（通信与信息系统专业论文）基于等效频谱分配的蜂窝ofdmawlan异构网络接入控制.pdf

南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：通信与信息系统 研究方向：移动通信与无线技术 作者：胡林森 指导教师：潘筵 l i i ii i ii i ii i iui l rliii y 17 5 5 0 7 8 目：基于等效频谱分配的蜂窝0 f d m w l a n 异构网络接入 控制 英文题目：c a l la d m i s s i o nc o n t r o la l g o r i t h mf o ri n t e r g r a t e do f d m a c e l l u l a rn e t w o r kw l a nb a s e do ne f f e c e t i v e s p e c t r a l b a n d w i d t hd i s t r i b u t i o n 主题词：等效频谱；异构网络；接入控制 k e y w o r d s ：e f f e c t i v es p e c t r a lb a n d w i d t h ；h e t e r o g e n e o u sn e t w o r k s ；c a l l a d m i s s i o nc o n t r o l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 下一代网络( n g w n ) 将融合多种无线接入网络，为多模式接入终端用户提供无线 i n t e m e t 和多媒体服务。无线异构网络便在这种情况下应运而生，成为了一个研究热点，同 时也带来了许多挑战。未来无线通信系统面临的最大挑战是为用户提供服务质量( q o s ) 保障 和高效的频谱资源利用率。灵活有效的无线资源管理和调度对于无线异构网络的设计有着 举足轻重的作用。 呼叫接入控制( c a c ) 作为无线资源管理的重要组成部分，直接关系到业务的服务质量 能否得到保证，近年来得到了广泛、深入的研究。目前的大多数研究都是基于同构网络中 的机制，对于异构网络尤其是下一代蜂窝o f d m a w l a n 异构网络到目前还没有一个充分 考虑其网络特点的灵活而有效的策略。 因此，本文结合已有的成果，提出了一种适用于蜂窝o f d m a w l a n 异构网络的的 c a c 算法：该算法首先为o f d m a 和w l a n 网络提出了等效带宽的概念，然后用等效带 宽的思想分别对o f d m a 网络和w l a n 进行无线资源的统一化表达，在此基础上提出了 “w l a n 优先”的分布式多业务o f d m a 蜂窝w l a n 异构网络接入控制算法。由于资源 统一表达，用户可以根据可用资源“自助”地接入系统，因此该方法效率较高。然后通过 提出固定无线资源划分和动态无线资源划分两种策略对无线资源进行合理规划以提高算 法的公平性，最后利用m a t l a b 对这两种算法进行了仿真验证和对比，并最终得到结论。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t n e x tw i r e l e s sn e t w o r ka i m st oi n t e g r a t ev a r i o u sw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k sa n dp r o v i d e m u l t i m e d i as e r v i c e sf o rm u l t i m o d et e r m i n a lu s e r s h e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k sb e c o m ea h o ti s s u ea n db r i n gn e wc h a l l e n g e si nt h i sc o n d i t i o n t h eg r e a t e s tc h a l l e n g eo ft h en e x t g e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k si st op r o v i d eu s e r sw i t hq o sg u a r a n t e e sa n dh i g hs p e c t r u m e f f i c i e n c y t h u si t i sc r u c i a lf o rt h ed e s i g no fh e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k st op r o v i d e f l e x i b l ea n de f f e c t i v er a d i or e s o u r c em a n a g e m e n ta n dp a c k e ts c h e d u l i n gf o rn e t w o r ko p e r a t o r s a sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n ti nr a d i or e s o u r c em a n a g e m e n t ，c a l la d m i s s i o nc o n t r o l ( c a c ) w h i c hi sd i r e c t l yr e l a t e dt oq o sg u a r a n t e e sh a sb e e nw e l lr e s e a r c h e di nr e c e n ty e a r s h o w e v e r , m o s to ft h ec u r r e n tc a cs c h e m e si nc e l l u l a rn e t w o r ka n dw l a n sa r ed e v e l o p e di n d e p e n d e n t l y b yf a rt h e r ea r en oe f f e c t i v ec a cs c h e m e sa b o u th e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r ke s p e c i a l l y a b o u tt h en e x tg e n e r a t i o nc e l l u l a r0 f d m a w l a nh e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k t h i st h e s i si n t r o d u c e san e wc a ca l g o r i t h mw h i c hi ss u i t a b l ef o rt h ec e l l u l a r o f d m a w l a nh e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k f i r s t ，t h ec o n c e p t i o no fe f f e c t i v eb a n d w i d t h f o rw l a na n dc d m an e t w o r k si sp r o p o s e di nt h i st h e s i st od e s c r i b et h er e s o u r c eo c c u p a t i o n t h e nt h er e s o u r c ei su t i l i t ye x p r e s s e di nt h i sa l g o r i t h m b a s e do nt h i s ，ad i s t r i b u t e dw l a n f i r s t c a l la d m i s s i o nc o n t r o la l g o r i t h mi s p r e s e n t e df o r m u l t i s e r v i c ec e l l u l a r0 f d m a w l a n i n t e g r a t e dn e t w o r k s a st h er e s o u r c ei su t i l i t ye x p r e s s e di nt h i sa l g o r i t h m ，t h eu s e r sc a na c c e s s t h en e t w o r kb ym e a n so fs e l f h e l p t h es c h e m et h e r e b yh a sh i g he f f i c i e n c y t w ow i r e l e s s b a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h m sa r et h e nc a r d e do u tt om a n a g et h ew i r e l e s sr e s o u r c eo ft h e h e t e r o g e n e o u sw i r e l e s sn e t w o r k s s ot h a tm a k e st h ec a ca l g o r i t h mm o r ep r o p e r l y f i n a l l y , t h e twoa l g o r i t h m sa r es i m u l a t e da n dc o m p a r e di nm a t l a b i i 南京邮电大学硕士研究生学位论文 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1论文的研究背景和意义1 1 2 呼叫接入控制算法研究现状3 1 3 本论文的结构安排4 第二章多业务o f d m a 蜂窝网络及w l a n 网络简介。6 2 1o f d m 基本原理及信道模型6 2 1 1o f d 姒基本原理6 2 1 2o f d m 信道模型7 2 2 多用户o f d m a 系统模型1 l 2 3w l a n 技术简介1 4 2 3 1w l a n 概述1 4 2 。3 2w l a n 的发展与未来1 6 第三章多业务蜂窝w l a n 异构网络c a c 算法1 9 3 1等效带宽的概念1 9 3 2 o f d m a 蜂窝网络无线资源的等效带宽表达2 0 3 3w l a n 网络无线资源的等效带宽表达2 3 3 4 基于等效频谱分配的分布式蜂窝w l a n 异构网络接入控制2 7 3 4 1 网络模型及结构2 7 3 4 2 基于等效频谱分配的o f d 姒w l a n 接入控制3 l 3 4 3 网络选择和垂直切换3 4 3 4 4 系统带宽资源分配简介3 5 第四章考虑无线资源划分的异构网络c a c 算法3 7 4 1 无线资源划分概述3 7 4 2 基于固定无线资源划分的c a c 算法_ 3 8 4 3 基于动态无线资源划分的c a c 算法3 9 l i i 童塞塑皇奎堂堡主婴塞生堂垡笙三! ! ； 旦墨 4 4 两种资源划分算法性能仿真与分析4 4 4 4 1 两种资源划分方案的对比4 4 4 4 2 动态无线资源划分中受限带宽数对算法性能的影响4 7 4 5 本章小结5 0 第五章结束语5 l 5 1 全文总结5 l 5 2 不足和展望5 l 致谢5 3 参考文献5 3 作者在攻读硕士学位期间发表的论文5 8 i v 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的研究背景和意义 近年来，随着科学技术的突破以及i n t e r n e t 业务的飞速发展，人们对通信业务的需求 逐渐由语音转变为对语音、数据、图像以及多媒体业务的综合需求，并体现出个性化、多 元化和移动化的特征，要求网络能够根据用户的个人喜好和消费习惯，在不同时间、不同 地点、不同环境为用户量身定制高质量的个性化服务。因此，现有的针对特定业务类型而 专门设计的无线接入系统己经无法满足用户日益复杂多变的业务需求，这就促使业界开始 探讨下一代无线通信系统( 通常也称为4 g 系统) 的设计思路和发展方向。 迄今为止，关于4 g 是什么这个问题业界众说纷纭，不同的标准化组织和网络运营商 对4 g 的理解和描述也不尽相同，但是从总体上看，可以将这些观点归结为以下三个方面： 1 、革新式的发展路线，即定义全新的无线接口协议和无线接入技术，并在此基础上 部署新的无线接入系统，以满足下一代移动用户的各种业务需求。要实现上述目标，不仅 需要相当长的一段时间来设计和标准化相应的无线接口协议和接入技术，还要投入大量的 资金来购买频率许可证和部署新的网络基础设施。而且，无线运营商已经在现有的无线接 入系统中投入了大量的建设和维护成本，他们当然希望能够最大限度地利用原有的网络资 源，从而取得商业利益的最大化，因而不会轻易部署新的无线接入系统。由此可见，革新 式的发展路线在时效性和实用性方面都有所欠缺。 2 、单系统演进的发展路线，即充分利用现有的某种无线接入系统中的接入技术和网 络基础设施，利用一定的技术增强手段实现系统的平滑过渡。例如在3 g p p ( 第三代合作 伙伴计划) 制定的u m t s ( 通用移动通信系统) 技术标准的基础上引入增强型u t m s 技术 高速下行分组接* ( e s d p a ) 和高速上行分组接, x 、( h s u p a ) 技术，从而在后向兼容原有 标准的前提下实现系统升级，最大程度地保护运营商的现有投资与商业利益。但是，由于 受到技术兼容性和投资预算等因素的限制，单系统演进的发展路线所能取得的性能提高毕 竟是非常有限的，并不能为运营商提供长期的竞争优势。因此，单系统演进的发展路线比 较适合那些希望在短期内以较小代价改进系统性能的运营商，而并不能作为一条长远的系 统发展路线。 3 、多系统融合演进的发展路线。由于现有的各种无线接入系统在很多区域内都是重 叠覆盖的，所以可以将这些相互重叠的不同类型的无线接入系统智能地结合在一起，共同 l 南京邮电大学硕士矽f 冗生学位论文 第一章绪论 为用户提供随时随地的无线接入，从而构成种异构无线网络( h e t e r o g e n e o u sw i r e l e s s n e t w o r k s ，h w n ) 。所谓异构( h e t e r o g e n e o u s ) ，是指两个无线接入系统采用了不同的无线接 入技术，或者是采用相同的无线接入技术但属于不同的无线运营商。在异构无线网络中， 用户可以根据业务需要和网络状态等因素随时选择接入到最合适的那个无线接入系统中， 从而满足用户灵活多变的个性化业务需求。对于无线运营商而言，如果希望将自己的无线 接入系统加入到异构无线网络中，只需在原有系统结构的基础上添加少量的网络实体并引 入相应的管理功能，既不需要大量的资金投入，也不需要漫长的建设周期，而且有利于提 高原有系统的市场竞争力。另外，通过合理的无线资源管理，可以充分利用异构无线网络 中各种无线接入系统的基础设施和频率资源，并且充分激发这些系统的潜能，共同为用户 提供单系统运营模式下所无法支持的业务和功能，从而在满足用户复杂多变的个性化业务 需求的同时提高无线运营商的利润水平。因此，这种多系统融合演进的发展路线既具备了 单系统演进路线的低成本、低风险的优点，又能够满足革新式发展路线所制定的系统设计 目标，是一种实用性和时效性都很强的长期发展路线。 基于上述对业界发展现状的分析，我们有充分理由相信，下一代无线通信系统必将是 一个能够将现有的和未来将要出现的各种无线接入系统有机融合在一起的开放式的多层 次网络环境，即异构无线网络。实现异构无线网络中各种无线接入系统之间的相互协作和 优势互补，从而为移动用户提供无所不在的个性化信息服务是下一代无线通信系统需要解 决的核心问题。 无线异构网络中不仅可以提供传统的语音、数据业务，还将提供具有更大商业价值和 潜力的移动视频、移动电子商务、移动远程教育等应用。在这样的系统中，不同服务种类 和服务质量要求的业务混在一起，就需要先进的无线资源管理策略来保障服务质量和达到 最大的系统资源利用率。呼叫接入控制c a c ( c a l la d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 是无线资源管理中的重 要组成部分。呼叫接入控制决定一个新的或者一个切换的呼叫是否可以接入网络，有两个 重要的连接级q o s 性能指标：呼叫阻塞率c b p ( c a l lb l o c k i n gp r o b a b i l i t y ) 和i ：) j 换掉话率 h d p ( h a n d o f f d r o p p i n gp l a y a b i l i t y ) 。c b p 定义为：当有一个新的呼叫尝试接入时，由于系统 的容量有限，不能提供足够的资源来满足此次请求的q o s 需求，从而导致请求被拒绝的概 率。h d p 定义为：当已经接入系统的呼叫发生切换的时候，由于系统容量的限制，使得其 q o s 需求不能得到满足而被拒绝，导致切换失败的概率。一个呼叫请求申请接入，若此连 接请求的q o s 可以得到满足，并且在此连接建立以后，已经存在的各个连接的q o s 不会 受到影响，则可以接纳此呼叫请求( 新呼叫或者切换呼叫) 。盲目的允许呼叫接入，将会 导致网络拥塞，业务的q o s 需求不能得到满足，系统性能下降：然而若只允许少量的呼叫 2 南京邮电入学顾士研究生学位论文第一苹绪论 进行接入，虽然可以保证各种业务的q o s 需求，但是会使大量的资源处于闲置状态，不能 保证资源的利用率。因此，有效合理的c a c 策略应该在h d p 和c b p 之间取得折衷，在保 证系统性能的前提下，尽量增加系统容量。从接入控制的定义来看，接入控制是在用户申 请接入网络的时候才会发生作用的，在接受每一个请求之前，接入控制都要评估接入这个 请求对系统的影响，如果此呼叫接入后，不会影响在线业务的q o s ，则允许接入，否则此 请求将会被拒绝。所以，通过接入控制，可以预防系统过载，从而保障已有连接服务质量。 蜂窝网络和w l a n 异构网络中，每个蜂窝小区中分布着一个或多个热点覆盖地区w l a n ， 在通信进行过程中，可能会发生很频繁的切换，这样就会产生切换失败的情况。为了降低 h d p ，在蜂窝系统中，会预留一部分资源，这样就会引起另外一个问题：如何确定合理的 k 预留资源的数量，才能保障系统资源利用率不受到预留资源的影响。 总之，呼叫接入控制算法就是根据系统的承载能力和业务所需要的q o s 来准入或拒绝 请求，保证系统性能的同时，尽可能的提高系统资源的利用率，即合理有效的策略，会在 c b p 和h d p 之间取得较好的折衷。 1 2呼叫接入控制算法研究现状 接入控制算法作为无线资源管理的一个重要方面，近年来得到国内外众多学者广泛、 深入的研究。以下是几个主要的研究方向： l 、对切换呼叫的资源预留 移动通信系统中的c a c 需要充分考虑用户的移动性，在处于连接的状态下，用户可能 发生多次越区切换。对用户来说，由于切换失败而导致正在进行的呼叫中断，要比拒绝一 个新呼叫请求的负面影响更大。因此，需要将切换发起的连接请求与新呼叫发起的连接请 求区别对待，并给予前者更高的优先级。 目前，已有较多的文献考虑在切换存在的环境中，如何保证切换阻塞概率( 切换失败的 概率) 足够小，而又使新连接请求的阻塞概率符合要求。已有的算法大多数是基于保护信道 机制，其主要思想是：预留一部分容量仅供切换分配使用【1 引。为了更好地改进性能，保 护信道机制又有一系列的扩展形式，如：允许切换在己无可用信道时排队等待或以某种概 率形式接纳新请求的分组保护信道机制等。保护信道机制的关键是在于确定最优的预留容 量供切换使用。容量预留少了，切换阻塞概率增大，切换的性能降低；容量预留多了，新 请求的阻塞概率增大，系统资源的利用率降低。 2 、多业务支持 堕塞坚皇奎兰丝主里! 壅竺兰堡笙兰蔓二童堕丝 较早的文献中研究的大多是单业务情况下的接纳控制。在将来的系统中，存在着大量 具有不同q o s 要求的多类业务，因此，个好的呼叫接纳控制策略应该考虑到不同业务的 特性，进行区别处理。其基本的处理方法是：使有较高优先级的业务比低优先级业务在接 纳时获得更多的优先权【1 9 之。 3 、q o s 参数 在呼叫接纳控制中，最流行采用的服务质量参数是新呼叫阻塞率和切换阻塞概率，通 常用这两个参数值来验证呼叫接纳控制策略的性能。随着自适应业务的采用( 即业务可以 采用不同的传输速率) ，当系统负荷重时，可以以较小速率传输业务，当系统负荷轻时， - - j p g 以较大速率传输业务，这样就引入了一些新的q o s 参数，如降级期比例【2 引、降级率【3 7 】 等。因此，评价针对自适应业务的呼叫接纳控制策略时，还需要考察以上性能指标。 4 、对相邻小区干扰的考虑 对于多址干扰，己有文章【3 0 3 2 1 做了一些研究，但这些算法往往只在一个孤立的小区中 考虑接纳问题，忽略了新接入用户对相邻小区的干扰影响。做接纳判决时，不仅要检查本 小区增加的干扰，也要检查相邻小区增加的干扰，只有在所有小区都允许的情况下，才能 接纳呼叫，这种c a c 算法更符合c d m a 系统的实际情况。文献 2 9 】提出是否接纳一个新请 求主要考虑三个因素：本小区的当前负载因子；在预测时间内由相邻小区预测的本小区负 载因子；接纳该请求后在预测时间内本小区负载因子对相邻小区所产生的影响，综合上述 才能判断是否接纳该用户。 5 、对分层小区的考虑 随着业务需求的增加，在系统中小区间的业务分布是不均匀的，出现了一些业务量比 较高的热点地区a _ 一个有效的解决方案是采用多层次的小区结构，在重业务量的热点地区 布置微小区。多层次小区结构指的是一个系统具有两种以上的小区类型，采用多层次蜂窝 系统的最终目的是相同频谱资源条件下提高系统容量并解决热点问题。 多层次蜂窝系统的c a c 算法主要有以下两种：一是基于服务【3 3 】，它根据语音业务和数 据业务的不同特点分别安排用户到不同的小区，如根据时延要求的不同可以安排语音用户 到微小区，而安排数据用户到宏小区；二是基于导频强度【3 4 l ，用户选择提供最强导频信号 的小区作为它的服务小区。 1 3 本论文的结构安排 本论文的各章节具体安排如下： 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 第一章介绍了无线异构网络的产生及作用，简要地介绍了呼叫接入控制及其作用，并 对无线异构网络中的呼叫接入的研究现状进行了概述。 第二章分别对下一代蜂窝网络和无线局域网的无线资源占用及容量进行分析，提出“等 效带宽 的概念对两种无线网络的资源进行统一表达，为异构网络的接入研究打下基础。 第三章介绍异构网络的组成结构，网络资源的统一表达，在此基础上提出异构网络的 用户的接入控制算法并简要介绍如何切换等。 第四章对于异构网络接入控制的带宽分配方案进行研究、分析、比较，并对结果进行 仿真，论证，以提高算法公平性，进一步完善算法性能。 第五章对全文进行总结并提出未来的研究方向。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章多业务o f d m a 蜂窝网络及w l a n 网络简介 第二章多业务o f d m a 蜂窝网络及w l a n 网络简介 若从技术层面来看，第三代移动通信系统主要是以c d m a 为核心技术，而b 3 g 4 g 移 动通信系统技术则以o f d m a 最受瞩目，o f d m a 是一种基于o f d m 的无线环境下的高速 传输技术。无线信道的频率响应曲线大多是非平坦的，而o f d m 技术的主要思想就是在频 域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上使用一个子载波进行调制，并且各 子载波并行传输。这样，尽管总的信道是非平坦的，即具有频率选择性，但是每个子信道 是相对平坦的，并且在每个子信道上进行的是窄带传输，信号带宽小于信道的相干带宽。 因此，就可以大大消除信号波形间的干扰。o f d m 技术的最大优点是能对抗频率选择性衰 落或窄带干扰。在o f d m a 系统中各个子信道的载波相互正交，于是它们的频谱是相互重 叠的，不但减小了子载波间的相互干扰，而且子载波可以独立地分配给各个用户，使无线 频谱得到充分地利用。 而w l a n ( 无线局域网) 由于具有安装便捷、易于扩展、经济上的节约优势以及较高 的传输速率等多方面的优点，发展十分迅速。在最近几年里，w l a n 已经在医院、商店、 工厂和学校等不适合网络布线的场合得到了广泛的应用。而在未来它可以在特定的区域和 范围内发挥对蜂窝网络的重要补充作用，w l a n 技术与蜂窝网络技术相结合将具有广阔的 发展前景。 j 2 1 o f d m 基本原理及信道模型 ， 。 2 1 1o f d i l a 基本原理 ： o f d m 基本原理就是将一个宽频带分成一些子信道( s u b c h a n n e lo rs u b c a r r i e r ) 这样，高 速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的多个子信道中进行传输。由于每个 子信道中的符号周期会相对增加，。因此可以减轻由无线信道的多径时延扩展所产生的时间 弥散性对系统造成的影响。并且还可以在o f d m 符号之间插入保护间隔，令保护间隔大于 无线信道的最大时延扩展，这样就可以最大限度的消除由于多径而带来的符号间干扰o s i ) 。 而且，一般都采用循环前缀作为保护间隔，从而可以避免由多径带来的信道间干扰( i c i ) 。 o f d m 可以利用f f t i f f t 来实现调制解调，易于d s p 实现，典型的o f d m 系统收 发机框图参见图1 t 2 1 。在图中可以看到：在发送( t x ) 端，二进制数据流经过前向纠错编码 6 堕塞坚皇奎兰堡圭婴壅圭兰垡堡茎 墨三皇垩、业釜竺! 里坠竺堡塑竺丝! 兰型壁垒堕坌 ( f e c ) 矛1 1 交织，映射为q a m 符号，在这些符号中插入相应的导频后，串行数据被变换到一 组并行的信道上进行i f f t 处理，把i f f t 的结果串行输出并加入循环前缀，就形成了基本 的o f d m 符号，o f d m 符号由数字转换到模拟信号后，可以通过射频电路发送出去；接收 ( r x ) 是发送的逆过程。由于i f f t 操作与f f t 类似，因此发射机和接收机可以用同一个硬 件实现。当然，这种硬件的节省也使得收发机不能同时进行发送和接收操作。 2 1 2o f d m 信道模型 图1o f d m 发射机系统框图 在o f d m 系统中，根据研究的问题不同可以对图2 1 3 1 虚框l 和虚框2 中的信道进行建 模。无线信道时域信道模型能够很好的模拟虚框l 中的信道。对虚框2 中的信道建模需要 用到o f d m 的频域等效模型。本节将详细介绍这两种类型。 7 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章多业务o f d m a 蜂窝网络及w l a n 网络简介 “ y n 吐。 噪声j ，t ，r 1r 并串无线 | 厂、 串并 i f f t f f t 变换 信道 1 l夕 1 变换 y m l 型k - 虚框1； 出置主 图2o f d m 信道模型 ( 1 ) 时域信道模型 宽带o f d m 无线信道是频率选择性衰落信道，信道由多个可分辨径组合而成，其中 每一个可分辨径是一个平坦衰落信道，即它是由多个具有不同时延的平坦衰落信道组合而 成。其中延迟线抽头模型是常用的一种时域信道模型，它把频率选择性衰落信道的输入信 号和输出信号联系在一起，每个抽头系数是时变的。 信道延迟线抽头模型中无线信道的冲击响应h ( t ，r ) 可以写成： 讹f ) = a ，( t ) e x p ( j ( p ( t ) ) a ( r t )(2-1) i = 1 公式( 2 1 ) 可以从两个角度加以解释。 从多径信道的形成角度来看，可以认为是物理上的多径所到达的时间，t 时刻到达 的所有多径的复幅度叠加。这时的是一个连续量。 ， 勇一方面，从接收机对信道的采样角度来看，可以等间隔的选取，即， c i = f 木丁 第二，r 是采样周期。根据采样定理，当1 2 f 大于信道的色散带宽时，所有采样点的 复幅度q ( f ) e x p ( _ ，纪( f ) ) 可以完全描述信道的特征。这时的0 己经是一个离散变量了。应该 注意的是，信道离散化后，不同t 所对应的衰落复幅度a , ( t ) e x p ( j c p 。( t ) ) 的分布一般来说就 不再是非相关的了。但是作为一种简化，仍然假设各t 下的衰落是独立的，并用q ( f ) 和仍( f ) 的概率分布函数加以描述。例如，如果相位仍( ，) 服从均匀分布，而幅度a 。( ，) 服从莱斯分布 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章多业务o f d m a 蜂窝网络及w l a n 网络简介 ( 当有直射路径时) 或瑞利分布( 当无直射路径时) ，这样的信道模型被称作n 径r i c e 衰落模 型或n 径r a y l e i g h 衰落模型。 输入信号 图3 抽头延时线模型 图3 就是一个典型的离散信道延迟线抽头模型，其抽头的个数、抽头增益的大小和时 延单元时间的长短可以根据需要参考不同的标准化组织提供的建议选取。图中是包络服从 瑞利分布的频率选择性衰落信号，为了得到包络服从莱斯分布的衰落信号，可以将多个抽 头中的一个换成未经衰落的信号分量。如果只有一个抽头，输出信号为平坦衰落信号。+ 移动通信系统常用的时域信道模型是j a k e s 模型，该模型不但能够模拟频率选择性衰 落，而且可以形成特定的多普勒频谱形状。另外j a k e s 模型是更加实际的时域信道模型， 因为它不仅能模拟频率选择性衰落，而且还可以形成特定的多普勒频谱形状。它的基本结 构跟延迟线抽头模型完全相同，不同的是它的瑞利衰落信号是根据所需的多普勒谱的形状 产生的。 时域信道模型因其概念清晰在移动通信产业界得到了广泛应用。但是在o f d m 系统 中，由于缺乏模型所需参数( 径的幅度、延迟时间等) 的实测数据，现有的时域模型很难 准确反映实际信道的情况，而且不能体现o f d m 的频率特性，因此需要研究o f d m 系统 的频域模型。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章多业务o f d m a 蜂窝网络及w l a n 网络简介 在o f d m 符号中加入循环前缀后，o f d m 系统可以等效为图4 所示的频域模型。 一肌一图4o f d m 系统的频域等效信道模型 图4 中的d o 九一。和y o y 。和图2 3 的反氏一i 和y 。对应，峨为第n 个子载波 子信道上的复衰落系数，乙为第n 个子信道上的噪声。它们之间的关系可以用下式表示： 以= 以以+ 乙 n = o 1 n 1( 2 2 ) 一般情况下，当信道上的噪声为高斯白噪声时，图4 中各子信道上的噪声也为加性高 斯白噪声，且彼此独立。 。 从图4 中可以看出，o f d m 系统可以等效为n 个独立的并行子信道。如果移动台处于 静止或慢速移动状态，o f d m 的每一个子信道都可以作为平坦衰落信道处理，这是因为高 速串行数据流经过串并变换后，速率大大降低，符号周期变大，而多径时延扩展不变，当 符号周期远大于多径时延扩展时，信道变为平坦衰落。信号经过每个子信道后，幅度服从 瑞利分布或莱斯分布，所以风，以从可以用n 个独立同分布( 瑞利分布或莱斯分布) 的随机变量进行模拟。进行系统仿真时，需要根据子信道发送功率和路径损耗的大小，对 每个随机变量乘以相应的系数。 时频域信道模型是o f d m 移动通信系统等效频域模型，其特点直观，而且能准确反映 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章多业务o f d m a 蜂窝网络及w l a n 网络简介 系统性能。但是值得注意的是，当移动台移动速度比较高，o f d m 符号周期大于信道的相 干时间时，无线信道变为频率选择性快衰落信道，在快衰落信道中，由于多普勒效应，子 载波子信道之间的正交性遭到破坏，因此系统不能用频域模型进行等效，这时候只能使用 j a k e s 时域模型对系统信道进行模拟。 2 2 多用户o f d m a 系统模型 o f d m 本质上是一种调制技术，它必须与多址技术结合才能构成多用户移动通信系 统。常用的多址方式有频分多址( f d m a ) 、时分多址( t d m a ) 和码分多址( c d m a ) ，近几年， 随着数字信道处理技术和射频技术的进步，空分多址( s d m a ) 也开始得到应用。 基于o f d m 的多址接入方案主要有o f d m a 、o f d m t d m a 和o f d m c d m a ，此外 还有既能够提供空间复用增益又能够提供空间分集增益的m m i o o f d m 。 其中o f d m a 是o f d m f d m a 的缩写，它的基本结构如图5 所示： 瓣 爨 l 隰露溅簿黧i 霎 攀蓑黪 囊蘸隧秣翰自荔象襞i 醚j鬟霪麓娶 ，。_ 。， ；囊塞 t 。电“o 、 乍一毒 鬣 隧蕊 饔纛 蘩 喜攀1 尊* 。圣；、 一l f ? ： 餮絮戆 、j 冀。 囊g 毒未j 堂矗篆薯 麓爨 誊麓 一： 时间 图5o f d m a 基本结构 在图5 中，不同灰度的频率栅格可以分给不同的用户。从图可以看出，在o f d m a 系 统中，通过为每个用户提供部分可用子载波的方法可以实现多用户接入，这一点与传统的 f d m a 非常类似，二者的主要不同之处在于： l 、f d m a 系统按照频带分割信道，每个信道的带宽非常窄，信道的分割用滤波器实 现，为了适应滤波器的滚降特性，相邻信道间必须留有适当的间隙，以防止邻信道干扰的 塑塞堕皇奎兰婴主堕壅竺堂垡笙塞篷三兰墨、业箜竺! 里坠鳖查塑垒丝型兰型旦竺箜坌 发生，因此消耗了不少频谱资源。o f d m a 的各子载波之间相互正交，子信道之间不需要 保护频带，这样大大提高了系统的频谱利用率。 2 、f d m a 系统采用固定的载波分配方式，不能充分利用无线信道的衰落特性。在 o f d m a 系统中，由于所有的子信道子载波相互正交，而且可以用同一个射频电路进行调 制或解调，因此可以根据用户在子载波上的衰落情况，自适应地为用户分配子载波，进一 步提高系统的频谱效率。本文将把采用自适应技术的o f d m a 系统称作自适应o f d m a 系 统。 3 、使用灵活的和动态的子信道分配算法，o f d m a 能够满足用户对不同的或可变的数 据速率的需求。 4 、在蜂窝移动通信系统中，无论从小区的初始规划和配置，还是从频谱效率来看， 实现频率复用因子为1 的系统是比较理想的选择。为了把同频道干扰降低到可接受的水平， f d m a 频率复用因子必须大于1 。在o f d m a 系统中，如果引入跳频技术，通过为小区内 的多个用户设计正交跳频图样，不但可以消除小区内的干扰，而且能够构成频率复用因子 为1 的蜂窝系统。 下面介绍宽带无线o f d m 通信系统广泛采用的自适应o f d m a 多址接入方式。在这 种方式下无线资源是一个时频二维结构。在时域方面，无线资源可以划分为多个时隙，每 个时隙由多个o f d m 符号组成：在频域方面，无线资源可以划分为多个子信道，多个子载 波组成一个子信道，子信道的子载波可以是按一定规律间隔( 如等间隔) 分散到整个带宽 上的，这种分配方式称为分布式方式：也可以采用将连续子载波合并为子信道的方式，这种 分配方式称为集中式方式。 分布式方式将分配给一个用户的子载波分散到整个带宽，从而获得频率分集增益。但 这种方式下用户子信道内的子载波之间具有非相关性，故信道估计较为复杂，也无法采用 频域调度。集中式方式将连续子载波组成的子信道分配给一个用户，子信道中的连续子载 个数与信道时延扩展和子载波带宽有关，只要保证子信道中的子载波数是相关的，那么其 一个子信道只需做一次信道估计就可以，故集中方式可以降低信道估计的难度。同时集中 式方式下系统可以通过频域调度( s c h e d u l i n g ) 选择较优的子信道( 用户) 进行传输，从而获 得多用户分集增益。基于频域的多用户分集增益是由于不同用户在同一时刻性能优良的子 信道可能彼此不同，只把条件好的子信道分配给某一用户，并采用自适应调制编码方式， 从而获得最优的无线资源利用率。但这种方式获得的频率分集增益较小，用户平均性能略 差。在多用户o f d m a 系统中，一个时隙中的子信道是一个最小资源划分单位，称为资源 单元。一个资源单元可以分配给任何一个用户，一个用户可以得到多个资源单元，但是同 1 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章多业务o f d m a 蜂窝网络及w l a n 网络简介 一个资源单位不能同时分配给多个用户。其多用户资源分配机制非常灵活。另外还可以根 据用户业务量的大小动态分配资源单元的数量。因而既可以达到很高的系统无线资源利用 率，又, 月a 匕l e , 满足用户业务q o s 需求。图6 是多用户o f d m a 系统自适应资源分配的模型。 图6o f d m a 系统资源分配模型 该模型中假定每个用户都有一个单独的分组队列缓存器，分组以先进先出( f i f o ) 方式 进入队列，同时假定各个用户的信道相互独立。在进行资源分配( 如子信道分配) 前，需 要得到用户业务队列缓存信息及物理信道状态反馈，基于这些信息，资源分配模块选择最 适合的用户使用各子信道。当对某个子信道选择了相应用户后，在单位o f d m 符号内此子 信道上所能承载的比特则由自适应调制编码模块确定。从系统资源分配的角度来说，该模 型既可以用于上行资源分配也可以用于下行资源分配。只不过在进行子信道分配算法时， 需要得知用户的信道反馈信息以及q o s 及缓存队列信息。对于b s 集中控制的蜂窝系统， 下行链路上每个用户业务q o s 及队列信息都是为b s 所知的：而上行链路上这些信息是分布 在用户端不为b s 所知。因此在宽带o f d m a 系统中针对上行链路，研究设计了针对不同 业务类型的上行调度服务机制，这些机制保证用户能够及时有效的报告其业务q o s 信息要 求给b s ，便于b s 进行资源的调度。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章多业务o f d m a 蜂窝网络及w l a n 网络简介 2 3w l a n 技术简介 2 3 1 删概述 随着社会对计算机依赖性的迅速增加，用户要求互连的计算机数量更多，类型也更为 复杂。现代电子技术的发展，使人们可以根据不同的要求选择不同的网络方案，但传统的 有线网络因为受到设计或环境条件的制约，在物理、逻辑和资金方面普遗存在着一系列问 题，所以发展种可行的无线通信网络技术作为现有数据连接的扩充己成为一种迫切需 要，无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 正是在这种背景下产生的。无线局域网是计 算机网络与无线通信技术相结合的产物。从专业角度讲，无线局域网利用了无线多址信道 的一种有效方法来支持计算机之间的通信，并为通信的移动化、个性化和多媒体应用提供 了可能。通俗地说，无线局域网就是在不采用传统缆线的同时，提供以太网或者令牌网络 的功能。 w l a n 与以往的基于蜂窝电话网、专用分组交换网及其他技术的无线计算机通信相 比，有许多本质上的区别。无线局域网是为支持高速突发数据业务而设计的。除了技术类 型的差异以外，不同网络之间的性能也是有差异的。其差别主要在于这三方面因素：用来 传输数据的传输介质、用来连接各种设备的拓扑结构和用以共享资源的介质访问控制方 法。这三方面技术在很大程度上决定了传输数据的类型、网络的响应、吞吐量和效率，以 及网络的应用等各种网络特征。采用无线的连接方式构件局域网，与传统有线的连接方式 有很大的不同，有很多独特的地方。_ 是所用无线的连接方式没有容易观察的绝对的边界， 所以不存在界限分明的覆盖区域，可能导致在某些区域内合法的设备无法正常接入，而非 法的设备却可以轻松的获取信号，而且无法完全避免外界信号( 环境 对于网络的影响。 二是在采用无线连接方式时，其网络通信的稳定性和可靠性要低于有线连接方式，因为无 线传播特性是动态和不可预测的，位置或方向的细小变化都可能导致信号强度的巨大差 异。不管工作站是固定的还是移动的，都有可能出现这样的影响，因为任何移动对象( 物 体) 都有可能影响工作站之间