（通信与信息系统专业论文）无线网络跨层调度算法研究.pdf

山东大学博士学位论文 中文摘要 随着无线网络的快速发展，移动通信用户数和因特网用户数急剧增加，有限 的无线资源与多媒体业务不断提高的服务质量要求之间的矛盾日益尖锐。新一代 无线通信系统不仅要求具有更大的系统容量，还要支持移动多媒体业务传输，即 除了提供话音业务之外，还要支持低高速数据、图象等非话音业务的传输，同时 能够满足不同用户和不同业务的服务质量( q o s ) 要求。无线资源调度技术是无线网 络对用户提供服务质量保障的关键所在。在很多应用场景下，无线信道具有明显 的资源受限和时变衰落特性，传统的基于有线网络或无线静态信道的分组调度算 法无法保证无线网络用户获得很好的q o s 。针对无线网络环境中的无线信道时变传 输特性，设计能够在保证用户q o s 的同时提高无线网络容量的调度算法是当前无 线通信领域的一个研究热点。 本论文以新一代通信系统中最重要的两类无线网络形态为研究背景，分别对 基于i e e e8 0 2 1 6 无线城域网和认知无线电网络的调度算法进行了系统研究，同 时尝试将经济学中的相关理论引用到无线调度算法的设计中，以更好地提高系统 性能和用户对服务质量的评价水平。本论文的研究成果可为下一代无线通信网络 提供高效的跨层调度策略，还可为下一代无线通信系统的标准化提供参考依据。 具体而言，本文的主要研究内容和创新之处在于： 1 研究了i e e e8 0 2 1 6 无线城域网中的跨层资源调度问题。首先深入研究了 i e e e8 0 2 1 6 协议对物理层和m a c 层的详细规范。对物理层的自适应调制编 码技术进行了深入探讨，使传输参数自适应地匹配时变的无线信道，在保 证预先设定的误包率( p e r ) 前提下实现对带宽的高效利用。i e e e8 0 2 1 6 协议在m a c 层定义了四种业务类型，不同业务类型具有各自不同的q o s 需 求，也就是说，调度算法需要在多种业务类型共存的场景中运行。基于上 述分析，提出了一种新颖的跨层调度算法。该调度算法综合考虑无线信道 状态、q o s 满意程度、业务优先级、用户公平因子、队列状态等多个跨层 因素来做出用户选择的决策，在首先保证各用户最d o o s 需求的基础上， 尽力提高系统的整体性能。对于选择出来要接受服务的用户，设计高效的 山东大学博士学位论文 时隙分配算法，根据当前系统资源总量及用户需求为其分配恰当的时隙资 源，避免资源浪费，更好地提高系统性能。 2 研究了认知无线电网络中的跨层资源调度问题。认知无线电技术的出现， 为解决频谱资源不足、实现频谱动态管理及提高频谱利用率提供了强有力 的技术支撑，是未来通信领域的热点技术之一。在认知无线电网络中设计 调度算法，必须充分考虑认知用户对主要用户的功率干扰，以保证主要用 户的q o s 性能不因与次要用户工作在同一区域而受损害。论文采用了机会 调度算法的设计理念，同时对信道状态信息和干扰功率信息进行机会的利 用，使对主要用户干扰功率较大的用户在信道条件较好的情况下进行数据 传输。在此基础上，提出了两种跨层调度算法：基于系统性能联合优化的 调度算法和基于最小性能保证的两步调度算法，实现了在认知用户q o s 性 能没有明显退化的同时显著地降低了认知网络对主要用户的平均功率干 扰。 3 研究了基于投资管理理论的跨层资源调度问题。系统地研究了经济学中的 投资管理理论，并找到了无线资源调度与投资管理理论相结合的结合点， 研究了基于投资管理理论的无线调度算法的应用及性能，并基于无线接入 网络和认知无线电网络分别设计了新颖的跨层调度准则，综合考虑网络性 能与用户需求，为用户提供鲁棒的服务质量保证。 4 研究了基于用户感知服务质量的跨层资源调度问题。将经济学理论中的容 忍区域q o s 模型以及感知服务质量分析理论应用到无线网络调度算法设计 中。对无线网络环境中的用户感知服务质量进行了具体的理论分析并给出 了恰当的管理策略。定义了用户感知服务质量的量化表达式，把用户感知 服务质量当作一个新颖的q o s 参数，并将其作为优化目标来设计高效的跨 层调度算法，有效提高了用户对服务水平的满意度，同时实现了对系统资 源的合理利用。 关键词：资源调度，跨层设计，q o s ，无线城域网，认知无线电，感知服务质量 2 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，m o b i l eu s e r sa n di n t e r n e tu s e r s a r ei n c r e a s i n gd r a m a t i c a l l y , a n dt h ec o n f l i c tb e t w e e nt h el i m i t e dw i r e l e s sr e s o u r c ea n d t h ei n c r e a s i n gq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) r e q u i r e m e n to fm u l t i m e d i at r a f f i c si sb e c o m i n g m o r ea n dm o r es e r i o u s p e o p l ee x p e c tt h a tn e x tg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m sc a np r o v i d el a r g e rc a p a c i t ya n ds u p p o r tm o b i l em u l t i m e d i as e r v i c e s b e s i d e s p r o v i d i n gr e a l t i m es p e e c hs e r v i c e ，n e x tg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r e r e q u i r e d t o s u p p o r t o t h e rs e r v i c e ss u c ha sl o w h i g h r a t e d a t a ，p i c t u r e s e t c h e t e r o g e n e o u ss e r v i c e sh a v ed i f f e r e n tq o sr e q u i r e m e n t s ，f o re x a m p l e ，t h er e q u i r e m e n t s o ft i m ed e l a y , e r r o rb i tr a t e ，a n dt r a n s m i t t i n g r a t ef o rh e t e r o g e n e o u ss e r v i c e sa r e d i f f e r e n t i a t e d i nm a n yc i r c u m s t a n c e s ，p a c k e ts c h e d u l i n gp o l i c i e sd e s i g n e df o rw i r e d n e t 、v o r k s 肌dw i r e l e s ss t a t i cc h a n n e l sa r ei n a d e q u a t ef o rw i r e l e s sn e t w o r k sb e c a u s eo f t l l el i m i t e da n dt i m e - v a r y i n gw i r e l e s sc h a n n e lc a p a c i t y a sar e s u l t ，i ti sa h o tt o p i ci n m ea r e ao fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n st od e s i g nt h ep a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m sb y c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s st i m e v a r y i n gc h a n n e l sw i t ht h eo b j e c t i v e so f p r o v i d i n gq o sg u a r a n t e e st o u s e r sa sw e l la si n c r e a s i n gt h ec a p a c i t i e so ft h ew i r e l e s s n e t w o r k s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ec r o s s 1 a y e rr e s o u r c es c h e d u l i n gt e c h n i q u e si nt h et y p i c a l t w oe m e r g i n gt y p e so fw i r e l e s sn e t w o r k s ，i e e e8 0 2 16b a s e dw i r e l e s sm e t r o p o l i t a n a r e an e t w o r k s ( w m a n ) a n dc o g n i t i v er a d i on e t w o r k s ，a r ei n t e n s i v e l y s t u d i e d e c o n o m i c st l l e o r i e sa r ei n t r o d u c e di n t ot h ed e s i g no fw i r e l e s ss c h e d u l i n ga l g o r i t h m si n o r d e rt oi m p r o v et h es y s t e mp e r f o r m a n c ea n du s e rp e r c e i v e dq o s t h er e s e a r c hr e s u l t s p r o v i d e n e x t g e n e r a t i o n w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s r e f e r e n c ec r o s s 。l a y e r o p t i m i z a t i o ns t r a t e g i e sa n da r eh e l p f u lf o rt h es t a n d a r d i z a t i o ns t u d i e d t h ec o n t e n t so f t h i sw o r ka r el i s t e da sf 0 1 l o w s ： 1 b a s e do nt h ec a r e f u lr e s e a r c ho fi e e e c r o s s - l a y e rs c h e d u l i n ga l g o r i t h ma tt h e 8 0 2 16p r o t o c o l ，w ep r o p o s ean o v e l i e e e8 0 2 16w m a nm a cl a y e rf o r m u l t i p l ec o n n e c t i o n sw i t hd i v e r s eq o sr e q u i r e m e n t s ，w h e r ee a c hc o n n e c t i o n e m p l o y sa m cs c h e m e a tt h ep h yl a y e r b a s e do nt h es p e c i f i e dq o s p a r a m e t e r s ，o u rs c h e d u l e rw i l l f i r s ts a t i s f ya l lt h eq o sr e q u i r e m e n t s ；a tt h e s a m et i m e ，i tu s e st h ew i r e l e s sb a n d w i d t he f f i c i e n t l yb ye x p l o i t i n gm u l t i u s e r d i v e r s i t ya m o n gc o n n e c t i o n sw i t hd i f f e r e n tk i n d so fs e r v i c e sa n df i n a l l ym a k e s 3 山东大学博士学位论文 a no p t i m u mt r a d eo f fb e t w e e nt h r o u g h p u ta n df a i m e s s 2 f o rc r o s sl a y e rr e s o u r c es c h e d u l i n gi nc o g n i t i v er a d i on e t w o r k s ，i nc o g n i t i v e r a d i os y s t e m s ，o n em o r ea s p e c ts h o u l db ec o n s i d e r e dt op r o t e c tt h ep r i m a r y u s e rf r o mh a r m f u li n t e r f e r e n c ew h e nc o g n i t i v eu s e r sa r ew o r k i n gi nt h ev i c i n i t y o ft h ep r i m a r yu s e r p r o v i d i n gi n d i v i d u a lq o sg u a r a n t e e sa n dh y b r i df a i r n e s s f o rm u l t i m e d i as e r v i c e si sa l s oac h a l l e n g i n gi s s u e ，e s p e c i a l l ye x p l o i t i n gt h e s y n e r g yb e t w e e nt h ep h yl a y e ra n dt h em a cl a y e r t h ed e s i g ne s s e n c eo f o p p o r t u n i s t i cs c h e d u l i n ga r ee x p l o i t e dh e r e t h es c h e d u l e rc a nu s e t h ec h a n n e l s t a t ei n f o r m a t i o na n di n t e r f e r e n c ep o w e ri n f o r m a t i o no p p o r t u n i s t i c a l l y a sa r e s u l t ，t h eu s e rw h o s ei n t e r f e r e n c ep o w e r i sl a r g e rw i l lb es c h e d u l e dw h e ni t s c h a n n e lc o n d i t i o ni si ng o o ds t a t e o u rs c h e d u l e rc a nd e c r e a s et h ea v e r a g e i n t e r f e r e n c et ot h ep r i m a r yu s e rw i t he f f i c i e n tb a n d w i d t hu t i l i z a t i o na n d w i t h o u ts i g n i f i c a n t l yd r o p p i n gt h eq o s 3 w ep r e s e n tn o v e lc r o s s l a y e rs c h e d u l i n gs t r a t e g i e sb a s e do np o r t f o l i o o p t i m i z a t i o n f o r m u l t i p l e c o n n e c t i o n si nw i r e l e s sa c c e s sn e t w o r k sa n d c o g n i t i v er a d i on e t w o r k s ，f i n dt h ew a y t oi n c o r p o r a t et h ep o r t f o l i ot h e o r yi nt h e d e s i g no fw i r e l e s sr e s o u r c es c h e d u l i n g ，a n di n v e s t i g a t et h ea p p l i c a t i o na n d p e r f o r m a n c eo fp o r t f o l i oo p t i m i z a t i o n b a s e ds c h e d u l i n ga l g o r i t h m e a c h c o n n e c t i o na d m i t t e di nt h es y s t e mi sa s s i g n e dap r i o r i t y , w h i c hi su p d a t e d d y n a m i c a l l yb a s e d o ni t sc h a n n e lq u a l i t y , q o ss t a t u s ，s y s t e ms p e c i f i c c o n s i d e r a t i o n sa n du s e rp r e f e r e n c e s t h ep r o p o s e ds c h e m e sc a na c h i e v ea d e s i r e dq o sl e v e la n dp r o v i d ef l e x i b i l i t yi ns e t t i n gu s e rp r e f e r e n c el e v e l s 4 f o rc r o s sl a y e rr e s o u r c es c h e d u l i n gb a s eo nu s e rp e r c e i v e dq u a l i t yo fs e r v i c e ， w ei n c o r p o r a t et h et o l e r a n c er e g i o nb a s e dq o sm o d e la n dt h ea n a l y s i st h e o r y o fu s e rp e r c e i v e dq u a l i t yo fs e r v i c ei n t ot h ed e s i g no fw i r e l e s sr e s o u r c e s c h e d u l i n g u s e rp e r c e i v e dq o si nw i r e l e s se n v i r o n m e n ti sw e l li n v e s t i g a t e d ， a n dt h ec o r r e s p o n d i n gp o l i c yi sg i v e n w er e g a r du s e rp e r c e i v e dq o sa sa n o v e lq o sp a r a m e t e r , a n dm a k ei ta st h eo p t i m i z eo b j e c t i v et od e s i g nt h ec r o s s l a y e rs c h e d u l i n ga l g o r i t h m t h ep r o p o s e ds c h e m e sc a nc l e a r l yi m p r o v et h e d e g r e eo fu s e rs a t i s f a c t i o n ，a n da tt h es a m et i m eu s et h ew i r e l e s sr e s o u r c e e f f i c i e n t l y k e yw o r d s ：r e s o u r c es c h e d u l i n g ，c r o s sl a y e rd e s i g n ，q o s ，w m a n ，c o g n i t i v er a d i o n e t w o r k s ，u s e rp e r c e i v e dq o s 4 山东大学博士学位论文 b s s s a m c s n r w p a n w l a n 删 w w a n b a s es t a s i o n s u b s c r i b e rs t a t i o n 符号说明 a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g s i g n a l t o 。n o i s er a t i o w i r e l e s sp e r s o n a l a r e an e t w o r k w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k w i r e l e s sm e t r o p o li t a na r e an e t w o r k w i r e l e s sw i d ea r e an e t w o r k 基站 用户站 自适应调制编码 信噪比 无线个域网 无线局域网 无线城域网 无线广域网 w i m a xw 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 全球微波接入互操作性 o f d m 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 f d m a 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 ea c c e s m a c p h y o o s p e r g p s f i f o r r t d m t d m a v o l p f t p c s m a c r i t c i d m e d i aa c c e s sc o n t r o l p h y s i c a ll a y e r q u a l i t yo fs e r v i c e p a c k e te r r o rr a t e g e r n e r a liz e dp r o c e s s o rs h a rin g f i r s ti nf i r s to u t r o u n dr o b i n t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s v o i c eo v e ri n t e r n e tp r o t o c o l f i l et r a n s f e rp r o t o c o l c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s c o g n i t i v er a d i o i n t e r f e r e n c et e m p e r a t u r e c o n n e c t i o ni d e n t i f i c a t i o n 正交频分复用 s 正交频分多址 媒体访问控制层 物理层 服务质量 分组差错率 通用处理器共享 先进先出的排队策略 轮询 时分复用 时分多址 网络电话 文件传输协议 载波侦听多路访问 认知无线电 干扰温度 连接序号 5 p u s u o o p b w a p f 6 p r i m a r yu s e r s e c o n d a r yu s e r 山东大学博士学位论文 o u a l i t yo fp e r c e p 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 p r o p o r ti o n a lf a i r n e s s 主要用户 次要用户 感知服务质量 宽带无线接入 比例公平 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：导师签名： 日 期：啤j7 山东大学博士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 随着无线通信技术的飞速发展，当前的无线通信系统同时面临着用户数量迅 速增加和用户对各种多媒体服务要求不断提高这两项重要挑战。随着无线网络技 术的突破以及因特网业务的飞速发展，人们对通信业务的需求逐渐由单纯的语音 通话转化为希望网络中能够承载复杂的混合业务，诸如音频、视频、数据等等。 不同业务有不同的服务质量( q o s ) 要求，如对时延、误比特率、数据速率的要求不 同。人们期望新一代移动通信系统不仅具有更大的容量，还要能够支持移动多媒 体业务，不仅能够最大化网络的资源利用率，还能够为不同业务提供满意的服务 质量。 随着人们对业务服务质量要求的提高以及对业务多样性需求的不断增长，以 话音业务为主的第二代移动通信系统己不能满足需要，正逐步向着有更高发送速 率、更大容量、服务更灵活、能够提供分组数据业务的第2 5 代、第3 代移动通 信系统演进。这些业务的空中接口数据速率将达到3 8 4 k b p s 乃至2 m b p s ，而后3 代 或者第四代移动通信系统空中接口数据速率甚至可达到l o o m b p s 或更高 卜5 。然 而，相比与网络用户的几何级数增长以及多媒体业务的日益普及，硬件设备的扩 容和技术更新较为缓慢，带宽、频谱、缓冲等网络资源相对匾乏，不能满足日益 增长的用户需求 6 。因此，我们在憧憬无线高速多媒体时代即将到来的同时，也 应充分意识到大用户量、多种业务并存和高速数据传输给未来无线网络带来的潜 在挑战。 上述问题促使业界开始探讨下一代无线通信系统( 即通常所说的4 g 系统) 7 ， 目标是要求无线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 方，不同环境为用户量身定制高质量的个性化服务。目前4 g 系统的主要研究方向 可以归为两类。一类是通过高级的通信信号处理技术来提高无线单链路的容量和 可靠性，例如w i m a x 8 和l t e 9 中都采用的o f d m 技术、m i m o 技术、逼近香农限 7 山东大学博士学位论文 的信道编码技术等。然而，这些新颖的信号处理算法虽然能够取得比较好的性能， 但终究无法突破无线信道的香农容量限，并且再取得较大的性能提高非常困难， 同时为了保证鲁棒性，这些算法往往非常复杂，这也就使得收发机变得很复杂， 引起体积变大，功耗增加等不利于实际应用的缺点，因此对无线网络性能的提高 非常有限。另外一类方法则采用另一种思路，它将无线网络当作一个整体，综合 考虑无线信道特征和多媒体业务的特性，通过先进的无线资源调度策略来提高网 络的整体容量以及对多媒体业务q o s 的支持能力j 这种方法对无线单链路性能要 求相对较低，其复杂度主要体现在无线资源管理算法的软件上，而随着计算机技 术和微处理器技术的飞速进步，这种软件方法的代价明显要比前面硬件方法的代 价要低得多，因此第二种方法被广泛的认为有非常大的发展潜力。事实上，近十 年来，第二种方法已经成为目前无线通信界最炙手可热的研究课题 1 0 ，并取得 了非常大的进步。本文的工作也集中在第二种方法上。 到目前为止，人们对有线网络的资源调度问题的研究己比较成熟。由于有线 链路具有传输带宽恒定的性质，基于有线网络的分组调度算法能够在任意短的时 间内为所有业务流提供明确的吞吐量和时延保证，从而使有线网络用户能够获得 很好的q o s 1 1 ，1 2 。然而，无线网络同有线网络相比具有很多特殊性，我们很难 将针对有线网络设计的分组调度算法直接移植到无线网络环境当中。因此，对无 线网络分组调度算法展开深入研究十分必要。在研究过程中必须充分的考虑无线 网络的特殊性，具体来讲，主要存在以下几方面的问题 1 3 ： ( 1 ) 无线链路的可变性 无线网络和有线网络最大的不同就是传输链路的可变性。依靠高质量的传输 媒质，有线网络中的数据包有非常低的误码率。然而由于干扰、衰减等因素，无 线信道的质量有很高的可变性。在某些高突发错误的状态下，一个无线链路有可 能恶化到一个数据包都不能成功的传送。除了时间依赖性外，无线链路的质量还 有位置依赖性。在同一时间，基站可和几个不同的移动台进行通信。由于不同的 位置，一些移动台可以和基站进行无错的通信，然而其它一些移动台可能根本不 能进行通信。此外，移动台的移动性也增加了传输链路的可变性。基于此，无线 链路的调度算法必须考虑传输链路这种依赖于时间和位置的可变性。由于在无线 网络中带宽资源非常宝贵，因此一个有效的无线调度算法应该充分利用无线链路 8 山东大学博士学位论文 的可变性，尽量提高无线信道的利用率和服务提供的有效性，减少在错误链路上 的无效传输。 ( 2 ) 公平性保证 在有线网络中，调度的公平性通常是致力于确保业务流某一确定的服务速率， 并且确保不受来自其他不同业务流的干扰。因为有线媒质可以考虑是无错的，所 以对于一个流来说，分配的服务速率就是实际的接受速率 1 4 ，1 5 。然而公平性问 题在无线网络调度中更加复杂一些。例如，根据某一服务规则或公平准则( 均独立 于链路状态) ，调度算法安排一个分组进行传输，假设链路正好处于错误状态，若 此时发送则该分组会遭到破坏从而浪费发送资源，在此情形下，推迟这个数据包 的发送到该链路从错误状态中恢复过来为止是一个合理的选择。该分组所在的业 务流因此临时失去了发送带宽分配的份额，为确保公平性，该业务流在后来链路 恢复时应该获得相应的补偿。然而确定如何进行补偿不是一件容易的事情。此外， 公平性的粒度例如短期公平性和长期公平性是影响调度策略的另一个因素。 ( 3 ) o o s 保证 宽带无线网络可以为不同类型的业务提供服务，对这些不同类型的业务需要 提供不同的q o s 。因此，调度算法应当结合相应的q o s 支持机制，以保证不同业务 获取了不同的q o s 支持。在不同的调度模型中，保证o o s 的机制也是不一样的。 当然，保证一个信道质量频繁降级的链路上的业务的q o s 有一定困难，然而只要 其物理信道质量的恶化不超出一定的门限，对于在其上的业务的q o s 应该尽力加 以保证。 ( 4 ) 跨层设计 传统的分层网络协议对于有线网络是非常成功的，这是因为在有线网络中， 物理层、链路层和网络层等彼此之间独立并不互相影响。然而在无线网络中提供 q o s 支持的情况却有本质的不同，这是因为无线信号传输介质是不可靠的，带宽紧 缺并且信号以广播的形式传输，因此，无线网络中冲突、用户间干扰、信号衰落 的情况远远比有线网络严重。在这种情况下，无线网络中任何一层协议都会对其 它层造成很大的影响，如果继续分层独立地设计无线网络协议必定不会得到网络 的最优性能，因此需要跨层设计 1 6 。跨层设计并非完全否定传统无线网络的多 层协议，而是模糊严格的层间界限，将分散在各个子层的特性参数协调融合，保 9 山东大学博士学位论文 证无线网络整体性能的最优。 基于下一代无线网络的特殊性设计有效的调度算法，对解决用户不断提高的 服务质量要求与无线资源稀缺性之间的矛盾有重要意义。本文的研究重点就是为 下代无线网络设计高效的无线资源调度策略，下面将简要介绍一下与本论文相 关的一些技术背景和研究现状。 1 2 无线网络概述 当今的无线移动通信网络，是以移动通信网和无线接入网两个方向并行发展。 从以g s m 、c d m a o n e 及u s - t d m a 、日本的p d c 为代表的2 g 到以g p r s 、c d m a2 0 0 0l x 为代表的2 5 g ，再到以w c d m a 、c d m a2 0 0 0l xe v - d o 和我国提出的t d s c d m a 为代 表的3 g 以及b 3 g ，移动通信网在近年来经历了飞速的发展。与此同时，随着数字 移动通信的兴起，无线接入的无线调制解调器也开始进入市场，无线接入也由无 线调制解调器、无线本地环、无线局域网( i e e e8 0 2 1 1 ) 转向宽带无线接入( i e e e 8 0 2 1 6 、i e e e8 0 2 2 0 ) 发展，向移动用户提供分布的多媒体业务，保证人们在家 庭、社区、城市范围内都可以随时随地通过无线方式方便的接入因特网。本文重 点关注的就是无线移动通信网络中两种最为重要和最具潜力的网络：i e e e8 0 2 1 6 无线城域网和认知无线电网络。下面分别对这两种网络进行简要的介绍。 1 2 1le e e8 0 2 16 无线城域网 从2 0 世纪8 0 年代开始，宽带无线接入技术得到了迅速发展。在该领域，按 照网络覆盖范围的大小可以分为无线个域网( w p a n ，w i r e l e s sp e r s o n a la r e a n e t w o r k ) 、无线局域网( w l a n ，w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 、无线城域网 ( w m a n ，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 ) 、无线广域网( w w a n ，w i r e l e s s w i d ea r e an e t w o r k ) ，各个标准组织也制定了相应的宽带接入标准。国际电气电 子工程师协会组织( i e e e ) 制定了一整套完备的无线接入网络标准，即8 0 2 1 1 、 8 0 2 1 5 、8 0 2 1 6 、8 0 2 2 0 。该系列标准保证了人们在家庭、社区、城市范围内都 可以随时随地通过无线方式接入因特网。其中无线城域网系列标准i e e e8 0 2 1 6 凭借其更大覆盖范围，更高速率的数据传输技术而成为当前研究的重点领域。 无线宽带城域网的推出是为了满足日益增长的宽带无线接入( b w a ) 市场需求， 它的出现可以解决传统的有线、无线接入网络中存在的固有弊病。例如有线网络 1 0 山东大学博士学位论文 的布网复杂、难于管理、无线局域网覆盖范围小、接入速度低、服务质量得不到 保证等问题。多年来i e e e8 0 2 1 l 系列无线局域网技术一直与其他许多专有技术 一起被用于无线宽带接入，并获得很大成功，但是无线局域网的总体设计及其提 供的特点并不能很好地适用于室外的无线宽带接入。首当其冲的是无线局域网的 覆盖范围小。无线局域网的设计要求是低功耗，因此必然限制了通信距离。8 0 2 1 1 中的o f d m 是按照系统覆盖数十米或几百米设计的，而8 0 2 1 6 被设计成高功率， o f d m 可覆盖数十公里。 8 0 2 1 6 系统还可以解决传统网络的服务质量保证问题。无线局域网采用冲突 避免的协议。c s m a c a 从本质上说，是时分复用技术和c s m a c d 的组合，其随机访 问特性，保证它在协议层、带宽共享和物理信道特性方面性能可靠。但是该协议 在设计之初并没有考虑到不同服务的q o s 要求特性。8 0 2 1 l e 在这方面弥补了原来 8 0 2 1 1 协议的不足，在保证不同服务的q o s 要求方面对原协议做了很大改进。 8 0 2 1 1 e 可为数据、语音、视频提供不同的传输质量。但是，8 0 2 1 l e 对不同业务 提供不同的o o s 的原理还是基于无线信道的竞争，只是高优先级的业务竞争到无 线信道的机会要大于低优先级的业务，所以这种q o s 机制不能完全保证不同业务 的o o s 需求。而8 0 2 1 6 在设计之初就为不同的业务提供了很好的q o s 保证机制。 在8 0 2 1 6 中，将实际中的业务分为4 类，分别是u g s 、r t p s 、n r t p s 和b e 。u g s 服务流类型适合于像v o l p 业务的应用、r t p s 服务适合如视频流m p e g 服务，第三 类服务流类别n r t p s 适合于非实时、报文长度可变的报文流，如f t p 下载，最后 一类业务流b e 适合传统的尽力而为业务。8 0 2 1 6 为这些不同的服务流设计了相应 的调度机制，所以在该协议设计之初就提供了对实际网络中不同类型业务流的q o s 保证。 为了促进标准的发展完善和市场推广，世界知名通信企业联合发起了 w i m a x ( w o r l di n t e r o p e r a b ilit yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ，全球微波接入互操作性) 论坛 1 7 ，在全球范围内推广i e e e8 0 2 1 6 协议。全球微波接入互操作系统由众 多业界领先的通信组件公司及设备制造商共同组建，这个组织的目的就是对基于 8 0 2 1 6 标准的宽带无线接入产品进行一致性和互操作性认证。通过该组织认证的 产品符合标准的要求，具有一致性和互操作性，可用于宽带无线接入的应用。2 0 0 7 年1 0 月1 9 日，国际电信联盟( i t u ) 批准w i m a x 标准成为i t u 移动无线标准，由此 山东大学博士学位论文 可见在无线移动通信技术领域，w i m a x 势必将成为未来全球通信架构中的一个重要 组成部分。 1 2 2 认知无线电网络 随着飞速演进的无线技术不断朝着宽带化、无缝化、智能化等趋势发展，尤 其是随着卫星通信网络( s a t e l l i t en e t w o r k ) ，无线局域网( i e e e8 0 2 1 1 ) ，无线 城域网( i e e e8 0 2 1 6 ) ，无线广域网( 2 g 、3 g 网络) 和无线个域网( 如b l u e t o o t h ) 等无线接入技术的发展 1 8 ，越来越多的人以无线的方式接入互联网。这些无线 接入系统都是针对特定的业务类型和用户群体而专门设计的，所以在接入技术、 覆盖范围、可用带宽、资费水平以及对用户移动性的支持和o o s 保证方面都存在 很大的差异。由于现有的这些无线接入系统在很多区域都是重叠覆盖的，所以可 以将这些互相重叠，不同类型的无线接入系统智能地结合在一起，共同为用户提 供随时随地的无线接入，从而构成了所谓的异构无线网络( h e t e r o g e n r o u s w i r e l e s sn e t w o r k ，h w n ) 1 9 。异构无线网络中存在多种类型的无线技术、网络 组网形式以及多个可以接入的设备，从而也为无线资源调度提供了新的内容以及 更高的灵活性。 在无线通信的技术发展上我们不得不面对的瓶颈之一与挑战之一就是频谱资 源的不足。无线信道是一种共享媒体，数据包的传输会引起接收机附近节点的干 扰，甚至引起一个网络对另一个网络的干扰，这样就会严重地影响资源利用率。 同时，现有的静态频谱分配策略有时候可能会让某些低效的通信链路长期占据频 谱资源，从而造成所谓的频谱空洞 2 0 ，2 1 ，同时也可能会使某些频谱的使用争竞 相当激烈，从而引起整个网络的低效率。因此在异构无线网络中不同的网络如何 有效共享和利用无线频谱资源成为一个重要问题。 为了解决上述问题，m i t o l a 于1 9 9 9 年发表的一篇论文中 2 2 ，对软件无线电 做了进一步扩展，提出一种叫做认知无线电( c o g n i t i v er a d i o ) 的新颖概念来增强 对无线业务支持的灵活性。随后美国联邦通信委员会在2 0 0 2 年的一篇