GSM协议中无线资源管理的研究

1、广西师范大学学报(自然科学版)jou rnal o f gu an gx i no rm al u n iv er s it y第 21 卷 第 3 期2003 年 9 月v o l. 21 n o. 3sep tem be r 2003协议中无线资源管理的研究gsm侯远政1, 2 , 张师超1, 2, 3 , 袁鼎荣1 , 钟智4( 11 广西师范大学 数学与计算机科学学院, 广西 桂林 541004; 21 清华大学 智能技术与系统国家重点实验室, 北京 100080;31 悉尼理工大学 信息技术学院, 澳大利亚 悉尼; 41 广西师范学院 数学与计算机系, 广西 南宁 530001)摘

2、要: 研究了 gsm 协议中的无线资源管理部分, 空闲模式下的m s 包括蜂房选择、重选择过程, 以及相关的 plm n 选择、位置注册. 初始化接入过程描述了m s 从空闲模式到专用模式的转换. 专用模式下的m s 不 仅对服务蜂房的无线链路实时地进行检测, 还要试图同步临近蜂房, 并检测其无线接收电平. 当无线链路失败后,m s 可能在临近蜂房呼叫重建立, 或切换到其他的蜂房内.关键词: 无线资源管理; 蜂房选择; 蜂房重选择; 空闲模式; 专用模式中图分类号: tn 92915文献标识码: a文章编号: 100126600 (2003) 03200252051989 年, 欧洲远程通讯标

3、准研究所 (e t s i) 着手设计一套支持用户漫游的移动通信系统 gsm .1990年 gsm 制定 p h a se i 发展表, 1991 年中期, 商用服务开始. 到目前为止, 已有 200 多个 gsm网络在 110个国家运行. 随着北美以 pc s1900 加入 gsm 领域, 使 gsm 最终能够在全球各大洲上运行, 如今 gsm以代表全球移动通信系统1 .可无线资源管理简介无线资源管理层 ( rad io re so u rce m an agem en t) 位于 gsm 协议中层 3 协议层中的最低层2 , 它为其上 面的移动性安全性管理层、通信管理层提供无线信道的建立与

4、重建立、通信过程中信道的切换及信道的释 放, 从而屏蔽掉了复杂的无线环境中通信资源的分配.无线移动通信网与固定通信网的主要区别在于通路资源的管理. 由于无线频谱资源相当有限, 系统仅 在需要持续一段通信时才提供无线信道资源给移动终端 (m s) , 当通信结束后信道资源即归还给系统. 这 要求网络系统能够高效、及时地分配信道资源给移动终端.gsm 系统较之固定网络的另一特征是切换. 由于通信终端的移动性, 无线资源通信环境变化极大, 网 络和m s 随时检测通信的无线环境, 在合适的瞬间, 通信切换到合适的蜂房 (也称作“基站”) 中.无线资源管理层提供系统功率控制及定时提前的管理, gsm

5、系统是精确同步的系统, 系统以b t s 为 同步单位, 不同b t s 之间的切换需要m s 重新与b t s 同步3 .无线资源管理层是协议栈的核心, 它是区别于其他无线通信协议的具体体现 (如 is 95 cdm a 系统).无线资源管理层决定系统的多址技术, 因而决定了物理逻辑器件的设计. 对无线资源管理层的透彻研究, 可以最大可能地优化系统的性能, 提高系统无线资源的频谱效率. 本文就无线资源管理协议中的有关技术 做深层地探讨.1空闲模式下m s 的蜂房选择与重选择空闲模式描述了m s 从开机时刻起, 到稳定地驻扎于一个合适的蜂房内, 能够随时接受网络对其发起2收稿日期: 20032

6、01202基金项目: 澳大利亚a r c 基金资助项目; 清华大学智能技术与系统国家重点实验室基金资助项目; 广西高校科研基金 资助项目作者简介: 侯远政 ( 1976) , 男, 湖南慈利人, 广西师范大学硕士研究生; 张师超 ( 1962) , 男, 广西全州人, 澳大利亚悉 尼理工大学博士生导师, 广西师范大学教授. 1994-2013 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 的寻呼请求, 或应用户要求发起移动主叫业务4 .根据m s 驻扎在蜂房中的状态可分为两种情况:正常驻扎蜂房.

7、 当m s 找到合适的蜂房后, 调谐到该蜂房的 bcch 信道上, 并且位置注册成功, 使 得m s 能从 plm n 中获得系统消息.任意驻扎蜂房. 当m s 没有找到合适的蜂房, 它尝试驻扎在任意可接受的蜂房 ( 至少满足无线路径 的传输) , 进入“受限服务状态”.无线链路准则 c 1, c 2在影响m s 选择合适蜂房的诸多因素中, 无线路径损耗是蜂房选择、重选择过程中重点考虑的因素.在蜂房选择、重选择过程中, 其分别对应的无线准则 c 1, c 2 是有区别的, 我们将依次讨论.在蜂房选择过程中, 被选择的蜂房的 c 1 必须大于 0. 它由 4 个参数决定, 其表达式如下:c 1=

8、 r xl ev - r xl ev a cc e ss m in - m a x (m s t x pw rm a x cch - p , 0)211其中: r xl ev 表示接收载波的平均强度, 单位 db ; r xl ev a cc e ss m in 表示m s 接入网络时所允许的最小接收电平; m s t x pw rm a x cch 表示m s 接入网络时允许的控制信道的最大功率电平; p 表示m s 的最大输出功率.在蜂房重选择规程中无线信号强度准则 c 2 可表示为:当 p en a l t y t im e 11111 时:o f f se t h ( p en a l

9、 t y c 2 = c 1 + c el l r e sel ec t o f f se t - t em po ra r yt im e - t ) ;当 p en a l t yt im e = 11111 时:c 2= c 1-r e sel ec t o f f se t.c el l(x ) = 0 当 x 0, 且蜂房是正常优先级, 则蜂房选择成功. 若参数 c 1 0,且该蜂房不被禁止接入, m s 可驻留该蜂房. 否则, m s 将调谐到次高的频点上, 直到找到合适的蜂房. 若30 个最强的 r f 信道都搜索过但仍没有找到合适的蜂房, 则将进入受限模式下的蜂房选择.在受限的

10、蜂房选择过程中,m s 将不再考虑蜂房 plm n 标识. m s 将搜索最多 30 个信号载波, 可选的 蜂房应该满足 c 1 0, 若没有找到正常优先级的蜂房, 则m s 将选择信号最强的低优先级蜂房驻扎, 并进入受限业务状态, 只能进行紧急呼叫等业务.213蜂房重选择过程当m s 驻扎于某蜂房后, 在各种条件变化不大的情况下, m s 继续驻扎该蜂房, 并继续检测服务蜂房 的ba 列表中所包含的临近蜂房的bcch 载波. 对这些载波进行电平测量时, 至少需采集 5 个样本, 且在 每个测量周期内平均分布. m s 应该在每分钟内对最强的 6 个载波更新, 检测触发蜂房重选择的条件.m s

11、 处于空闲模式下或受限服务状态时, 检测到峰房重选择所需条件时触发蜂房重选择. m s 计算本蜂房以及临近 6 个蜂房的 c 1, c 2 值, 并按信号的强度从强到弱排序. 判断的条件依次是: 蜂房不被禁止、此蜂房受于所选择的 plm n 、此蜂房不受于“被禁的l a ”、c 1 0. 若以上 4 点都满足, 则m s 选择该临近蜂房并驻扎下来, 否则依次尝试接收电平强度次之的载波.m s 初始化接入系统3当发生接到网络的寻呼、位置更新规程、应用户的要求移动主叫建立等事件时,m s 将离开空闲模式,试图接入网络并申请可用的无线资源. 若成功接入, 则m s 转移到已获得的专有资源上, 并与网

12、络建立信 令连接, 进入专用模式, 否则m s 返回空闲模式, 执行蜂房重选择规程5 . m s 接入网络包括以下 3 个步骤.311随机接入规程m s 是随机接入系统的, 这就不可避免地会发生碰撞. 为此,m s 接入时遵循 tdm a 方案规定的时隙 a lo h a 6 , 并引入合理的消息重发机制以保证m s 的接入成功率. m s 通过以下方式确定在 ra ch 上最多 可以发送m + 1 次“信道请求”:从m s 启动立即分配过程开始到发送第一个“信道请求”消息 (不包括带有消息本身的时隙之间的时隙数是以相同的概率随机地在0, 1,m a x (t , 8) - 1中选择.m s

13、两个连续“信道请求”消息之间的时隙数是以相同的概率随机地在s , s + 1,1中选, s + t -取.其中 t 为bcch 上广播的参数“t x in t e ger ”, m 为最大传输次数“m a xr e t ra n s”, s的取值取决于 ccch 的配置.当发送完初始信道请求后, m s 启动定时器 t 3120, 并监视全下行 ccch 信道和 bcch 信道. 当 t 3120 超时而 ra ch 重发次数没超过“最大重发次数”时, m s 将重复发送“信道请求”消息, 其中包含一 个新的随机参考值, 并重新启动 t 3120. 当 t 3120 超时, 且达到“最大重发次

14、数”时,m s 将启动 t 3126, 此后将等待网络的应答. 在 t 3126 超时后仍未收到网络回答时, 则放弃请求尝试, 并开始蜂房重选择规程.312信道分配过程当网络正确解码m s 的“r r cha n n el r eq u e st ”消息之后, 若此时网络资源允许, 网络在接收“r r cha n n el r eq u e st ”消息的同一 ccch 时隙内以非确认的方式发送消息“r r im 2m ed ia t e a ss ignm en t ”或“r r im m ed ia t e a ss ignm en t ex t ”, 用来向m s 分配专用信道资源. 由

15、于b t s 在下行 ccch 某一时隙的任何部分都可能发送这两条指令, 所以处于初始化接入阶段的m s 对 ccch 的所有信息块都要解码. 当发出立即分配指令的同时, 网络也启动定时器 t 3101. 1994-2013 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. m s 收到的立即分配消息中包括: 分配信道的描述、初始的时间提前量、信道请求的随机选择鉴别符、接收“信道请求”的帧号. 随机选择的鉴别符和帧号都与信道申请的m s 相关, 用于减少m s 之间的请求冲突. 所以, 试图接入系统

16、的m s 每次发送“r r cha n n el r eq u e st ”时, 应记下该消息中的随机选择鉴别符和发送消息的 tdm a 帧号.m s 收到立即分配消息, 且对应最后 3 次信道申请之一时,m s 将停止 t 3126, 同时停止发送信道请求 消息, 并转换到网络分配的信道上去, 并试图在该信道上建立主信令链路.当网络此时没有空闲的无线资源可供分配时, 将向m s 发送“立即分配拒绝”消息. 该消息给出了拒绝 的原因、信道请求的随机选择鉴别符、接收“信道请求”的帧号以及定时器 t 3122 的超时值等. m s 收到该 消息, 且对应最后 3 次“信道请求”之一时, m s 停

17、止发送“信道申请”, 并停止 t 3120, 返回空闲模式下, 并 启动 t 3122. 在 t 3122 超时之前,m s 仅允许在同一个蜂房内发起紧急呼叫, 禁止发起新的呼叫尝试.313主信令链路建立m s 收到“r r im m ed ia t e a ss ignm en t ”后, 解码该消息. 如果其中的随机鉴别符和缩减帧号都相等, 则m s 就会转移到分配的信道上, 以指定的 ta 值, 初始最大发射功率在信道上传输信令. 协议规定,m s 应在初始信道上发送第一个 sa bm 帧, 用于建立“异步平衡模式”, 以便建立证实模式下的信令 消息链路连接.为了对m s 接收正确性的确

18、认, sa bm 帧中需要包含上层业务请求的信息. 当两个m s 同时发送完全 一样的信道请求消息时, 网络只会应答其中一个信道请求, 但两个m s 都会转移到同一个专用信道上来, 因而需要一种争抢判定机制. 当网络收到 sa bm 帧 ( 携带信道申请消息) 后, 会不加修改地向m s 发一个 内容与 sa bm 完全一样的u a 帧,m s 通过与他所发出的 sa bm 信息内容比较, 只有完全相同, 才会驻留该信道, 否则放弃该信道或转入重复发送“信道请求”指令, 或进入蜂房重选择规程.专用模式下的m s4专用模式下的m s 在与网络建立通信链路的同时, 也要不断地监控无线通信的质量,

19、以及蜂房内最新的系统信息.411无线链路故障检测在无线移动环境中, 由于传播路径中的障碍物或系统存在的干扰, 导致语音或数据传输恶化, 网络或m s 无法正确解码信息, 且通过功率控制或切换等其他方式也不能提高通信质量时, 系统便认为发生了无 线链路故障.无线链路故障检测是通过上下行链路分别进行的, 两者的检测算法基本一致. m s 负责下行方向的链路检测, 当从系统消息中获得参数 ra d io l in k t im e ou t 时, m s 把该值当作初始值给计数器 s赋值. 若m s 成功译码 sa cch 系统消息, 则将计数器 s 加 2, 但计数器不超过 ra d io l i

20、n k t im e ou t ;若m s 不正确译码 sa cch 消息, 则将计数器 s 减 1. 若 s 为 0 时, 则认为下行链路故障. 此时m s 激活上 行 sa cch 信道, 并在支持呼叫重建立的临近蜂房内, 发起“cha n n el r eq u e st ”命令, 若没有发现合适的蜂房, 则m s 回到空闲模式下, 并向上层协议报告无线链路失败. 以前的信道资源在网络定时器超时 后释放掉.b t s 负责监控上行链路故障, 也采用了下行链路故障检测的算法. 当网络首先发现无线链路失败后, 将启动定时器 t 3109, 并激活下行 sa cch 信道. t 3109 超时

21、之前的这段时间里可以留出足够的时间让 m s 检测到下行链路, 并开始呼叫重建立. t 3109 超时后, 网络将收回信道资源.412呼叫重建立呼叫重建立是一种m s 发起的切换, 要求在一定短的时间内完成. 它包括m s 在最长 5 s 内根据以下算法确定在哪个蜂房内呼叫重建立. m s 根据 sa cch 上发来的临近蜂房ba列表, 测量服务蜂房和临近蜂房的bcch 载波, 在 5 s 内测得样本平均值, 并取得接收电平最高的蜂房作为目标重建蜂房. m s 试图解码该蜂房bcch 信道所携带的系统消息. 若蜂房没被禁止, c 1 值大于 0, 且允许呼叫重建立, 则选择该 1994-201

22、3 china academic journal electronic publishing house. all rights reserved. 蜂房. 否则选择次强的蜂房. 当接收电平最强的 6 个蜂房都被尝试且不合格时,m s 放弃呼叫重建立.当m s 选择了一个位置区不同的蜂房作为呼叫重建立目标蜂房时, 将无法立即执行位置更新, 只有当 这次呼叫结束后, m s 才开始进行位置更新. 一般情况下, 呼叫重建立将持续 4 20 s, 多数用户在呼叫重建立完成之前已经挂机了, 因而呼叫重建立非但达不到目的, 还浪费了许多无线资源. 在无线资源比较紧张的地区, 可以不激活此功能.413切换

23、由于无线链路的故障, 需要一种机制使m s 在很短的时间内转移到另一蜂房内继续通信7 , b sc 根据 m s 对临近最多 6 个蜂房的下行链路测量报告, 以及b t s 送来的上行链路测量报告, 综合考虑信号电平、 信号质量以及 ta 等参数的测量结果, 按切换规程选择最优的蜂房作为切换的目标蜂房. 根据切换过程中 所用到的定时提前值的确定方式, 切换过程又可以分为: 精确同步、伪同步、预同步和非同步 4 种情况.参考文献:1m ich e l m o u ly,m a r ie2b e rnade t te p au te t. gsm 数字移动通信系统m .社, 1996. 510.骆

24、健霞, 顾龙信, 徐云霄. 北京: 电子工业出版e t s i. t s100 9391999, d ig ita l ce llu la r te lecomm un ica t io n s sy stem (p h a se 2+ ) ; m o b ile rad io in te rface signa ling lay2e r 3; ge rne ra l a sp ec t s (gsm 04. 07 ve r sio n 7. 3. 0 re lea se 1998) s . v a lbo nne: e t s i, 1999. 6072.e t s i. en 300 91

25、21999, d ig ita l ce llu la r te lecomm un ica t io n s sy stem (p h a se 2+ ) ; r ad io sub sy stem synch ro n iza t io n(gsm 05. 10 ve r sio n 7. 1. 1 re lea se 1998) s . v a lbo nne: e t s i, 1999. 1114.e t s i. t s100 9302000, d ig ita l ce llu la r te lecomm un ica t io n s sy stem (p h a se 2+

26、 ) ; f unc t io n s re la ted to m o b ile s ta t io n(m s) in id le m o de and g ro up rece ive m o de (gsm 03. 22 ve r sio n 8. 3. 0 re lea se 1999) s . v a lbo nne: e t s i, 2000. 1217.e t s i. en 300 9401999, d ig ita l ce llu la r te lecomm un ica t io n s sy stem (p h a se 2+ ) ; m o b ile rad

27、 io in te rface laye r 3 sp ec2if ica t io n (gsm 04. 08 ve r sio n 7. 1. 3 re lea se 1998) s . v a lbo nne: e t s i, 1999. 3991, 246311. a nd rew s, t anenbaum. 计算机网络m . 熊桂喜, 王小虎. 北京: 清华大学出版社, 1998. 5052.e t s i. t s100 5271999, d ig ita l ce llu la r te lecomm un ica t io n s sy stem (p h a se 2+

28、) ; h ando ve r p ro cedu re s (gsm 03. 09ve r sio n 7. 0. 0 re lea se 1998) s . v a lbo nne: e t s i, 1999. 932.234567r e sea r ch in to ra d io r e so u r c e m a n a gem en t int h e pro to co l o f gsmho u y uan - zhen g1, 2 , zha ng sh i- cha o1, 2, 3 , y ua n d in g- ron g1 , zho ng zh i4(11co

29、 llege o f m a th em a t ic s and com p u te r sc ience, guangx i n o rm a l u n ive r sity, gu ilin 541004, c h ina;21s ta te key l abo ra to ry o f in te lligen t t ech no lo gy and sy stem s, t singh ua u n ive r sity, b e ijing 100080, c h ina;31f acu lty o f info rm a t io n t ech no lo gy, u n ive r sity o f t ech no lo gy, sydney, a u st ra lia;41d ep a r tm en t o f m a th em a t ic s and com p u te r sc ience, guangx i t each e r s co llege, n ann ing 530001, c h ina)a bstra c t: t h is re sea rch is fo cu sed o n th e r