蜂窝网和自组织网络融合技术的研究

论文摘要

上个世纪八十年代末,蜂窝通信网的建成使得大规模无线通信第一次成为可能,并由此揭开了无线通信蓬勃发展的序幕。到了二十一世纪的今天,无线通信相关的各种新概念、新技术层出不穷,无线通信系统也经历了从第一代到第三代的演变过程,这段发展历程证明一个事实:业务的需求推动了技术的不断发展。目前,语音业务已经不再是运营商利润的中心或是竞争的焦点,取而代之的是正在崛起的高速无线数据业务和宽带多媒体业务,用户需要从语音、数据和图像融为一体的服务中获得更加丰富的业务体验。在这样的背景下,蜂窝网的容量受限成为一个不可回避的问题,从而引发了当前研究领域的一个新热点:通过蜂窝网和自组织网络的融合来满足人们对末来移动通信的需求。本文旨在通过软件升级的方法,在TD-SCDMA空中接口上实现蜂窝网模式和终端直联模式的融合。由于传统上下行链路以及对等链路的共存会引入相当大的互干扰,本文采用多载波的方案为混合网络设计了合理的频率分配,传统的蜂窝网链路以及信令链路使用主载波,直联链路使用辅载波,从而有效的隔离了两类链路之间的干扰。在这一方案中,终端首先需要在主载波上以蜂窝网模式接入,所以对等终端都具有以基站为参照的初始同步。为了使对等终端之间能够在没有基站控制的情况下实现同步接收,本文提出了使用训练序列相关检测的方法,建立对等用户之间帧同步的方案。利用以基站为参照的初始同步,以及直联通信距离的限制关系,将检测窗口限制在较小的范围内,从而提高了相关检测的准确性。链路仿真表明这一方案就终端直联所支持的通信范围,可以达到和传统小区搜索序列接近的性能。由于CDMA为一个自干扰的系统,新的网络规划下的分布式拓扑结构也给MAC层的协议设计带来了挑战。针对这些问题,本文提出了一种全新的基于预演的分布式接入控制协议。利用TD-SCDMA系统原有帧结构在辅载波上的空闲时隙资源,分配了一个和数据时隙完全独立的接入控制时隙,并在这个时隙上解决多用户接入的冲突检测、干扰控制以及信道分配的问题。这一协议可分为三个步骤:探测、预演和反馈。其中的预演步骤在接入控制时隙上模拟了新用户接入后数据信道上的通信情况,使得新用户和已接入用户之间递归的相互干扰得到了测量。该协议可以在保证数据链路质量的前提下,提高系统容量,而且当并发业务增大时,数据包的平均接入延迟也得到改善。针对分布式的对等链路具有通信距离短,干扰范围小的特点,本文提出了一种同小区空间资源复用的策略。一个小区内多对间隔足够远的直联链路可以共享相同的无线资源。考虑到这一策略下新的干扰环境,本文首先从频域分析得出最恶劣干扰模型假设下的简化SINR模型,接着从时域推导出拟真实的SINR模型,为进一步的系统仿真建立了基础。系统仿真表明采用同小区空间资源复用策略可以使系统容量获得很大改进。通过将这一结果和小区的硬容量作比较,得到了区分小区为资源受限还是干扰受限的临界SINR值。采用六边形填充的方式,进一步推导出同码道复用距离和直联通信距离之间的关系,从而为空间资源复用策略的应用推广提供了实际指导。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 英文缩略语表
• 第一章 绪论
• 1.1 网络融合技术概述
• 1.1.1 蜂窝移动通信网
• 1.1.2 移动自组织网络
• 1.1.3 蜂窝网和自组织网络的融合技术
• 1.2 网络融合技术的研究现状
• 1.2.1 通信接口的集成
• 1.2.2 网络架构的融合
• 1.3 本文的主要内容和贡献
• 1.4 本文的结构安排
• 第二章 混合网络模型
• 2.1 TD-SCDMA系统
• 2.1.1 TD-SCDMA系统在中国的可用波段
• 2.1.2 多载波TD-SCDMA系统的发展
• 2.2 混合网络的多载波方案
• 2.3 链路模式的选择和切换
• 2.3.1 链路模式的选择
• 2.3.2 链路模式的切换
• 2.4 无线信道模型
• 2.4.1 路径损耗模型
• 2.4.2 阴影衰落模型
• 2.4.3 多径衰落模型
• 2.5 城区路径损耗模型下的链路预算
• 第三章 混合网络的帧同步方案
• 3.1 同步技术
• 3.2 TD-SCDMA系统的同步方案
• 3.3 直联链路的同步接收问题
• 3.4 局部相关检测的搜索窗口
• 3.5 相关检测可行性的仿真验证
• 3.5.1 仿真参数
• 3.5.2 仿真结果
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于预演的分布式接入控制算法
• 4.1 引言
• 4.2 自组织网络的常用MAC协议
• 4.2.1 载波侦听多路访问
• 4.2.2 忙音多址接入
• 4.2.3 冲突避免的多址接入策略
• 4.2.4 双忙音多址接入
• 4.2.5 基于预留策略的 MAC协议
• 4.2.6 802.11/802.lle的MAC协议
• 4.3 蜂窝 CDMA系统的上行接入控制算法
• 4.4 CDMA自组织网络的接入控制算法
• 4.4.1 需要解决的问题
• 4.4.2 扩频码的分配
• 4.4.3 CDMA系统中的远近效应问题
• 4.4.4 现有的针对基于CDMA自织织网络的MAC协议
• 4.5 基于预演的分布式MAC协议
• 4.5.1 独立的接入控制信道
• 4.5.2 三步骤的接入控制流程
• 4.6 仿真结果与分析
• 4.6.1 吞吐量性能
• 4.6.2 延迟性能
• 4.7 本章小结
• 第五章 同小区空间资源复用策略
• 5.1 引言
• 5.2 TD-SCDMA系统干扰环境分析
• 5.3 简化的SINR模型
• 5.4 拟真实的SINR模型的推导
• 5.4.1 两对直联用户的场景
• 5.4.2 多对直联用户情况下的SINR模型的推导
• 5.4.3 计算信道码之间的互相关
• 5.4.4 补充讨论
• 5.5 仿真模型和参数
• 5.5.1 网络模型和业务模型
• 5.5.2 仿真参数
• 5.6 仿真结果与分析
• 5.6.1 系统容量改进
• 5.6.2 临界SINR值
• 5.6.3 同码道复用距离的推导
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 未来工作展望
• 6.2.1 完全离线状态下直联通信的建立
• 6.2.2 路由协议
• 6.2.3 更复杂的信道化码分配策略
• 6.2.4 链路模式的快速切换
• 6.2.5 安全认证
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表或录用的学术论文目录