（通信与信息系统专业论文）基于ieee+80216e系统的信道分配算法研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 随着数据业务的飞速发展，目前，像w i m a x 这样的移动宽带无线接入系统正 面临着巨大的通信需求量与十分有限的频谱资源之间的矛盾。如何合理地分配系统 中的频率、时隙和子信道等多种无线资源来有效的利用有限的无线资源、提高系统 容量和通信质量，已成为当前宽带无线通信研究领域的一个重要课题。论文进行了 如下几个方面的研究： 深入研究了i e e e 8 0 2 1 6 e 协议，由于该协议只定义了空中接口规范，并没有 明确规定系统该如何组网、网络资源如何分配给用户等问题，因此该文在深入研究 i e e e8 0 2 1 6 e 协议的m a c 层关键技术和系统网络模型的基础上，将与信道资源分 配有关的数据流分类、带宽请求、带宽分配等关键技术问题作为研究重点。并以此 为基础，研究出了支持该标准的系统信道分配流程图，即系统信道分配的总体流程 图、信道搜索过程流程图、信道调整流程图。 针对单小区下的o f m d a 系统信道分配算法直接用于多小区存在系统载波 利用率低、小区间用户同道干扰严重等局限。文章在现有o f d m a 系统子载波和功 率分配算法的思想基础上，结合传统蜂窝小区频率复用分割技术，提出了一种基于 8 0 2 1 6 e 标准的多小区蜂窝网络部分载波抑制复用( p c r r ) 的动态信道分配改进算 法。该算法主要完成两个部分功能：1 ) 系统根据用户的位置、速率以及子载波在系 统中的分配情况，采用抑制载波信道增益的方法来为用户分配子载波。2 ) 在完成载 波分配以后，系统根据各个用户的实际所需传输功率来调整功率，从而达到优化系 统性能的目的。为了验证算法的性能，该文建立了相应的系统资源分配模型，并对 系统中用户的干扰、信干比、系统吞吐量等性能进行了理论分析。 在理论分析的基础上，对算法中系统子载波利用率、系统吞吐量以及小区中 不同位置用户的平均信干比进行了数值计算分析。分析结果表明：与传统的蜂窝小 区频率无复用相比，改进算法( p c r r ) 采用小区部分载波复用和信道增益抑制的办法 对提高系统的资源利用率和系统吞吐量都有所帮助；相对于传统的蜂窝小区载波完 全复用，该算对提高远离基站的用户的信干比有很大的改善。 关键词：微波接入全球互通，无线资源管理，动态信道分配，频率复用分割，部分 载波抑制复用 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ef l y i n gd e v e l o p m e n to fd a t as e r v i c e s n o w a d a y s ，m o b i l eb r o a d b a n dw i r e l e s s a c c e s ss y s t e ma sw l m a xf a c e sc o n t r a d i c t i o nb e t w e e nc o m m u n i c a t i o nr e q u e s tq u a n t i t y a n dl i m i t e df r e q u e n c yu t i l i z a t i o n t h e r e f o r e ，h o wt or e a s o n a b l ya s s i g n sw i r e l e s sr e s o u r c e s u c ha ss y s t e mf r e q u e n c y 、s l o t sa n ds u b c h a n n e lh a sb e c o m ea ni m p o r t a n ts u b j e c to f b r o a db a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sn o w t h et h e s i sr e s e a r c h e sa s p e c t sa sf o l l o w s ： i e e e 8 0 2 1 6 ep r o t o c o li sr e s e a r c h e dd e e p l y t h ep r o t o c o ld e f i n e sa i ri n t e r f a c e c r i t e r i o no n l y ，s y s t e mo r g a n i z i n gn e t w o r ka n dr e s o u r c e sa l l o c a t i o na r e n ts p e c i f i c p r e s c r i b e d o nt h eb a s eo fm a cl a y e rk e yt e c h n i q u e sa n ds y s t e mn e t w o r km o d e lo f i e e e 8 0 2 16 e ，r e l a t et od a t af l o wc l a s s e so fc h a n n e lr e s o u r c ea l l o c a t i o n 、b a n d w i d t h r e q u e s t 、b a n d w i d t ha l l o c a t i o nt e c h n i q u e sa se m p h a s e s a c c o r d i n gt oa n a l y t i c a lr e s u l t s ， s y s t e mc h a n n e la l l o c a t i o nf l o wc h a r ti sr e s e a r c h e dt h a ts u p p o r t st h es t a n d a r d n a m e l y t o t a lf l o wc h a r to fs y s t e mc h a n n e la l l o c a 艋o n 、f l o wc h a r to fc h a n n e ls e a r c hp r o c e s s 、 a d j u s t e df l o wc h a r to f c h a n n e l a i ma to f d m as y s t e mr e s o u r c e a l l o c a t i o no fs i n g l ec e l li su s e di n m u l t i - c e l l , p r e s e n t ss y s t e mc a r r i e ru t i l i z a t i o ni sl o w , u s e r sf e l l o wi n t e r f e r ei ss e v e r e o n t h eb a s eo fe x i s t e n ts i n g l e - c e l lo f d m as y s t e ms u b - c a r t i e ra n dp o w e ra l l o c a t i o n a l g o r i t h m , c o m b i n e st r a d i t i o n a lc e l l u l a r c e l lf r e q u e n c yr e u s e - - p a r t i t i o n i n gt e c h n i q u e ， r e s e a r c h e sp c r ro fm u l t i - c e l lc e l l u l a rn e t w o r km o d e lp a r t l yc a r r i e rr e s t r a i n a b l e m u l t i p l e x i n g b a s e d8 0 2 16 es t a n d a r d t h e a l g o r i t h mm a i n l y i n c l u d e st w o p a r t s ： 1 ) a c c o r d i n gt oa l l o c a t i o nc i r c u m s t a n c eo f u s e r sp o s i t i o n 、s p e e da n d s u b - c a r r i e ri ns y s t e m ， b ym e t h o dt h a tq u i e s c e n tc a r r i e rc h a n n e lg a i na l l o c a t es u b - c a r r i e rf o ru s e r 2 ) a f t e rt h e c o m p l e t i o nc a r r i e ra l l o c a t i o n ，s y s t e mr e g u l a t e sp o w e ra c c o r d i n gt oe a c hu s e r sa c t u a l r e q u i r e dt r a n s m i s s i o np o w e r , i no r d e rt oo p t i m i z es y s t e mp e r f o r m a n c e f o rt h es a k eo f v a l i d a t i n gp e r f o r m a n c eo fs y s t e m , t h e t h e s i sb u i l d sc o r r e s p o n d i n gs y s t e mr e s o u r c e a l l o c a t i o nm o d e lf i r s to f2 l l l ，p e r f o r m a n c ea si n t e r f e r e n c eo fl a s e r s ，s i g n a l - t o - i n t e r f e r e n c e r a t i o ，s y s t e mt h r o u g h p u ti sa n a l y z e di nt h e o r y o nt h et h e o r yf o u n d a t i o n , s y s t e ms u b - c a r r i e ru t i l i z a t i o n , s y s t e mt h r o u g h p u ta n d a v e r a g es i g n a l - t o - i n t e r f e r e n c er a t i oo fd i f f e r e n tu s e rp o s i t i o ni nc e l la r en u m e r i c a l s i m u l a t e d t h er e s u l t ss h o w ：c o m p a r i n gt ot r a d i t i o n a lc e l l u l a rc e l lf r e q u e n c yw i t h o u t m u l t i p l e x i n g ，t h ea l g o r i t h mu s e sc e l lp a r tc a r t i e rm u l t i p l e x i n ga n dm e t h o do fc h a n n e lg a i n i i 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t r e s t r a i n i n gi m p r o v e r e s o u r c eu t i l i z a t i o na n ds y s t e mt h r o u g h p u t ；i nt h es a m e t i m e ，c o m p a r i n gt o t r a d i t i o n a lc e l l u l a rc e l lc a r d e rc o m p l e t e l ym u l t i p l e x i n g ，t h e a l g o r i t h mh a sh u g e i m p r o v e m e n t t oh e i g h t e ns i g n a l - t o i n t e r f e r e n c er a t i oo fu s e r st h a tf a r f r o mb a s es t a t i o n 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 y f o rm i c r o w a v ea c c e s s ( w i m a x ) ，r a d i o r e s o u r c em a n a g e m e n t , d y n a m i cc h a n n e la s s i g m i e n t , f r e q u e n c yr e u s ep a r t i t i o n i n g ， p a r t i a lc a r r i e rr e s t r a i nr e u s e 1 1 1 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 近年来，随着数据业务的飞速发展，无线的数据通信更给人以全新的感觉，使 得像3 g w i m a x 等支持无线数据业务的无线通信系统得到了飞速的发展。现如今， 3 g 逐步走向商用化阶段，w c d m a 、c d r n a2 0 0 0 和t d s c d m a 是目前3 g 技术体系当 中的3 个主要标准，它们都能基本满足高速运动终端的多媒体业务数据传输。然而， 从目前业务角度来看，传输速率最高为2 m b i t s 显然无法满足用户对高速传输速率的 需求。因此，近几年来，i e e e 组织致力发展8 0 2 1 6 系列标准体系，它能提供与3 g 系 统一样的全网覆盖和高速移动支持，与此同时，传输速率也可与w i f i 媲美。2 0 0 7 年 1 0 月19 日国际电信联盟( i t u ) 在日内瓦举行的无线通信( r a d i oa s s e m b l y ) 全体会议上 投票通过w i m a x 成为3 g 标准的议案，w i m a x 成为继w c d m a 、c d m a2 0 0 0 和 t d s c d 眦后第四个全球3 g 标准。目前，w i m a x 推出了支持移动性的宽带无线 接入标准i e e e8 0 2 1 6 e ，并于成为了国际3 g 标准中的一员，其演进版本i e e e8 0 2 1 6 m 正在向全球征集技术提案，也必将成为4 g 的有力候选者。 1 1w i m a x 标准化进程及其关键技术 w i m a x 全名是微波接入全球互通( w o r l d w i d ei n t e r o p e r n a b i l i t yf o rm i c r o w a v e a c c e s s ) 。它并不是一种宽带无线接入技术，而是由全球一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 b 成立的非赢利工业贸易联盟组织。它主要是向市场推广 i e e e 新的无线通讯标准i e e e8 0 2 1 6 和e t s ih i p e r m a n 协议的无线宽带接人设备，目 的是确保不同无线宽带接人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 e8 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于i e e e8 0 2 1 6 协议。 i e e e 8 0 2 1 6 标准是针对无线城域网应用而提出的，因而它所规范的无线系统的 覆盖范围在千米量级。i e e e8 0 2 1 6 系列标准对工作于不同频段的无线接入系统的空 中接口进行了规范。根据使用频段不同，可分为应用于视距和非视距两种；根据是否 支持移动特性，它又可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。 i e e e8 0 2 1 6 系列到目前为止包括8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 c 、8 0 2 1 6 1 、8 0 2 1 6 e 、 8 0 2 1 6 f , 8 0 2 1 6 9 j r 6 1 8 2 0 1 6 m j k 个标准。最初的砸e e8 0 2 1 6 协议是2 0 0 1 年屹月i e e e 通过的无线城域网标准，该标准支持的工作频段为l0 - - 一6 6 g h z ，只能承载在视距的 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 环境中，这些限制并不利于固定宽带接入技术的推广，所以在2 0 0 3 年1 月，m e e 又 发布了扩展协议i e e e8 0 2 1 6 a ，目的在于使固定宽带接入技术也能支持非视距传输， 工作频率范围为2 - - 1 1 g h z 需要许可证和免许可证频段。为了能够使i e e e8 0 2 1 6 系列 标准能够传输从几兆比特每秒到几百兆比特每秒的数据，提供高速多媒体业务传输 的能力，成为解决接入网“最后一公里瓶颈的有效手段，w i m a x 组织对i e e e 8 0 2 1 6 a 协议进行了改进，提出了融合后的i e e e 8 0 2 1 6d 协议，也称为i e e e 8 0 2 1 乒_ 2 0 0 4 协议，该协议已经成为业界标准，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。在标准化的i e e e8 0 2 1 6 e 协议作为固定接入技术的扩展， 是唯一一个支持移动性的标准，它增加了终端用户的移动性功能，从而使移动终端 能够在不同基站间进行切换和漫游，该协议已在2 0 0 5 年正式发布。随后i e e e 相继又 发布7 8 0 2 1 6 饼口8 0 2 1 6 9 ，以适应下一代移动通信网络的需求。2 0 0 6 年1 2 月i e e e 启动 的8 0 2 1 6 m 是基于w l m a x ( i e e e8 0 2 1 6 e ) 进行的增强。目前，i e e e 中对于8 0 2 1 6 m 已 经制定了整体的工作计划，近期将完成系统需求的描述文件，然后启动具体系统设 计的技术讨论工作，最后在2 0 0 9 年完成8 0 2 1 6 m 技术标准的制订工作。 i e e e8 0 2 1 6 e 使用了很多关键技术以增强系统的性能及支持各种环境下的应 用。i e e e8 0 2 1 6 e 标准在i e e e 8 0 2 1 6 d 标准的基础上对移动业务、小区间切换和多小 区组网等方面进行了规范。协议主要加强了对移动性的支持。移动场景和分为简单 移动应用场景和全移动应用场景两种。在简单移动应用场景中，用户在使用宽带无 线接入业务中能够步行、驾驶或者乘坐公共汽车等，但当终端移动速度达到6 0 1 2 0 k m h 时，数据传输速率将有所下降。这是能够在相邻基站之间切换的第一个场 景。在切换过程中，数据包的丢失将控制在一定范围，最差的情况下，t c p i p 会话 不中断，但应用层业务可能有一定的中断。切换完成后，q o s 将重建到初始级别。 在全移动应用场景中，用户可以在移动速度为1 2 0 k m h 甚至更高的情况下无中断地 使用宽带无线接入业务，当没有网络连接时，用户终端模块将处于低功耗模式。移 动数据业务是移动场景( 包括简单移动和全移动) 的主要应用，包括目前被业界广泛 看好的移动e m a i l 、流媒体、可视电话、移动v o l p ( m v o i p ) 等业务。 i e e e8 0 2 1 6e 采用了正交频分多址接k ( o f d m a ) 技术作为支持移动性应用的 核心物理层技术。o f d m a 给每一个用户分配o f d m 符号内部可用的子载波，但是 并不需要像f d m a - - 样在用户之间设置保护频带，并且每个用户分配到的子载波可 以是不邻接的，从而起到了频率分集的效果。其它应用于i e e e8 0 2 1 6 e 中的关键技 术有：切换技术，包括必选的硬切换( h o ) 、可选的宏分集切换( m d h o ) 和快速基站 切换( f b s s ) 以及对切换( 包括软切换) 过程和切换的m a c 层信令的定义，以及对切换 过程中测距( 岫唔i n g ) 操作的完善，同时增加了基于多天线的软切换功能等；对移动 终端的支持包括：确定了省电模式，既包括空闲模式( 即用户处于激活状态单暂时没 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 有数据交换) 和睡眠模式，增加了低复杂度、低延时的l d p c 信道编码；基于每个连 接的并支持卷积码( c c ) 和卷积t 1 l r l ) o 码( c t c ) 的混合自动重传要求( h a r q ) 技术，它 能提高频谱效率和系统吞吐量；自适应调制编码( a m c ) 技术；多输入多输, - p , ( m i m o ) 技术，包括空时编码( s t c ) 技术和先进天线系统( a a s ) 技术：完整的q o s 机制，包括 主动分配带宽( u g s ) 、实时轮询( r t p s ) 、非实时轮询( n r t p s ) 、尽力而为( b e ) 和竞争接 入等调度机制。 1 2 信道分配研究背景及其现状 在8 0 2 1 6 e 标准中，规定网络支持点对多点网络拓扑结构( p m p ) ，下行( 即从b s 至u s s ) 基于点到多点方式操作，类似于蜂窝网络。由于该标准中规定物理层采用 o f d m 技术，因此，网络中的信道资源单元只涉及到时间( t d m a ) 或子信道( o f d m a ) 这两个元素。在实际中，系统的小区是不规则的，在有些地方同频干扰较大，这时 可以通过无线资源管理机制来减小同频干扰基站的发射功率，或者结合t d m a 机制 分配干扰较小的时隙资源给边缘小区用户从而减少同频干扰。 基于o f d m 技术带来的高频谱利用率及抗多径干扰能力，i e e e8 0 2 1 6 标准规定 了在非视距传播的2 1 1g h z 频段下，可以采用o f d m 、o f d m a ( 正交频分多址) 及 其他先进技术来对抗较差的无线传播环境。但是，采用o f d m o f d m a 技术设计的 点对多点( a m p ) 无线通信系统将在网络规划上面临较大的问题。在c d m a 网络中， 用户通过扩频码来区分，可以达到小区频率复用率近似为1 0 0 从而简化甚至不需要 频率规划技术；而在基于o f d m o f d m a 的w i m a x 系统中，用户只能通过时间 ( t d m a ) 或子信道( o f d m a ) 来区分，使用相同频率的相邻小区将会对本小区的通信 产生严重的干扰。因此基于o f d m o f d m a 技术的网络技术应基于整个系统的资源 分配，如何合理分配时隙、子载波和充分复用有限的频段来提高系统的资源利用率 和系统性能，和减少小区间、信道间的干扰是一个非常值得深入研究的问题。 目前，在蜂窝系统中提出了一种小区频率复用分割技术，该技术为提高蜂窝小 区系统中信道利用率非常有效。在该技术中，小区被分割为若干同心圆环区域，由 于距离小区中心位置天线的距离不同，不同圆环区域内的用户为获得足够的信道质 量所需要的发射功率也不尽相同。离小区中心越近的区域，所需发射功率越小，因 而所产生的同信道干扰的影响范围也就越小，信道的复用距离也就越小。因此，在 内部圆环区域使用的信道由于复用距离较小，可以在邻近的多个小区内使用：而在 外部圆环区域使用的信道由于信道复用距离较大，只能在距离较远的小区内使用。 这就导致了在内部圆环区域使用的信道可以获得比在外部圆环区域使用的信道更高 的信道利用率，如a r p ( a u t o n o m o u s r e l 1 s e p a r t i t i o n i n g ) 算法1 1 】，s o r p f 2 一j 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 ( s e l f - o r g a n i z e dr e u s ep a r t i t i o n i n g ) 算法。 对于o f d m a 系统来说，子载波分配是o f d m a 资源分配的基础，也是有效地将 无线资源分配给共享无线媒体的多用户的关键。在单小区情况下，分配子载波既可 以直接将子载波分配给用户，也可以先确定各个用户可分的子载波数，再进行分配。 子载波分配算法的研究主要是如何保证用户间公平性能和各用户q o s 性能，并且利 用用户的信道差异获得尽可能大的系统总吞吐量或消耗尽可能小的功率。基于不同 调度目标，形成了不同的子载波分配算法：如根据多用户分集思想【4 】，系统若在每 一时刻都将资源分配给最好s n r 或信道状态的用户，使系统吞吐量达到最大的贪婪 算法；考虑用户资源比例公平，同时保证用户效率公平的用户最小容量最大化算法 1 6 1 考虑用户效用比例公平的比例公平算法【5 ，7 】；为各用户提供：最d , q o s 保证的算法【8 t 9 1 。这样系统将能达到最大吞吐量的m a x s n r 算法或贪婪算法，以及基于g p s 的算 法，改进的最大加权时延优先算法( m l w d f ) 1 0 和m a x m i n 算、法【】以及最小b e r 算法 1 2 1 o 基于o f d m a 的蜂窝网络中的资源分配，除了要充分利用多用户分集外，还要 考虑频率复用带来的共道干扰、用户的q o s 及频谱的充分利用。o f d m a 中的 d c a ( d y n a m i cc h a n n e la l l o c a t i o n ) 不同于传统的d c a ，o f d m a 由于采用自适应调制 而不需要预先设定的s i n r 闽值，而且系统中用户的速率要求是不同的，信令负载也 是o f d m a 系统需要考虑的一个因素。文献【1 3 】提出一种集中控制式的分配算法，在 分配子载波及功率的同时兼顾用户的速率要求；文献【1 4 j 中提出的一种分布式功率分 配算法，采用功率注水算法后丢弃s i n r 较低的子载波，这种算法只考虑了一个用户 的情况，没有考虑多用户分集及用户间的公平性。文献【15 】提出了一种基于非合作博 弈的分布式算法，联合分配功率和子载波，但该文仅考虑了每个小区只有一个干扰 用户的情况。文献f 1 6 j 提出了半分布式的分配算法，该算法仍需要一定的集中控制。 集中式的分配方案往往由于算法复杂而无法实际应用，所以分布式算法越来越来引 起人们的重视。 1 3 选题意义 目前，无线通信系统尤其像i e e e8 0 2 1 6 e 这样的移动宽带无线接入系统正面临 着许多亟待解决的问题。其中突出的问题包括：多径衰落、远近效应、共道干扰、 越区切换、移动台由于电池容量原因带来的功率受限、巨大的通信需求量与十分有 限的频谱资源之间的矛盾等多种问题。如何提高8 0 2 1 6 e 系统的频谱效率和服务质 量，是研究的热点问题。通常情况下，系统可以采用先进天线技术( 如智能天线和多 输人多输出( m i m o ) ) 、扇区化技术、高效的无线资源管理技术来提高系统频谱效率。 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 未来的无线资源管理主要包含功率控制、无线资源分配、自适应控制、分组调度技 术等，其目的在于目标是在有限带宽的条件下，为网络内无线用户终端提供业务质 量保证。基本出发点是在网络话务量分布不均匀、信道特性因信道衰落和干扰而起 伏变化等情况下，灵活分配和动态调整无线传输部分和网络的可用资源，最大程度 地提高无线频谱利用率，防止网络阻塞和保持尽可能小的信令负荷。因此，通过合 理的分配系统中的频率、时隙和子信道等多种无线资源是提高系统性能的重要保证。 移动w i m a x 支持系数为l 的频率复用，即几个扇区使用同样频率的信道使得频 谱效率最大化。然而，采用相同的复用系数l 会产生严重的同信道干扰，使得在小区 边缘用户的信号质量变差。实际上，在移动w i m a x 系统中用户使用的子信道仅占 用整个信道带宽的一部分，通过无线资源管理适当配置子信道的使用，不需借助传 统的频率规划( 如采用复用系数为3 的频率规划) 就可以解决小区边缘的干扰问题。在 移动w i m a x 中，子信道分段和排列域使得子信道复用更加容易和灵活。段就是一 个可用o f d m a 子信道的子集( 可用包括所有子信道) 。排列域是在上行或下行一系列 使用相同段的o f d m a 码元。 在移动w i m a x 标准规定系统所用的的整个频谱带宽为2 1 l h z ，而用户所用到 的子信道带宽只占整个系统带宽的很小一部分，因此为了减少用户间的干扰，在移 动w i m a x 中无需借助传统小区频谱计划，只需结合w i m a x 自身特征对系统小区 内的用户所用子信道做适当的分配就可以很容易的解决小区边缘的用户干扰问题， 提高系统的通信质量。 1 4 论文主要内容安排 近年来，随着数据业务的飞速发展，无线的数据通信更给人以全新的感觉，使 得像3 g w i m a x 等支持无线数据业务的无线通信系统得到了飞速的发展。这就迫 切需要系统通过一系列无线资源管理技术来有效的利用有限的无线资源、提高系统 容量和通信质量。因此，合理的分配系统中的频率、时隙和子信道等多种无线资源 是提高系统性能的重要保证。本文在已有研究成果的基础上，对算法进行了改进， 并通过理论以及数值仿真分析改进算法的性能。全文共分六个章节，各章节内容安 排如下： 第一章：主要介绍了w i m a x 标准化进程及其关键技术、w i m a x 下的信道分 配研究背景和现有的蜂窝信道分配研究现状。 第二章：主要对i e e e 8 0 2 1 6 e 网络及其资源分配技术进行了研究，包括以下三 个方面：组成i e e e 8 0 2 1 6 e 系统的核心网络和系统接入网络模；蓬) i e e e s 0 2 1 6 e 协议的m a c 中与信道资源分配相关的关键技术；支持i e e e 8 0 2 1 6 e 系统的信道 5 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 分配整体流程图、系统信道搜索过程流程图以及信道调整流程图。 第三章：介绍了o f d m a 系统信道分配原理、数学模型以及基于拉格朗日算法 的o f d m a 自适应资源配置算法。 第四章：提出了一种改进的多小区部分载波抑制复用信道分配算法。首先建立 了多小区o f d m a 系统的部分载波抑制复用信道分配模型。然后设计出了改进的子 载波分配和功率分配算法，并对改进算法系统的信干比进行了分析。 第五章：通过数值计算，对改进算法进行了比较分析，分析结果表明：在相同 用户数的情况下，改进的算法比小区间无载波复用算法的吞土量和系统的子载波利 用率都有所提高；相对于小区间频率完全复用方案来说，由于改进算法采用了部分 载波抑制复用和功率分配，因此它在抑制用户干扰方面也起到了一定的作用。 第六章：概括性地总结了本文所做工作，并探讨了进一步的研究方向。 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章i e e e8 0 2 1 6 e 协议及其资源分配技术 第二章i e e e 8 0 2 16 e 协议及其资源分配技术 在i e e e8 0 2 1 6 e 标准中，只定义了空中接1 2 1 规范，并没有明确规定具体的带宽 分配算法以及系统的组网方式。这些正是未来商用的关键问题，需要仔细研究。 w i m a x 网络建设牵涉到以下几方面的问题：w i m a x 无线空中接口网与现有核心网 的互联，如何把w i m a x 系统的空中接口网络和基于口技术的核心网络有机地结合在 一起，实现无缝的移动性管理，保证用户的q o s 要求；基于o f d m a 技术的w i m a x 网络资源的分配问题是提高系统频率复用率和保证系统通信质量的关键。在本章中 首先对8 0 2 1 6 e 运用到的系统无线空中接口网与现有核心网的互联进行了探讨；然后 通过分析标准中与信道有关的关键技术；最后研究出支持i e e e8 0 2 1 0 e 的系统信道 分配总体流程图。 2 1i e e e 8 0 2 1 6 e 系统组成 对于w i m a x 系统整个网络来说，主要由核心网和宽带无线接入两个部分组成 如图2 2 。在8 0 2 1 6 协议中规定无线系统的组成包括：实现8 0 2 1 6 空中接1 ：3 媒介访问 控制( m a c ) 层及物理( p h 的层协议的基站( b s ) 和用户站( s s ) ，与外部网络( 骨干网和 用户网) 的接d u n i 和s n i ，由m a c 和p h y 传输的服务，以及包括用户终端( t e c p n ) ， b s 连接网络和网管设备等。基站通过业务网络接n ( s m ) 直接与骨干网络或核心网络 相连，用户站一侧可以通过用户网络接d ( u n o 连接单个用户终端( t e ) 或一个用户驻 地网( c p 通常一个基站分为多个扇区，在不同的扇区中使用不同的信道频率与用 户站进行通信。其d e 8 0 2 1 6 e 接入系统的参考模型如图2 1 所示的点对多p m p 。 内 便携机飞噶i ， 图2 1p m p 拓扑结构示意图 7 重庆邮电大学硕士论文 第二章i e e e8 0 2 1 6 e 协议及其资源分配技术 o w i m a x 基站：类似于手机基站，一个w i m a x 基站由基站主机和天线构成。 天线一般架设在相对位置较高的楼宇顶部或天线塔上，在非视通的环境下可以覆盖 2 3 公里，而在近视通环境下可以覆盖到3 0 公里范围。 1 ) 天线经由馈线和主机相连。主机包括基带处理板卡和射频处理板卡两部分。 2 ) 基带板卡连接骨干m 网络，完成对基站的配置管理、数据收发和数字模拟信号 转换的工作；射频板卡在基站天线和基带板卡间收发模拟信号，并控制信号的 强度和频率。 ( 窑) w i m a x 接收端：接收端包括天线可能具有多种形态和接口，例如装在一个小 盒子内的无线m o d e m ，p c m c i a 卡，或者是内置w i m a xa s i c 芯片的视频手机、便 携电脑、多媒体数字互动机等。 图2 2w i m a x 系统的网络体系结构 将基站连接到现有的骨干网络上，是对i p 核心网络的一种无线延伸。系统采用 的o f d m 技术目前被认为是频带利用率最高的复用技术之一，能够提供最高达n 2 0 m b p s 的网络速率。在视通情况好的郊区，覆盖半径可超过1 0 公里，在城区则在3 - 5 公里左右。每个扇区支持最多5 0 0 个用户。另外，o f d m 复用技术属于多载波传输技 术，因此，在抗多径衰落和窄带干扰方面，性能尤为突出。 对于8 0 2 1 6 e 标准就是支持移动终端接入的一个标准协议，该系统一般是一个频 率重用的多小区系统，类似于蜂窝网系统，网络结构为提供多种服务的移动点对多 点( p m p ) ，即基站与一个或多个移动终端用户站通信。在实际中这些技术规范可以 独立于使用频率，可广泛适用于2 1 lg h z 的非视距( n l o s ) 传输和1 0 - 4 5 6 g h z 的视距 ( l o s ) 传输，以适应各国分配的频段差异。所有数据流均通过基站，用户站间不能 直接通信。用户站根据q o s 要求申请使用频带，由基站控制频道的分配。在给定的 8 重庆邮电大学硕士论文第二章i e e e8 0 2 1 6 e 协议及其资源分配技术 频率和天线扇区中，所有的用户都收到相同的传输消息，因此下行链路( 基站到用户 站方向) 是一个点对多点的操作，采用无竞争的广播总线方式，基站是该方向上的唯 一消息发送者，它将消息广播至各用户站，用户站通过检验地址接收发给自己的信 息；用户站采用时分o f d m a ( j e 交频分多路复用) 的方式共享上行链路( 用户站到基 站方向) ，与基站进行通信。在该协议模式下的通信系统主要解决车载用户、室外用 户等移动条件下用户的通信要求。另外，由于移动接入模式的灵活性，这种方式还 可以广泛应用于数字奥运配套通信系统、应急通信、抢险指挥等复杂条件。 2 2i e e e 8 0 2 16 e 协议结构 i e e e8 0 2 1 6 e 标准所关心的是用户站同基站之间的无线接口，其协议标准是按 照两层结构体系组织的，包括媒介访问控制层( m a c ) 和物理层( p h 其中m a c 层又 分三层，从上到下依次是面同业务的会聚予层、公共部分子层和加密子层，图2 3 给 出了该协议的分层结构。 管理实体 公共部分子层 安全子层 管理实体 物理层 管理平面 网 络 管 理 系 统 图2 3 8 0 2 1 6 的协议栈模型 在系统的分层协议中，各层之间通过业务接入节点( s a p ) 进行通信，传递的信息 流由原语来定义。图2 4 所示为s s ( 用户站) 与b s ( 基站) 之间的端到端的协议模型。基 本的通信流程为：首先由会聚子层向公共部分子层发起请求，发起端的公共部分子 层通过空中连接将请求送到目的端的公共部分子层，目的端的公共部分子层向它的 会聚子层发出指示，该会聚子层作出应答，这个应答信号再传送到起始端的公共部 分子层，起始端的公共部分子层向最初的请求实体发出确认信息。在这里，我们主 9 一i=h汁h卜hr什hh”hk”什1_ 一。l=捧一一心幢h一。一 重庆邮电大学硕士论文第二章i e e e8 0 2 1 6 e 协议及其资源分配技术 要分析一下在该协议m a c 层中的有关信道接入的关键技术。 。一c ss a p 一一 一 上层服务 c p s s a p p h y s a p 图2 4s s 与b s 的端到端的协议模型 2 2 1m a c 层中服务汇聚子层 在实际运用中，该层根据提供的服务不同，提供的功能也有所区别，但其主要 功能包括：分类外部网络服务数据( s d u ) ，并将这些数据关联到正确的m a c 服务流 ( s f i d ) 及连接( c i d ) 。它还可能包含负荷头压缩功f l 邑( p h s ) 。其目的就是将所有从汇 聚层服务接入点( c ss a p ) 接收到的外部网络数据到达汇聚子层以后，该层接收上层 数据并对其分类、完成上层地址( 如w a t m 地址等) 与8 0 2 1 6 地址( 连接标识符c i d ) 的 映射，以及对其他方面的处理，然后再通过m a cs a p 发送给m a cc p s 。通过该层 完成的功能来确保不同业务的q o s 。8 0 2 1 6 e 标准中定义了两种服务汇聚子层：a t m 汇聚子层及包汇聚子层。在根据研究生阶段参与的项目出发，本论文所研究的系统 中的汇聚子层业务类型为面向w a t m 的数据汇聚子层。 上下层的地址映射是通过汇聚子层的分类鉴别器去完成的。分类鉴别器是运用 在每一个进入8 0 2 1 6 e 网络的数据包上的一套匹配标准，它由一些协议特性所规定的 数据匹配标准( 女f l w a t m 地址等等) 、一个分类优先级以及对一个c i d ( 连接标识符) 的映射关系组成。如果一个数据包与某个特定的数据包标准相匹配，那么该数据包 将被发送到服务访问点( s a p ) ，由c i d 所对应的连接进行传输，对于该连接的业务流 特性对数据包的传输提供y q o s 的支持。下行数据的分类在基站侧进行，而上行数 据的分类在用户站侧完成。下图2 5 是从基站到用户站的下行数据的分类鉴别过程的 示意图。 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章i e e e8 0 2 1 6 e 协议及其资源分配技术 上层业务实体如：il 上层业务实侬如： 网羌路山器等 ll网关路由器等 黼 嚣穗 s d i , c l a ! 丝! 型坠g 望 s s 图2 5 下行数据的分类鉴别过程 多个分类鉴别器有可能引用到同一个业务流，针对这种情况，则需要参照分类 鉴别器中的分类优先级。分类优先级是用来给所有应用在数据包上的分类兼备器进 行一个排序的，优先级定义了对分类鉴别器的搜索顺序，高优先级的先应用，以避 免出现在分类上的二义性，所以在对其赋值的时候，要注意不能产生有可能含糊意 义。如果一个数据包在比对完成所有的分类鉴别器后都没有找到匹配的标准，那么 汇聚层将对该数据包采取以下措施：采用默认的c i d 发送该数据包或丢弃该数据包。 在这种情况下，采用何种措施将出厂商的特性参数来确定。 2 2 2m a c 的公共部分子层 公共部分子层( c 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、服务管理( 预约服务及相应的q o s ) 和数据处理等。它通过m a c s 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，同时对在物理层上传输和 调度的数据实施q o s 控制。通常说的m a c 层就是主要指m a c 公共子层。 用户站接入 户站接入过程是用户与基站在建立数据传输连接前完成的合法用户站与基站间 建立通信链路的过程，同时也是用户站完成相关性能参数初始化的过程。在接入过 程中，用户站通过管理消息与基站进行交互，获取上下行信道的参数，进行功率和 频率的调整，完成基本能力的协商，以及建立i p 连接。 连接和服务流( s e r v i c ef l o 蚋 重庆邮电人学硕十论文 第