王強強
(東莞理工學(xué)院 城市學(xué)院,廣東 東莞 523106)
和2G(2nd Generation)網(wǎng)絡(luò)面向語音服務(wù)不同,3G (Third Generation)網(wǎng)絡(luò)以面向數(shù)據(jù)為主。受電磁波傳播特性的限制,3G移動通信蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的蜂窩比2G的要小得多。因此,用戶在使用3G網(wǎng)絡(luò)時,發(fā)生切換的概率和頻率要更大。筆者從通用移動通信系統(tǒng)UMTS(Universal Mobile Telecommunication System)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)SRNS(Serving Radio Network System)重定位入手,對用戶UMTS網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生的切換進(jìn)行了分析和研究,提出了一種新的SRNS重定位機(jī)制,并對其進(jìn)行了仿真驗證。
在國際電信聯(lián)盟 ITU(International Telecommunication Union)通過的4個3G標(biāo)準(zhǔn)中,以WCDMA的應(yīng)用最為廣泛。UMTS網(wǎng)絡(luò)使用了WCDMA技術(shù)作為接入手段,已經(jīng)在世界上許多地區(qū)和國家部署。圖1是UMTS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
一個UMTS網(wǎng)絡(luò)主要由核心網(wǎng)CN(Core Network)、接入網(wǎng) UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network)和用戶設(shè)備 UE (User Equipment)3 部分組成:
1)核心網(wǎng)CN的主要作用是為用戶業(yè)務(wù)提供交換、路由和轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù);同時也包含了數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)管理功能;
2)接入網(wǎng)UTRAN支持用戶數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收、編碼、無線資源管理、功率控制和切換控制等功能;
圖1 UMTS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Architecture of UMTS
3)用戶設(shè)備UE除了為用戶接入到UMTS網(wǎng)絡(luò)提供了可能性之外,還支持用戶鑒權(quán)等安全功能。
越區(qū)切換指的是在專用模式下,移動臺改變了當(dāng)前小區(qū),使用了一條專用信道[1]。UMTS網(wǎng)絡(luò)中的切換可以分為以下幾類[2]。
硬切換是指不同頻率的基站或扇區(qū)之間的切換。在切換過程中,移動臺必須在指定時間內(nèi),先中斷與原基站的聯(lián)系,調(diào)諧到新的頻率上,再與新基站取得聯(lián)系。因此,硬切換是“先斷開,后切換”。切換時,要在原話音信道上送切換指令,移動臺需要暫時停止通話,然后調(diào)諧到新的信道頻率上。
軟切換是指同一頻率不同基站之間的切換。在切換過程中,移動臺同時與原基站和新基站都保持著通信鏈路,一直到進(jìn)入新基站并測量到新基站的傳輸質(zhì)量滿足指標(biāo)要求后,才斷開與原基站的連接。因此,軟切換是“先切換,后斷開”。在切換過程中,移動臺并不中斷與原基站的聯(lián)系,真正實現(xiàn)了“無縫”切換。
更軟切換是指移動臺在同一基站小區(qū)中不同扇區(qū)間的軟切換。
UMTS網(wǎng)絡(luò)中硬切換會導(dǎo)致SRNS的發(fā)生,同時由于硬切換是先斷后連,切換過程中勢必造成用戶數(shù)據(jù)分組的丟失。
在UMTS網(wǎng)絡(luò)中,SRNS重定位屬于移動性管理范疇。它指的是 UE的SRNS從一個無線網(wǎng)絡(luò)控制器 RNC(Radio Network Controller)變成另一個RNC的過程,這意味著控制層面和用戶層面都移動到了新的RNC。圖2是傳統(tǒng)的SRNS重定位消息交換過程的描述。
圖2 傳統(tǒng)SRNS重定位消息交換過程Fig.2 Message flows of classic SRNS relocation
傳統(tǒng)的重定位操作是由源RNC發(fā)起的[3],過程如下:
1)源RNC發(fā)出“要求重定位”的消息給核心網(wǎng)部分的GPRS服務(wù)支持節(jié)點 SGSN (Serving GPRS Support Node),并且啟動了計時器TRELOCprep;
2)SGSN發(fā)出“重定位請求”給目標(biāo)RNC,為目標(biāo)RNC預(yù)留資源;“重定位請求”消息中包含建立用戶平面承載RAB(Radio Access Bearer)時的所有必要信息,這些信息必須和重定位前的相符;SGSN發(fā)出“重定位請求”消息,啟動計時器TRELOCalloc;
3)目標(biāo)RNC在收到“重定位請求”后,就馬上分配資源;等所有資源都準(zhǔn)備好之后,就發(fā)出“重定位請求確認(rèn)”消息給SGSN;
4)資源調(diào)配完畢后,SGSN發(fā)出“重定位命令”給源RNC,并且啟動計時器TRELOCcomplet;
5)源RNC將復(fù)制的數(shù)據(jù)分組通過Iur接口轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)RNC;
6)在收到 “重定位命令”后,源RNC停止計時器TRELOCprep,并啟動計時器Tdatafwd。至此,重定位準(zhǔn)備階段結(jié)束了,重定位過程開始。源RNC發(fā)送“重定位提交”給目標(biāo)RNC;
7)目標(biāo)RNC收到“重定位命令”后,發(fā)出“重定位發(fā)現(xiàn)”消息給SGSN,開始重定位操作;
8)當(dāng)重定位操作完成后,目標(biāo)RNC發(fā)出“重定位結(jié)束”給SGSN。至此,移動臺順利地接入了新的小區(qū)。圖3為傳統(tǒng)的重定位過程中下行業(yè)務(wù)流程圖。
圖3 傳統(tǒng)重定位過程中的下行業(yè)務(wù)流程圖Fig.3 Diagram on downlink in classic relocation procedure
分組數(shù)據(jù)匯聚協(xié)議PDCP(PacketDataConvergenceProtocol)層位于無線鏈路控制RLC(Radio Link Control)層之上,僅存在于用戶平面,用于處理分組業(yè)務(wù)。PDCP層除了可以用來傳輸用戶數(shù)據(jù)外,還支持互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議IP(Internet Protocol)數(shù)據(jù)流的首部壓縮和無損SRNS重定位[4]。
在SRNS重定位的情況下,上層指示PDCP對某一RAB的所有壓縮實體執(zhí)行重新初始化。只有當(dāng)無線鏈路控制層RLC(Radio Link Control)被配置為按序傳輸及確認(rèn)模式時,才使用無損SRNS重定位。由上層來配置“支持無損SRNS重定位”。為了支持無損SRNS重定位,PDCP需維護(hù) PDCP SDU (PDCP Service Data Unit)的序列號,介于 0~65 535 間。在PDCP發(fā)送方和接收方之間,這些序列號被同步。當(dāng)執(zhí)行一個無損SRNS重定位時,UE和UMTS無線接入網(wǎng)UTRAN(UMTS Terrestrial Radio Access Network)之間通過交換序列號來證實那些已被發(fā)送但尚未為被接收端確認(rèn)的PDCP SDU。重定位完畢后,數(shù)據(jù)分組的轉(zhuǎn)發(fā)將從第一個未被確認(rèn)的PDCP SDU開始。
在一次無損SRNS重定位中,UTRAN應(yīng)向移動臺發(fā)出下一個UL_Receive PDCP序號;移動臺應(yīng)向UTRAN發(fā)出下一個DL_Receive PDCP序號。當(dāng)上層要求RAB連接配置成支持無損SRNS定位時,源RNC中的PDCP子層應(yīng)該向目標(biāo)RNC發(fā)送:
1)移動臺即將發(fā)出的下一個PDCP SDU的UL_Receive序號;
2)已經(jīng)發(fā)出但是未確認(rèn)的第一個PDCP SDU的DL_Send序號;
3)與已經(jīng)發(fā)出但是未確認(rèn)的PDCP SDU序號
4)尚未發(fā)送的PDCP SDU。
實時性業(yè)務(wù)對傳輸時延非常敏感,因此對上述重定位過程進(jìn)行修改,使得移動臺盡可能地完成SRNS重定位和切換過程,減少數(shù)據(jù)分組地丟失[5]。為了盡快地使移動臺接入到新的小區(qū),引入了“SGSN Bicasting”操作。 在“SGSN Bicasting”一開始,移動臺就進(jìn)行切換操作,并且切換在重定位完成之前就完成了。圖4是我們提出新方案的描述。
圖4 實時性業(yè)務(wù)的SRNS重定位Fig.4 SRNS relocation operation of real time service
新方案與傳統(tǒng)的SRNS重定位不同之處有:
1)在重定位準(zhǔn)備階段,SGSN在下行鏈路上進(jìn)行雙播Bicasting,數(shù)據(jù)分組的復(fù)制發(fā)生在SGSN處,而非源RNC處,使得切換可以提前開始;
2)SGSN向源RNC和目標(biāo)RNC進(jìn)行Bicasting操作;
3)在重定位完成時,目標(biāo)RNC通知SGSN停止雙播Bicasting操作。
可以看出,傳統(tǒng)重定位方案中,移動臺只能在重定位的最后階段(在所有資源被預(yù)留好之后)才能接入到新的小區(qū);新方案中,移動臺在SGSN開始雙播Bicasting后,就可以更換小區(qū),比傳統(tǒng)的重定位方案要早得多。圖5是采用新方案的重定位過程中的下行業(yè)務(wù)流程圖。
在仿真過程中,選用Web服務(wù)進(jìn)行考察。移動臺在移動中瀏覽Web網(wǎng)頁,從一個小區(qū)進(jìn)入到了新的小區(qū),觸發(fā)了SRNS重定位。并且假設(shè):
圖5 新方案下行業(yè)務(wù)流程圖Fig.5 Diagram on downlink in proposed scheme
1)到達(dá)目標(biāo)RNC的分組服從泊松過程;
2)每次會話產(chǎn)生的網(wǎng)頁數(shù)量Npage是幾何分布方差μNpage的變量;
3)一次會話中瀏覽連續(xù)兩個網(wǎng)頁間的瀏覽時間Dpage是幾何分布方差μDpage的變量;
4)會話中每個網(wǎng)頁產(chǎn)生的分組數(shù)量Npack是幾何分布方差μNpack的變量;
5)連續(xù)兩個分組到達(dá)的時間間隔Dd是幾何分布方差μDd的變量
對于以上參數(shù)的確定,參考了文獻(xiàn)[3]GPP TR101.112中推薦的值 (見表 1)。
表1 文獻(xiàn)[3]GPP TR101.112的推薦值Tab.1 [3]GPP TR101.112 recommended values
仿真流程圖如圖6所示。
圖6 仿真流程圖Fig.6 Diagram of simulation procedure
整個過程中,數(shù)據(jù)分組的處理遵循先進(jìn)先出FIFO(First In First Out)原則[6]。將圖6中的流程和圖3的SRNS重定位過程一一對應(yīng)。主要的仿真參數(shù)見表2。
表2 主要仿真參數(shù)Tab.2 The main simulation parameters
將傳統(tǒng)的SRNS重定位機(jī)制和新的SRNS重定位機(jī)制的性能進(jìn)行了對比。圖7是兩種方案下,分組丟失率和移動臺移動速度的關(guān)系。橫坐標(biāo)是移動臺[7]的移動速度,縱坐標(biāo)是切換過程中的分組丟失率??梢钥闯?,新的方案在同樣的移動速度下,分組丟失率比傳統(tǒng)的SRNS重定位要小些,改善了15%左右。
圖7 兩種方案性能對比Fig.7 Result comparison of two schemes
本文對UMTS網(wǎng)絡(luò)中,由于硬切換引起的SRNS重定位機(jī)制進(jìn)行了研究和分析;并針對傳統(tǒng)的SRNS重定位過程所花時間過長的缺陷,提出了一種新的SRNS重定位機(jī)制。仿真結(jié)果顯示,新方案在分組丟失率方面比傳統(tǒng)的機(jī)制要減少了15%左右。
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