（通信与信息系统专业论文）wimax系统仿真平台设计及切换算法研究.pdf

wim a x 系统仿真平台设计及切换算法研究 摘要 基于i e e e 8 0 2 1 6 系列协议的w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p r a b i l i y o fm i c r o w a v ea c c e s s ) 是一种新兴的宽带无线接入系统。w i m a x 采 用了正交频分复用( o f d m ) 、自适应调制与编码( a m c ) 、混合自动重 传请求( h a r q ) 等下一代移动通信系统的关键技术，并能提供服务质 量( q o s ) 的保证。w i m a x 技术提供了包括调度、接入控制、切换等 无线资源管理的机制，但没有指定具体的算法，而交给设备制造商自 行设计。目的是借此拉开不同产品的性能。本论文研究了w i m a x 中服 务质量的保障机制和切换的机制，在此基础上分别在m a t l a b 平台和 n s 2 平台上实现了w i m a x 的仿真模块。对两种仿真模型分别基于时间 驱动和事件驱动的机制进行比较后，借助事件驱动的思想，设计了一 种基于服务质量的切换算法。此算法综合考虑了物理层的信道信息和 m a c 层的时隙资源以及w i m a x 系统中的业务流机制，结合当前基站和 目标基站的负载状况，在此基础上进行切换的判决和选择切换的目标 基站，主要目的是通过提高切换过程的一次成功率，以减少切换过程 在小区重选上耗费的时间，进而减少整个切换过程所需要的时延。同 时借助切换实现基站间的负载平衡。算法通过仿真与传统的基于接收 信号质量的切换算法进行了比较。得出的结果表明，设计的算法不仅 能够在切换前后保证用户的服务质量，而且还能实现不同基站间的负 载平衡，有效解决了传统算法所存在的问题。 关键词w i m a x 切换事件驱动服务质量 t h e d e s i g no f s i m u l a i o np l a t f o r m o fw i m a xs y s t e ma n ds t u d yo f h a n d o v e ra l g o r i t h m s w i m a xt e c h n o l o g yw h i c hi sb a s e do nt h ei e e e 8 0 2 1 6p r o t o c o l f a m i l i yi sap r o m i s i n gb 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 t h e k e yt e c h n i q u e o fn e x tg e n e r a t i o nm o b il es y s t e mh a sb e e n u t i l i z e di n w i m a x ， 1 i k eo r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，a d a p t i v e m o d u l a t i o na n dc o d i n ga n dh y b r i d a u t o m a i t ct r a n s m i s s i o nr e q u e s t q o sg u a r a n t e ei sa l s oi n c l u d e d w i m a xp r o v i d e st h em e c h a n i s mo fr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n ts u c h a ss c h e d u li n g ，a c c e s sc o n t r o la n dh a n d o v e r ，b u td o e sn o t s p e c i f yc o n c r e t ea l g o r i t h m s t h i sj o bh a sb e e nl e f tt o t h e v e n d o r sf o rt h es a k eo fs e g m e n to ft h em a r k e t t h isd is s e r t a ti o n s t u d ie dt h em e c h e a n is mo fq o sa n dh a n d o v e ri nw i m a x ，a n df u r t h e r i m p l e m e n t e ds i m u l a t i o nm o d u l eo nb o t hm a t l a ba n dn s 2p l a t f o r m a f t e rc o m p a r i n gt h ed if f e r e n tw a yo fe v e n t d r i v e na n d t i m e - d r i v e n ，aq o sb a s e dh a n d o v e ra l g o r i t h mi sd e s i g n e d t h i s a l g o r i t h mc o n s i d e rt h ec h a n n e ls t a t u so fp h y s i c a ll a y e ra n dt h e s l o tu s a g eo fm a cl a y e r ，a sw e l la st h es e r v i e c ef l o wc o m b i n e d w i t ht h el o a do fc u r r e n tb a s es t a tio na n dt a r g e tb a s e n s t a t i o n t h eh a n d o v e rd e c i s i o ni sm a d ea n d t h et a r g e tb a s e s t a tio nisc h o s e nb a s e do nt h e s ef a c t o r s t h eg o a list oi m p r o v e t h er a t i oo fs u c c e s s f u lh a n d o v e ra n dt h u sr e d u c et h et i m ew a s t e d o nc e l1r e s e le c ti o na n df u r t h e rd e c r e a s et h eo v e r a l1d e l a yo f h a n d o v e r m e a n w h i l et h ei n t e r - b sl o a db a l a n c ei sa l s o a c h i e v e d s i m u l a t i o n c o m p a r e d w i t ht r a d i t i o n a lr s s i b a s e d a l g o r i t h mi s c o n d u c t e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h ep r o p o s e d a l g o r i t h mc a nn o to n l yg u a r a n t e et h eq o sa f t e rt h eh a n d o v e rb u t a l s ob a l a n c e dt h el o a do fd i f f e r e n tb a s es t a t i o n s k e yw o r d s w i m a xh a n d o v e re v e n t 。d riv e nq o s i i i 独刨性( 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： 霆焦竺1 日期： 涩! z 星。主。坦 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。 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 缝焦竺1 日期：塑呈! 至! ! 里 导师签名：垒盈缢一日期： 第一章绪论 1 1 课题来源、研究背景和意义 1 1 1 课题来源 本课题源自北京邮电大学宽带通信网络实验室( b c n l ) m m a x 研究课题。 1 1 2 研究背景 进入2 l 世纪以来，全球互联网飞速发展。2 0 0 7 年全球互联网用户预计将达到 1 3 5 亿。基于互联网的各种新业务也如雨后春笋般不断涌现。由此带来的对网速 的要求极大地促进了宽带接入技术的发展。 目前主流的宽带接入技术包括各种数字用户环路技术x d s l ，光纤和有线电 缆等。这些技术的优点是非常成熟，可以直接利用已有的电话网和有线电视网 接入而节省成本。缺点是需要大量的基础设施，在偏远地区或地形复杂地区的接 入成本较高，且一旦终端架设好后无法移动。随着网络越来越深入人们的生活， 移动办公等需要随时随地接入网络的需求也越来越大。宽带无线网络接入技术也 呼之欲出。 1 9 9 9 年，i e e e 成立了8 0 2 1 6 工作组来专门研究宽带无线接入技术规范，目 标是要建立一个全球统一的宽带无线接入标准脚。i e e e 8 0 2 1 6 d 标准姆1 于2 0 0 4 年 1 0 月1 日发布，它规定了固定接入用户终端l 一基站系统之间的空中接口，主要 定义空中接口的物理层和媒体接入控制层。随后发布的i e e e 8 0 2 1 6 e 标准1 的最大 特点在于对移动性的支持。该标准规定了可同时支持固定和移动宽带无线接入系 统，工作在小于6 g h z ，适宜于移动性的许可频段，可支持用户终端以车辆速度 运动，同时8 0 2 1 6 d 规定的固定无线接入用户能力并不因此受到影响。为了形成 一个可运营的网络，i e e e 8 0 2 1 6 技术必然需要其他部分的支撑，所以w i m a x 论 坛应运而生。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 ) 全称为全球 微波接入互操作性，w i m a x 论坛成立于2 0 0 1 年4 月，最初该组织旨在对基于 i e e e 8 0 2 1 6 标准和欧洲电信标准研究院( e t s i ) 的h i p e r m a n 标准的宽带无线 接入产品进行一致性和互操作性认证，通过w i m a x 认证的产品会拥有“w i m a x ( r ) c e r t i f i e d ”标识。随着8 0 2 1 6 e 技术和规范的进展，该组织的目标也逐渐 扩展，不仅要建立一整套基于i e e e s 0 2 1 6 标准和e t s ih i p e r m a n 标准的认证体 系，同时还致力于可运营的宽带无线接入系统的研究，需求的分析，应用模式的 探索，市场的拓展等一系列大力促进宽带无线接入市场发展的工作。通常认为， i e e e 8 0 2 1 6 工作组是i e e e 8 0 2 1 6 w i m a x 空中接口规范的制造者，而w i m a x 论 坛是技术和产业链的推动着。目前w i m a x 几乎成了i e e e 8 0 2 1 6 w i m a x 技术的 代名词，其空中接口规范涵盖了i e e e 8 0 2 1 6 d e 标准。 w i m a x 无疑是现在最新的无线技术，其最大传输速度7 5 m b i t 秒、最大传 输距离可达5 0 k m ，可高速实现远距离传输。w i m a x 技术的突出特点是比w i f i 具有更远的覆盖半径。w i f i 主要是解决1 0 0 米内的无线接入问题，是属于无线 局域网( w l a n ) 的范畴。w i f i 在开阔地带最远可以达到3 0 0 米，在室内一般 有效覆盖范围在1 0 0 米以内。而w i m a x 最远可以达到5 0 公里的覆盖范围，属 于无线城域网( w m a n ) 的范畴，其典型应用的覆盖范围是6 1 0 公里。相比 3 g 提供小于2 m b i t s 的带宽，w i m a x 每个基站最多可以划分成6 个扇区，每个 扇区可以提供7 0 m b i t s 独立带宽，并且基站的覆盖范围是3 g 基站的1 0 倍。因 此有人认为w i m a x 将取代3 g ，成为下一代通讯的主流技术。 曾经制约w i m a x 商用的最大瓶颈一频谱分配问题也在美国政府的大力支持 下得到解决。2 0 0 7 年l o 月2 1 日，w i m a x 被国际电信联盟( i t u ) 正式批准为 i t u 移动无线标准，成为与w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 以及我国的t d s c d m a 并列 的第驰q 种3 g 标准。w i m a x 将与t d - s c d m a 共同占有t d d 频段。w i m a x 成 为3 g 标准家族的一员之后，w i m a x 标准为全球统一频谱扫清障碍。运营商部 署网络将更加方便。近几个月来，多个运营商都表现出对w i m a x 技术的青睐， 这让w i m a x 在更大范围内的应用渐露曙光。目前w i m a x 论坛成员己达4 7 0 个。在中国厂商方面，华为公司在w i m a x 有持续投入。华为w i m a x 在中国、 美国、瑞典和印度设有研究机构，整个研发人员队伍在2 0 0 6 年就已经超过6 0 0 名，w i m a x 领域已获得了超过6 0 项专利。中国产业链相关其他厂商也已对 w i m a x 有所准备。目前中兴、华为、上海贝尔阿尔卡特、中国电信、中国网通、 信产部电信研究院等机构已是w i m a x 伞球论坛成员，中兴通讯还是最高会员级 别的j 商之一。 1 1 3 课题意义 传统的无线资源管理( r r m ，r a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ) 篚j 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障，其基本出发点是在网络 业务量分布不均匀、信道特性因信道衰弱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，最火程度地提高无线频谱利用率， 防止网络拥塞和保持尽可能小的信令负荷。无线资源管理的研究内容丰要包括以 下几个部分：功率控制、信道分配、调度技术、切换技术、呼叫准入控制、端到 端的服务质量、无线资源预留和自适应编码调制等。 w i m a x 是基于i e e e 8 0 2 1 6 系列规范的技术。i e e e 8 0 2 1 6 定义了空中接口 规范的物理层和m a c 层，而将无线资源管理的协议如子载波分配，动态带宽自 适应，功率控制，连接允许控制等的算法留给了各个设备制造商定义。此举的目 的是为了鼓励设备制造商进行技术创新从而实现产品细分市场。 因而，通过w i m a x 系统无线资源管理算法的研究，找到适合w i m a x 产品定 位的最优算法，可以提高w i m a x 产品的性能，从而也提高了其市场竞争力。 1 2 本文的主要贡献和结构安排 本论文主要做了以下工作： 分别在m a t l a b 平台和n s 2 平台上实现了w i m a x 的仿真平台，对两种仿真 平台的机制进行了分析和对比；设计了一种基于服务质量的切换算法，与传统算 法相比，可以保证切换前后用户的服务质量，同时还能够实现基站系统的负载平 衡。还将算法与传统算法进行了仿真比较，得出的结果证明设计的算法能够达到 预期的效果。 本文的结构安排如下： 第二章介绍了w i m a x 系统的一些关键技术，包括j 下交频分复用( o f d m ) 、 自适应调制和编码( a m c ) 、混合自动重传请求( 混合自动重传请求) 和服务质 量( q o s ) ；第三章分析了w i m a x 系统中服务质量保障的实现机制；第四章研 究了w i m a x 系统巾的移动性管理，包括系统支持的三种切换方式；第五章介绍 m a t l a b 平台和n s 2 平台仿真模型的设计实现，并对两种仿真平台进行分析对比； 第入章详细阐述基于服务质量的切换算法的设计，并在仿真平台上进行验证，得 到的结果符合预期。 第二章w i m a x 中的关键技术 2 1 正交频分多址( o f d m a ) 物理层 2 1 1 正交频分复用( o f d m ) 概述 1 9 6 6 年，c h a n g 针对分散性的衰落信道最早提出了正交频分复用( o f d m ) 模式。1 9 7 1 年，w e i n s t e i n 和e b e r t 提出使用离散傅立叶变换来取代正弦曲线发 生器和解调器。这样可以很明显地减少正交频分复用调制解调器的复杂性。1 9 8 0 年，h i r o s a k i 提出一种均衡算法，用来抑制由于信道的脉冲响应或时间和频率上 的一些错误而产生的信号串扰和子载波的相互干扰。1 9 8 0 年，p e l e d 提出了简化 了的正交频分复用调制工具，与此同时，h i r o s a k i 提出了基于离散傅立叶变换设 备的s a l t z b e r go - q a m 正交频分复用系统，后来k a l e t 出版了关于在无线通信信 道中应用正交频分复用性能的分析和探索性的实验结果。从此以后，正交频分复 用在移动通信中的应用才如火如荼地开展起来。由于技术的成熟性已经无可置 疑，近年来正交频分复用成为欧洲数字音频广播( d a b ) 和数字视频广播( d v b ) 系统的标准。它也在欧洲的第三代移动通信标准竞争中提出了一些令人信服的提 议，所以正交频分复用最近被选为高性能局域网( h i p e r l a n ) 和高性能城域网 ( h i p e r m a n ) 的传输技术，并成为i e e e 8 0 2 1 l 无线局域网( w l a n ) 和 i e e e 8 0 2 1 6 无线城域网标准的基础。 图2 1 为正交频分复用系统收发端的典型框图，发送端将被传输的数字信号 转换成子载波幅度和相位的映射，并进行反离散傅立叶变换( i d f t ) 将数据的 频域表达式变到时间域上。反快速傅立叶变换( i f f t ) 与反离散傅立叶变换 ( 1 d f t ) 的作用相同，只是有更高的计算效率，所以适用于所有的应用系统。 其中，上半部分对应于发射机链路，下半部分对应于接收机链路。由于快速傅立 叶变换( f f t ) 操作类似于反快速傅立叶变换( i f f t ) ，因此发射机和接收机可 以使用同一硬件设备。当然，这种复杂性的节约则意味着该收发机不能同时进行 发送和接收操作。 接收端进行发送端相反的操作，将射频信号与基带信号进行混频处理，并用 快速傅立叶变换分解频域信号，子载波的幅度和相位被采集出来并转换回数字信 号。反快速傅立叶变换和快速傅立叶变换互为反变换，选择适当的变换将信号接 收或发送。当信号独立于系统时，快速傅立叶变换和反快速傅立叶交换可以被交 替使用。 互吲蓍盖h 誓会h 萎萋 匝恻薹翥h 篡茎h - ) t - * ： 垦型 而磊 插入 环前! 和加窗 图2 - 1 正交频分复用系统收发端的典型框图 2 1 2 正交频分复用技术的主要特征 正交频分复用技术有以下优点： 1 ) 把高速率数据流通过串并转换，使得每个子载波上的数据符号持续长度相对 增加，从而有效地减少无线信道的时问弥散所带来的符号问干扰，这样就减小了 接收机内均衡的复杂度，有时甚至可以不采用均衡器，而仅仅通过采用插入循环 前缀的方法消除符号阿干扰的不利影响。 2 ) 传统的频分多路传输方法，将频带分为若干个不相交的- 了频带来传输并行数 据流，子信道之间要保留足够的保护频带。而正交频分复用系统由于各个子载波 之间存在正交性，允许子信道的频谱相互重叠，因此与常规的频分复用系统相比， 正交频分复用系统可以最大限度地利用频谱资源。如图2 2 所示，当子载波的个 数很大时，系统的频谱利用率趋于2 波特赫兹 3 1 各个子信道中的正交调制和解调可以通过采用反离散傅立叶变换和离散傅立 叶变换的方法来实现。对于n 很大的系统，才宜采用快速傅立叶变换来实现。 而随着大规模集成电路技术与数字信号处理( d s p ) 技术的发展，反快速傅立叶 变换与快速傅立叶变换都是非常容易实现的。 鬟 4 ) 无线数据业务一般存在非对称性，即下行链路中传输的数据量要大于上行链 路中的数据量，这就要求物理层支持非对称高速率数据传输，正交频分复用系统 可以通过使用不同数量的子信道来实现上行和下行链路中不同的传输速率。 i - r e q u e n c y t r a d i t i 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 图2 - 2 正交频分复用与传统频分复用的比较 5 ) 正交频分复用可以容易地与其他多种接入方法结合使用，构成正交频分复用 系统。其中包括多载波码分多址( m c - c d m a ) 、跳频正交频分复用以及正交频 分复用时分多址等，使得多个用户可以同时利用正交频分复用技术进行信息的 传输。但是正交频分复用系统内由于存在有多个正交的子载波，而且其输出信号 是多个- 了信道的叠加，因此与单载波系统相比，存在如下缺点： i ) 易受频率偏差的影响。由于子信道的频谱相互覆盖，这就对它们之问的止交 性提出了严格的要求。由于无线信道的时变性，在传输过程中出现无线信号的频 谱偏移，或发射机与接收机本地振荡器之间存存的频率偏差，都会使正交频分复 用系统子载波之间的正交性遭到破坏，导致子信道的信号相互干扰，这种对频率 偏差的敏感是正交频分复用系统的主要缺点之一。 i i ) 存在较高的峰值平均功率比。多载波系统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，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，导致出现较大的峰值平均功率比( p e a k t o a v r a g ep o w e rr a t i o ， p a p r ) 。这就对发射机内放大器的线性提出了很高的要求，可能会带来信号畸变， 使信号的频谱发生变化，从而导致各个子信道的正交性遭到破坏，产生干扰，使 系统的性能恶化。 总之，正交频分复用技术的主要特征可概括为：频分复用：子载波相互 正交；抗多径时延特性使得更适用于移动无线环境；高频谱有效性：基于 快速傅立叶变换的低成本接收机：多入多出( m i m o ) 技术易于使用。 2 1 3 正交频分多址( o f d m a ) 物理层 正交频分多址( o f d m a ) 是利用将正交频分复用的子载波分配给不同用户 来实现多址方式的技术。正交频分多址物理层支持子信道化，w i m a x 规定了两 种基本的子载波分配方式：相邻子载波分配方式和分布式子载波分配方式。相邻 子载波分配方式由于子载波是连续的，有可能在个别子信道取得高信噪比，适用 于固定或游牧用户；分布式子载波的分配方式由于子载波分散在整个频带，不可 能出现非常好或非常差的信道环境，适用于低移动性用户。正交频分多址物理层 定义了几种不同的子载波分配模式，比较常用的有子信道全部使用( f u s c ) 、子 信道部分使用( p u s c ) 和自适应调制与编码子信道( a m c ) 。正交频分多址物 理层上、下行均支持子信道化。特别是下行也支持子信道，这也是正交频分多址 和正交频分复用的主要区别。正交频分多址根据子信道的情况，对于不同的子载 波采用不同的调制编码方式，从而提高信道利用率。 1 1 正交频分多址时隙定义 正交频分多址物理层的一个时隙是时域和频域的二维分布，是最小的数据分 配单元。一个正交频分多址时隙的定义取决于正交频分多址符号的结构，对上行 还是下行、对子信道全部使用还是子信道部分使用、以及是分布子载波分配方式 还是相邻子载波分配方式，正交频分多址的时隙是不同的。对下行子信道伞部使 用且用分布式子载波分配方式，一个时隙是包含一个正交频分多址符号的一个子 信道：对下行子信道部分使用且用分布式子载波分配方式( 子信道部分使用和可 选的子信道部分使用) ，一个时隙是包含3 个正交频分多址符号的一个子信道； 对用相邻子载波分配方式的上、下行链路，一个时隙是包含一个正交频分多址符 号的一个子信道。 2 ) 帧结构 一个正交频分多址帧如图2 3 所示，是一个二维结构，纵轴单位为子信道， 横轴单位为正交频分多址符号。每帧从时域上被分为上行和下行两部分。上行和 下行的分界是发送接收变换间隔( t t g ) 和接收发送变换间隔( r t g ) 。每下行 帧开始为前同步信号，紧随其后的是帧控制头部( f c h ) 、d l - m a p 和u l - m a p 。 在下行和上行子帧的末尾都必须分别插入t r g 和r t g 时隙，使得基站有时间在 上、下行间进行切换。 3 隧 冒 至 j = 苣= l j r 辅自鞲赫嘲赫汹 田2 - 3 正交簧分罗址愧蛄构 在时分取工和半频分双工( h - f d d ) 系统中，必须由发送接收转换间隔( s s t r g ) 和接收发送转变间隔( s s r t g ) 来保证上下行切换完成。基站不能在其上行时 隙前的( s s r t g + r t d ) 时间内给终端发送下行信息；也不能在其上行时隙后的 ( s s y i g r t d ) 时间内给终端发送下行信息。其中，r t d 是指往返时延 ( r o u n d - t r i pd e l a y ) 。发送一接收转换间隔和接收一发送转变间隔参数是由终端在 网络接入期问根据要求给基站提供的。 2 2 自适应调制和编码方式( a m c ) 无线信道的一个很重要的特点就是具有很强的时变性，短时间瑞利衰落刈以 达到十几个甚至几十个分贝。对这种时变性进行自适应跟踪会给系统性能的改善 带来很大的好处。自适应调制和编码( a m c ) 就是根据链路信道质量。灵活地 调整数据传输速率的一种自适应技术。在保证信号质量的同时，尽可能有效地利 用带宽，提高频谱效率。当用户处于有利的通信地点( 如靠近基站或存在视距链 路时) ，用户数据发送可以采用高阶调制和高速率的信道编码方式，如1 6 q a m 和3 4 编码速率，从而得到高的峰值传输速率：而当用户处于不利的通信地点( 如 位于小区边缘或者信道深衰落) 时，选择低阶调制方式和低速率的信道编码方案 如q p s k 和1 ，4 缠码速率，来保证通信质量。 皇e；i罾一葺i目-莒 信道的载波干扰噪声比( c i n r ) 决定了当时能支持的最高等级的调制编码 方式相邻等级的调制编码方式转换之间存在交叠的区域，如图2 - 5 所示。当载 波干扰噪声比大于进入阐值时，才能采用高一级的调制编码方式，当载波干扰噪 声比小于离开阈值时，才能推出当前支持的调制编码方式，采用低一级的调制编 码方式。 转换到更健壮的调制编码方式的过程和转换到速率更高的调制编码方式的 过程是不同的。当要转换到低阶的调制编码方式时，移动台发送请求消息后，一 段时间内对下行数据仍然要按转换前的突发属性检测数据，直到收到基站的响应 消息才真正转换；而当要转换到高阶的突发属性时，发出请求消息后，移动台马 上就按高阶的调制编码方式来检测下行数据。 图2 4 自适应嫡码与调制 o v e r l a p p r o f i l e # z m i n i m u me n t w t h r e s h o l d p r o f i l e # z m 卸d a e x i t t h r e s h o l d p r o f i l e # y m i n i m u me n t r 5 t h r e 曲o l d p r o f i e # y m a n d a t o r ye x i t t t 啪s h o l d p r o f i l e # x m a n d a l o r y e x i t t h r e s h o l d p r o f i l e # x m a n d a l o w e x i t t h r e s h o l d 囤2 5自适应调制与鳊码的调制阙值 it_lt_1_ 号一g苫u 2 3 多入多出( m i m o ) m i m 0 ( m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t , 多入多出) 技术，最早由m a r e o n i 于 1 9 0 8 年提出来，它利用多天线来抑制信道衰落。根据收发端天线的数量，多入 多出还可以包括s i m o ( s i n g l e i n p u tm u l t i p l e o u t p u t , 单入多出) 和m i s o ( m u l t i p l e i n p u ts i n g l e o u t p u t ，多入单出) 。多入多出技术研究的动力来源于贝尔 实验室的研究人员e t e l a t a 和j f o s h n i n i 独立得到的无线多入多出系统的s h a n n o n 容量。它突破了传统的单天线发送和单天线接收的仙农( s h a n n o n ) 信道容量的 界限。而后，贝尔实验室提出了采用多入多出技术的分层空时结构，从理论研究 上升到了实际应用。 多入多出利用空间增加的传输信道，在发送端和接收端采用多天线( 或天线 阵列) 同时发送信号。由于各发送天线同时发送的信号占用同一个频带，所以在 未增加带宽的情况下，成倍地提高了系统的容量和频谱利用率。 多入多出的应用方案一般分为两类，第一类是分集最大化方案，即空时编码 ( s t c ) 方案。分集技术，指的是在不同的天线上发射包含同样信息的信号( 信 号可能并不相同) ，从而达到空间分集的效果。天线分集可以对抗信道衰落，提 高无线链路的可靠性，降低误码率，并且联合应用多维天线分集与时问分集，可 以获得更好的分集效果，即通过空时编码而增加传输的空时冗余信息，从而提高 无线传输的可靠性。在延时发射分集的基础上，t a r o k h 等提出了空时格码 ( s t t c ) ，它具有卷积码的特征，并将格形编码、调制与发射分集结合在一起， 在不增加带宽的情况下，可以同时获得分集与高编码增益。它利用某种格形图， 将同一信息从多幅天线发射出去，在接收端采片j 基于欧式距离的v i t e r b i 译码， 其复杂度很高，且随传输速率呈指数增加。但其性能较好，抗衰落能力强。随后， 各种空时编码得到快速发展，如t u r b o 空时格码与级联空时码等。然而，空时编 码的盛行实际是从空时分组码( s t b c ) 的发现开始的，因为s t b c 的构造比较 容易。由于发射信号两两止交，接收端可采用线性最大似然检测，其译码简单。 s t b c 的性能只有分集增益，它可以获得满分集增益，但是没有编码增益，其抗 衰落性能较差，尤其是抗快衰落性能很差，因此，更适于微小区或微微小区环境。 第二类为数据率最大化方案，即复用方案，因为多入多出系统的多天线也可 实现空间复用。空间复用技术与发射分集不同，它在不同的天线上发送的是不同 的信息。空间复用技术是利用多入多出信道提供的空间复用增益，真正地体现出 了多入多出系统容量提高的本质。无线信道的多径传播增加了多入多出系统可用 的自由度，若各对收发天线路径的衰落独立，则空间矩阵信道创建了多个并行的 空间传输通道，利用并行通道传输独立的信息流，从而提高系统的数据传输速率。 著名的b l a s t 结构，就是将待发射的信息流分解为多路并行子流，对各路独立 地进行编码、调制与映射到其对应的发射天线上，在接收端采用迫零结合干扰消 除等技术将多路子数据流分离。其实质是将单路高信噪比信道分解为多路相互重 叠的低信噪比信道并行传输，以达到空间复用的目的，从而提高频谱利用率。复 用方案也可归结为分层空时编码结构( l s t ) ，包括v - b l a s t 、d b l a s t 及 t - b l a s t 等。w i m a x 协议采取了第一类方案。 2 4 混合自动重传请求( h a r q ) 为了提高系统的可靠性，w i m a x 正交频分多址物理层在支持传统a r q 的 基础上，还加入了对混合自动重传请求的支持。混合自动重传请求是将前向纠错 编码( f e c ) 和自动重传请求结合起来的一种差错控制方案。 混合自动重传请求技术包括三种递增冗余的类型：t y p e i 混合自动重传请求， t y p e i i 混合自动重传请求和t y p e i i i 混合自动重传请求。 t y p e 1 混合自动重传请求又叫传统自动重传请求，是最基本的功能。一旦发现 数据包在接收时不能正确解码，即行丢弃，并在上行通道中要求重传。发送端收 到重传请求后，重新发送数据包。 t y p ei i 混合自动重传请求是增加冗余的自动重传请求机制，接收错误的数据包 不会被丢弃，而重传数据通常与第一次传输的不一样，前后两种数据包会进行合 并，形成纠错能力更强的前向纠错码。 t y p e 混合自动重传请求又叫部分冗余混合自动重传请求，结合了t y p e - i 和 t y p e 的优点，同t y p e i i 接收错误的数据包不会被丢弃。 混合自动重传请求的应用受限于发送端和接收端对数据包的缓冲能力，因此 选择合适的混合自动重传请求协议很重要。i 种标准的混合自动蓐传请求协议为 停等协议( s t o p 锄d w a i t ，s a w ) 、同退n 步协议( g o b a c k - n ，g b n ) 和选择 性重传协议( s e l e c t i v e r e p e a t ，s r ) 。 ( 1 ) 停等协议 发送端每发送一个数据包就暂时停下来，等待接收端的确认包。当数据包到 达接收端时，对其进行检错，若接收正确，返回确认( a c k ) 包，错误则返回不确 认( n a c k ) 包。当发端收到确认包，就发送新的数据包，否则重新发送上次传输 的数据包。而在等待确认包期间，信道是空闲的，不发送任何数据。这种方法由 于收发双方在同一时间内仅对同一个数据包进行操作，因此实现起来比较简单， 相应的信令开销小，收端的缓存容量要求低。但是由于在等待确认包的过程中不 发送数据，导致信道资源被浪费，尤其是当信道传输时延很大时。因此，停等协 议造成通信信道的利用率不高，系统的吞吐量较低。 ( 2 ) 后退n 步协议 在采用后退n 步混合自动重传请求协议的传输系统中，发送端发送完一个 数据包后，并不停下来等待确认信息，而是连续发送若干个数据包信息。接收端 将每个数据包相应的确认或不确认信息反馈回发送端，同时发送回的还有数据 包号。当接收到一个不确认信号时，发送端就重新发送包括错误数据的n 个数 据包。接收端只需按序接收数据包，在接收到错误数据包后即使又接收到正确的 数据包后还是必须将正确的数据包丢弃，并重新发送确认信息。 ( 3 ) 选择重发协议 基于窗口的选择性重传协议是一种被许多系统采用的混合自动重传请求协 议。为了进一步提高信道的利用率，选择重发协议只重传出现差错的数据包， 但是此时收端不再按序接收数据包信息，那么在收端则需要相当容量的缓存空间 来存储已经成功解碣但还没能按序输出的数据包。同时收端在组合数据包前必须 知道序列号，因此，序列号要和数据分别编码，而且序列号需要更可靠的编码以 克服任何时候出现在数据里的错误，这样就增加了对信令的要求。 w i m a x 系统中的混合自动重传请求是基于连接的，即不同连接可以自由选 择是否使用混合自动重传请求。但是对于同一个连接，不能同时采用混合自动重 传请求和普通自动重传请求。 2 5 服务质量( q o s ) 在w i m a x 中提供服务质量保障的核心机制是将通过m a c 接口的数据包与 一个由连接标识符( c i d ) 标识的业务流( s e r v i c ef l o w ) 关联起来，从而使得该 数据包获得该服务流的服务质量支持。业务的服务质量要求包含在与连接相关的 业务流参数中。这样，每个数据包都将获得相应的服务质量保证。下一章将详细 描述w i m a x 中的服务质量保障机制。 第三章w i m a x 中的服务质量机制 3 1 动态服务流管理 w i m a x 定义了一套服务质量保障机制，以保证业务的服务质量晡1 ，服务质 量的要求包括： 1 ) 用于预配置基于移动台的服务质量业务流及业务参数的配置和登记功能； 2 ) 动态建立具有服务质量的服务流和业务参数的信令功能； 3 ) 在上行业务流使用m a c 调度和服务质量业务参数； 4 ) 在下行业务流使用服务质量业务参数； 5 ) 将业务流属性归类到业务类当中，这样高层实体和外部应用( 包括移动台和 基站端的) 能够在全局范围内协调地请求有特定服务质量参数的业务流。 提供服务质量的核心机制是将通过m a c 接口的数据包由c i d 标识，与业务流 1 关联起来。一个业务流是一个提供特定服务质量的单向数据包流。移动台和基 站依据为该业务流定义好的服务质量参数提供服务质量。在这里定义服务质量特 性的主要目的是定义数据在空中接口的传输顺序和调度。这些特性常常需要与空 中接口之外的机制联系起来工作，以提供端到端服务质量或者管理移动台的行 为。在w i m a x 的服务质量机制中，业务流及其动态管理是核心问题。 3 1 1 业务流 业务流是一个提供上行或下行的单向数据包传递的m a c 传输业务。一个业 务流由一组服务质晕参数描述，如时延、时延抖动和吞吐量保证等。为了实现移 动台及基站之间操作的标准化，这些属性包括了移动台如何请求上行带宽的细节 以及基站上行调度器相应的具体行为。 ( 1 ) 业务流属性 业务流由以下属性部分的描述： 1 ) 业务流标识号s f i d ：每条存在的业务流都有一个s f i d 。s f i d 是基站和移动 台之间业务流的主要标识。一个业务流至少有一个s f i d 和它的方向。 2 ) 连接标识号c i d 传输连接c i d ，只存在于接纳或激活的业务流。s f i d 和传 输c i d 是一一对应关系，一个s f i d 不能对应多个c i d ，一个c i d 也不能对应多 个s f i d 。 3 ) 预备服务质量参数集( p r o v i s i o n e dq o sp a r a m s e t ) ：通过协议以外的方法定 义的一组服务质量参数，例如网络管理系统 4 ) 许可服务质量参数集( a d m i t t e dq o sp a r a m s e t ) ：定义一组基站( 也可能是 移动台) 应预留资源的参数。最重要的预留资源是带宽，但还有其他的一些存储 空间或者时间资源需要用于激活这个流。 5 ) 激活服务质量参数集( a c t i v eq o sp a r a m s e t ) ：定义一组实际提供给业务流的 业务服务质量参数。只有激活的业务流可以传输数据包。 6 ) 鉴权模块：基站中的一个逻辑功能，用于接收或拒绝改变与一个业务流相关 联的服务质量参数及分类器。它相当于定义了一个封装( e n v e l o p e ) ，限定了许 可服务质量参数集和激活服务质量参数集的可能值。 3 种服务质量参数集的关系如图3 1 和图3 2 所示。预备服务质量参数集是许可 服务质量参数集的子集，许可服务质量参数集是鉴权的封装的子集。在动态鉴权 模型，这个封装是由鉴权模块( 由a u t h o r i z e dq o sp a r a m s e t 标识) 决定的。在预 备鉴权模型中，这个封装是由预备服务质量参数集决定的。 预备的服务质量参数集( s f i d ) 允许的服务质量参数集 ( s f i d & c i d ) 图3 - 1预备鉴权模式服务质量参数集关系 3 1 2 业务流对象模型 业务流是m a c 层的核心概念，它由一个3 2 位的s f i d 唯一标识，可能是上 行或下行方向上的。接纳或激活业务流( 3 2 位的s f i d ) 和传输连接( 1 6 位的 c i d ) 之间是一一映射的关系。一个业务流可能与0 州个协议数据单元( p d u ) 关联，但是一个协议数据单元只能与一个业务流关联。 输出的数据被汇聚子层处理后交给m a c 层的业务接入点( s a p ) 。传递给m a c 业务接入点的信息包含连接标识号c i d ，该c i d 标识传输信息所使用的传输连 图3 - 2 动态鉴权模式q o s 参数集关系 接。该连接的业务流被映射至由c i d 标识的m a c 传输连接。该过程的操作对象 模型如图3 3 所示。 一个包通过一定的分配规则映射到一个传输连接。分配规则与零个或一个负 载包头压缩( p a y l o a dh e a d e rs u p p r e s s i o n ) 规则有关。当创建一个负载包头压缩 规则时，相关的分类规则索引号可作为参考。一条负载包头压缩规则只与一条业 务流相关联。与同一条业务流关联的负载包头压缩规则由它们的负载包头压缩索 引唯一标识。通过分类规则，一个