（信号与信息处理专业论文）基于ns2的wimax系统级仿真研究.pdf

基于n s 2 的w i m a x 系统级仿真研究 摘要 w i m a x 是一项基于i e e e8 0 2 1 6 标准的宽带无线接入城域网 ( b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ，b w a m a n ) 技 术，其基本目标是提供一种在城域网一点对多点( p m p ) 的多厂商环境 下，可有效地进行互操作的宽带无线接入手段，w i m a x 的无线信号 传输距离最远可达5 0 k m ，其网络覆盖面积是3 g ( 3 r dg e n e r a t i o n ，第 三代移动通信) 基站的1 0 倍。随着社会信息化的不断推进，w i m a x 作为一种面向无线城域网( w m a n ) 的宽带接入方案，以其优异的 性能和广阔的市场前景正受到业界越来越多的关注，受接入控制、调 度、资源分配、信道条件等因素的影响，w i m a x 系统对多种服务流 的q o s 满足质量的差异也越来越大，如何从整体上提高系统性能成 为当前研究的重点。 本课题立足w i m a x 的系统级仿真，提供一个完整的w i m a x 系 统级仿真平台，该平台基于n s 2 搭建，包括w i m a x 系统的物理层、 m a c 层以及用来模拟产生多种服务流数据的传输产生器，然后完善 了动态服务流管理模块、m a c 层调度模块、资源分配模块、a r q 模 块、信道模块以及跨层反馈模块，并给出了改进的w i m a x 系统模块 框图，旨在从整体上设计、改善w i m a x 系统性能。 系统级性能分析、改进，需要对技术本身的了解，本论文在详细 阐述设计系统级平台之前先重点讨论了w i m a x 系统物理层p h y 、 m a c 层的关键技术及各技术对系统性能的影响。同时本论文也介绍 了已有的相关算法研究及其性能。 同时，本文提出了一个完整的调度、资源分配算法策略，该算法 不仅在m a c 层进行改进，而且针对物理层，根据信道条件、调制解 调方式对传输速率及资源分配的影响对资源分配进行调整，使 w i m a x 系统平台能满足多种服务类型的q o s 需求，并使w i m a x 系 统吞吐量最大化。最后给出w i m a x 系统的性能仿真，实验结果证明 本文所提出的w i m a x 系统级调度、资源分配算法策略比现有的算法 策略有一定程度的改善，同时也证明了经过完善的w i m a x 系统模块 对w i m a x 系统整体性能评价的有效性。 关键字：w i m a x 系统，系统级，n s 2 仿真平台，调度、资源分配， q o s 需求 w i a 僵axs y s t e m l e v e ls i n n ，a t i o n r e s e a r c hb a s e do nn s 2 a b s t r a c t w i m 匕岖i sab r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g yf o rb r o a d b a n d w i r e l e s sa c c e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ( b w a m a n ) b a s e do nt h e i e e e8 0 2 16s t a n d a r d t h eb a s i co b j e c t i o no fw i l 、4axi st op r o v i d ea b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s sm e a nw i t he f f e c t i v ei n t e r o p e r a b i l i t yi nt h e m u l t i v e n d o re n v i r o n m e n to ft h ep o i n t - t o m u l t i p o i n tm e t r o p o l i t a na r e a n e t w o r k t h ef a r t h e s tt r a n s m i s s i o nd i s t a n c eo ft h e 晰m a xw i r e l e s ss i g n a l c a nr e a c h50 l ( i - n ，t h ec o v e r a g ea r e ao ft h en e t w o r ki st e nt i m e so ft h a to f t h eb a s es t a t i o no f3 g ( 3 r dg e n e r a t i o n t h et h i r d g e n e r a t i o nm o b i l e c o m m u n i c a t i o n s ) a st h ed r i v i n go ft h es o c i a li n f o r m a t i z a t i o n ，w i m 议， w h i c hi sak i n do fb r o a d b a n da c c e s ss c h e m ef o rw i r e l e s sm e t r o p o l i t a n a r e an e t w o r k i sp a y e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sw i t hi t sp e r f e c t p e r f o r m a n c ea n dt h ew i d em a r k e tp r o s p e c t t h es a t i s f a c t i o no ft h eq o s f o rs e r v i c e s ，w h i c hi si n f l u e n c e db yt h ea c c e s sc o n t r o l ，s c h e d u l e r , r e s o u r c ea l l o c a t i o n ，c h a n n e lc o n d i t i o ne t c ，i sm o r ea n dm o r ed i f f e r e n t i t b e c o m e st h ek e yp o i n ti nc u r r e n tt h a th o wt oa d v a n c et h ep e r f o r m a n c eo f t h ew h o l ew i m l s y s t e m t h i ss u b j e c ta i m st ot h es y s t e m 1 e v e ls i m u l a t i o no fw i m a xa n d p r o v i d e saw h o l ew i m a xs y s t e m 1 e v e ls i m u l a t i o np l a t f o r mb a s e do n n s 2 t h ep l a t f o r mi n c l u d e st h ep h y s i c a ll a y e ro fw i m a x ，t h em a c l a y e r a n dt h et r a f f i cg e n e r a t o rw h i c hi su s e dt os i m u l a t et h eg e n e r a t o ro f m u l t i k i n do fs e v i c e s t h e nw ec o n s u m m a t ea n do p t i m i z e t h e m a n a g e m e n tm o d u l eo ft h ed y n a m i cs e r v i c e s t h es c h e d u l e rm o d u l ei n m a c l a y e r , t h er e s o u r c ea l l o c a t i o nm o d u l e ，t h ea r qm o d u l e ，t h ec h a n n e l m o d u l ea n dt h ec r o s s l a y e rf e e d b a c km o d u l e t h i sp a p e rp r o v i d e st h e 3 d e t a i l so ft h em o d u l ed e s i g no ft h ei m p r o v e dw i m a x s y s t e mm o d u l e w h i c ha i m st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ew h o l ew i m a x s y s t e m i ti sn e e d e dt ou n d e r s t a n dt h et e c h n o l o g yt oa n a l y z ea n di m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m t h i sp a p e rf o c u s e do nt h ek e yt e c h n o l o g i e so f t h ep h y s i c a l l a y e ra n dm a cl a y e ro ft h ew i m a xs y s t e ma n dt h e i r i m p a c t so nt h ep e r f o r m a n c e so fs y s t e mb e f o r ee x p a t i m i n go nt h ed e s i g n o ft h es y s t e m l e v e lp l a t f o r m a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e s t h er e l e v a n ta l g o r i t h m sa n dt h e i rp e r f o r m a n c e s a l s o ，t h i sp a p e rp r o p o s e saw h o l es c h e d u l i n ga n dr e s o u r c ea l l o c a t i o n a l g o r i t h ms t r a t e g yw h i c hc a l lm a k et h ew i m a xs y s t e mm e e tt h eq o s r e q u i r e m e n t so fv a r i e t ys e r v i c ef l o w sa n dm a k et h et h r o u g h o u t p u to ft h e w i m a x s y s t e mm a x i m i z e t h ei m p r o v e m e n t so ft h ea l g o r i t h ma i ma tt h e m a c l a y e ra n dt h ep h y s i c a ll a y e ra tt h es a m et i m e i ta d j u s t st h er e s o u r c e a l l o c a t i o ns c h e m ec o n s i d e r i n gt h ei m p a c t i o no ft h ec h a n n e lc o n d i t i o n s a n dt h em o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o no ft h e p h y s i c a ll a y e r o nt h e t r a n s m i s s i o nr a t ea n dt h er e s o u r c e sa l l o c a t i o n f i n a l l y , w ep r o v i d et h e s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ep e r f o r m a n c eo ft h ew i m a x s y s t e m t h er e s u l t s o fe x p e r i m e n td e m o n s t r a t et h a tt h ep r o p o s e ds c h e d u l i n ga n dr e s o u r c e a l l o c a t i o na l g o r i t h ms t r a t e g yi sm o r ee f f i c i e n tt h a nt h ee x i s t e n ta l g o r i t h m s t r a t e g i e sa n da l s od e m o n s t a t et h ev a l i d i t yo ft h ei m p r o v e dw i m a x s y s t e mm o d u l ef o rt h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no ft h ew h o l ew i m a x s y s t e r n k e yw o r d s ：w i m a x s y s t e m ，s y s t e ml e v e l ，n s 2s i m u l a t i o np l a t f o r m ， s c h e d u l i n ga n dr e s o u r c e sa l l o c a t i o n ，q o sr e q u i r e m e n t s 4 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：匀至壹l 茎玺日期：竺2 ：! ：! 兰 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：塑型茎盘 导师签名：盖匠墨皿牟一 1 7 i 期：竺2 ：! ：! 之 1 7 1 期：型2 芝：垡 北京邮电大学硕上学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着社会信息化的不断推进及通信技术快速发展，用户对信息业务的需求日 益丰富，以互联网业务为代表的宽带多媒体数据业务正成为网络业务发展的主 流，宽带用户的数量在全球呈现出非常强势的增长台式。因此，构建宽带化、全 业务、智能化的现代通信网络已经成为大势所趋。而通信网络的宽带化不仅需要 拓展广域网、城域干线网的带宽，而且也要解决好接入网的带宽问题。目前随着 光通信技术的逐渐成熟，光纤网络的大量应用，广域和城域干线网的建设发展呈 现出良好的趋势并颇具规模。而接入网作为网络建设的投资重点，传统的接入方 式已成为新一代网络建设的瓶颈。近年来也出现了光线接入、x d s l 、以太网接 入和无线接入等新兴接入技术来解决宽带网络的最后一公里问题。 在众多的宽带接入技术中，无线宽带接入技术成为近年来通信技术市场的最 大亮点，是构成未来通信技术的重要组成部分。i n t e m e t 应用的迅猛发展，以及 便携机、个人数字助理( p d a ) 等移动智能终端的使用的日益增长，给广大用户 提供了诸多便利，同时也使得用户对网络和业务提出了更高的要求，如随处自由 接入i n t e r n e t 、能享受更多的业务、更高的服务质量、安全且有保障的网络等。 这使无线宽带通信技术的未来一片光明，使其发展前景可以预见，它是下一代无 线网络重要的组成部分。另一方面，无线通信技术具有网络部署迅速便捷的特点， 对于缺乏线缆资源的新兴运营商来说，无线通信技术是成功部署通信网络，迅速 为用户提供语音和数据服务的最佳手段。国际电气电子工程师协会( t h ei n s t i t u t e o fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s ，i e e e ) 根据无线宽带接入网的传输距离将无 线宽带通信分成四类，分别是无线个域网w p a n ( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) 、 无线局域网w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 、无线城域网w m a n ( w i r e l e s s m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ) 和无线广域网w w a n ( w i r e l e s s w i d ea r e an e t w o r k ) ，如图 1 1 。它们的性能比较如表1 1 。 北京邮电大学硕上学位论文第一章绪论 图1 1 目前主要无线网络的比较 表1 1 无线标准对比 i 、釉蓝牙w i f iw i m a xe d g ec d m a 2 0 0 0w c d m a i x e v j d o 标准 i e e ei e e ei e e e2 5 g3 g3 g 8 0 2 1 5 3 a 8 0 2 1 5 18 0 2 11 a b g8 0 2 1 6 d e 吞吐量 1 1 供4 8 0 加7 25 4 n l 5 49 5 ( 2 0 m h z )0 3 8 42 42、1 0 ( 【b i t s )3 0( h s d p a ) ( 1 0 m h z ) 覆盖范围 1 0 m1 0 0 m典型为 典型为典型为典型为 6 5 1 0 k r n1 5 8 k i n1 5 8 k m1 5 8 k m 1 5 5 k m 移动性较差一般差好较好好好 q o s 保障 差一般好较好较好较好 业务数据数据数据语音、数语音、数语音、数据 据据 1 1w i m a x 的标准化进程 w i m a x ( w o r l di 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 ，微波接入全球互操作性) 是由全球些主要的宽带无线接入厂商及芯片制造商在2 0 0 2 年4 月成立的非赢 利工业贸易联盟组织，用于推广基于i e e e8 0 2 1 6 和e t s ih i p e r m a n 协议的无 2 北京邮电人学硕士学位论文第一章绪论 线宽带接入设备，目的是确保不同无线宽带接入设备之间的兼容性和互操作性。 由于e t s ih i p e r m a n 协议物理层采用o f d m 技术，其技术规范完全和i e e e 8 0 2 1 6 协议中规定的o f d m 物理层规范类似，所以目前的研究重点和设备实现 都集中在i e e e8 0 2 1 6 协议规范。w i m a x 已成为i e e e8 0 2 1 6 标准的代名词，是 一种面向城域网的宽带无线接入技术，能提供面向互联网的高速无线连接。 i e e e8 0 2 1 6 工作组成立于1 9 9 9 年，其主要目标是制定b w a 宽带无线接入 标准，开发工作于2 - 6 6 g h z 频带的无线接入系统空中接口物理层( p h y ) 和媒质接 入控制层( m a c ) 规范，同时还有与空中接口协议相关的一致性测试以及不同无线 接入系统之间的共存规范。i e e e8 0 2 1 6 工作组至今已经先后发布了8 0 2 1 6 、 8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 e 、8 0 2 1 6 d 、8 0 2 1 6 e 、8 0 2 1 6 f 、8 0 2 1 6 9 七个标准。如表1 2 给 出i e e e8 0 2 1 6 d e t l 】【2 】空中接口标准的对应的技术参数。 表1 2i e e e8 0 2 1 6 d e 空中接口标准技术参数 技术参数 8 0 2 1 6 d8 0 2 1 6 e 子载波数 2 5 6 ( o f d m ) ，2 0 4 8 ( o f d m a )2 5 6 ( o f d m ) ，1 2 8 、5 1 2 、1 0 2 4 、 2 0 4 8 ( 0 f d m a ) 带宽( m h z ) 1 7 5 2 01 2 5 2 0 频段( g h z )2 l l 6 移动性同定或便携中低车速( 1 2 0 k m h ) 峰值速率( m b i t s ) 7 5 ( 2 0 m h z )1 5 ( 5 m h z ) 双上方式 f d d 或t d d 多址方式 0 f d m a 结合t d m a ( 上行) 、t d m ( 下行) 调制方式 q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m 信道编码卷积码、块t u r b o 码、卷积t u r b o 码、l d p c 码 链路自适应 a m c 、功率控制、i - t h r q 增强型技术智能天线、空时码、空分多址、宏分集( 1 6 e ) 、m e s h 网络拓扑 接入控制主动带宽分配、轮询、竞争接入相结合 q o s 支持u g s 、r t p s 、n r t p s 和b e4 种q o s 等级 小区间切换不支持支持 省电模式不支持 支持空闲( i d l e ) 、睡眠模式 用户地位 企业用户个人用户 其中，8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 d 属于固定无线接入空中接1 ：3 标准( f b w a ) 。 8 0 2 1 6 d 标准是8 0 2 1 6 之前标准系列的一个修订版本，是相对比较成熟并且最具 有实用性的一个标准版本。该标准对前几个标准进行了整合和修订，但仍属于固 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 定宽带无线接入规范。它保持了8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 等标准中的所有模式和主要特 性，增加或修改的内容用来提高系统性能和简化部署，或者用来更正错误、补充 不明确或不完整的描述，包括对部分系统信息的增补和修订。同时，为了能够后 向平滑过渡到8 0 2 1 6 ，8 0 2 1 6 d 增加了部分功能以支持用户的移动性。8 0 2 1 6 d 对2 6 6 g h z 频段的空中接口物理层和m a c 层做了详细规定，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。8 0 2 1 6 d 根据使用频段的不同，定义了三种不同的物理层技术：单载波( s c ) 、o f d m ( 2 5 6 ) 、 o f d m a ( 2 0 4 8 点) 。其中1 0 6 6 g h z 固定无线接入系统主要采用单载波调制技术， 而对于2 1 1 g h z 频段的系统主要采用o f d m 和o f d m a 技术。目前关于8 0 2 1 6 的实现几乎全部采用了o f d m 技术，可以说o f d m 技术是8 0 2 1 6 的核心所在。 而8 0 2 1 6 e 是8 0 2 1 6 d 标准的增强版本，该标准规定了可同时支持固定和移 动宽带无线接入的系统，工作在2 - 6 g h z 适于移动性的许可频段，可支持用户站 以车辆速度移动，同时8 0 2 1 6 a 规定的固定无线接入用户能力并不因此受到影响， 可属于移动宽带无线接入空中标准( m b w a ) 。8 0 2 1 6 e 特别对o f d m a 物理层进 行了扩展，令其可以支持2 0 4 8 点、1 0 2 4 点、5 1 2 点和1 2 8 点的快速傅立叶变换， 以适应不同载波带宽的需求。为了支持移动性，8 0 2 1 6 e 还在m a c 层引入了很 多新的特性，该标准还规定了支持基站或扇区间高层切换的功能，8 0 2 1 6 e 标准 面向更宽范围的无线点到多点城域网系统，可提供核心公共同接入，8 0 2 1 6 e 标 准使服务运营商可以提供一系列广泛的革命性的告诉、移动无线应用和服务。 8 0 2 1 6 f 定义了8 0 2 1 6 系统m a c 层和物理层的管理信息库( m i b ) 以及相 关的管理流程。制定8 0 2 1 6 9 的目的是为了规定标准的8 0 2 1 6 系统管理流程和接 口，从而能够实现8 0 2 1 6 设备的互操作性和对网络资源、移动性和频谱的有效 管理。 另外，8 0 2 1 6 系列标准目前为止还包括正在制定的8 0 2 1 6 m 、8 0 2 1 6 j 、 8 0 2 16 h 。 1 2w i m a x 的应用及特点 无线城域网的推出是为了满足日益增长的宽带无线接k ( b w a ) 市场需求，虽 然多年来8 0 2 1 l 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，在带宽和用户方面将受到限制，同时还存在着通信距离等其它一些问 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，这个标准应 4 北京邮电大学硕士学位论i第一章绪论 能同时解决物理层环境( 室外射频传输) 和q o s 两方面的问题，以满足b w a 和 “最后一公里”接入市场的需要。有了这样一个全球标准，就能使通信公司和服 务提供商通过建设新的无线城域网来为目前仍然缺少宽带服务的企业与住宅提 供服务。符合i e e e8 0 21 6 标准的设备可以在“最后一公里”宽带接八领域替代 c 曲l e m o d e r n 、d s l 和t 1 e 1 ，也可以为8 0 2 1 l 热点提供回传。新标准规范了一 个支持诸如话音和视频等低时延业务的协议，在用户终端( s s s u b s c r i b e r s t a t i o n ) 和基站( b s ，b a s es t a t i o n ) 之间允许非视距的宽带连接，一个基站可支持数百 上千个用户，在可靠性和q o s 方面提供电信级的性能1 3 j 。总之，它充分考虑了为 全世界通信公司和服务提供商设计一个可扩展、长距离、大容量。最后一公里” 无线通信系统的需要，可支持一整套的服务，从而使服务提供商能够在降低设备 成本和投资风险的同时提供系统性能和可靠性，有助于加速无线宽带设各市场的 投放以及“最后一公里”宽带在世界各地的部署。b w a 应用包括住宅宽带接入、 用于s o h o 和小企业的d s l 级业务、用于企业的t 1 e i 级业务( 所有这些不仅 支持数据而且还支持话音和视频) ，还包括用于热点的无线回传和蜂窝小区基 站回传业务等，如图1 2 所示。 用于热点的无线传住宅s k h o 宽带接入 图1 1 2 8 0 2 t 6 的b w a 应片 根据i e e e8 0 21 6 协议的规定，在固定状态f ，w i m a x 其最大覆盖范围是 5 0 公旱，最大数据速率可达7 5 m b i t s ；在移动状态下，w i m a x 小区半径最大为 5 公早，最大数据速率可达3 0 m b i t s 。无论是固定还是移动状奄，w i m a x 所达 到的覆盖范围和最大数据速率都要比现有的各种无线接入技术太好几倍。因此， w i m a x 技术具有非常广阔的应用前景，主要表现在一下几个方面： 1 固定接八方面的应用 意渗 零，笨 缈砂、 谚奉瓯 豁 厂铲弋销 北京邮电大学硕士学位论文第一章 绪论 这是w i m a x 应用最基本的业务模型，有点类似于固定d s l 或电缆宽带的 业务，也是后者的有力竞争者。基于i e e e 8 0 2 1 6 的固定宽带无线接入系统采用 点到多点拓扑结构，一般由基站( b s ) 和用户站( s s ) 构成。对于固定接入系统，由 于不需要考虑终端的移动性，因此其架构将主要采用如图1 3 所示的分散控制方 式，基站之间无需实现切换，可以直接接入到i n t e m e t t 3 1 。 图1 3固定无线接入网络结构 2 游牧式接入方面的应用 这是第一种接入方式的下一个阶段，终端可以从不同的点接入，并可与固定 接入方式同时使用，但仍然不支持不同基站之间的切换。 3 便携式接入方面的应用 这是游离式接入应用发展的下一个阶段，可以实现在步行速度下，具有有限 的切换能力，当终端静止不动时，其应用模型与游离式业务相同。这种应用模式 主要面向的是家庭和商务人士市场，终端可为p c m c i a 卡，可放置在便携机里， 市场容量较大。 4 全移动接入方面的应用 这是w i m a x 发展的最终应用，也是w i m a x 应用的主要目标之一。在这种 应用模式下可以漫游切换，并支持普通车速移动下无中断的无线接入的应用，是 面向个人用户的、类似p d a 等的移动终端市场。作为一种与3 g 互补的技术， 其市场容量巨大。移动无线接入的网络架构如图1 4 所示，它所提供的移动接入 服务系统是基于i e e e8 0 2 1 6 e 协议的支持全移动性的产品，主要采用o f d m a 技术，在网络结构上将采用类似于目前移动系统的蜂窝系统架构。 6 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 图1 4 移动无线接入网络结构 通过对w i m a x 相关标准及w i m a x 系统应用的研究，w i m a x 的技术优势 可以简要概括为以下几点： 1 覆盖面积大，传输距离远； w m i a x 的基站覆盖面积是3 g ( 3 砌g e n e r a t i o n ，第三代移动通信) 基站的1 0 倍，这说明建设较少的基站就能实现全城覆盖，使得无线网络应用的范围大大扩 展。它的无线信号传输距离最远可达5 0 公里，是无线局域网技术，如i e e e8 0 2 1 1 ， 所不能比的。 2 o f d m 调制，接入速度高； w i m a x 采用与无线l a n ( l o c a la r e an e t w o r k ，局域网) 标准8 0 2 1 l a 和 8 0 2 1lg 相同的o f d m ( 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 g ，正交频分复 用) 调制方式，每个频道的带宽与为2 0 m h z ，但是无线信号可承载的比特率高于 8 0 2 1 1 a 和8 0 2 1 l g ，可实现7 4 8 1 m 的最大传输速率，这个速率是3 g 所能提供 的带宽速率的3 0 倍。 3 无“最后一公里”瓶颈限制； w i m a x 可以为5 0 公里线性区域内的用户提供服务，用户无需线缆即可与 基站建立宽带连接。作为一种无线城域网技术，它可以将w i f i 的热点连接到互 联网，也可以作为d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，数字用户线) 等有线接入方式的 无线扩展，实现最后一公里的宽带接入。 4 提供广泛的多媒体通信服务。 由于w i m a x 比w i f i 具有更好的可扩展性和安全性，从而能够实现电信级 的多媒体通信服务。高带宽可以将m 网的缺点大大降低，从而大幅度提高v o i p 的q o s o 艮务质量) 。 鉴于w i m a x 的优越特性，广阔的市场前景，业界对其越来越关注，而系统 级仿真也成为必然。 7 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 1 3w i m a x 系统级仿真模块 近年来，出现了很多针对w i m a x 的研究工作，包括信道研究【4 】【5 】【6 】【刀【引、 o f d m 性能研究、调度及资源分配【9 】【1 0 】【l i 】【1 2 】、q 0 8 保证【1 3 】，a r q 1 4 】以及跨层优化 5 】等。然而，随着商用的驱动，w i m a x 的局部功能、性能仿真已经不足以提供 实用信息，而系统级仿真成为必然。系统级仿真可以在w i m a x 系统上通过各种 算法、参数的协调使系统整体达到一个性能优良、可靠、可实现的水平，这为 w i m a x 系统的商用及发展具有举足轻重的作用。 据前期调查，目前存在两个被众多学术界研究的w i m a x 模块雏形，均基于 网络仿真软件n s 2 1 怕】： a 台湾j e n h u ic h e n 模块【1 7 1 该模块基于8 0 2 1 6 d 的p m p 网络，主要实现了m a c 层基本功能，物理层简 单继承了n s 2 中已有的机制，上行链路调度采用尽力而为服务，带宽分配与请求 机制默认为轮询。 b n i s t 模块【1 8 】 该模块同样基于8 0 2 1 6 d 的p m p 网络，实现了m a c 层部分功能，物理层采 用o f d m 。 w i m a x 模块和继承n s 2 模块都基于n s 2 最初的网络组成如图1 5 ，包括传 输产生代理t g a 、链路层l l 、界面队列i f q ，m a c 层设计( w i m a x 模块) 和 物理层( 信道) 的对象类型。 首先，t g a 被简单视作应用级传输发生器，产生v o l p 、m p e g 、f t p 、h 1 v r p 传输等。这些传输被分类成五种不同类型的服务，u g s 、r t p s 、n r t p s 、e r t p s 和 b e ，每种服务有其不同的优先级。所有包通过c s 子层的服务流连接映射机制根 据他们的服务类型分到不同类型的优先级队列，数据包被视为m s d u s 以轮询方 式通过w i m a x 模块。 s s 从队列对象接收m s d u s 数据，m a c 管理单元初始化测距过程进入 w i m a x 系统，或根据u lm a p 中的调度时间传输m s d u s 。一旦m a c 层初始 测距过程完成，网络接口将增加一个广播延时并在空中接口广播。所用的信道对 象是w i r e l e s s p h y 类。 w i m a x 模块也通过其他节点从空中接口接收包，然后判断是否是控制包， 如果是控制包，m a c 管理对象将根据控制包执行响应的程序，如果不是控制包， 在分段整理过程后，包将被传输到链路层对象。最后，t g a 将从链路层对象接 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 收包。 i co e 融鸣a 州 一l f l 畸l 一l i n kl a y e r 卜一 n 岛c细_ 一i i i n t e r f a c eq u e u e ( i f | q ) i u t m r s e l d o w m t g e t 上 p r o p 雠dw l m a x m a cm o d u l e 蛔n l 卜魄 p a d t op 嘴醴姗 l r o t , 蝴 l 啦t w o d t i n t e f | - | 砒o d e l 一l l l p c h 埔睫i 图1 5w i m a x 模块与继承n s 2 模块的关系 1 4 本文的主要工作和结构 本课题的工作主要针对基于n s 2 的w i m a x 系统级仿真平台、调度、资源分 配算法及跨层优化几个方面，旨在实现一个完善的w i m a x 系统级仿真平台，并 将所提出的调度、资源分配算法在平台上实现，通过优化改进，最终达到实现一 个能保证多服务类型q o s 的w i m a x 系统，并使系统吞吐量最大化。 本课题所要解决的关键问题主要有三点： 1 研究已有基于n s 2 的w i m a x 模块，实现一个完善的w i m a x 模块。现 有的w i m a x 系统级模块均不够完善，且没有相关算法、策略实现，不能保证服 务的q o s 需求，因而也没有体现出w i m a x 系统的优越性。因此第三章首先阐 述了现有w i m a x 模块的实现及其缺陷，然后给出完整的模块设计、改进及各功 能模块的作用。 2 调度、资源分配算法的研究，提出一个完整的能确保多种服务类型q o s 的调度、资源分配策略。 目前已有很多关于调度、资源分配算法的研究，但在考虑因素和性能方面均 有所欠缺，针对多种服务流的q o s 保证仍有不足，本课题结合不同服务流的不 同q o s 需求，提出一种改进的调度、资源分配策略来确保多种服务流的q o s 需 求。 9 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 3 跨层优化，使系统吞吐量最大化。 考虑到信道条件对传输质量及q o s 的影响，本课题结合信道状况对调制解 调方式的选择及信道条件对调度、资源分配策略的影响，使信道条件差的服务流 不影响到其他服务流的q o s 保证，且尽量确保信道条件差的服务流的q o s 需求， 达到w i m a x 系统吞吐量的最大化。 本文按照下面的方式组织： 论文的第二章介绍w i m a x 协议及其关键技术，包括i e e e8 0 2 1 6 协议栈模 型介绍、m a c 层和物理层关键技术介绍以及对w i m a x 系统性能影响的关键技 术介绍；第三章给出了w i m a x 系统级仿真平台介绍，包括已有仿真平台分析及 本课题所增加、改进的部分；第四章介绍了调度、资源分配算法及跨层优化，包 括已有算法分析介绍以及本课题所提出的新的算法策略：第五章基于本课题所完 善的w i m a x 系统级仿真模块，给出本课题所提出的调度、资源分配算法的仿真 结果，并对其性能进行分析比较，证实了本课题所提出的系统级仿真及算法的有 效性；第六章对本课题进行了总结，指出本课题所提出的w i m a x 系统级仿真模 块还待改进的地方并且对下一步工作进行了展望。 l o 北京邮电人学硕士毕业论文第二章 w i m a x 协议及关键技术 第二章w i 心协议及关键技术 2 1i e e e8 0 2 1 6 协议栈模型 m a c p h y c ss a p 、。、- - _ _ _ c o n v e r g e n c e s u b l a y e r ( c s ) ， m a cs a p c o m m o np a ns u b l a y e r s e c u r i t ys u b l a y e r ( s s ) p h ys a p p h yl a y e r d a t a c o n t r o lp l a n e m a n a g e m e n t e n t i t y ( c s ) m a n a g e m e n t e n t i t y ( c s ，s s ) hm a n a g e m e n t ie n t i t y ( p h 卜 j il 一 ：m a n a g e m e n tp i a n e 图2 i 协议参考模型 如图2 1 为i e e e8 0 2 1 6 协议栈模型，主要由物理层和m a c 层组成，m a c 层由特定业务汇聚子层( c s ) 、m a c 公共部分子层( c p s ) 和加密协议子层3 部分组 成，其中加密协议子层是可选的。 c s 子层主要功能是负责将其业务接入点( s a p ) 收到的外部网络数据转换、映 射到m a c 业务数据单元( s d u ) ，并传递到m a c 层业务接入点( s a p ) ，具体包括 对外部网络数据s d u 执行分类，并映射到适当的m a c 业务流和连接标识符( c i d ) 上，甚至可能包括净荷头压缩( p h s ) 等功能。协议提供多个c s 规范作为与外 部各种协议的接口。 m a cc p s 是m a c 的核心部分，主要功能包括系统接入、带宽分配、连接 建立和连接维护等。它通过m a cs a p 接收来自各种c s 层的数据并分类到特定 的m a c 连接，同时对物理层上传输和调度的数据实施服务质量( q o s ) 控制。通 常说的m a c 层主要指m a cc p s 。 加密协议子层的主要功能是提供认证、密钥交换和加解密处理。 物理层由传输汇聚子层( t c l ) 和物理媒质依赖子层( p m d ) 组成，通常说的物 20ork暑警聆。暑o：一一ofll 北京邮电人学硕上毕业论文第二章w i m a x 协议及关键技术 理层主要是指p m d 。物理层定义了两种双工方式：t d d 和f d d ，这两种方式都 使用突发数据传输格式，这种传输机制支持自适应的突发业务数据，传输参数(