异构无线网络垂直切换机制的性能分析

更新时间:2023-04-25 15:46:01 阅读量: 综合文库 文档下载

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异构无线网络垂直切换机制的性能分析

摘要

随着多种无线接入网技术的出现与发展,以及用户全球移动性和服务连续性要求的出现,使得不同接入网之间的融合成为了无线网络的发展趋势.垂直切换机制是一种处理用户在异构网络之间进行切换的机制,它已得到广泛研究和应用,其目的就是保证用户在不同网络之中无缝漫游.

WCDMA是一种成熟的3G技术。很多专家已经对WLAN与WCDMA 之间的垂直切换性能进行了研究.TD-SCDIVIA是由我国提出的一种新型3G技术,此技术已经在全球范围引起关注,成为了研究热点.对TD—SCDMA/WLAN异构网络垂直切换机制的性能分析是论文的重点,并将其与WCDMA和WLAN之间的垂直切换进行比较.用来评估垂直切换性能的参数有很多,例如抖动,延迟,容量,用户掉线率和用户阻塞率等.论文以用户掉线率和用户阻塞率这两个参数来对比这两种异构网络无缝漫游能力,并通过MATLAB平台对系统进行模拟.

论文首先对WCDMA,TD-SCDMA和WLAN技术进行了简介,并介绍了MATLAB平台的特点.然后论文对这三个网络的接入控制机制进行

了详细的描述。此机制的主要作用是检测网络中是否有足够的资源

来满足新用户的要求,从而计算出异构网络的用户掉线率和用户阻塞率.

论文选用典型应用来对异构网络进行模拟和性能分析.但由于现实中网络的复杂性,论文简化了模拟场景:模拟区域是某一3G小区内的边长为1000米的正方形区域:这个模拟区域内有两个WLAN;WLAN的覆盖范围是半径为100米的圆:网络中所有的用户都在缓慢移动(步行).

通过对已有无线网络模拟实验的分析,论文还介绍了网络模拟中需要考虑的一些子模型以及这些子模型的实现.这些子模型包括:切换模型,流量模型和运动模型。其中切换模型用来决定切换在什么时候开始进行初始化:流量模型用来模拟各个服务在网络中的流量

行为:运动模型用来模拟网络中各个结点的运动方式,此模型直接影响网络的容量以及其连接性.

基于以上的子模型,论文对WCDMA/WLAN和TD—SCDMA/WLAN这两种垂直切换机制进行了模拟,并对其性能进行了对比和分析。

论文最后对全文进行了总结,分析了研究中的不足并指出了今后研究工作的方向.

关键词:TD-SCDMA WLAN WCDMA垂直切换接入控制

PERFORⅣ【ANCE ANALYSIS 0F VElU’ICAL

HANDOVER FOR HETEROGENOUS WIRELESS

NETWORK

With the appearance and development of various wireless access

technologies,the users increasingly demand the global mobility and service continuity,SO the trend for the wireless network is to combine different access networks into a single one.To guarantee the seamless roam capability of heterogeneous network,the vertical handover mechanism has been used widely.

WCDMA has been used widely as a mature 3G technology,and many experts has done a lot of research in the vertical handover between Ⅵ。AN and WCDM八Nowadays,a new 3G technology,1D·SCDMA,

proposed by China appears.,nlis new technology has drawn the attention all over the world and becomes the focus of most research.Th【is thesis researches mainly in the mechanism of vertical handover between WLAN and TD.SCDMA,which is compared with the handover between WLAN and WCDMA.There are many criteria used

to estimate the performance of handover:jitter,delay,capacity,call-dropping probabili哆and call-blocking probability.In this thesis,

the call··dropping probability and call··blocking probability are only

taken into account to present the seamless roaming capability between different networks in the two systems,and the simulation is done through the platfom of MAn。AB.

Firstly,this thesis introduces the technology background of

Ⅵ忙DMA,TD-SCDMA and WEAN,and it decribes the characteristics of M衄AB too.Then the admission control mechanisms of the three

III

networks will be introduced in detail,and this mechanism is used to check that whether there is enough network resource to satisfy the new user’s requirement.Then the call—dropping probability and call—blocking

probability of heterogeneous networks can be worked out.

This thesis brings some typical kinds of traffiiC into the heterogenous network to analyze the performance of vertical handover.Because of the complexity of the realistic network,this thesis simplizes the simulation scenario:The simulation area is a square of

1000m水1000m within a eell of 3G network:there are two WLANs

area;theⅥAN’s covering area is a circle existing in the simulation

with the radius of 100 meters;the users in the heterogeneous networks

are all supposed to be pedestrians.

Through the study of former simulation of wireless network,this report also introduces the essential sub.models with their implementation.These sub.models include handover model,traffic model and mobility model.The handover model is used to decide when the handover should be initialized;the traffic model is used to simulate the related traffic behavior in the network:mobility model is used to simulate the mobility characteristies of every node in the network.Based on the sub—models mentioned before,this thesis simulates

the two vertical handovers ofⅥ,CDMA/、ⅣLAN and TD.SCDM删AN repectively which are compared with each other here too.

In the end,this thesis sums up all of the content and describes the

deficiency of the research as well as the future work.

KEY WORDS:TD-SCDMA,WLAN,WCDMA,vertical handovef,call admission control

IV

图表目录

图4.1 3G-twWLAN 切换初始化删??????????????。??.20

图4-2 VI[LAN-to.3G切换初始化【H(瑚I???????

图4.3 WLAN,WCDMA和TD.SCDMA中的传输模型??图4—4距离模型??????

?????????????????????????25 图4-5 RWP模型的Z字型运动【sND001

图4-6RWP模型流程图????。???.28图4.7数据流量模型【删..29

图4-8 ON.OFF模型【J枷删?????

图4.9离散马尔可夫链11∞唧???????.

图4.10 WWW流量模型中各参数意义[HVWr001??????????????????30 图4.11两个WWW用户在WLAN中传送数据时的信道?????????????。31 图4.12简化的视频流量模型????????????????????33 图4.13本文中从WCDMA到WLAN的切换概率???????图4.14【ItCL00]中

9,WCDMA到WLAN的切换概率【Hc珊l????.???..35

图4.15本文中从WLAN到WCDMA的切换概率????..???..35图4.16【HCL00】中从WCDMA到WLAN的切换概率脚l

图4.17在1000秒和3600秒时的结点分布??????..???。37图5.1系统仿真场景..?????????..38 图5-2网络选择过程?????。?45 图5-3切换的流程图???????????????????????..46 图5—4第一秒location变量的设置过程?..

图5-5随后某秒location变量的设置过程

图5_6潜在流量的初始化????。????49 图5-7 access变量在系统模拟过程中的变化????50 图5.8 WWW用户在两个网络内的掉线率比较?????。5l 图5.9语音用户在两个网络内掉线率比较51

图5.10视频用户在两个网络内掉线率比较??52

图5.11 WWW用户在两个网络内的阻塞率比较???.53 图5.12语音用户在两个网络内的阻塞率比较.53 图5.13视频用户在两个网络内的阻塞率比较.??.54 图5.14系统接纳用户的平均值?..55 图5.15混合服务情况下的用户掉线率对比.56 图5.16混合服务情况下的用户阻塞率对比????...?。??????????56

VⅡ

表格目录

表格4·1传播模型参数????????????????????????????22 表格5·1切换模型各极限值??????????????????????????.40 表格5乏各服务在网络中的活动参数表?????????????????????.40 表格5弓网络的拥塞指数门限值????????????????????????41 表格5—4负载因子所需参数表?????????????????????????。41 表格5.5各服务给WLAN带来的拥塞增加值??????????????????。42

VⅢ

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,本人承担一切相关责任。

本人签名:翔勉埤日期:丝墨:主:多』

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—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,适用本授权书。本

人签名:数邀幺国日期:丝翌墨:至:主!

导师签名:日期:丝星:!:i2

第一章绪论

1.1简介

在移动通信中,切换是移动设备在服务小区之间移动时触发的事件.当移动设备从一个基站控制的服务小区进入到另一个基站控制的服务小区时,原基站与移动设备之间的链路,将由新基站与移动设备之间的链路取代,这就是切换的含义.切换机制是用来处理用户移动的重要机制.一个好的切换算法要尽量减少通信掉线率和通信阻塞率.根据切换过程中涉及的网络种类可以将切换分为垂直切换和水平切换.其中垂直切换被定义为不同网络间发生的切换,水平切换为同种网络间发生的切换.

当今,各种各样的无线接入网技术蓬勃发展.于是下一代网络的目标就是融合不同的接入网,使其彼此合作,这样就可以保证全球移动性和服务连续性,所以现在垂直切换机制极为重要并得到了广泛应用.

作为成熟的第三代移动通信网络技术,WCDMA已经得到了广泛应用.另一种技术,WLAN,也已经广泛应用在小型区域中,例如实验室,楼房,校园等.专家们对WLAN和WCDMA之间的垂直切换已经进行了大量的研究.TD.SCDMA全称是时分同步的码分多址技术。它是由中国提出的第三代移动通信技术标准.这个新兴技术引起了全球的关注,但是这个技术还并不成熟,其性能还需要进一步的改进.

本文对WLAN和TD.SCDMA之间的垂直切换进行了研究,并与WLAN和WCDMA之间的垂直切换进行了比较.切换性能的评估涉及到无线资源管理(Radio Resource Management,RRM)机制中的全部或者部分功能.无线资源管理用于对移动通信系统的空中接口资源进行规划和调度.无线资源控制由多个部分组成:接纳控制,负载控制,切换控制,功率控制等.本文主要使用接纳控制算法对垂直切换的性能进行评价.接纳控制的主要作用是保证已有用户的服务质量.当一个新的连接想接入到本网络中来的时候,网络将触发接纳控制机制来监测网络中的负载,并在保证已有用户质量的前提下,通过一定的算法来计算空闲资源是否足够来接纳这个新的连接.

用来评价切换性能的参数有很多,例如:延迟,通话掉线率,通话阻塞率等.本论文的工作重点主要是通过通话掉线率和通话阻塞率这两个参数来对这垂直切换的性能进行分析和对比.

1.2课题研究内容

论文使用MATLAB平台来模拟WCDM纠WLAN和TD.SCDM刖WU州这两种异构网络的垂直切换机制,并对这两种垂直切换场景下的异构网络性能进行对比.

论文对复杂的网络环境进行了简化并选用了一些典型应用对异构网络的切换性能进行了分析.

论文对比的性能参数为通话掉线率和通话阻塞率。这些参数主要是通过模拟各个网络的接纳控制机制来获得的.对于WCDMA和TD.SCDMA网络的接纳控制机制,论文采用了基于吞吐量的控制算法(Throughput.based),而对于WLAN,采用了基于两个门限值的接纳控制算法.

论文首先研究的是这两个异构网络的垂直切换机制对单个服务的承载能力,这些服务包括WW'W9语音和视频服务,然后对比了当网络中同时存在多种服务时这两种垂直切换的性能.本文仅考虑了WWW和语音服务共存的情况.

1.3论文结构

论文的组织结构如下所示:

第二章介绍了WCDMA,TD.SCDMA和WLAN网络的原理以及特点并且对无线资源管理机制进行了简要介绍。最后描述了MATLAB平台的特点.第三章主要介绍了无线资源管理机制中一个主要部分:接纳控制机制.对WCDMA,TD.SCDMA以及WLAN的接入控制算法分别进行了较为详细的说明.

第四章主要讨论和分析了研究中所使用到的所有子模型.这些模型包括切换模型,无线传播模型,距离模型,用户的移动模型以及各种网络服务的流量模型。其中无线传播模型和距离模型用来计算移动终端接收到的信号强度以及移动终端与基站之间的距离,并且切换模型参考这两个参数来决定切换是否被触发。用户移动模型用来模拟网络中各个用户的运动路径。流量模型用来模拟某特定网络服务的流量情况。本论文中研究的网络服务有视频服务,语音服务和网页服务.

第五章模拟了WI AN/WCDMA和WI A卜加D.SCDMA这两个垂直切换机制,最后对其性能进行了分析和对比.

第六章对整篇论文进行了总结,并讨论了此项研究今后的工作.

2

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第二章技术综述

一早仪不练尬

2.1 WCDMA技术综述

2.1.1 WCDMA简介

WCDMA全名是WidebandCDMA,中文译名为“宽带码分多工存取”.WCDMA是一种由3GPP具体制定的,基于GSM MAP核心网,UTRAN(UMTS 陆地无线接入网)为无线接口的第三代移动通信系统.当前,WCDMA是3G的主流技术之一,其余还有CDMA2000和TD.SCDMA.CDMA2000技术比WCDMA成熟,但其全球漫游能力却远远不及WCDMA.WCDMA在欧洲和日本已经得到了广泛应用,并有较高的扩频增益,发展空间很大.WCDMA与GSM,IS.136和PDC兼容,是GSM的一个升级,它提

供了更大的网络容量和数据传输率,而且WCDMA还可以提供更高质量的数据传输.

WCDMA采用了直接序列扩频码分多址(DS.CDMA)、频分双工(FDD) 方式,码片速率为3.84Mcps,载波带宽为5MHz.基于Release 99/Release 4版本,可在5MHz的带宽内,提供最高384kbps的用户数据传输速率。

WCDMA是无线的宽带通讯.GSM系统目前只能传送9.6Kbps,固定线路Modem也只是56Kbps的速率.而WCDMA可支持由384Kbps到2Mbps的数据传输速率.其中384Kbps的传输速率是在高速移动的状态下提供的,在低速或是室内环境下,则可提供高达2Mbps的传输速率。

WCDMA在同一传输通道中还可以提供电路交换和分组交换的服务,因此,消费者可以同时利用电路交换方式接听电话,然后用分组交换方式访问因特网,这样的技术可以提高移动电话的使用效率,使得我们可以超越在同一时间只能做语音或数据传输服务的限制。

2.1.2 WCDMA的主要特点

通过以上对WCDMA的简介,这部分主要介绍WCDMA的主要特点:

I.WCDMA可以支持很大的系统容量WCDMA射频收发信机能够处理的话音用户是典型窄带收发信机的8倍。

每个射频载波可处理80个同时话音呼叫、或者每个载波可处理50个同时的

3

Intemet数据用户。

2.WCDMA可以承载多种服务

在同一信道上,WCDMA即可进行电路交换业务也可以进行分组交换业务.真正的多媒体业务通过在单一终端上进行多个电路和分组交换连接而实现。每个WCDMA终端可以同时接入6个服务,并且可以支持不同质量要求的业务(例如话音和分组数据)。

3.WCDMA可以支持的电路交换业务包括基本电话业务,电路多媒体业务,智能网络业务,点对点业务等,而其支持的分组交换业务包括移动OICQ,移动游戏,移动冲浪,通过手机接收和发送邮件等等.

4.WCDMA可以提供高速,多样的用户数据传输率.

WCDMA具有支持多媒体服务的能力,尤其是可以支持因特网服务.相比而言,2G现今主要是用来支持语音服务,它的数据传输率为100--200kbits/s.除此之外,3G网络可以支持多种用户传输速率.在传输过程中,不同数据帧震中的用户传输速率可以不同,但是同一个数据帧中的传输率是不可改变的.6.WCDMA支持两种基本操作模型:频分双工方式(FDD)彝I时分双工方式(TDD).

上行链路指的是由移动终端到基站的连接,而由基站到终端的连接则被定义为下行链路.在FDD模式下,上行和下行链路将分别使用5MHz的载波频段,但在TDD模式下,上行和下行链路将共享一个5MHz的载波频段,只是占用不同的时间片.

7.卓越的话音能力

GSM网络中每个小区只能处理大约100个话音呼叫,而WCDMA的每个小区能够处理至少192个话音呼叫.

8.网络规模更加经济WCDMA的预计传输成本将节约50%左右.WCDMA 通过高效的数据分组

处理方法,将标准El/T1线路的容量提高到了大约300个话音呼叫,而现在的网络只有30个话音呼叫。

9.无缝的GSM舢MTS接入

双模终端将在GSM网络和UMrS舯2000网络之间提供无缝的切换和漫游,在两个接入系统之间将有尽可能大的业务映象。

10.快速业务接入WCDMA采用一种新的随机接入机制来支持多媒体业务的即时接入,移动

用户和基站之间建立连接只需零点几毫秒.并且WCDMA利用快速同步来处理

4

384Kbps分组数据业务.

2.1.3 WCDMA切换机制

在GSM网络中,其核心技术之一就是硬切换.硬切换就是一个”先断后接”的过程.具体的过程就是当移动终端发生切换时,先将原基站的信道释放,之后再寻找可以连接的新基站,建立新连接.CDMA系统提出了一种新的切换技术,软切换.软切换与硬切换不同,它是”先接后断”的过程.[ZC,00]即当移动终端处于切换状态下,两个或者更多的基站对其进行监测,然后基站控制器从

中选出一个信号质量最好的基站与终端建立新的连接,之后终端才释放原基站

的信道.通过以上对软切换和硬切换的比较,我们可以看出硬切换在过程足够快的

情况下,用户就感觉不到它的影响,但当终端处于屏蔽区时,掉线就发生了.而软切换由于其”先接后断”的特点,使终端掉线率大大降低.在WCDMA系统中。软切换有着非常广泛的应用.

现在,WCDMA系统采用的切换技术有硬切换,软切换和更软切换[ZSL00].其中硬切换发生在WCDMA网络覆盖的边缘和多载频边缘的情况下.即当两个小区的载波频率不同时,或者终端从WCDMA系统进入到其他系统(如GSM系统)时,硬切换就不可避免了.而软切换发生在相同的CDMA频道中的切换.它涉及的小区或者扇区属于不同的基站软切换可以是跨无线网络控制器(Radio Network Controller,RNC)的切换或同RNC的切换[sc,oo].而对于更软切换,发

生在移动终端位于一个基站的两个相邻扇区的小区覆盖重叠区域,它只涉及一

个基站.更软切换过程中并不需要移动交换中心的参与,.

2.2 TD.SCDMA技术综述

2.2.1 TD.SCDMA简介

TD.SCDMA的全称是Tune Division.Synchronous Code Division Multiple Access,即时分同步的码分多址技术.TD.SCDMA是中国提出的第三代移动通信标准,并被国际广泛接受和认可.作为第一个以我国知识产权为主的无线通信国际标准,TD.SCDMA是我国电信史上重要的里程碑.

TD.SCDMA是集CDMA、TDMA、FDMA技术优势于一体、系统容量大、

频谱利用率高、抗干扰能力强的移动通信技术,它采用了智能天线、联合检测、

本文来源:https://www.bwwdw.com/article/pnbq.html

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