（通信与信息系统专业论文）wimax系统资源调度与功率分配技术研究.pdf

摘要 摘要 基于i e e e8 0 2 1 6 无线城域网协议的w i m a x 系统，着眼于解决城域网中“最后一 英里”的宽带无线接入问题，由于其易于配置，容易扩展，较低的维护和更新成本等方 面的优点而得到广泛的关注。i e e e8 0 2 1 6 d 标准采用各种不同的机制保证业务的q o s 要 求，例如分组调度，功率分配等，但是，机制的具体实施将留给设计者自由设计。本论 文主要针对w i m a x 系统的分组调度和功率分配技术展开研究讨论。 论文首先对w i m a x 系统的演进、技术特点、网络构架及采用的无线资源管理方法 等方面作了简要介绍，而后阐述了分组调度与功率分配技术的基本原理，并总结分析了 现有无线通信系统采用的调度与功率分配方法的优缺点。 基于上述分析。提出了一种适用于w i m a x 系统的联合调度与功率分配算法，在保 证每个业务流的平均数据传输速率的前提下，将分组调度与功率分配相结合，使得基站 在统计平均意义下的发射功率达到最小，以减小对其他用户和小区的干扰；此外，结合 考虑由于用户等待而带来的系统运行成本，提高用户的时延性能。为便于考察所提出算 法的性能，依据i e e e8 0 2 1 6 d 协议，利用o p n e t 仿真工具搭建系统仿真平台对提出算 法进行仿真验证，仿真结果表明，提出的联合调度与功率分配算法能够提高系统传输效 率，改善用户之间的公平性，保障用户服务质量要求。 关键词：微波存取全球互通( w i m a x ) ；分组调度；功率分配；i e e e8 0 2 1 6 ：系统吞吐 量；用户公平性；服务质量；联合调度与功率分配；无线资源管理 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ew i m a x ，b a s e do i lt h ei e e e8 0 2 1 6s t a n d a r df o rc o n s t r u c t i n gw i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e a n e t w o r k s ( w m a n ) ，i so r i g i n a l l yd e v e l o p e dt oa d d r e s st h e “l a s tm i l e ”p r o b l e m t h ew i m a x s y s t e m sa r ea t t r a c t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nf o ri t sr a p i dd e p l o y m e n t ，h i g hs c a l a b i l i t y ，a n d l o wm a i n t e n a n c ea n du p g r a d ec o s t s i e e e8 0 2 1 6 ds t a n d a r du t i l i z ed i f f e r e n tm e c h a n i s m st o p r o v i d eq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) ，s u c ha sp a c k e ts c h e d u l i n g ，p o w e ra l l o c a t i o n , a d m i s s i o n e o n t r o la n ds oo n w h i l e ，t h e s em e c h a n i s m sa r em e n t i o n e di ns t a n d a r d s ，t h ed e t a i l so ft h e d e s i g n sa r ed i r e c t l yl e f tt od e v e l o p e r s i nt h i sp a p e r , w cm a i n l yr e s e a r c ho nr e s o u r c e s c h e d u l i n ga n dp o w e ra l l o c a t i o nf o rw i m a xs y s t e m s i nt h ep a p e r , t h ee v o l u t i o n ，t e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i c s ，n e t w o r kf r a m e w o r ka n dr r mo ft h e w i m a xa r eo v e r v i e w e da tf i r s t a n dt h e nw ed e s c r i b et h ep r i n c i p l eo ft h ep a c k e ts c h e d u l i n g a n dp o w e ra l l o c a t i o n m e a n w h i l e , w er e v i e wa n da n a l y z et h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o f p a c k c ts c h e d u l i n ga n dp o w e ra l l o c a t i o na d o p t e di nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a f t e r w a r d s ，an o v e lj o i n ts c h e d u l i n ga n dp o w e ra l l o c a t i o na l g o r i t h mw a sp r o p o s e df o ri e e e 8 0 2 1 6 dd o w n l i n k f i r s t ，o na c c o u n to f t h e j o i n ts c h e d u l i n ga n dp o w e ra l l o c a t i o n , i tm i n i m i z e t h et o t a lt r a n s m i s s i o np o w e r , s u b j e c tt ot h eq o sr e q u i r e m e n to fs t r e a ms e r v i c e s ，a m i n i m u m d a t a - r a t er e q u i r e m e n tf o re a c hu s e rw i t h i nt h ec e l l ，a n dt h u sa l l e v i a t et h e i n t e r f e r e n c et oo t h e rc o - c h a n n e l s i na d d i t i o n ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es c h e d u l i n gp r i o r i t y a n dp a c k e tw a i t i n gt i m ei st a k e ni n t oa c c o u n t ，s oa st oi m p r o v et h ed e l a yp e r f o r m a n c eo ft h e b s e r s w ec o n s t r u c ti e e e8 0 2 1 6 ds y s t e ms i m u l a t i o np l a t f o r ma n dp u tp e r f o r m a n c eo ft h e a l g o r i t h mb yo p n e t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，b y t h ep r o p o s e ds c h e m e ，s y s t e m t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yi si n c r e a s e d , f a i r n e s sb e t w e e nu s e r si si m p r o v e da n du s e r s q u a l i t y r e q u i r e m e n ti sg u a r a n t e e d k e yw o r d s ：w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ( w i m a x ) ；p a c k e ts c h e d u l i n g ； p o w e ra l l o c a t i o n ；i e e e8 0 2 1 6 ；t h r o u g h o u t ；f a i r n e s s ；q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) ；j o i n t s c h e d u i n ga n dp o w e ra l l o c a t i o n ( j s p a ) ；r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ( r r m ) 1 l i 插图目录 图 图 图 图 1 - 1w i m a x 网络参考模型 2 1 3 一l 3 - 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 - 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图4 - l 图4 1 2 图4 - 3 图 图4 - 5 插图目录 无线资源调度算法基本模型。 i e e e8 0 2 1 6 d 协议栈模型1 1 m a cp d u 的数据格式“i p h y - o f d mf d d 下行帧结构【“ w i m a x 仿真平台网络结构图 p d fo f r a y l e i g h 调制曲线 t r a f f i c _ s e r v e r 节点模型 b s 节点模型 2 0 2 3 2 4 s s 节点模型3 l b sm a c 节点进程模型 a r q 状态转移图 a r q 实现流程 s s _ m a c 节点模块的进程模型。 信道质量估计。 d a t a _ r v d 和a r q 模块实现流程 3 2 3 4 调度及功率分配实现流程示意图 r r 算法程序结构流程 o p ，j s p a 算法实现流程。 三种算法的s s 在b s 中的平均数据速率估计值( m b p s ) 一 j s p a 算法s s 实际接收平均数据速率 图4 - 6o p 算法s s 实际接收平均数据速率 图4 7r r 算法s s 实际接收平均数据速率 图4 - 8 图” 图4 - 1 0 三种算法平均发送功率。 3 6 3 7 , 1 7 4 9 5 0 5 2 一5 3 n o d e2 2 数据包延时累积分布函数图 小区吞吐量曲线图 v 1 1 5 6 5 7 表格目录 表1 1 表1 2 表2 1 表3 1 表3 2 表3 3 表3 4 表3 5 表3 6 表4 1 表4 2 表4 3 i e e e8 0 2 1 6 系列标准族谱 表格目录 i e e e8 0 2 1 6 d e 主要技术特征4 三种算法性能比较 i e e e8 0 2 1 6 d 空中接口物理层分类 规划频带宽度为1 4 m i - i z 时3 4 0 0 3 4 1 4 m h z 频带的允许信道带宽2 3 传播路径损耗参数 s u i - 3 信道参数配置。 达到1 矿误比特率所需s n r 比较 系统参数假设。2 9 4 4 数据速率与所需信噪比( 1 矿误比特率) 对应关系表 s c h e d u l e _ s c h e m e 属性 j s p a _ l a t e n c y 属性 i x 英文缩略语 a a a a a s a m c a r q a s n ：n “ b e b p s k b s b t c b a c b r c c c d m a c i d c p s c r c c s c s n c t c d a m a d c d d l - l 讧a p e t s i 啪 f e c f i f 0 f u s c g p c g p s g p s s h a r q h s d f a 英文缩略语 a u t h e n t i c a t i o n 、a u t h o r i z a t i o n 、a c c o u n t i n g 认证、授权和计费 a d a p t i v e a n t e n n as y s t e m自适应天线系统 a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g自适应调制编码 a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t 自动请求重传 a c c e s ss e r v i c en e t w o r k 接入业务网络 a s y n c h r o n o u st r a u s f c rm o d e异步传输模式 b e s te f f o r t 尽力而为 b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g二进制移相键控 b a s es t a t i o n 基站 b l o c k t u r b oc o d e 分组t u r b o 码 b r o a d b a n dw i r e l e s s a c c e s s 宽带无线接入 c o n s t a n tb i tr a t e 恒定比特率业务 c o n v o l u t i o n a lc o d e 卷积码 c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 码分多址 c o n n e c t i o ni d e n t i f i e r 连接标识 c o m m o np m - ts u b l a y e r 公共部分子层 c y c l i c a lr e d u n d a n c yc h e c k循环冗余校验 c o n v e r g e n c es u b l a y e r 汇聚子层 c o n n e c t i o ns e r v i c en e t w o r k 连接业务网络 c o n v o l u t i o n a lt u r b oc o d e 卷积t u r b o 码 d e m a n da s s i g n e dm u l t i p l ea c c s 按需分配多址接入 d o w n l i n kc h a n n e ld e s c r i p t o r 下行信道识别符 d o w n l i n km 印 下行链路映射 e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c m i o ms t a n d a r d si n s t i t u t e 欧洲电信标准协会 f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x频分双工 f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n 前向纠错 f i r s t i nf i r s t - o u t 先入先出 f u l lu s a g eo f t h es u b c h a n n e l s 使用所有子信道 g r a n tp e rc o n n e c t i o n 保证每个连接带宽需求 g e n e r a l i z e dp r o c e s s o rs h a r i n g 通用处理机共享 g r a n tp e rs s 保证每个s s 带宽需求 h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t 混合自动重传请求 h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s 高速下行分组接入 x l 东南大学硕士学位论文 i m s j s p a l m d s l d p c l o s l s m a m a c m a n m a x c i m c s m i b m m d s m s n l o s n r t p s n s p o f d m o f d m a o p p d f p d u p f p f q p h s p h y p k m p 口 q a m q o s q p s k r a r n c r r i 洲 r t p s i pm u l t i m e d i as u b s y s t e mi p 多媒体子系统 j o i n ts c h e d u l i n ga n dp o w e ra l l o c a t i o n 联合调度与分组调度 l o c a lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o ns y s t e m本地多点分配系统 l o wd e n s i t yp a r i t yc h e c k低密度奇偶校验码 l i n e o f - s i g h t 视距 l e a s ts q u a r e 最小二乘方法 m a r g i na d a p t i v e 裕量自适应 m e d i aa c c e s sc o n t r o l媒体接入控制 m e t r o p o l i t a n a r e a n e t w o r k 城域网 m a x i m u mc a r r i e r - t o i n t e r f e r e n c er a t e最大载干比 m o d u l a t i o na n dc o d i n gs c h e m e调制编码方式 m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nb a s e 管理信息库 m u l t i c h a n n e lm i c r o w a v ed i s t r i b u t i o ns y s t e m多路微波分配系统 m o b i l es t a t i o n移动台 n o n - l i n e o f - s i g h t 非视距 n o n r e a l - t i m ep o l l i n gs e r v i c e 非实时轮询业务 n e t w o r ks e r v i c ep r o v i d e r网络服务提供商 o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x 正交频分复用 o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n ga c c e s s 正交频分多址接入 o p p o r t u n i s t i cs c h e d u l i n g 机会调度 p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n 概率密度函数 p r o t o c o ld a t au n i t协议数据单元 p r o p o a i o n a lf a i m e s s 正比公平性 p a c k e tf a i rq u e u i n g 分组公平排队 p a y l o a dh e a d e rs u p p r e s s i o n 负荷头抑制 p h y s i c a ll a y e r 物理层 p r i v a c yk e ym a n a g e m e n t 密钥管理 p o i n t - t o m u l t i p o i n t 点对多点 q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n 正交幅度调制 q u a l i t yo f s e r v i c e 服务质量 q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g 正交相移键控 r a t e a d a d t i v e速率自适应 r a d i on e t w o r kc o n t r o l l e r无线网络控制器 r o u n dr o b j n轮询 r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t无线资源管理 r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e实时轮询业务 x n 英文缩略语 s a p s e f f s f f s f i d s n r s i r s s f s s s t c t d d 卫d m 唧1 a u c d u g s u l m a p v b r w c d m a w f i w f q w i m a x w l n 、眦 s e r v i c ea c e s sp o i n t s m a l l e s te l i g i b l ev i r t u a lf i n i s ht i m ef i s t s m a l l e s tv i r t u a lf i n i s ht i m ef i s t s e r v i c ef l o wi d e m i f l e r s i 乎l a lt on o i s er a t e s i 毋a a it ol m e r f e r e n c er a t i o s m a l l e s tv i r t u a ls t a r tt i m ef i r s t s u b s c r i b e rs t a t i o n s p a c et i m ec o d i n g t u n ed i v i s i o nd u p l e x t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s u p l i n k l i n kc h a n n e ld e s c r i p t o r u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e u p l i n km 印 v a r i a b l eb i tr a t e w i d e b a n dc d m a w o r s t - e a s ef a i ri n d e x w e i g h t e df a i rq u e u i n g w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v e a c c e s s w i r e l e s sl o c a ia r c an e t w o r k w e i g h t e dr o u n d r o b i n 业务接入点 最小合格完成时间标签优先 最小完成时间标签优先 业务流标识 信号噪声比 信号干扰比 最小开始时间标签优先 用户终端 空时码 时分双工 时分复用 时分多址 上行信道识别符 主动带宽分配业务 上行链路映射 可变数据速率 宽带c d m a 系统 最坏公平指数 加权公平排队 微波存取全球互通 无线局域网 加权轮询 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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i i i i 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 多年来8 0 2 1l x 技术一直与许多其他专有技术一起被用于b w a ，并获得很大成功，但是w l a n 的总体设计及其提供的特点并不能很好地适用于室外的b w a 应用。当其用于室外时，在带宽和用 户数方面将受到限制，同时还存在着通信距离等其他一些问题。基于上述情况，i e e e 决定制定一种 新的，更复杂的全球标准i e e e8 0 2 1 6 ，这个标准应能同时解决物理层环境和q o s 两方面的问题， 以满足b w a 和“最后一英里”接入市场的需要。i e e e8 0 2 1 6 系列标准以其容量高，覆盖面广，部 署灵活，配置伸缩性强，可快速提高宽带业务等优点得到广泛青绦。 1 1 1w i m a x 系统演进 w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，微波存取全球互通) 是i e e e8 0 2 1 6 在市场推广时采用的名称，也是i e e e8 0 2 1 6d e 的别称。w i m a x 的物理层和m a c 层基于i e e e 8 0 2 1 6 工作组中开发的系列无线城域两技术。w i m a x 技术涉及到两个国际组织：i e e e8 0 2 标准委 员会8 0 2 1 6 工作组和w i m a x 论坛。i e e e8 0 2 1 6 工作组是标准的制定者，主要针对无线城域网的 物理层和m a c 层制定规范和标准。w i m a x 论坛是i e e e8 0 2 1 6 技术和产业链的推动者，该组织 的目标在于建立一套基于i e e e8 0 2 1 6 标准和e t s ih i p e r m a n 标准的认证体系，同时还致力于可运 营的宽带无线接入体系的研究、需求的分析、应用模式的探索、市场的拓展等一系列大力促进宽带 无线接入市场发展的工作。w i m a x 论坛成立于2 0 0 1 年4 月，是一个非盈利组织，现已发展有3 5 0 多个成员单位，其中包括众多业界领先的设备制造商、部件供应商( 芯片、射频、天线、软件和测 试服务等) 、服务供应商和系统集成商，人们熟悉的i n t e l 、n o l d a 、摩托罗拉、思科等公司都位列其 中，该论坛促进了供应商解决设备兼容问题，加速了w i m a x 技术的使用。 i e e e8 0 2 1 6 标准又称为i e e ew i r e l e s sm a n 空中接口标准，规范了工作于不同频带的无线接 入系统空中接口。由于它规定的无线系统覆盖范围在公里量级，因此i e e e8 0 2 1 6 系统主要应用于城 域网。根据使用频带高低的不同，i e e e8 0 2 1 6 系统可分为应用于视距( l o s ) 和非视距( n l o s ) 两种。使用2 g h z i i g h z 频带的系统应用于非视距范围，而使用1 0 g h z - - 6 6 g h z 频带的系统应用于 视距范围。根据是否支持移动特性，i e e e8 0 2 1 6 标准又分为固定宽带无线接入空中接口标准和移动 宽带无线接入空中接口标准。 目前，i e e e 8 0 2 1 6 标准系列包括i e e e8 0 2 1 6 、i e e e8 0 2 1 6 a 、i e e e8 0 2 1 6 c 、i e e e8 0 2 1 6 d 、i e e e 8 0 2 ，1 6 e 、i e e e8 0 2 1 6 f 和i e e e8 0 2 1 6 9 共7 个标准。各种i e e e8 0 2 1 6 系列标准如表1 1 所示。2 0 0 1 年1 2 月颁布的i e e e8 0 2 1 6 标准1 3 4 1 对使用1 0 g h z 6 6 g h z 频段的固定宽带无线接入系统的空中接口 物理层和m a c 层进行了规范，为宽带无线接入的实现提供了基础，由于其使用的频段较高，因此 只能承载在视距的环境中，这些限制不利于固定宽带无线接入技术的推广，所以在2 0 0 3 年1 月份， l 东南大学硕士学位论文 i e e e 又发布了扩展协议i e e e8 0 2 1 6 a f 3 “，目的在于使固定宽带无线接入技术也能支持非视距传输， i e e e8 0 2 1 6 a 标准规范了使用2 g h z 1i g h z 许可和非许可频段的固定宽带无线接入系统的空中接 口物理层和m a c 层，覆盖范围最远可达5 0 k m ( 通常小区半径在1 0 k i n 以内) 。此外，i e e e8 0 2 1 6 a 的m a c 层提供了q o s 保证机制，支持语音和视频等实时业务。 2 0 0 2 年正式发布的i e e e8 0 2 1 6 c 【3 6 1 标准是1 e e e8 0 2 1 6 标准的增补文件，规范工作在 1 0 g h z , - 6 6 g h z 频段i e e e8 0 2 1 6 系统的兼容性，它详细规定了1 0 g h z , - , 6 6 g h z 频段i e e e8 0 2 1 6 系 统的一系列特性和功能。 表1 1i e e e8 0 2 1 6 系列标准族谱 标准号定义及主要业务应用 8 0 2 1 6 2 0 0 1 年发布 定义了1 0 g 一- 6 6 g 固定宽带无线接入系统空中接口标准，采用了t d m t d m a 多址接入方式，单载波调制。本质上是为了l d m $ 实现互操作而制定的一个 标准，其业务与应用与l m d s 相似。 8 0 2 1 6 a2 0 0 3 年发布 定义了2 ( 3 1 l g 的固定宽带无线接入系统空中接口标准。本质上是为了 m m d s 实现互操作丽制定的一个标准，其业务与应用与m m d s 相似。 8 0 2 1 6 c 2 0 0 3 年发布 1 0 g , - - 6 6 g 固定宽带无线接入系统空中接口标准增补文件，详细系统框架。 8 0 2 1 6 d 2 0 0 4 年发布 2 g - - 6 6 g 固定宽带无线接入系统空中接口标准，8 0 2 1 6 a 的改进版本，用 w i m a x 微型天线取代以前版本中的室外天线结构，可用于p c 机网卡等小型 设备，m a c 协议支持t d m i p 综合业务。 8 0 2 1 6 e 2 0 0 6 年初发布 8 0 2 1 6 d 的增补版本，是支持客户端移动性的规范，使用户可以在基站之间自 由切换和漫游，进而实现在不同的8 0 2 网络之间切换。 8 0 2 1 6 f2 0 0 6 年初发布 固定宽带无线接入系统空中接口管理信息库( m m ) 要求。 8 0 2 1 6 9固定和移动宽带无线接入系统空中接口管理平台流程和服务要求。 i e e e8 0 2 1 6 ( 1 标准是前几个i e e e8 0 2 1 6 标准的修订版本，在2 0 0 4 年下半年正式发布，该标 准冻结版本称为i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 。i e e e8 0 2 1 6 d 详细规范了2 g h z - - 6 6 g h z 频段的空中接口物理层 和m a c 层，定义了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的m a c 层和相对应的多个物理层， 引入o f d m 技术，允许非视距传输和点到多点( p m p ) 通信，支持网状( m e s h ) 拓扑结构，并且 允许灵活的用户部署和操作。为了能够平滑过渡到支持用户站以车辆速度移动的i e e e8 0 2 1 6 e 标准， i e e e8 0 2 1 6 d 增加了部分功能以支持用户的移动性。按照目前的技术发展情况，i e e e8 0 2 1 6 d 主要 定位于企业用户，提供长距离传输的手段。它对i e e e8 0 2 1 6 和i e e e8 0 2 1 6 a 进行了整合和修订， 但仍属于固定宽带无线接入规范，是相对比较成熟并且最具有实用性的一个标准版本。目前各大厂 商都基于该标准设计和推出各种固定无线接入产品，i e e e8 0 2 1 6 d 协议已经成为业界标准。 i e e e8 0 2 1 6 e 标准口1 于2 0 0 6 年初发布，该标准冻结版本称为8 0 2 1 6 - 2 0 0 5 ，暂时还没有正式产品 2 第1 章绪论 面市。i e 既8 0 2 1 6 e 标准与前几个标准的最大区别在于对移动性的支持，它规定了同时支持固定和 移动宽带无线接入的系统，工作在2 g h z - - 6 g h z 之间适宜于移动性的许可频段，支持用户终端以车 辆速度( 至少1 2 0k m h ) 移动，i e e e8 0 2 1 6 d 规定的固定无线接入用户能力并不因此受到影响，同 时，该标准也规定了支持基站或扇区间高层切换的功能。i e e e8 0 2 1 6 e 的用户群定位于个人用户， 支持用户在移动状态下宽带接入网络。i e e e8 0 2 1 6 e 标准面向更大范围的无线点到多点城域网系统， 该系统可提供核心公共网接入。 i e e e8 0 2 1 6 f 是i e e e 最新的1 6 系列标准之一，定义i e e e8 0 2 1 6 固定无线接入系统m a c 层 和物理层的管理信息库。i e e e8 0 2 1 6 9 的目的是为了规定8 0 2 1 6 管理流程和接口，从而实现8 0 2 1 6 设备的互操作和网络资源、移动性和频谱的有效管理。i e e e8 0 2 1 6 9 标准的工作是围绕管理平面进 行的，目前正处于征求文稿阶段。 1 1 2w i m a x 技术特点及网络结构 i e e e8 0 2 1 6 d e 的物理层可选用单载波、o f d m 和o f d m a 共3 种技术。因为o f d m 和o f d m a 只用于小于i l g h z 频段的信道条件传输，为了兼容1 0 g 6 6 g h z 频段的视距传输，这里i e e e 8 0 2 1 6 d e 采用了单载波这个选项。虽然在i e e e8 0 2 1 6 d e 协议中，单载波物理层也可以用于2 g l1 g h z 频段，但通常认为i e e e8 0 2 1 6 d 典型的物理层技术是o f d m ，i e e e8 0 2 1 6 e 的典型物理层技 术是o f d m a 。i e e e8 0 2 1 6 do f d m 物理层采用2 5 6 个子载波，o f d m a 物理层采用2 0 4 8 个子载波， 信号带宽从1 2 5 m 2 0 m h z 可变。i e e e8 0 2 1 6 e 对o f d m a 物理层进行了修改，使其可以支持1 2 8 、 5 1 2 、1 0 2 4 和2 0 4 8 共四种不同的子载波数量，但子载波间隔不变，信号带宽与子载波数量成正比， 这种技术称为可扩展的o f d m a 。采用这种技术，系统可以在移动环境中灵活适应信道带宽的变化。 在多址方面，正e e8 0 2 1 6 d e 在上行采用了t d m a ，下行采用了t d m 支持多用户传输。另一种 多址方式是o f d m a ，以i e e e8 0 2 1 6 d 标准2 0 4 8 个子载波的情况为例，采用f u s c 模式时系统将所 有可用的子载波分为3 2 个子信道，每个子信道包含若干个子载波。多用户多址采用与跳频类似的方 式实现，只是跳频的频域单位为一个子信道，时域单位为l 、2 或3 个符号周期。 在调制技术方面，i e e e8 0 2 1 6 d e 支持的最高阶调制方式为6 4 q a m ，相对于蜂窝移动通信系统， i e e e8 0 2 1 6 d e 更强调在信道条件较好时实现极高的峰值速率。为适应高质量数据通信的要求，i e e e 8 0 2 1 6 d e 选用了块t u r b o 码、卷积t u r b o 码等纠错能力很强但解码延时较大的信道码，同时也考虑 使用低复杂度，低时延的l d p c 码。 在双工方面，i e e e8 0 2 1 6 d e 支持f d d 或者t d d 两种方式，其物理层技术基本相同。相对而 言，3 g 技术中f d d 和t d d 模式采用的物理层有较大的不同。i e e e8 0 2 1 6 d e 在5 m h z 频带上可以 实现约1 5 m b i t s 的速率，频谱效率为3 b i t s h z ，与h s d p a 类似。但是i e e e8 0 2 1 6 d e 在固定或低速 环境下可以使用更大带宽( 2 0 m h z ) ，实现高达7 5 m b i t s 的峰值速率。这是现有蜂窝移动通信系统难 以达到的。这充分体现出o f d m 技术在使用更宽频带方面的优势。 i e e e8 0 2 1 6 d e 标准支持全i p 网络层协议，i e e e8 0 2 1 6 d e 设备可以作为一个路由器接入现有的 1 p 网络。但现有i p 核心网缺乏有效的移动性管理能力。w i m a x 论坛已经开始开发网络层协议，i e e e 8 0 2 1 6 n e t m a n 工作组也已开展这方面的工作。同时，i e e e8 0 2 1 6 协议也可以通过一个a t m 汇聚 3 东南大学硕士学位论文 子层将a t m 信元映射到i e e e8 0 2 1 6 d em a c 层，具备支持3 g 核心网的潜力。也就是说，w i m a x 支持和3 g 系统的互通和融合。 i e e e8 0 2 1 6 d e 的m a c 层支持多种q o s 等级以适应v o l p 、可视电话、流媒体、在线游戏、浏 览、下载等不同的业务类型，包括主动分配带宽、实时轮询、非实时轮询和尽力而为，其中最后一 种为竞争接入的调度机制。 i e e e8 0 2 1 6 e 增加了节点模式，以支持移动终端。除正常工作状态外， 还支持空闲状态和睡眠状态。 表1 2i e e e8 0 2 1 6 d e 主要技术特征 技术参数 i e e e8 0 2 1 6 d巩髓8 0 2 1 6 e 子载波数o f d m ：2 5 6o f d m ：2 5 6 o f d m a ：2 0 4 8o f d m a ：1 2 8 、5 1 2 、1 0 2 4 、2 0 4 8 带宽( m h z ) 1 ，7 5 2 0 1 2 5 2 0 频段( g h z ) 2 1 1 ，1 0 6 6 6 移动性固定或者游牧 0 ，v m ，且挺l 届”= la 根据文献【1 4 】中关 于公平性的定义，r r 调度的时间公平性和容量公平性分别为： 一秽= 去 ， 1 0 第2 章调度算法及功率分配原理 砌= 惫筹 ， 注意到公平性是非负的数。最大值为1 ，是最公平的情况，此时对于时间公平性，每个用户得到相 同的信道使用时间，即以= i m ，v m ；对于容量公平性，每个用户得到相同的信道容量，即 a c = 属c j ，。公平性最小值为1 m 是最不公平的情况，此时只有一个用户可以使用信道。 r r 调度算法系统容量为： w ( r ) = ：。尾g ( 2 3 ) 其中c 二是用户m 的信道遍历容量， c ，= e h 世吲o g - + 等，卜f 扣c + 警p = ( h ) d h 亿 式中p ；( ) 为用户m 信道增益的概率密度函数，和口2 分别为信号功率和噪声功率。 系统吞吐量形( 刃的最大值和最小值分别为m a x 。 c 。 和m i n 。 c 。) ，在这两种情况下，公平性 昂( 肋和尼( 刃均为1 磊是最不公平状态。可以证明，当时间公平性弓( 历= l ，即最公平状态时， ( 所= ( 艇l c m ) m ；当容量公平性尼( 所= l ，即最公平状态时，w ( f 1 ) = m i z 箍l o c m ) 。 b 最大载干比( s o , xc a ) 调度算法 m a x c i 调度算法是根据信道状态信息( c i ) 实现资源动态调配，减弱信道衰落影响并从中获 益的一种调度方案。c ，i 调度算法的目标是获得最大的系统容量和最高的资源利用率，而不