计算机应用技术博士学位论文-WiMAX网络跨层调度算法研究.pdf

北京工业大学 博士学位论文 wimax网络跨层调度算法研究 姓名：乔峰 申请学位级别：博士 专业：计算机应用技术 指导教师：林平分 20090301 摘要 摘要 随着无线通信、互联网和多媒体技术的快速发展，特别是以w i m a x l t e 为 代表的新一代移动通信网络正朝着丰富、快速、灵活、高效等方向发展，呈现出 用户业务多样化、无线技术宽带化、宽带技术无线化和i p 技术综合化等特点。 为支持具有不同服务质量需求的业务，这就要求无线通信网络的无线调度必须与 业务需求相结合，在各业务之间合理动态有效地分配无线资源。同时，由于无线 信道的时变性，无线通信网络的调度算法需要在时、频、码等多维进行调度控制， 并且需要更强的自适应能力，以最优的方式动态分配无线资源，从而增加系统的 最大吞吐量和提高无线资源利用率。 传统的有线网络协议需要彼此透明，以保持各层协议设计上的的独立性，同 时减小网络协议开发和实现的难度。然而，在无线网络中，特别是移动无线网络 中，由于无线环境的不确定因素，导致无线信道容量和误比特率等的时变特性， 传统分层设计方法无法保证网络的最佳资源利用率和用户业务的服务质量需求。 为了提高无线网络的性能，物理层、媒体访问控制层、路由协议和传输协议，甚 至应用层必须与其它各层进行有效的信息交互，以适应其它层特性的变化，于是 产生了无线网络跨层设计的思想。跨层设计思想已经提出多年，过去主要用于系 统设计和软件设计，应用到通信网络协议设计，特别是无线通信网络协议设计还 只是最近几年的工作。跨层设计思想主要应用于自适应系统，目前在蜂窝通信、 w i f i 、蓝牙、无线城域网、无线传感网络、无线多跳网络、自组织网络等方面取 得了一些初步的成果，很多理论与工程上的问题需要解决。本论文以无线城域网 w i m a x 通信协议为背景，研究了w i m a x 网络跨层服务质量保证以及w i m a x 系 统的调度优化等问题。 本论文在w i m a x 无线通信网络架构和通信业务类型的基础上，分析了无线 通信网络中无线调度领域新的研究方向和研究现状，包括：基于o f d m o f d m a 的时域、频域等维度的联合资源调度技术、具有服务质量保障的动态自适应无线 信道资源分配技术、分组调度控制技术等。在对无线调度算法领域的经典理论和 算法的总结和分析基础之上，针对w i m a x 无线环境下的多用户o f d m o f d m a 系统的无线调度算法，特别是基于跨层的无线调度算法进行了深入的研究。 早期的无线调度算法都是基于有线环境下的调度算法修改而来的，但是这种 算法不能适应当今的无线通信系统，特别是4 g 这样高带宽、高速率、服务质量 保证的无线网络。由于无线调度算法研究的主要问题是将稀缺的无线资源在给定 的时间内分配给不同的用户，无线调度算法的结果是优化一个或多个目标，如吞 吐率、低功耗、公平性等。针对这种情况国内外的研究提出了各种各样的解决无 线通信中跨层调度的办法。这些方法普遍都在对无线调度的数学模型本身进行简 北京工业犬掌工学博上彳：。= 论文 化的前提下，使用如凸优化，动态规划法、单纯形法、线性规划、拉格朗日松弛 法等数学规划的方法进行求解。这等于对无线调度问题本身进行了简化，如凸优 化方法将问题简化为凸优化的领域，而不考虑调度问题本身有可能是凹优化的问 题。另外一般传统的数学规划方法，只能求得一个精确解。因为调度是多目标的， 而多目标的解，即p a r e t o 解其问题本身就是一个解集，几乎不存在唯一解的可 能性。而且数学规划的方法对于变量的条件，调度函数的可导、可微等有一定的 要求，这就限制了该类方法的应用范围。本论文提出了使用进化算法求解无线调 度问题的方法。由于无线调度问题本身的复杂性，涉及到无线通信、计算机网络、 计算机科学等多学科交叉，目前应用进化算法求解无线调度问题的研究成果和发 表的论文还是空白，所以进行该领域的研究是一件非常有意义的工作。本论文首 次提出了基于微分进化算法以及多目标优化算法的无线调度算法，通过仿真验证 了这些算法在w i m a x 网络中应用的有效性和可行性。 本论文的主要创新点如下： 1 建立了w i m a x 网络o f d m a 模式的公平调度数学模型，本论文提出了适于进 化算法应用的简化的多载波公平调度模型以便于进化算法的使用。 2 提出了w i m a x 网络o f d m a 模式的跨层设计架构，针对w i m a x 网络复杂的 特点，本论文提出了适于w i m a x 网络o f d m a 模式的跨层调度算法架构。 3 提出了基于微分进化的w i m a x 网络o f d m a 模式的跨层调度算法，微分进化 算法是进化算法产生以来在算法理论方面取得的最重大的进展。由于微分进化算 法同样应用了“优胜劣汰，适者生存”的自然进化法则，所以该算法也应当属于 进化算法的一种。微分进化算法能更快速、更稳定的收敛到问题的全局最优解。 考虑到无线信道的时变性，无线调度算法需要快速的跟踪信道的变化，所以本论 文提出了基于微分进化的跨层调度算法。 4 提出了基于粒子群优化的w i m a x 网络o f d m a 模式的跨层调度算法，粒子群 优化算法，该算法源于对鸟群觅食行为的研究。研究者发现鸟群在飞行过程中经 常会突然改变方向、散开、聚集，其行为不可预测，但其整体总保持一致性，个 体与个体间也保持着最适宜的距离。通过对类似生物群体的行为的研究，发现生 物群体中存在着一种社会信息共享机制，它为群体的进化提供了一种优势，这也 是粒子群算法形成的基础。由于没有免费午餐定理的存在，而且粒子群算法容易 理解、易于实现，所以本论文提出了基于粒子群优化的无线跨层调度算法。 5 建立了w i m a x 网络o f d m a 模式的多目标调度数学模型，鉴于无线调度问题 本身的复杂性，即多目标优化，目前该领域还没有建立有效的多目标调度模型， 所以本论文建立了一个多目标调度模型，为深入研究跨层调度算法提供了调度的 数学模型。 6 提出了基于多目标进化的w i m a x 网络o f d m a 模式的跨层调度算法，依据本 摘要 曼! 曼曼曼曼曼曼曼鼍i m 鼍i 论文建立的数学模型，以及求解多目标优化问题的复杂性，本论文提出了基于多 目标微分进化的无线跨层调度算法。 7 提出了基于系统级芯片的w i m a x 网络跨层体系架构，随着无线通信技术的 快速发展，无线通信系统设计的复杂度越来越高，尤以无线通信系统级芯片的设 计更是其中最困难的部分，本论文提出了一种适合w i m a x 网络的系统级芯片跨 层体系架构。 8 提出了无线通信芯片设计方法学，建立了w i m a x 网络系统级仿真模型，为 了完成w i m a x 芯片的功能评估，本论文建立了w i m a x 网络系统级模型。 关键词w i m a x ：进化算法；o f d m a ：无线调度：服务质量 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，i n t e r n e ta n d m u l t i m e d i a t e c h n o l o g i e s ，t h en e wg e n e r a t i o no fm o b i l ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ss u c ha sw i m a xa n dl t ea r e b e c o m i n gd i v e r s e ，h i g h s p e e d ，f l e x i b l ea n dh i g h l ye f f i c i e n t i no r d e rt os u p p o r tv a r i o u ss e r v i c e s w i t hd i f f e r e n ts e r v i c eo fq u a l i t y ( q o s ) r e q u i r e m e n t s ，r a d i or e s o u r c es c h e d u l i n ga l g o r i t h m sn e e d t ot a k es e r v i c er e q u i r e m e n t si n t oc o n s i d e r a t i o na n de f f i c i e n t l ya l l o c a t er a d i or e s o u r c et oe a c h s e r v i c e a tt h es a m et i m e ，i no r d e rt oa d a p tt ot h et i m e v a r y i n gr a d i oc h a n n e l ，s c h e d u l i n g a l g o r i t h m sn e e dt oa d a p t i v e l ya l l o c a t et h er e s o u r c ei nm u l t i p l ed i m e n s i o n so ft i m e ，f r e q u e n c y a n dc o d et om a x i m i z es y s t e mt h r o u g h p u ta n di m p r o v et h eu t i l i z a t i o no fr a d i or e s o u r c e t h el a y e r e dc o n c e p tw a sp r i m a r i l yi n t r o d u c e df o rw i r e dn e t w o r k sw h i c ht y p i c a l l ys e p a r a t e s c o m m u n i c a t i o nt a s k si n t os e v e r a ll a y e r sw i t hac l e a rd e f i n i t i o no ft h ef u n c t i o n a l i t yf o re a c hl a y e r na l a y e r e d c o m m u n i c a t i o ns t a c k ，i n t e r a c t i o na m o n gl a y e r so c c u r st h r o u g hw e l l - d e f i n e d s t a n d a r d i z e di n t e r f a c e st h a tc o n n e c to n l yt h ea d j a c e n tl a y e r si nt h es t a c k i nc o n t r a s t ，i nw i r e l e s s n e t w o r k s ，e s p e c i a l l yi nm o b i l en e t w o r k s ，t h eu n c e r t a i n n e s so ft h ew i r e l e s se n v i r o n m e n tc a u s e s w i r e l e s sc h a n n e lc a p a c i t ya n db i te r r o rr a t et ov a r yi nt i m e t h et r a d i t i o n a ll a y e r e dc o n c e p tc a n n o tg u a r a n t e et h eo p t i m a ln e t w o r kr e s o u r c eu t i l i z a t i o na n dq u a l i t yo fs e r v i c e i no r d e rt oi m p r o v e t h ew i r e l e s sn e t w o r kp e r f o r m a n c e ，p h y s i c a ll a y e r , m a cl a y e r , r o u t e rp r o t o c o l ，t r a n s p o r tp r o t o c o l ， a n de v e nt h ea p p l i c a t i o nl a y e rn e e dt oi n t e r a c tw i t he a c ho t h e rt oa d a p tt ov a r y i n gc h a r a c t e r i s t i c s o fo t h e rl a y e r s t h i sr e s u l t si nt h ec r o s s - l a y e ra p p r o a c hf o rw i r e l e s sn e t w o r k si nf a c t ，t h e c r o s s l a y e ri d e ah a sb e e na r o u n df o ral o n gt i m ea n dw a sm a i n l yu s e di ns y s t e md e s i g na n d s o f t w a r ed e s i g n i nr e c e n ty e a r s ，t h ec r o s s l a y e rd e s i g na p p r o a c hi sa p p l i e dt on e t w o r kp r o t o c o l d e s i g n ，e s p e c i a li nw i r e l e s sn e t w o r k s al o to fr e s e a r c hh a sb e e nd o n ei nt h ea r e a ss u c ha s c e l l u l a rc o m m u n i c a t i o n s lw i f i ? b u l e t o o t h 。w i m a x lw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s lw i r e l e s sm e s h n e t w o r k s ，a n da d h o cn e t w o r k s h o w e v e r , t h e r ea r e s t i l lal o to fp r o b l e m st os o l v e t h i s d i s s e r t a t i o nf o c u s e so nw i m a xc r o s s l a y e rq o sa n dw i m a xs y s t e ms c h e d u l i n go p t i m i z a t i o n b a s e do nw i m a xc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l s t h ed i s s e r t a t i o na n a l y z e st h ec u r r e n ts t a t u sa n dt h en e wr e s e a r c hd i r e c t i o ni nw i r e l e s s n e t w o r ks c h e d u l i n ga r e au s i n gw i m a xn e t w o r ka r c h i t e c t u r ea n ds e r v i c et y p e s i tc o v e r s o f d m o f d m at i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i nu n i f i e ds c h e d u l i n gt e c h n o l o g y , a n dd y n a m i c a d a p t i v ec h a n n e lr e s o u r c ea l l o c a t i o na n dp a c k e ts c h e d u l i n gt e c h n o l o g yw i t hg u a r a n t e e dq o s a f t e rt h es u r v e ya n dt h ea n a l y s i so ft h et y p i c a lt h e o r ya n da l g o r i t h m sa b o u tw i r e l e s ss c h e d u l i n g ， t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e si nd e p t hw i m a xm u l t i - u s e ro f d m o f d m as c h e d u l i n ga l g o r i t h m ， e s p e c i a l l yt h ec r o s s l a y e ra p p r o a c h t h ee a r l yw i r e l e s ss c h e d u l i n ga l g o r i t h m sw e r ee v o l v e df r o mt h ew i r e dn e t w o r ks c h e d u l i n g 北京i _ , i k 大学丁学博士学侮论文 o n e s t h e ya r ea p p a r e n t l yn o ts u i t a b l ef o rt h ew i r e l e s sn e t w o r k sn o w a d a y s ，e s p e c i a l l yt h e4 g n e t w o r k sw i t hh i g hb a n d w i d t h ，h i g ht h r o u g h p u t ，a n dg u a r a n t e e dq o sr e q u i r e m e n t s t h ef o c u so f w i r e l e s ss c h e d u l i n g a l g o r i t h m si so na l l o c a t i n gs c a r c ew i r e l e s sr e s o u r c et od i f f e r e n tu s e r si n c e r t a i nt i m e ，w h i c hi se s s e n t i a l l yt oo p t i m i z eo n eo rm u l t i p l eo b j e c t ss u c ha st h r o u g h p u t ，l o w p o w e r , a n df a i r n e s s m a n ym e t h o d sh a v eb e e np r o p o s e di nw i r e l e s sc r o s s l a y e rd e s i g na r e ab ya i o to fr e s e a r c h e r sw o r l d w i d e h o w e v e r , t h o s em e t h o d sa r ea l m o s ta l lb a s e do nt h es i m p l i f i e d m a t h e m a t i c sm o d e l ss u c ha sc o n v e xo p t i m i z a t i o n ，d y n a m i cp r o g r a m m i n g ，s i m p l e xa l g o r i t h m ， n e a rp r o g r a m m i n g ，a n dl a g r a n g i a nr e l a x a t i o n t h i si m p l i e st h es i m p l i f i c a t i o no ft h ew i r e l e s s s c h e d u l i n gp r o b l e mf o ri n s t a n c e ，t h ec o n v e xo p t i m i z a t i o na s s u m e st h a tt h er e s u l t sa r ei nc o n v e x a r e ad e s p i t et h ef a c tt h a tt h e ym a yb ei nc o n c a v eo p t i m i z a t i o na r e a t h et y p i c a lm a t h e m a t i c s p r o g r a m m i n go n l yh a so n e s o l u t i o nw h i l et h es c h e d u l i n ga l g o r i t h mi s m u l t i t a r g e tw i t ha m u l t i - o b j e c ts o l u t i o n i tm e a n st h a tt h e p a r e t os o l u t i o ni sn o tau n i q u eo n eb u ti sas o l u t i o ns e t f u r t h e r m o r e ，t h et r a d i t i o n a im e t h o d sh a v el i m i t a t i o n so nv a r i a b l ec o n d i t i o n s d e r i v a t i v ea n d d i f f e r e n t i a b i l i t yo ft h es c h e d u l i n gf u n c t i o n b a s e do nt h ef a c tt h a tt h e r ei sn og o o ds o l u t i o nf o r t h i sp r o b l e mi nc u r r e n ta c a d e m i ca r e a ，t h i sd i s s e r t a t i o nu s e se v o l u t i o na l g o r i t h mt or e s o l v et h e w i r e l e s ss c h e d u l i n gi s s u e d u et ot h ec o m p l e x i t yo ft h ew i r e l e s ss c h e d u l i n gp r o b l e mt h a ti s r e l a t e dt om u l t i p l ed i s c i p l i n e si n c l u d i n gw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t e rn e t w o r k ，a n d c o m p u t e rs c i e n c e ，t h e r eh a sb e e nn ok n o w np u b l i c a t i o ni nt h i sa r e a t h ea u t h o rb e l i e v e si t i sa v e r yi n t e r e s t i n ga n dm e a n i n g f u lr e s e a r c ht o p i ca n dm a d et h ef i r s tp r o p o s a lo na p p l y i n g d i f f e r e n t i a le v o l u t i o ns c h e d u l i n ga l g o r i t h ma n dt h em u l t i o b j e c te v o l u t i o ns c h e d u l i n ga l g o r i t h m i nt h i sa r e a a tt h ee n do ft h ed i s s e r t a t i o n ，t h ee f f e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h e s ea l g o r i t h m s a r ed e m o n s t r a t e dt h r o u g hs i m u l a t i o n s 。 t h em a i ni n n o v a t i o n sa n dc o n tr b u t i o n si nt h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fap r o p o r t i o n a lf a i r n e s ss c h e d u l i n gs c h e m ef o rw i m a x o f d m aa p p l i c a t i o ni sp r o p o s e ds ot h a tt h ee v o l u t i o na l g o r i t h mc a nb ea p p l i e dt os i m p l i f yt h e m u l t i c a r r i e rf a i r n e s sm o d e l s e c o n d l y , aw i m a xc r o s s l a y e rs c h e d u l i n ga r c h i t e c t u r es u i t a b l ef o rt h ec o m p l e xw i m a x n e t w o r k si sp r o p o s e df o rw i m a xo f d m aa p p l i c a t i o n s t h i r d l y , a na d a p t i v ed i f f e r e n t i a le v o l u t i o n ( d e ) b a s e ds c h e d u l i n ga l g o r i t h mf o rw i m a x i s p r o p o s e d d ei st h em o s ti m p o r t a n td e v e l o p m e n ti na l g o r i t h mt h e o r ya f t e re v o l u t i o na l g o r i t h m w a si n t r o d u c e d i ti sb e l o n gt ot h ef a m i l yo fe v o l u t i o na l g o r i t h ms i n c et h et h e o r yo fe v o l u t i o n s u c ha sn a t u r a ls e l e c t i o na n ds u r v i v a lo ft h ef i t t e s ti sa p p l i e di nd e i tc a nc o n v e r g et ot h eg l o b a l o p t i m a ls o l u t i o nm o r eq u i c k l ya n dm o r es t a b l y , a n di sm o r es u i t a b l ef o rt h eo p t i m i z a t i o no ft h e s u b c a r r i e ra n db i ta l l o c a t i o np r o b l e mi nm u l t i u s e ro f d m as y s t e m i ti sm o d i f i e di no u rr e s e a r c h t ob ea d a p t i v et ot r a c kt h ef a s tv a r y i n gc h a n n e lc o n d i t i o n - x a b s t r a c t f o u r t h l y , p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ( p s o ) i so n eo fb i o l o g i c a l i n s p i r e do p t i m i z a t i o n t e c h n i q u e sa p p l i e di nm a n ya p p l i c a t i o n ss u c ha sf u n c t i o no p t i m i z a t i o n ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ， f u z z yc o n t r o l ，r o b o t i c s ，a n dm e c h a n i c a ld e s i g n b e c a u s eo ft h ee x i s t e n c eo f ”n of r e el u n c h t h e o r e m sf o ro p t i m i z a t i o n ”a n dt h ef a c tt h a tp s oi se a s yt ou n d e r s t a n da n di m p l e m e n t ，i ti s p r o p o s e df o rw i r e l e s sc r o s s l a y e rs c h e d u l i n ga l g o r i t h m f i f t h l y , am u l t i - o b j e c ts c h e d u l i n g m a t h e m a t i c sm o d e ls u i t a b l ef o rw i m a xc r o s s l a y e r m u l t i - - o b j e c ts c h e d u l i n g i s p r o p o s e d f o rt h ef u r t h e rs t u d yo ft h e c r o s s - l a y e rs c h e d u l i n g a l g o r i t h m s s i x t h l y , am u l t i o b j e c td es c h e d u l i n ga l g o r i t h mb a s e do np a r e t ot h e o r yi sp r o p o s e db a s e do n t h ec r o s s l a y e rm u l t i o b j e c ts c h e d u l i n ga l g o r i t h mf o ro f d m am o d eo fw i m a xn e t w o r k s s e v e n t h l y , aw i m a xs o cc r o s s l a y e ra r c h i t e c t u r ei sp r o p o s e df o rw i m a xn e t w o r k s w i t ht h e r a p i dd 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 nt e c h n o l o g y , t h ed e s i g na n dj m d i e m e n t a t i o no fa w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ec o m p l e x ，e s p e c i a l l yt h ed e s i g no f t h es y s t e m - o n c h i p ( s o c ) a r c h i t e c t u r e l a s t l y , as y s t e ml e v e ls i m u l a t i o nm o d e li sb u i l ti no r d e rt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h e w j m a xs o c 。 k e y w o r dw i m a x ；e v o l u t i o na l g o r i t h m ；o f d m a ；w i r e l e s ss c h e d u l i n g ；q o s x i 北京工业大学工学博士学位论文 缩略语 w i m a q o s o f d m 0 f d m a d e p s 0 m a c p h y e a m o e a b s s s p m p t d d f d d c s c p s s s p d u s d u m p l s f f t i f f t c s i p f s m i m 0 l t e m o p n s g a 无线城域网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 服务质量 q u a l i t yo fs e r v i c e 正交频分多路复用 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 i n g 正交频分多路复用多址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 微分进化d i f f e r e n t i a le v o l u t i o n 粒子群优化p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n 媒体访问控制 m e d i aa c c e s sc o n t r o l 物理层p h y s i c a ll a y e r 进化算法e v o l u t i o na l g o r i t h m 多目标进化算法 m u l t i o b j e c te v o l u t i o na l g o r i t h m 基站b a s e s t a t i o n 终端s u b s c r i b e r 点对多点p o i n tt om u l t i p o i n t 时分双工t i m ed i v i s i o nd u p l e x 频分双工 f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x 汇聚子层 c o n v e r g e n c es u b l a y e r 公共子层c o m m o np a r ts u b l a y e r 安全子层s e c ur i t ys u b l a y e r 协议数据单元p r o t o c o ld a t aun i t 服务数据单元s e r v i c ed a t au n i t 多协议标记交换 m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g 快速傅里叶变换f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m 快速傅里叶反变换i n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m 信道状态信息c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n 比例公平调度p r o p o r t i o nf a i r n e s ss c h e d u l i n g 多输入多输出 m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t 长演进long t e r me v o l u t i o n 多目标优化问题 m u l t i o b j e c to p t i m i z a t i o np r o b l e m 非支配排序遗传算法n o n d o m i n a t e ds o r t i n gg e n e t i ca l g o r i t h m x v i 独创性声明 本人声明所呈交的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，除了文中特别加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，也不包含为获得北京工业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。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 第l 章绪论 i i ii i n_ 第1 章绪论 1 1 课题研究背景和意义 1 1 1 课题研究背景 随着无线通信、互联网和多媒体技术的快速发展，无线通信网络中的移动用 户对业务的需求已经由单一的语音业务转变为更加丰富的各种数据或多媒体业 务，例如，图像传送、视频点播、数据互传、实时电视节目、因特网接入等。从 运营商的角度，下一代的移动通信系统希望能够更易于加载各类新业务及融合新 的技术，而无需频繁地进行系统结构和设备的变动。这些需求致使以w i m a x l t e 为代表的下一代移动通信模式正朝着丰富、快速、灵活、高效等方向发展，呈现 出无线技术宽带化、宽带技术无线化和i p 技术综合化等特点。 1 9 9 8 年，i e e e 成立了8 0 2 1 6 工作组来专门研究宽带固定无线接入技术规范， 目标就是要建立一个全球统一的宽带无线接入标准。在2 0 0 1 年1 2 月，i e e e 8 0 2 1 6 工作组制定完成了i e e e 8 0 2 1 6 协议的最初版本，它针对工作于1 0 g h z 一6 6 g h z 频 段上的点对多点的视距传播的无线宽带系统。 i e e e 8 0 2 1 6 工作组在最初版本的基础上做了一些修改，使其可以在 2 g h z 1 1 g h z 频段上利用基于o f d m 调制方式的物理层来做非视距传输，同时媒 体访问控制层也做了相应修改来适应o f d m a 模式。这个版本于2 0 0 4 年完成， 所以被称作i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 。w i m a x 目前的解决方案就是在i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 的 基础上应用于固定宽带接入方式。 2 0 0 5 年1 2 月i e e e 8 0 2 1 6 工作组完成并通过了i e e e 8 0 2 1 6 e 一2 0 0 5 协议，该协 议是在i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 的基础上进行了修改，增加了移动性。这个协议是移动 w i m a x 的基础。表1 1 是关于i e e e 8 0 2 1 6 系列协议的一些基本比较【1 l ，表1 2 是 关于固定w i m a x 和移动w i m a x 的特性比较。 北京工业大学工学博士学位论文 表卜1i e e e 8 0 2 1 6 标准基本数据比较 t a b l e1 1b a s i cf e a t u r e so fi e e e 8 0 2 16s t a n d a r d s 8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 2 0 0 4 8 0 2 16 e 一2 0 0 5 完成时间2 0 0 1 年1 2 月 2 0 0 4 年6 月2 0 0 5 年1 2 月 工作频段 l o g h z 一6 6 g h z2 g h z - l1 g h z 固定：2 g h z - 1 i g h z 移动：2 g h z - 6 g h z 应用场合固定的视距传播固定的非视距传播 固定或移动的非视距传 播 拓扑结构点对多点，网状网点对多点，网状网点对多点，网状网 传输技术 单载波单载波，2 5 6o f d m 或者 单载波，2 5 6o f d m 或者 2 0 4 8o f d m a 1 2 8 l5 1 2 ，1 0 2 4 ，2 0 4 8 o f d 姒 调制方式q p s k ，q a m 一1 6 ，q a m 一6 4q p s k ，q