（应用数学专业论文）基于ieee80216e仿真平台的设计及调度算法分析.pdf

基于ie e e8 0 2 16 e 仿真平台的设计及调度算法分析 摘要 i e e e8 0 2 1 6 e 是i e e e8 0 2 工作组在i e e e8 0 2 1 6 d 的基础上提出来 的协议标准，是i 髓e8 0 2 1 6 d 的增补方案，它在2 6 g h z 的特许频段 内支持低速的移动终端，提供了一种既能提供高速数据业务又使用户 具有移动性的宽带无线接入解决方案。该标准定义了无线宽带城域网 m a c 层和物理层技术规范。在m a c 层，标准将不同的业务流分为u g s 、 e r t p s 、r i p s ，n r t p s 和b e 五种类型，对五种业务类型的调度过程给予 了详细的功能说明，但就具体实现所用的调度算法没有给出，因此值 得进一步研究，调度算法的好坏直接影响系统资源利用率和吞吐量。 本文主要探讨了8 0 2 1 6 e 仿真平台的开发设计和实现，并且探讨 了在仿真平台实现过程中所用的调度算法。 在对8 0 2 1 6 e 无线宽带城域网m a c 层和物理层进行详细分析的基 础上，设计开发了8 0 2 1 6 e 仿真平台，文中就仿真平台中所涉及到的 模块及模块功能给予了详细的说明，另外还介绍了在整个系统中比较 重要的三个流程：入网初始化、服务流连接管理、切换，并对三个具 体实现流程给予了图解。 同时文中详细分析了三种调度算法：w e i g h t e dr o u n dr o b i n 算 法、m a xc i 算法和p f 算法；并且对三种算法通过使用o p n e t 仿真 获得系统吞吐量，通过系统吞吐量值进一步得到三种算法的公平性指 数，根据这些数据画图可以更直观的比较三种调度算法，既而得出 p f 算法是三种算法中的最佳算法。最后文中又详细介绍了p f 算法在 仿真平台中的实现过程。 关键词：8 0 2 1 6 e 无线宽带城域网调度业务类型8 0 2 1 6 e 仿真平台 调度算法 s i m u l a t i o np l a t f o r m d e s i g na n ds c h e d u l i n g a l g o 爻薹t 颡螽莲a n a 毛y s i sb a s 嚣o nl 嚣鬈e8 0 2 。1 6 e a 暴s t l t a c t t h ei e e e8 0 2 1 6 ep r o t o c o ls t a n d a r dp r o p o s e db yt h ei e e e8 0 2 1 6 t a s kf o r c ei sa l le x t e n d e ds c h e m e w h i c hi sb a s e do nt h e 溅e8 0 2 1 6 d p r o t o c o ls t a n d a r d i ts u p p o r t sm o b i l et e r m i n a lo ft h el o ws p e e di nt h e f r e q u e n c ys e g m e n tt h a ti sf r o mt w o t os i xg h z , a n d p r o v i d e ss e r v i c eo f 继馥s p e e dd a t aa n d am o b i l es o l v e ds c h e m eo f b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s 。 弧es t a n d a r dd e f i n e st h em a c l a y e ra n d t e c h n i c a lc r i t e r i o no f t h e p h y s i c s l a y e r i nt h em a cl a y e r ，t h es e r v i c ef l o wi sd i v i d e di n t of i v ed i f f e r e n t t y p e s ：u g s ，e r t p s ，r t p s ，n r t p s ，b e t h ef i v es c h e d u l i n gp r o c e s s e sa f e p a r t i c u l a r l ye x p l a i n e db yt h es t a n d a r d , b u ts c h e d 燃a l g o r i t h mi sn o t d i s c u s s e d s ot h es c h e d u l i n ga l g o r i t h mi sw o r t ho fs t u d y i n gf u r t h e r l y b e c a u s es c h e d u l i n ga l g o r i t h md i r e c t l yi n f l u e n c e st h eu s a g eo fs y s t e m r e s o u r c eo f t h r o u g h p u t 。 t h ep a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h ed e v e l o p m e n td e s i g n i n ga n dt h e r e a l i z a t i o no ft h e8 0 2 1 6 es i m u l a t i o np l a t f o r m ，a n da l s od i s c u s s e s 璺! ! 塞些皇查堂堡主堂垡堡壅 薹王里! 墅! ! ：! 壁笪壅! 鱼箜堡生墨塑塞苎堕坌堑 s c h e d u l i n ga l g o r i t h mu s e di nt h er e a l i z a t i o no f s i m u l a t i o np l a t f o r m t h ei e e e8 0 2 16 es i m u l a t i o np l a t f o r mi sd e s i g n e da n d d e v e l o p e d0 n t h eb a s eo fd e t a i l e da n a l y s i st o8 0 2 1 6 ew m a n ，m a c l a y e ra n dp h y s i c s l a y e r t h ep a p e re x p l a i n sp a r t i c u l a r l ym a n ym o d u l e sa n dt h ef o u n c t i o no f t h e s em o d u l e so fs i m u l a t i o np l a t f o r m f u r t h e r m o r e ，i ta l s oi n t r o d u c e s t h r e ek i n d so f b e t t e r 。i m p o r t a n tp r o c e s s e s ：i n i t i a l i z a t i o na n de n t r yi n t e m e t , s e r v i c ef l o wm a n a g e m e n t ，h a n do v e r t h e s et h r e ep r o c e s s e sa r eg i v e n i l l u s t r a t i o n s s i m u l t a n e i t y , t h ep a p e rp a r t i c u l a r l ya n a l y z e st h r e e s c h e d u l i n g a l g o r i t h m s ：w e i g h t e dr o u n dr o b i na l g o r i t h m ，m a xc ia l g o r i t h m , p f a l 9 0 6 t 虹a n dt h r e ea l g o r i t h m so b t a i ns y s t e mt h r o u g h p u t sb yl l s 堍 o p n e ts i m u l a t i o n t h e ne q u i t ye x p o n e n ti sr t r t h e r l yo b t a i n e db ys y s t e m t h r o u g h p u t s t h u st h r e es c h e d u l i n ga l g o r i t h m sa r ec o m p a r e db yd r a w i n g a c c o r d i n gt ot h e s ed a t a s t h e nw ec a l lk n o wt h a tp fa l g o r i t h mi st h eb e s t a l g o r i t h mo ft h r e ea l g o r i t h m s f i n a l l y , t h e p a p e r a l s oi n t r o d u c e s p a r t i c u l a r l yt h er e a l i z a t i o np r o c e s so fp fa l g o r i t h mi nt h es i m u l a t i o n p l a t f o r m k e yw o r d s ：8 0 2 1 6 ew m a n s c h e d u l i n gs e r v i c et y p e 8 0 2 1 6 e s i m u l a t i o np l a t f o r m s c e d u l i n ga l g o r i t h m i 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：三长圃 日期： 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) 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：兰筮固 导师签名：聋尘车j 卜 日期：盈丑：2 ：碰 日期：2 1 ：苫巧二 1 1 引言 第一章绪论 因特网源于1 9 6 9 年底美国国防部组织的四台不同计算机联网。由于它具有快 速、便捷的特点，很快由军事领域突破进入经济、文化和政治领域。1 9 8 3 年，是 全球因特网的诞生年。进入9 0 年代后，网络的发展已成为时代潮流，势不可挡。 据统计，目前i n t e m e t 的通信量正以每i 0 0 天翻一番的速度增长。 1 9 8 7 年9 月1 4 日，中国的第一封电子邮件，“a c r o s st h eg r e a tw a l lw ec a nr e a c h e v e r y c o m e r i n t h e w o r l d ”，从北京计算机应用技术研究所发出，标志着中国开始 使用互联网。1 9 9 0 年1 1 月，中国注册了自己的顶级域名c n 。两年后，即9 2 年6 月，在日本的神户，中美首次讨论中国连入i n t e m e t 的问题。同年1 2 月底，清华 大学建成了中国第一个t c p i p 体系结构的校园网络一清华大学校园网。时隔两 年，1 9 9 4 年4 月，中国连入i n t e r n e t 的要求得到美方批准。4 4 2 0 号，连入i n t e r n e t 的6 4 k 国际专线开通，中国成为第7 7 个连入i n t e r n e t 的国家。1 9 9 4 年5 月，中科院 计算机网络信息中心的网络域名服务器投入使用，从而结束了中国顶级域名一直 在国外的历史。 如今的互联网早己经渗透到千家万户的日常生活。互联网的方便、快捷、简 单将其自身与整个社会的各方各面紧密地结合了起来。然而，随着人们对网络的 依赖越来越大、对网络的要求越来越高，传统有线网络在快速发展的同时，也逐 渐暴露出自身内在的一系列问题。 有线网络铺设工作的固有缺陷：现在的社会，无论政府、学校、生活小区、 公共场所、甚至是街头巷尾，能够方便地接入互联网已经成为一种必须。如何对 新建筑进行布网规划，如何对旧建筑进行改造、升级，如何在原有网络上进行扩 容，以便能够容纳更多的用户，提供更快的接入速度，这些问题向传统的有线网 络提出了致命的挑战。 有线网络终端灵活性的缺陷：未来( 也许是不久的将来) 的终端设备将会像手 机一样便携、p c 机一样功能强大。人们需要随时随地接入i n t e m e t ，随时随地进 行网上娱乐、网上办公、网上消费等。传统的有线网络在这方面存在着先天的不 足，一根根网线把人们禁锢在了几米范围之内。 与有线接入搿式相眈，无线接八方式铺设简单、升级努使、终端设备可移动， 遮澎受至逡营亵舞耀产熬豢爱。黧嚣毫气迄子王耧耀耱会缝缀( i e e e 裁宠了一 熬餐完备的无线接入网络标准，p 8 0 2 i i ，8 0 2 1 5 ，8 0 2 1 6 ，8 0 2 2 0 。该累列标 准绦涯了入裁盔容蹇、凝嚣、城落范爨蠹霉毒激蓬嚣重藏避逶过笼线方楚搂入 i n t e m e t 。 。2 无线簋联阑标灌体系结梅贪绍 国际溆气电予置程师协会组织( m e e ) 制定的澎线接八阏络标准体系涌盖了 疑忍寒范麓戆燹线个域瘸鞭磷) 戮磊专公墨戆茏缓广域秘( v y w 鞠，箕俸系 缭椅如图l 一1 所豕。 毽1 一i 嚣拳鳍魏强 无线个域两( w p a n ) tw 鼢n ( 8 0 2 1 5 ) 是继w l a n 2 ：腊键出的穰念，熬目标 罴解决絮祷迁太弱将弼终髓隽携带匏簿麓，棱，燕瓣决奎嚣蠛熬光线多媒髂簧 输。在嘲络构成上，w p a n 位子8 0 2 1 l 的洙端，它是基予计算机避信的专糟鼹， 毯饔剽予w l a n ，骥荛它工终在个人操箨醛壤，鬟簧稳互邋穰熬装罴魏或夺霹 络，氟茏需任何审失管瑾髓置。 8 0 2 。1 5 ，l 标准鞋夔牙v l 。l 娥篷舞蓝零，定义了蓥雾羧零熬媒体谤麓控囊 ( m a c ) 詹( 包括l 2 c a p ，i m p 、蓦带) 和秘疆层。i e e e8 0 2 + 1 5 1 一赢在关潍蓝牙 特制兴趣奎组懿檬准版零魏级工终，弑霞t 4 m e e8 0 2 。1 5 。l 鼍蓝牙蜷准傈持阚步。 8 0 2 ，1 5 3 标准完藏了高速w p a n 的m a c 瑟物理滕稼准制宠。该标穗具有戳下穗 焦：支持糍达5 5 m b s 的数拦速率，霹传送嵩爱量褫羧霸声学，支持整务质量保障， 舆鬻a d h o 。煮鼹点两络特意，功耗和成零繇。 8 0 2 1 6 。4 标壤其有以下特点：数据遗攀淹2 s 、4 0 、2 5 0 k b s 。慕建c s m a - c a 2 机制，保证传输可靠性，提供最优的功率管壤。 燕线弱域阚( w i a n ) ：8 0 2 。1 1 是毽e e 最初制订的一个w l a n 标猴，主簧用 于解决办公黛局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入。这个标准的制订楚 无线嘲络技术发展的一个里稷碑，它增强了无线设务豆连功熊，使r a n 在有穆 动要求的环境中被广泛接受。8 0 2 1 l 最初标准支持的速率仪为最高2 m b i t s ，随 着w l a n 的迅速发展，该标准在接入带宽、移动性、安全性，服务质爨保证镣方 面已经不能满足用户的揍入要求，鼍= 是驮8 0 2 1 l 衍生出8 0 2 1 l a ，8 0 2 。l l b ， 8 0 2 1 l d ，8 0 2 1 l e ，8 0 2 1 l f , 8 0 2 1 l g ，8 0 2 1 l h ，8 0 2 1 l i 等一系列w l a n 标准。 无线城域网：8 0 2 1 6 系统是和s l 、铜缆等赴乎同一键藿酶接入系统、蓦 的悬以无线方式将城域范围的用户搂入互联网。对于8 0 2 1 6 无线城域网体系结构 帮发震历程，将在第二章给窭详绍翡奔绍。 无线广域网：i e e e8 0 2 2 0 标准是面向燕子球的、移动宽带无线接入技术而 制订，嚣标楚发展戒凳一释蒸子移动空孛接鞠、霹戮实瑶臻惫蔫效蕊埝熬鼓零， 以期为口业务的传输寻找一种高度优化的移动解决途径，同时也希望发展成为一 秸霹实瑗全球酱及、嚣漫游、著显实鼹在线瓣公共秃线宽豢按入耀终技术。缀赣 这一技术，多数商此用户以及家庭终端用户对于未来的无线网络所提出的需求， 都裁够褥鬟游是。8 0 2 。2 0 静蠢效覆蔻莛蚕离这1 5 公墨，胃跌交挎等露予无线域域 网( w m a n ) 级别的嶷时数据传输，丽传输速度却达剿了w i , a n 网络的水平，与 瑶褒豹移裁遴僖嚣终程笼具誊甓曼熬缝竣魄魏势，零以秀热声提供癸接羝壤懿语 音、视频、数据的综合业务服务。 1 3 论文的选题意义及论文的成栗 网络的方便、高效与快捷吸引了越来越雾的网络用户，网络本身成为了人们 叟潘孛兹一部分。掰络趸产懿飞速爝长，嚣终瓣攘懿遮速扩大爱_ 蓬寒怼传统熬毒 线瞬络提出了挑战。网络覆虢要求范围更广，网络接入方式需要更快捷、更灵活， 弼终终壤更褒携，餮戆更事褰，羽终瘦爰熬骧务震爨霆裹，这些赘罴耀络震声封 未来网络的一些迫切需求。于是无线宽带城域网8 0 2 1 6 应运而生，并被全球各 大遴信实访穰建产溪蟹，对乎韶2 + 1 8 按零戆疆究爨箴蔻无线熬终霹究熬燕蕊。 2 0 0 5 年，移动宽带无线城域按入网标准的版本8 0 2 1 6 - 2 0 0 5 出台。8 0 2 1 6 捺议标准谨缨奔缨了a 茬a 簇寒勃璎蒺熬技零撬范，其移动宽常无线城域网技术 满照了甩户对移动通信的要求。而对于无线i 疆信研究的一些正作急需一种平台来 绘予验迂，憩辩擐攥8 0 2 ，1 6 e 挤议撂准来牙发豹贫冀平台系统进行骏涯的想法应 用丽生了。 3 在2 0 0 6 年3 月- 2 0 0 6 年1 0 月我参与了8 0 2 1 6 e 仿真平台系统的开发工作， 这个项目是由中科院计算技术研究所下一代互联网中心和上海无线通信研究中 心合作开发的，此项目开发的初衷主要是为无线通信中的研究工作。在项目中主 要负责仿真平台中的调度过程，在开发之前，首先考虑了三种调度算法：w e i g h t e d r o u n dr o b i n 算法、m a xc i 算法和p f 算法，从理论上分析三种调度算法的优 缺点，其中w e i g h t e d r o u n d r o b i n 算法主要体现系统资源利用的公平性；m a x c i 算法体现系统吞吐量，可以使得系统吞吐量达到一个极限值；p f 算法体现了公 平性和系统的吞吐量，所以p f 算法是理论上的最佳算法。在系统开发过程中， 使用了三种调度算法，希望通过系统仿真结果来进一步验证三种调度算法中的最 佳算法。于是在系统仿真平台开发完成后，通过系统仿真得出了p f 算法是三种 算法中的最佳算法。 1 4 论文的结构 本论文内容分为5 章： 第一章为绪论部分，主要介绍了无线互联网的发展历程、无线互联网体系结 构，论文的选题意义及主要成果等。 第二章为背景及相关知识介绍，主要介绍了无线互联网的发展历史、m e e 8 0 2 1 6 e 协议标准中m a c 层和物理层的技术规范。 第三章为8 0 2 1 6 e 仿真平台设计实现，主要介绍了仿真平台中涉及的模块及 模块功能，仿真平台的具体实现流程。 第四章为调度算法实现，首先介绍了五种调度业务类型，接着从理论上分析 了三种调度算法，通过o p n e t 仿真具体实现三种调度算法，而后对最佳算法p f 算法在平台中具体实现进行了介绍。 第五章为总结语，总结了整篇论文介绍的内容，并且介绍了调度算法存在的 不足之处。 4 第二章背景及相关知识 2 1 无线城域网标准发展历史 i e e e8 0 2 1 6 标准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 e ，8 0 2 1 6 d ， 8 0 2 1 6 e ，8 0 2 1 6 f 和8 0 2 1 6 9 七个标准，如下表2 一l 所示： 表2 18 0 2 1 6 标准系统结构 标准名称标准完成时间标准说明 8 0 2 1 6 - 2 0 0 12 0 0 1 年1 2 月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 层规范 8 0 2 1 6 a2 0 0 3 年1 月2 - 1 1 g h z 许可和免许可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 层规范 8 0 2 1 6 e2 0 0 2 年1 2 月1 0 - 6 6 g h z 频段系统的兼容标准，详细规定了 1 0 - 6 6 g i - i z 频段系统在实现上的一系列特性和 功能 8 0 2 1 6 - 2 0 0 42 0 0 4 年8 月2 - 6 6 g h z 许可和免许可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 层规范，是对 前三个标准的集成和修订 8 0 2 1 6 e2 0 0 5 年1 2 月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 6 6 g h z 适于移动性许可 频段 8 0 2 1 6 f制定中8 0 2 1 6 系统m a c 层和物理层的管理信息库 ( m m ) 以及相关的管理流程 8 0 2 1 6 9 制定中规定标准的8 0 2 1 6 系统管理流程和接口，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 8 0 2 1 6 最初的标准为8 0 2 1 6 - 2 0 0 1 ，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、可以忽略多径效 应。8 0 2 1 6 2 0 0 1 系统中的信道通常都很大，一般每个信道宽度是2 5 2 8 m i - i z 。系 统的数据传输原始速率是1 2 0 m b i t s ，这种系统适合于点到多点的接入服务。小 区半径典型值为2 - 5 公里。系统采用t d d 或者f d d 的双工模式。下行链路采用 t d m 复用方式，上行链路采用t d m a 的多址接入方式。目前的8 0 2 1 6 2 0 0 1 系统 可以支持a t m 数据传输以及弹v 4 、i p v 6 、以太网、v p n 等报文的数据传输。 8 0 2 1 6 的第二个标准为8 0 2 1 6 a ，在该标准中规定，8 0 2 1 6 无线城域系统工 作在2 一l l g h z 频段，在这个频段的电磁波不要求视距传输、但是多径效应明显。 系统的数据传输原始速率是7 0 m b i t s ，这种系统适合于点到多点的接入服务。小 区半径典型值为5 0 公里。系统采用t d d 或者f d d 的双工模式。下行链路采用 o f d m 复用方式，上行链路采用o f d m a 的多址接入方式。 8 0 2 1 6 c 是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 4 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 的最新标准为8 0 2 1 6 2 0 0 4 。8 0 2 1 6 2 0 0 4 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用性的一个标准版本。该标准对2 - 6 6 g h z 频段的空中接 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主要特性，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 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 6 6 g i - - i z ，适于移动性的许可频段，可支持用户站以车辆 速度移动，同时8 0 2 1 6 a 规定的固定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或扇区间高层切换的功能。制定8 0 2 1 6 c 的目的，是提出一 种既能提供高速数据业务又能使用户具有移动性的宽带无线接入解决方案，该技 术被业界视为目前惟一能与3 g 竞争的下一代宽带无线技术。 8 0 2 1 6 f i 作组在2 0 0 4 年8 月获准成立，作为8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准的补充， 8 0 2 1 6 f 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。该标准目前正处于制定阶段，最新的d r a f c 版本为d r a f t 2 ，最终的标准计划 在2 0 0 6 年发布。 8 0 2 1 6 9 i 作组在2 0 0 4 年8 月获准成立，它的目的是为了规定标准的8 0 2 1 6 系统管理流程和接口，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。该标准的制定工作也正处于制定阶段，最终标准计划在 2 0 0 7 年发布。 6 2 2i e e e8 0 2 1 6 e 协议简介 本节主骥介绍移动宽带光线接入空中接口标准i e e e8 0 2 1 6 - 2 0 0 5 的协议模 鍪，貔理屡、m a c 鼷懿关键技术，豁及其支持移魂後戆缮强技零，翔接入警建、 终端管理、移动性管理等。 透年来，宽豢天线揍入国张) 篱氆其褒裙蘩莰资、鼗务承载毒獾貘羧务豹 速度方面具有的独特优势及广泛的市场应用前景，成为近几年通信市场发展的一 令煞燕。l 醴嚣手2 0 浞年发毒了毽e e8 0 2 。1 6 2 0 0 4 ，该耘准只支持嚣定终溃熬遁售。 为了满足用户对移动性的需求，m e e8 0 2 工作组在8 0 2 1 6 d 的基础上，又提出了 瑷於方案8 0 2 + 1 r e 。聪琵8 0 2 1 6 e 交接移囊终溃，壤钤了裹速率无线建壤霸嬲嚣 移动性蜂窝通信系统之间的空白，为企业和用户提供了对固巍和移动业务的澈重 支持。2 0 0 5 冬1 2 胃，糙疆8 0 2 。l s c i e 菠发枣为髓e8 0 2 。1 6 2 0 0 5 振穗。 2 2 18 0 2 1 6 - 2 0 0 5 的协议模型 8 0 2 1 6 - 2 0 0 5 规范的协议栈模型和8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 相同。其空中接口由物理屎和 m a c 蒺组或，m a c 器又分成了3 令子屡：特定薮务汇聚予层( s e r v i c es p c c i 基c c o n v e r g e n c es u b l a y e r ，c s 子屡) 、公麸部分子滕( c o m m o np a r ts u b l a y c r ，c p s 子朦) 、 安全子瑟( s e c u r i t ys u b l a y e r ，s s 子层) 。器2 - - 1 孛s a p 为业务羧入点。 2 - 18 0 2 1 6 2 0 0 5 的空中接口协议栈模型 7 2 2 2 物理层 8 0 2 1 6 2 0 0 5 协议定义了单载波s c ( 工作在1 0 6 6 g h z ) 、单载波s c a ( 工作在 i i g h z 以下频段) 、o f d m 、0 f d m a 等4 种物理层标准，协议重点关注o f d m a 物理层标准，下面谈到的都是基于o f d m a 物理层标准。o f d m a 系统的子信道 化可以使系统扩大覆盖、提高容量。协议中针对不同的信道带宽定义了不同的子 载波数目，从而可以使系统在抵抗频率选择性衰落和支持移动性方面取得一个很 好的折衷。 1 、频谱特性、双工方式 8 0 2 1 6 2 0 0 5 技术主要应用于l l g h z 的p m p ( 点对多点) 系统，具有非视距传 播的特点。8 0 2 1 6 - 2 0 0 5 的物理层支持可扩展的0 f d m a ，可以支持2 0 4 8 、1 0 2 4 、 5 1 2 、1 2 8 点f f t ，从而支持从1 2 5 姗z 到2 0 砌的不同信道带宽的要求。 8 0 2 1 6 - 2 0 0 5 系统在许可频段，双工方式可以采用t d d 或f d d ；在非许可频段， 只能采用t d d 双工方式。f d d 需要成对的频率，t d d n 不需要，而且可以灵活 地实现上下行带宽的动态调整。在8 0 2 1 6 2 0 0 5 系统中，还规定了终端可以采用 h f d d ( 半双工f d d ) 方式，降低了对终端收发器的要求，从而降低了终端成本。 下面介绍o f d m a 系统。 ( 1 ) 0 f d m a 系统简介 8 0 2 1 6 协议定义了两种o f d m 系统：一种简单的定义为o f d m 系统；另外一 种为o f d m a 系统。两种系统相比而言，o f d m a 系统有更大的应用前景。 o f d m 距离较短，甚至只能应用于室内环境。它依据6 4 至u 5 1 2 的f f t 变换 o f d m 正交载波集由单一用户产生，应用6 4 个载波，为单一用户并行传送数据流， 不同用户在时间上是串序发送的。向下数据流为t d m 模式，向上数据流为t d m a 模式。 o f d m a 系统有更高的f f t 间隔，产生2 0 4 8 或4 0 9 6 个载波子信道。通常向下 数据流被分为逻辑数据流，这些数据流可以采用不同的调制及编码方式以及以不 同信号功率接入不同信道特征的用户端。向上数据流子信道采用多址方式接入， 通过下行发送的媒质接入协议( m a p ) 分配子信道传输上行数据流。但是o f d m a 对相位噪声非常敏感，对同步和前端放大器的线性要求更加严格。， ( 2 ) o f d m a 信道划分 o f d m a 子信道是所有有效载波的一个子集合，数据流经过串并变换到各个 正交予载波上之后，并行信息码元信号周期远大于串行信息码元周期，再加上保 护间隔，基本上消除了码间干扰。为了减轻频率选择性衰落，子信道载波分散存 在于整个频谱的频率范围之中。 有效载波空间被分为个数为g 的连续子载波组将开始分配的导频信道除 外，每个子载波组包含数量为e 的连续子载波。在下行信道，先分配导频信道形 成导频组以广播形式向s s 发送信息。而在上行信道，每一个信道有自己的导频组， 为自身s s 服务。一个子信道由每个子载波组中基于排列置换的伪随机序列随机分 配1 个子载波而组成，故每信道包括e 个子载波，且随机分布于整个频谱上。一 个较宽的信道可以被分为2 0 4 8 或4 0 9 6 个子载波。当子载波数为n = 2 0 4 8 时，向下 数据流g = 4 8 、e = 3 2 ，向上数据流g = 5 3 、e = 3 2 。一些信道分配给物理层传输数据， 如用户搜索，在m a p 配置时传输载波信道信息，传输有报头帧。 实际上，在o f d m a 系统中由不同的用户分享上行数据流f f t 空间，传输时 占用一个或多个子信道。在子信道的分配上采用的是o f d m 原理，每一个子信道 数为可用信道数的1 n = 1 3 2 ，也就是说2 0 4 8 个载波共分为3 2 组信道，向下传输的 每组信道包含4 8 个相互正交、随机非连续分布的子载波，向上为5 3 个。向上数据 流是由多个不对称的低速多点对点的子信道所组成，向下传输数据流时，所有的 子信道并行传输数据。 ( 3 ) 数据流的传输 向上传输数据流信道最重要的方面是覆盖问题。一个b w a 系统包括一个较 大功率的发射机及低功率和低成本的客户端。n = 2 0 4 8 时，宽带无线用户将其发 射能量随机分配于一个子信道频谱带宽之中，约占总频谱带宽的1 3 2 。使用相同 的调制和编码方法，这种向上数据流比向下数据流多1 5 d b 的增益。对于一个6 m 的信道来说，每个子信道分配相等的1 8 7 k h z 信道带宽。由于这种低信道带宽载 波信号的5 3 个载波被分布于整个频谱之中，所以不会发生平稳衰落。 为了抗干扰，用户子信道在整个频谱中采取跳频机制。在每组子信道中，用 户伪随机地选取每组载波的子载波e 。在一个干扰的小区，宽带用户用相同的方 法选择子信道，但每个用户要满足其独立性，且可能产生的冲突比率为 1 e - 1 3 2 。这种扩展频谱跳频是防止部分子信道选择性衰落的有效策略。对于 有较小信噪比的子载波，可以通过交织编码和译码的方式解决。 ( 4 ) 网络组织策略 o f d m a 的用户数量和服务质量是决定系统性能的根本因素。由于o f d m a 系统子信道是正交的，所以同- 4 , 区中的干扰为0 ，于扰仅来自其他的小区。和 c d m a d 、区类似，系统容量由用户及他们的处理增益来决定。系统可以依据小区 的信道地理环境特点以及所需提供服务终端用户的数量，通过改变小区的半径和 结构以及由基站控制信号接入的功率大小，并采用在同一小区中划分不同扇区及 正确分配信道的办法，通过使用定向天线来控制信号发射方向及功率大小，以达 到减少来自其他小区的同频干扰，达到增加用户的容量及确保服务质量的目的。 由于上行子信道特点及h i s s 干扰使o f d m a 采用和c d m a 相似的移动蜂窝小区 9 机制，所有蜂窝共享相同的频率资源。不同信道可以采用不同的编码和调制机制， 但每个终端用户具有相同的信道流量。系统容量的大小主要由邻近小区干扰因素 决定。小区内部的干扰与小区地理环境( 建筑物的密度、高度和布局等) 以及基 站和用户天线架设的位置、高度和方向等因素有关。 在b w a 中，用户被看作为静止的，所以可以采用小增益扇形天线。这在某 种程度上增加了小区覆盖半径，优化了小区不同密度环境下用户频率资源的配 制，但也限制了无线终端用户的数量，增加了对邻近小区的干扰。在非可视环境 中，对于干扰估计，方向性也是一个非常重要的因素。可以利用调制和编码策略 对系统容量进行优化。在达到系统容量最大化及最大吞吐量的同时，这些策略也 相应要求有较高的信干比及较大发射功率，也就会产生较大的干扰。最佳的优化 策略是在终端用户位置配置上，使信号信干比和路径损耗成反比，用户在具有较 高信干比的同时，有较小的路径损耗。 2 、物理层的关键技术 ( 1 ) 信道编码 8 0 2 1 6 2 0 0 5 系统支持多种信道编码，因此可以根据不同业务的q o s 和传输 速率灵活地选择合适的信道编码方式，不同的参数组合可以得到不同的数据速 率，从而提高频谱利用率。它支持的信道编码类型如下： a 、咬尾卷积编码( t a i l - b i t i n gc c ) ：系统强制支持该编码类型，该信道码的 编码和译码复杂度低，且处理时延小，适合小编码块、控制消息和对时延敏感的 数据传输。协议中的帧控制消息( f c h 、d lm a p ，【i ，m a p ) 都采用该编码， 便于终端( s s ) 快速解调帧控制信息。 b 、归零的卷积编码( z e r o - p a d d i n gc o ) ：系统可选支持该编码类型，该编 码同样具有编码和译码复杂度低、处理时延小的优势。相比咬尾卷积编码，它传 输编码块时，每个编码块要牺牲一个字节为代价，这对小编码块的传输不是很有 利：但它的译码相对简单一些，且理论上译码性能更好一些。 c 、l d p c ：更适合大编码块的数据传输。通常l d p c 的编码复杂度较高， 8 0 2 1 6 2 0 0 5 系统采用具有结构化的l d p c 构造方法，有效降低了其编码复杂度。 ( 2 ) 链路自适应技术 8 0 2 1 6 - 2 0 0 5 采用的链路自适应技术有： a 、子信道化技术：在上下行可以使用多种子信道模式，包括p u s c ( 部分应 用) 、f u s c ( 全部利用) 和a m c ( 自适应调制编码) 。这些子信道化模式在各子 载波级分配中具有更大的灵活性，可以得到较高的频谱效率，并且子载波在子信 道中的分配无需邻接，有利于实现频率分集。 b 、自适应调制编码技术：基站可以根据用户的信道状况等条件自动地调整 针对该用户的调制和编码方式。在信道条件好的时候使用高阶调制高编码速率， 从而可以获得较高的传输速率；而在信道条件较差的时候使用低阶调制低编码 速率，从而可以保证信号的传输质量。采用自适应编码技术可以有效提高系统的 平均传输速率。 c 、混合自动重传( h a r q ) 技术：h a r q 技术充分利用前向纠错和自动重 传请求的优点，提高数据传输的可靠性和系统吞吐量。h a r q 基于信道条件提供 精确的编码速率调节、自动适应瞬时信道变化、且对时延和误差不敏感。采用 h a r q 技术既可以减少自动重传的平均次数、降低包数据的传输时延，同时也能 够减少每次传输过程中信遘编码的冗余信息量，提高编码速率。8 0 2 1 6 - 2 0 0 5 中 的h a r q 采用最为简单的停一等( s a w ) 机制，在这种最简单的重传机制下，h a r q 的控制开销最小并且对发射和接收的缓存要求最小同时，8 0 2 1 6 2 0 0 5 系统中 的o f d m a 物理层帧结构巧妙地克服了s a w 重传机制下信道利用率低的缺陷。 d 、“测探”( s o u n d i n g ) 技术：在信道质量测量上报方面。协议还引a , t s o u n d i n g 机制。s 0 1 1 n d i n g 觇制可以很好地解决t d d 系统中反馈式闭环发射分集中反馈信道 占用较多空中资源的缺点。它让m s ( 移动台) 在上行信道中发射特定s o u n d i n g 信号序列，使b s f g b 够有效地估计上行信道系数。由于t d d 系统上下行信道具有 互易特性，于是b s 可以将估计的上行信道系数转换为相应的下行信道系数，然 后再据此来调整各天线的发射权重，达到发射分集的目的。 ( 3 ) 多天线技术 8 0 2 1 6 2 0 0 5 协议中支持m i m o ( 多入多出) 和a a s ( 自适应天线阵) 两种不 同的多天线实现方式。m i m o 模式既包括收发两端均采用多天线的实现方式，也 包括传统的发射分集方式。8 0 2 。1 6 2 0 0 5 协议所支持的加m o 模式分为3 种：空时 发射分集( s 1 1 m ) 模式、复用( s m ) 模式和分集与复用相结合的混合( s t l d & s m ) 模式。采用m i m o 技术可以提高通信系统容量、频谱利用率和数据传输速率。 a a s 是一种可选技术，在上下行链路中都可以选择支持该技术。采用a a s 技术可以提高系统容量、扩大覆盖范围、提高通信的可靠性、降低运营成本等。 a a s 技术在实现时既可以采用多波束选择的方式，也可以采用自适应的方式。 2 2 3m a 0 层 1 、m a c 层各子层功能 8 0 2 1 6 2 0 0 5 的m a c 层各个子层的功能概括如下： ( 1 ) c s 子层：主要功能是负责将其s a p 收到的外部网络数据转换和映射到 m a c 业务数据单元( s d u ) ，并传递到m a c 层的s a p 。即把面向连接的公共部分 服务( m a c 服务) 映射成标准类型的服务。协议定义了两种c s 类型：a 1 m c s 和分 北京邮电大学硕士学位论文董量堕呈里! ! 三：! 塑堕妄! 鱼塑堡堡墨塑垦兰堕坌堑 组c s 。a t m c s 子层提供对a t m 业务的支持；分组c s 提供对i e e e 8 0 2 3 ( e t h e m e t ) 、8 0 2 1 q ( v l a n ) 、w ( i f v 4 、i p v 6 ) 等分组业务的映射。在分组 c s 子层中，定义了分类器( c l a s s i f i e r ) 的概念。分类器是一列映射规则的集合，每 个进入i e e e8 0 2 1 6 网络的数据包根据分类器定义的规则映射成为相应的连接。 s s 进入网络时可以通过空中接口从基站( b s ) 侧获得分类器。m a c 层的每个连接 由长度为1 6 b i t 的连接标识( c i d ) 惟一标识，这种基于连接的机制是提供q o s 保障 的基础。 ( 2 ) c p s 子层：它是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。它通过m a cs 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，同时对物理层