序言
无线系统和网络正在逐渐从以话音为中心的第1代技术,演进到能够额外提供非实时低数据速率业务的数字系统。撇开从第1代到第2代的演进过程不说,蜂窝系统的数据速率仍然停留在较低的水平。相反,无线局域网能够提供较高的总数据速率,且从理论上讲,已经能够实现与互联网及其相关协议的兼容。后来引入了面向分组的蜂窝网络,这些网络能够兼容互联网协议(IP),或者能够与20世纪末出现的GPRS、EDGE、IS-95和IS-136系统实现互连互通。驱动因素主要是蜂窝网络和业务与互联网及相关多媒体业务兼容的呼声越来越高,以实现覆盖范围的最大化。如果不实现网络互联,蜂窝网络将无法从迅猛发展的互联网及不断增长的多媒体应用与业务中受益。

互联网和数据业务应用的不断深入,也催生了面向分组的系统。各种各样的高级无线电技术也为在无线网络中大规模引入多媒体业务提供了有利条件。最为常用的技术包括自适应调制与编码(AMC)、链路自适应、调度、复杂检测与编码技术以及诸多用于改善无线网络性能的方法。通过采用自适应调制与编码技术,可以实现较高的频谱效率;通过采用链路自适应技术,可以降低无线信道损耗;通过采用调度技术,能够支持智能分配与资源共享,以实现容量扩充;通过采用复杂的检测与编码技术,可以有效地解决多用户干扰问题。多发送多接收天线也可用于实现较高的数据速率,提高系统容量。事实上,达到高数据速率需要引入空域、时域和频域分集技术。无线局域网已经开始使用分集技术。蜂窝网络有望在不远的将来充分利用这三维领域中的相关技术。例如,欧洲的通用移动通信系统(UMTS)技术正在为此项演进作准备,作为UMTS空中接口以及接入网和核心网体系结构的标准制定机构,第3代协作项目组织(3GPP)已经连续发布多个版本标准,促进网络的融合。目前,3GPP正准备引入多天线技术,来完成UMTS体系结构增强版标准制定的最后一个阶段。

目前,不管是基于TDMA和CDMA的无线系统,还是基于OFDM的无线系统,在引入这些关键特征时都非常谨慎。第3代蜂窝系统有望通过分阶段引入自适应调制与编码(AMC)、调度和分集技术,来提高频谱效率(每个蜂窝的容量)和数据速率(每次会话或每种应用)。对应于欧洲WCDMA标准的UMT SFDD模式,从R5版本以后,开始包含了自适应调制与编码(AMC)、调度和混合自动请求重传(HARQ)技术。

但是,在初始阶段(即UMTS的R99版本中),主要是依靠基于CDMA的无线和接入技术。该版本适用对象是GPRS核心网中的分组域,可通过隧道协议和网关来提供部分IP融合业务。在演进过程中,仅仅做到这一步还是远远不够的,必须要实现与IP的完全兼容。.R99版本中规定的空中接口也无法提供所需的高数据速率。R99之后的版本,为了实现GSM和GRPS到UMTS 3G的平滑过渡,从R5版本到R7版本,在标准中都引入了大量增强方案,来支持灵活的、具有自适应特性的分组传输,并能够提供基于互联网的业务。由互联网工程任务组(IETF)提出的会话发起协议(SIP)也被3GPP采纳,用于在UMTS中建立和控制会话,其原理和流程与互联网非常类似。接着,3GPP又通过引入IP多媒体子系统(IMS),进一步增强了网络的融合能力。

在数据链路层(无线链路控制和媒体接入控制)和无线资源控制层,第1个增强方案是在:R99版本专用信道旁的共享信道下行链路中添加的。专用信道适用于实时业务,但不适用于分组业务。如果仅使用专用信道,则会浪费宝贵的资源(对应于CDMA中的功率与代码),容量也会大大降低。共享信道的引入能够节省能源,降低干扰,提高系统容量。最近,在上行方向也添加了增强方案。

如前所述,提高数据速率可通过在信道中引入自适应调制与编码(AMC)和无线链路自适应技术来实现。目前,大多数系统将AMC和其他技术进行集成,来提高空中接口的数据速率和可靠性。UMTS数据链路层使用HARQ来重传接收错误的无线数据块,以提高链路的可靠性。UMTS中的标准测量方法和质量指示符,为实现高效的调制与编码选择及链路自适应提供了多种方式。

除了在标准中引入AMC之外,在共享信道上引入调度技术,可以提高系统容量和提供基于分组的多媒体业务。共享信道上的调度技术必须充分考虑到无线信道状态、蜂窝中的移动位置以及用于提供有形吞吐量、容量、时延改善功能的业务类型。此外,调度技术还必须确保用户和应用的公平性。

在网络中,通过在空中接口引入新特征来提高数据速率和增强数据传输可靠性,会对端到端的性能和效率产生一定的影响。基于ARQ与高层协议交互的重传机制,尤其是对与IP同时使用以提供非实时业务的传输控制协议(TCP)来说,影响会更加显著。实时业务通常使用用户数据报协议(UDP)/IP来提供,流媒体业务通常使用实时流媒体协议(RTSP)/实时传输协议(RTP)/IP来提供。跨层设计会对总的吞吐量和容量产生显著影响。在描述这些交互过程和提出用于防止或降低因在无线网络中引入ARQ及其他技术导致的任何一种负面效应的建议时,尤其需要注意,因为ARQ及其他技术不可避免地会与核心网中的拥塞控制机制发生相互作用。

在学术界,早期已经有人对无线链路控制机制和TCP之间的交互进行了研究,当空中接口上的随机误差被TCP错误地作为固定网络部分的拥塞进行处理时,他们提出了许多TCP变种来降低和消除交互过程。在本书的第6章,我们将详细描述当前可用的大量TCP变种。当人们对TCP进行修改试图降低由发生在无线链路上的错误导致的跨层负面效应时,虽然一些方法给出了链路层的解决方案,可是大多数方法不符合端到端的IP范式。在这些方案中,目前只有少数方案在用。通常,在位于公用陆地移动网(PLMN)无线核心网边缘的网关处使用分离TCP,将互联网与PLMN分离开来,这样可以避免TCP与无线链路误差与恢复机制之间的相互影响。在人们探索标准或原始TCP的替代方案时,由于一些TCP版本在互联网上得到了广泛的部署,因而已经成为事实上的标准。本书第7章将在详细分析采用HARQ和调度技术的UMTS的基础上,对常用的、公认的TCP版本进行介绍。

本书结构支持那些已经掌握了UMTS或TCP及其变种的读者,跳过某些章节,直接浏览他们感兴趣的书稿内容。本书的总体结构如图l所示,包含两个主要部分,第1部分(第1~4章),主要提供无线网络的背景知识,尤其是作为第3代无线技术之一的UMTS网络背景知识。第1部分还对UMTS R99和高速下行链路数据分组接入(HSDPA)系统的蜂窝总容量进行了分析和建模。第2部分(第5~7章)主要研究TCP与无线系统之间的交互,这一部分对无线网络上的TCP进行了深入的研究,并对uMTS网络中的HARQ和TCP的交互(包括、HSDPA能力)进行了分析,并建立了数学模型。

第1~4章提供了无线传播信道和蜂窝等典型网络(重点是GSM和CPRS)的体系结构的背景信息,使读者对向UMTS的过渡有一个较为深入的理解。UMTS网络在体系结构以及诸如AMC、HARQ和调度等方面特性将在后面进行描述。第1章对无线传播信道在路径损耗、快衰落和遮蔽等方面的特性进行了简要介绍,对信道响应行为进行了分析,并使用一节的篇幅来描述UMTS标准中规定的传播参考模型,用于设计各种环境条件下的系统。第2章为不熟悉CDMA系统的读者简要介绍了CDMA的工作原理。第3章首次引入了UMTS网络,给出了UMTS的总体结构,然后对标准中定义的物理信道和逻辑信道进行了描述。UMTS无线链路层、媒体接入控制层、功率控制和切换等问题构成了本章的主要内容。

第4章描述了UMTS R5版本中引入的HSDPA。HSDPA通过在具有高速调度能力的共享信道上采用AMC、HARQ和调度技术,可以有效提高数据速率。一种新型定时结构可用于实现高效调度和获取有效的容量增益,这种定时结构的传输间隔粒度可达到2ms之低。同时,第4章还提供了在使用基于Chase合并的HARQ技术时,诸多重传机制的统计特性。第4章中的这些结果与调度和蜂窝容量模型一起,作为后面第7章推导端到端通信时UMTS HSDPA蜂窝容量公式的背景知识。

第5章对互联网中的TCP进行了介绍,它是第6章和第7章的背景知识,本章涉及无线链路上的TCP性能以及当无线链路控制机制和TCP应用于主机之间的端到端路径时面临的跨层交互问题。第6章对无线网络上的TCP性能进行了更为详尽的介绍。本章给出了TCP版本的完整列表,分析了链路层的解决方案,包括对TCP进行修改(通常修改原始TCP),使其适应无线网络。通过对TCP进行设计,可用于处理固定网络和互联网中的拥塞问题,但这种方法不适用于通过互联基础设施进行的无线通信。

第7章乍看起来是分析无线链路控制(RLC)和专门用于UMTS HSDPA的TCP之间的作用过程的。事实上,本章有更为丰富的内容,它明确提出在空中接口上使用调度技术的系统在不违反端到端IP范式的情况下,比利用调度技术来降低(如果不是消除)RLC—TCP交互的情况好一些。本章提出了一种分析模型,通过使用正比公平调度技术和事实上的TCP Reno拥塞控制算法,来估计HSDPA的蜂窝吞吐量。第7章给出的结果表明,无线系统可以通过调度算法来实现使用TCP的低层协议之间交互的最小化,以及在不违反IP范式的情况下实现系统容量优化。蜂窝吞吐量的分析表达式对容量行为进行了深入的描述。该数学模型可用于评估使用HSDPA技术的UMTS版本的性能发展趋势。

图1用于为读者学习每章内容提供潜在的线索,并描述了对于熟悉无线系统或互联网协议但又对两者不是完全熟悉的读者来说,哪些章节可以跳过。熟悉无线系统和CDMA原理的读者可以跳过第1章和第2章。第3章提供了UMTS网络体系结构方面的背景知识,对于那些不熟悉第3代无线网络的读者来说是非常有用的。这3章和第4章对于那些仅具有互联网及其相关协议知识的读者来说是非常必要的。第4章对于所有不熟悉HSDPA的读者来说是必读的。第5章对TCP进行了描述,并为第6章和第7章提供了必要的背景知识。熟悉IP和TCP知识的读者可以跳过第5章的内容。第6章和第7章给出了无线网络的TCP性能与用法。第7章对UMTS HSDPA系统的TCP进行了分析、建模和性能研究,它尝试通过使用调度技术来降低TCP和HSDPA无线链路层机制之间的交互。



按 Ctrl+p 打印本页】【关闭