（信号与信息处理专业论文）基于中继的宽带无线接入网络重传机制的研究.pdf

摘要 摘要 随着无线通信系统的发展 无线网络承载的业务和关注的性能指标趋于多 样化 采用的重传机制也有差异 h a r q 技术 兼具a r q 重传和f e c 纠错编 码的优势 具有良好的链路适应性 得到了广泛应用 在宽带无线接入网络引 入中继概念后 目前中继链路上的重传机制研究还处于起步阶段 研究点也比 较分散 本文在现有重传机制和基于中继的宽带无线接入网络的研究成果基础 上 对i e e e8 0 2 1 6 标准的重传机制在新的网络架构下的应用展开讨论 本文主要的研究工作包括 首先 分析i e e e 8 0 2 1 6 系列标准的演进路线 扩展现有协议的控制信令和 流程 讨论基于中继的h a r q 流程在实现中出现的问题以及问题解决的研究方 向 并且 从中继方式 资源定义和调度算法等方面 对h a r q 技术在基于中 继的宽带无线接入网络中的应用前景进行了分析与预测 其次 提出一种基于透明中继方式的h a r q 重传策略 并且在提出的网络 结构下进行了验证 主要考虑到多跳中继传输环境下 如何充分利用中继带来 的链路质量的提高 提高重传的效率 保证采用重传业务的时延等质量要求 由于重传机制牵扯到对于传输路径上发送节点 中继节点和接收节点上的功能 定义 结合采用的o f d m at d d 模式下的物理帧结构和资源调度算法 是一个 系统流程的跨层设计 考虑到系统的开销与延时需要 在分析当前支持的信令 及业务流程的前提下 完成相应的设计 再次 通过分析中继重传网络的特点 针对透明中继方式下的重传 提出 一种基于重传预测的集中式调度算法 传统调度算法没有考虑所分配的带宽在 实际传输中的效果 为此 在计算优先级选择时 通过当前链路质量和利用重 传中记录的传输结果 结合系统特点 提出基于重传的有效速率预测 并且改 造传统的正比公平调度算法 使之与论文的立足点呼应 即研究基于中继的宽 带无线接入网络中重传资源的分配策略 最后对全文进行了总结 对基于中继的宽带无线接入网络的重传机制的进 一步研究工作进行了展望 关键词 宽带无线接入 中继 h a r q 重传 调度 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s s e r v i c e st h r o u g ht h e w i r e l e s sl i n k sh a v eb e c o m ef u l lo fd i v e r s i t y s od o e st h ew i r e l e s sd a t ar e t r a n s m i s s i o n s c h e m e sc o r r e s p o n d i n g l y h y b r i da r q t e c h n i q u e d u et ot h eb e n e f i t si tf e t c h e sf r o m i t sa g qr e t r a n s m i s s i o ng a i na n dt h ef e cc o d i n gc o m b i n i n gs c h e m e h a sb e e n i n c o r p o r a t e di n t ot h ew i r e l e s sw o r l dw i t hm o r ea n dm o r ea p p r o v a l sf r o mt h e r e s e a r c h e r sa n dw i r e l e s ss y s t e md e s i g n e r s n o w a d a y s t h ec o n c e p to fr e a y t o r e c e i v ea n df o r w a r d h a sb e e ni n t r o d u c e di n t ot h eb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s b w a n e t w o r k s y e tt h er e s e a r c hi sj u s to nt h ei n i t i a ls t a g e t h i st h e s i sd i s c u s s e so nt h e r e t r a n s m i s s i o n s c h e m e si n t h eb w an e t w o r k sw i t hr e l a yc o n s i d e r i n gb o t ht h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h ep r a c t i c er e q u i r e m e n t t h em a i np o i n t si nt h et h e s i sa r el i s t e da sf o l l o w i n g f i r s t t h er o u t eo ft h ee v o l u t i o ni nt h es e r i a ls t a n d a r d so ft h eb w an e t w o r k s a s i e e e8 0 2 16f a m i l y i sa n a l y z e df r o mt h eo r i g i n a lc a l lf r o mi n d u s t r y a f t e r e x t e n d i n gt h ee x i s t e n tc o n t r o ls i g n a l i n gi ni e e e8 0 2 16 t h et h e s i sd i s c u s s e so nt h e p r o b l e m sr e f e r r i n gt ot h er e a l i z a t i o no fh a r qs c h e m e sw i t hr e l a y i nt h i sw a y t h e f u t u r ef o c u si nt h er e s e a r c hh a sb e e ne s t i m a t e d s u c ha st h em o d e so fr e l a y i n g r e s o u r c e sf o rr e l a ya n dt h ea l l o c a t i o na l g o r i t h m s s e c o n d l y ah a r qr e t r a n s m i s s i o ns c h e m e sh a sb e e np r o p o s e db a s e do nt h e t r a n s p a r e n tr e l a ym o d e a n dt h et e s t b e da n dt h ee v a l u a t i o nm e t h o d o l o g yh a v eb e e n c a r d e do u tw i t hi t d u r i n gt h ed i s c u s s i o n t h er e q u i r e m e n ti nt h em e r i to ft h es y s t e m t h r o u g h p u ta n di m p r o v e m e n tf o rt h ed e l a ym i t i g a t i o nh a sa l s ob e e ne v a l u a t e di nt h e m u l t i h o pr e l a yr e t r a n s m i s s i o ne n v i r o n m e n t a st h et o p i ci s a b o u tt h ec r o s s l a y e r d e s i g n i nt h er e t r a n s m i s s i o ns c h e m e t h ec o m m u n i c a t i o nn o d e s t h ef r a m es t r u c t u r e a n dt h er e s o u r c ea l l o c a t i o ns c h e n l e sh a v eb e e nd i s c u s s e d t h i r d l y t h i st h e s i sa l s op r o p o s e sat y p eo fc e n t r a l i z e ds c h e d u l i n ga l g o r i t h mt o a d a p tt ot h ep r o p o s e dr e t r a n s m i s s i o ns c h e m ef o rt h em a x i m i z a t i o no ft h eb w a s y s t e m i n t h en e t w o r k sw i t h r e l a y e s p e c i a l l yu s i n gr e t r a n s m i s s i o ns c h e m ei n t r a n s p a r e n tr e l a y t h e c o n v e n t i o n a ls c h e d u l i n gs c h e m e sd on o tt a k ei n t ot h e c o n s i d e r a t i o nt h er e s u l t so fs c h e d u l e db a n d w i d t hi na c t u a lp r o c e s s w h e nt h el e v e l s a b s t r a c t o fp r i o r i t ya m o n gd i f f e r e n tu s e r sa r ec a l c u l a t e d a ne f f e c t i v er a t ee s t i m a t e db a s e do n i t sr e t r a n s m i s s i o nr e c o r d si sp r o p o s e d 斫t ht h ec o o p e r a t i o nw i t ht h ep r o p o r t i o n a l f a i rs c h e d u l e r t h i sa l l o c a t i o ns c h e m ef o rt h eh a r qr e t r a n s m i s s i o ni nt h eb w a n e t w o r k sw i t hr e l a yo u t v e r f o r m st h et r a d i t i o n a ls c h e d u l i n ga l g o r i t h m si nt h em e r i t s o ff a i r n e s sa n dt h r o u g h p u t i nt h ee n d t h ec o n c l u s i o nf o rt h ew h o l et h e s i si sm a d ef o rt h ef u t u r er e s e a r c h e f f o r to nt h er e t r a n s m i s s i o ns e l l e m e si nt h eb w an e t w o r k sw i t hr e l a y k e yw o r d s b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s r e l a y h y b r i da r q r e t r a n s m i s s i o n s c h e d u l i n g i l l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集 保存 使用学位论文的规定 同意如下各项内容 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版 并采用影印 缩印 扫描 数字化或其它手段保存论文 学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版 在不以赢利为目的的前 提下 学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动 学位论文作者签名 列乖尿 沁方年3 月j 乡e t 经指导教师同意 本学位论文属于保密 在年解密后适用 本授权书 指导教师签名 学位论文作者签名 年月 日年月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 进行 研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体 均已在文中以明确方式标明 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担 签名 少呕年 纠办孱 只t 弓e l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景和选题依据 随着计算机网络和数字通信的迅猛发展 全球信息网络正快速向基于i p 的 下一代网络 n g n 演进 1 3 1 现有的第三代移动通信系统 简称3 g 系统 不 能完全满足高质量多媒体业务的无线传输需求 因此宽带无线接入 b w a b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s 技术得到了迅猛发展 由于无线频谱资源的稀缺 宽带无线接入的发展趋势是向2 g h z 以上的高 频段去挖掘可以使用的频谱资源 但是 在非视距应用环境下 如市区环境 高频段无线电信号的传播损耗比较严重 为实现大范围覆盖 需要增大基站的 覆盖密度 而密度的增大则会带来建网成本的增加 同时 移动宽带接入的不 断发展导致网络负载的动态分布 增加基站提供密集覆盖的传统组网方式难以 适用这种变化 目前 研究人员在宽带无线接入网络中引入无线中继 r e l a y 技术 4 匍 以此作为提高系统的覆盖范围和改善无线链路质量的重要手段 在宽带无线接入网络中引入中继技术后 传统的单跳蜂窝网络架构扩展成 为多跳网络 多跳无线网络具有独特的灵活性和扩展性 但是通过中继方式实 现大规模无线组网的方案还处于起草阶段 需要多方面的讨论与验证 国际上 很多标准化组织 如w w r f t 7 1 i s t w i n n e r 8 1 i e e e8 0 2 1 6 j 工作组 9 还有 国内的 f u t u r e 计划 lo 等 针对这方面的应用展开了讨论和研究 并启动了 相关的标准化工作 3 g p p 工作组在w c d m a 空中接口方案中 开展多跳中继 在蜂窝网络中的应用研究 1 1 1 在中国自主的t d s c d m a 标准长期演化方案中 也考虑相关无线中继架构下的同步 接入与小区间干扰抑制等技术问题 l2 宽 带无线接入系统 对现有的蜂窝网络下的各层通信协议 如物理层 媒体接入 控制 m a c 层甚至网络层 传输层以及应用层 加以改进 以适应网络结构 变化的要求 数据重传机制 涉及无线通信中的数据传输 链路预测 资源的 调度分配以及信令交互等问题 关系到系统设计的传输能力能够实现 是宽带 无线接入系统中继研究的关键技术之一 引起越来越多的关注 宽带无线接入网络中的重传机制 特别是物理层的混合自动重传请求 h a r q h y b r i da u t or e p e a tr e q u e s t 机制 根据链路情况进行分组包的重发 对于当前调制和编码方式下的数据速率进行调整 帮助无线通信系统在系统吞 第1 章绪论 吐量和传输鲁棒性之间权衡 h a r q 技术 在检错重传的基础上 结合前向纠 错编码 f e c f o r w a r de r r o rc o d i n g 可以对一定范围内的出错分组进行纠错 处理 从而提高了传输的可靠性 并减少传输延时 在未来无线通信中 承载 的业务以视频和数据为代表 基于 分组的多媒体业务成为主导 由于高速分 组数据传输要求高效 可靠的通信机制作为保证 但受到多径 阴影 多普勒 频移等因素影响 无线传输环境中的通信链路质量要比有线链路的差很多 因 此 目前3 g 系统w c d m a c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 等标准 都把h a r q 技术作为关键技术之一 i e e e8 0 2 1 6 系列标型4 9 在基于o f d m a 物理帧的传输 方案中 选择h a r q 技术作为提高数据传输可靠性的保证 i e e e8 0 2 1 6 标准针对于h a r q 重传机制多跳传输的性能 进行了大量的工 作 也出现了许多的研究点 在多跳中继链路下 现有h a r q 重传机制的性能 需要重新检验 包括对重传作用范围的考虑 重传控制的开销与延时等 考虑 到h a r q 重传资源的调度和分配 中继链路上h a r q 机制的选择以及信令的交 互都较单跳链路上的复杂 但是 新的中继网络也为h a r q 机制的研究带来了 新的结合与改善点 中继网络使得基站到用户间有了多条链路可用于数据传输 通过选择传输质量更好的链路来提供重传服务 能够获得更好的传输效率 许 多提案都针对于在中继链路上 保证重传数据和信令及时有效的传递 以及d 此对于系统开销的影响进行了分析和讨论 本文旨在分析i e e e8 0 2 1 6 系列标准基于中继的多跳蜂窝网络架构的基础 上 研究中继链路上的h a r q 重传机制和相关资源分配算法 以提高无线网络 的整体性能 1 2 国内外研究现状 重传机制在数字通信中的应用由来已久 在计算机网络通信中 自动请求 重发 a r q 机制 就通过发送方重传出错的数据包来恢复接收出错的数据 是常用的处理信道差错的方法 在无线传输环境下 信道噪声 移动带来的衰 落以及其他用户的干扰使得信道传输质量很差 对数据分组传输采取保护以抑 止各种干扰变得更加重要 h a r q 技术结合了a r q 和前向纠错编码 f e c 技 术 相对于单独采用a r q 机制 减少了出错重传的频率 从而提高了重传的效 率并且减少了系统的开销和延时 在无线通信中具有重要的应用价值 因此 第1 章绪论 h a r q 技术被广泛研究 h a r q 技术的研究 主要包括a r q 重传协议 编译码技术等方面的内容 首先是无线环境下a r q 重传协议豹研究 有线链路中提出的退n 步重传 g b n a r q 选择重传 s r a g q 等协议 1 3 儿1 4 侧重提高有线传输的效率 其机制不适合宽带无线接入通信中基于突发式传输的特点 于是 一些算法对 于传统的停等 s t o p a n dw 撕t 重传协谢1 5 进行改进 提出多通道停等协议 如 m o t o r o l a 公司提出的双信道s w a r q 重传协谢1 6 j 3 g p p 在快速h a g q 方 案中采用的n 信道停等重传协议 1 7 等 这些算法在力图保持停等算法实现简单 所需存储器少的优点同时 克服其效率低的缺陷 改善无线信道的利用率 在 i e e e8 0 2 1 6 e 标准o f d m a 物理层中 也采用了类似的多信道h a r q 机制 其次是h a r q 重传编译码技术的研究 h a r q 在接收端缓存错误分组 与 重传数据合并处理 以获得编码增益 改善链路传输质量 按照重传编码版本 不同 主要有递增冗余 i r i n e r e r n e m a lr e d u n d a n c y 和c h a s e 合并 c c c h a s e c o m b i n i n g 两种方式 1 8 递增冗余产生多个编码版本供重传发送 根据发送的 重传分组是完整码字还是单纯的冗余比特 又可分为h a r qt y p ei i 和i i i 两种方 案 1 9 2 1 而c h a s e 合并每次重传 使用相同的f e c 编码分组 多次发送的分组 根据接收到的s n r 加权组合 获得了时间分集增益 2 2 1 c h a s e 合并所需的接收 端缓存较小 信令相对简单 是一种复杂度低 受欢迎的码合并方式 在无线网络中 h a r q 机制的设计 不单单涉及到a r q 重传和编译码本身 的研究 还包括与其它无线通信技术的交叉应用上 正交频分复用 o f d m o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v e r s i o nm u l t i p l e x i n g 技术 解决了无线信道多径效应引起的码间串扰 i s i 问题 2 3 1 尤其适用于高速无线 数据传输 所以在宽带无线接入网络得到普遍的应用 传统的h a r q 机制在 o f d m 多载波通信中 通过时间重传带来的分集增益不明显 会造成重传效率 的降低 为此 文献 2 4 结合o f d m 多载波子带化的特点 提出了频率分集合 并的概念 使得h a r q 重传在o f d m 多载波调制系统中 同时获得重传带来的 时间和频率上的分集 大大降低重传的次数 在此基础上 文献 2 5 将数据包的 重传变为i r 重传 使得系统在信道质量较好的时候 提高数据包的通过率 文 献 2 6 贝1 j 对于每次重传时符号对应的子载波进行调整 增加了路径的分支数 提 高了频率选择的灵活度 h a r q 技术是与当前的链路质量和系统采取的调制编码方式相配合的 于 第1 章绪论 是一些链路自适应算法关注于h a r q 与自适应调制与编码 a m c a d a p t i v e m o d u l a t i o na n dc o d i n g 技术结合方面的应用 由于a m c 技术 非常依赖于信 道的预测和匹配的准确性 可以将h a r q 技术作为a m c 的补充 引j 利用h a r q 对链路质量变化不敏感的特性 减少因a m c 失调对传输质量造成的影响 文献 2 8 中对于两者的结合进行了讨论 对于高阶调制 文献 2 9 提出每次重传数据 符号进行重组 将恶劣移动信道下的突发误码随机化 并获得额外的频率分集 增益 大大提高了系统通过率 降低误块率和传输时延 宽带无线接入网络引入中继技术后 多跳链路上的数据重传通信成为研究 点 文献 3 0 对多跳链路下重传机制的性能进行了讨论 考虑跳数和重传次数限 制对数据传输性能的影响 i e e e8 0 2 1 6 j 工作组的提案 3 1 3 5 针对h a r q 重传 在p m p 网络中通过中继的实现 提出了相关的解决方案以及对现有流程的修改 由于h a r q 重传也需要调用系统资源 常用的调度算法包括 轮循算法 3 6 1 最大载干比算法 3 7 正比公平算法 3 8 3 9 1 等 它们都是在网络的吞吐量和公平性 间相互取舍来达到系统性能的最大化m 4 1 1 中继链路上 相关节点的能力协商 以及调度算法的公平性和效率性都非常重要 对于无线m a c 层上广泛采用的正 比公平调度机制 文献 4 2 分别从调度策略瞬时用户速率的测量上 考虑重传对 调度策略公平性的影响 针对于o f d m a 系统 文献 4 3 考虑调度策略和h a r q 重传机制在时域和频域上的表现 并且以3 g p pl t e 参数上进行了仿真 文献 6 1 则针对数据重传带来的预期通信速率增益问题 提出有效预期速率的定义 并 且给出相应的参考值辅助调度 目前 大型的无线网络性能测试中 软件仿真是一个非常重要的关键 相关 的标准在推出同时 其系统的性能评估方案也会一并推出 便于研究人员对于 相关技术性能的比较 h a r q 作为系统中的一个关键技术 衡量h a r q 技术对 于系统性能的贡献是h a r q 技术研究的重要课题 文献 4 4 阐述了在o f d m 多 载波系统下 通过指数有效子载波映射算法 体现h a r q 重传带来的增益 i e e e 8 0 2 1 6 e 标准也对于h a r q 方案的支持进行了说明 同时w i m a x 组织给出了 h a r q 应用和仿真中的相关技术参考值和评估指标 4 孓4 7 1 总之 h a r q 机制的演进 与无线通信系统协议栈设计的底层化趋势一致 未来h a r q 机制的研究 与宽带无线接入技术的研究一样 将集中在物理层 m a c 层以及跨层间的信息共享和算法优化上 从而减少h a r q 数据发送和反馈 的延时 提高采用h a r q 传输的系统整体效率 4 第1 章绪论 1 3 论文的组织结构 基于以上的研究背景和前人的工作 本课题结合相关的概念 讨论基于中 继的宽带无线接入网络的重传机制设计时所要遵循的准则和分析相关问题 论文的结构安排如下 第1 章引言 阐述了基于中继技术的宽带无线网络的发展历程和现状 给 出重传机制在提高无线通信系统性能和频谱利用率上的重要作用 并进一步阐 述了无线接入网络中重传机制研究的现状 最后介绍了本文主要的研究工作和 论文结构安排 第2 章首先介绍了目前宽带无线接入技术的发展情况 分析了宽带无线接 入网络中h a r q 重传机制设计的特点 最后在基于中继的网络架构下 介绍了 h a r q 机制实现中需要在流程和资源分配上的扩展点 第3 章基于i e e e8 0 2 1 6 j 协议定义的透明中继方式 补充了协议中未具体规 定的基于中继的h a r q 重传算法和信令流程 实现了中继链路上完整的h a r q 重传流程 并在中继扩展的w i m a x 网络中进行了仿真与分析 第4 章在提出的基于透明中继的h a r q 重传机制的基础上 提出考虑重传 因素对于系统资源调度的影响 针对于h a r q 重传业务的传输效率 提高整个 网络的频谱利用率 最后 第5 章对全文的工作进行了总结和展望 第2 章i e e e8 0 2 1 6 系统的h a r q 机制 第2 章i e e e8 0 2 1 6 系统的h a r q 机制 为了实现大范围的无线接入网覆盖 i e e e8 0 2 1 6 系列标准应运而生 中继 技术从频谱资源和布网的需求出发 为小区无线接入提供热点覆盖与范围延展 同时 纠错数据重传机制在i e e e8 0 2 1 6 系列标准中也展开了研究 并且产生了 相应的成果 适应系统新的特点 本章在i e e e8 0 2 1 6 d e 标准和i e e e8 0 2 1 6 j 标准化草案的成果基础上 分析了h a r q 机制在无线中继传输网络中实现的相 关问题和研究切入点 如r s 的工作方式 帧结构多跳扩展和资源调度算法等 以及介绍i e e e8 0 2 1 6 j 工作组目前对于h a r q 流程的中继扩展支持与相关问题 的讨论 2 1i e e e8 0 2 1 6 系统介绍 2 1 1i e e e8 0 2 1 6 技术的演进 i e e e8 0 2 局域网 城域网标准委员会在1 9 9 9 年建立了8 0 2 1 6 工作组 制定在 大范围 几公里到几十公里 的覆盖下提供无线接入服务的宽带无线城域网 b w m a n 标准 i e e e8 0 2 1 6 系列标准是包括p h y 物理层 和m a c 媒 体接入控制层 的空中接口标准 从技术发展及适应市场需求的角度 大致可 以将i e e e8 0 2 1 6 标准化进程分为3 个阶段 第一阶段 为有线接入无法提供服 务的区域 提供高速 宽带 固定的无线接入 第二阶段 为用户提供游牧接 入 或者低速移动情况下的无线接入 第三阶段 为用户提供高速移动中的宽 带无线接入 从2 0 0 1 年1 2 月开始 i e e e8 0 2 1 6 标准又陆续推出多个版本 以最近的两 个版本最为重要 2 0 0 4 年1 0 月正式推出的i e e e8 0 2 1 6 d 2 0 0 4 标准 4 8 和2 0 0 5 年 1 2 月7r 发布的i e e e8 0 2 1 6 e 2 0 0 5 标准 4 9 在8 0 2 1 6 d 标准中 实现了基于固 定用户的无线接入 支持移动性的8 0 2 1 6 e 标准 则对游牧和移动用户的切换及 相关功能的实现提出了支持 与此同时 主要无线通信设备生产商 建立了 w i m a x w o r l d w i d e i 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 论坛 5 0 5 l 在未来的 无线宽带接入市场中 为实现不同设备厂商间8 0 2 1 6 设备的兼容成立技术联盟 2 0 0 6 年1 2 月 针对日益增长的传输速率和高速移动性的需求 i e e e 又启动了 为了文中表述的方便 本文以下部分将 i e e e8 0 2 1 6 x 标准 简称为 8 0 2 1 6 x 标准 6 第2 章i e e e8 0 2 1 6 系统的h a r q 机制 下一代的先进空中接口标准8 0 2 1 6 m 的标准制定工作 8 0 2 1 6 标准所采用的关键技术 以目前广泛研究的8 0 2 1 6 e 标准为例 包括 以下内容 在物理层方面 除了支持单载波 o f d m 和 o f d m a 方式以外 o f d m a 可以进行扩展 可支持2 0 4 8 点 1 0 2 4 点 5 1 2 点和1 2 8 点的o f d m a 以适应 不同的带宽要求 媒体接入控制层中 标准定义了五种包含不同q o s 参数集的 上行调度类型 1 a g s 非主动授权服务 r t p s 实时轮询业务 e r t p s 扩展的 实时轮询业务 n r t p s 非实时轮询业务 和尽力而为业务 b e 规定b s 和 扇区间m a c 层切换的信令 以及对上层切换的支持 支持h h o 硬切换 m d h o 宏分集切换 和w i m a x 特有的f b s s 快速基站切换 方式 8 0 2 1 6 e 支持m o b i l ei p 机制 支持休眠模式和闲置模式 另外 w i m a x 论坛在其白皮 书中发布了一个端到端全口的w i m a x 网络架构 5 2 1 2 1 2 基于中继的i e e e8 0 2 1 6 j 标准 随着无线接入网络承载业务的多样化 对于网络容量需求的日益增长以及无 线资源的稀缺性日益严重 无线接入网络的构架必须调整 2 g 无线通信系统采 用直放站 r e p e a t e r 技术 虽能实现对盲点的覆盖 但网络容量的提升有限 同时会增加干扰协调和网络规划的难度 为了在高频段上实现宽带无线接入组 网 8 0 2 1 6 j 标准展开中继 r e l a y 技术的研究 寻找性价比高的网络解决方案 为了在成本及效能间达成最佳的平衡点 2 0 0 5 年7 月 8 0 2 1 6 标准制定组 成立移动多跳中继 m m r m o b i l em u l t i h o pr e l a y 研究小组 研究在8 0 2 1 6 系统中采用中继技术的可行性 2 0 0 6 年3 月 8 0 2 1 6 j 中继 工作小组成立并 开始工作 预计于2 0 0 7 年底完成8 0 2 1 6 j 标准的制定 引入中继技术 使得协 议在无线资源管理方面的功能得到了增强 同时可以实现多级的空间分集 可 以有效地提升网络容量 改善覆盖质量 5 3 1 基于中继技术的8 0 2 1 6 j 系统中 接入网络的通信节点有基站 b s b a s e s t a t i o n 移动站 m s m o b i l es t a t i o n 和新定义的中继站 r s r e l a ys t a t i o n 三种 8 0 2 1 6 j 系统中的基站 如果支持8 0 2 1 6 j 协议定义的移动多跳中继功能p 引 被称为多跳中继b s m r b s b s 一在8 0 2 1 6 d e 标准定义的功能基础上 增加 对r s 的资源调度功能 同时 8 0 2 1 6 系统的移动站 基本与8 0 2 1 6 e 标准一致 对m s 而言 r s 节点是透明的 即m s 不需要关心其通信是直接通过b s 还是 以下表述中 如无特别注明 所表述的流程中的b s 默认为m r b s 7 第2 章i e e e8 0 2 1 6 系统的h a r q 机制 通过r s 中继的方式接入网络 所以m s 端无需做任何的改动 新加入的中继站r s 按照节点的移动性 可以分为固定r s f i x e dr s 游牧r s n r s n o m a d i cr s 和移动r s m o b i l er s 三种类型 固定r s 放 置在固定的地点 可以实现对某些覆盖盲点的补点 或者实现室内覆盖 游牧 r s 不会经常发生移动 但可以根据需要调整放置的位置 比如为一些临时的热 点地区提供覆盖 移动r s 可以工作在移动环境中 比如设在公共交通工具上的 r s 可以为车内的用户提供高质量的无线覆盖 同时在移动过程中将用户的信 息转发给基站 7 诵 y p a n e t r a t i o ni n t o r s i n s i d er o o n l 一 ns c 凄豢黔 如5 褥嵫 黪一势器留篡7 r s 多西 翟譬 采s 聊 图2 1 基 48 0 2 1 6 j 标准的中继场景 8 0 2 1 6 j 标准定义的r s 节点 在与8 0 2 1 6 e 标准的b s m s 二元网络结构的 融合过程中 显现出了新的问题 例如 加入r s 节点 提高了系统的覆盖质量 和容量 但r s 本身也是一个干扰源 在频率规划和网络规划过程中 5 4 1 如何有 效克服加入r s 产生的干扰成为中继网络实施过程中需要首先解决的一个问题 并且在资源管理方面 需要改进传统蜂窝网络的集中调度方式 增加对中继链 路上节点使用资源的调度 还要具备为中继节点提供二级调度的功能 在移动 性管理方面 需要将r s 与传统的微小区 m i c r oc e l l 中的基站区分丌 避免 频繁切换带来的资源浪费 同时 移动r s 在越区切换时 b s 需要有效处理好 r s 的切换和r s 管辖范围内m s 的切换问题 8 0 2 1 6 j 系统的r s 工作方式不是 自组织的 需要与b s 以及其他的r s 协同工作 以两跳中继网络为例 r s 转发 一 蛳曰孵 旱譬 塘 第2 章i e e e8 0 2 1 6 系统的h a r q 机制 收到的数据 这决定了信息传输时延必然随着中继次数 r s 级数 的增加而增 加 如何有效控制信息传输时延也是一个亟待解决的问题 在网络拓扑结构方 面 中继网络是一种以小区b s 为根的树型结构网络 在合作中继的情况下 也 可能为网状结构 这在一定程度上决定了越靠近树根 b s 的节点 需要承载 的流量越大 如何解决好中继网络的负载均衡同样是影响系统性能的关键问题 因此 8 0 2 1 6 j 标准定义的多跳中继网络 与现有的m e s h 组网和自组织网 络方式有所区别 具有自身的特点 首先 网络加入独立定义的网络节点r s 在传统的具有基础设施支撑的单跳无线接入网络中 引入了在无基础设施支撑 网络中使用的多跳机制 并且 不同于传统蜂窝无线接入网络中直放站式的中 继方式 r s 不只是简单的信号中继 在需要多级中继的情况下 r s 还需要完成 路由选择以及无线资源管理等较为复杂的操作 其次 8 0 2 1 6 j 标准作为i e e e 8 0 2 1 6 系列标准中的一种 虽然其中继技术具有与自组织网络相似的多跳通信 功能 但定义的只是接入部分 对于核心网络并没有具体要求 而自组织和m e s h 组网定义的是相对完整的网络结构 再次 8 0 2 1 6 j 标准与自组织网络和m e s h 的目标不同 8 0 2 1 6 j 的目标是为高速数据业务提供无所不在的覆盖 而后者则 是实现在无基础设施网络支撑的独立组网 最后 8 0 2 1 6 j 标准可以兼容点对多 点 p m p 的通信方式 而自组织网络和m e s h 组网不行 由此 8 0 2 16 j 的组 网方式和基于中继的无线资源管理技术 具有其研究价值和对未来组网实践的 指导意义 2 2i e e e8 0 2 1 6 系统中的h a r q 机制 8 0 2 1 6 e 协议引入了混合自动重传请求 h a r q 技术 提供w i m a x 用户 在移动环境下无线信道的差错控制支持 8 0 2 1 6 e 协议规定 h a r q 是o f d m a 物理层的可选功能 并且在m a c 层上 区分了固定用户站s s 和移动台用户 m s 的h a r q 属性 其中 s s 支持基于终端的h a r q 而m s 支持基于连接的 h a r q 8 0 2 1 6 e 协议的连接是基于c i d 的 所以s s 的h a r q 针对于s s 上所 有激活的c i d 连接 而m s 采用h a r q 则是针对于单个c i d 连接进行增删 在 网络接入过程或重新接入过程中 h a r q 的使用和参数选择是通过消息s b c 协 商和确定的 基于连接的h a r q 通过消息d s a d s c 确定每个服务流是否有 h a r q 的功能 相关的参数规定 如上下行h a r q 时延等 在u c d 和d c d 中 9 第2 章i e e e8 0 2 1 6 系统的h a r q 机制 规定 对于h a r q 数据包的接收情况 通过a c k n a c k 信令通知 下行h a r q 的反馈是由s s 通过快速反馈信道通知b s 而上行的反馈是b s 通过h a r q b i t m a pi e 实现的 8 0 2 1 6 e 协议采用停等h a r q 重传机制 如图2 2 所示 在收到上一次发送 数据分组的反馈消息后 开始下一步的处理 为了提高系统的传输效率 针对 一个c i d 连接可以设置多个h a r q 信道并发数据 8 0 2 1 6 e 协 2 4 9 采用的重传 编码和码合并技术 分别是t y p ei i i 型h a r q 的两个版本 递增冗余 i n c r e m e n t a l r e d u n d a n c y 和c h a s e 合并 c h a s ec o m b i n i n g 两者主要区别在重传冗余版本 的个数上 递增冗余采用多个冗余版本 在重传时重传一个包括瓜信息的完整 码字 克服了t y p ei i 中递增冗余发送缺乏纠错保护的缺点 但是 当信道条件 较好时 这增加了不必要的冗余 c h a s e 合并 每次重传使用相同的f e c 编码 数据分组 错误的分组被存储在接收端 解码器根据接收到的s n r 加权组合这 些发送分组的拷贝 获得了时间分集增益 c h a s e 合并所需的接收端缓存较小 信令相对简单 是一种复杂度低 受欢迎的码合并方式 协议规定 固定的用 户站s s 只能使用递增冗余的h a r q 机制 而移动台m s 可以使用任意一种 图2 2 停等h a r q 重传机制示意 8 0 2 1 6 e 协议中的h a r q 流程大致可分为以下几步 如图2 3 所示 采用h a r q 的业务连接发送数据 首先向调度模块申请发送带宽 带宽的 度量是以上层p d u 所携带的信息比特为基准 带宽申请标明所申请的带宽是用 作传输h a r q 子包 s u b p a c k e t 调度器在收到带宽请求后 考虑当前的带宽 是否具体提供h a r q 传输的能力 并通过信令向接收端的调度器发出请求 为 1 0 第2 章i e e e8 0 2 1 6 系统的h a r q 机制 h a r q 子包分配反馈消息信道 用以发送a c k n a c k 信令 接收端调度器响应 请求 在固定延迟的帧数后分配a c k n a c k 带宽 发送端调度器将带宽分配结果反馈给p d u 模块 提供的带宽是调度器将物 理带宽 考虑了h a r q 过程中对应的调制编码以及c r c 校验等处理后 映射得 到的结果 p d u 模块根据带宽分配结果 将对应的p d u 包发送到h a r q 模块 h a r q 模块根据调度器的分配结果 组织h a r q 子包通过物理层处理发送 同 时记录发送参数以及开启等待计时器 图2 38 0 2 1 6 e 协议中的h a r q 信令交互示意 接收端对接收到的h a r q 子包进行合并纠错处理和c r c 校验 判定此次发 送是否成功 对成功接收的h a r q 子包 还原为p d u 包 向上传给p d u 模块 并且 在分配好的反馈带宽中发送对应的a c k n a c k 的信令 发送端的h a r q 模块在收到a c k n a c k 后 通知调度器停止 继续在下一 次发送机会时安排带宽 默认每次发送周期中调度器都会为该h a r q 子包提供 足够的带宽用来重发 采用h a r q 技术提高了频谱效率 可以明显提高系统吞吐量 同时 重传 带来合并增益 所以间接扩大系统的覆盖范围 虽然8 0 2 1 6 e 系统可以采用的信 道编码方式有卷积码 c c 卷积t u r b o 码 c t c 和低密度校验码 l d p c 编码等 但是在h a r q 方式下 目前的协议只支持卷积码和卷积t u r b o 码两种 方式 厂i i l 第2 章i e e e8 0 2 1 6 系统的i l a r q 机制 2 3 基于中继的h a r q 机制扩展 2 3 1 透明与非透明中继方式 8 0 2 1 6 j 标准 在8 0 2 1 6 e 标准的蜂窝网络架构基础上 研究中继通信 复用 已有的网络控制流程和系统传输参数 改善链路质量和提升系统性能 原有符 合8 0 2 1 6 e 标准的m s 不需要改变就可以工作在8 0 2 1 6 j 网络中 在m s 端的流 程和用户操作体验都不变化 图2 48 0 2