（通信与信息系统专业论文）宽带无线通信系统中功率控制的研究.pdf

摘要 随着移动通信的发展，新一代移动通信系统己逐渐成为研究与开发的热点。正交频 分复用( o f d m ) 技术具备频谱利用率高、抗多径能力强、带宽扩展性好等优点，是新 一代移动通信系统中最有竞争力的技术之一。同时，无线信道对于无线通信的影响一直 存在，如何有效对抗信道衰落，也是人们关注的重点。 本文以新一代移动通信系统中的o f d m 技术为背景，对功率控制技术进行了研究， 在此基础上进一步对基于o f d m 的自适应传输技术进行了探讨。全文安排如下： 第一章介绍了整个研究的背景。首先对宽带无线通信系统作了概述，然后对无线通 信信道的路径传输损耗、平坦衰落和多径衰落特点进行分析，最后讲述了功率控制相关 领域的发展和研究现状。第二章首先介绍了i e e e8 0 2 1 6 标准，包括标准的发展、物理 层和m a c 层概要，接着提出了基于8 0 2 1 6 的系统仿真平台的整体框架，重点讨论了工 作模块的设计，最后根据仿真的特点，详细介绍了管道建模。第三章开始对功率控制进 行探讨，本章以o f d m 技术作为背景，介绍了该技术的发展、原理、特点以及应用， 参考o f d m 下经典的功率控制算法如注水算法、传输速率最大化算法，结合仿真平台 的特点，提出并实现了系统层面上的功率控制算法，该算法服务于系统调度，并充分考 虑到与自适应调制编码和自动重传技术的结合。第四章是第三章的延伸，本章在介绍常 用的链路自适应技术和传输算法同时，重点研究自适应调制编码和自动请求重传技术， 并在仿真平台上实现。第五章对不同仿真场景中的仿真结果作了比较和分析。第六章为 论文的结论与展望，总结了本文的成果及不足，讨论了在本研究方向上今后的工作重点。 关键字：正交频分复用，链路自适应，功率控制，自适应调制编码，自动要求重传 东南大学硕士学位论义 a b s t r a c t t h en e x tg e n e r a t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sh a v eb e c o m eo n eo f t h eh o n e s ta r e a si nt h ef i e l d o fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s t h eb a n d w i d t he f f i c i e n c y , m u l t i - p a t hr o b u s t n e s sa n de x p a n d a b i l i t yl e a d o r t h o g o n a l f 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 ) t ob eo n eo f t h em o s tc o m p e t i t i v et e c h n o l o g i e si nn e x t g 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 s m e a n w h i l e ，c h a n g e so fc h a n n e la l w a y sh a v ee f f e c to nt h e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，s op e o p l ef o c u so nh o wt of a c ec h a n n e lf a d i n ge f f e c t i v e l y t h i st h e s i si sb a s e do nt h eo f d ms y s t e mo fi e e e8 0 2 1 6 s o m er e s e a r c h e sa r es h o w no np o w e r e o n 仃o l ，a n dt h e na d a p t i v et r a n s m i s s i o ni sd i s c u s s e d t h et h e s i si sa r r a n g e da sf o l l o w ： c h a p t e r1i n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dt h ec o n c e p to f b r o a d b a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s sc h a n n e la n dp o w e rc o n t r 0 1 c h a p t e r2p r o v i d e sad e s c r i p t i o no nt h es i m u l a t i o np l a t f o r mo f8 0 2 16 ，w h i c hi su s e df o rt h er e s e a r c h i nt h et h e s i s a n dd e t a i l e dd i s c u s s i o n so ff u n c t i o nm o d u l ea n dp i p e l i n em o d u l ea r eg i v e n c h a p t e r3b e g i n sd i s c u s s i o no np o w e rc o n t r o lw i t ht h eb a c k g r o u n do fo f d mt h i sc h a p t e rf i r s t i n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n t ，p r i n c i p l e ，c h a r a c t e r i s t i c sa n da p p l i c a t i o n so fo f d m ，a n dt h e nd o e ss o m e r e s e a r c h e so nt h er e a l i z a t i o no fp o w e rc o n t r o li ns i m u l a t i o np l a t f o r m ，w i t ht h er e f e r e n c eo fc l a s s i cp o w e r c o n t r o l a l g o r i t h m ss u c ha sw a t e r - f i l la l g o r i t h m ，m a x i m u mt r a n s m i s s i o nr a t ea l g o r i t h m ，t a k i n gs y s t e m s c h e d u l e ra n dp o w e rc o m p e n s a t i o ni n t oa c c o u n t ， c h a p t e r4i st h ee x t e n s i o no fc h a p t e r3 l i n ka d a p t i v et e c h n o l o g ym a i n l yi n c l u d e sp o w e rc o n t r o l ， a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ( a m c ) a n da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ( a r q ) t h i sc h a p t e rh a se m p h a s i so n a m ca n da r q ，i n c l u d i n gr e a l i z a t i o no f a m ca n da r q ，a n dr e l a t i o n sa m o n gt p c ，a m ca n da r q c h a p t e r5c o m p a r e ss i m u l a t i o n so f d i f f e r e n ts c e n a r i o sa n dp r o v i d e st h er e s u l t sa n da n a l y s e s c h a p t e r6g i v e st h ec o n c l u s i o n so f t h et h e s i s a n di ta l s os u m m a r i z e st h ew o r kt h a th a sb e e nd o n ea n d t h ew o r km a yb ed o n ei nf u t u r e k e y w o r d s ：o f d m ，l i n ka d a p t a t i o n ，t p c ，a m c ，a r q 图表目录 图表目录 图l - 1 无线信号的多径传播2 图2 一li e e e8 0 2 1 6 分层结构图5 图2 2 仿真系统网络拓扑结构6 图2 3 仿真系统协议栈模型7 图2 4 仿真系统网络模型7 图2 5 节点功能模块图8 图2 - 6b s 节点模型图9 图2 7s s 节点模型图9 图2 - 8 节点模块接口图1 0 图2 - 9 管道建模状态图1 2 图3 1 o f d m 调制基本原理图一16 图3 2自适应o f d m 系统框图19 图3 3 调度与链路自适应技术实现关系图2 0 图3 - 4s s 信道反馈2 3 图3 5s s 数据接收2 3 图3 - 6b s 端功控基本流程图2 3 图3 7b s 端功控修改流程图2 5 图4 1s s 端a m c 流程31 图4 2b s 端a m c 流程31 图4 3 反馈信道分配流程图3 2 图4 4 信道质量测量及报告3 3 图4 5 测量报告处理3 3 图5 1有无功控时系统吞吐量图3 9 图5 2 有无功控时系统平均延时4 0 图5 3 功控算法中的功率分配4 0 图5 - 4 功率分配中的剩余功率4 1 图5 5a r q 对系统吞吐量影响图4 1 图5 - 6a r q 对平均延时影响图4 2 图s a r q 包发送次数比率图4 2 图5 - 8a m c 对系统吞吐量影响图4 3 图5 - 9a m c 对平均延时影响图4 4 图5 1 0 链路自适应技术对吞吐量影响图4 4 图5 1 1 三种自适应技术对延时影响图4 5 表2 - 1 信道参数表1 4 表3 1 系统仿真条件表2 1 表3 2 调度资源表2 2 表3 3 调制编码方式与门限表2 4 表4 1a m c 模块划分及功能3 0 1 1 1 缩略语 缩略语 a m c a d a p t i v em o d u l a t i o nc o d i n g 臼适应调制编码 a r q a u t o m a t i cr e t r a n s m i s s i o nr e q u e s t 自动重传 b s b a s es t a t i o n基站 8 、v ab r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s 宽带无线接入 c d m ac o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 码分多址 d l m a pd o w n l i n km a p下行链路映射 d m t d i s c r e t em u l t i t o b e 离散多音频 f d d f r e q u e n c yd i v i s i o nd u a l 频分坡j f e cf o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n 前向纠错 f i f 0f i r s ti nf i r s to u t先进先出 f t pf i l e1 y a n s f e rp r o t o c 0 1 文件传输协议 h 丁t p h y p e n e x tt r a n s f e rp r o t o c o l 趋文本传输协议 娃： i n f o r m a t i o ne l e m e n l信息兀索 i pj n t e m e tp r o t o c o l m 际协议 l s d n i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k 综合服务数字嘲 m a c m e d i u ma c c e s sc o n t r o l媒体接入控制 n1 s d nn a r r o w b a n di n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k 窄带综台服务数字嘲 n g ln e x tg e n e r a t i o nj n t e m e t 下一代互联网 n g n n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k一卜一代网络 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止交频分复j h o f d m a o n 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 s 止交频分多址 o s i o p e ns y s t e mi n t e r f a c e 开放式通信系统互联参考模型 p f p r o p o r t i o n a lf a i r n e s s 比例公平 p h y f , h y s i c a l物理 p d up r o t o c o ld a t au n i t 协议数据单元 q o sq u a l i t yo f s e r v i c e 服务质量 s ss u b s c r i b e rs t a t i o n用户站 t d m a t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s时分多卅方式 t p c t r a n s m i s s i o np o w a rc o n t r o i 传输功率控制 u c d u p l i n kc h a n n e ld e s c r i p t o r 上行信道描述符 u eu s e re q u i p m e n t 用，o 没备 u l m a p u p l i n km a p 上 j 链路映射 v o d v i d e oo nd e m a n d视频点播 v o i p v o i c eo v e ri p i p 电话 w _ l a nw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k 无线局域网 v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同惑对本 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。 研究生签名：起! 聋日期：迎垒! ! 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 一躲避一名：绎牡 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 宽带无线通信系统概述 距离产生了通信的需求，距离的增加也带来了通信方式的变革。最早的无线通信j 烽火通信 ”是视觉距离的通信方式；随着距离的扩大，有线通信实现了地理距离的通信；而信息交流全球化使 通信距离进一步扩大，无线通信让人们实现了地球距离甚至是星球距离的通信。 2 0 世纪前期，是无线通信的发展时期。进入8 0 年代后，移动电话技术的发展和成熟将无线通 信带入了一个新的时代移动通信时代。第一代移动通信( 1 0 ) 系统，以模拟制式为信号传输手 段，所支持的业务仅限于话音业务，以北美的a m p s 和欧洲的t a c s 为代表。第二代数字移动通信 ( 2 g ) 系统实现了从模拟系统向数字系统的转变，包括欧洲的g s m 和美国的i s - 9 5 等，除话音业务 以外还能提供电传和低述数据传输等多项数字通信业务。作为从2 g 向3 0 的过渡，以g p r s 、e d g e 为代表的2 5 代( 2 5 g ) 系统可以提供更为先进的中等速率数据业务，如电路交换利分组交换。2 g 和2 5 g 系统目前仍是许多国家的主要移动通信系统。从传输速率来讲，2 g 系统的数据速率被限制 在小于几万比特每秒的范围内。第三代移动通信( 3 g ) 系统，能在低速移动、本地覆盖条件f 提供 2 m b i t s 的业务，在高速移动、大范围条件下提供至少1 4 4 b i t s 的业务。即使这样，依然不能满足人 们通信的需求，人们希望移动通信系统能和固定网一样提供将话音、图像、数据等业务综合在一起 的交互式多媒体业务。因此，基于分组交换的宽带无线通信系统越来越被人们所关注。 宽带无线通信技术包括宽带移动通信技术和宽带固定无线接入技术。从发展角度来看，宽带移 动化和移动宽带化将是无线移动通信的发展趋势，传统的蜂窝移动通信系统会向更宽的带宽以及提 供全l p 分组业务发展。为此，针对无线通信的基本特性，也面临着如下问题：第一，需要提高高速 数据在移动信道中的传输效率和质量，有效对抗多径衰落信道的不利影响，在链路级满足未来高速 无线多媒体业务的需求。第二，需要针对未来高速、宽带无线多媒体数据网络的特点，开展网络级 的研究和开发工作。第三，需要联合考虑链路级和网络级使系统性能得到整体优化。 本论文针对无线信道的多径衰落特性，在链路自适应技术特别是功率控制技术上做一定探讨， 并进行了系统级仿真。 1 1 2 无线通信信道概述 无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。发射机与接收机间的传播路径很复杂，从 简单的视距传播，到遭遇各种复杂的地物，如建筑物、山脉和树叶等。同有线信道相比，无线信道 随机性大，难以预见和分析。 一般说来，电波传播的主要方式是空间波，即直射波、折射波、散射波以及它们的合成波i l 】。 信号通过无线信道时，会受到各种衰落的影响，接收信号的功率可表达为： p ( d 爿d r “+ s ( d ) 4 r ( d )( 1 1 ) 式( 1 1 ) 中川表示移动台与基站间的距离，i d l 4 为空间传播损耗，s ( d ) 为阴影衰落，r ( d ) 为多径衰 落，下面就信道对信号的影响简单分析。 1 1 2 1 路径传输损耗 路径传输损耗也被称作大尺度衰落，指的是电波在空间传播时产生的损耗i d l - ，其中n 一般为 3 4 ，它反映的是传播在人范围空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。 可以看到，无线电波在自由空间传输时，其信号功率会随着传播距离的增加而减少。最简单的 大尺度路径损耗的模型1 2 】可以表示为： 1 东南大学硕士学位论文 l 2 k + 古 ( 1 2 ) 在式( 12 ) 中，对于典型环境来说，路径损耗指数r 一般在2 到4 中选择。由此可以得到平均的 信噪l e ( s n r ) 为： s n 贮导= k 导d 嘉nb ， p f 7 o 如果要保让可靠接收且不采取其他特殊技术，则路径传输损耗会对数据的传输速率及电波的传 播范围有很人的影响。 在一般的蜂窝系统中，d , e 规模相对较小，故这种人尺度衰落对移动通信的影响并不需要单独 加以考虑。 1 1 2 2 平坦衰落损耗 平坦衰落损耗也被称作中尺度衰落或阴影衰落，是由于电波传播路径上受到建筑物及山丘等的 阻挡而产牛阴影效庶，造成场强中值的变化，从而产q 损耗。它反映了中筲范围内数f i 波长量级接 收【u 、f 的均值变化咖，“。叶二的损耗。 与多杼哀洛十l l 比，阴影衰落是一种宏观衰落，足以较人的空问尺度来衡量的，其衰落特性符合 对数“：态分前，l ”，其。 ，接收信号的局部场强中值变化得幅度取决：信号频率和障碍物状兄。频率较 高的信号比低频信号更加容易穿透障碍物，而低频信号比较高频率的信号具备更强的绕射能力。 1 1 2 3 多径衰落损耗 多径衰落损耗也被称作小尺度衰落，是指无线信号在经过短时间或短矩传播后其幅度快速衰落， 以致大尺度路径损耗的影响可以忽略不计。无线移动信道的主要特征就是多径传播“，信号通过不 同的直射、反射、折射等路径剑达接收机，由于电波通过各个路径的距离不同，因而各个路径上发 射波的剑达时间、相位都不相同，这些不同相位的多个信号在接收端叠加，从而引起衰落。它反映 的是数十波长量级范围内接收电平的均值变化产生的损耗。 寐f 培她的 “。4 。一一* ，一、 。 聃甜扩q搅戮。扛一j _ 矧_ _ 1 。7 k _ _ _ ，、 ，r ，“一p 。江转曲舟b 唰硎瑚嬲蛐$ 嗍 嗣k 臼薹 且中：i 堆表币童囊抚聋 无蜢信号静多景辱 图l - i 无线信号的多径传播 无线信道中，许多因素都会影响小尺度衰落。主要有： ( 1 ) 多行传播 f ：同多径成分具有的随机相何和幅度引起信号强度波动，导致小尺度衰落、信号失真等现 象。多径传播常常延长信号毖带部分钊达接收机所_ l l j 的时间，导致码1 日】十扰。信号的传输速率 2 第一章绪论 越大码间干扰越严重。这也是限制无线通信速率的原囚之一。 ( 2 ) 移动台的运动速度 基站与移动台间的相对运动会引起随机频率调制，即多普勒频移现象。决定多普勒频移是 正或负取决于移动接收机是朝向还是背向基站运动。 ( 3 ) 环境物体的运动速度 如果无线信道中的物体处于运动状态，就会引起时变的多普勒频移。若环境物体速度大于 移动台，则这种运动将对小尺度衰落起决定作用，否则可只考虑移动台运动速度的影响。 ( 4 ) 信号的传输带宽 如果信号的传输带宽比多径信道带宽大得多，接收信号会失真，但本地接收机信号强度不 会衰落很多，即小尺度衰落不占主导地位。若传输信号带宽比信道带宽窄，信号幅度就会迅速 改变，但信号不会出现时间失真。所以小尺度信号的强度和短距传输后信号模糊的可能性与 多径信道的特定幅度、时延及传输信号的带宽有关。 1 1 3 功率控制概述 1 1 3 1 功率控制的重要性 无线通信中，信号受到慢衰落和快衰落的影响，同时由于蜂窝结构的使用产生了同信道干扰和 信道间干扰，需要功率控制对干扰进行控制和对功率进行补偿。功率控制，即在通信的过程中对发 射机发射信号的功率大小进行实时地监督和调整，使它满足一定要求。 1 1 3 2 功率控制准则 目前己有的功率控制准则为功率平衡准则和信噪比平衡准则。功率平衡准则的基本原理是在接 收端收到的有用信号功率相等。对于上行链路，功率平衡的目标是使各个移动台到达基站的信号功 率相等，对于下行链路，是使各个移动台接收到基站的有用信号功率相等。信噪比平衡准则的基本 原理是接收到的信号干扰比相等。对于上行链路，其目标是使基站接收到的各个移动台信号干扰比 相等，对于下行链路，其目标是使各个移动台接收到的基站信号的信号干扰比相等。在单小区系统 上行链路上，两种准则等效，在单小区下行链路及多小区系统中，两者不等效。相比较而言，前者 易于实现，但性能稍差。 1 1 3 3 功率控制方式 根据划分的方法不同，可分为上厂f 行功率控制和开，闭环功率控制。 上行链路功率控制指小区内的移动台到基站之问的功率控制，主要用以解决“远近效应”问题。 下行链路功率控制指基站到移动台之间的功率控制，主要用以解决“边缘效应”问题。 开环功率控制是指接收机通过测餐接收到的专用给定信道的信号功率大小和有关信息，调整自 己的发射功率以符合规定要求。它的特点是不需要反馈信息，可快速反应，但是其只能调节平均发 射功率或粗略确定初始发射功率。闭环功率控制指通过对比接收功率的测量值与信噪比门限值，确 定功率控制比特信息，然后通过信道把功率控制比特信息传送到发送端，由该信息调节发射功率大 小。 闭环功率控制分内环功率控制和外环功率控制。内环功率控制是快速闭环功率控制，在基站与 移动台之间的物理层进行，目的是通过控制物理信道的发射功率，使接收信噪比收敛于目标信噪比。 外环功率控制是慢速闭环功率控制，在核心网和基站之间进行，是在物理层之上的功率控制，通过 计算接收误帧率，确定内环功控所需的信噪比fj 限值。 东南人学硕士学位论文 1 2 论文内容安排 本文主要对宽带无线通信系统的功率控制技术及链路白适应技术作了探讨。卜面对论文的章节 安排作介绍。 第一章绪论部分介绍了本课题的应用背景、无线通信信道特点以及功率控制相关领域的发展和 研究现状，并对章竹的安排作r 说明。 第二章首先介绍了i e e e8 0 2 1 6 标准，包括标准的发展、物理层和m a c 层概要，接着提出了基 于i e e e8 0 2 1 6 的系统仿真平台的整体框架，重点讨论了上作模块的设计，最后根据仿真的特点，详 细介绍了管道建模。 第三章以o f d m 技术作为背景，介绍了该技术的发展、原理、特点以及应用，参考o f d m 下 经典的功率控制算法如注水算法、传输速率最大化算法，结合仿真s f 台的特点，提出并实现了系统 层面上的功率控制算法，该算法服务f 系统调度，并充分考虑剑与白适应调制编码和自动重传技术 的结合。 第四章是第三章的延伸，本章在介绍常用的链路自适应技术和传输算法同时，重点研究自适应 调制编码和自动请求重传技术，并在仿真平台上实现。 第五章对不同仿真场景中的仿真结果仵了比较和分析。 第人章为论文的结沦to 展键，总结了本文的成果及不足，讨论，在本研究方向上今后的上作重 点。 4 第二章i i l 二i ：8 0 21 6 仿真平台 2 1 系统概要 第二章i e e e8 0 2 1 6 仿真平台 2 1 1i e e e8 0 2 1 6 标准简介 2 111 标准简介 i e e e8 0 2 委员会于1 9 9 9 年成立了8 0 2 1 6 工作组来专门开发宽带无线标准，负责对无线本地环 路的无线接口及其相关功能制定标准。i e e e s 0 2 1 6 主要的标准包括8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 d 和8 0 2 1 6 e ， 其中8 0 2 1 6 d 是固定无线接入的标准，8 0 2 1 6 e 则是支持移动特性的标准。8 0 2 1 6 d 和8 0 2 1 6 e 所规 定的空中接v i 均由物理层和媒质接入控伟j j ( m a c ) 层组成。 8 0 2 1 6 d 的初衷是统一同定无线接入的空中接口，8 0 2 】6 d 基本上是对8 0 2 1 6 和8 0 2 1 6 a 进行了 统一和整合。该标准可以应用予2 g h z - li g h z 非视距( n l o s ) 传输和1 0 g h z 6 6 g h z 视距( l o s ) 传输， 已经于2 0 0 4 年8 月j e 式批准，命名为8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 l o j 。 8 0 2 1 6 e 的目标是能够向下兼容8 0 2 1 6 d ，因此8 0 2 1 6 e 的标准化工作基本上是在8 0 2 1 6 d 的基础 进行的。在8 0 2 1 6 d 固定无线接入标准研制的基础上，为了支持移动特性，8 0 2 1 6 e 加入了如切换、 安全等特性。8 0 2 1 6 e 标准也已经完成了成文工作。 广一一一一一一一一一一一一一i i te e e 8 0 2 1 6 嘶! z 蔓l 窨 l - _ ( 丧锉瞄垤务援 出) - - i i 一 嚣捌实体 用i e 务收敛予屡 l i i 拳用啦务峻敛f 层 _ ( 瘦簸解娩务播入赢卜 - i i 赞磁实体 瓣 疆 公炙韩分f 屡一 耋告 - 管 i 一公共 j i l 分节屠 理 _ 系 强辫子展 一 i l l l私寒f 屡 统 - 一( 在镄鹱廿务接入赢) 一 一 理 - 箐删实体 蒯 物瘴屡 - - 嚣 l 糖剐屡 i i 一 数摆7 控制早屡 ： 管理早震 i e e e 8 0 2 1 6 分袋鑫翰；斟 图2 - 1i e e b8 0 2 1 6 分层结构图 2 1 1 2i i e e e8 0 2 1 6 物理层 1 e e e8 0 2 1 6 可支持t d d ( 时分双工) 和f d d ( 频分双工) 两种无线双工方式，分别有不同的物理层 5 东南大学硕 。学位论文 技术与之相对席。对于2 - 11 g h z 频段的系统，主要采州o f d m 和o f d m a 技术。o f d m 和o f d m a 具有较高的频谱利用率，且在抵抗多杼效应、频率选择性袅落或窄带干扰上具有明显的优势，因此 o f d m 和o f d m a 是低频段8 0 2 1 6 系统采用的主要物理层方式。 2 113 i e e e 8 0 2 1 6 m a c 层 i e e e8 0 2 】6m a c 协议用于点对多点宽带无线接入应川，是面向连接的协议，m a c 的主要仔务 是为各种不同的服务提供适合的链路级传输方案和服务质量保让。因而，m a c 层协议应能提供不同 级别和质量的服务，动态带宽分配平突发数据调度。 i e e e8 0 2 1 6m a c 包括无连接服务在内的所有业务均映射为一个连接。i e e e8 0 2 1 6m a c 协议 包括三个子层：0 川业务汇聚f 层( s e r v i c es p e c i f i cc o n v e r g e n c es u b l a y e r ) 、公共部分子层( c o m m o n p a r ts u b 1 a y e r ) 、私密子层( p r i v a c ys u b - l a y e r ) 。 专用业务汇聚层( s e r v i c es p e c i f i cc o n v e r g e n c es u b - l a y e r ) 提供对不同外部网络的业务数据进行 转换( 成公共部分子层发送的m a c 层业务数据单元) 和映射( 来自公共部分子层接收的m a c 层 业务数据单元) ，为提供与不同网络协议的接口，需要定义不同的专川业务汇聚层，如a t m 汇聚层。 公共部分f 联( c o m m o np a r ts u b l a y e r ) 提供m a c 的核心功能，包括系统接入，带宽分配，链 路建：，链路维护，它从4 ；同的专川业务“聚层接收数据，由此定义不阔的m a c 迎接，在数据传 输丰| j 调度巾保t o o s 。 私密子层f p r i v a c ys u b 1 a y e r ) 提供了认证，密钥交换，加密等功能。 在8 0 2 】6 标准巾，m a c 层定义了较为完整的q o s 机制。m a c 层针对每个迮接可以分别设营 不同的q o s 参数，包括速率、延时筲指机、。针对无线传输的特点，宽带无线接入系统m a c 层还有 以f 特色：分裂数捌包以减少话音年l 】数据延时：为分裂后的数据包提供数据重传；支持自适应编码 调制；支持上j j 链路功率控制。 2 1 2 仿真系统模型 2 121 网络拓扑 网络拓扑结构图2 2 所示，是一个点对多点的拓扑结构。基站b s 一端接入核心网，另一端f 带 多个川户站s s ，每个s s 卜可以接入多种用户设备u e ，传送语音，数据，视频等各类业务。u e 之 间或者s s 之间n ，以通过b s 这个中间量来实现通信，不能直接通信。它们还可以通过b s 接入主干 网，跟网络另一端的u e 设备或者s s 实现通信。 i u s 接口 i b s 接口 ib c 接o 2 1 2 2 协议栈模型 图2 - 2 仿真系统网络拓扑结构 仿真系统的协议栈模型如图2 3 。8 0 2 1 6 协议土要界定了s s 和b s 间的物理层及m a c 层规范 6 第二章i e e e8 0 2 1 6 仿真平台 而对于c n 和u e 来说，规范是透明的。 u es s a p p l i c a t i o n 匪 垒婴 竺坚 b s c n 2 1 2 3 系统网络模型 图2 - 3 仿真系统协议栈模型 图2 - 4 中，宽带无线接入系统是由排成星状拓扑结构的一个b s 和多个s s 组成的。每个s s 上 带一个用户设备u e ，每个u e 可以选择产生一种业务。b s 通过网关和交换机与主干网相连，这里 仅用交换机上携带的u e 作为远程用户设备，与s s 带的u e 进行点对点的通信。为方便结果采集和 比较，我们采用一对一收发用户组。例如：u e 3 u e 5 3 ，u e4 u e _ 5 4 。 图2 - 4 仿真系统网络模型 7 东南大学坝士学位论文 2 2 工作模块 2 2 1 内部进程模块 2 2 1 1 节点功能模块图 系统是由b s 和s s 组成，图2 5 描述了b s 及s s 间的信令、数据交互及流稃。 从图中可以看出，整个佛议的土体，向上面对的是应用，向下面对的是物理载体。在b s 和s s 内，有对等的业务流管理模块，用1 ：支持动态业务流管理消息的交互，包括流的创建、改变和撤除。 在b s 端，核心是调度器，信息模块、数据库模块利分配模块均为它服务，无线链路控制模块负责 处理与信道相关的过程。s s 端有连接分类器，根据业务q o s 的特性将业务流分类，完成q o s 与流 的映射。在s s 端也有调度器，与b s 端不同的是，s s 端是在接受b s 调度的基础上进行_ 二次调度。 s s 端的信令监测模块，与b s 端相配合，完成对信道信息的维护。 卅 讲 2 212 节点模型图 2 2 1 2 1b s 节点模型 图2 - 5 节点功能模块图 图2 - 6 描述了b s 的节点模型。左上部分的模块用米与主干网中实体实现对等通信，右下部分用 来管理s s 并实现与各个s s 之间的无线通信。 p p p _ t x _ 0 _ 0 和p p p _ x _ 00 是一对点对点发射接收机，与远端网关( r e m o t eg a t e w a y ) 实现收发 通信。w m a xb sc s 、w m a xb sm a cc p s 及w m a xb sp h y 二个模块是仿真平台的主体，w m a xb st x 和w m a xb sr x 是对无线发射接收机，_ j 来与s s 进行收发通信。 模块间通过包流线连接，描述了模块间的包通信。 8 第二章1 1 1 l ，i8 0 2 1 6 仿真平台 2 2 1 2 2s s 节点模型 图2 - 6 b s 节点模型图 l s s - 酬 _ t 蝌- b s _ 耐 图2 - 7 s s 节点模型图 图2 7 描述了s s 的节点模型。i p _ t x _ o 和i p _ r x _ o 这一对点对点发射接收机用来与u e 实现收发 通信，w m a x s s e s 、w m a xs sm a c _ c p s 和w m a x _ s s _ p h y 三个模块是本次仿真平台的主体，w m a x _ s s _ t x 9 东南大学硕t 学位论文 和w m a x s s r x 这一对无线发射接收机实现与b s 之间的收发通信。 2 2 2 模块介绍 2 2 21 节点模块接口图 根据图2 - 8 ，f 文将对m a c 层部分和物理层部分进行介绍。 a p p l i c a t i o n 2 2 2 2m a c 层模块 图2 - 8 节点模块接口图 m a c 层主要有以下儿部分组成： 业务汇聚子层( m a cc s ) ，包括主要分类器( c l a s s i f i e r ) ； 在仿真中，本层由分类器( c s ) 模块米实现，模块包含进程c sc l a s s i f i e r 。主要功能是识别上层 的i p 数据包，并将其放入对腑迎接( c o n n e c t i o n ) 的数据包队列中，若分类器找不刨i p 数据包对应 的近接，则分类器会将数据包放入临时队列中左，前通知连接与服务流管理器为对廊的数据包建立 相关的q o s 参数集和连接。 1 0 第二章i i i ，8 0 2 1 6 仿真平台 通用子层( m a c c p s ) ，通刚子层包括控制平面( c o n t r o lp l a n e ) 、数据平面( d a t a p l a n e ) 。 仿真中，本层由模块c p s 来实现，模块包含土进程m a c 据包发送到控制平面、数据平面以及分发器。 控制平面包括连接与服务流管理器( c o a ns e r v i c ef l o wm a n a g e r ) 、调度器( s c h e d u l e r ) 、下行信 令管理器( m a cd o w n l i n km a n a g e r ) 、上行信令管理器( m a cu p l i n km a l l a g e r ) 等。 b s 服务流管理器主要负责与s s 服务流管理器协商创建对应的q o s 参数集、服务流并分配服务 流l d ：b s 调度器负责按照指定的调度算法对上行、f 行带宽进行分配，然后将分配结果分别通知 上行信令管理器和下行信令管理器，并将下行调度结果通知数据包创建器；下行信令管理器土要负 责根据下行调度结果生成d l - m a p ，并且生成相关的d c d ；上行信令管理器主要负责根据上行调度 结果生成u l m a p ，生成相关的u c d ，周期测距处理及上行带宽请求处理。 s s 服务流管理器主要负责与b s 服务流管理器协商创建对应的q o s 参数集、服务流并接受b s 分配的服务流i d ；s s 调度器负责按照指定的调度算法对b s 分配的上行带宽进行再分配，然后将分 配结果通知数据包创建器，并根据各个数据队列的情况产生对应的上行带宽请求，送往上行信令管 理器：下行信令管理器主要负责接收b s 生成的d l m a p ，并接收相关的d c d ：上行信令管理器主 要负责接收u l m a p 并把其转给调度器，接收相关的u c d ，周期测距处理及接收调度器产生的上 行带宽请求生成带宽请求信令包送往f 层。 数据平面主要包括数据包创建器( p a c k e tc o n s t r u c t o r ) 。 数据包创建器主要负责根据调度器调度的结果从对应连接的数据队列中取出上层数据包，按照 调度器指示的大小，对上层数据包( 主要是i p 包) 进行打包和分片，如果数据包的大小超过调度器 分配的大小，则对该数据包进行分片，如果数据包小于调度器分配的大小，则从队列中不断取出下 一个包，直至大小满足调度器分配的带宽，然后加上m a c 层的通用包头及子包头，最后形成m a c 数据包，送往物理层队列，等待发送。另外，数据包创建器还负责从s s 接收到的上行数据包中将上