p l i f yt h e h a n d o v e rp r o c e s sa n ds i g n a l i n go v e r h e a d w ec o n s i d e rt h a tt h eh i g h s p e e dg r o u pu s e r s h a v es o m ec h a r a c t e r i s t i c s ，f o re x a m p l e ，t h em o v e m e n tl i n ei sc l e a r , t h em o v e m e n ts p e e d i sr e l a t i v e l ys t a b l e ag r o u ph a n d o v e rs c h e m eb a s e do np r e d i c t i o ni sp r o p o s e dt os o l v et h e p r o b l e mo fm r sh a n d o v e r t h i ss c h e m es t o r e ss o m ei n f o r m a t i o na b o u tt h er o a da n d c o m b i n e sw i t hi n f o r m a t i o no nt h el o c a t i o no fm r st op r e d i c tt h em o v e m e n td i r e c t i o n , p r e - h a n d o v e rc e l la n dp r e - h a n d o v e rt r i g g e rt i m e ，s oi tm a k e sm r sp r e - h a n d o v e ra tt h e r i g h tt i m e ，g r e a t l yr e d u c i n gt h eh a n d o v e rl a t e n c ya n di n c r e a s i n gu s e rs e r v i c es a t i s f a c t i o n f i n a l l y , w es t u d yt h er e l a yn e t w o r k sh a n d o v e rd e c i s i o na l g o r i t h ma n dp o i n to u tt h e 重鏖塑皇盔堂堡主笙壅 ： 垒! ! 皇竺! _ _ _ - _ _ _ _ - _ - i _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ i - - _ _ - - _ _ - - _ - - _ _ _ _ - _ - - - _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ i - _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ - _ - 。一一一 t r a d i t i o n a lc e l l u l a rn e t w o r k sh a n d o v e rd e c i s i o na l g o r i t h mi sn ol o n g e rs u i t a b l ef o rc e l l u l a r r e l a yn e t w o r k s w ed e s i g na n o v e lh a n d o v e rd e c i s i o na l g o r i t h mb a s e do nm o v e m e n ts t a t e ， w h i c hc o m b i n e sw i t hm o v e m e n td i r e c t i o na n dv e l o c i t yt oc h o o s eam o r ea c c u r a t ea c c e s s s t a t i o na st h eh a n d o v e rt a r g e t ，i e e n c o u r a g i n gt h el o w s p e e du s e r st oh a n d o v e rt ot h e s t a t i o n st h a tt h el i ei sa p p r o a c h i n ga n dt h a ta r er e l a t i v e l yc l o s et ot h el i e ，h o w e v e r e n c o u r a g i n gt h eh i g h - s p e e du s e r st oh a n d o v e rt ot h es t a t i o n st h a tt h eu e i sa p p r o a c h i n g a n dt h a ta r er e l a t i v e l yf a rf r o mt h eu e s ot h i sc a nl e s s e nt h e p i n g - p o n g ”e f f e c t ，r e d u c e h a n d o v e rc o s ta n de n h a n c et h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y i nt h ee n d ，t h eh a n d o v e r p e r f o r m a n c eo f p r o p o s e da l g o r i t h mi sd e m o n s t r a t e db ys i m u l a t i o n k e yw o r d s ：c e l l u l a rr e l a y i n gn e t w o r k ，r e l a y , h a n d o v e r , g r o u ph a n d o v e r ， h a n d o v e rm e a s u r e m e n t 1 1 i 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1研究背景 蜂窝移动通信概念的提出推动了第一代模拟移动通信系统的实现，数字信号处 理技术的成熟促进了以g s m 为代表的第二代移动通信的发展，宽带c d m a 的发展 基本满足了第三代移动通信系统的业务需求。但是，随着通信产业的不断发展，越 来越多的用户不仅要求有稳定的语音通信，而且还要求能够进行数据和多媒体的多 种方式通信，这对新一代移动通信系统提出了更高的要求。n u r 制定完成了下一 代移动通信系统的纲领性文件m 1 6 4 5 t 。其中明确要求：对快速移动用户，峰值数 据速率提高到1 0 0 m b s ，对静止或慢速用户则要求达到1 g b s 。未来的移动通信对网 络吞吐量、系统容量、小区边缘覆盖及通信的可靠性等方面的更高要求，这对传统 的蜂窝通信系统带来了巨大挑战。 传统的无线蜂窝系统架构主要依赖于底层设各( 基站和接入点) 和移动终端设 备之间的无线链路来进行语音和数据韵传输。随着用户量和业务量的不断增长，带 来了容量的问题，即在有限的带宽资源中支持尽可能多的用户。另外，由于频谱资 源的紧张，人们普遍认为下一代无线移动通信系统将不得不使用比现在系统更高的 载频。高频段无线电信号的衰减比现有1 - 2 g h z 的频段要严重很多，这使得小区边 缘用户的服务质量得不到保证【2 1 。 然而，传统蜂窝网络一般使用直放站或者微蜂窝来解决上述问题。可是，直放 站会带来干扰问题，增a n d , 区规划的难度。另外，增加基站数目必定使得系统的总 成本上升，而对于b 3 g 4 g 蜂窝网络来说，低成本的运营是通信系统成功商用的关 键因素。未来通信系统虽然引入智能天线技术、o f d m 技术、m i m o 天线系统等， 但是只凭借这些技术来达到大范围满足用户对高数据速率的要求远远不够，对蜂窝 网络架构进行改进也是必要的。在这种情况下，中继( r e l a y ) 技术作为一种实施简 单的增强方案，越来越多的受到了人们的关注。把中继技术融入到传统蜂窝网络， 以现有的网络平台为基础，构建新的高效的低成本的蜂窝中继网络是目前最有前景 的新颖的网络构建方案p j 。 中继的概念最早出现在a dh o e 网络中，在a dh o e 网络中使用移动终端本身作 为中继进行传输，两个不能直接通信的用户可以通过这两用户间的其他移动终端中 继传输来完成通信。蜂窝中继网络的基本思想是在基站和移动台之间引入一个或者 多个中继站，基站发送的信号可以通过中继站转发，这样一跳链路分割成为两跳或 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 者多跳链路，缩短了通信节点间的通信距离，绕开了高大建筑物、植被等阻碍电磁 波传输的障碍物，在某个程度上克服了大尺度衰落的影响，减小了收发端间的路径 损耗，从而能够提高链路质量和信道容量。因此，r e l a y 技术不仅可以提高系统容 量，扩大小区覆盖范围，能够降低终端发射功率，而且还具有成本低，灵活性好等 优点，从而有效地满足未来移动通信系统对大范围内高数据速率业务的覆盖需求。 中继技术与蜂窝网络的结合将是下一代无线接入网络的一种发展趋势，在未来 移动通信系统中扮演重要的角色。蜂窝中继网络成为当今无线移动通信研究领域的 热点之一。目前，国内外的研究组织已经就中继技术与蜂窝网络的结合问题开展了 研究。2 0 0 6 年7 月，i e e e8 0 2 1 6 工作组成立了中继工作小组( r e l a yt a s kg r o u p ) 4 1 ，用于指定支持无线中继的多跳传输技术规范i e e e8 0 2 1 6 j ，以强化i e e e8 0 2 1 6 标准为基础的原有网络的系统性能。相对于i e e e 的快速推动，欧盟第六框架联合 项目w i n n e r 在其2 0 0 6 年的技术报告中，用了1 0 0 多页的篇幅专门介绍中继的概 念以及中继辅助通信技术与传统蜂窝网络的融合【5 】。同时，w i n n e r 计划还针对 多中继传输的中继增强通信系统的方案可行性和适用场景进行了论证【6 】。另外， 3 g p p 在其l t e 阶段的研究中指出：“在未来演进的通信系统中，为了提高覆盖范围 和系统容量，引入多跳的概念是一种行之有效的手段”。可见，r e l a y 是l t e a d v a n c e d 可能采用的一项重要候选技术。 在蜂窝移动通信系统中，终端的移动性以及无线传播信道的时变性会实时地影 响用户当前链路的传输质量，为保证用户始终保持正常的通信，要实现新旧链路间 的平滑切换。切换作为一项重要的移动性管理功能，同时也还是移动通信系统的一 个关键特征，其切换机制将直接影响整个系统的性能。 本文将以蜂窝中继通信系统为研究背景，针对蜂窝中继网络的切换机制进行研 究。 1 2 研究现状及挑战 近几年来，有不少的学者对中继的切换机制进行了研究，主要集中在以下几个 方面： 1 切换流程的方面。文献【7 】【l s 】对其做出了研究。其中，i e e e8 0 2 1 6 j 协议就 是典型的中继增强技术方案，它针对中继网络的特点，兼容i e e e8 0 2 1 6 e 标准，制 定了新的切换流程。由于中继和基站之间，中继和移动终端之间都是无线链路，因 此在m e e8 0 2 1 6 j 协议里增加了新的m a c 控制信令。文献 7 卜文献 1 1 】分别具体介 绍了在中继网络中m s 的m a c 切换步骤：网络拓扑获得和m s 扫描，切换判决和 发起，切换执行，切换终止。h y e o c h a ey a n g 1 2 针对分布式中继网络的切换场景进 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 行系统的分类，其中的中继站都是属于高性能的( 非透明式的) 。同时还定义了m a c 的切换流程和相应的m a c 管理信息。文献 1 3 1 f l 卦j 定了中继网络的一套完整的切换方 法，完成中继系统的切换流程，根据切换场景的不同主要分为三种：m t 的普通切 换流程、r s 切换流程和r s 切换中的m t 切换流程。o u m e r t e y e b 1 4 对l t er e l e a s e 8 的切换机制进行扩展，制定l t e 中继增强型网络的切换流程。z b c c v a r 1 5 1 对引入 中继站的w i m a x 网络的切换扫描流程进行优化。在以前的网络中，没有考虑中继 站，切换实施的相关信息的交换是在基站和骨干网之间完成的，当考虑了中继站后， 出现了基站和中继站之间的无线接口。为了减少管理信令开销和最大化用户数据吞 吐量，提出了一个关于无线接口的切换扫描优化方案。z b e c v a r 基于文献 1 6 1 和 1 7 】 提出了一种有r s 支持的m s 扫描流程进行优化，定义了新的消息m o bs c n c 取。 它包含了所有候选基站的识别。当前服务b s 根据这个消息为每个候选r s 产生各自 的消息。这个消息不包含所有候选站韵识别，仅仅只包含一个候选站的识别，这样 减少了消息的长度，起到开销减少的作用。 2 切换算法方面。j ih y u np a r k 认为要减少切换信令开销和延时，移动多跳中 继系统需要改进切换算法。在【1 8 】中提出了一种新的切换算法，这种方法是通过增 a n d , 区内部切换来减少小区间切换。因为从系统来看，小区间切换需要更多的开销： 对用户来说，小区间切换和小区内切换相比，延时更长。因此，此算法用适当的滞 留水平，鼓励小区内部切换代替小区间切换，这样减少小区间切换频率，缩短切换 延时。应用这个算法时，还提出了分级d 概念和m o bn b r - a d v 的新t l v 编码。 另外，d o n g k y uk i m 1 9 】对多跳蜂窝网的切换算法进行了分析。此算法是将传统蜂窝 网络的切换算法扩展到多跳蜂窝网而得到的，传统的切换判决算法就是基于绝对阈 值和滞后水平两个参数。分析和仿真结果表明在多跳蜂窝网中通过单一的绝对阈值 和滞后水平，可能导致很多不必要的切换和信令开销。这也说明传统的切换算法不 适合于多跳蜂窝网络。 3 其他。文献 2 0 】为协同中继蜂窝网设计了一种新的切换算法，此切换算法使 用到两个代价函数，即切换触发代价函数和优先级代价函数，它们涉及到的参量有： 信号传输质量、切换信令开销、切换延时和干扰估计。在切换目标选择时，通过代 价函数的计算选择代销开销最小的作为切换目标。文献 2 l 】主要讨论了在多跳中继 蜂窝网中，中继间切换的频率以及它对中系统的性能影响。同时，提出了三种不同 的算法来决定用户应该合适进行中继间切换。其中这三种切换算法是：即时中继切 换、无中继切换和按需中继切换。 可见，中继站的加入给蜂窝中继网络的切换机制研究带来了新的挑战。 ( 1 ) 切换测量 在切换测量方面，原有的蜂窝系统小区内并不存在中继站，相对而言相邻接入 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 站数目比较少，切换测量的负担小，然而在蜂窝中继系统里，相邻接入站数目变多， 切换测量的时间开销和能量开销增大。这就需要新的方法来帮忙解决此问题。 ( 2 ) 复杂的接入站再选择 以前的系统内，原本基站需要根据用户的切换测量信息来估计出新的切换目标。 然而在蜂窝中继系统里，切换目标增多，类型多样，光靠此信息是不够的，中继站 的服务品质，切换的类型都必须要纳入整体评估里。这就需要对现有算法进行改进。 此外，是由基站来评估还是中继站评估也是一个必须考虑的问题。 ( 3 ) 移动式中继站的切换 移动式中继站的切换机制是完全另一个不同的问题。以往的网络中只需要考虑 用户处理切换机制的问题，在引入移动式中继站后，随着它的移动可能会影响到当 前和它连接的用户或者中继站，两者都将需要切换，所以它不仅要负责本身的切换， 它也必须负责下面所有跟它连接的节点的切换。 ( 4 ) 切换信令设计 由于中继站的加入，增加了中继站到基站、中继站到用户这两条链路，并且这 两条链路属于无线链路。因此，对于无线链路上切换信令的设计也是必不可少。为 了减少信令开销和延时，怎样合理设计信令至关重要。 1 3课题来源 本课题受国家科技重大专项课题子课题m t - a l v a n c e d 新型无线网络技术 研发( 项目编号：2 0 0 8 z x 0 3 0 0 3 0 0 5 ) 、国际科技合作项目一4 g 及后续移动通信 系统的移动管理、控制和路由技术研究”( 项目编号：2 0 0 8 d f a l 2 1 1 0 ) 及华为技术有 限公司高校科技基金项目移动网络多主接入( m u l t i - h o m i n g ) 的负载均衡和流 量管理算法研究( 项目编号：y j c b 2 0 0 8 0 6 5 w l ) 资助，主要研究蜂窝中继系统的 切换机制。 1 4内容组织 本文所有的工作基本都围绕蜂窝中继网络的切换管理的若干问题展开，全文共 分六章，各章内容具体安排如下： 第一章介绍本文研究的背景、研究现状和挑战，指出新一代无线通信系统需要 提供更好的信号覆盖、更高的数据传输率和更强的移动性，蜂窝中继网络是一种经 济有效的通信系统解决方案，并强调了切换研究的重要性及面临的难题。 第二章介绍蜂窝中继网络的网络结构、中继的分类和应用场景，并分析蜂窝中 继网络切换的新特点以及蜂窝中继网络重新进行切换机制设计的必要性。 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第三章主要是研究蜂窝中继网络的切换测量问题。首先分析中继这种网络节点 的引入给切换测量带来的变化相邻接入站增多；然后针对这种变化，提出一种 基于状态信息辅助的切换测量方案；最后给出此方案的具体实施步骤和流程。 第四章主要针对沿着固定路线高速运动下组用户的切换机制进行研究。首先分 析了在高速运动下组用户在切换过程中面临的问题，通过引入移动中继站来简化问 题，即将多用户的同时的频繁切换问题转化为m r s 的切换问题，简化了切换流程 和信令开销。然后考虑到高速交通环境下组用户具有运动线路明确、运动速度相对 稳定且容易获得等特点，提出一种基于预测的组切换方案，来解决m r s 的切换问 题。最后对实现本切换方案的硬件装置提供了说明。 第五章主要研究蜂窝中继网络的切换判决算法。首先建立了切换模型，介绍了 传统蜂窝网络的切换判决算法，并分析了如果将继承到蜂窝中继网络中存在的问题。 在此分析基础上，提出了一种基于运动状态的切换判决算法，此算法通过结合用户 的运动状态，使得用户切换到更准确更适合的接入站，减轻切换中的“乒乓”效应， 减少切换开销，尽可能合理、有效的利用有限的系统资源，提高传输效率、通信质 量。最后通过仿真从多个方面论证了基于运动状态的切换判决算法的性能。 第六章总结了本文所做工作，并对进一步的研究提出展望。 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章蜂窝中继网络 第二章蜂窝中继网络 2 1蜂窝中继网络结构 蜂窝中继网络【2 2 】可以认为是将多跳技术应用于传统蜂窝网络，它不仅支持信源 与信宿之间的直接通信，而且通过引入一个或者多个中继站，使得信源发出的信息 能由中继站经过一定处理后再发给信宿。在传统的蜂窝通信系统中，基站的覆盖范 围一般为2 5k m ，如图2 1 0 ) 所示，如果仅仅依靠视距路径( l o s ) 传输，由于存在高 大建筑物，信道的阴影效应会非常明显，信号的质量和速率都会降低。在图2 1 ( b ) 中，由于引入了中继站，在移动终端与基站之间建立了一条衰落小速率高的信息通 道，通信质量会得到非常大的提升，并且中继站的成本相对微蜂窝基站会低廉很多。 移动台 中继 k i i 移动台 图2 1 中继技术传输示意图 ( b ) 图2 2 是引入中继站的蜂窝网络结构，其主要包括基站( b s ，b a s es t a t i o n ) 、中 继站( r s ，r e l a ys t a t i o n ) 和移动终端( m t ，m o b i l et e r m i n a l ) 。 在蜂窝中继网络中，基站( b s ) 通过有线链路与骨干网相连，是下行链路信息传 播的起始点，同时也是上行链路信息传播的终止点。它可以通过一跳链路和m t 进 行通信，也可以通过中继站建立的多跳链路和m t 进行通信。 中继站限s ) 是蜂窝中继网络引入的一个新的网络节点。它位于某个基站的覆盖 范围内并附属于这个基站的设备，主要负责在基站和移动终端之间信息的存储转发， 它自己本身是不产生数据业务的，但是由于r s 和b s 及m t 之间都是无限链路，所 以中继站可以产生相关的控制信令来帮助数据业务的转发。 移动终端0 v t t ) 可以是手机，或者一台具有无线通信功能的计算机以及任何的移 动通信设备。 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章蜂窝中继网络 另外，网络中的无线链路可以分为两类：接入链路，指用户与直接为它们服务 的接入站( 基站或者中继站) 之间的数据链路；中继链路，指基站与中继站或者中 继站与中继站之间的数据链路。 图2 2 蜂窝中继网络结构图 中继站根据不同的特点，可以有以下几种分类： 1 按中继站对接收信号的处理不同划分 按照对接收信号的处理方式的不同，中继站可以大致分为放大转发中继 ( a m p l i f ya n df o r w a r dr e l a y ) 和解码转发中继( d e c o d ea n df o r w a r dr e l a y ) 。 放大转发中继又可以叫做模拟中纠2 3 】【2 4 】，它类似于直放站的“放大转发”。a f 中继站仅仅对接收到的信号按照一定系数进行放大，不经过数字化的处理就被发送 出去，因此被称为“非再生中继”。它的缺点就是有用信号和噪声一起被放大相同的 倍数，这些噪声将对下一跳的信号接收造成影响。 解码转发中继又可以叫做数字中继【2 5 】【2 6 1 ，顾名思义即中继站把接收到的信号 解调并译码，得到原始信息，然后再重新编码调制发送到目标节点，因此被称为“再 生中继”。这种中继在信道条件好的时候能够增强信号质量，但是如果中继站解码出 现错误，那么转发的信号将会出现差错扩散，而且移动终端也无法恢复。 2 按中继的移动性划分 根据中继站的可移动性可以分为固定中继站( f i x e dr e l a ys t a t i o n ) 和移动中继 站( m o b i l er e l a ys t a t i o n ) 。 固定中继站【”1 是指基站和中继站所形成的无线网络拓扑是固定不变的，永久安 装在固定位置。它可以根据网络业务布局放置在优选区域，例如用在小区边缘提高 服务质量；放在小区覆盖范围以外通过将基站的信号放大，延伸小区覆盖范围；置 于死区或阴影区域，改善覆盖情况。 而移动中继站【2 8 】是指中继站处于移动状态，位置并不固定，它可用在一些特定 场景，比如对高速移动的列车进行覆盖，用户就可以始终通过车上的中继站接入网 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章蜂窝中继网络 络，而中继站负责将信号转发给铁路沿线的基站。 3 按中继站的运行模式划分 按照中继的运行模式可以将中继站分为透明式中继站( t r a n s p a r e n tr e l a y s t a t i o n ) 和非透明式中继站( n o n - t r a n s p a r e n tr e l a ys t a t i o n ) 。 透明式中继站因为不传送自己的控制信息，对于用户而言是透明的。它用来改 善小区边缘的覆盖，增加系统的容量，它并不扩大小区的覆盖范围。透明式中继系 统中，系统资源由b s 统一调度。r s 负责对b s 到来的信号进行处理后，转发给下 一级r s 或者m t ，并且将m t 的信息和对传输信道的测量结果反馈给b s 。下行链 路中，透明式中继站根据r s m s 链路的质量，对信号进行处理，选择合适的调制 编码方式对信息进行转发。 非透明式中继站因为还要传送它自己的控制信息，所以对于用户而言可以把它 当成基站。它主要布建在原来b s 覆盖不到的范围，用来扩大小区的覆盖范围，它 的结构会比透明式r s 复杂。这就使得运营商在不易布放基站的地区通过中继站的 转发提供有效的接入服务。从用户角度来看，这种布放改善了接收端的信号质量， 服务质量和用户满意度得到提升；同时传输速率和系统覆盖范围都有所增大。在非 透明式中继系统中，不仅b s 可以对系统内的资源进行调度，而且非透明式中继站 也可以对资源进行一定的管理，将资源动态分配给相应的移动用户，减轻了b s 的 负担，优化了资源分配，提升了系统性能。 因此，根据中继站的运行模式，蜂窝中继网络可以分为集中式蜂窝中继网络【2 9 】 和分布式蜂窝中继网络【3 0 】。 在集中式蜂窝中继网络中，b s 的复杂程度明显增加，它要控制管理所有的r s 和m t ，并负责向m t 发送和从m t 接收信息，而中继站仅仅负责中转数据包。由 于所有由m t 发出的信息都是由r s 转发并由b s 处理，所以无线链路上的延迟和信 令开销是个需要着重考虑的问题。 而在分布式蜂窝中继网络中，中继站分担了一些基站的任务，它有自己的广播 信道和上行接入信道，可以对附属的用户终端实行控制。由于r s 能够快速准确的 获取其覆盖区域内的资源、信道条件等信息，可以缩短资源请求的时延，更加有效 的利用了无线资源。 透明式r e l a y 系统采用集中式管理机制，在接收到m t 的带宽请求后，b s 对原 本接入系统内所有移动用户的请求进行统一处理，根据业务的优先级，采用不同的 算法对资源进行调度。 非透明式r e l a y 系统可以采用集中式管理机制，也可以采用分布式管理机制。 当采用分布式机制时，一个服务区域内的m t 先将它们的请求信息发送给对其服务 的r s ，随后r s 将收到的所有请求进行处理后发送给b s ，当b s 准予了一定资源后 8 重庆邮电大学硕士论文第二章蜂窝中继网络 通知r s ，r s 会根据调度算法将资源分配给提出请求的m t 。 2 2 蜂窝中继网络应用场景 图2 3 中继的应用场景 在传统的蜂窝网络中引入中继站可以满足不同的网络需求从而提高系统的性 能，见图2 3 。根据中继站的不同作用，主要有以下几种场景【3 l 】： 1 扩大覆盖范围 图2 3 中的场景8 ，这个区域相对于基站所覆盖的范围来说是个孤立区域，不属 于基站的覆盖范围。但是，通过引入了中继站以后，此区域内的用户可以通过中继 站的转接与基站通信，基站的覆盖范围都到了扩大。这样可以使得更多的用户接入 网络，同时也减少了布网时所需的基站数目，节省网络的成本。 2 消除死区或阴影区域 由于建筑物的遮挡或者特殊的地形，传统的蜂窝网络中存在一些阴影区域或者 是死区，此区域的用户无法直接与基站相连接。而通过中继站的合理布建，可以使 得这些区域的用户与基站通信。例如图2 3 中的场景1 、场景4 、场景5 、场景6 。 3 提高边缘数据传输速率 。 在传统蜂窝网络中，位于小区边缘的用户，由于距离基站较远，路径损耗大， 信息传输速率低。而在蜂窝中继网络中，由于中继站的加入，移动终端和接入站之 间的距离减少，路径损耗也随之减少，改善了边缘用户数据信号质量，提高数据传 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章蜂窝中继网络 输速率。从系统级来看，该方式可以使b s 对于覆盖小区范围内的不同位置的用户 提供一致的数据传输速率，从而可以提高整个系统的吞吐量和公平性，见图2 3 中 的场景3 。 4 平衡小区间负载 由于某些原因( 例如小区内建立了新的购物广场) ，某小区成为了一个热点小 区，小区负载很重。而同时周边存在一些基站的用户数量相对比较少，那么可以布 置一个或多个中继站，将热点小区的这些用户通过r s 引入到用户较少的基站，减 少原来基站的负荷，起到整个网络负载均衡的作用，见图2 3 中的场景2 。 5 支持高速组移动 在传统蜂窝网络中，对于位于高速运动的用户来说( 例如位于高速列车) ，由 于速度过快，多普勒效应，特别容易出现掉话等现象。但在蜂窝中继网络中，利用 中继站对高速运动的列车进行覆盖，将高速运动的用户看作一个组，统一接入到中 继站，由中继站来负责与沿途基站的连接。这样，在列车的行驶过程中，用户无需 发生切换，切换发生在中继站和沿途基站之间，见图2 3 中的场景7 。 2 3蜂窝中继网络的切换 切换是移动性管理技术中的一个重要术语。在蜂窝移动通信系统中，终端的移 动性以及无线传播信道的时变性会实时地影响用户当前链路的传输质量，为保证用 户始终保持正常的通信，系统需要根据网络状态的变化即时地调整和建立新的通信 链路，并实现新旧链路间的平滑切换。切换不仅影响小区边缘处的呼叫服务质量， 还与网络的负载、资源利用率等系统性能有着密切的联系。切换作为移动性管理技 术中的关键控制功能和技术难点之一，无论对于传统的终端移动性管理，还是未来 泛在、异构、协同网络环境中的通用移动性管理，都是其中研究的重点。 蜂窝中继网络把传统网络中的单跳链路分割成多跳链路，同时引入了新的网络 节点中继站来承担基站与移动终端间的数据或者信令的转发操作，这些都给蜂 窝中继网络的切换赋予了新的特点。下面就切换问题在蜂窝中继网络中的新的特点 给以介绍。 1 切换目标增多 在传统蜂窝网络中，切换仅在源基站、目的基站和移动终端三种网络元素之间 进行。随着中继技术的引入，在网络中除了原有的基站、终端之外，还增加了中继 站这种新的网络元素，而且传输的路径也随之增加了基站与中继站之间的中继链路， 以及中继站与用户之间的接入链路，可见切换目标增多，网络拓扑变得复杂见图2 4 。 重庆邮电大学硕士论文 第二章蜂窝中继网络 传统蜂窝网络蜂窝中继网络 图2 4 切换目标增多 2 切换节点增多 除了切换目标增加，由于中继站分为固定中继站( f r s ) 和移动中继站( m r s ) ， 这会使得切换节点增加，不仅仅是移动终端要切换，还有可能中继站也需要切换。 对于f r s 来说，需要解决的是m t 的切换问题；而对于m r s 来说，随着m r s 和 它所连接的m t 的移动，两者都存在切换问题，如图2 5 中的r s 7 ，r s 7 原来的接 入站依次为r s 2 、b s l ，由于r s 7 的移动，r s 7 现在的接入站依次为r s 3 、b s 2 。 因此在r s 7 的移动过程中，r s 7 发生了切换，附属它的m t 也发生了切换。 切换前 图2 5 切换节点增多 切换后 重庆邮电大学硕士论文 第二章蜂窝中继网络 3 切换类型增多 在传统蜂窝网络中，切换主要发生在两个基站之间或者一个小区的不同扇区之 间。相比与传统蜂窝网络来说，由于新的网络元素的增加，蜂窝中继网络的切换类 型也随之增多，扩展为7 种，主要分为两大类：小区内切换和小区间切换。图2 6 为蜂窝中继网络的切换场景示意图。 ( 1 ) 小区内切换( i n t r a c e l lh a n d o v e r ) ：m t 在同一个b s 控制的两个r s 间的 切换( 场景3 ) ；或者是在b s 与其所属的r s 之间切换( 场景l 、场景2 ) ； ( 2 ) 小区间切换( i n t e r c e l lh a n d o v e r ) ：m s 在分别被不同b s 控制的两个r s 间切换( 场景7 ) ；或者在b s 与被另_ 个b s 控制的r s 之间切换( 场景5 、场景6 ) ： 或者是在不同的b s 之间进行切换( 场景4 ) 。 图2 6 蜂窝中继网络切换场景 可见，这些变化将使得蜂窝中继网络的切换较之传统蜂窝网络将更加复杂。传 统蜂窝网络的切换机制已不适合于新的蜂窝中继网络，如何在蜂窝中继网络中设计 快速有效的切换机制变的备受关注。 基于以上认识，本文接下来将围绕蜂窝中继网络的切换问题展开研究。 2 4 本章小结 本章首先概述蜂窝中继网络结构、中继的分类和中继的应用场景。接着，指出 切换在蜂窝网络中的重要意义，分析了蜂窝中继网络切换的新特点以及这些特点给 切换机制带来的挑战。最后，指出针对蜂窝中继网络重新进行切换机制设计的必要 性。 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第三章基于状态信息辅助的切换测量方案 3 1引言 第三章基于状态信息辅助的切换测量方案 测量、判决和执行是切换的3 个基本过程，其中切换测量是切换最基础，最重 要的依据来源。切换测量( m e a s u r e m e n t ) 过程，即用户在切换前对小区的信道条件 进行物理测量，并上报测量结果，以帮助网络安排切换操作【3 2 1 。传统蜂窝网络中的 切换测量流程如图3 1 所示。网络侧将通过测量控制消息( m e a s u r e m e n tc o n t r 0 1 ) 来 规范u e 的切换测量。测量控制消息包含有测量类型、相邻小区列表、测量量、测 量报告标准和测量报告方式等参数。其中，测量量一般为载波接收机信号场强指示 ( c a r r i e rr s s i ) 、参考信号接收功率( r s r p ) 和参考信号接收质量( r s r q ) 。l i e 收到测量控制消息后，将按照相应参数配置进行测量，并上报测量结果，以帮助网 络侧安排切换操作。 量控 图3 1 传统蜂窝网络的切换测量流程 和传统蜂窝通信系统相比，由于r e l a y 的引入，蜂窝中继