（通信与信息系统专业论文）基于ieee80216的qos调度结构及算法研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 宽带无线网络中实现q o s 的目的是为移动用户提供端到端的服务质量保证，采用一组 度量参数作为指标，包括时延、时延抖动、吞吐量和丢包率等。i e e e8 0 2 1 6 无线城域网标 准定义了面向连接的m a c 层协议，给出了b s 和s s 之间的交互机制，为b s 和s s 间的各 种业务提供q o s 保证。但是标准中没有对资源分配和管理的具体细节给予规定，例如接入 控制、流量整形和r t p s 、n r t p s 、b e 业务流的调度算法等。 本文研究了8 0 2 1 6 协议物理层和m a c 层的关键技术，分析了已有文献提出的q o s 结 构和调度机制。在此基础上对现有协议的体系结构进行了扩充，提出了结合链路自适应机 制的q o s 调度结构，在b s 端增加了c i n r 预测模块、h a r q 控制模块、a m c 控制模块， 并且给出了各个模块功能和交互信令的说明。 调度模块采用的分组调度算法是本文研究的重点，在无线网络中调度时要考虑信道质 量、等待传输的队列状态、系统可分配资源、业务优先级和用户在给定的发送时隙中使用 的调制和信道编码方式等情况。本文在研究了已有的各类无线分组调度算法的基础上，借 鉴m 。l w d f 等算法的设计思想，提出了保证实时业务的吞吐量、时延、公平性等q o s 要 求的无线分组调度算法，在算法中结合了8 0 2 1 6 物理层的o f d m a 、自适应调制编码等关 键技术的特点。最后本文在m a t l a b 仿真工具中对该算法进行了仿真实验，对几个q o s 参数的性能进行了比较和分析。 关键词：i e e e8 0 2 1 6 ，无线分组调度，服务质量，链路自适应机制 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t p r o v i d i n gq o sg u a r a n t e e sf o rm u l t i c l a s st r a f f i cw i t hd i f f e r e n tq o sr e q u i r e m e n t si nb w a s y s t e mi sv e r yi m p o r t a n t s c h e d u l i n ga l g o r i t h m sa r ei m p o r t a n tc o m p o n e n t si nt h ep r o v i s i o no f q o sp a r a m e t e r s ，s u c ha sd e l a y , d e l a yj i t t e r , p a c k e tl o s sr a t e ，o rt h r o u g h p u t t h ed e s i g no f s c h e d u l i n ga l g o r i t h m sf o rw i r e l e s sm u l t i m e d i an e t w o r k si se s p e c i a l l yc h a l l e n g i n gg i v e nt h e l l i 啦l yv a r i a b l el i n ke r r o rr a t e sa n dc a p a c i t i e s t h i st h e s i sp r o v i d e sa s u r v e yo fm e c h a n i s mo fp h y & m a cl a y e ri ni e e e8 0 2 16p r o t o c o l a n ds c h e d u l i n gt e c h n i q u e so fw i r e l e s sn e t w o r k s ，w et h e np r o p o s ean e w q o sa r c h i t e c t u r ew i t h t h ec o n s i d e r a t i o no fw i r e l e s sc h a n n e l s o m em o d u l e sh a v eb e e np r o p o s e dt os u p p o r tl i n k a d a p t a t i o na 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 ，i n c l u d i n gc i n rm o n i t o r p r e d i c t o rm o d u l e ， h a r qc o n t r o lm o d u l e ，a m cc o n t r o lm o d u l e ，e r e f o l l o w i n gad i s c u s s i o no ft h ef u n c t i o n a l i t y a n ds i g n a l i n gm e c h a n i s mo ft h e s ec o m p o n e n t s t h ed e s i g no fa ne f f i c i e n ts c h e d u l i n gs t r a t e g yf o rs c h e d u l e r si si m p o r t a n ti nt h i sa r c h i t e c t u r e t os u p p o r ta l lt y p e so fs e r v i c e sd e f i n e di nt h es t a n d a r d ，o u rs c h e d u l i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e d a c c o r d i n gt ot h eq u a l i t yo fw i r e l e s sc h a n n e l ，s t a t e so fq u e u e s ，p r i o r i t y , m o d u l a t i o na n dc o d i n g m o d e s ，o f d m ap h y ，e t c w i t ht h ec o n s i d e r a t i o no ft h e s ed i s c i p l i n e s ，t h et h r o u g h p u t ，l a t e n c y ， f a i m e s sa n ds o m eo t h e rq o sp a r a m e t e r sc a nb eg u a r a n t e e d 。as i m u l m i o np l a t f o r mh a sb e e n d e v e l o p e di nm a t l a b ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h es c h e d u l i n ga l g o r i t h mp r o p o s e di nt h i st h e s i s i se v a l u a t e d k e y w o r d s ：i e e e8 0 2 16 ，s c h e d u l i n g ，q o s ，l i n ka d a p t a t i o na l g o r i t h m i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 缩略语表 缩略语 a m c 心 a r q b e b e r b p s k b s b w a c i d c i n r c q i d c a d c d d l 认p d o c s i s d s a d s c d s d e d f e r t p s f d d f e c f i f 0 g p c g p s s h - a r q h s d p a i w f q l o s m a c n l o s n r t p s o f d m o f d m a 缩略语表 全称 a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g a c c e s sp o i n t a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t b e s t e 肺r t b i te r r o rr a t e b i n a r yp h a s es l l i rk e y i n g b a s es t a t i o n b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s c o n n e c t i o ni d e n t i f i e r c a r t i e rt oi n t e r f e r e n c ea n dn o i s er a t i o c h a n n e lq u a l i t yi n d i c a t o r d y n a m i cc h a n n e la l l o c a t i o n d o w n l i n kc h a n n e ld e s c r i p t o r d o w n l i n km a p d a t a o v e rc a b l es e r v i c ei n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n d y n a m i cs e r v i c ea d d i t i o n d y n a m i cs e r v i c ec h a n g e d y n a m i cs e r v i c ed e l e t e e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t e x t e n dr e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x i n g 。 f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n f i r s ti nf i r s t0 u t g r a n tp e rc o n n e c t i o n g r a n tp e rs u b s c r i b e rs t a t i o n h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s i d e a lw i r e l e s sf a i rq u e u e l i n e o f - s i g h t m e d i aa c c e s sc o n t r o l n o n l i n e o f - s i g h t n o nr e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e 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 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 a c c e s s v 中译名 自适应调制编码 接入点 自动请求重传 尽力而为 误码率 二进制移相键控 基站 宽带无线接入 连接标识 载波干扰噪声比 信道质量指示 动态信道分配 下行链路描述 下行链路映射 有线电缆数据服务接 口规范 动态服务流添加 动态服务流更改 动态服务流删除 最早到期优先 扩展实时轮询业务 频分双工 前向纠错 先入先出 按连接授予 按站点授予 混合自动请求重传 高速下行链路分组接 入 理想无线公平队列 视距 媒体接入控制 非视距 非实时轮询业务 正交频分复用 正交频分复用多址 南京邮电大学硕士研究生学位论文 缩略语表 p d u q o s q a m q p s k r a n r t p s s a p s d u s f i d s n r s s t d d t d m a t d m u g s u l m a p w f q w m a n w i 懈 p r o t o c o ld a t au n i t 协议数据单元 q u a l i t yo f s e r v i c e服务质量 q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n正交幅度调制 q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g 四进制移相键控 r a d i oa c c e s sn e t w o r k无线接入网 r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e 实时轮询业务 s e r v i c ea c c e s sp o i n t 服务接入点 s e r v i c ed a t au n i t服务数据单元 s e r v i c ef l o wi d e n t i f i e r服务流标识 s i g n a l t o - n o i s er a t i o信噪比 s u b s c r i b e rs t a t i o n 用户站 t i m ed i v i s i o nd u p l e x i n g 时分双工 t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 时分多址 t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 时分复用 u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e 主动授予服务 u p l i n km a p上行链路映射 w e i g h tf a i rq u e u e加权公平队列 w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k无线城域网 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世界微波接入互操作 性 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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 含为获得南京邮电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。 研究生签名：易既隹魄 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：衫f 影泌导师签名：日期： 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 篇一童绪论 随着互联网的不断发展，用户对于宽带网络接入和各种多媒体应用的需求与日俱增。 在众多“最后一公里”接入技术中，无线宽带接入( b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ，b w a ) 是近 几年无线通信技术中的研究热点。b w a 的优势在于网络部署快速灵活，可以迅速组建高效 网络，满足在固定或移动状态下高速传输数据的需求。1 9 9 9 年，i e e e 成立了i e e e8 0 2 1 6 工作组来专门研究宽带无线接入技术规范，目标是建立一个全球统一的宽带无线接入标 准。i e e e8 0 2 1 6 又称为i e e ew i r e l e s s m a n 空中接口标准，是适用于2 - - 6 6 g h z 频段的空 中接口规范，包括物理层( p h y ) 和媒质接入控制层( m a c ) 。协议规定的无线接入系统 覆盖范围最大5 0 k m ，最高峰值传输速率接近7 5 m b p s ，因此8 0 2 1 6 系统主要应用于城域网。 1 1i e e e8 0 2 1 6 标准化进程讹1 1 l 根据使用频段高低不同，8 0 2 1 6 可分为应用于视距( l o s ) 和非视距( n l o s ) 的两 种标准。最早的i e e e8 0 2 1 6 标准发布于2 0 0 1 年1 2 月，对1 0 6 6 0 h z 频段的固定宽带无 线接入的空中接口物理层和m a c 层提出了规范，由于使用的频段较高，只能适用于视距 范围。2 0 0 3 年1 月通过的8 0 2 1 6 a 标准对8 0 2 1 6 标准进行了修改和扩展，增加了2 1 1 g h z ( 包括许可频段和免许可频段) 固定宽带无线接入系统的定义和规范，适用于非视距环境。 8 0 2 1 6 a 标准明确定义了三种物理层数据传输方式：单载波方式、o f d m ( 正交频分复 用) 方式和o f d m a ( 正交频分多址) 方式。在m a c 层提出了q o s 保证机制，支持语音 和视频等实时业务。 8 0 2 1 6 d 是8 0 2 1 6 a 的增强版本，该标准对前几个标准进行了整合和修订，是8 0 2 1 6 系列标准中相对成熟并且最具有实用性的标准，在2 0 0 4 年6 月获得批准。8 0 2 1 6 d 对2 6 6 g h z 频段的空中接口的多种物理层和m a c 层作了详细规定，定义了支持多种业务类型 的固定宽带无线接入系统。 2 0 0 5 年1 2 月，i e e e 批准了8 0 2 1 6 e 标准，该标准在8 0 2 1 6 d 的基础上增加了对终端 移动性的支持，工作于2 - 6 g h z ，支持用户终端以车载速度移动，并且前向兼容8 0 2 1 6 d 。 表1 1 为三种主要标准技术特点的对比。 表1 18 0 2 1 6 系列标准对比 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 8 0 2 1 68 0 2 1 6 a d8 0 2 1 6 e 提交时间 2 0 0 1 1 22 0 0 4 62 0 0 5 1 2 平均l - 一5 k m ，最高平均1 一- - 1 0 k m ，最高 覆盖范围平均1 4 k m 8 k m5 0 k m 无线信道 条件 视距非视距非视距 频段 10 6 6 g h z2 11 g h z +2 6 g h z 对移动的 支持 固定 固定 12 0 k m h 载波带宽 2 0 2 5 2 8 m h z 1 2 5 2 0 m h z1 2 5 1 0 m h z 1 3 4 m b p s ( 2 0 m h z 带 d l 6 3 m b p s 传输速率 7 5 m b p s ( 2 0 m h z 带宽) u l 2 8m b p s 宽) ( 1 0 m h z 带宽) 2 0 0 1 年，由业界主要的无线宽带接入厂商和芯片制造商成立了非盈利工业贸易联盟组 织一w i m a x ( 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 ) 。该联盟对基于i e e e8 0 2 16 标准和e t s ih i p e r m a n 标准的宽带无线接入产品进行兼容性和互操作性的测试和认证，发 放w i m a x 认证标志，致力于以8 0 2 1 6 系列标准为基础的需求分析、应用推广、网络架构 完善等后续研究工作，促进8 0 2 1 6 无线接入产业的成熟和发展。 1 2i e e e8 0 2 1 6 协议概述 1 2 1 网络结构【3 i 1 4 1 8 0 2 1 6 系统至少包括一个基站( b s ) 和多个用户站( s s ) ，b s 是中心节点，控制和管 理整个系统，s s 作为用户与b s 的接口分布在b s 周围，每个s s 能支持多种不同q o s 需 求的业务流，如语音、视频、数据下载等。这种称为点对多点( p m p ) 结构，另外一种支 持a dh o c 的对等网( m e s h ) 结构本文不作讨论。在单载波情况下，下行链路( b s 到s s ) 是广播信道，b s 采用用时分复用( t d m ) 方式向多个s s 广播消息。s s 则通过时分多址 ( t d m a ) 方式共享上行链路( s s 到b s ) 。上行信道被划分为多个m i n i s l o t s ，b s 为s s 决定在每个上行数据帧中占用时隙的分配，并将结果包含在u l m a p 消息中通过下行信道 广播给s s ，s s 按照u l - m a p 中分配的时隙传输数据。图1 为8 0 2 1 6 系统网络结构。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 熬删1 ： p 可d a b 夕 k： 鳇j， l 1 2 2 协议栈模型 图1 - 18 0 2 1 6 网络结构 8 0 2 1 6 协议制定了m a c 层和物理层规范，协议栈如图1 2 所示。 = ：= 三2 ：7 一 特定业务汇聚子层 _ 一 d a c 层 m a c 公共部分子层 安全加密子层 饧理层物理层 图1 2 协议栈模型 c s ：业务汇聚子层 m a c ：媒体接入控制 p h y ：物理层 s a p ：业务接入点 物理层负责对m a c 层的协议数据单元( p d u ) 进行汇聚、编码、调制，形成一定的 帧结构在无线信道中传输，支持时分双工( t d d ) 和频分双工( f d d ) 两种无线双工方式。 基于单载波物理层规范分为w i r e l e s s m a n s c 和w i r e l e s s m a n s c a 两种，w i r e l e s s m a n - s c 应用频段为1 0 6 6 g h z ，由于频段较高，容易受多径衰落影响，适合视距( l o s ) 传播， w i r e l e s s m a n s c a 应用频段低于1 1 g h z ，适合非视距( n l o s ) 环境。基于多载波的物理 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 层规范分为w i r e l e s s m a n o f d m 和w i r e l e s s m a n o f d m a ，它们都基于o f d m 多载波技 术，应用频段低于1 1 g h z 。由于o f d m 调制方式具有较高的频谱利用率，并且在抗多径 效应、频率选择性衰落上有明显的优势，因此o f d m 和o f d m a 是8 0 2 1 6 物理层主要的 应用方式。物理层的主要特点见表1 2 。 表1 2 物理层特点 特点作用 o f d m 多载波调制抗多径衰落 单载波调制方式可选q p s k 、1 6 q a m 、6 4 q a m ， 自适应调制编码( a m c ) 提供最大数据速率的同时保证无线链路的可靠性 载波带宽1 2 5 - 一2 0 m h z适应不同国家地区频段划分要求 自适应天线系统( a a s ) 抑制干扰，提高系统容量 m a c 层由三个子层构成：特定业务汇聚子层( c s ) 负责将业务接入点( s a p ) 收到 的外部网络数据转换并映射到m a c 层服务数据单元( s d u ) ，以及传递到m a c 层业务接 入点；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等，将c s 层的数据分类到特定的m a c 连接，同时对物理层传输和 调度的数据实施控制；加密子层主要功能是提供认证、密钥交换和加解密处理。 8 0 2 1 6 的m a c 层是面向连接的，所有终端的数据业务和相关的q o s 保证机制都基于 连接实现。m a c 定义了较为完整的q o s 机制，每个s s 连接到b s 后，b s 都会为其中的 一个或多个应用分配连接标志符( c i d ) ，不同连接可以对应不同的q o s 等级，例如实时、 非实时业务、固定比特速率、可变比特速率业务，m a c 层根据相应的策略采用不同的调 度机制分配系统资源。 8 0 2 1 6 系统中的q o s 调度机制是本文研究的重点，在本文第三章会对这方面内容进行 详细的讨论。 1 3 当前该领域的相关研究工作 8 0 2 1 6 的m a c 层详细规定了服务类型的划分、系统的q o s 框架和信令交互机制，但 是没有给出具体的实现方案，其中包括接入控制，流量控制，分组调度算法等，这部分内 容留给制造商或科研机构自行实现。随着以8 0 2 1 6 系列标准为基础的w i m a x 技术提供对 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 终端移动性的支持，并且有能力提供无线环境下的高速数据传输服务，此项技术近年来受 到无线移动通信行业内各方面的关注，成为研究的热点，很多论文对此展开了研究，各自 提出了不同的方案和建议。本节将简单介绍一些有代表性的关于m a c 层q o s 调度机制方 面的研究成果，分析并概括这些方案的特点，然后提出本文的研究思路。 文献【4 】重点研究了上行分组调度策略，提出了基于优先级调度和动态带宽分配的q o s 调度结构。该文献建议b s 侧的调度模块负责为每个s s 分配上行链路分组的发送时隙，s s 将内部的每条连接按照不同的q o s 需求划分等级，s s 侧的调度模块根据优先级为各条连 接分配发送时隙。优先级相同的业务流之间，根据优先级高低依次采用w f q 、w r r 、f i f o 等有线调度算法实现调度。文中建议q o s 调度结构中加入流量整形模块以防止少数业务流 占用过多资源造成其他业务流无法得到服务。文中没有涉及b s 如何为每个s s 分配时隙， 如何划分q o s 优先级，没有对调度算法的选择进行性能分析。 文献 5 提出了基于每条连接的调度模型，将上行业务流分为三种类型队列进行调度。 队列1 为固定分配带宽的业务和请求报文，队列2 为有最低带宽预留要求的业务流，队列 3 为无最低带宽预留要求的业务流，业务流内部均采用f i f o 排队。队列2 和队列3 之间采 用增强优先级w f q 算法调度，没有给出算法的具体实现。 文献 6 对8 0 2 1 6 协议已有的调度架构做出了改进，添加了流量整形模块、接纳控制模 块、信息模块、调度数据模块和服务分配模块，给出了实现细节。针对每条不同种类的服 务流，上行分组调度采用了严格的优先级服务原则，e d f 和w f q 结合的分层分等级调度 策略，给出了仿真结果和结论。文献【7 在文献 6 】的基础上指出严格优先级会导致低优先级 业务流“饿死”的问题，提出了d p f q ( d e f i c i tf a i rp r i o r i t yq u e u e ) 算法提高公平性。 文献【8 】、 9 、【1 0 】提出了与前面几篇文献类似的q o s 调度结构，主要区别在于选择了 不同的分组调度策略。 通过上面的文献分析可以概括出已有q o s 调度机制的以下几个特点： 1 ) 已有文献重点研究了上行链路的分组调度，因为在下行链路只有单个b s 采用t d m 方式向所有s s 广播数据包，每个s s 只需接收发送给自己的数据包，忽略其他分组， 实现起来相对简单。在上行链路，所有s s 通过t d m a 方式共享信道带宽，由b s 决 定一个上行数据帧中每个s s 可以被分配到的时隙数，s s 采用突发( b u r s t ) 方式发送 数据，这里涉及到系统资源、时隙的分配，需要严格的控制策略才能保证系统资源的 公平分配和利用率的最大化。 2 ) 以上文献提出的q o s 调度结构可以简化为统一的模型，即通过b s 侧和s s 侧的分 5 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 组调度模块对每条属于不同q o s 需求类型的业务流进行两级调度，保证每条业务流能 够接受到与其q o s 类型相匹配的服务。但是这两级调度没有考虑无线信道的特性，例 如突发错误和多径衰落对数据传输的影响，也没有结合8 0 2 1 6 系统物理层和m a c 层 的关键技术的特点，所以目前的q o s 调度结构有待改进。 3 ) 在分组调度策略的选择方面，已有文献大多采用固定或动态优先级与经典有线调 度算法相结合的多层分级调度策略。动态优先级更适合实际系统的需求，如何确定动 态划分的原则，经典有线环境下的调度算法是否适用于宽带无线接入系统，是值得进 一步研究的问题，本文第四章会给出这方面详细的讨论。 1 4 本文的主要贡献及内容安排 本文研究8 0 2 1 6 中的q o s 机制可以分为两部分内容，二是根据协议物理层和m a c 层 的技术特点设计一个合理的q o s 调度结构，二是设计适合这个调度结构的无线分组调度算 法。 首先本文详细介绍了8 0 2 1 6 协议的物理层和m a c 层的技术特点，在此基础上本文就 现有文献中提出的q o s 调度体系结构展开讨论，指出在调度结构中需要考虑无线信道对数 据传输的影响，并且加入8 0 2 1 6 关键技术的影响。本文提出了一种结合链路自适应机制的 q o s 调度结构，并且详细讨论了各个功能模块之间各种信令消息的交互机制，以及部分模 块的功能。 q o s 调度体系结构中的分组调度模块是本文研究的重点，在总结已有无线分组调度算 法的特点并且提出本文调度算法设计的四个目标的基础上，本文提出了8 0 2 1 6 系统中支持 实时业务的无线分组调度算法，重点研究了算法中涉及的o f d m a 系统模型的特点、无线 链路状态参数的计算，在o f d m a 子载波分配方案中给出了吞吐量、时延、请求速率三个 q o s 保证模型和用户调度优先级的计算方法。 最后本文对提出的方案进行了仿真实验，重点考察吞吐量性能、时延保证和不同业务 之间的公平性保证等。结果表明在系统负载较低、用户信道条件较好时，该调度算法可以 保证不同类型用户的q o s 要求。 本文各章节的内容安排如下： 第二章介绍了8 0 2 1 6 的物理层特点，包括数据传输方式、o f d m 技术和t d d 方式下 的帧结构。后面介绍了m a c 层数据报文格式，详细解释了连接、服务流、服务类型的概 6 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 念，并对用户接入过程、s s 和b s 之间的带宽请求和分配机制进行了分析。这些概念是本 文在后面章节中提出的q o s 调度机制和无线分组调度算法的基础。 第三章就现有的q o s 调度结构展开讨论，分析了各个组成模块的功能，指出了现有方 案需要改进的地方，研究了无线衰落信道的特点，8 0 2 1 6 的链路自适应机制，包括h a r q 技术和a m c 机制。在此基础上提出一种结合链路白适应机制的q o s 调度结构，就各个模 块的实现细节和功能进行了详细的分析。 第四章详细研究了分组调度模块中调度算法的实现。首先分析了无线信道环境对分组 调度的影响，总结了已有无线分组调度算法的特点。在此基础上提出了8 0 2 1 6 系统中支持 实时业务的无线分组调度算法，并且对提出的方案进行了仿真实验，重点考察该算法对系 统的吞吐量、时延和不同业务之间的公平性等q o s 要求的保证等。 第五章是全文总结和进一步研究工作的展望。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章i e e e8 0 2 1 6 无线城域网标准 第二章i e e e8 0 2 1 6 无线城域网标准 2 1 物理层特点 i e e e8 0 2 1 6 物理层规范分为单载波和多载波两种。单载波的物理层规范中， w i r e l e s s m a n s c 应用频段为1 0 一- , 6 6 g h z ，适合视距传输，w i r e l e s s m a n s c a 的应用频段 为2 11g h z ，适合非视距传输环境。多载波的物理层规范分为w i r e l e s s m a n o f d m 和 w i r e l e s s m a n o f d m a ，均采用o f d m 技术，工作频段低于llg h z 。 2 1 1 数据传输方式 8 0 2 1 6 的单载波物理层规范采用突发脉冲( b u r s t ) 方式传输数据，每个突发脉冲都有 自己的传输格式( p r o f i l e ) ，对应着不同的调制方式和信道编码。上行链路采用时分多址接 入( t d m a ) 和按需分配多址接入( d e m a n da s s i g n e dm u l t i p l ea c c e s s ，d a m a ) 相结合的 多址方式。上行信道划分为多个时隙，时隙又由微时隙( m i n i s l o t ) 组成，一个m i n i s l o t 由2 n 物理时隙( p s ) 组成，一个p s 等于4 个调制符号。其中1 1 的取值由b s 根据业务类 型来决定。时隙的用途由m a c 层控制，例如用于发送注册、竞争、请求消息或数据。下 行链路采用时分复用( t d m ) 方式，b s 向所有s s 进行广播，每个s s 根据预定的时隙接 收数据。上下行数据发送前都要经过随机化，前向纠错( f e c ) 、交织、调制和功率控制等， 如图2 1 所示。 无 效 塌 信 匹配符f 解据 f 加 符 基带 道 解 滤波 号e随e 入 号调随 机c 一 脉冲_器和反c 化编 再u 映 制调机 导射 成形 均衡映解 码 器射码 化 图2 1 物理层上下行数据处理流程 8 0 2 1 6 的物理层既支持单载波又可以支持基于o f d m 的多载波技术，由于o f d m 调 制方式具有较高的频谱利用率，并且在抗多径效应、频率选择性衰落上有明显的优势，因 此w i m a x 将o f d m 多载波技术作为物理层主要的应用方式。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章1 e e e8 0 2 1 6 无线城域网标准 2 1 2 基于o f d m 的多址接入 在o f d m 系统中，数据被分配到多个相互正交的子载波上并行传输，每个子载波传送 的数据量都比较小，而且可以使用不同的调制方式。通过降低每个子载波的带宽和增加循 环前缀( c y c l i cp r e f i x ，c p ) 的方法，o f d m 能够有效的减少无线信道的时间弥散带来的符 号间干扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s i ) 和载波间干扰( i n t e r - c a r r i e ri n t e r f e r e n c e ，i c i ) 。 从频域角度来看，每个子载波的带宽都很小，远小于信道的相干带宽，所以每个子载波上 的频率响应是相对平坦的。子载波之间的正交性使o f d m 信号由多个子载波传送而不互相 干扰，可以有效的对抗多径衰落1 4 】【1 5 】。 基于多用户环境，研究人员提出了基于o f d m 技术的多址接入方式- - o f d m a ，它将 无线资源在时域和频域上划分为多个正交的资源单位，用户可以根据需求动态的在这些块 上传送数据，这能实现更加有效的资源分配粒度，对多媒体业务的多重速率要求提供支持， 结合自适应调制编码和功率控制技术，能有效的提升系统的容量。 图2 2 是三种子载波构成的o f d m a 频域结构： 1 )数据子载波( d a t as u b c a r r i e r s ) ，用于传输数据。 2 )导频子载波( p i l o ts u b c a r r i e r s ) ，用于信道估计和同步。 3 )空子载波( n u l ls u b c a r r i e r s ) ，用于频带间隔。 ljlj i j g u a r ds u b k jl j jl jljljlj ljljljljlj- 书j lj kjljljljl j ljl j i ： ! ；： y ，争争寺+牟争冬 i 矗 一i | | ：“； 图2 - 2o f d m a 频域结构 o f d m a 子载波( s u b c a r r i e r ) 可以按两种方式组成子信道( s u b c h a n n e l ) ：连续 ( c o n t i g u o u s ) 方式和分布( d i v e r s i t y ) 方式，系统根据用户q o s 需求分配一个或多个子信 道传输数据。连续方式下，每个子信道中的子载波在频域上是连续的。这种信道结构下， 由于采用了链路自适应机制，信道响应可以看作是平坦衰落的，系统可以使用频率响应较 好的子信道带来多用户分集增益的效果。这种方式适合用户移动速度不快、信道条件好的 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i e e e8 0 2 1 6 无线城域网标准 情况。分布方式下每个子信道中子载波分布在整个系统频带中，在频率选择性信道中，每 条子载波受到的衰落不同，这种信道结构可以提供频率分集，适用于用户移动速度快、信 道条件差的环境。 2 1 3t d d 帧结构 物理层支持时分双工( t d d ) 和频分双工( f d d ) 两种方式，f d d 模式下又支持全双 工s s 和半双工s s 。w i m a x 建议采用t d d 方式，原因有以下几个方面： 1 ) t d d 的特点是利用同一频率信道( 载波) 的不同时隙来完成接收和发送的工作， 即上行链路和下行链路工作在相同频段，通过调整上下行链路占用时隙的比例来适应 不对称的上下行数据传输。f d d 必须采用成对频率，上下行链路都要占用相同的带宽。 在传输非对称的分组数据时，频谱利用率很低。 2 ) 上下行工作于同一频率，对称的无线电波传播特性有利于系统获得当前无线信道 的状态，可以使用链路自适应机制、智能天线等新技术，提高系统的性能。 3 )目前无线频率资源的分配非常紧张，很多标准因为分配不到频段发展受到了影响。 t d d 只占用一条频段，能够适应各种频率资源。 4 ) 系统设备的成本相对较低，有可能比f d d 系统低2 0 3 0 。 t d d 系统也存在一些问题，例如在支持终端移动性方面和f d d 有很大差距，在覆盖 范围上也明显不如f d d 方式。 图2 3 是t d d 方式下的o f d m a 帧结构【1 4 】。下行子帧和上行子帧之间由t t g 和r t g ( t r a n s m i t r e c e i v ea n dr e c e i v e t r a n s m i tt r a n s i t i o ng a p s ) 分隔开，防止冲突。帧结构中包 括以下控制信息： 1 ) 前导( p r e a m b l e ) 下行传输的第一个o f d m 符号就是前导，作用是同步。 2 ) f c h ( f r a m ec o n t r o lh e a d ) ：帧控制头包含帧的一些配置信息，例如m a p 消息的 长度，编码方式和可用的子信道数等。 3 ) d l m a p 和u l m a p ：定义了子信道分配方式和其他上下行子帧的控制信息。 4 ) u lc q i c h s s 通过u lc q i c h 反馈无线信道情况。 5 ) u l a c k ：用于s s 返回下行h a r q 确认消息。 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章i e e e8 0 2 1 6 无线城域网标准 s 1 s 时l n - o f d ms y m b o ln u m b e 卜 f c h u l m a pd l b u r s t 掉2 ( c o n o d l d lb u r s t 群4 旦 m a p j 3 d lb u r s t 捍1 趸 d lb u r s t 2 撑3 山 d l b u r s t u l d l b u r s t 撑6 牟5 m a p d lb u r s t 群7 图2 3t d d 方式下的o f d m a 帧结构 2 2i e e e8 0 2 1 6 的m a c 层 i e e e8 0 2 1 6 标准定义了一种面向连接的m a c 层协议，为b s 和s s 之间的各种业务 提供q o s 保证。m a c 层由高到低分为三个子层，包括负责接收高层协议数据单元的特定 服务汇聚子层( c o n v e r g e n c es u b l a y e r , c s ) ，完成m a c 层核心功能的公共部分子层 ( c o m m o np a r ts u b l a y e r , c p s ) ，以及安全子层( s e c u r i t ys u b l a y e r , s s ) 。公共部分子层是本 节讨论的主要内容，其主要功能包括：用户站接入、带宽分配、连接的建立和维护、服务 管理和数据处理等，汇聚子层和安全子层的细节本文不作介绍。 2 2 1 数据单元格式 8 0 2 1 6 的m a c 层协议将进入每个子层尚未被处理的数据称为服务数据单元( s d u ) ， 经过子层处理后形成特定格式的数据称为协议数据单元( p d u )