（计算机系统结构专业论文）无线网络服务质量保证若干问题的研究.pdf

摘要 随着i n t e m e t 技术和无线通信技术的飞速发展。各种实时和多媒体业务不断涌现，服 务质量( q o s ) 保证已经演变成无线网络设计中一个至关重要的问题。而传统的i t e r a e t 以 铭七_ e 髓r t ”的方式提供服务，它越来越不能满足各种新业务( 如i p 电话、视频会议， 电子商务等) 的q o s 要求，并且无线通信系统特有的资源动态性和用户终端移动性，也给 移动网络的q o s 实现带来更大的技术挑战。 目前第三代移动通信系统的主流技术是码分多址( c d m a ) 技术，但在商用化过程 中c d m a 仍有许多关键问题需要解决，特别是在全新复杂的c d m a 网络中实现多媒体业务 的q o s 保证已受到很多研究机构的广泛关注c d m a 网络固有的软切换，功率闭环控制、 软容量等特性，是以往任何网络所不具备的特点，干扰、多径衰减等问题也是无线环境中 必须要考虑的问题针对这些问题，论文的具体研究工作主要围绕c d m a 网络q o s 保证技 术中的两大主题：访问接入控制与资源预留，研究内容主要包括以下几个方面： 1 首先针对c d m a 系统上行链路的特性，提出一个创新性的基于反馈控制理论的适应 性呼叫接入控制( c a c ) 方案因为c d m a 系统的容量是干扰受限的，所以在用户 访问系统时都必须执行呼叫接入控制算法同时考虑到c d m a 系统的资源占用、用 户移动及小区间干扰等都具有时交性、随机性，多种业务之间具有不同的服务优先 级，因此提出了一个基于反馈控制理论的适应性c a c 方案该方案在系统周围环境 任意变化的情况下，可及时跟踪网络性能变化，准确调整系统的关键参数，以满足 多业务的q o s 要求。 2 由于c d m a 系统上行链路和下行链路的通信呈非对称性，所以上行链路的适应 性c a c 方案并不能直接应用于下行链路本文针对c d m a 系统下行链路的通信流量 特点，提出一个干扰预测和基站功率分配方案，既考虑了网络流量的突发性，又考 虑了无线链路的时变特性然后根据下行链路c a c 方案的一般接入准则，并结合控 制理论的时域分析法，提出一个适用于c d m a 下行链路的适应性c a c 方案，不用牺 牲新呼叫请求的阻塞概率，即可保证切换呼叫请求的q o s 要求 3 本文对具有一般流量特性的c d m a 网络的最优化c a c 问题进行研究因为目前很多 最优化c a c 问题的解决方案是将该问题形式化为马尔可夫( m a r k o v ) 决策过程， 而c d m a 系统的网络模型并不呈m 盯k o v 特性，所以我们从构建一个具有一般特性 的g s m d p 框架出发，并利用一种强化学习算法，使c a c 策略的最优化问题可解， 在理论上解决了具有一般流量特性的c d m a 网络上行链路的最优化c a c 问题实际 上，该方案可用于解决任何具有一般流量特性的网络的最优化c a c 问题。 4 资源预留是q o s 保证的关键技术之一资源预留协议一- - r s v p 协议是专为有线网 络设计的，且在i n t e m e t 中已得到广泛应用，但是其操作的复杂性和可扩展性差， 使它仍一直受到一些学者的置疑同时，在无线移动网络中，无线链路的传输特性 和移动终端的移动性使得姗协议的应用也出现了问题本文提出一个轻量级移 动姗协议：不仅简化了原骼协议在单播情况下执行资源预留的复杂操作；而 且针对由无线移动环境所造成的应用问题，提出一个保持流标识符不变的机制，并 设计了一个新的状态管理和“刷新”机制 关键词：c d m a 网络，服务质量，呼叫接入控制，资源预留，反馈控制，强化学习算法 n a b s t r a c t a sac o m b i n a t i o no fi n t e r n e ta n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，t h i r dg e n e r a t i o nm o b i l en e t - w o r k s ( 3 g ) a r ed e s i g n e dt oh o s tv a r l o u sa p p l i c a t i o n sw h i c hi n c l u d ev o i p ，v i d e oc o n f e r e n c e ， e - c o m m e n c ee t c w h i c ha r ec h a r a c t e r i z e db yd i f f e r e n tt r a n s f e rd e l a y , e r r o rr a t e sa n do t h e r q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) c o n d i t i o n s ak e yc h a l l e n g ef o rw i t l e s si st oi n c o r p o r a t eq o st oh a i l - d i es u b s c r i b e rd i f f e r e n t i a t i o na n dp r o v i d eav a r i e t yo fs p e e c h ，d a t aa n dm u l t i m e d i as e r v i c e s t h ec u r r e n ts t a t eo fi n t e r n e ta n dw i r e l e s sn e t w o r k si sb a s e do nb e s t - e f f o r tt r a f f i ca n dc a n n o t s u p p o r ta b r o a dr a n g eo fd i v e r s ed a t at r a f f i c i na d d i t i o nt oas t a n d a r dr a n g eo fw i r e di s s u e s ， t h ew i r e l e s sq o sp a r a d i g mm u s tc o m p e n s a t ef o rr a r i n gc h a n n e lc o n d i t i o n sa n dm o b i l i t yo f u s e r s b e s i d e s ，a st h em a i n s t r e a mt e c h n i q u ef o r3 gc e l l u l a rn e t w o r k s ，c o d e - d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s 6 ( c d m a ) o f f e r ss o m eu n i q u ef e a t u r e ss u c h 脑s o f tc a p a c i t y , a n ds o f th a n d o f f t t l e n n e wm e t h o d sm u s tb eu s e dt h a ti n c o r p o r a t eb o t hc d m ac h a r a c t e r i s t i c sa n ds o m ee x i s t e n t q o sm e c h a n i s m si no r d e rt om e e tt h er e q u e s t e dq o sp a r a m e t e r s t h i sd i s s e r t a t i o nb a s i c a l l y s t u d i e st h eq o sp r o v i s i o n i n gp r o b l e m si nc d m as y s t e m s 1 f i s t l y , w ei n v e s t i g a t et h eu p l i n kp r o p e r t i e so fc d m as y s t e m s w ep r o p o s ear a d i - c a l l yd i f f e r e n tc a l la d m i s s i o nc o n t r o l ( c a c ) a p p r o a c h t oa d a p t i v e l yr e d u c es o f th a u d o f f f a i l u r ep r o b a b i l i t yi nt h eu p l i n ko fc d m ac e l l u l a rn e t w o r k sb a s e do nf e e d b a c kc o n - t r o lt h e o r y t h em a i nc o n t r i b u t i o ni st h a ta d a p t i v es y s t e mp e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n a n df e e d b a c kc o n t r o lt e c h n i q u e sa r ec o m b i n e df o rm o d e l i n gt h eu n p r e d i c t a b i l i t yo ft h e e n v i r o n m e n t ，h a n d l i n gi m p r e c i s eo ri n c o m p l e t ek n o w l e d g e ，r e a c t i n gt oo v e r l o a da n d u n e x p e c t e df a i l u r e s a n da c h i e v i n gt h er e q u i r e dp e r f o r m a n c el e v e l s 2 s i n c et h ef e a t u r e sb e t w e e nt h ed o w n l i n ka n dt h eu p l i n ki sd i e s y m m e t r i c a l t h ec a c s o l u t i o nf o rd o w n l i n ki sn o tt h es a m ew i t ht h a to ft h eu p l i n k j u s tb e c a u s et h ep o w e ro f ab a s es t a t i o ni sa ne s s e n t i a lr a d i or e s o u r c ei nt h ed o w n l i n ko fc d m an e t w o r k ，o u rw o r k 瑚e r 啷s o m ep o w e ra d a p t i v e l yf o rs o f th a n d o f fc a l l ss oa 8t oi m p r o v et h e i rp e r f o r m a n c e a n dw ea d a p t i v e l ya d j u s tt h eg u a r dc a p a c i t yf r o mf e e d b a c kc o n t r o ll a w ，a n df o c u so n t h es e r v i c eg u a r a n t e ef o rt h ee 口d s t i n gu s e r st h r o u g has i m p l e - t o - i m p l e m e n ti n t e r f e r e n c e p r e d i c t i o n a n dt h ep r e d i c t i o ni sr e a l i z e db yap r e d i c t i v em u l t i p l ea c c 圈si n t e r f e r e n c e t e m p o r a ls t r u c t u r e i np a r t i c u l a r ，t h ep r e d i c t i v es t r u c t u r et a k e si n t oa c c o u n tb o t ht h e b u r s t i n e e so fd a t at r a f f i ca n dt i m e - v a r yc h a n n e lc o n d i t i o n 3 w ed e a lw i t ht h eo p t i m a lc a c p r o b l e mi nc d m a c e l l u l a rn e t w o r k s u p p o r t i n gm u l t i p l e t r a f f i ct y p e sw i t hd i f f e r e n tq o sr e q u i r e m e n t s w ep r e s e n ta g e n e r a la n a l y s i sf r a m e w o r k t os o l v et h ep r o b l e m ，t h a ti s ，g e n e r a l i z e ds e m i - m a r k o vd e c i s i o np r o c e s s ( g s m d p ) i td i s c a r d sa n yr e s t r i c t i v eu n r e a l i s t i ca s s u m p t i o n sa n dt h e r e f o r ec a nb ea p p l i e dt oa n y c o m p l e xe a s e si n c l u d i n gn o n - m a r k o v i a ne n v i r o n m e n t f i n a l l y , t h r o u g ha f o r mo fr e i n - f o r c e m e n tl e a r n i n ga l g o r i t h m ，t h eo p t i m a lp o l i c yi sw o r k e do u tw i t hr e q m r i n gn e i t h e r e x p l i c i ts t a t et r a n s i t i o np r o b a b i l i t i e sn o ra n ya s s u m p t i o n sb e h i n dt h en e t w o r km o d e l 4 b a s e do ne a s i n gt h em u l t i c a s tb u r d e nf r o ms t a n d a r di t s v p ，w ep r o p o s eal i g h t w e i g h t r s v pp r o t o c o ls p e c i a l l yd e s i g n e df o ru n i c a s ta p p l i c a t i o n s a n dm o b i l i t yo f t e nl e a d s t of r e q u e n tq o sd a m a g e si nw i r e l e s sn e t w o r k s t h e nw ep r o p o s et h ep r o t o c o lt oh e l p m o b i l ed e v i c e st oi m p r o v et h ei n e f f i c i e n c y t h u s ，t h ep r o p o s e dp r o t o c o l ，al i g h t w e i g h t m o b i l er s v pp r o t o c o lr e d u c e si t sm u l t i c a s tf u n c t i o nm o d u l e sa n dd e s i g n sas e r i e so f n e wm e c h a n i s l n st om a k ei tt r a n s p a r e n to fm o b i l i t y k e yw o r d s ：c d m an e t w o r k s ，q o s ，c a l l 孤血n 僦o nc o n t r o l ，r e s o u r c er e s e r v a t i o n ，f e e d b a c k c o n t r o l ，r e i n f o r c e m e n tl e a r n i n g 附件四 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 肪安 日期：砌l 年占月b 日 附件五 上海交通大学 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。本人授权上海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。 保密口，在_ 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密瓯 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 倍，变 日期：加0 6 ，年月日 指导教师签名： 治彬 日期：2 。6 年月6 日 第一章 绪论 1 1 研究背景 近年来，无线通信因为其不受时间、空间限制等特点而得到前所未有的快速发展， 而且由于经济的发展和电信工业的进步，无线通信用户也将呈高速增长的趋势。与此同 时，i n t e m e t i p 信息技术的飞速发展对无线通信也提出了更多新的业务需求，如图像、语 音与数据相结合的多媒体业务和高速数据业务等 然而，随着网络用户数量的急剧增长，各种实时业务和高质量业务的不断涌现，网络 资源短缺的情况已经越来越明显，用户希望网络系统能够合理利用有限资源，满足不同业 务对服务质量( q o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 的需求，在这种条件下产生t q o s 的概念但实 际上，传统的i n t e r n e t 仅仅提供“尽力而为( b e s t - e f f o r t ) ”服务，且传统的i p 设计根本没 有考虑对q o s 的支持所以，只有在网络中加入q o s 管理功能，才能从根本上解决网络用 户以及应用的增长与有限的网络带宽资源之间的矛盾近几年来，越来越多的研究者致力 于q o s 实现机制的研究，并提出了多种确实可行的方案，但都尚不能完全满足q o s 保证的 需求另一方面，对于无线通信网络而言，由于用户的移动性( m o b i l i t y ) 和灵活性，特 别是移动终端和基站( b a s es t a t i o n ) 之间的无线通信链路不能提供像有线链路的可靠传 输，所以无线移动网络的q o s 保证所面临的挑战比有线传统网络的更加严峻 本章将首先给出q o s 的定义，然后再对无线移动网络所面临的q o s f 司题进行分析 1 第1 章绪论 1 1 1q o s 的定义 q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 是指服务性能的综合效果，它可以通过服务的各种性能因 素的组合来表示，如服务的适用性、可获得性、可保持性等【1 8 1 具体塑j i n t e m e t ，q o s 是 指流或分组在一个或多个网络传输的过程中所表现的各种性能，是对各种性能参数，如服 务可靠性，时延、时延抖动、吞吐量、分组丢失率等的描述 0 4 1 在现实生活中，q o s 的 最终判断依据是用户对服务的满意程度，因此q o s 保证的目标是为各种业务( 包括数据、 图像、语音和多媒体业务等) 提供可靠的服务质量保证。 在网络资源一定的条件下，包括吞吐量，时延和分组丢失率在内的各个q o s 指标之间 一般存在着矛盾，那么对某一个q o s 指标的保证和优化实质上是对以上各个指标的一种折 衷( t r a d e ) i f ) 处理，并且对于不同的业务，优化和折衷的指标是不同的例如，对于实 时业务，时延边界的保证相对于分组丢失率的保证更重要，此时q o s 保证机制的一个合理 选择就是牺牲部分分组丢失率指标以换取时延性能的提高。 1 1 2 无线网络q o s 保证面临的困难 在无线移动网络中，为用户提供q o s 保证已成为一种必然趋势，合理的资源管理是保 证服务质量的关键。但如果将有线网络的资源管理所取得的研究成果直接运用到无线移动 网络中会产生很多问题，因为无线移动环境与固定有线网络有着截然不同的特性，如无线 介质的突发差错和用户移动性的影响等，所以无线网络中l 的q o s 保证所面临的挑战比有线 传统网络中更加严峻。具体地，这种困难性来自于有线固定网络和无线移动网络的几个 本质差异： 2 1 无线网络中的频率资源相对于有线网络要贫乏得多 无线通信向更高频率的扩展需要付出很大的代价，同时无线通信的开放性和广播特 性降低了频谱的利用率通常，有线网络的带宽几乎比无线链路的大一个数量级 这种无线频率资源相对贫乏的状况在可以预见的未来不会有根本改变，相反，大容 量光通信技术的发展大大加剧了这种不对称。这就需要根据每个流各自的q o s 要求公 平分配有限的无线带宽，同时保持高的资源利用率，并且对无线资源的预留也必须 合理，以免造成资源的浪费。 2 无线移动信道相对于有线固定信道本质上是不可靠的 无线信道的差错率大大高于有线信道。由于易受到多径衰落、阴影衰落、干扰和多 1 1 研究背景 普勒效应的影响，无线链路的质量经常发生很大的波动，其差错呈现突发性和位置 相关1 的特点，即使利用信道编码、交织、分集和功率控制等技术提高传输的可靠性 后，仍然无法与有线信道相比拟这就要求基站尽可能准确地了解和预测信道和用 户物理位置的情况，动态调整资源的分配，还可通过无线分组的调度和更底层的技 术( 如向前差错校正) 来弥补无线信道出现的差错 3 通信周期内的用户移动将导致在相邻区域问的切换( h a n d o f f ) 随着用户数量的增加和传输速率的提高，通信区域变得越来越小，微蜂窝化和微微 蜂窝化的趋势使得切换越来越频繁。这样加剧了资源预留的困难，同时带来了更大 的移动性管理开销 4 移动终端的电池容量有限 移动终端的通信和计算能力都直接依赖于其有限的电池容量，这就要求尽量减少移 动终端所需发送的交互控制信息，并减少q o s 方案的算法复杂度，即在保证q o s 的同 时要考虑如何更好的节省电池能源的消耗，而且在能源不足时需要及时通知以采取 相应措施。 这些因素都是无线网络设计必须要考虑的问题，使得如何在全新的复杂的无线环境中 为多元化业务提供q o s 保证成为一个摆在人们面前的难题。接下来将简述本文选择第三代 移动通信网络作为论文主要研究对象的原因 1 1 1 3 第三代移动通信c d m a 网络简介 蜂窝移动通信系统的发展，可以从技术上大致划分为三个阶段，即通常所说的第一代 ( 1 g ) 到第三代( 3 g ) 的发展： a 2 0 世纪7 0 年代至8 0 年代，移动通信系统主要以模拟制式为主，采用的是频分多址 ( f d m a ) 等模拟调制技术，如t a c s 、a m p s 、n m t 系统等，均为i g 系统 2 0 世纪8 0 年代以后，以时分多址( t d m a ) 、码分多址( c d m a ) 等数字调制技 术为代表的数字移动通信系统，i i p 2 g 系统，经历了前所未有的发展，如g s m 、d - a m p s 、p d c 、q - c d m a 及c d s l 8 0 0 系统等等。 1 l o c a t i o n d e p e n d e n t ，即由于终端物理位置不同，基站到各个终端链路的差错率有很大差异 3 第1 章绪论 进入2 0 世纪9 0 年代以来，各国都把注意力逐渐移到了对3 g 移动通信系统的研究与开 发上来，国际电联( i t u ) 将该系统命名为i m t - 2 0 0 0 。在3 g 系统中，c d m a 多址技 术最具竞争力，最有发展前景目前世界各国提交给i t u 的3 g 移动通信无线传输技 术共有1 0 种，其中有8 种基于c d m a 技术，如欧洲和日本的w c d m a 、美国和韩国 的c d m a 2 0 0 0 、以及中国的t n s c d m a 等等 可见宽带c d m a 技术已经成为3 g 移动通信的主流技术。c d m a 技术的原理是基于扩 频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪 随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完 全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信 号即解扩，以实现信息通信虽然c d m a 扩频技术可以采用直接序列扩频( d s ) 、跳频 ( f h ) 、跳时( t h ) 技术以及它们的组合等，但在移动通信中一般还是选用直接序列扩 频技术来构成人们常说的d s - c d m a 系统，如w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 都是使用直序扩频。 本文所探讨的c d m a 系统基本就是指d s - c d m a 系统，其工作原理可参见 6 4 1 。 相对于f d m a 和t d m af 1 7 ，2 9 ，8 7 ，6 4 1 。c d m a 技术主要具有如下一系列的优点： 4 通信容量大：理论上讲，信道容量完全是由信道特性决定的，但实际的系统很难达 到理想的程度，因为不同多址方式的信道特性会有不同的通信容量。c d m a 是自干 扰受限系统，任何干扰的减少都可以直接转化为系统容量的提高，因此一些能降低 干扰功率的技术，如话音激活技术、扇区功分技术、功率控制技术等，都有可能使 系统容量得到提高。般说来，在同样的条件下，采用c d m a 方式的系统容量约是 采用数字t d m a 方式g s m 系统容量的4 6 倍，是模拟系统容量的2 0 倍 具有软容量特性：软容量特性是c d m a 比t d m a 灵活的又一个方面在t d m a 系统 中可以同时接入的用户数是固定的，因而在时隙用完的情况下不能再接入任何个 用户而在c d m a 系统中，多增加一个用户只会使通信质量略有下降，而不会出现 通信硬阻塞的情况，这就是c d m a 系统的软容量特性c d m a 还可以通过小区覆盖 范围的动态调整，平衡各个小区的业务量，对于解决通信高峰的通信阻塞和提高用 户越区切换的成功率是非常有效的。 更适合在衰落信道中传输：移动通信的信道在一般情况下是一个时变多径衰落的信 道，而在c d m a 系统中，由于采用了宽带传输，因而具备了特有的频率分集特性， 如果系统采用最大合并比分集接收方式，那么在处于白高斯噪声信道干扰情况下可 1 2 c d m a 网络q o s 保证研究概述 以获得最佳的抗多径衰落的效果。相比之下，t d m a 系统为了克服多径造成的码间 干扰就需采用均衡器，进而增加了系统的复杂度，也影响了越区切换的平滑性。 具有平滑的软切换特性：在c d m a 系统中，所有的小区( 或扇区) 都可以使用相同 的频率，这不仅简化了频率规划，也使越区切换得以平滑实现。当移动台处于小区 边缘时，会同时得到两个或两个以上的基站向该移动台发送的相同信号，而且移动 台能够同时接收和合并这些信号。在某一基站的信号强于当前基站信号并处于稳定 状态时，移动台才切换到那个基站的控制上去，这一过程不需要移动台收发频率的 切换，只需在码序列上做相应的调整，切换即可在通信过程中平滑地完成。 有良好的通信安全性：c d m a 系统通过采用扩频技术，将发射的信号频谱扩展得很 宽，从而使发射的信号完全隐蔽在噪声和干扰之中。而不易被发现和接收。另外， 各移动台所使用的地址码也各不相同，在接收端只有码型和相位完全相同的用户才 能接收到相应的发送信号，而对其他非相关的用户来说这些信号只不过是一种背景 噪声所以c d m a 系统具有良好的通信安全性，可以有效地防止被有意或无意地窃 取同时也是由于扩展频谱的原因，使移动台的发射功率大大降低，从而延长了移 动台电池使用的时间和减小了电磁辐射 虽然c d m a 的一系列优点使其成为新一代移动通信的佼佼者，但在商用化的 过程中c d m a 仍有许多关键的技术需要解决，例如克服c d m a 系统自身的多址干扰 ( m a i ，m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ) 就是一个需解决的关键技术问题c d m a 系统自身 产生多址干扰的原因主要有两个：一是由于各用户使用的通信频率相同，在不同用户之间 的扩频序列不能进行完全正交，即互相关系数不为零；二是即使扩频序列能正交，实际信 道中的异步传输( 由多径，延时等原因所引起) 也会引入相关性为了克服多址干扰的影 响，功率控制起着关键性的作用。另外，c d m a 网络的资源占用、用户移动及无线信道 的传输等都具有时变性。所以，为了解决c d m a 网络特性对q o s 保证所带来的困难( 综合 第1 1 2 节所提到的困难) ，c d m a 网络的q o s 保证策略一直是当前的研究热点 1 - 2c d m a 网络q o s 保证研究概述 根据近年来各个研究机构的研究成果，可以将c d m a 网络中保证用户q o s 的主要技术 措施归纳如下： 5 第1 章绪论 1 资源预留：一直以来，资源预留被很多学校和科研机构公认为一种获得高服务质量 保证的有效手段。为了给用户提供满意的q o s 。可以对服务所需相应的网络资源进行 预约，以确保这些资源不被其他应用所占用【9 ，2 4 ，2 5 ，4 4 ，4 9 ，5 7 ，6 0 ，6 2 ，6 5 ，7 5 ，9 3 1 2 访问接入控制( c a l l c o n n e c t i o na d m i s s i o nc o n t r o l ，c a c ) ：c a c 的主要目 标是，确保网络可以提供用户通信要求的足够有效资源，并使网络接收新的呼n q 连 接后，对已存在的呼叫连接的干扰不会超过某一预定阈值，同时也主动的避免了网 络拥塞的出现【3 ，2 0 ，3 5 ，3 6 ，5 0 ，5 l ，6 7 ，6 8 ，7 2 ，7 6 ，7 8 ，8 8 ，9 8 】 3 移动性管理：目前对无线多媒体网络中的移动性管理主要集中在以下几个方面：移 动性模型、快速无缝切换管理等如果系统在终端移动之前就可以准确的预测到它 要经过的轨迹，那么移动的日标网络就可以为其预留足够的资源，并保证连接的q o s 性能【1 1 ，2 3 ，4 3 ，4 7 ，6 0 ，8 2 ，8 4 ，9 1 ，9 7 】这样可以节省资源，而不用对其可能移向的所有 网络都进行资源预留，但是却增加了系统移动预测的开销 以上归纳的技术并不是完全独立来解决c d m a 网络中的q o s f 司题的，很多研究都是将 某些策略相结合来实现目标，如将移动性预测和资源预留相结合f 1 2 ，1 3 ，4 3 ，8 2 ，9 7 】，可以 节省预留的资源，而且可以通过预测用户在当前网络的逗留时间来推断发生越区切换的时 间，从而可以只是在快要发生切换前才预留相应资源，提高资源利用率。本文主要研究的 是c d m a 网络的访问接入控制策略，并将资源预留与其相结合下面仅就访间接入控制 对c d m a 网络性能优化所产生的影响进行分析。 1 2 1 访问接入控s q ( c a c ) 算法简介 对于c a c 算法的性能有两方面的要求：1 ) 保护用户的q o s 不低于可接受水平；2 ) 实 现尽量高的新访问请求接入率和最高的系统资源利用率对于无线移动网络，尽量降低切 换丢失率显得比新访问的拒绝率更加重要，因为拒绝切换请求会导致正在进行的会话终 止。一般说来，切换丢失率和新访问请求接入率分别反映了系统的可靠性和有效性，构成 了一对矛盾的两个方面一个好的c a c 算法应该在保护q o s 的前提下实现相对低的切换丢 失率和相对高的新访问请求接入率，实现这对矛盾的最佳折衷 通常c a c 算法设计中有两个最基本的问题：1 ) 建立合理的容量模型和业务模型，来 描述目前的资源占用情况，从而判断是否有足够的有效资源为新用户服务；2 ) 选取适当 的q o s 标准，来描述各用户获得的q o s 级别，从而判断新用户的接入是否会损坏已有用户 的q o s 这两个基本问题并不是完全分开的，而是互相有着紧密的联系 6 1 2 c d m a 网络q o s 保证研究概述 c a c 算法在电路交换网络中的容量模型是使用一帧中提供的时隙数来描述，业务模型 是使用一条电路占用的固定时隙数来描述，其容量和业务模型非常简单。只要有足够的剩 余时隙，c a c 算法就可以判断是否有足够剩余资源。电路交换网络中各用户的资源是完全 正交的各个时隙，新接入用户的信号在时域上不会对其它用户造成影响，业务的q o s 就完 全取决于电路上的传输质量，所以电路交换网中的c a c 算法只要判断是否有剩余时隙来接 受新连接即可。 而对于统计复用的分组网络，如a t m 和i p 网，用户信息都形成分组或信元在网络中 传输，业务的分组流构成一个随机过程。各用户的分组流相互复用在一起送到网络中传输 和交换，以实现高的统计复用增益分组的统计复用可以实现更大的系统容量和更高的 资源利用率，但当统计复用的用户过多时也会因队列溢出或时延过大而造成用户的q o s 受 损，因此分组网络中的c a c 被视为是系统性能优化的一个关键问题。 对于无线资源管理，呼叫接入控制c a c 也是至关重要的组成部分【3 ，2 0 ，5 1 ，6 7 ，6 8 ， 7 2 ，9 8 1 第二代移动通信主要提供语音业务，它们的数据处理能力非常有限，这使得它 的c a c 算法相对比较容易而随着多媒体业务和w w w 业务量的不断增加，迫切需要发展 第三代移动通信第三代移动通信能提供高数据速率的服务，用以传输高质量的图像和视 频信息，还可以提供高速接) k l u t e r n e t 服务正因为第三代移动通信所能提供的业务多， 且各业务之间的传输速率和q o s 要求不同，使得它的c a c 方案变得复杂随着c d m a 技术 在第三代移动通信标准中占据着主导地位，其固有的抗干扰性和抗多径衰落的性能，并且 具有软容量，软切换，系统容量大等特性，使得c d m a 系统在移动通信领域的应用备受青 睐。但是随着用户的大量增加和业务的不断扩展，呼叫接入控制仍然是当前比较迫切的研 究课题。 ， 1 2 2c a c 策略在q o s 保证中的主要作用 访问接入控制策略对提供c d m a 网络业务的q o s 保证起着至关重要的作用： 保证无线链路通信质量：在容量受干扰限制的c d m a 网络中，c a c 方案对于保证 信号传输质量尤为关键。由于c d m a 网络的软容量特性，容纳的用户越多，就越 容易产生背景噪音，每个用户都对其他用户构成干扰，每个小区都对其他小区 构成干扰，过多的干扰势必影响用户信号解调的效果这样c a c 方案可进行裁 决，只有在保证所有用户通信质量的前提下才能接入新用户这时可接入的判 断条件可以为用户的数量( 每个小区或同时包括相邻小区) 、干扰的级别，信干 7 第1 章绪论 比s i r ( s i g n a l - t o - i n t e r f e r e n c er a t i o n ) 、基站的传输功率、或基站移动台接收到的 功率等。 降低呼叫丢失率：因为中断一个正在进行的呼叫( 切换请求) 通常比阻塞一个新呼 叫更让人难以接受，c a c 方案可达到有效控制呼叫中断概率的目的，一般通过为切 换请求的呼叫预留部分资源来实现这时可接入的判断条件可设置为每个服务级别 用户的数目或切换丢失率的阚值不管使用什么判断标准，新呼叫请求的接入标准 都应制定得比切换请求的严格些 其他的作用：前面几个作用都是用来保证q o s 参数，而从网络运营者的角度，还可以 将网络运营的收入或支出作为访问接入控制的标准。另外，还可通过c a c 方案将不 司q o s 要求的服务级别赋予不同的优先级，比如大部分方案设计者都赋予语音服务比 数据服务更高的优先级，可通过设计接入判断条件的严格程度来控制。 1 3 研究内容和结构安排 随着无线网络用户数目的增长和无线带宽资源有限的矛盾日益激化，如何实现多媒体 业务的q o s 保证已经演变成无线网络设计中的一个至关重要的问题但是以往的q o s 研究 主要针对在i n t e r n e t 领域，并不直接适用于c d m a 网络c d m a 网络固有的软切换、功率 闭环控制、软容量等特性，是以往任何网络所不具备的特点干扰、多径衰减等问题也是 无线环境中必须要考虑的问题。针对这些问题，论文的具体研究工作主要围绕c d m a 网 络q o s 保证技术中的两大主题：访问接入控制与资源预留全文结构安排如下： 第一章分析了无线移动网络和有线固定网络q o s 保证策略的不同之处，并讨论了c d m a 网 络中q o s 保证技术的特性，为论文的研究工作打下基础 第二章提出一个c d m a 网络上行链路的适应性c a c 方案，利用反馈控制理论适应性地提 高系统性能该方案的优势在于，无论系统周围环境( 包括无线传输环境和网络流 量负载) 如何变化，都可以及时跟踪网络性能的变化，准确调整系统的关键参数， 使网络获得满意的q o s 保证( e p 减少切换丢失率，同时保证获得满意的系统容量) 。 第三章针对c d m a 网络下行链路的特点，提出一个干扰预测和功率分配方案，既考虑了 流量的突发性又考虑了多媒体业务的自相关特性然后利用该方案和反馈控制理 8 1 3 研究内容和结构安排 论，结合时域分析法，提出一个c d m a 下行链路的适应性c a c 方案，不用以牺牲新 呼叫阻塞概率为代价来提供切换请求的q o s 保证。 第四章为支持多媒体业务的c d m a 网络的c a c 最优化问题提出了一个一般化的解决方 案该方案的核心是将c a c 最优化问题形式化为g s m d p ( g e n e r a l i z e ds e m i - m a r k o v d e c i s i o np r o c e s s ) 模型，并借助于q l e a m i n g 算法求解出最优c a c 策略。其最大的优 点在于不需对所研究的网络环境作任何限制性的不合实际的假设，从而可以被应用 于大多数复杂的情况。 第五章基于资源预留r s v p ( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 协议提出了一个专为单播 应用而设计的轻量级移动r s v p 协议，不仅简化了原r s v p 协议在单播情况下执行资 源预留操作的复杂性；而且针对由无线移动环境所造成的r s v p 应用问题，提出一个 保持流标识符不变的机制，并且设计了一个新的状态管理和“刷新”机制该协议 并不是要代替r s v p 协议，而只是与它共存，在多播情况下依然使用r s v p 协议 第六章总结全文，展望未来的研究工作 9 第二章 c d m a 上行链路的适应性c a c 策略 2 1 引言 为了有效利用c d m a 网络的有限资源，并在支持多业务类型的同时满足用户的q o s 要 求，对资源进行有效管理是至关重要的呼叫接入控制( c a c ) 是一种资源管理方式，通 过调整网络接纳的用户数来满足用户的q o s 要求，但用户的移动性、多媒体业务及有限的 无线资源使得很难设计出一种有效可行的c a c 方案 现有的无线网络基本上都是基于蜂窝( 也可称为小区) 结构的，蜂窝结构包括 一个主干陆地网络，还有众多的基站b s ( b a s es t a t i o n ) 通过固定网络连接，移动终 端m u ( m o b i l eu n i t ) 则通过基站访问网络移动终端与一个特定的基站通信的地理范围 就是蜂窝。蜂窝彼此相邻，因此可以保证当用户从一个蜂窝移动到另外一个蜂窝时其通信 的连续性而随着蜂窝结构的频率重用，网络支持的移动用户数目不断增加，导致微小 区微微小区的使用更加广泛，从而移动终端可能发生多次越区切换c d m a 网络通常采 用软切换机制( s o f th a n d o f f ) 来实现移动终端在越区切换中的平滑过渡【8 4 ，9 1 】，控制和保 证用户业务在移动通信中的连续性和可靠性 一般而言，对于系统的呼叫请求可以分为两大类：1 ) 新呼叫，这种呼叫是在当前的 蜂窝中新产生的；2 ) 切换呼叫，这种呼叫是在通话过程中，从相邻的蜂窝切换过来的 在系统资源不足时，新呼叫请求和切换呼叫请求都可能被拒绝。 目前很多呼叫接入控制方案【3 5 ，3 6 ，5 0 ，6 7 ，7 6 ，7 8 ，8 8 l