（通信与信息系统专业论文）wimax系统中若干关键技术的研究.pdf

摘要 论文土要基i - i e e e9 0 2 1 6 d 标准，探讨了w i m a x - o f d m 系统中的无线资源调度算法，升针对 w i m a x - o f d m 系统对同步误著较为敏感的弱点，给山了一套w i m a x - o f d m 系统同步方案。 首先，论文利刚o f d m 多载波传输的特点，针对h 户的o o s 即有最小预约速率要求的什实时业 铬和有最人时延要求的实时业务，给山了不同的资源调度算法。 其次，对于1 | 实时业务在保证最小预约速率的前提下，使系统尽可能容纳较多的川户，论文 结合w i m a x - o f d m 多载波传输系统的特点，给山了一种改进的资源调度算法，新算法考虑了实际 刚户最小预约速率的不同，f 兼顾了不同用户的子信道质鼙筹异等因素。与已有的算法相比较，改 进的算法在系统用户的溢出率和系统吞吐鼙等方面性能有明显的提高。 最后，论文总结了现有的o f d m 系统同步算法，并结合w i m a x - o f d m 系统的特点，设计了 套适用于w i m a x - o f d m 系统的同步方案，包括定时估计、小数倍频偏估计和聿4 数倍频偏估计。论 文给山了不同的系统定时估计和频偏估计算法。对于定时估计，论文给出了可调判决门限和l 卉l 定判 决门限相结合舟勺定时估计算法，该算法比传统的i i i | 定判决门限算法性能有较人的提高。论文还进一 步针对整数倍频偏估计算法复杂度较高的特点，对该算法进行了改进，新算法在实现复杂度和性能 上取得一个良好的折衷，使得该算法具有较人的实_ h | 价值。 关键词lw i m a xo f d m 资源调度m l w d fp f 定时估计频偏估计 垒! 翌竺! _ - _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ - - 。_ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ - _ - _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ r _ - 一 a b s t r a c t t h i sp a p e rp u t se m p h a s i so nt h er e s e a r e ho f t h ek e y , t e c h n i q u e so fw i m a x s y s t e m o u r w o r ki sb a s e d o ni e e e8 0 2 1 6 ds t a n d a r d w em a k er e s e a r c hi np e r s p e c t i v eo fr a d i of e s o u r e em a n a g e m e n t , m a i n l yo n p a c k e ts 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 na l g o r i t h m s b e c a n s et h es y n c h r o n i z a t i o ne r r o r si n f l u e n c et h e p e r f o r m a n c eo fo f d ms y s t e mm u c h ，w eg i v e a l l i n t e g r a ls c h e m eo fs y n c h r o n i z a t i o n f o rt h e w i m a x - o f d ms y s t e m f i r s t l y , b a s e do l lt h ea n a l y s i so ft h eo f d mf e a t u r e sa n d8 0 2 1 6m a cl a y e rt e c h n i q u e s ，d i f f e r e n t w i r e l e s ss c h e d u l i n gr u l e sa r ei n t r o d u c e d t h e s er u l e st a k ei n t oc o n s i d e r a t i o nt h ed i f f e r e n c e so f t h eo f d m w i r e l e s sc h a n n e l sa n dt h eu s e r sq o sf e a t u r e sw h i c hc a r lf u l f i l lt h el a t e n c ya n dt h em i n i m u mb i tm t e r e q u i r e m e n t s t h e ni no r d e rt oa d m nm o r eu 辩体i ns y s t e m ，w eg i v ea ni m p r o v e da l g o r i t h mb a s e do nt h em i n i m u m b i tr a t er e q u i r e m e n t sf o re a c hu s e r s t h es g c n fw i r e l e s ss c h e d u l i n gr u l ei sp r e s e n t e d t h en e wa l g o r i t h m t a k e sa c c o u n to f d i f f e r e n tm i n i m u mb i tr a mr e q u i r e m e n t sa n dt h ed i f i e r e b e co f t h eo f d mw i r e l e s se h a n n e l a n do t h e rw i r e l e s sc h a n n e l s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a to u ra l g o r i t h mc a np r o v i d eas i g n i f i c a n t i m p r o v e m e n ti nt h ea v e r a g eo u t a g ep r o b a b i l i t yp e r f o r m a n c ef o rn r ts e r v i c e 。i es i g n i f i c a n t l yi n c r e a s i n g t h en u m b e ro f n r tu s e r sw i t h o u tm u c hc o m p r o m i s i n go f t h ee e l ! t h r o u g h p u t a tl a s t , t h ep a p e rg i v e sa l li n t e 毽r a ts c h e m eo fs y n c h r o n i z a t i o nb a s e do nt h ew i m a x 旬f d ms y s t e m ， i n c l u d i n gt i m i n ge s t i m a t i o n 、f r a c t i o n a lf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o na n di n t e g e rf r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n t h ep a p e rg i v e sas e to f t i m i n ge s t i m a t i o na n df r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o ns c h e m e s a n dt h ep a p e rg i v e sa n e wt i m i n gs c h e m eb a s e do nf i x e da n da d a p t i v ej u d g i n gt h r e s h o l d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h en e w a l g o r i t h mi m p r o v 镪al o tc o m p a r e dt oc o n v e n t i o n a ls c h e m e b e c a u s eo fh i g hc o m p l e x i t yi ni n t e g e r f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n ，al o w - c o m p l e xa l g o r i t h mi sp r e s e n t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e n e wa l g o r i t h mh a st h ea d v a n t a g eo fl o wc o m p l e x i t yo v e rc o n v e n t i o n a la l g o r i t h mw h i l em a i n t a i n i n gt h e s a m ep e r f o r m a n c e 。 k e yw o r d s ：w i m a x o f d mr e s o u r c es c h e d u l i n gm l w d f p r o p o r t i o n a l f a i r t i m i n g e s t i m a t i o n f r e q u e n c yo f f s e te s t i m a t i o n l 东南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，也不包含为获得东南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：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、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) 授权东南大学研 究生院办理。 签名：导师签名：日期： 第一章绪论 1 1 论文的研究背景 第一章绪论 随着宽带无线网络技术的发展，各种新的业务需求相继提出。不同的业务对网络传输的质量有 着不同的要求，为不同的业务提供不同q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 的研究已经在有线和无线网络领域 展开。因为无线网络易受有限带宽、干扰、低链路可靠性等诸多因素的限制，在q o s 实现方面就更 具有挑战性。本论文前一部分内容就是在w i m a x 系统的基础上，研究了确保服务质量的关键问题 资源调度。 为了有效地利用有限的频率资源，以满足高速率、大容量的业务需求，必须采用许多独特的技 术以克服无线信道多径衰落，降低噪声干扰，达到改善系统性能的目的。在众多的技术中，正交频 分复用( o f d m ) 技术显示出其优越的性能，而作为o f d m 系统中的一项关键技术同步，对 o f d m 系统实现有着重要的研究价值。本论文后一部分是在w d v l a x - o f d m 基础上研究同步算法， 提出了一套w i m a x - o f d m 系统同步方案。 1 1 1w i m a x 系统概述 1 1 1 1i e e e8 0 2 1 6 系列标准 l e e e8 0 2 1 6 又称为i e e e w i r e l e s s m a n 空中接口标准，它对2 6 6 g h z 频率范围内无线接入系 统的底层标准( 包括物理层和媒体接入控制层) 做出规范，并分析了系统共存性背景，给出了系统 的设计、配置和频率使用解决方案。8 0 2 1 6 系统主要应用于城域网范围，以解决高速接入家庭和企 业的“最后一英里”的问题。 i e e e8 0 2 1 6 标准委员会于1 9 9 9 年7 月开始公开讨论全球统一的宽带无线城域网接入标准，到 目前为止已经建立了包括8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 1 、8 0 2 1 6 c 、8 0 2 1 6 d 2 1 、8 0 2 1 6 e 3 、8 0 2 1 6 i 8 0 2 1 6 9 七个标准，如表1 1 所示： 表1 1i e e e8 0 2 1 6 系列标准及其说明 标准名称 标准说明 i e e e 8 0 2 1 6 1 0 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统空中接口物理层和m a c 层规范 i e e e 8 0 21 6 a 2 1 1 g h z 固定宽带无线接入系统空中接口物理层和m a c 层规范 i e e e 8 0 2 1 6 c 1 0 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统的兼容性标准 l e e e 8 0 2 1 6 d 2 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统空中接口物理层和m a c 层规范 l e e e 8 0 2 1 6 e 2 6 6 g h z 固定和移动宽带无线接入系统空中接口规范 1 e e e 8 0 2 1 6 f 固定宽带无线接入系统空中接口管理信息库以及相关的管理流程 i e e e 8 0 2 1 6 9固定和移动宽带无线接入系统空中接口管理平面流程和服务要求 8 0 2 1 6 1 1 最初的标准为8 0 2 1 6 - 2 0 0 1 ，该标准对使用1 0 6 6 g h z 频段的固定宽带无线接入系统的 空中接口物理层和m a c 层进行了规定。该标准规定，8 0 2 1 6 无线城域网系统工作在1 0 6 6 g h z 频 段，在这个频段的电磁波传输要求视距传输。小区半径典型值为2 5 公里。系统采用t d d 或者f d d 第一章绪论 的椒r 。模式。下行链路采用t d m 复用方式，上仃链路采嘲t d m a 的多址接入力式。 8 0 21 6 的第_ 二个 ， 、准为8 0 2 1 6 a 2 1 ，于2 0 0 3 年1 ，j 颁布。该标准对8 0 2 1 6 进行了扩展，对馒阚 2 1 1 g h z 许町和免许町频段的固定宽带无线接入系统的空中接口物理层和m a c 层进行了规范，该 频段具有 e 砚距传输的特点，覆盖范围最远可达5 0 k i n ，通常小区半径为6 1 0 k i n 。另外，8 0 2 1 6 a 的m a c 层提供q o s 保证机制，可支持语音和视频等实时性业务。 2 0 0 2 年颁布的8 0 2 1 6 c 是对8 0 2 1 6 的增补文件，是使用1 0 6 6 g h z 频段8 0 2 1 6 系统的兼容性 标准，它详细规定了在1 0 6 6 g h z 频段8 0 2 ，1 6 系统在实现上的一系列特性和功能。 8 0 2 1 6 d 1 3 1 是8 0 2 1 6 的一个修订版本，也是相对比较成熟并且最具实j ；l 性的一个标准版本，十 2 0 0 4 年9 月颁布。该标准对2 6 6 g h z 频段的宅中接口的物理层和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规范。该标准对前几 个标准进行了整合和修订，但仍属于固定宽带无线接入规范。它保持了8 0 2 1 6 - 2 0 0 1 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 c 等标准中的所有模式和t 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。 8 0 2 1 6 e 4 是8 0 2 1 6 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 g h z 6 6 g h z 适于移动性的许可频段，可支持用户以车辆速度移动，同时8 0 2 1 6 a 规定的固定 宽带无线接入用户能力并不因此受到影响。该标准还规定了支持基站和扇区问高层切换的功能。 8 0 2 1 6 f 工作组在2 0 0 4 年8 月获准成立，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1 5 1 ，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。 1 1 1 2w i m a x 简介 w i m a x 是一个由众多的通信组件与设备公司共同组建的非营利性组织，它的目的是促进并确 保符合8 0 2 1 6 标准或者e t s ih i p e r m a nw i r e l e s sm a n 规范的宽带无线产品之间的兼容性和互操作 性，加速这些系统的市场化进程，通过w i m a x 论坛认证的产品将具有完全互操作性并支持宽带固 定和移动应用，并致力于认证宽带无线接入产品互操作性的唯一认证组织。w i m a x 将负责定义和 制定一致性和互操作性测试规范，以确保不同厂家的产品相互之间可以进行无缝操作，所有通过 w i m a x 认证的产品将得到“w i m a xf o r u mc e r t i f i e d ”认证标识。通过w i m a x 认证的产品将符合 全球统一标准，确保在全球范围内可以使用。对于设备生产者而言，w i m a x 认证将会减少它们在 设备开发过程中的投资不确定性。对于网络运营商来说，这样的认证将会方便它们自由选择不同设 备制造商的产品。以最小的投资建设最优化网络设施。 w i m a x 组织分为7 个工作组，分别为：市场工作组、服务提供工作组、技术工作组、协调工 作组、应用工作组、网络工作组、认证工作组，每个工作组负责不同的内容。 目前w i m a x 的成员已经达到了2 3 1 个，包括世界著名的通信设备制造商、半导体厂商、通信 运营商、科研机构以及一些著名高校都参与了w i m a x 论坛。 2 第一章绪论 1 1 2 在w i m a x 系统中实现q o s 1 1 2 1 在无线网络中实现q o s 随着无线网络的发展，无线通信用户数和i n t e m e t 用户数急剧增加，人们期望新一代无线通信系 统不仅具有更大的容量，还要支持移动多媒体业务，除了提供语音业务外，还支持低，高速数据、图 像等非话音业务的传输。不同的业务有不同的服务质量要求，如对时延、误比特、数据速率的要求 不同。但因为无线网络受到有限带宽、干扰、低链路可靠性、移动设各电池能量和移动性等诸多因 素限制，在o o s 实现方面更具有挑战性。 较之有线网络，无线网络的一个显著特点就是差错特性，外来的干扰和噪声都可能给无线链路 带来很大的性能下降。无线链路的差错特性会随时间变化而受多种因素的影响，例如蜂窝网络的链 路特性不仅会随天气的改变而改变，而且会受到多径衰落以及障碍物阻隔的影响；室内的网络也会 受到家具及人身反射等多种复杂因索的影响，而且随着发送、接收设备或周围反射物体的移动，无 线链路的干扰特性也会随之变化。所以，无线链路的差错特性往往变化很快而且难以预测。在有线 i p 网络中，一般都使用端到端的差错控制机制来简化数据链路层的设计以及避免一些不必要的开销。 由于有线链路的差错概率较小，这种方法是可行的。但在无线网络中，由于链路的差错概率较大， 如果在链路层将已经出错的数据包继续传送出去，留待端到端的协议层来解决差错控制的问题，势 必造成网络资源的浪费。所以，在无线链路中，针对不同的q o s 要求，应该采用适当的差错控制机 制对差错进行处理。例如对于对差错比较敏感的业务可以使用一些应答、出错重传的机制在数据链 路层对差错进行纠正。 无线带宽的资源是非常有限的，也是非常宝贵的，提高无线资源利用率在无线网络中是非常重 要的问题。但提高资源利用率和保证用户的q o s 两个问题往往是相互约束的。因为对于像语音业务、 视频业务这样实时性要求较高的业务，往往要求网络为其预留一定的资源以使其严格的时延及时延 抖动的要求得到保证，但资源预留可能会降低无线资源的利用率。所以要在保证用户q o s 要求的同 时，合理分配资源。努力提高无线资源的利用率。 由于移动设备的可移动要求，电池能量和缓存空间都非常有限，所以在无线环境下提供q o s 支 持时也要考虑到功率和缓存空间的限制问题。资源调度机制应该尽量减少数据包因为缓冲区的溢出 而造成的丢失；如果某用户处在低电池能量的状态下，调度策略应该在这个功率限制下进行调度， 满足其低功率传送的要求。 综上所述，在无线网络中实现q o s ，除了像有线网络中那样考虑带宽、时延、时延抖动，还必 须要考虑到无线链路的低可靠性、功率和缓存的限制、终端设备的移动性等问题，以求在实现用户 q o s 要求的同时，公平、有效的使用宝贵的无线资源。 1 1 2 2 在w i m a x 系统中实现q o s w i m a x 对q o s 的支持功能包括【5 ，6 】：q o s 服务流和参数的预配置和注册功能；动态建立服务 流和参数的信令功能；运用m a c 层调度机制为上行服务流提供q o s 支持；根据q o s 参数为下行服 务流提供q o s 支持；根据服务流的属性组成有名服务类( n a m e ds e r v i c ec l a s s ) ，支持上层实体和外 部应用通过s e r v i c ec l a s sn a m e 创建业务流。 标准采用点到多点的拓扑结构，由b s 进行统一的资源调度，在下行链路上采用t d m ( t i m e d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ) 的复用方式，在上行链路上采用基于t d m a d a m a ( d e m a n d a s s i g n e d m u l t i p l e 第一章绪论 a c c e s s ) 的多址方式，进行摹f 请求的带宽分配。协议的m a c 口i 靓是基f 连接的，所有的业务，无 论是面向连接的语音业务，还是无连接的数据传输业务，都必须- j 某一个连接相联系。连接为系统 的带宽请求、q o s 支持提供最基本的机制。 标准中定义了服务流( s e r v i c ef l o w ) 的概念，一个服务流u 以用一组q o s 参数( 如时延，时延 抖动，吞吐量等) 来进行描述。在服务流被接纳之后，它就与连接建立一定的映射关系，s s 以连接 为单位请求上行链路带宽( 其实就是以服务流为单位进行带宽请求) ，b s 根据服务流的参数为其分 配带宽，或以问询等方式获取服务流的状态信息，因而服务流是w i m a x 提供q o s 支持的基本单位。 w i m a x 中定义了四种调度服务：主动授权业务( u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e ) 、实时轮循业务 ( r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e ) 、非实时轮循业务( n o n - r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e ) 和尽力而为业务( b e s t e 娲r ts e r v i c e ) ，每种调度服务适用于一定类型的数据业务。 w i m a x 通过汇聚子层( c s ：c o v e r g e n c es u b l a y e r ) 和m a c 层通用于层( m a c c p s ：m a c c o m m o n p a r ts u b l a y e r ) 为业务流提供q o s 支持。首先业务流在汇聚子层被映射到不同的连接，再由m a c 层 通用子层根据连接的类型、q o s 参数等进行带宽的请求和分配，从而为不同q o s 要求的业务流提供 有差别的服务。 1 1 3 正交频分复用技术的特点 o f d m 7 ，8 1 是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也可以被当作是一 种复用技术。它采用多个相互正交的子载波来并行传输数据，其主要优点为： 1 ) 带宽利用率高 在传统的并行传输系统中，整个带宽经过分割后被送到子信道中，各子信道频带之间严格分离， 接收端通过带通滤波器滤除带外的信号来接收每个子信道上的数据，这种方法最大的缺点就是频谱 利用率很低，造成频谱的浪费。所以人们提出了频谱可以重叠的多载波系统。在o f d m 系统中，各 个子信道的载波相互正交，它们的频谱相互重叠，这样不但减小了子载波间的相互干扰，同时又提 高了频谱利用率。可以证明，当子载波个数很大时，系统的频带利用率趋于n y q u i s t 极限。 2 ) 可采用快速离散傅立叶变换技术 在发送端采用了快速傅立叶反变换( i f f t ) ，把频域的调制数据转化为时域的信号发出去。在接 收端，通过快速傅立叶变换( f f t ) 把接收到的时域信号重新转化为频域信号，然后进行判决解调， 恢复频域的调制信息。采用f f t 的技术大大降低了o f d m 的实现复杂性：原先o f d m 的实现需要 多个调制解调器，电路十分复杂；采用f f t 技术，可以快速的实现调制与解调，而且电路也变得十 分简单。近年来，随着数字信号技术的迅速发展，许多d s p 芯片的运算能力越来越快，更进一步地 推动了o f d m 技术的发展。 3 ) 有效地对抗符号间干扰和突发噪声 o f d m 系统采用多个正交的子载波并行传输数据，原先速率很高的数据流经过串并变换后，调 制到各个子载波上并行传输。这样在每一路上的数据速率大大降低了，那么在衰落信道中所受到的 i s i 的干扰就相对小多了。此外，o f d m 采用了添加循环保护前缀的方法，即复制o f d m 符号中最 后面的样点到最前面。这样可以有效的抵抗多径衰落的影响，适用于多径环境和衰落信道中的高速 数据传输。当信道中因为多径传输而出现频率选择性衰落时，只有落在频带凹陷处的子载波以及其 携带的信息受到影响，而其他的子载波未受到损害，因此系统总的误码率性能要好得多。o f d m 技 术抗窄带干扰性很强，因为这些干扰仅仅影响到很小一部分的子信道。 4 ) 具有很强的抗衰落能力 第一章绪论 通过各个子载波的联合编码，具有很强的抗衰落能力。o f d m 技术本身已经利用了信道的频率 分集，如果衰落不是特别严重，就没有必要再加时域均衡器a 通过将各个信道联合编码，可以使系 统性能得到提高。 o f d m 在具有众多优点的同时，由于其存在多个正交的子载波，而且其输出信号是多个子信道 的叠加，因此同单载波系统相比，亦存在如下缺点： 1 ) 易受频率偏差的影响 由于子信道的频谱相互重叠，这就对它们之间的正交性提出了严格要求。但是无线信道中多普 勒频偏的存在，以及发送端与接收端振荡器之间存在的频率偏差，都会使得o f d m 系统子载波间的 正交性遭到破坏，导致子信道间的干扰( i c i ) 。因此，o f d m 系统必须要有精确的同步。 2 ) 存在较高的峰值平均功率比 o f d m 系统的发送端的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致时，所得 到的叠加信号的瞬时功率就会远远高于信号的平均功率，导致较大的峰值平均功率比( p a p r ) 。当 其超出了发送端放大器线性度的允许范围时，就会带来信号畸变。这同样会使得频谱发生变化，导 致各子信道间的正交性遭到破坏，恶化系统性能。 1 1 4 正交频分复用技术在高速数据传输中应用现状与前景 由于o f d m 技术具有以上的众多优点，因此它也广泛地应用于高速数据的传输。目前，o f d m 用于无线局域网( w l a n ) 及个人通信系统( p c s ) 的下行链路调制引起了广泛的研究，同时在宽 带通信中的应用也引起了广泛的兴趣。 无线通信业务的多媒体化是无线通信的发展方向之一，业务的多媒体化要求有高速的数据传输 来支撑，因而宽带的高速数据传输是无线通信必然的发展趋势。由于无线信道固有的特点，实现高 速传输必须克服信道时延扩展的影响。不同应用地形、范围和频段的时延扩展有较大的差别，如室 内环境时延扩展一般在几十纳秒到几百纳秒，而城市蜂窝通信中时延扩展通常在几微秒的量级。另 外，移动透信中移动终端相对基站的运动会带来多普勒频率扩散，由于o f d m 对频率偏移比较敏感， 并且o f d m 解调也要求信道变化缓慢，这是对o f d m 应用的限制。因此，目前o f d m 主要应用于 数字音频、视频广播和高速无线局域网中，如i e e e 8 0 2 1 1 1 6 和h i p e rl a n ，根据使用的调制方式 不同，分别提供几兆到几十兆的数据传输速率。欧洲的a c t s 项目中也使用o f d m 技术，它使用 5 g h z 到6 1 g h z 的4 个频段，分别提供2 0 m b p s 、7 0 m b p s 、3 4 m b p s 和1 5 5 m b p s 的高速数据传输速率。 当前超三代( b e y o n d3 g ) 或四代( 4 g ) 移动通信正处在研究阶段，普遍地认为，o f d m 是其必不可少 的多址接入技术。o f d m 技术要应用到新一代的通信系统中，需要研究新的蜂窝体系结构和新的频 段上信道的新特点，主要是时延扩展和多普勒频散，以合理设计o f d m 系统参数，发挥o f d m 技 术的优点，尽量避免其缺点。同时要研究新兴技术在o f d m 系统中的应用，如发送分集技术、智能 天线技术，这也将成为o f d m 技术研究领域的一个新热点。 1 2 论文的主要工作和结构安排 本论文的研究工作以w i m a x - o f d m 为基础，主要研究了w i m a x o f d m 系统的资源调度算法 和同步算法。本论文的内容安排如下： 第一章主要介绍无线城域网标准、无线网络中实现q o s 的基本问题和本文的主要内容。首先对 无线城域网标准1 e e e8 0 2 1 6 系列协议进行概述；其次介绍q o s 的概念、q o s 的实现机制、在无线 5 - 第一章绪论 环境中实现q o s 存在的主要问题，对i e e e8 0 2 1 6 中采刚的q o s 机制进行概述。最后是本文的主要 贡献和结构安排。 第二章对i e e e8 0 2 】6 杯准的m a c 层技术规范进行分析和研究。首先简要介绍i e e e8 0 2 1 6 协 议的网络拓扑结构和节点模犁，对系统的帧结构和调度服务分类进行总结。然后对i e e e8 0 2 1 6 标准 的信道接入协议、带宽请求分配信令机制进行介绍和分析。 第三章首先考虑了有线网络资源调度算法引入无线网络中应该注意的问题，并给出了无线资源 调度算法的模犁及相关调度算法分析。最后，介绍了文献中提出的四种典型无线资源调度算法，即 最大载千比调度算法、公平吞吐量调度算法、公平时间调度算法和比例公平调度算法，并通过仿真， 分析和比较了它们在w i m a x 系统中的性能。 第四章首先分别给出了保证用户最小预约速率要求和最大时延要求的资源调度算法，并通过仿 真分析了它们在w i m a x o f d m 系统中的性能。其次，对保证用户最小预约速率的资源调度算法给 出了一种改进的算法，改进算法考虑了实际用户最小预约速率的不同，并考虑了不同用户的子信道 质量的差异等因素，较之前的算法在系统容纳的用户数和系统吞吐量等方面有较大的提高。 第五章介绍了o f d m 基本原理、w j m a x - o f d m 的信道模型以及同步误差对o f d m 系统的影 响。其次，论文讨论了o f d m 同步常用的两大类算法，并分别介绍了它们的优缺点。最后，论文给 出了w i m a x o f d m 系统接收机的实现方案。 第六章在前一章接收机设计的基础上，重点研究了w i m a x ，o f d m 同步算法，主要包括：符号 定时估计、小数倍频偏估计和整数倍频偏估计算法。首先论文给出了不同的系统定时估计和频偏估 计算法；其次，给出了固定判决门限和可调判决门限相结合的定时估计算法；最后针对整数倍频偏 估计算法复杂度较高的特点，给出了改进的算法，改进算法在保证频偏估计性能的同时降低了算法 的复杂度，是一种实用的整数倍频偏估计方法。 第七章总结全文的主要工作和一些重要结论，继而指明有待于进一步深入研究的方向。 1 3 参考文献 f 1 1 i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 1 ，“l e e es t a n d a r df o rl e e a la n dm e t r o p o l i t a na t e an e t w o r k s - p a r t1 6 ：a i r i n t e r f a c ef o rf i x e db r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s ss y s t e m s 。”2 0 0 2 f 2 1 i e e ep 8 0 2 1 6 a d 3 - 2 0 0 l ： d r a f ta m e n d m e n tt oi e e es t a n d a r df o rl o c a la n dm e t r o p o l i t a na r e a n e t w o r k s p a r t1 6 ：a i ri n t e r f a c ef o rf i x e dw i r e l e s sa c c e s ss y s t e m - m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1m o d i f i c a t i o n s a n da d d i t i o n a lp h v s i c a ll a y e r ss p e c i f i c a t i o n $ f o r2 1 1 g h 乙”2 0 0 2 3 】 l e e es t d8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 ( r e v i s i o no fi e e es t d8 0 2 1 6 2 0 0 1 ) “i e e es t a n d a r df o rl e e a la n d m e t r o p o l i t a na t e an e t w o r k sp a r t1 6 ：a i ri n t e r f a c ef o rf i x e db r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s ss y s t e m s 。”2 0 0 4 ， p a g e ( s ) ：1 - 8 5 7 f 4 1 i e e e8 0 2 1 6 e ：a i ri n t e r f a c ef o rf i x e da n dm o b i l eb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s ss y s t e m s ，1 e e e ，2 0 0 5 【5 1g u o s o n gc h u ，d e n gw a n g , s h u n l i a n gm e i aq o sa r c h i t e c t u r ef o rt h em a cp r o t o c o lo fi e e e 8 0 2 】6 b w as y s t e m j i e e e2 0 0 2 i n t e m a t i o n m c o n f e r e n c e ，2 0 0 2 ，l ( 2 9 ) ：4 3 5 - 4 3 9 【6 】i e e e8 0 216m e d i u ma c c e s sc o n t r o la n ds e r v i c ep r o v i s i o n i n g j i n t e lt e c h n o l o g yj o u r n a l ，v o l u m e 8 1 s s u e 3 ，2 0 0 4 ，2 1 3 2 2 8 【7 】s b w e i n s t e i na n de e b e r t , d a t at r a n s m i s s i o nb yf 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 u s i n gt h e d i s c r e t e f o u r i e r t r a n s f o r m ，l e e e t r a n s o n c o m m u n i c a t i o n s ，o c t1 9 7 1 ，、，0 1 1 9 ，p p 6 2 8 6 3 4 【8 1l j c i m i n i ，a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o no fad i g i t a lm o b i l ec h a n n e lu s i n go r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g , i e e et r a n so nc o m m u n i c a t i o n s1 9 8 5 ，v 0 1 c o m 一3 3 n o 7 一6 第二章w i m a x 系统m a c 层技术的分析研究 第二章w i m a x 系统m a c 层技术的分析研究 2 1w i m a x 的拓扑结构和节点结构 2 0 0 4 年9 月正式发布的i e e e8 0 2 1 6 d i l l 标准规定了无线城域网的物理层和m a c 层规范，为移 动宽带无线接入协议标准1 e e e8 0 2 1 6 e 【2 】奠定了基础，是i e e e8 0 2 1 6 协议族的核心。 本章将深入分析和研究w i m a x 系统的m a c 层技术规范【3 】。首先简要介绍w i m a x 协议的网 络拓扑结构和节点模型：然后对m a c 层的q o s 机制和信道接入机制进行详细的介绍和深入的分析。 2 1 1w i m a x 的拓扑结构 协议规定w i m a x 系统支持两种形式的拓扑结构：p m p ( 点到多点) 和m e s h ( 格状网) 。在p m p 结构中，下行方向只有b s ( b a s e s t a t i o n ) 发送，上行带宽由多个s s ( s u b s c i r b e r s t a t i o n ) 共享，b s 同时负责上行和下行带宽资源分配，每帧的分配结果体现在下行映射( d l - m a p ) 和上行映射 ( u l - m a p ) 结构中。s s 根据d l - m a p 和u l m a p 的规定接收和发送数据管理信令。m e s h 模式 则允许不同s s 之间不通过b s 直接通信。 2 1 1 1p m p p m p 是一种点到多点的结构，在下行链路上，b s 是唯一的传输者，通常采用广播的形式。在 d l - m a p 没有指定具体接收终端时，s s 接收所有广播的数据包，并且根据数据包头部的连接号判断 接收属于自己的数据包。 在上行链路上，s s 以d a m a 的方式共享上行链路。这种媒体共享方式是基于请求允许的，b s 在其中充当调度者的角色，根据业务连接所属的服务类别，或周期性为其分配传送机会；或周期性 对其进行问询，获取其队列信息；或分配竞争时隙，让连接以竞争的方式传送带宽请求信息。 2 1 1 2m e s h m e s h 是i e e e8 0 2 1 6 d 中新增的一种拓扑结构。它和p m p 的主要区别在于，在p m p 拓扑结构中， 传输只出现在b s 和s s 之间；而在m e s h 拓扑结构中，数据可以直接在s s 之间传输，并且可以通过 多跳的方式传输。 在m e s h 网络中，与外网相连的节点被称为m e s hb s ，其它的节点都被称为m e s hs s ，上行链路 和下行链路的方向分别被定义为流向m e s hb s 和离开m e s hb s 的方向。m e s h 网络中的所有节点都 必须相互协调才能发送信息。运用分布式调度，包括m e s h b s 在内的所有节点都必须向自己的邻居 节点广播其可用资源、请求、允许等信息。若运用集中式调度，m e s hb s 负责搜集所有节点的请求 信息，并且在一定的区域内对资源进行分配。 7 第二章w i m a x 系统m a c 层技术的分伊研究 2 1 2w i m a x 的节点结构 节点是组成f - u l 络的基本元素，其结构町以使用协议分层参考模犁柬描述，对应的是标准o s l ( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 七层参考模型。i e e e8 0 2 1 6 规定，竹由的物理层( p h y ) 和数据链 路层的介质访问控制( m a c )