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l a s c d m a 通信系统的网络结构 及关键算法设计 摘要 未来无线通信网络的发展方向是全i p 网络。实现下一代全i p 无线 网络必须满足：保证无线i pq o s ；在不损失性能的条件下实现有线网 络中的应用，如v o i p ，i p 多播业务等；高频谱效率的空中接口；良好 的可部署性以及标准化的接口；快速移动中的无缝覆盖。l a s c d m a 由于其物理层上高频谱效率的独特优势，使得在网络层上无需众多复 杂而昂贵的辅助技术，就能获得比现有任何3 g 系统优越得多的性能。 本文主要研究了l a s c d m a 通信系统的网络结构及系统中一些关键 算法的设计。该通信系统命名为l a s m a x ，含意是使用l a s c d m a 技术的无线接入系统，主要参考了i e e e8 0 2 1 6 和w c d m a 的协议结 构，实现真正意义上的全i p 网络。本文介绍了l a s m a x 系统的设计 总体思想，并基于该系统架构在带宽的申请和分配方面提出了一种简 单而实用的调度结构。 无线通信系统向3 g 、b 3 g 方向发展，高数据率、对多媒体通信的 支持、基于i p 的包交换应该是一个研究领域和应用领域的趋势。本论 文中介绍了无线系统中q o s 的基础知识，并说明了l a s m a x 系统的 背景和研究意义。由于l a s m a x 系统的m a c 层设计是参照i e e e 8 0 2 1 6m a c 层设计的，其中的o f d m a 部分，以及信道传播环境和 l a s m a x 系统特别相似，本文中重点分析了l a s m a x 采用的s u i 信 道模型和m a c 层的q o s 机制。 现有的通信系统也朝着实现全i p 网络方面不断进行改进，这些系 统的优缺点对我们设计很有参考价值。本论文分析了实现下一代网络 的关键技术要点，然后介绍了l a s m a x 系统的设计总体思想及网络结 构中的各个实体所起的作用，从横向和纵向对l a s m a x 系统m a c 层 的控制平面和数据平面架构进行深入探讨，通过比较可以看出 l a s m a x 的设计更简单实用。 l a s m a x 网络的一个基本要求就是能实现无线q o s ，满足实时数 据的传输速率和时延的约束，尤其是v o i p 用户的时延要求。由于无线 链路的容量是有限的，如何有效的利用稀缺的资源在时变的无线信道 上保证实时业务的q o s 是急需解决的问题，而解决的方法就是设计有效 的调度算法。本论文首先分析了已有的接入算法和调度算法，然后针 对下行业务提出一种下行调度器结构，在考虑了影响实时业务的各种 因素基础上提出一种功率和资源分配准则，接着针对上行接入提出了 一种新型的接入结构，提出一种更适用于实时业务的接入调度算法 f e d d ，通过仿真与经典的e d d 算法进行了比较，证明了在实际应用中 是最优的。最后总结了已有的成果，分析了现有系统和算法存在的不 足之处，以及仿真中的局限性，提出下一步可能的改进工作。 关键字：l a s c d m a 服务质量调度i e e e8 0 2 16 无线媒体接入 a m c m r i e c t u r eo fl a s - c d m an e t o r k s y s t e ma n da l g o r i t h md e s i g n a b s t r a c t p u r ei pn e t w o r ks y s t e mi st h ef u t u r eo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n n e t w o r ks y s t e m r e a l i z i n gw i r e l e s si pq o s ，e n a b l i n ga 1 1w i r e 1 i n e i n t e m e ta p p l i c a t i o ns u c ha sv o i pa n di pm u l t i c a s tw i t h o u tp e r f o r m a n c e d e g r a d e ，g e t t i n gh i g he f f i c i e n ta i r i n t e r f a c ef o ri pp a c k e t ，h a v i n gs t a n d a r d i n t e r f a c e ，r e a l i z i n gs e a m l e s sc o v e r a g ei nf a s tm o v i n ga r et h ek e yc h n l e n g e s o fw i r e l e s si pn e t w o r k a sh a v i n gu n i q u eh i g he f f i c i e n c yi np h y l a y e r i n n e t w o r kl a y e rl a s c d m a s y s t e m c a np e r f o r mb e t t e rt h a n3 gs y s t e m w i t h o u te m p l o y i n gc o m p l e xa n de x p e n s i v ea l g o r i t h m s i nt h i sp a p e lw e s t u d yt h es t r u c t u r eo fl a s c d m an e t w o r ks y s t e ma n ds o m ed e s i g no f c r i t i ca l g o r i t h m s t h ew i r e l e s sa c c e s sn e t w o r ks y s t e mu s i n gl a s c d m a t e c h n o l o g yi sn a m e dl a s n l 城，m a i n l yr e f e r r i n gt ot h ed e s i g no fi e e e 8 0 2 1 6a n dw c d m a s y s t e m t h ep u r l ：i o s eo fo u rl a s m a xs y s t e mi st o r e a l i z ep u r ei pn e t w o r k i nt h i sp a p e rw es h o wt h ea r c h i t e c t u r eo f l a s m a xs y s t e m w ea l s op r o p o s eas i m p l ea n de f f e c t i v es c h e d u l i n g a l g o r i t h m i nb a n d w i d t hr e q u e s tp o l i c y w i r e l e s sn e t w o r ks y s t e mi s d e v e l o p e dt o w a r d3 go rb 3 gp u r s u i n g h i g hr a t e ，s u p p o r t i n gm u l t i m e d i ac o m m u c a t i o na n dc o m m u n i c a t i o nb a s e d o ni pp a c k e te x c h a n g i n ga r eh o ta r e a sf o rr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n i nt h i s p a p e r , w ei n t r o d u c et h eb a s i ck n o w l e d g eo fw i r e l e s sq o sa n ds h o wt h e b a c k g r o u n da n di m p o r t a n c eo fl a s m l 垅s y s t e m w ea r ep a y i n gs p e c m l a t t e n t i o nt os u ic h a n n e lm o d e l a n dab r i e fp r e s e n t a t i o no fi e 髓8 0 2 1 6 m a ci ss h o w e db e c a u s eo u rl a s m a x s y s t e mi ss i m i l a rt ot h ed e s i g no f o f d m am o d ei ni e e e8 0 2 1 6s y s t e m n o w a d a y se x i s t i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r em o v i n gt o w a r dp u r ei p n e t w o r ks y s t e m ，t h e i re x p e r i e n c e sa l ew o n d e r f u lr e f e r e n c ef o ro u rd e s i g n f i r s t l yi nt h i sp a p e rw es h o wt h ek e yf a c t o r so fw i r e l e s si pn e t w o r k ，a n d t h e ns t u d yt h ea r c h i t e c t u r eo fl a s n 【a xa n ds p e c i f yn e t w o r ke n t i t i e s w e a l s os h o wt h ef u n c t i o no fs p e c i a le n t i t i e si nc o n t r o lp l a n ea n dd a t ap l a n e f r o md i f f e r e n ta s p e c t s i tc a nb ef o u n dt h a tt h ed e s i g no fl a s m - a xi s s i m p l ea n de f f e c t i v e p r o v i d i n gq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) ，i np a r t i c u l a rm e e t i n gt h ed a t ar a t e a n dp a c k e td e l a yc o n s t r a i n t so fr e a l - t i m ed a t a ，e s p e c i a l l yo f 、，o i pu s e r s ，i s o n eo ft h er e q u i r e m e n t so fl a s n 【a xn e t w o r k s q u a l i t yo faw i r e l e s s c h a n n e li st y p i c a l l yd i f f e r e n tf o rd i f f e r e n tu s e r s ，a n dr a n d o m l yc h a n g e si n t i m eo nb o t hs l o wa n df a s tt i m es c a l e s i na d d i t i o n ，w i r e l e s sr i n kc a p a c i t yi s u s u a l l yas c a r c er e s o u r c et h a tn e e d st ob e u s e de f f i c i e n t l y t h e r e f o r e ，i ti s i m p o r t a n tt of i n de f f i c i e n tw a y so fs u p p o r t i n gq o s f o rr e a l - t i m ed a t a ( e g ， l i v ea u d i o v i d e os t r e a m s ) o v e rw i r e l e s sc h a n n e l s ( i e s u p p o r t i n ga sm a n y u s e r sa sp o s s i b l ew i t ht h ed e s i r e dq o s ) e f f i c i e n ts c h e d u l i n ga l g o r i t h mi s o n eo ft h ew a y st oa d d r e s st h ei s s u ed e s c r i b e da b o v e a f t e ri n t r o d u c i n g e x i s t e da c c e s sa l g o r i t h ma n ds c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，w ep r o p o s ed o w n l i n k s c h e d u l e ra r c h i t e c t u r e a n ds h o wap o w e ra l l o c a t i o np o l i c yw i t hc a r e f u l c o n s i d e r a t i o na b o u tt h ef a c t o ri m p a c t i n gr e a lt i m et r a f f i c w ea l s op r o p o s e an e wa c c e s sm o d e lf o ru p l i n ka c c e s s a f t e rc o m p a r i n gw i t hc l a s s i ce d d a l g o r i t h m ，w ec o m et oac o n c l u s i o no u rn e wf e d da l g o r i t h mi so p t i m a l f o rm o s tv a l u e so ft h ec h a n n e lp a r a m e t e r st h a ta r eo fp r a c t i c a li n t e r e s tf o r r e a lt i m es e r v i c e s f i n a l l y , w es u m a n a r i z et h eo u t c o m ea n ds h o wt h e p o s s i b l ei m p r o v e m e n ti nf u t u r ew o r k k e y w o r d ：l a s c d m a ，q o s ，s c h e d u l i n g ，i e e e8 0 2 1 6 ，w i r e l e s sm e d i u m a c c e s s 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 中不包含其他人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。 本人签名日期：2 q q 生q 3 旦2 旦 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 本人签名：! 查! 翕缝 导师签名： 邓卜一 适用本授权书。 日期： 2 勉生q 3 旦2 旦 日期：趔生q 3 旦2 目 北京邮电大学硕士学位论文l a s c d m a 通信系统的网络结构及关键算法设计 1 1 无线通信系统的q o s 第一章绪论 无线通信系统向3 g 、b 3 g 方向发展，高数据率、对多媒体通信的支持、基于 i p 的包交换佃a c k e t s w i t c h i n g ) 应该是一个研究领域和应用领域的趋势。但是相对于 传统的有线通信系统而言，无线通信系统的空中接口部分有固有的不足：时变多 的衰落，突发的高比特错误率，和地理位置密切相关的传播环境，等。这些不但 给物理层的技术研究带来很多挑战，也对m a c 及以上层的设计引入一个无法回避 的问题：怎么样在高数据率的无线网络中保证不同业务的q o s 要求? 通常，我们可以从时延、容量、公平性、对多媒体的支持、稳定性等方面来考量 一个无线通信系统的m a c 的o o s 支持： 1 1 对时延的保证。通常，我们认为时延就是数据包在m a c 队列中所消耗的时间， 即从入队列开始到传输完成的时间间隔。当然，时延特性是由m a c 层协议和承载 的业务量共同决定的；当比较m a c 层协议的时延特性时，我们必须在相同的业务 承载下进行。 2 1 最大的流量( t h r o u g h p u t ) 。流量表示用于数据传输的信道容量一个因子。m a c 层设计的目标之一就是最大化系统流量，同时减少接入时延( a c c e s sd e l a y ) o 如果 一个数据包的平均大小为pb i t s ，平均传输时间为ts e c s ，信道容量为cb s ；我 们的流量表示为。一般的，我们以m a c 层s d u 数据率来衡量信道容量。 3 ) 公平性( f a i r e s s ) 的保证。如果在很多节点同时要求访问空中接口资源时，一个 m a c 协议没有表现出对任何一个节点的偏爱，我们就说这个m a c 协议是公平的。 这就要求在公平的分配带宽：但在使用不同优先级( p r i o r i t y ) 的协议中，公平性可以 定义为：能根据优先级相应比例的分配带宽。当然，在很多情况下，最大化流量 和保证公平性是互为矛盾的；我们可以选择适当最优的折中解决方案。 4 1 良好的可靠性。主要是指，在系统负荷一定时间段超出系统容量时，m a c 层能 很好的调整，不会造成系统的不正常工作。 5 、对信道衰落的抵抗性。由于无线信道的时变和高错误率的特点，m a c 协议应该 在信道瞬时失效的情况下很好的维持数据连接。 6 1 对多媒体业务的支持。当语音、视频、数据业务在融合一个无线网络上时，m a c 层能根据业务的不同保证对应的时延和流量要求。当前主要有两种对多媒体业务 支持机制：给不同业务节点不同的接入优先级和调度( s c h e d u l i n g ) 的方法。 北京邮电大学硕士学位论文l a s c d m a 通信系统的网络结构及关键算法设计 1 2l a s m a x 系统概述 l a s m a x 的含意是使用l a s c d m a 技术的无线接入系统。国际上w i m a x 系统是为了实现微波接入系统的全球互操作，也就是实现互联和互通。原则上互 联和互通是指协议栈方面的问题，并不涉及微波接入的传输技术和标准，而传输 系统是多种( 调制解调、编码译码) 方式并存的。 作为微波接入( m a c r o w a v e a c c e s s ) 系统，是微波传输系统加上m a c 层软件 和路由器，以便接入i p 网，当然在相关标准制定方面也提及和p s t n 等网络相联 接，但是过去联接到p s t n 交换机方面并不涉及二层以上的软件，微波传输系统 以e 1 ( t 1 ) p d h 异步复接系列和s d h 同步复接系统的g 7 0 0 系列为标准，只是 提供一个可传送共路信令( 七号信令和一号信令) 以及随路信令( 线路信令) 的 环境，如规定e 1 的第1 6 时隙为信令时隙，或以一个或多个e 1 为信令通道。为了 接入i n t e r n e t 网就需要制定相应的链路层标准。 作为链路层的最低子层介质访问层m a c 层的标准是根据微波接入信道的实际 情况来制订的，在初期因为工作在1 0 g h z 一6 6 g h z 的微波和毫米波波段，在l o s 传输条件下传输质量受气象影响很大，特别是在降雨时毫米波段，亚毫米波段以 及1 3 g h z ，1 5 g h z ，1 8 g h z 频段通信几乎中断，因而必须使用a m c ( 自适应调制 编码) 技术，由m a c 层通过对传输质量的监视适时发出控制指令，使发送方选用 合适的调制方式和纠错编码方式，这表明m a c 子层是和物理层紧密相关的。 由于接入口的被传送的媒体的统计性质，在很多情况下数据量是随机的，因 而为提高系统的吞吐效率就要对物理信道进行统计复用。然而随着实时流媒体业 务的推出，给信道的最有效利用提出新的课题，此外要适应各种特殊的应用，如 群呼、组呼、热线建立、快速反应，随机中心接入等要求，也要求链路层提供新 的服务能力，这样r r c 和r l c 子层也就不可少了，但简单的灵活的可增强的协 议栈结构是被要求的。 不仅如此8 0 2 1 6 委员会和欧洲及n u 等组织合作，努力推出w i m a x ，现在要 进入全球的互操作啦! 从市场来说这个系列标准和产品的推出是全频谱的，不仅 含盖了整个3 g 开始的所有目前通信可应用的频段，而且可以适应从小容量到超大 容量的要求( 在毫米波带宽是很富裕的) ，包容了从点到点、点到多点的传输拓扑 结构以及从固定到移动直至手持终端的全部应用，这样就提供了一个覆盖广泛应 用和全部频谱市场的产业，或者说整个无线产品( 应用于更低频段不是技术问题， 而是管理问题) 。 l a s c d m a 技术因为具有在多区应用环境下更高的频谱效率，和更为灵活的 北京邮电大学硕士学位论文i a s c d m a 通信系统的网络结构及关键算法设计 传送机制。点到点和点到多点可以做成一种产品，而区别仅是所有的码分给一个 用户使用还是多个用户使用，它能在多小区应用环境下比8 0 2 1 6 系列标准有较大 的频谱利用优势。它的抗多径传播能力，使得在n l o s 环境下具有更好的传输效 果，它的时空频编码结构，不仅具有高传输效率，而且还具有多重分集能力，集 传输有效与传输可靠于一码，因而可以毫不犹豫的说它将把这些应用“码打尽”。 这样就不需要各种垂直的切换如从8 0 2 1 1 切换到8 0 2 1 6 等等。 与w i m a x 不同，l a s m a x 不仅要提供一批适应运营商需要的产品，而且要 充分利用l a s c d m a 的技术优势应用到各种专用网络中，如广电传送、集群控制 等系统。 1 3 论文的内容安排 本文的主要目的是研究下一代宽带无线接入系统l a s m a x ，给出了系统总体 设计结构，提出了适用于该结构的调度架构和算法设计，并进行了仿真验证。 第二章说明了无线宽带接入系统的信道传播环境建模，以及i e e e8 0 2 1 6 系统 简介；由于l a s m a x 系统的m a c 层设计是参照i e e e8 0 2 1 6m a c 层设计的，其 中的o f d m a 部分和l a s m a x 系统特别相似，重点介绍其中采用的s u i 信道模 型和m a c 层的q o s 机制。 第三章首先分析了现有的通信系统的优缺点，接着分析了实现下一代网络的关 键技术要点，然后介绍了l a s m a x 系统的设计总体思想及网络结构中的各个实体 所起的作用。接着介绍了l a s m a xm a c 层设计思想。从横行和纵向剖析m a c 层的控制平面和数据平面的组成结构，介绍了各个实体模块的作用。 第四章到第六章首先分析了已有的接入算法和调度算法，然后针对下行业务提 出一种下行调度器结构，在考虑了影响实时业务的各种因素基础上提出一种功率 和资源分配准则，接着针对上行接入提出了一种新型的接入结构，提出一种更适 用于实时业务的接入调度算法f e d d ，通过仿真与经典的e d d 算法进行了比较，证 明了在实际应用中是最优的。 最后总结了已有的成果，分析了现有系统和算法存在的不足之处，以及仿真中 的局限性，提出下一步可能的改进工作。 附录中介绍了调度器仿真结构及进程的设计。 北京邮电大学硕士学位论文l a s c d m a 通信系统的网络结构及关键算法设计 第二章l a s m a x 系统背景 对于无线宽带接入应用，由于无线信道的特点( 高误码率、带宽有限、随时间 变化的物理特性等) 和有线信道差别很大，一个重要的需求就是对无线信道的最准 描述。而信道模型在很大程度上又是依赖与无线结构的，如传播路径为视距传输 或非视距传输，蜂窝或非蜂窝结构以及单天线或多天线等。在本章中首先介绍无 线宽带接入系统的信道传播环境建模，重点介绍l a s m a x 系统中采用的s u i 信道 模型。 由于l a s m a x 系统的m a c 层设计是参照i e e e8 0 2 1 6m a c 层设计的，其中 的o f d m a 部分和l a s m a x 系统特别相似，在本章中对8 0 2 1 6 系统做了详细的 介绍，重点介绍了8 0 2 1 6 m a c 层的q o s 机制和o f d m a 带宽申请分配机制。 2 1 无线接入系统的传播环境 对于i _ a s i v l a x ，典型的应用场景如下： 蜂窝大小小于1 0 k m ( 7 k m ) ，变化因素包括地形和树荫密集度； 接收机天线为定向天线，安装在楼宇或窗户边缘，天线高度在2 1 0 m 之间； 基站天线高度在1 5 4 0 m 之间： 商的覆盖率( 8 0 一9 0 ) 。 无线信道的主要特性包括： 路径损耗( 包括阴影衰落) ： 多径延时扩展； 衰落特性； 多普勒扩展； 信道间和相邻信道干扰。 需要说明的是，这些参数都是随机，只可能基于统计特性来进行描述，主要 包括均值和方差。以上传播模型参数主要依赖的因素包括：地形，树荫密集度， 天线高度和波束宽度，风速和季节等。 当前的l a s m a x 系统主要采用s u i 宽带无线接入信道模型。 2 1 1 基本信道模型 i e e e s 0 2 1 6 d 的信道模型主要参考了c o s t - - 2 3 1 中提供的w i 模型。 c o s t 一2 3 1 的w i 模型可以应用与市区和市郊环境。该模型的描述主要包括 4 北京邮电大学硕士学位论文l a s c d m a 通信系统的网络结构及关键算法设计 3 个方面： l b = l o + 三m + 三，划 工o = f r e es p a c el o s s l m = r 0 4t o p t os t r e e td ip a c t o i n 三删= m u l t i s c r e e nl o s s ( 2 1 ) 其中， l o = 3 2 4 + 2 0 l o g ( 尝) + 2 0 l o g ( 上m h z ) ( 2 2 ) k = - 1 6 9 - l o l o g ( w ) + 1 0 1 。、蕊f ) + 2 0 1 0 9 ( 急产) + k 弦， = 0 f o - k 0 ( 2 - 3 ) l o t i = - 1 0 + 0 3 5 4 d 翌e g 一，d r 0s 妒兰3 5 d e g z 5 + o 。7 5 ( 毒领) “o o 叫素- s s ) z x h m 。6 妇= h ，。r h m 。6 如 5 ，o r3 5s 9s 5 5 d e g 厂d r5 55 妒s9 0 d e g ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 北京邮电大学硕士学位论文l a s c d m a 通信系统的网络结构及关键算法设计 。k k o l o g + 巧( 鑫) 圳。g =0 f o ，l m 鲥 h , o o ： ；0 ，k 。s h r o 。， k ；= 5 4如rh b 。 h 侧 ：5 4 0 8 a h b a s e f o r r 0 5 k m 口，z dh b 。，。h r o 。r ：5 4 0 8 坠百r i o n f o ，r h r 耐 ：1 8 - 1 5 譬如s h 。， n r o o f 耻小盯f 等一，1 f o rm e d i u ms i z e dc i t i e sa n d s u b u r b a nc e n t r e sw i t h r o o de r a t et r e ed e n s i t y 4 + 1 5 f f m h z 一1 1 加，m e t r o p 。l i t a n c e n t r 部 9 2 5。 f 2 6 ) 吃。= 吃。一 删 以上模型的参数范围限制为： 频率：8 0 0 - - 2 0 0 0 m h zo 基站天线高度： 4 5 m ； 移动站天线高度： 1 - - 3 m ： h a t a 校正 通过实际测试，c o s t - - 2 3 1 的w i 模型在移动站天线高度变化时，路径损耗 存在一定的误差，相反，c o s t - - 2 3 1 的h a t a 模型在这方面具有较好的一致性。因 此，在计算c o s t - - 2 3 1 的w i 模型的路径损耗时，需要加入h a t a 校正项。需要 注意的是，h a t a 校正项不是在w i 模型的路径损耗计算时进行简地的加入，具体 6 北京邮电大学硕士学位论文l a s - c d m a 通信系统的网络结构及关键算法设计 万法如f ： w - - i 模型关于移动站天线变化引起的路径损耗变化为： 2 0 1 0 9 ( h r o 。，- h b a s e ) h a t a 修正为： 地卜 ( 1 崛( 矗) 埘) k 一( ，5 6 1 0 9 ( 彘- - - - - - ) 一爿) + 船( 一k ) 埘崦k 刮 仁。、 其中， 尉崦( 彘h 1 l o g ( 彘卜卜 、 在h a t a 修正项中，当移动站天线高度为3 5 m 时为0 。通过以上修正，保证 了移动站天线高度变化时引起的路径损耗与c o s t - - 2 3 1 中的h a t a 模型一致。 2 1 2s u i 信道模型 在以上的描述中，给出了描述特定场景下信道模型的一些基础，很显然，在 这些信道模型的描述参数中，存在着许多可能的组合，为此，s t a n f o r du n i v e r s i t y 通过对c o s t - - 2 3 1 中的信道模型进行修正，将各种可能的组合进行归纳总结，给 出了一个s u i 信道模型集合，该集合包括6 种典型的信道模型，分别对应与不同 典型的地理类型。 这些模型可以应用于固定宽带无线接入系统的仿真、设计、研发和技术测试 等，它的参数选择是基于统计模型的。 s u i 信道模型的一般结构如下： i n p u t u i a p p e dd e l a yl i n e o u i p u t m i x i n g t d j m i x i n e 0 r m a i r i x m a t r i x m a t r i x l c i 图2 - 1s u i 信道模型一般结构“ 该模型给出了多输入多输出( m i m o ) 信道的一般结构，当然也包括其他的如 单输入单输出( s i s 0 ) 或单输入多输出( s i m 0 ) 等信道。该s u i 信道模型对于主 信号和干扰信号具有相同的结构。 输入混合矩阵( i n p u tm i x i n gm a t r i x ) ：该部分表示当发射端采 用多天线时输入信号之间的关系； 北京邮电大学硕士学位论文l 蟠c d m a 通信系统的网络结构及关键算法设计 抽头延时线矩阵( t a p p e dd e l a yl i n em a t r i x ) ：该部分表示信道 的多径衰落。多径衰落主要通过各抽头的延时( 可以是非均匀的) 、相应的 增益( 满足特定的分布关系，当k 因子大于0 时满足r i c e a n 分布，当k 因 子等于0 时为r a y l e i g h 分布) 以及最大多普勒频率来描述。 输出混合矩阵( o u t p u tm i x i n gm a t r i x ) ：该部分表示当接收端采 用多天线时输出信号之间的关系。 利用以上s u i 信道模型的一般结构，并在以下应用场景的假设条件下，构造 出了6 个能够代表实际信道的$ u i 信道模型。 应用场景假设： 蜂窝大小：7 k m ； 基站天线高度：3 0 m ； 接收天线高度：6 m ； 基站天线波束宽度：1 2 0 。； 接收天线波束宽度：3 6 0 。( 全向) 或3 0 。；当采用3 0 。天线， r m s 延时扩展可以比全向天线降低2 3 倍，因此，第2 抽头的功率衰 落加大了6 d 8 ，第3 抽头的功率衰落加大了1 2 d b ( 在保持延时相同的 情况下天线方向图的等效) 。在采用全向天线的时候，抽头的延时和功 率满足c o s t - - 2 0 7 模型。 仅采用垂直极化； 蜂窝覆盖率为9 0 ，覆盖范围内的可靠度为9 9 9 。 在以上假说条件下使用s u i 信道模型，以下几点需要特别说明和注意： 夺信道的总增益没有归一化，因此，在使用某一个特定的s u i x 模型时，必须在每一个抽头上加入相应的归一化因子，使接收到的总 体平均功率为o d b ； 夺特定的多普勒为环状谱的最大频率参数( f m ) ： 夺g r f 为3 0 。天线相对于全向天线总体平均功率的衰减，如果采 用3 0 。天线，需要在路径损耗中加入相应的g r f 。需要说明的是，此时 意味着散射对于所有抽头的影响是相同的： 冷k 因子是线性值，不是d b 值； 夺表中给出的k 因子是取最相近的整数； 表中分别给出了蜂窝覆盖率为9 0 和7 5 时的k 因子，即在 蜂窝中有9 0 和7 5 的区域的k 因子的值大于或等于给定的值。对于 北京邮电大学硕士学位论文l a s - c d m a 通信系统的网络结构及关键算法设计 s u i 一5 和s u i 一6 ，还给出了5 0 时的k 因子值。 s u i 的6 个典型信道模型的具体参数如下：我们具体给出s u l 3 信道参数 表2 - 1s u i 一3 信遗类型“1 s u i 一3 c h a n n e l h ”lt n 2 l a p3 lr n j “ d c b r 0n 4 0 9【j s p o w e r t h r ia n t 0 3)d b 9 0 。k - 触lf o m n i ，l 0 0 7 5 k f l c l 1 u m n i l ， l 0 l u w r r ( 3 0 “a n tl 【 l i 。旧 _ 一 9 - k - h c t ( 3q n f )f ，5 k - f a e l1 3 n f q00 i ) o p p h r f 40 3 j5 i z t e r r a i nl _ ! 畔：b m “ ”r r d l t h m ： g i h r f 0 , 4 g m nr t d u e t i o ne a c t o r ：r i 3 d 3 o m n ia n l e n n a ： t r 排一n2 6 4 耻5 n i w r a a l i z a t i , nf i c l ”r ： f 。矾一i5 1 3d 州t m i l kk 一0 je 骐 ik6 f j j 。，1 1 7 m 一 司j 5 jd n 3 n o i i n t e n j n i l ： t 眦s * 0 1 2 3 t t s t j v m i i k k 一22 “o k7 0 f 7 pn 模型对其它频率的扩展 以上统计信道模型中的延时扩展、k 因子和g r f 参数，在l - - 4 g h z 频率段应 该都是适用的。为了将该模型扩展到其它频率段，可以引入和采用一个合适的频 率校正因子。不过，多普勒谱需要进一步研究，因为它是中心频率的函数。 2 28 0 2 1 6 无线接入系统 i e e e8 0 2 委员会于1 9 9 9 年成立了8 0 2 1 6 工作组，致力于宽带无线接入 标准的开发，并于2 0 0 2 年4 月颁布了最初的i e e e8 0 2 1 6 标准，但由于e e 8 0 2 1 6 的工作频段较高( 1 0 6 6g h z ) ，要求视距发射塔连接，不利于固定带宽 接入技术的推广。为此，i e e e 在8 0 2 1 6 的基础上开发了工作于2 1 1g h z 频 段新的全球微波接入互操作性标准匝旺8 0 2 1 6 a ，它可支持非视距连接。 2 0 0 4 年，结合以前推出的8 0 2 1 6 标准颁布了最新的固定无线接入标准i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 ；我们的系统及上行资源调度算法设计主要就是基于这个版本。当 然，为了支持移动性，成立了8 0 2 1 6 e 工作小组，现在已颁布了8 0 2 1 6 ed 4 的草稿版移动性无线接入标准。本章重点介绍相关的m a c 层以及和我们 l a s m a x 系统密切相关的8 0 2 1 6 的o f d m a 系统的上行资源管理。 北京邮电大学硕士学位论文l a s - c d m a 通信系统的网络结构及关键算法设计 2 2 18 0 2 1 6 的应用 8 0 2 1 6 支持的终端： 表2 - 28 0 2 1 6 支持的终端 1 笔记本电脑( n o t e b o o k t a b l e tp c ) 2 i n f o r m a t i o n ( i n t e m e t ) a p p l i a n c e s 3p d a h a n d h e l d s 4 智能电话( s m a r tp h o n e s ) 5 p a g e r s t w o - w a ym e s s a g i n gd e v i c e s 6 普通电话( p h o n e s l 7 8 0 2 1 1 局域网 以i n t e l 为首的各厂商正在进行8 0 2 1 6 系列芯片的开发，相信随着技术的发展 还将有新的终端出现 8 0 2 1 6 支持的应用和服务 作为有线网络的替代或补充，8 0 2 1 6 网必须能传输各种有线和光接入网的高 质量的通信业务，包括数据、话音、音频和视频通信流。 8 0 2 1 6b w a 系统最适用于商业和多住户住宅楼，还包含单个家庭住宅。b w a 的 关键是“接入”到其他网络，如互联网、专用网、电话网等，而不是直接构成一个通 信系统。b w a 系统一个接入点可支持多个用户，也就是说用户接入点对多个“零售” 用户提供对比发”连接。 由于有q u a l i t yo fs e r v i c e ( 服务品质) ，8 0 2 1 6 可以提供动态t d m a 及 ( g r a n t r e q u e s t ) m a c 支持像话音及视频这些对时延敏感的业务；对业务的分级带来 宽带的按需要分配( 0 d e m a n db a n d w i d t ha l l o c a t i o n ) ，比如，t 1 e 1 这种专线形式 提供给商业用户，而口这种“尽力而为”形式提供给家庭用户。 8 0 2 1 6b w a 系统提供的承载服务包括： 数字音频视频多播( m u l t i c a s t ) 数字电话( 支持所有国内或国际的数字电话服务系列等级，s d h 和p d 叼 a t m 信元中继服务 i p 服务( i p v 4 和i p v 6 ，实时和非实时服务) 桥接l n 服务 无线中继线( 蜂窝网，数字无线电话网的回传服务) 虚拟点对点佃p p ) 连接 帧中继服务等 上述承载服务的各c o s q o s 参量可转换成8 0 2 1 6 定义的一组公共参量，并由相 1 0 北京邮电大学硕士学位论文l a s c d m a 通信系统的网络结构及关键算法设计 应的会聚子层设定在协议信令中。 2 2 28 0 2 1 6 协议层概述 1 ) 协议概况以及其在0 s i 七层协议中的位置 各种应用程序 i p 包 a t m 从f r o t h e r ls a p 、c o n v c o n v 。譬零一? j “ 图2 2i e e e s 0 2 1 6 标准的分层协议h 既况) 8 0 2 1 6 专为无线传输制定的协议处理与网络上数据块传输有关的问题，这些 标准由三层结构构成。最底层即物理层，规定了频带、调制方案、纠错技术、发 射机与接收机之间的同步、数