蜂窝数字移动通信（通用7篇）
蜂窝数字移动通信 篇1
随着社会节奏的加快, 产品的更新速度越来越快, 而且实际的通信系统功能结构相当复杂, 因此, 在对原有的通信系统做出改进或建立一个新系统之前, 通常需要对这个系统进行建模和仿真, 通过仿真结果衡量方案的可行性, 从中选择最合理的系统配置和参数设置, 然后再应用于实际系统中。而MATLAB是最具影响力、最有活力的软件之一, 在科学运算、自动控制、通信仿真等领域有广泛应用[1,2,3,4,5]。利用MATLAB实现DS-CDMA系统的仿真, 设计系统的主要模块和参数, 是目前研究的热点之一, 同时它也代表了以后CDMA设计的发展方向。
1 CDMA系统仿真结构
CDMA通信系统是在扩频通信的基础之上发展起来的, 整个系统主要包括信源、扩频、调制、信道、同步、解扩、解调、判决等部分[6]。为降低设计复杂程度, 本设计不涉及PN码的跟踪、捕获等同步问题, PN码同步的仿真由直接从发射端的PN序列发生器[7]接入到接收端实现。此外, 本设计采用相互正交 (准正交) 的不同的PN码对信息序列进行调制, 避免了信息序列先乘以地址码再乘同一PN码造成的仿真复杂度增加。
图1中示出了信源、扩频、2PSK调制、接收机等主要部分的设计, 以下就各部分设计作简要说明:
1) 信源部分:信源一般为模拟语音信号, 经A/D转换成数字信号, 但简单起见, 本设计采用二进制序列发生器直接模拟语音信号经A/D转换成的码序列。一般CDMA通信系统发送端是多用户同时发生信号, 在接收端采用相关检测进行解调的, 因此本设计模拟3个用户同时通信, 在发送端采用3个二进制序列发生器分别产生互不相关的二进制随机序列。
2) 扩频部分:扩频部分主要是PN码的设计, 选址通信中, 因为信号间必须正交或准正交。实现这一目的有两种方案可供选择, 一是选用正交性能很好的地址码对信息数据进行调制, 之后再用扩频码进行扩频调制, 二是直接用正交性能较好的扩频码进行扩频。相对来说, 第二种方案仿真时比较简单, 因为可用一个PN序列发生器设置相应参数经移位可产生正交性能较好的几个PN序列, 不过缺点就是正交性能比不上方法一, 这样必然会使接收机错误检测可能性加大, 接收机间的相互串址人为干扰加大。虽然如此, 为简单明了突出CDMA通信的原理, 本设计采用相对简单的方法二。
3) 2PSK调制部分:CDMA通信方案中可选用2PSK和QPSK调制, 2PSK CDMA只用一个PN序列扩展信息码流频谱, QPSK CDMA采用PNI、PNQ两个PN序列扩展信息码流, QPSK的信道利用率是2PSK的2倍。虽然QPSK CDMA的性能优于2PSK CDMA, 但2 PSK CDMA结构简单, 且相对来说性能也比较可靠, 因此本设计采用的是2PSK调制。
4) 接收机部分:接收部分模拟有3个用户正在通信, 接收机接收到信号后, 用发射部分的PN码来模拟本地产生的并已达到同步状态的扩频码来对接收信号进行解扩, 再用参数与发射部分完全相同的正弦波发生器来模拟本地产生的并已达到同步的本振信号, 设计中低通滤波器起到积分器的作用, 这样就构成相关检测, 最后对低通信号进行判决就能还原出原始信息序列。
整个系统是对CDMA通信系统的下行链路进行模拟仿真的, 虽然在性能方面不是按最高的要求去设计的, 但结构紧凑、简单且易于分析CDMA系统的通信过程。最后的仿真结果还是令人满意的。
2 参数设置与结果分析
1) 信源部分:信源部分有三个二进制序列发生器, 按仿真图上的顺序从上往下分别编号为user1, user2, user3, 其中抽样时间设为1e-3s, 0-1出现的概率都为0.5s, 初始化种子不同是为了产生互不相关的二进制数据以模拟3个不同用户产生的相互独立的用户信号。
2) PN码部分:在CDMA选址通信中, 既要实现选址又要实现扩频, 简单起见, 本设计采用的CDMA选址通信方案是, 用正交性较好的3个m序列, 一步到位的实现选址和扩频的目的。因为3个m序列间必须正交或准正交。本设计通过用一个PN序列发生器经两次移位产生三个正交性能较好的m序列来实现, 这样得到的三个m序列就相当于3个地址码, 之后三个m序列在扩频部分的仿真中将充当扩频码的角色。如前讲到的移位是通过延时单元来实现的。理论研究告诉我们对信息序列进行扩频要求PN码的码率比信息序列高很多。因此本设计设置PN码的抽样时间为1e-4s, 信息序列的抽样时间为1e-3s。这样PN码的码率要比信息序列高一个数量级。能充分保证仿真的效果。通过理论计算, 生成多项式为x 6+x+1, 即Generator polynomial为[1 0 0 0 0 1 1], 初始状态为[0 0 0 0 0 1], 相移为0, 抽样时间为1e-4s。延时单元分别延时4个和7个码元, 这样产生的PN码有较好的正交性能。即只需将delay (samples) 分别设置为4和7, 其他参数采用默认值。
3) 扩频部分:扩频就是将转换为二进制双极性的基带信号和用于扩频的码组直接相乘, 可用一个乘法器实现, 将信息序列和相应的PN码作为乘法器的输入, 则输出的就是扩频信号。乘法器参数全部使用默认设置即可。扩频过程的波形图如图1所示, 从波形图中可以看出当信息序列为+1时, 扩频后波形对应与原PN码波形是相同的, 而当信息序列为-1时, 扩频后波形对应与原PN码波形是正好相反, 这就是扩频调制的过程。从图中也可以看出, 为了实现扩频调制, PN的码率应该远远高于信息序列, 这样才能通过扩频信号波形与PN码的比较反映出信息序列的变化, 进而解调出信息信号。
4) 2PSK调制部分:三个扩频信号叠加到一起发送到2PSK调制器中进行调制, 本设计中2PSK调制就是将扩频信号和高频正弦信号相乘, 因为信息序列已经转换成双极性码了, 直接乘以载波就能形成2PSK信号。载波频率一般要求比PN码的频率高很多, 在本设计中为1e5*pi (rad/sec) , 正弦波发生器幅度为2, 相移为0, 角频率为1e5*pi (rad/s e c) , 其他默认设置。乘法器使用默认设置, 加法器的除了list of signs设置为+++外其他采用默认设置。
5) 信道部分:高斯噪声发生器采样时间设为2e-7, 加法器是两个输入, 则list of signs设为|++, 加法器形状设为圆形, 即Icon shape设为round。
6) 接收机部分:接收到的信号首先和本地产生的PN码相乘进行解扩, 这里本地产生的同步PN码用发送端的PN码来模拟, 解扩后的信号包含干扰信号和信息数据调制的2PSK信号。解扩后的信号和本地正弦波发生器产生的本振信号一同送入乘法器进行2PSK解调。2PSK解调之后的波形送入已设计好的低通滤波器和判决器, 和前面的乘法器共同构成相关检测过程。低通滤波器相当于一个积分器。乘法器和判决器都采用默认设置, 正弦信号发生器设置与发送端的正弦信号发生器相同, 这样才能模拟同步了的本地振荡器。低通滤波器采用5阶切比雪夫II型低通滤波器, 阻滞边缘频率为2e3*pi, 这个频率就是信息数据的频率, 这样高频信号不能通过, 而只有信息数据能够通过。
判决后输出的信号波形理论上应该与发送端的信息序列是一致的, 只会有很小的时移产生, 判决后输出的信号波形与发送端的信息序列波形进行对比, 发现结果和理论是一致的, 即信号与原信息吻合的很好。这也说明了本设计的正确性和准确性。
3 结论
通过仿真, CDMA通信系统的很多特点[8]得到了印证, 首先, 由于采用扩频通信, 当3个信号强度相同的用户的数据和噪声混到一起时, 对于某一个用户来说, 其他用户信息数据和噪声都算是干扰, 而且干扰强度是很大的, 因为各用户数据的信号强度是相同的, 这样, 相当于某用户信号淹没在了其他用户信号之下。但通过仿真发现, 接收机能够准确的还原出信号, 可见CDMA通信系统的抗干扰能力是很强的, 是所有其他通信方式无法比拟的。其次, 通过仿真也能发现, 信号是采用宽带传输的。同时, 在信道中传输的有用信号的功率比干扰信号的功率低得多, 因此信号好像隐蔽在噪声中;即功率谱密度比较低, 有利于信号隐蔽。其三, 接收端要具有和发送端一致的扩频码, 利用扩频码的相关性才能获取用户的信息, 这种通信方式的抗截获能力是很强的。其四, CDMA通信可以做到多个用户同时接收, 同时发送。
摘要：对CDMA系统建立仿真模型不仅可以减少研究成本, 也将大大缩短研究的时间周期。matlab中的SIMULINK仿真工具可以方便的更新设计模型, 容易达到良好的效果。本设计用Simulink对CDMA通信系统进行了仿真, 论述了多用户信息数据经扩频和2PSK调制进行无线发射。通过高斯信道后, 将接收信号解调为对应用户信息数据的详细设计过程。
关键词：CDMA,MATLAB,仿真,SIMULINK
参考文献
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[3]席在芳, 邬书跃, 等.基于SIMULINK的现代通信系统仿真分析[J].系统仿真学报.2006, 10
[4]许丽艳.CDMA通信系统多址干扰的仿真研究[J].青岛大学学报.2005, 6
[5]徐娟.DS/CDMA通信系统仿真的研究[D]:[硕士学位论文].广西:广西大学.1999
[6]袁超伟, 陈德容, 冯志勇.CDMA蜂窝移动通信[M].北京:北京邮电大学出版社.2003.24～88
[7]CDMA技术持点.http://www.lq001.com/blog/u/uvwx136/archives/2009/36211.html
蜂窝数字移动通信 篇2
这些测量应用软件支持蜂窝通信、无线网络和数字视频标准，使CXA成为能够提供全面测量应用的唯一经济型信号分析仪。这些新应用软件包括：
●蜂窝通信：GSM/EDGE、W-CDMA/HSPA和TD-SCDMA;
●无线网络：802.16 OFDMA和蓝牙———W9081A蓝牙测量应用软件符合蓝牙核心标准2.1版本+EDR和低功耗(LE) 标准，使X系列分析仪成为唯一支持蓝牙LE标准的信号分析仪;
●数字视频：DVB-T/H ISDB-T、DTMB和CMMB。
蜂窝移动通信无线网络的优化分析 篇3
关键词：移动通信,网络优化,优化指标,优化流程
无线移动通信技术的发展极大的推动了无线通信在人们生活中的普及与应用, 但是网络前期部署、用户数量增长、无线网络环境变化等情况都会对无线通信网络的性能产生影响, 因而在移动通信系统的日常维护中对无线网络进行优化是一项非常重要的工作。蜂窝网络的优化以实际系统性能和表现为基础, 以参数调整为主要手段, 可以为用户提供更高的无线覆盖率, 更令人满意的无线信号强度和更优质的网络通话质量。
1 移动通信网络的优化内容分析
移动通信网络用户量大, 用户应用复杂多样, 无论是实际建站过程中还是在后期运营维护中都需要对网络进行优化, 以提升网络的覆盖率, 调整网络资源配置, 解决因用户增加、环境变化或者网络故障等所带来的无线网络服务质量问题等。
针对无线通信网络的优化主要集中在使用相关测试设备对需要优化内容的参数信息进行采集与分析等方面, 具体如DT路测、性能统计、OMC信令跟踪以及CQT拨测等内容。根据优化时间和持续性还可以将网络优化划分为日常、中期以及长期三类。其中日常优化主要负责对网络中的断站现象、性能指标突发性恶化、系统非正常警告以及移动通信用户反馈等内容进行处理。中期优化主要是针对无法满足日常应用需求的性能指标或潜在的可能影响网络性能的问题进行优化或排除等。长期优化则是根据蜂窝移动通信无线网络的发展趋势, 在全网层面进行合理调整或优化。
2 无线通信网络的性能指标
对蜂窝网络进行优化其实就是对需要进行优化内容的相关参数进行数据采集与跟踪, 然后使用多种分析手段对所采集的数据信息进行综合分析, 从中查找与发现网络中存在的问题或可优化的参数, 进而通过修改与重新配置蜂窝网络的系统参数或相关功能软硬件模块参数等将蜂窝网络调整到最佳运行状态的过程。
实际工作中, 可用于考察蜂窝网络性能的主要指标包括通话质量、接通率、掉话率、网络覆盖情况等。通话质量是用户在进行无线通话过程中的通话体验。接通率是指有应答的呼叫次数与总呼叫次数的比值。掉话率越低说明网络的稳定性与可靠性越好。网络覆盖情况用于反映蜂窝网络的无线覆盖程度与可支持用户数。全网总话务量与每线话务量也是蜂窝网络中的一项重要考核指标之一。通过优化将两者的关系调整到平衡状态可有效提升蜂窝网络的通信设备利用率。
3 优化流程
蜂窝网络的优化目标主要是合理配置网络的软硬件参数, 控制系统运营成本, 提升系统资源利用率, 在提升网络运营经济效益的同时不断优化与改善网络的稳定性与可靠性。从该目标出发可以制定如下图1所示的优化流程。
该优化流程所使用的主要设备有路测仪、信令分析仪、频谱仪、通信终端等移动通信信号相关分析设备。上述设备准备完毕后即可使用相应的设备对蜂窝网络的参数信息进行集采与存储, 采集完毕的信息包含多种业务数据或通信信令数据, 使用相关软件对这些数据中的信息进行综合分析可以查找出当前网络环境中存在的问题或不足, 针对这些内容即可制定相关的优化方案。执行所指定的优化方案, 对相关参数进行调整或重新配置等即可实现对蜂窝网络的优化。
4 蜂窝网络的优化
4.1 覆盖优化
蜂窝网络的覆盖优化主要集中在基站发射功率调整和工程参数调整等。对发射功率进行调整可以有效提升单个小区的覆盖范围, 对工程参数进行调整可以修改基站天线的辐射方位角、下倾角、高度等信息。通过上述优化过程可以有效解决因覆盖问题所引起的下行链路干扰、覆盖存在盲区或边缘区域效果不佳、信道功率不足、上下行链路不均衡等问题。
4.2 容量优化
单个小区内的用户数量是经常变化和波动的, 对当前小区的话务量相关数据进行统计与分析可以确认该小区的网络容量与小区用户数量是否匹配。当网络容量过小时会加重整个基站的业务负荷, 使得网络通信质量下降。此时增加基站或微蜂窝、调整小区覆盖范围等可有效调整小区的话务量不均衡等问题, 促使网络容量调整到与用户数量相匹配的状态。
4.3 话务均衡与干扰抑制
修改不同小区基站的载频数配置等参数信息可以调整蜂窝网络内不同基站的话务量, 避免出现有的小区业务负荷重, 有的小区负荷轻等问题的出现, 使设备的利用率维持在最佳状态。蜂窝网络部署与运行过程中非常容易出现对同频或邻频的干扰, 这些干扰会严重影响用户的通话质量, 导致网络出现阻塞或掉话等现象, 此时需要对网络内的小区功率、天线方向、以及载频频率等参数进行调整, 抑制或消除相互可能存在的干扰问题。
参考文献
[1]许锡明, 戴美泰, 王道恒.移动通信网无线网络优化工作的探讨[J].广东通信技术, 1997 (3) .
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[3]李东升, 王晓蒙.移动通信3G无线网络优化探讨[J].信息通信, 2012 (5) .
蜂窝式移动通信系统效率的研究 篇4
现时期电信市场的急速发展是科学技术进步的特征体现, 首先, 体现在无线移动通信系统。发展的特点表现为先进电信技术的广泛应用, 并以传送, 接收和信号处理的数字技术为基础。移动通信在全世界都急速的发展, 并不断地扩大容量和提高服务性能, 使成为大规模的, 大众化的以及能适用于用户个人的需要。
在现代电信的设备中最急速发展的是无线电话通信网络。他深入解决合理经济地分配使用无线电频率的问题, 运用在同一个频率下传送消息的方法, 提高电信网络的运载能力。本文深入分析了影响通信效率的主要因素, 考虑这些因素在内, 提出规划最佳通信工作负荷量的算法。
2、通信网络效率的模型
我们知道在移动用户的无线通信系统中, 移动用户可能会在服务区内产生冲突的情况, 这与冲突概率以及通信信道负载能力有关。
现在我们来分析一下移动用户服务系统, 在移动通信网络中, 我们把服务区域划分成地带, 再把地带划分成扇形区域, 并且每个扇形区由一个调度员来管理、操作。
为了研究这个系统, 我们把一些相关的因数作了标记:用K表示冲突情况的次数, 指数表示用户的型号;而—表示扇形地区的编号;νij—表示移}动用户的密度, dij-—表示在扇形地区中来自移动用户所提供的收入;gij—表示收入中的一部分, 是用来保证无线通信系统正常工作。uj—是指由在j个扇形区里通信信道停顿和在服务用户时延误造成的损失;ρj—表示通信信道负荷系数;qjνjjj—表示在j个扇形地带内发生通信冲突的强度;Vij—表示一个用户通信的平均次数;τj—表示一次通信的平均时长;tj—表示信息在通信信道停留的时间;td, j—指的是在系统中信息允许停留的时间;pj是tj>=td, j的概率, 谆jи谆j, k是指没有冲突和存在冲突时信息延误引起的损失;Sj—是在j个扇形里通信信道工作一个小时的成本;S—在通信地带内总的用户流量所提供的收入;U—在用户的服务地带内产生的总的损失;Φ—收入S高于损失U的超出量, 这个数据很关键, 我们把他作为有效性的评估标准。
我们按照服务地带内固定的用户流量来计算, 可以列出如下式子:
表达式组合 (1) — (10) 代表了移动通信系统效率评估的模型。表达式 (1) 可通过统计制作模型得到最优化的方案, 也可分析移动通信系统效率与服务区域复杂性之间的关系。用户请求服务所需要的时间长度可用函数qj (vj) 表示, qj=a2jjv。这样, 如果在式子 (2) 中不求微分, 而与式子 (9) 一样取平均值, 经过简单的转换式子 (1) — (10) , 并满足条件td, j=td, jk=0时, 我们可以得到:
随着声音转换速率的提高, 在实际的条件下平均通信时长相应减少。认为在多数的情况下, 式子 (11) 中ρj≈ρjk。我们用bj--来表示谆jk/谆j的关系, 假设总的用户流量是均匀的分配在n个相同的扇形区域内, 那么v=nvj, ρ=nρj;式子 (11) 可以简化为:
其中已知谆ш是信息延迟时的平均损失。
3. 通信网络效率的分析
按照公式 (12) 计算得到并用图1表示Ф=f (ν) 的关系式, 假设我们认为保证无线通信正常运营工作成本需满足条件dg=50￥/小时, 用户平均通话为V=4次/用户, 一次通信的平均时长为τ=25秒, 信号延误引起的损失谆=500￥/小时, 假设公式中的系数а=0.01假设公式中的系数Ь=10, 工作一小时的成本为s=20￥/小时 (实线) 和工作一小时的成本为s=100￥/小时 (虚线) .
由于数值谆ш和s的可约性 (参考图1的虚线) , 往较大的数值n过渡的转换交点 (点1和2) 位于峰值的右边, 从图中的虚线上我们可以看出, 可以根据每小时用户流量ν的不同数值来选择最适合、最佳的扇形数量п。例如, 在虚线上当函数Ф=f (ν) 处于用户流量ν≤12, 如果这时п=1时可保证得到最大的收益, 而当12<ν<18时, 如果这时n=2, 从图上的虚线可看出函数ф=f (ν也可得到最大的收益。
随着信号延迟平均损失谆ш的增大, Ф=f (ν) 的最大值开始下降, 向左移动时用户量v也相应减少, 而向右移动时, 下降的坡度较大, ф=f (ν) 急剧降低。这可以说明, 合适的通信系统工作状态应选择关系式ф=f (ν) 左边向上的这条支路。
经以上分析, 得到曲线最高峰的左边对U (总损耗) 影响较大。如果信息延迟时的平均损失谆ш远远大于成本s, 那么为了减少信道负荷量和信息停留时间, 可适当的增大扇形区域数量n, 用来得到较大的收益Ф。
以上得到的结果可用于通信网络系统特性的工程计算中。
4、结束语
在本文中, 分析和研究了无线通信网络效率的模型样品。研究了基站范围无线网络系统的模型, 计算了工作量、服务性能, 和每小时每信道的价格, 从得到的模型样品中计算出基站范围最合理最佳的工作负荷量, 这个模型具有通用性, 也可以运用于其它移动通信种类中。
摘要：移动通信在全世界都急速的发展, 并不断地扩大容量和提高服务性能。如何提高通信网络的效率仍是一个十分迫切和切合实际的问题。本文从通信网络模型样品中计算出在基站服务范围内最合理的信道工作负荷量, 这个模型具有通用性, 也可以运用于其它移动通信系统中。
关键词：通信网络,通信效率,模型
参考文献
[1]杨保海, 郭书超, 刘泽良.移动通信系统发展浅析[J]赤峰学院学报 (自然科学版) , 2008, (12) .
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蜂窝移动电话定位系统与应用 篇5
无线定位技术最初是为了满足远程航海的导航要求产生的, 随后应用逐渐普及, 从船舶、飞机、汽车到个人定位业务, 特别是在移动电话如此普及的今天, 手机便成为最方便最实用的定位工具, 美国联邦通信委员会 (FCC) 于1996年下达指示, 要求移动运营商为移动电话用户提供E-911 (紧急救援) 服务。在蜂窝系统中实现对移动台的定位除了满足E-911定位需求外, 还具有以下重要用途:
1) 基于移动台位置的灵活计费, 可根据移动台所在不同位置采取不同的收费标准。
2) 智能交通系统 (ITS) , ITS系统可以方便提供车辆及旅客位置、车辆调度、追踪等服务。
3) 优化网络与资源管理, 精确监测移动台, 使网络更好决定进行小区切换的最佳时刻。同时, 根据其位置动态分配信道, 提高频谱利用率, 对网络资源进行有效管理。
4) 信息服务, 对移动台和旅行者定位并向其提供所在区域的信息及其它服务。
到目前为止, 基于蜂窝网络的无线定位技术的研究已经取得了很大的进展。可以预见在未来几年内, 基于蜂窝网络定位技术的移动业务将得以迅猛的发展。本文综述了在蜂窝移动网络中实现无线定位的实施方案、定位方法、应用特点, 针对该技术的发展, 提出了研究中有待解决的关键问题和思路。
2. 蜂窝移动系统中的无线定位技术
移动定位技术是利用无线移动通信网络, 通过对接收到的无线电波的一些参数进行测量, 根据特定的算法对某一移动终端或个人在某一时间所处的地理位置进行精确测定, 以便为移动终端用户提供相关的位置信息服务, 或进行实时的监测和跟踪。根据移动定位的基本原理, 移动定位大致可分为三类:基于移动终端的定位技术, 基于移动网络的定位技术, 基于上述两者的混合定位技术。
2.1 基于移动终端的定位技术
该定位技术的原理是:多个已知位置的基站发射信号, 所发射信号携带有与基站位置有关的特征信息, 当移动终端接收到这些信号后, 确定其与各基站之间的几何位置关系, 并根据相关算法对其自身位置进行定位估算, 从而得到自身的位置信息。具有较高的定位精度, 但其致命的缺陷是需要手机参与定位参数的测量, 并进行坐标位置的计算, 因此, 必须对手机和网络的软硬件加以改造或升级, 目前倾向的做法是在手机内集成GPS接收机, 但这样会加大手机的能耗, 而且从商用角度来看很难做到大面积的推广和使用。象目前的一些智能手机都兼容了GPS全球定位功能。
目前已提出的基于移动终端的定位技术主要包括:下行链路观测到达时间差 (OTDOA) 方法和基于GPS的定位技术, 如差分GPS (DGPS) 、辅助GPS (A-GPS) 等。
2.1.1 GPS (Global Positioning System) ———全球定位系统
通过多个人造卫星来实现对用户的定位。这种系统早在几年前就已经作为专用设备广泛应用于海上运输业了, 而现在它则开始向移动Internet领域进军。使用GPS系统, 终端设备从3到4个卫星中即可提取出有关该移动终端的定位信息。这些原始的定位信息可以由终端设备本身或网络服务中心进行处理, 从而确定用户所在的实际位置。目前, 在天空较为晴朗的情况下, GPS全球定位系统对移动用户的定位值可精确到5米到40米的范围之内。GPS定位系统的芯片制造商们已经提高了其定位芯片的性能和集成度, 并且极大地降低了成本。现在移动终端只需一片特定的芯片即可实现定位所需的运算和数据处理。
2.1.2 A-GPS (Network Assisted GPS) ———网络辅助GPS定位系统
这种定位系统使用每隔一定距离 (200米到400米之间) 固定放置的GPS接收机来接收、转发数据, 以便辅助移动终端完成对定位信息的读取。这些接收到的辅助数据, 可以使GPS接收机大大地减少计算定位值所需的时间。如果没有这些辅助数据, 则计算定位值所需的时间大约为20~45秒, 而使用辅助数据后, 计算时间减少到了1~8秒。辅助数据由GPS接收机每1小时向移动终端广播一次。
2.1.3 E-OTD (Enhanced Observed Time Difference) ——时差观测定位系统
在这种移动定位系统中, 终端设备只需调用E-OTD算法程序, 即可完成定位计算。当移动终端没有处理呼叫时, 启动空闲等待模式完成定位;当移动终端设备正在处理呼叫时则启动专用模式完成定位。采用这种方案, 首先要设计出具有附加处理功能和存储空间的新型移动终端设备。E-OTD处理程序, 使用从周围基站接收到的数据来测量, 这些数据由各个不同的基站到达该终端时所用的时间之差, 并由此时间差来计算该移动终端用户相对于这些基站所处的位置。这就必须事先知道这些基站的位置, 并且从各个基站发送来的数据必须严格同步。最常用的基站同步方式是通过采用GPS接收机来实现同步。计算过程可在终端进行, 也可在网络服务中心进行。定位精确程度在125米左右, 并且不受天气情况影响。
2.2 基于移动网络的定位技术
基于网络的定位技术是指网络根据测量数据计算出移动终端所处的位置。又称起源蜂窝小区 (Cell Of Origin) 定位技术。每个小区都有自己特定的小区标识号 (Cell-ID) , 当进入某一小区时, 移动终端要在当前小区进行注册, 系统的数据中就会有相应的小区ID标识。系统根据采集到的移动终端所处小区的标识号来确定移动终端用户的位置。这种定位技术在小区密集的地区精度较高且易于实现, 无需对现有网络和手机做较大的改动, 得到广泛的应用。
2.2.1 到达时间TOA (Time Of Arrival) 定位技术
移动终端发射测量信号到达3个以上的基站, 通过测量到达所用的时间 (须保证时间同步) , 并施以特定算法的计算, 实现对移动终端的定位。在该算法中, 移动终端位于以基站为圆心, 移动终端和基站之间的电波传输距离为半径的圆上, 三个圆的交点即为移动终端所在的位置。
2.2.2 到达时间差TDOA (Time Difference 0f Arrival) 定位技术
移动终端对基站进行监听并测量出信号到达两个基站的时间差, 每两个基站得到一个测量值, 形成一个双曲线定位区, 这样, 三个基站得到2个双曲线定位区, 求解出它们的交结点并施以附加条件就可以得到移动终端的确切位置。由于所测量为时间差而非绝对时间, 不必满足时间同步的要求, 所以TDOA备受关注。
2.2.3 增强型观测时间差E-OTD (Enhanced-Observed Time Difference) 定位技术
在无线网络中放置若干位置接收器或参考点作为位置测量单元LMU, 参考点都有一个精确的定时源, 当具有E-OTD功能的手机和LMU接收到3个以上的基站信号时, 每个基站信号到达两者的时间差将被算出来, 从而估算出手机所处的位置。这项定位技术定位精度较高但硬件实现也复杂。
2.2.4 角度达到AOA (Arrival of Angle) 定位技术
这种定位技术的首要条件是基站需装设阵列智能天线。通过这种天线测出基站与发送信号的移动终端之间的角度, 进一步确定两者之间的连线, 这样移动终端与两个基站可得到两条连线, 其交点即为待测移动终端的位置。该定位技术的缺点是所需智能天线要求较高, 且有定位盲点。
2.3 混合定位技术
混合定位技术是综合了上述定位技术中的两种或多种方法在一个系统中。例如综合AOA和TDOA, 由于这种方法充分利用了信号的到达角和到达基站的时间差, 因此具有较高的准确度。如果把GPS定位技术和GSM系统定位技术应用相结合, 则实现的定位精度和定位应用会更好。
3. 蜂窝移动定位技术的应用及发展
手机定位服务又叫做移动位置服务, 它是通过电信商的网络获取手机用户的位置信息, 在电子地图平台的支持下, 为用户提供相应服务的一种增值业务, 被全球各大运营商公认为继短信息之后的新一轮革命。它是通过复杂的数学模型, 对移动通信网络数据进行精密计算, 得出移动用户的经纬度坐标, 在电子地图平台的支持下, 为用户提供相应位置服务。该服务开通后, 所有移动用户无须换卡或更换手机, 无论身在何处, 都能使用这项服务。
蜂窝电话定位技术的开发和推广应用具有广泛的社会和经济效益, 越来越受到人们的重视, 但是还存在着一系列问题有待解决。除了某些方案需要对现有移动台和相关网络进行必要的改进外, 还需要对蜂窝系统的定位性能, 尤其是如何获得满意的定位精度等进行深入的研究, 因为有些应用需要较精确的定位, 如定位到楼层。除了技术因素外, 蜂窝电话定位技术的开发应用涉及的用户个人的行踪, 还应考虑个人隐私权利的保护等方面。
参考文献
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[3]祁玉生等编著.现代移动通信系统[M].人民邮电出版社, 2000.
[4]杨留清等编著.数字移动通信系统[M].人民邮电出版社, 1998.
[5]A.麦罗拉著, 庞沁华等译.蜂窝移动通信[M].人民邮电出版社, 1997.
蜂窝数字移动通信 篇6
关键词：分群,中继,蜂窝网
0引言
随着自组网技术研究的日渐成熟,和以蜂窝网为代表的基础设施网络的不断发展,自组网与蜂窝移动通信系统的结合,形成自组织蜂窝移动通信系统(或简称混合网络), 这一种新型的网络结构逐渐引起了学术界和产业界越来越多的关注,并被认为是未来移动通信系统的重要发展方向之一,将可能成为4G或未来无线移动通信系统的一种重要形式[1,2,3]。这种混合式的移动通信系统可以充分利用自组织网络的优点有效地解决现有蜂窝系统中存在的一些难题,弥补蜂窝系统的缺陷,从而使蜂窝网络和自组网相结合后形成的自组织蜂窝移动通信系统具有许多性能上的优势[4,5,6]。
1混合网络的研究背景
人们在多跳混合式网络方面做了大量的研究文献[5,6,7]提出了一种包括基站的混合式自组织网络,它可以大大提高系统的连接度。文献 [9] 中指出了布放中继站可以有效地改善小区边缘用户的性能,从而解决高速数据的覆盖问题。
纽约州立大学Hongyi Wu等人提出了一种i CAR (Integrated Cellular and Ad hoc Relaying) 系统[1],通过在一些位置布置Ad hoc中继节点,根据实时业务情况将一个小区的流量动态的转移到它的相邻小区,使得几个相邻小区间的总流量可以综合分配,起到小区间负载均衡的作用,并通过仿真表明,该方案可以扩大小区覆盖范围,有效地避免拥塞。
斯坦福大 学的X. Wu等人提出 了MADF (Mobile Assisted Data Forwarding) 网络模型[10],将多跳中继引入了现有的蜂窝网中,主要目的是动态的将热点小区的业务转移到相邻的负荷较小的小区,MADF网络需要在小区内设置具有数据转发能力的代理节点,并预留部分信道资源用于数据的转发,当热点小区负载超过一定门限时,代理节点通过转发信道,广播一个信令信息以表示可以为其它用户进行数据转发,其它用户根据自己的网络带宽需求来选择代理节点为其转发数据,从而完成了把业务量从热点小区向邻接小区的转移。
蜂窝移动通信系统由于引入多跳自组织方式,不仅可以动态地组成局域网络进行点对点传输,并且可以将其与基站间的长距离的数据链路转换成多个短距离的数据链路,从而实现扩大覆盖,提高容量。同时,引入多跳还可以降低发射功率,减少干扰。另外,它支持P2P传输模式, 可以转移流量,从而缓解热点小区的网络拥塞。所以,这种基于组织网络的混合移动通信系统能满足人们对通信更加多样化的需求,具有巨大的商业价值和极为广阔的应用前景。
2系统模型
本章提出了一种应用于蜂窝网的用户协同分群模型, 它将处于小区边缘的用户分成多个互不重叠的群,群的大小可以根据蜂窝网的负载动态调整,群内的用户可以通过群内信道条件相对较好的群首协同,获得分集增益, 从而大幅度改善小区边缘用户的信干噪比 (Signal and Interference Noise Ratio, SINR),提高小区边缘用户的吞吐量和整个小区的吞吐量。
2.1应用场景
现有技术中的协同通信方式主要有两种:第一种是通过固定的中继站进行协同,这种方法需要架设固定的中继站,改变网络结构,建设周期长,缺乏灵活性;第二种方法是通过用户配对进行协同,两个用户通过正交配对或者是随机配对,可以绑定为一个虚拟的多天线的用户。本节提出一种基于混合自组织蜂窝网络的用户分群算法,可以有效地将用户划分为不同的群,从而实现以群为单位的资源分配和资源调度,下面假设了两种应用场景[11]。
应用场景一:基于小区边缘用户协作进行分群
如图1所示,假设在传统的蜂窝网小区中,基站位于小区的中央,基站到小区边缘的最大距离为小区半径。 本节提出的分群算法是将基站覆盖范围分为两个区域:中心区域和外层区域,中心区域的用户位于小区中央,距离基站的距离最近,以单跳的方式直接与基站进行通信;而外层区域位于中心区域的周围,由于距离基站较远,信道条件相对不理想,故将这一区域的用户分为若干个群组, 群组中的用户要想同基站进行通信必须经过群首转发,群首是每一个群组中信道条件和性能相对较好的用户,可以与基站进行直接通信。
应用场景二:MIMO中继网络
而目前由于技术的原因,用户终端上还不能配置多天线,这使MIMO系统在终端一侧的应用受到了限制。可以利用虚拟MIMO技术,将多个用户的天线绑定在一起,这样用户就具备了多天线,形成了一个配置了多根天线的虚拟中继站,如图2所示。由图2可以看出,中继器的天线构成了一个接收阵列,他们是由多个终端组成的群,这样的中继群可以为远端的用户提供临时接入接站的服务。因此,MIMO中继也称为虚拟天线阵 (Virtual Antenna Array,VAA)[12]。这种方式可以应用于机场、学校、商业区等用户比较密集的热点小区,处于小区边缘的用户通过中继群的辅助与基站进行通信,从而实现网络容量和覆盖的提高。 如何构建虚拟天线阵列群,是本章要解决的问题。
2.2假设条件
基于两跳中继网络的群生成算法基于以下的假设 ( 以应用场景一为例 ):
(1) 如图1所示,位于灰色中心区域的用户直接与基站进行通信,位于外层区域的用户将被分为多个群。CH为群首,作为基站和其群内用户的中继,负责群内用户的对外联络。以下行为例,基站要发送数据到某个群的用户, 首先在第一跳发送给这个用户所属群的群首,然后在第二跳群首将信息转发给相应的用户。类似地,在上行场景, 每个群内的用户要与基站进行通信也要需要两跳,在第一跳用户向其所属群的群首发送数据,在第二跳群首将数据转发给基站。
(2) 每个群可以复用相同的时频资源块,其基于TDD的上下行帧结构如图3所示。在下行时隙,首先基站将数据发送到用户所在群的群首,在下一个下行时隙,群首再将其转发给相应的用户。
(3) 在上行时隙,用户将通过其所在群的的群首将数据发送给基站。首先,用户将数据发送给其所在群的群首, 然后群首将其转发给基站,这里假设各个用户间能做到很好的同步。
(4) 以下行为例,假设用户可以把从基站发来的信号和群首转发的信号进行最大比合并。
3分群算法实现
本节提出了一种改进的加权分群算法,选举群首时主要考虑5个因素:用户的连接度、用户的传输功率、用户的移动性,用户的剩余能量和用户与基站的距离,并且各因素的权重因子可以根据系统的要求和用户的处理能力进行动态调整。例如,如果为了优化网络负载应当给予用户度较大的权重;如果想限制用户移动性的影响,则应当赋予移动权重因子较大的值;如果用户的能量受限,则应当赋予用户的剩余电池能量更大的权值,权重因子分配的灵活性使得这种算法能够适应多种网络环境满足多种业务的需要。
定义用户n相对于用户k的相对移动性指标
式中,表示当前用户n收到来自用户k的接收功率,
表示上一测量时刻用户n收到来自用户k的接收功率。如果Mn(k ) < 0 ,表示两用户逐渐远离;否则两用户互相靠近。通过计算用户n和其所有m个相邻用户的相对移动性的绝对值的均值来得到用户n的相对移动性指标越小,说明用户间的相对移动速度越低,用户群较为稳定。
提出的分群算法步骤如下:
(1) 网络初始化时,每个用户都处于未决定状态。每个用户通过周期性的探测可以确定各自的邻居用户数,作为它的连接度dn;
(2) 计算用户n计算到所有相邻用户的距离之和Pn, 如果Pn>Pmax,则将其从相邻用户中剔除,并更新邻居列表和连接度dn;
(3) 计算用户n计算度数与理想用户度Kmax之差,即
(4) 计算用户n的相对移动性指标Mn,详见式 (5-1);
(5) 把每个用户作为群首的时间来表示已经消耗的电池能量,假设初始时,各用户的电池能量相同,并且群首所耗费的电池能量远大于普通用户;
(6) 计算每个 用户和基 站之间的 距离
(7) 将Dn,Pn,Mn,Tn和Sn分别进行归一化处理;
(8) 计算每个 用户n的组合权 重系数In=c1Dn+c2Pn+c3Mn+c4Tn+c5Sn,其中 , c1, c2, c3, c4, c5为权重因 子, 表示各种 因素的相 对重要程 度, 某个因素 越重要, 其相应的 权重因子 也越大, 可以根据 实际业务 需要灵活 掌握, 且满足
步骤9每个用户将得到的In和其用户ID放置在周期性的广播消息中。选择权重最小的用户作为群首,它的相邻用户作为群的成员节点,然后在剩余的用户中再找群首和其成员节点,直至所有的用户全部包含在一个个不重叠的群内。
整个分群的过程由基站控制完成,首先在所有的边缘用户中找到一个组合权重最小的用户作为第一个群的群首,按照预先设定的传输范围和连接度确定其成员节点, 这样完成了第一个分群;然后在剩余的用户当中再找一个组合权重最小的用户作为第二个群的群首,确定第二个群的成员节点;以此类推,直到所有的边缘用户都加入到每个特定的群内。流程图如图4所示。
4仿真分析
4.2仿真假设
本章考虑了正六边形蜂窝系统构成的宏小区环境,无线信道同时受到传播路径损耗、阴影衰落和快衰落的影响。根据上面提出的分群算法模型,进行系统级仿真, 假设在正 交频分多 址 (Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA) 系统中,每个子载波发送信号的功率相同,详细的仿真参数见表1。其中,基站位于小区的中央,用户均匀分布在整个六边形小区内,在每个快照时间内,用户随机运动一次。小区半径设为1000米, 其中大于600米为小区边缘,用户理想的连接度为5。由于阴影衰落的影响,假设用户间的传输距离为50米,这样比较符合实际情况,还可以降低算法复杂度。另外,由于与基站的距离对用户的性能影响较大,假设加权因子c1, c2, c3, c4, c5分别为0.1, 0.1, 0.1, 0.1, 0.6,也还可以根据实际情况进行灵活设置 , 如表1。
4.3仿真结果
本节将针对加权平均分群算法与传统无分群方案进行了对比。通过对多次仿真取平均值,由图5可以看出, 随着与基站距离的增加,路损的不断增加,相邻小区的干扰不断加强,用户的信噪比逐渐下降。在小区的中心区域, 两种方案的曲线是重合的,一旦超过600米,通过应用分群算法后,小区边缘用户的信噪比得到了显著的提升。信干噪比的CDF分布曲线如图6所示,其中横坐标表示信噪比,纵坐标表示概率,从图6可以看出,应用分群算法后,可以大大改善系统的信噪比分布,尤其是改善边缘用户的信道质量。图7反映了随着用户的增加吞吐量的变化, 用户数量从20增加到80,系统吞吐量逐渐提高,尤其是处于小区边缘用户的通信质量大大改善,系统性能显著提高。由此可见,分群方案比较适合应用于用户密度比较大的场景,这样用户更容易找到协作的用户。通过对比发现, 分群方案要好于传统未分群方案,在分群算法中,由于加权平均算法考虑的因素较多,单纯从容量的角度看略逊于基于最大容量的分群方案;但是从用户公平性的角度来看, 加权平均算法较好;从应用场景来看,加权平均算法适合场景一,而最大容量的分群方案更适合场景二。
5小结
蜂窝数字移动通信 篇7
随着移动用户数量和无线多媒体业务的爆炸性增长, 全球掀起了研究第五代移动通信系统的热潮。随着2000年之后3G的部署和应用, 人们可以享受更快速的手机上网、体验诸如视频电话一类的多媒体业务;2010年之后, 基于LTE的4G网络逐步商用, 进一步提升了网络容量和用户体验[1]。为了满足未来移动通信网络发展的需要, ITU正在开展IMT未来发展愿景 (IMT.Vision) 研究工作, 指导IMT在IMT-Advanced (IMT-A) 阶段之后 (2020年及以后) 的发展方向。根据Cisco预测[2], 到2018年全球移动数据量每月将超过15.9 Exabytes, 是2013年的11倍。
与流量暴涨联系紧密的一个关键因素是系统容量。传统的提高通信系统容量的方式主要有3种: (1) 增加频谱资源; (2) 提高频谱利用率; (3) 提高空间复用率[3]。由于频谱资源的有限性, 第 (1) 种方式提高无线通信系统的容量有限, 而且价格昂贵。LTE (Long Term Evolution) 系统中, 在物理层通过OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 和MIMO (Multi Input Multi Output) 以及自适应编码等技术, 已经使频谱利用率接近理论上最优极限。因此, 提高空间复用率, 从而提高频谱利用率成为未来无线通信系统中提高系统容量的主要方向。
现在一种主流的方案是在宏小区中部署多个微小区, 但是该方案随着微小区数目的增多, 增加了操作复杂度和设备成本[4]。在这个背景下, 高通公司于2008年首次提出Device-to-Device (D2D) 通信。具体来说, D2D通信是在基站的控制下允许小区用户直接进行端到端的短距离通信技术。该技术目的是在不增加系统带宽的前提下提高小区的频谱利用率和系统吞吐量[5]。D2D通信已经被认为是在IMT-A范畴下, 增强未来蜂窝网络性能的技术之一, 与协同多点传输载波聚合、多天线技术共同用于IMT-A网络。由于两个用户之间直接通信, D2D技术能减轻蜂窝网络的负担, 降低端到端的传输时延增加比特速率, 减少移动终端的电池功耗, 因此能够大大提高用户体验。更重要的是, 由于终端用户的数据传输不需要经过基站, 它的使用可以节约宝贵的无线资源。
1 D2D通信基本概念及其特点
1.1 D2D通信基本概念
D2D通信技术是一种新型的基于蜂窝移动网络的近距离数据直接传输业务, 该技术目的是在不增加系统带宽的前提下提高小区的频谱利用率和系统吞吐量。这种通信过程的建立、维持和结束受控于基站, 是用户向移动网请求资源、移动网络分配资源和维持直接通信业务、移动网络最终收回资源的过程。从数据和信令的角度看, 用户与基站之间维持着信令链路, 由基站维持用户数据链路、进行无线资源分配以及进行计费、鉴权、识别和移动性管理等传统移动通信网所具备的基本职责。不同之处在于, 用户之间数据链路不需要基站中转转发了, 而是直接在用户之间建立数据通道, 如图1所示。
1.2 D2D通信特点
D2D通信通过复用小区用户的频谱资源来提升频谱的利用率和系统的吞吐量。它的主要优点体现在:减轻蜂窝网络的负担、增加比特速率和减少移动终端的电池功耗等。由于两个用户之间直接D2D通信, 终端用户的数据传输不需要经过基站, 所以它的使用可以节约宝贵的无线资源, 同时减轻基站的负担, 还能支持一些近距离范围的点对点数据服务。D2D通信与传统的近距离点对点通信系统比较如表1所示。由于D2D通信是在基站的支配下进行的, 因此, 用户不用像蓝牙技术那样需要事先进行终端配对, 这极大地方便了用户的使用。D2D系统是由基站给用户分配无线资源的, 从而可以保证用户的服务质量。由于WLAN、蓝牙和Zigbee等技术使用的是ISM非授权频段, 干扰环境不确定, 它们的通信质量没有保障。由此可见, 基于蜂窝网络的D2D技术能带来更好的用户体验。
然而, 由于D2D工作在与蜂窝网络相同的授权频段, D2D通信需要付费, 而传统的蓝牙和Wi Fi是免费的。因此, D2D通信从理论走向实际应用需要回答“Pay for what”的问题。从用户的角度, 用户通过付费获得合法ID, 从而方便连接建立, 获得增值服务和安全可靠的系统链接, 享受高质量的用户体验。从运营商的角度, 付费带来可靠的服务, 从而提高业务量[4]。
2 D2D通信的关键技术
D2D通信技术从理论走向实践有许多关键技术需要实现, 包括:邻居/服务发现 (Peer/Service Discovery) 、模式选择 (Mode Selection) 、资源分配 (Resource Allocation) 和干扰控制 (Interference Management) 等。表2分别从设计目标、设计要求和类别分别对各关键技术进行总结。
2.1 邻居/服务发现
在建立D2D链路之前, 用户必须发现对方。因此, 邻居/服务发现是D2D通信建立的第一步。邻居/服务发现方法的设计需要使得该过程速度快、能效高并且友好。现有的邻居/服务发现分为两类:分布式和集中式。
在集中式邻居/服务发现过程中, 需要一个实体, 如PDN (Packet Data Network) 或MME (Mobility Management Entity) , 检测到两个用户 (UE) 能够进行D2D通信。然后, 该实体通知e NB (evolve Node B) 检测D2D是否提供更高的吞吐量。如果是, e NB建立该两个用户D2D链接[7]。该方法对用户是透明的, 不需要用户进行特殊的操作, 但是该方法容易增加基站的负担。分布式邻居/服务发现需要用户周期性地发布其身份信息以告知周围用户其存在性, 该方法不需要基站参与, 有较好的灵活性, 但由于无法租住非法用户发布或者窃听信息会带来安全问题, 并且该过程耗时耗能[8]。
2.2 模式选择
D2D通信中的模式选择指的是在传统的蜂窝链路与D2D链路之间的选择。在设计模式选择机制时需要考虑两个方面:一方面是模式选择的时间间隔—由于蜂窝网络无线环境的快速时变特性, 模式选择的时间间隔不能太长, 但又不能太短, 以免增加通信负担;另一方面需要考虑依据什么衡量标准和报告机制以进行模式选择[9,10]。通常情况下, 模式选择与资源分配相关[11], 分为4种情况:
(1) e NB每隔1 ms收集信道状态和流量等信息后进行模式选择并进行资源分配 (如上下链路功率控制等) , 该时间间隔与LTE网络的资源调度时间类似。该种方法的主要缺点在于随着D2D链路的增加, 信号处理的负担较高且缺乏灵活性;
(2) e NB每隔几百毫秒为D2D链路分别专门的资源块;
(3) e NB以更长的时间间隔为D2D链接预留一个专用资源池;
(4) 以上各种方法的综合运用。
需要指出的是, 不管是哪一种模式选择方式, 蜂窝链路和D2D链路的切换必须是可靠的和无缝的, 以保证用户满意度。
2.3 资源分配
资源分配的目标是在不改变LTE自身调度的前提下, 优化D2D的资源分配, 提升小区总吞吐量和频谱利用率。其主要原则是, 通过让相距较远D2D设备和蜂窝终端使用相同的物理资源块, 从而获得多用户分集增益。在设计资源分配算法时, 需要通过某些控制逻辑以决定上行链路或下行链路资源块是否用于D2D链路以及采用哪个资源块。现有的资源可能是由用户分布式决定或者由e NB集中式分配[12,13]。集中式控制完全由基站控制D2D连接, e NB通过L1/L2信号完全控制每一个D2D的资源分配, 并且通知D2D用户所分配的资源。分布式分配 (如Flash Lin Q) 基于当前网络流量及信道状况分配最大的独立资源给D2D。
2.4 干扰控制
由于D2D通信对蜂窝链路的干扰会大大降低系统容量和效率, 因此干扰控制是蜂窝网络下D2D通信的关键技术之一。如何在控制干扰的同时最大限度地提高资源利用率是该技术需要解决的核心问题。现有的干扰控制主要从以下几方面进行[14,15,16]:
(1) D2D通信短时间建立在某个不会对蜂窝产生干扰的频段。然而, 在繁忙和高密度的LTE网络中, 认知无线电可能很难找到频谱空洞。 (2) 基于暂时的需要, e NB可以为D2D分配专门的资源块。但是, 专门资源块的分配将大大降低频谱利用率。e NB通过控制D2D用户功率的方式控制对蜂窝用户的干扰。 (3) 其他诸如MIMO技术结合模式选择和编码的方法进行干扰控制。
在实际通信系统中, 以上模式选择、资源分配和功率控制等方式经常同时考虑以达到最佳的网络性能。此外, 如果有效地利用干扰, 可以提高保密容量以实现信息安全[18]。
3 D2D通信中安全机制研究
3.1 研究现状
由于无线通信系统的开放性和D2D通信系统本身的特点, 系统中用户可能成为恶意用户攻击的目标, 例如窃听数据、散布错误信息或者侵犯隐私, 同时, D2D通信系统本身也可能受到搭便车攻击和非授权用户进入等安全攻击而降低系统可靠性。因此, 安全性成为D2D技术走向实际应用必须重要特性之一。
目前, 关于D2D通信系统安全的研究主要集中于物理层安全研究[17,18,19,20]。文献[17-19]研究了D2D通信系统中的保密容量和保密断供率问题, 创新地将D2D中的干扰用于对抗通信链路中的窃听信道。文献[20]提出了一种提高蜂窝网络中下行链路保密性的传输机制。文献[21]将社会网络中的社会信任和社会相互作用的概念用于D2D通信中, 设计促进终端合作机制。表3给出了目前D2D通信中安全机制研究的方法和实现的安全目标。
3.2 D2D通信中安全机制研究
3.2.1 安全数据传输协议
加密技术是通信系统中实现信息的完整性、保密性、不可否认性和可靠性的重要方法。常用的加密方法主要有对称加密算法和非对称加密算法 (公钥算法) 。对称加密算法具有效率高、算法简单、系统开销小和适合加密大量数据的优点, 在数据加密和信息完整性检查方面有着广泛应用。但它也存在着在进行安全通信前需要以安全方式进行密钥交换的缺陷。这一步骤, 在某种情况下是可行的, 但在某些情况下会非常困难, 甚至无法实现。非对称加密算法加解密速度慢、密钥尺寸大, 不仅可对信息进行加密, 还可对信息进行数字签名, 具有抗抵赖性以及身份认证的功能。
我们提出混合利用对称加密和非对称加密技术的优点, 在实现共享数据的机密性、完整性和权威性的同时保护用户隐私和实现实体认证。一方面, D2D通信双方运用Diffie-Hellman密钥交换协议产生共享密钥, 即通信双方通过计算:
产生会话密钥k, 用于对数据加密, 实现信息的机密性。另一方面, 运用双线性对的特性: (1) 双线性:对任意V, Q∈G以及a, b∈Zq*, e~ (Va, Qb) =e~ (V, Q) ab; (2) 对称性:e~ (V, Q) =e~ (Q, V) ; (3) 非退化性:e~ (V, Q) ≠1GT, 其中V, Q≠1GT, 实现身份认证。为了减少数据共享协议中节点认证机制的复杂度, 通过引入Hash函数, 利用基站和用户相互认证这一特性并结合双线性对的性质, 实现条件隐私保护, 即用户在数据共享过程中采用伪ID, 以实现隐私保护, 但同时, 所有用户真实ID由权威的信任中心 (基站) 所追踪到, 用以识别恶意用户和非授权用户。
3.2.2 用户身份认证机制
安全数据传输协议通过基站辅助用户身份认证, 能够提高系统安全性和可靠性, 在数据传输次数少、单次传输数据量大的应用场景中具有很好的应用效率。但由于每次进行数据传输前需要通过基站对收发双方进行身份认证, 在数据传输频繁的应用系统中, 会大大增加基站负担。因此, 需要研究一种分布式的用户身份认证机制, 由参与通信的用户双方直接进行身份认证。另一方面, 隐私保护是D2D通信系统的非常重要的安全需要之一。鉴于此, 在D2D通信系统中如何解决身份认证和隐私保护这一对相互冲突, 但又必须同时实现的安全需求, 是用户身份认证机制研究中必须解决的关键问题。
基于D2D通信受基站控制这一特点, 以基站作为信任中心 (Trust Authority, TA) 。由TA给每个用户颁发证书和发送验证证书有效性的公钥, 如图2所示。证书内容包括:用户ID—为了保护用户隐私, TA一般用单向安全Hash函数作用于用户的真实ID, 获得用户的伪ID、有效时间—证书有效使用时间、颁发机构以及TA的签名等。参与D2D通信的双方将各自的证书发送给对方以确认其合法身份, 但并没有泄露其真实身份, 以实现带有隐私保护的身份认证的安全需求。虽然以基站作为信任中心参与D2D用户身份认证, 会给基站带来一定的负担, 但是在证书有效期内, 基站只需要给用户颁发一次证书, 其通信和计算复杂度不会随着D2D通信次数和数据量的增加而增加, 这高效地保障了D2D通信中大数据的安全传输。
3.2.3 D2D通信系统物理层安全
基于加密技术的数据安全传输协议和身份认证机制主要应用于D2D通信系统网络层之上, 没有充分利用无线信道唯一性、保密性和互易性等特性, 没有充分发掘物理层丰富的资源。近年来, 物理层安全技术作为上层安全的补充, 可以极大地增强整个系统的保密安全性能, 已经逐步成为研究的热点, 在编码技术、协作干扰和密钥产生等研究方向上已经有了相当程度的进展, 正在逐步从理论走向应用。
在蜂窝网络下的D2D通信系统中, D2D通信链路对蜂窝用户或D2D通信用户之间可能会产生干扰, 从这个方面来说, 需要采取一定的措施进行干扰拟制。但另一方面, 如果合理地利用干扰, 如采取有效的措施使干扰对窃听用户的影响比对合法用户的影响大, 就可以使合法用户的信道状态比窃听信道的状态好, 从而提高系统的保密容量。针对不同位置的用户分别选择D2D通信和蜂窝通信, 可以使得系统保密容量最大。
此外, 由于D2D通信的双方距离较近, 其信道对称性和互易性较好, 可以充分利用这一特性进行物理层秘钥协商。具体来说, D2D通信双方通过发送导频到对方再测量信道的状态信息 (CSI) 来获取两者之间的无线信道随着时间的变化值。随后, 双方将测量值用某种方法转换成为一串密钥比特, 并应用一种信息调和协议丢弃或者纠正两端生成的密钥比特的差异。最后, 双方丢弃部分一致的比特或者执行某种比特转换来强化密钥, 增大密钥的熵, 并且模糊窃听者可能获取的局部信息。
4 D2D通信技术研究展望
4.1 关键技术研究的深入
虽然关于D2D通信中邻居/服务发现、模式选择、资源分配和干扰控制等关键技术的研究成果比较丰富, 但各关键技术还有待进一步深入研究, 包括:在蜂窝网络中建立起D2D通信时如何不增加基站负担但同时建立可靠的连接;在D2D与蜂窝网络之间进行模式选择时如何不影响用户体验;如何合理地进行功率控制和资源分配以更加有效地协调D2D通信对与蜂窝网络间的干扰。
4.2 安全机制研究的扩展
当前, D2D通信安全机制的研究尚处于起步阶段, 需要进一步扩展安全机制的研究范围, 例如:设计安全的数据分享协议、建立用户身份认证机制但同时保护用户隐私、进行可靠的密钥交换、提高系统的保密容量, 以及研究物理层密钥协商和认证。
4.3 理论到应用
D2D通信技术尚处于理论研究阶段, 缺乏实际系统的支撑, 多数论文还是基于理论分析和仿真。下一阶段, 亟需将这些技术应用在实际系统中, 用实际的通信系统来验证其性能。而且, 这些技术在实际应用中, 需要考虑更多的系统问题, 这些问题还都要在应用中, 结合具体系统加以解决。通过这样的验证, D2D通信技术才可能真正从实验室走向产品。
4.4 进入第五代移动通信的标准
D2D通信技术现在还主要是在学术界进行讨论, 其目标是能进入到下一代移动通讯的标准中, 真正走向应用。在过去的几年中, 关于D2D通信的论文出现了爆炸性的增长, 已经在相关的刊物出版了专题讨论集, 一些国际会议也专门组织进行该技术的讨论。未来的几年内, IEEE很可能会针对无线通信标准中的D2D通信技术成立专门工作组, 最终让这项技术成为每个无线通信终端的必备装备。
5 结束语