（通信与信息系统专业论文）基于ieee80216的无线资源分配和节能控制策略研究.pdf

浙江大学硕十学位论文 摘要 宽带无线接入技术作为下一代通信网中最具发展潜力的接入技术之一， 正受到业界越来 越多的关注。 工 e e e 8 0 2 . 1 6 系列规范 ( 也被称为w i m a x ) 的 制定， 就是为了 适应宽带无线接入 的快速发展，并为之提供一个全球统一的标准。 本文的研究工作主要基于i e e f 8 0 2 . 1 6 d 标准。 为了 迎接高用户量、 高数据传输量和多种 业务并存给网络无线资源管理策略带来的挑战， 提高的系统性能， 本文将主要从资源分配和 节能控制两个角度入手进行研究。 主要的研究手段是数学推导和仿真， 仿真工具采用ma t l a b 和 o p n e t . 工 e e e 8 0 2 . 1 6 可以 使用多种物理层模式， 其中的o f d m 和o f d m a 模式都是基于o f d m 技术 本文关注o f d m a 模式下的下行资源分配问题。 根据现有的算法， 基站可以按照用户的服务质 量 ( q o s ) 和信道情况自 适应地将子 载波、比 特和功率分配 给不同的 用户， 使发射总功率最 小， 以 达到远高于传统多用户方式的功率效率和系统容量。 然而这些已 有算法都隐含地假设 了 一种线性环境，即 在发射端没有功率 或者说信号 幅度)限制。实际的o f d m系统却往 往很难保证这一点。 在非线性的系统里， 这些算法性能将可能受到影响， 用户也将无法获得 要求的q o s 。 本文将讨论这种自 适应的o f d m a系统中非线性对用户最终信噪比的影响， 并提出一种在保证用户 q o s 前提下最小化发射功率的资源分配算法， 之后通过仿真结果来 研究非线性对o f d n、 系统性能的影响 由 于终端的可移动性， 如何节约能量和延长待机时间是设计中的又一个重要问题。 本文 根据i e e e 8 0 2 . 1 6 协议t d d模式下物理层的 特点， 提出一种针对数据业务的节能控制协议， 当只有下行业务时， 终端根据其业务量自 适应地调整休眠时间的长度， 在休眠结束时立即 侦 听寻呼信道以便接收信息。 这种协议可以 将终端侦听寻呼信息所消耗的能量减少到最少， 其 代价是包的时延增大， 并可能导致基站的包缓存队列溢出。 但是算法可以通过适当设定休眠 时间的氏 度保证溢出 概率在允许的 范围内。 因为牺牲了时 延性能， 本协议适用于非实时性的 数据业务。 最后， 为了适应动态的网络环境， 增加了一种流量预测机制， 使得休眠时间可以 根据流量状况动态 调整，以 满足队列溢出率的要求。仿真表明， 该协议的节能效果显著。 关键词:宽带无线接入， 8 0 2 . 1 6 , o f d m ， 无线资 源管理 浙江大学硕士学位论文 ab s t r a c t a s o n e o f t h e m o s t p r o m is i n g t e c h n o lo g y in t h e n e x t g e n e r a t io n c o m m u n i c a t io n n e t w o r k , b w a ( b r o a d b a n d wi r e l e s s a c c e s s ) h a s d r a w n m u c h a tt e n t i o n a n d b e c a m e a h o t s p o t o f r e s e a r c h i n g . t h e i e e e 8 0 2 . 1 6 s t a n d a r d is p r o p o s e d a s a w o r l d s t a n d a r d o f b wa . o u r w o r k is b a s e d o n i e e e 8 0 2 . 1 6 s t a n d a r d . t o e n h a n c e t h e s y s t e m p e rf o r m a n c e t o c o n f r o n t t h e c h a lle n g e o f s u p p o rt i n g m o r e u s e r s a n d p r o v id i n g h ig h e r r a t e a n d m u lt i p le s e rv ic e s i n f u t u r e n e t w o r k s , w e m a k e r e s e a r c h i n p e r s p e c t iv e o f r a d io r e s o u r c e m a n a g e m e n t , m a i n ly o n t w o s p o t s : r e s o u r c e a l lo c a t io n a n d e n e r g y c o n s e rv i n g . i e e e 8 0 2 . 1 6 s p e c if i e s s e v e r a l p h y s ic a l la y e r m o d e s , a m o n g w h ic h , o f d m a n d o f d m a m o d e s a r e b o t h b a s e d o n o f d m t e c h n o lo g y . i n t h is w o r k , w e f i r s t i n v e s t ig a t e d o w n l in k r e s o u r c e a l lo c a t io n p r o b le m in o f d m a m o d e . a c c o r d i n g t o p r e s e n t a lg o r i t h m s , t o im p r o v e s y s t e m c a p a c it y , t h e b a s e s t a t i o n m a y a d a p t iv e l y a l lo c a t e s u b c a r r ie r , b it , a n d p o w e r t o u s e r s b a s e d u p o n t h e i r q u a lit y o f s e rv ic e ( q o s ) r e q u ir e m e n t a n d c h a n n e l c o n d i t io n s . t h e r e s u lt e d o f d m s ig n a ls a r e m o r e s u b j e c t t o n o n - l in e a r it y w h ic h m a y c a u s e s ig n a l a m p lit u d e c l i p p i n g a n d d e g r a d e s a l l u s e r s q o s g r a n t e d b y t h e r a d io r e s o u r c e a llo c a t o r . t h is w o r k w il l s t u d y t h e i n f lu e n c e o f n o n - li n e a r it y o n t h e fi n a l s n r p e rf o r m a n c e s i n s u c h a s y s t e m , a n d p r o p o s e a n o v e l r e s o u r c e a l lo c a t io n a lg o r it h m c o n s i d e r i n g t h e n o n - lin e a r it y o f p r a c t ic a l t r a n s m itt in g s y s t e m . t h e s y s t e m p e rf o r m a n c e i s s i m u la t e d a n d c o m p a r e d w it h t h a t o f a n id e a l s y s t e m w h ic h h a s n o n o n - lin e a r i坏 a n o t h e r m a j o r is s u e i n t o d a y s w ir e le s s n e t w o r k s is t h e lim it e d e n e r g y o f t h e c o m m u n i c a t i o n d e v ic e s . i n t h is w o r k , a n e n e r g y - c o n s e rv i n g p r o t o c o l w h ic h c o m p lie s w it h t d d m o d e o f i e e e 8 0 2 . 1 6 s t a n d a r d is p r o p o s e d . t h is p r o t o c o l i s a p p l i c a b le t o d o w n li n k d a t a s e rv ic e . t h e b a s e s t a t io n b u ff e r s d a t a p a c k e t s f o r e a c h m o b i le s t a t io n ( m s ) , a n d p a g e s t h e m o n p a g in g c h a n n e l . a s s o o n a s t h e m s w a k e s u p f r o m s le e p in g m o d e , it t u r n s o n r e c e iv e r . if t h e r e is a p ie c e o f in f o r m a t i o n f o r t h a t m s , it t r i e s t o a c c e s s t h e n e t w o r k a n d r e c e iv e p a c k e t s . wh e n t h e r e is n o p a c k e t le ft i n b u ff e r q u e u e , t h e m s s w it c h e s t o s le e p i n g m o d e . t h i s p r o t o c o l m a y s a v e e n e r g y a t e x p e n s e o f p a c k e t d e la y p e rf o r m a n c e a n d t h e p r o b a b i lit y o f q u e u e o v e rf lo w . b y s e tt i n g t h e s le e p i n g t i m e p ro p e r ly , t h e o v e rf l o w p r o b a b il it y c a n b e r e d u c e d t o a r e q u ir e d l i m it . s im u la t i o n p r o v e s t h e a n a ly t ic a l r e s u lt s a n d s h o w s a s ig n if ic a n t i m p r o v e m e n t o f e n e r g y - c o n s u m i n g p e rf o r m a n c e . k e y w o r d s : b r o a d b a n d wi r e l e s s a c c e s s , 8 0 2 . 1 6 , o f d m , r a d i o r e s o u r c e m a n a g e me n t 浙江大学硕士学位论文 第一章 绪论 城域网 ( m e t r o p o l i s a r e a n e t w o r k ,简称 m a n )通常是指规模局限在一座城市范 围内的区域性网络， 覆盖范围介于 1 0 、。 。 公里之问。 城域网的速度比 广域网快， 符合 宽带趋势，与局域网 相比，又具有覆盖范围 大的 优点。2 1 近年来， 无线城域网标准和 技术成为研究热点。 本章主要介绍无线城域网标准 i e e e 8 0 2 . 1 6 和一些贯穿本文的无线 网络中的基本概念，最后是本文的主要贡献和结构安排。 1 . 1无线城域网标准 i e e e 8 0 2 . 1 6 当今电 信骨干网己 经实现了 使用密集波分复用( d w d m ) 的光纤大容量高速率传输， 但是在 接入到最终用户的 “ 最后一公里”接入网络中， 主要使用的技术是有线接入方式， 例如光纤、 使用电 缆调制解调器的同轴电 缆和数字用户线路( x d s l等。 由 于铺设有线线路的 基础建设费 用庞大、 工期较长， 另外在一定的 地理环境下很难实现， 缺乏灵活性， 所以 宽带无线接入产 业发展非常迅速。宽带无线接入( b w a ) 是指从公用电信网的交换结点到用户驻地网或用户终 端之间的全部或部分传输设施， 采用宽带无线手段的接入技术， 即用宽带无线传输代替接入 网的全部或部分， 向 用户终端提供电话或数据服务。 宽带无线接入技术作为下一代通信网中 最具发展潜力的接入技术之一， 正受到业界越来越多的关注。 i e e e 8 0 2 . 1 6 系列规范 ( 也被称 为w i m a x )的 制定，就是为了 适应宽带无线接入的快速发展，并为之提供一个全球统一的标 准。 工 e e e 8 0 2 . 1 6 对2 - 6 6 g h z 频率范围内 无线接入系统的 底层标准作出 规范， 包括物理层和 媒体接入控制层标准， 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， 具有广阔的应用前景: 在缺乏线缆资源的城市中， 在业务量集中、 用户群集中的地区， 运营商尤其是新兴运营 商可以 通过8 0 2 . 1 6 技术为企业用户和集团用户提供高带宽的数据和语音接入服务， 解决 长期以来受制于线缆资源而无法发展新用户的困扰。 在临时的展会和会议场所， 8 0 2 . 1 6 无线技术可为临时活动提供即时可配置的“ 按需” 高速 连接， 并能在极短时间内根据用户需求改变服务等级， 活动结束后还可迅速改变无线网 络拓扑结构。 服务提供商利用8 0 2 . 1 6 技术实现了以 较短时间、 低廉的成本提供可媲美有 线解决方案速度的服务。 在农村和人口 密度较低的偏远地区，8 0 2 . 1 6 无线技术是服务提供商向用户提供i n t e m e t 接入服务和语音服务的最佳选择 相对于需要花费大量人力物力铺设有线基础设施的有 线解决方案，8 0 2 . 1 6 网络初始投资更少，网络部署和业务开展更为迅速。 浙江人学硕士学位论文 8 0 2 . 1 6 无线城域网与8 0 2 . 1 1 无线局域网相结合， 实现室外远距离无线连接与室内高速数 据连接的结合，将无线网络从局域网扩展到城域网。 8 0 2 . 1 6 e 技术对移动性的支持，使得用户可以获得漫游和切换服务，在非归属地也能灵 活地接入到当地的宽带网络。 这种应用是8 0 2 . 1 6 技术对3 g 网络服务的最大竞争方式， 它 可提供的数据业务带宽是3 g网络服务的几倍甚至十几倍。 8 0 2 . 1 6 无线技术作为下一代宽带无 线网 络的经济新增长点，受到了芯片)商的高 度重 视，i n t e l 公司已 经计划在2 0 0 4 年下半年大规模推出符合8 0 2 . 1 6 标准的集成芯片，这为该技术 形成良 好的产业链打下了 稳定的关键一环。 在标准化和市场化工作取得很大进展的同时， 8 0 2 . 1 6 技术想要在未来的无线通信网络中取得类似蜂窝移动通信的巨大成功， 还有很多工作 要做，有漫长的路要走。以下是仍在进行的工作和待解决的一些问题: 继续完善8 0 2 . 1 6 无线技术的 标准化工作。目 前，已 有的 无线接入系统由 于缺乏标准， 价 格相对较为昂贵， 技术的标准化可以极大降低设各成本， 建立良 好的产业链。 但目 前在 8 0 2 . 1 6 无线技术的 标准化过程中， 仍有一些技术细节尚 未得到解决， 这在一定程度上滞 后了该技术的发展。 频谱分配策略和频谱兼容问 题。8 0 2 . 1 6 技术主要工作在2 -1 1 g h z 的许可频段，在网络 部署时需要获得政府部门的频率许可。政府无线管理部门 所采取的频谱分配策略对 8 0 2 . 1 6 技术的发展有着决定性的作用。 8 0 2 . 1 6 无线技术应与其它技术相结合，为用户提供更加方便灵活的服务。 众所周知， 没 有一种宽带接入技术能够惟一占 据市场， 每一种技术均有其各自 最适合的应用场合。 在 同一区域， 多种宽带接入技术将会共存， 应当努力做到多种技术优势互补， 通过集成这 些技术，为用户无缝、透明的提供高度灵活的服务。 互操作性问 题。 解决不同厂商设备之间的兼容性和互操作性问 题， 是推动宽带无线网络 部署的巨 大 动力， 8 0 2 . 1 6 无线技术也 不 例外。 w i m a x ( 全 球微波接 入互操作 性论坛) 正 致 力于解决在宽带无线接入系统间实现互操作性， 推广i e e e 8 0 2 . 1 6 标准设备在运营商的宽 带无线接入系统中的应用。 进一步降低设备价格， 用户设备更加易 于安装、 使用和维护。 价格是决定宽带无线接入 技术能否取得成功的关键因素之一。同时，对于i e e e 8 0 2 . 1 6 这样的宽带无线接入技术 用户设备能否易于安装和使用也是其能够大规模应用的重要影响因素。 向 移动网 络的平滑过渡。 8 0 2 . 1 6 固定无线接入技术与现有的其他固 定无线接入技术在应 用场合上有很大的 相似性， 虽然标准化的空中接口、 更高的传输速率等级和更远的覆盖 范围使其据有一定的技术优势，但是真正能够吸引运营商特别是固定网络运营商的是 8 0 2 . 1 6 技术能够从固定无线接入网络平滑过渡到移动网络。 因此， 积极研究8 0 2 . 1 6 e 技术 开发其对移动业务的支持能力，是8 0 2 . 1 6 技术是否能最终获得成功的关键。 浙江大学硕十学位论文 1 . 1 . 1 i e e e 8 0 2 . 1 6 系列标准的发展概述 工 e e e 8 0 2 l a n / m a n ( 局域网/ 城域网) 标准委员会于1 9 9 9 年7 月开始公开讨论全球统一的 无线宽带城域网接入标准， 以 解决可以 高速无线接入到家庭和企业的“ 第一英里” 或是 “ 最 后 一 英里” 接入问题。此委员会下的主要工作组及其解决的方案有: i e e e 8 0 2 . 1 6 规范了使用1 0 - 6 6 g h z 频段的p i fy 和m a c 层标准，; 卞 特别在m a c 层中定义了 一个用来鉴权加密和密钥管理的加密子层，系统通过固定的、点到多点( p m p ) 的基 站( b s ) 和用户模块( s s ) 进行无线接入，工作在视线传输环境下，最终规范于2 0 0 1 年1 2 月通过，并于2 0 0 2 年4 月正式公布。 i e e e 8 0 2 . 1 6 . 2 增补方案，解决1 0 - 6 0 g h z 频段内 系统的 共存性问 题的 建议方案， 对 如何减少系统间的相互干扰提供了指导方针， 为系统的设计、 配置、 协调和频率使 用提出了解决方案， 2 0 0 1 年6 月1 4 日 通过， 2 0 0 1 年9 月1 正式公布。 i e e e 8 0 2 . l 6 a 针对2 - 1 1 g h z 的需要申 清 频段的p h y 和m a c 层增补方案， 该协议支持网 状( m e s h ) 网络结构， 系统可以工作在非视线环境下， 可以 抵抗复杂的多径干扰， 于 2 0 0 3 年1 月 2 9 日 通过，2 0 0 3 年4 月1 日 正式公布。 i e e e . 1 6 c给出了1 0 - 6 0 g h z 频率下详细的系统p r o f i l e ，于2 0 0 2 年1 2 月通过。 i e e e 8 0 2 . 1 6 d给出了2 - 1 1 g h z 频率下详细的系统p r o f i l e 和一些勘误。 工 e e e 8 0 2 . 1 6 e该工作组于2 0 0 2 年3 月成立， 主要的任务是针对移动宽带无线接入 ( m b w a ) 空中接口的规范。 1 . 1 . 2 协议的框架和分层结构 工 e e e 8 0 2 . 1 6 标准定义了固 定宽带无线接入系统的空中无线接口 部分，包括物理层( p h y ) 和介质接入控制层( m a c ) 的详细规范，并在m a c 和p i l y 层之间加入了一个用来进行鉴权加密和 密钥管理的加密子层，以增强无限链路传输信息的安全性。图1 . 1 表示了协议的层次结构， 其中 s a p 是s e r v i c e a c c e s s p o i n t 的缩写，是下面一个子层向 上提供服务的接口 。 1 . 1 . 2 . 1 m a c层标准 i e e e 8 0 2 . 1 6协议的设计是针对点对多点的宽带无线接入应用， 其接入方式和带宽分配 方式应该使得每个信道满足数百终端的请求。 为了 满足不同类型的数据流， 协议还同时支持 连续和突发两种传输模式l 3 ) 0 8 0 2 . 1 6 m a c层的 一个显著特征是，它是面向 连接的， 所有的 业务流， 包括无连接的 数据业务，以 及与此相联系的q o s要求， 都是在建立的 连接中实现 的。 浙江大学硕士学位论文 保障不同 业务流的服务质量( q o s ) 是木协议的另外一个重要特色，它可以 承载的 业务种 类很多，包括面向 连接和无连接的业务，因此，须要有一个合适的q o s 保障机制。为了保证 不同 业务流的服务质量， m a c 层预先定义了 4 种不同的上行基本业务， 它们是: 主动提供的带 宽分配( u g s ) 业务、 实时轮询( n p s ) 业务、 非实时轮询( n r t p s ) 业务和尽力而为( b e ) 业务。 u g s 是指具有固定比 特率的 数据业务， 如a t m 的 c b r ( 固定比 特率) 业务、 t i / e 1 及v o i c e o v e r i p 等业 务; r t p s 业务包括如m p e g 视频信号的 传送业务: n r t p s 业务如高带宽的f t p 业务; b e 业务则是 尽力而为的数据业务，它允许s s 使用竞争清求机制。这样，不同种类的业务流首先在 m a c 层 就被预先调配分类成这四 种基本业务， 类似于调度器的功能， 系统可以 给不同的基本业务分 配不同的 资源， 保障它的q o s 。 在物理层， 对数据按照健壮性降序排列的办法进行传输，最 大限度的降低了 终端的可能性，最大范围的保障数据的高效传输，提高了系统的效率。 ma c层包括三个子层，自 上而下分别是:面向 业务的会聚子 层， ma c公共部分子层 和加密子层。 . . . . . . . . . . - . . - . . 侧 . t . . ， 协议的范围 娜瞒酬如崭宜 洲 .-t-!:!。1!11.。.。.。. 图1 . 1 i e e e 8 0 2 . 1 6 协议的结构 面向业务的会聚子层 会聚子层的基本功能是在不同的上层业务与m a c层连接之间建立映射关系。 定义了两 种面向业务的会聚子层:针对 a t m 的 a t m 会聚子层和针对基于包传输的业务( 例如 i p v 4 , i p v 6 ， 以 太网等等) 的包会聚子层 浙江大学硕士学位论文 ma c公共部分子层 一般而言， 8 0 2 . 1 6 是一个点对多点的 通信协议， 即一个基站为几个扇区中的多个终端提 供服务。可以采用两种双t方式:时分双工 ( t d d )或频分双工 ( f d d ) 。在时分双工模式 下 的系统可以 根据上下行的 业务量动态调整上下行子帧所占 用资源的比 例。 在下行信道七 ， 采用时分复用 ( t d m)的信道分配机制，t 行信道采用时分多址 ( t d m a )的机制。 8 0 2 . 1 6 协议m a c层是基于连接的， 所有的业务都被映射到某一个特定的连接上。 ma c 层的 一些 主要 功能， 包括带宽请 求， q o s 参 数的 关联，以 及将数据 传送到正 确的 会聚 子层， 都以 连接为单位进行。 每个连接山 特定的1 6 位连接标识 ( c i d ) 表示。 每个终端由4 8 位的 m a c地址表示， 但在m a c层工作过程中使用的标识却是c i d . m a c协议数据单元 ( p d u ) 是基站和终端用于数据交换的基本单位。 一个 m a c协议 数据单元包括一个固定长度的m a c头，一个可变长度的负荷部分， 和一个可选的c r c校 验数据段，如图 1 .2 所示。 m a c头部有两种不同的 格式:普通格式和带宽请求格式。 如果 是后者的话，则是一 个带宽请求 p d u ，该数据单元不携带负荷。负荷中的内容可能是会聚 子层的数据或 m a c层的管理信息。另外，还有三种可选的 s u b h e a d e r ，分别是 g r a n t m a n a g e m e n t s u b h e a d e r . f r a g m e n t a t i o n s u b h e a d e r ，和p a c k i n g s u b h e a d e r , m a c h e a d e r ( 6 字节) 负荷c r c 校验 ( 可选) 图1 . 2 ma c p d u格式 m a c 层可以 通过p d u的交换实现数据传输功能和相应的管理功能， 包括连接的建立和 释放，带宽申 请， q o s 协商，以 及物3v层自 适应调制功能的参数交换等等。 s s 向 b s 请求带宽有两种方式:通过m a c 层带宽请求数据包的独立请求带宽方式和通过用 户数据包的背负请求方式。 当 5 5 使用带宽请求数据包时， 它的一个相应比特指示出现在请求 的 带宽 是增加的 还是减少的， 从而b s 作出 相应的动作，由 于背负方式没有这样的 指示比 特， 所以 默认为这种方式下请求的带宽是增加的。 b s 在应答请求时， 首先将这个s s 所属所有连接 请求的所有带宽应答给s s i s s 需要有一定的智能机制来按照不同的连接发出的请求再二次分 配给相应的连接， 这就是以 s s 为单位接收应答( g p s s ) 方式，这样既减轻了基站( b s ) 的负荷， 又增强了系统的效率。 随着系统工作频率范围的 扩大和服务要求的 增加， m a c 层的功能也在不断扩 一 展， i e b b 8 0 2 . 1 6 a 协议针对m a c 层增加了自 动重传请求( a r m机制和动态频率选择( d f s ) 机制， 大大增强 了 无线网络的端对端性能，减少了无线链路上的干扰对底层传输机制的影响。 浙江大学硕士学位论文 加密子层 8 0 2 . 1 6 协议的 加密子层用以 增强无限链路传输信息的安全性，包括两部分内容: 1 . 数据包的加密封装协议， 即采用数据封装协 议来对在固定宽带无线接入网上传输的 分组数据进行加密 2 . 密钥管理协议( p k m 协议) : 提供b s 与s s 之间安全的密钥分配机制 1 . 1 . 2 . ，物理层标准 p h 丫 8 0 2 . 1 6 协议支持多种物理层模式，见表1 . 1 所示。 其中的 主要方式有三种:单载波s c , o f d m 和o f d m a 。其中后两种基于正交频分复用技术 ( o f d m )， 关于o f d m 的原理将在第三章作 简要介绍。 w i m a x 的传播距离可达3 0 - 5 。 公里， 应用条件相对复杂。 为了保证无线传输的 质量， 采用 了物理层自 适应参数调整技术，对多项物理层参数进行自 适应调整，如调制解调器参数、 f e c ( 前向纠错) 编码参数、 a r q 参数、 功率电平、 天线极化方式等， 效果非常明显。 如在单载 波制式下， 通过调制方式q p s k / 1 6 q a m 的切换，配合f e c 参数调整，可以 使吞吐量一 信噪比值 达到最佳。 表1 . 1 i e e e 8 0 2 . 1 6 物理层 物理层类型使用频段 基本特点 w i r e l e s s m a n - s c 1 0 - - 6 6 g h z 许可频段采用单载波调制方式， 视距传 输， 典型信道带宽为2 5 m h z 或 2 8 m h z ，采用 q p s k , 1 6 q a m , 6 4 q a m , 2 5 6 q a m调制技术加频 域均衡 w i r e l e s s m a n - s c a 2 - - 1 1 g h z 许可频段采用单载波调制方式， 非视距 传输，允许信道带宽不超过 1 . 2 5 m h z ，可选支持自 适应天 线系统( a a s ) 和空时编码 ( s t c ) 等 w i r e l e s s m a n - o f d m 2 - 1 1 g h z 许可频段 采用2 5 6 个子载波的o f d m ( 正 交频分复用) 调制方式，非视 距传输， 可选支持a a s 、网 格 模式( m e s h ) 和s t c 等 浙江大学硕十学位论文 w i r e l e s s m a n - o p d m a2 - i i g h z 许i ; 1 频段 采用2 0 4 8 个子载波的o p d m 调 制方式， 非视距传输， 允许信 道带宽不超过1 . 2 5 m h z ， 可选 支持a a s 和s t c 等 w i r e l e s s li u m a n 2 - 1 1 g h z 免许可频段可选支持a a s , m e s h 和s 9 c 等 1 . 1 .3拓扑结构 工 e e e 8 0 2 . 1 6 支持两种拓扑结构: 点对多点 ( p m p ) 和m e s h 。 在p m p 方式下， 所有的通信都 发生在基站和移动台 之间。 m e s h 方式类似a d h o 。 网 络， 不但基站和移动台之问可以 通信， 移 动台 和移动台也可以 直接通信，甚至可以 通过多跳的方式发 送数据口 本文讨论的内容仅限于p m p 模式下。 1 . 1 . 4与8 0 2 . 1 1 协议的区别 8 0 2 . 1 1 技术与8 0 2 . 1 6 技术在应用特点和所采用技术方面有很多相同 或相近点，因此很多 人对两者之间的关系产生了疑问: 二者之间是竞争还是替代关系呢? 但事实上， 二者采用的 技术又有很多 重要的 差别， 因 而应用领域或应用方式截然不同。 二者的差别主要体现在以 下 几 个 方 面 ， ? 应用定位与覆盖范围 8 0 2 . 1 6 的定位是城域网， 大功耗设计， 在宽达几十公里的范围内都可以提供可靠的服务， 并可以 采用很多先进的拓扑技术和天线技术来进一步改善覆盖，提高频谱效率，容量， 吞吐量等性能。而8 0 2 . 1 1 属于局域网的范畴，相比而言覆盖范围相当小。 q o s 8 0 2 . 1 1 采用c s m a / c a ( 载波监听多路访问/ 冲突避免) 协议， 这种m a c 层协议只适合数据 业务的传输， 不能保证业务的 q o s 要求， 如时延要求， 不适合视频、 话音业务。 8 0 2 . 1 e 的 m a c 层采用t d m a 多址方式， 支持面向 连接的 业务。 提供q o s , 提供服务等级， 实现差异 化服务， 还支持动态带宽分配， 可以 满足多 类传输业务的需求， 包括数据、 视频、 话音 ( v o u ) 业务。 调制技术 8 0 2 . 1 1 标准系列中， 8 0 2 1 工 b 的物理层采用日 p s k ，或c c k ( 补码键控) 十q p s k 调制方式，码 浙江大学硕十学位论文 速率 达1 1 m h z ; 8 0 2 . 1 1 a 采用。 f d m 调制方式， 码速率达5 4 m h z , 8 0 2 . llg 则兼容两种标准， 含有两种调制技术。 8 0 2 . 1 6 标准物理层可有三种技术体制、 三种体制对应的 调制技术分 别是单载波体制， o f d m 和o f d m a 体制。 后两种体制都采用。 f d m 调制技术， 有利于抗衰落、 抗多径、降 低实现成本。 其频谱效率更高， 码速率最高可达1 0 0 m h z . 卜自适应参数调赘 8 0 2 . 1 1 作为一种近距离、 单一业务、 低成本的应用定位， 较少采用物理层自 适应参数调 整技术。 8 0 2 . 1 6 的 应用条件复杂得多， 为了 保证无线传输的 质量， 对多项物理 层参数进 行自 适应调整， 如调制解调器参数、 f e c ( 前向纠错) 编码参数. a r q 参数、 功率电 平、 天 线极化方式等，效果非常明显。 频谱效率 8 0 2 . 1 1 标准系列中， 8 0 2 . 1 1 a 的码速率最高，频谱效率也最高。8 0 2 . l l a 的码速率可达 5 m b p s ，占 用带宽2 0 m h z , 频谱效率为2 . 了 b p s / h z 。 而8 0 2 . 1 6 技术在信道带宽 2 0 m h z 时， 码速率可达i o o h b p s , 频谱效率为5 . o b p s / h z ， 优于前者。 1 . 2无线网络中的一些基本概念 本节主要介绍一些贯穿本文始终的基本概念。 1 .2 . 1多址接入的概念和方式 无线通信系统向 用户提供服务的资源包括空间、时间、频率和编码方式等。一般而言， 不同的系统可以使用不同的通信资源 ( 可以看成抽象的信道) 来区分通信对象， 一个这样的 信道只容纳一个用户进行通信， 而许多同时 通信的 用户， 互相以不同的 抽象信道的形式来区 分，这就是多址的概念。 目 前在移动通信中 应用的多址方式有: 频分多址 ( f d m a , f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 、 时分多址( t d m a , t i m e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) , 码分多址( c d m a , c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s )和空分多址 ( s d m a , s p a c e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s )以及它们的混 合 应用方式 等 f4 j . s d m a 一 般不单 独使用， 而是 和其 他多 址方式结 合使用。 1 . 2 . 1 . 1 频分多址 ( f d m a )方式 频分多址为每一个用户指定了 特定频率信道， 这些信道按要求分配给请求服务的用户。 在呼 叫的整个过程中，其他用户不能使用这一频段。f d m a 系统的特点为: 每信道占 用一个载频， 相邻载频之问的间隔 应满足传输信号带宽的要求。 为了在有限的 频谱中增加信道数量， 系统均希望间隔越窄越好。 每个信道的每一载波仅支持 一 个电路 浙江大学硕士学位论文 连接，也就是说f d m a 通常在窄带系统中 实现。 符号时间与平均延迟扩展相比较是很大的。 f d m a 方式中， 每信道只传送一路数字信号， 信号 速率低，一般在 2 5 k b i t / s以下，远低于多径时延扩展所限定的 1 0 0 k b i t / s ,所以 在数字信号传输中，由码间干扰引起的误码极小，因而在窄带f d m a 系统中无需自 适应 均衡。 基站复杂庞大， 重复设置收发信设备。 基站有多少信道， 就需要多少部收发信机，同时 需要天线共用器，功率损耗大，易产生信道间的互调干扰。 1 .2 . 1 . 2时分多址 ( t d m a )方式 时分多址是在一个宽带的无线载波上， 把时间分成周期性的帧， 每一帧再分割成若+时 隙 ( 无论帧或时隙都是互不重叠的) ，每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户。它的 主要特点有: 突发传输的 速率高， 远大于语音编码速率， 每路编码速率设为r b i t / s ， 共n 个时隙， 则在这个载波上传输的速率将大于n * r b i t / s 。这是因为t d m j、 系统中需要较高的同步 开销。同 步技术是在t d m a 系统正常工作的 重要保证。 发射信号速率随n 的增大而提高， 如果达到1 0 0 k b i t / s 以上， 码间串扰就将加大， 必须 采用自适应均衡，用以补偿传输失真。 t d m a 用不同的时隙来发射和接收，因 此不需要双工器。即使使用f d d 技术，用户单元 内部的 切换器，就能满足t d m a 在接收机和发射机间的切换，而不使用双工器。 基站复杂性减小。 n 个时分信道共用一个载波，占 据相同 带宽， 只需一部收发信机， 互 调干扰小。 抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大。 越区切换简单，山于在t d m a 中 移动台 是不连续地突发式传输，所以切换处理对一个用 户单元来说， 是很简单的， 因 为它可以 利用空闲时隙监钡 1 其他基站， 这样越区切换可在 无信息传输时进行。 因而没有必要中断信息的传输， 即使传输数据也不会因越区切换而 丢失。 1 . 2 . 1 . 3码分多址 ( c d m a)方式 码分多址系统为每个用户分配了 各自 特定的的地址码， 利用公共信道来传输信息。 c d m a 系统的地址码相互具有准正交性，以区别地址， 而在频率、 时间和空间上都可能重叠。 系统 的接收端必须有完全一致的本地地址码， 用来对接收的信号 进行相关检测。 其他使用不同码 型的信号，因为和接收机本地产生的码型不同而不能被解调。c d m a系统的许多用户共享 同一频率，都具有下列特点: 通信容量大 理论上讲， 信道容量完全山信道特性决定， 但实际的系统很难达到理想的 浙江大学硕士学位论文 情况，因而不同的多址方式可能有不同的通信容量。c d m a是干扰限制性系统，任何 干扰的减少都直接转化为系统容量的提高。 因此一些能降低千扰功率的技术， 如话音激 活 ( v o ic e a c t iv ity ) 技 术等， 可以自 然地用于 提高 系统 容量。 容量的软特性。t d m a系统中同时可接入的用户数是固定的，无法再多接入任何一个 用户， 而 d s - c d m a系统中，多增加一个用户只会使通信质量略有下降， 不会出 现硬 阻塞现象。 由于信号被扩展在一个较宽的频if 上而可以减小多径衰落。 如果频谱带宽比信道的相关 带宽要宽，那么固有的频率分集将减少小尺度衰落的作用。 在c d m a系统中 ， 信 道数 据速 率很高， 因 此码片( c h ip ) 时 长 很短， 通常比 信 道的时 延扩 展小得多。因为p n序列有低的自 相关性， 所以大于一个码片宽度的时延扩展部分， 可 受到接收机的自 然抑制，不需要复杂的均衡技术。 低信号功率谱密度。 信号 功率被扩展到比自 身频带宽百倍以上的频带范围内， 因而其功 率谱密度大大降低。 因此可得到两方面的好处， 其一是具有较强的抗窄带干扰能力; 其 二是对窄带系统的干扰很小， 有可能与其他系统共用频段， 使有限的 频谱资源得到更充 分的使用。 1 . 2 . 1 . 4空分多址 ( s d m a )方式 空分多址控制了用户的空间辐射能量。s d m a使用定向波束天线来服务于不同用户。 相同的频率 ( t d m a或c d m a系统中) 或不同的频率 ( f d m a系统中) 可服务于被天线波 束覆盖的这些不同区 域。 扇形天线可被看作是s d m a的一个基本方式。 将来可能使用自 适 应天线，迅速地引导能量沿用户方向发送。 1 . 2 . 2双工方式: f d d和 t d d 1 . 2 . 2 . 1 f d d模式 f d d是将上行和下行的传输使用分离的两个对称频带的双工模式，需要成对的频率， 通过频率来区分上、 下行。 对于对称业务 ( 如语音) 能充分利用上下行的频谱， 但对于非对 称的 分组交换数据业务 ( 如互联网) ，由 于上行负载低， 频谱利用率则大大降 低。 1 . 2 . 2 . 2 t d d模式 在 t d d模式的 移动 通信系统中， 接收和传送在同 一频率信道( 即载波) 的不同时隙，用 保证时问来分离接收和传送信道。t d d系统有如f 特点: y 不需要成对的频率， 能使用各种频率资源， 适用于不对称的上下行数据传输速率， 特别 浙江大学硕士学位论文 适用于i p型的数据业务; 上下行工作于同一频率， 电波传播的对称特性使之便于使用智能天线等新技术， 达到提 高性能、降低成本的目的; 设备成本较低，比f d d系统低 2 0 % - 5 0 % i e e e 8 0 2 . 1 6 支持t d d和f d d两种双工方式。 1 .2 .3 q o s 简介 服务质量 q o s ( q u a l i t y o f s e r v i c e ) 是一个抽象的概念， 用于说明 用户和服务者之间、 发送和接收之间有关信息传递的约定