（计算机应用技术专业论文）基于ieee+80216的自适应调度算法研究.pdf

摘要 近年来，随着实时多媒体数据的业务量不断增大，人们对网络在带宽、性 能、覆盖范围等方面的需求的日益提高。面对这些新的挑战，i e e e8 0 2 1 6 无线 城域网技术以其经济便捷、运行维护简单、容量高覆盖面广、可快速提供宽带 业务等突出优点得到广泛青睐。 i e e e8 0 2 1 6 d 标准于2 0 0 4 年发布，该标准对2 6 6g h z 频段的空中接口物 理层和m a c 层做了详细规定。8 0 2 1 6 具有面向连接的特性，能够为每个连接提 供时延、时延抖动、预约速率等q o s 保证。为满足v o l p 、流媒体等对带宽、延 迟要求较高的实时应用，8 0 2 1 6 定义了u g s ，r t p s ，r t p s 和b e 四种q o s 业务。 8 0 2 1 6 标准定义了q o s 架构中b s 与s s 间交换信息的信令机制，但是并没 有规定上行带宽分配的调度算法，而这正是本论文所研究的方向。本文对 8 0 2 1 6 带宽分配调度算法的现有研究成果做了介绍，深入分析了它们的优点与 不足，指出当链路信号较差时，如果使用现有论文中提出的“监测+ 补偿”机 制，实时业务的延迟等q o s 要求有可能得不到有效保证。针对这一问题，本文 提出了一种调度算法，利用自适应编码和调制技术，通过动态变化调制和编码 方式，以牺牲一定的非实时业务和数据传输速率为代价来保证链路的稳定工 作，进而保证实时业务的q o s 。 为了证明该调度算法的有效性，本文使用n s 2 分别在无线链路信号正常和 信号较差的两种情况下对算法进行仿真。仿真结果表明，即使在无线网络状态 不佳的情况下，实时业务的q o s 需求也能得到保证，从而改善了系统的运行状 况。 关键词： i e e e8 0 2 1 6 调度算法自适应编码和调制 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ei n c r e a s i n gi nt r a f f i co f r e a l - t i m em u l t i m e d i a ，p e o p l e s r e q u i r e m e n tf o rb a n d w i d t h ，p e r f o r m a n c ea n dt r a n s m i t t i n gr a n g eo fn e t w o r kb e c o m e m o r ea n dm o r e f a c i n gt h e s ec h a l l e n g e s ，i e e e8 0 2 16i sp o p u l a rw i t ht h ef e a t u r eo f e c o n o m i c a l ，c o n v e n i e n tt om a i n t a i n ，h i g hc a p a b i l i t ya n dp r o v i d i n gb r o a db a n da c c e s s q u i c k l y i e e e8 0 2 1 6s t a n d a r dw a sr e l e a s e di n2 0 0 4 i td e f i n e st h ea i ri n t e r f a c ei n 2 - 6 6 g h z 仔e q u e n c yf o rp h yl a y e ra n dm a cl a y e r i e e e8 0 2 16h a sf e a t u r eo f c o n n e c t i o n - o r i e n t e d ，w h i c hc a np r o v i d eq o sg u a r a n t e es u c ha sd e l a y ，d e l a yji t t e ra n d d a t ar a t ef o re a c hc o n n e c t i o n i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to fr e a l - t i m e a p p l i c a t i o n ss u c ha sv o i pa n df l o wm e d i a ，8 0 2 16d e f i n e s4t y p e sq o ss e r v i c e s ：u g s ， r t p s ，n r t p sa n db e t h es t a n d a r dd e f i n e st h es i g n a l i n gm e c h a n i s mf o re x c h a n g i n gi n f o r m a t i o n b e t w e e nb sa n ds si nq o sa r c h i t e c t u r e h o w e v e r , i td o e sn o td e f i n et h es c h e d u l i n g a l g o r i t h mf o ru p l i n kb a n d w i d t h a l l o c a t i o n t h e r e f o r ei ti st h ef i e l dw h i c hm yt h e s i s f o c u s e s o n t h et h e s i si n t r o d u c e st h ec u r r e n tr e s e a r c ha c h i e v e m e n ti n8 0 2 16 s c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，a n a l y s e st h e i rm e r i ta n dd e f e c ta n dp o i n t so u tt h a tw h i l e i nt h e b a ds t a t u so f w i r e l e s sl i n k ，w i t hc u r r e n t “d e t e c t & c o m p e n s a t e ”m e c h a n i s m ，i tc a n t g u a r a n t e et h eq o s o fr e a l t i m es e r v i c e f o rt h i sp r o b l e m ，o u rt h e s i sp r e s e n t sa s c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，w h i c hu t i l i z e sa d a p t i v ed a t ab u r s tp r o f i l e s i tc a ng u a r a n t e el i n k t r a n s m i s s i o nb yd y n a m i c a l l ya d j u s t i n gm o d u l a t i o na n dc o d i n gs e t t i n g sa tt h ec o s to f l o w e rt h et r a n s m i s s i o nr a t eo fn o n r e a l - t i m es e r v i c e i no r d e rt op r o v et h ep e r f o r m a n c e ，t h et h e s i su s e sn s 2t os i m u l a t et h es c h e d u l i n g a l g o r i t h m t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a te v e ni f i nt h eb a d s t a t u so f w i r e l e s sl i n l 【， t h eq o so fr e a l - t i m es e r v i c ec a ns t i l lb eg u a r a n t e e d t h e r e f o r ei ti m p r o v e st h e p e r f o r m a n c eo fs y s t e m k e yw o r d s ： i e e e8 0 2 16 ，s c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，a d a p t i v ed a t ab u r s t p r o f i l e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁叠盘鲎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。 学位论文作者签名：签字日期： b 文年2 _ 月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨叠盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 = 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 狮k导师签名：三莹川批0 二 签字日期： 如1 年 明 f 日 签字日期： 跏净乙月 日 第一章绪论 1 1i e e e8 0 2 1 6 简介 第一章绪论 近年来，随着实时多媒体数据的业务量不断增大，人们对网络在带宽、性 能、覆盖范围等方面的需求日益提高。面对这些新的挑战，现有的铜线、电缆 等接入技术显得越来越力不从心，而最为理想的光纤接入因敷设复杂、成本高 昂等因素尚难普及。由此，作为更灵活选择的宽带无线接入以其经济便捷、运 行维护简单、容量高覆盖面广、可快速提供宽带业务等突出优点得到广泛青 睐，其中尤以基于i e e e8 0 2 1 6 的无线城域网技术标准最引人瞩目。 i e e e8 0 2 1 6 标准，又称为i e e ew i r e l e s sm a n 空中接口标准，其在无线固 定接入方面的最新版本i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准【1 】于2 0 0 4 年7 月正式公布。该标 准对2 6 6g h z 频段的空中接口物理层和m a c 层做了详细规定。与高频段相 比，该频段能以更低的成本提供更大的用户覆盖，系统受雨衰影响不大，系统 可以在非视距传输环境下运行，大大降低了用户站安装的要求。根据所使用频 带的不同，8 0 2 1 6 系统可分为应用于视距和非视距两种，使用2 11 g h z 频带 的系统可以应用于非视距( n l o s ) 范围，而使用1 0 - - 一6 6 g h z 频带的系统应用于视 距( l o s ) 范围。i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准的具体参数见表表1 1 表1 1i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准的具体参数 i e e e8 0 2 16 2 0 0 4 标准制定时间2 0 0 4 年7 月 使用频段 2 1l g h z 1 0 6 6g h z 信道条件 视距非视距 调制方式 单载波o f d m o f d m a 信道带宽 1 2 5 2 0 m h z 传输速率在2 0 m h z 信道上最大提供7 5 m b i t s 速率 额定半径 5 1 5 k m 8 0 2 1 6 支持两种网络拓扑结构：点到多点( p m p ，p o i n tt om u l t ip o i n t ) 模式和 m e s h 模式。p m p 模式如图1 1 ，由一个b s 管理若干个s s ，各个s s 只能与所属 第一章绪论 的b s 进行通信，形成星形的网络结构。m e s h 模式则允许s s 之间直接通信，形 成网状结构，如图1 2 所示。在p m p 模式中，基站( b s ) 理论上的覆盖半径能 达到5 0 k m ，基站每扇区的传输速率为7 5 m b p s ，使用2 0 m h z 信道带宽时，基站 上的每对发收组合，可以同时支持6 0 个企业使用等级为t l 的连接和数百个家 庭使用的d s l 等级的连接。 图1 1p m p 模式 - - - - - - - - 7 - - - - - - + 叁 图1 - 2m e s h 模式 s s i e e e8 0 2 1 6 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 相对应的物理层，提供q o s 保证机制，能够满足v o l p 、流媒体等对带宽、延迟 要求较高的实时应用。为支持各种不同的q o s 需求，i e e e8 0 2 1 6 定义了四种 2 s s 一 ；t触学 ；百吣 。十邕 + 第一章绪论 q o s 服务：u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e ( u g s ) ；r e a l - t i m ep o l l i n gs e r v i c e ( r t p s ) ； n o n r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e ( n r t p s ) 和b e s te f f o r t ( b e ) s e r v i c e 。 u g s 用于支持周期性、固定长度的实时数据流，例如没有静默压缩的 v o l p 。b s 将基于服务流的最大持续速率周期性地提供固定长度的带宽授予，不 允许使用任何单播轮询或竞争请求机会。但s s 可以通过联带( p m ) 比特的设置 为同一s s 下的其他非主动授权服务流请求单播请求机会。 r t p s 支持周期性、长度变化的实时数据流，例如m p e g 。这类业务有具体的 带宽要求以及最大时延限制，b s 将提供实时的周期性的单播请求机会。 n r t p s 支持非周期、长度变化的非实时数据流，例如对时间不敏感但需要保 证最小速率的数据传输。b s 将以比实时轮询业务更长的周期对其进行轮询，它 也可以利用竞争请求机会或被主动授予带宽。 b e 不提供数据速率和时延的保证，可以采用所有的带宽请求方式 1 2w i m a x 与8 0 2 1 6 的应用前景 1 2 1w t m a x 论坛 为确保不同供应商生产的基于8 0 2 1 6 标准的产品与解决方案的兼容性， 8 0 2 16 技术的部分领先供应商于2 0 0 1 年6 月发起并成立了w i m a x ( w o r l d i 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 ，微波存取全球互通技术) 论坛【2 】。w i m a x 论坛是一个非赢利经济组织，宗旨在于推动w i m a x 技术在全球发展和产业化 应用，拥有包括微软、英特尔、中兴、华为和三星等3 5 0 多家全球领先的著名 企业作为成员和合作伙伴。w i m a x 论坛促进基于i e e e8 0 2 1 6 标准的宽带无线 网络的部署，并确保宽带无线设备之间的互通性和兼容性，支持i e e e8 0 2 1 6 和 e t s ih i p e r m a n 无线m a n 标准。w i m a x 论坛以举办产业技术研讨会、国际访 问、国际交流等方式开展工作。通过国际间的广泛交流、研讨，提高宽带无线 接入( b w a ) 设备间的互通性或互操作性，从而促进宽带无线网络的应用和产 业化推广，推动全球w i 的部署，使w i m a x 成为宽带无线网络的首选平 台。 w i m a x 作为一个重要的行业联盟，其成员主要包括电信运营商、芯片制 造商和设备制造商，共同促进整个产业的发展。在电信运营商方面，目前加入 w i m a x 的电信运营商有1 0 7 个，包括a t & t 、s p r i n t 、英国电信、法国电信、 德国电信、v a r i z o n 等一批有重要影响的电信运营商，为宽带无线接入设备的迅 速应用及设备的互通打下了良好的基础。在芯片制造商方面，主要有i n t e l 公 第一章绪论 司、f u j i t s u 微电子、w a v e s a t 公司和s e q u a n s 公司等从事w i m a x 基带处理芯片 的开发。在设备制造商方面，西门子、诺基亚、北电网络、朗讯科技等均加入 了这个组织，中兴通讯和华为技术两家中国公司也先后加入了这个组织。 1 2 28 0 2 1 6 的应用前景 由于w i m a x 设备的互通性降低了设备的运营和研发成本，8 0 2 1 6 技术作为 下一代理想的宽带无线接入技术，可根据不同的业务需求应用在多种场合。通 过将w i m a x 技术有机地融合到现有和即将建设的w i f i 、3 g 、有线接入网中， 可实现优势互补【3 】 ( 1 ) w i m a x 可以提供优良的最后一英里( l a s tm i l e ) 的接入服务( 如图1 3 ) ， 这是w i m a x 的主要市场定位。 相对于当前流行使用的d s l 或c a b l e 等宽带接入方式，w i m a x 具有明显的 优势。首先，w i m a x 能够通过无线的方式实现宽带连接，而无需铺设线缆， 从而显著降低建设成本。其次，w i m a x 的高带宽也是其他接入方式难望其项 背的。 在农村和人口密度较低的偏远地区，骨干网薄弱，电缆难以覆盖，铺设有 线基础设施需要花费大量人力物力。利用w i m a x 技术建设无线网络，初始投 资更少，网络部署和业务开展更为迅速 同时在业务量集中、用户群集中的地区，w i m a x 还可以满足对高速率通信 业务的需求，为用户提供高带宽的数据和语音接入服务。 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。 图1 38 0 2 1 6 作为宽带接入方式 4 第一章绪论 ( 2 ) 8 0 2 1 6 无线城域网与8 0 2 1 l 无线局域网相结合( 如图1 4 ) w i m a x 与w i f i 相结合，实现室外远距离无线连接与室内游牧式高速数据 连接的结合，将无线网络从局域网扩展到城域网。 萋 w b v l a x b s w j m a x s s 图l - 48 0 2 1 6 与8 0 2 1 1 相结合 ( 3 ) 8 0 2 1 6 与3 g 相结合( 如图1 5 ) 8 0 2 1 6 e 技术提供对移动性的支持。当8 0 2 1 6 e 标准成熟之后，用户可以获得 漫游和切换服务，并且在低速移动的情况下进行高速数据接入，从而与3 g 网络 相融和，成为其有力的补充。 w i m a x 8 s 图1 - 58 0 2 1 6 对移动终端的支持 而与目前正在试验阶段的3 g 相比，w i m a x 又有其自身的优势。w i m a x 可 以实现更远的传输距离，其网络所覆盖面积是3 g 发射塔的1 0 倍，只要少数基 、，t_一青豫一掣踅 警零 奄冯 第一章绪论 站建设就能实现全城覆盖。同时w i m a x 能提供7 5 m b p s 的最高接入速度，是 3 g 的3 0 倍，可弥补3 g 在数据传输速率方面的不足。 1 3 论文总体框架 本论文共分4 章。第一章简单介绍了i e e e8 0 2 1 6 标准及其应用前景。第二 章详细描述了8 0 2 1 6 的标准协议，包括m a c 和物理层协议，具体分析了8 0 2 1 6 的q o s 机制。而第三章和第四章是本论文的重点。第三章提出了一种基于自适 应编码和调制技术的调度算法，通过检测无线链路的状态动态改变带宽分配的 方式，从而保证实时业务的q o s 。在第四章中，为了证明该调度算法的有效 性，使用n s 2 对该调度算法进行了仿真，得到了仿真结果。第五章对论文进行 了总结，并提出了算法改进的方向。 6 第二章i e e e8 0 2 1 6 无线城域网标准 第二章i e e e8 0 2 1 6 无线城域网标准 2 18 0 2 1 6 的协议模型 2 1 1 标准制订进程 i e e e8 0 2 1 6 工作组于2 0 0 2 年4 月8 日正式发布了i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 1 标准， 为宽带无线接入( b w a ) 定义了无线城域n ( w m a n ) 的空中接口规范，它标志着 宽带无线接入将作为一个新的主要途径，把各商业机构和家庭接入全球电信核 心网。 i e e e8 0 2 16 标准被设计为能逐渐发展，具有公共媒体访问控锋t l j ( m a c ) 层的 一组空中接口，但物理层规范取决于使用频谱和相应的法规。i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 1 工作在1 0 - - 6 6g h z 频段，由于这个频段对于像建筑物和树这样的障碍物无穿透 能力，故要求基站和用户站是视距( l o s ) 链路，从而限制了基站的覆盖范围。同 时由于用户站天线的安装要求很高，一定程度上阻碍了市场的发展。 i e e e8 0 2 1 6 工作组于2 0 0 3 年4 月颁布了i e e e8 0 2 1 6 a ，该标准支持的工作 频段为2 l lg h z ，包括了需要发放牌照频段和免牌照的频段。与高频段相 比，该频段能以更低的成本提供更大的用户覆盖，系统可以在非视距传输 ( n l o s ) 环境下运行，大大降低了用户站安装的要求。另外，i e e e8 0 2 1 6 a 的 m a c 层提供服务质量( q o s ) 保证机制，可支持语音和视频等实时性业务，增加 了对网格拓扑结构网络的支持，能适应各种物理层环境。这些特点使得i e e e 8 0 2 1 6 a 与i e e e8 0 2 1 6 相比更具有市场应用价值，真正成为可用于城域网的无 线接入手段。 i e e e8 0 2 1 6 a 标准仅仅是i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 1 标准的修改和扩展，不是一个独 立的标准，所以2 0 0 4 年7 月i e e e8 0 2 1 6 组织又通过了i e e e8 0 2 1 6 d ，本文所研 究的正是i e e e8 0 2 1 6 d 。i e e e8 0 2 1 6 d 对2 - - 6 6g h z 频段的空中接口物理层和 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。该标准对i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 1 和i e e e8 0 2 1 6 a 进 行了整合和修订，但仍属于固定宽带无线接入规范，是相对比较成熟并且最具 实用性的一个标准版本。 在8 0 2 1 6 d 之后，i e e e 还提出了8 0 2 1 6 e ，它是工作在2 - - 6g h z 频段支持 移动性的宽带无线接入空中接口标准。制订i e e e8 0 2 1 6 e 的目的是为了实现既 7 第二章i e e e8 0 2 1 6 无线城域网标准 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。i e e e 8 0 2 1 6 e 被业界视为目前唯一能与3 g 竞争的下一代宽带无线技术。i e e e8 0 2 1 6 e 的目标是能够向下兼容i e e e8 0 2 1 6 d ，因此i e e e8 0 2 1 6 e 的标准化工作基本上 是在i e e e8 0 2 1 6 d 的基础上进行的。在i e e e8 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，i e e e8 0 2 1 6 e 提出了具有移动特性的系统框架结 构，并于2 0 0 4 年9 月通过了标准草案。由于该标准目前尚不成熟，因此我们暂 不将其作为研究对象。 除了以上几个标准外，另外还有3 个重要标准：第一个是2 0 0 2 年正式发布 的i e e e8 0 2 1 6 c ，它是对i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 1 的增补，是使用1 0 - - 6 6g h z 频段 i e e e8 0 2 1 6 系统的兼容性标准，它详细规定了工作于1 0 6 6g h z 频段的i e e e 8 0 2 1 6 系统在实现上的一系列特性和功能；第二个是i e e e8 0 2 1 6 f , 它定义了 i e e e8 0 2 1 6 系统m a c 层和物理层的管理信息库o v i i b ) 以及相关的管理流程；第 三个是i e e e8 0 2 1 6 9 ，制订它的目的是为了规定标准的i e e e8 0 2 1 6 系统管理流 程和接口，从而实现i e e e8 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。i e e e8 0 2 1 6 f 和i e e e8 0 2 1 6 9 这两个标准是2 0 0 4 年5 月1 7 日在深 圳召开的由中兴通讯公司承办的i e e e8 0 2 1 6 工作组第3 1 次会议上提出的，目 的是在网络管理层面形成新标准，目前标准正处于制订阶段。 2 1 28 0 2 16 协议栈参考模型 i e e e8 0 2 1 6 标准对2 - 6 6 g h z 频段的空中接口物理层和m a c 层做了详细规 定，协议栈如图2 1 所示。 m a c 层由特定业务汇聚子层( c s ) 、m a c 公共部分子层( c p s ) 和加密协议子 层3 部分组成，其中加密协议子层是可选的。 c s 子层通过c s 服务接入点( s a p ) 接受外部网络的数据，将其转换或映射 为m a cs d u ，再通过m a cs a p 传送到c p s 子层。这个过程包括对外部网络服 务数据单元( s d u ) 进行分类，并将它们对应到适当的m a c 服务流标识符 ( s f i d ) 和连接标识符( c i d ) 。过程还包括有效载荷包头压缩。人们设计了多 种c s 子层用于与不同的上层协议进行通信。 c p s 是m a c 的核心部分，功能包括系统接入、带宽分配、连接建立和连接 维护。它将从c s 层收到的数据分类到特定的连接 加密协议子层提供鉴权、保护钥交换和加密。 物理层定义了多种规范，包括w i r e l e s s m a n s c ，w i r e l e s s m a n s c a ， w i r e l e s s m a n o f d m ，w i r e l e s s m a n o f d m a ，w i r e l e s s h u m a n 。物理层支持 第二章i e e e8 0 2 1 6 无线城域网标准 时分双- t ( t d d ) 和频分双工( f d d ) ，采用单载波、o f d m 等多种调制方式，以应 多不同的无线链路状况。 ：。甍碲；前；h d d a + d 。： - l ii ：l m a n a g e m e n te n t i t y f s e r v i c e s p e c i f i c - li c o n v e r g e n c es u b l a y e r 。 ；l l l s e r v i c e s p e c i f i c i f c s 。l c o n v e r g e n c es u b l a y e r s i j li l ll ! i k 一一_ 、，吧【 il li ll m a cc o m m o np a r ts u b l a y e r l l m a c c p s ) 一-m a n a g e m e n te n t i t y i l m a cc o m m o np a r ts u b l a y e r l ：l s e c u r i t ys u b l a y e r ；i r 一一一一一一一一一一一一一一 i i s e c u r i t ys u b l a y e r i i (phy s a 、一 ；：l i - i i i ：l p h y s i c a ll a y e r j 。 l p h y ) _ m a n a g e m e n te n t i t y 。 | | ：i -phy 。 l i 。il ；ll 2 2 物理层协议 2 2 i 物理层规范 图2 i8 0 2 1 6 协议栈参考模型 爹”鼍 。 嚣i ；2 。 i 籼， l i 芑 ； # 害 ； 盘g 。伪= 星 j i 星l i商 建i ；z ； 戮；i l 缓 i e e e8 0 2 1 6 定义了多种物理层规范( 如表2 1 所示) 。对于1 0 6 6 g h z 的工 作频率，由于波长很短，因此需要视距传输( 1 i n e o f - s i g h t ) 。物理层使用单载波 调制，该空中接口规范被称为w i r e l e s s m a n - s c 。 对于11 g h z 以下的授权频率，由于波长较长，支持非视距传输。可使用 o f d m ( 正交频分复用) 、o f d m a 以及单载波调制。物理层规范包括 w i r e l e s s m a n s c a ，w i r e l e s s m a n 旬f d m ，w i r e l e s s m a n o f d m a 。 对于无需授权的l1 g h z 以下频率，由于会出现与其它无线电的干扰和共 存，因此还需要在“l1 g h z 以下的授权频率”的基础上增加动态频率选择 ( d f s ) 来检测和避免干扰 9 第二章i e e e8 0 2 1 6 无线城域网标准 表2 1i e e e8 0 2 1 6 的物理层规范 物理层规范工作频率说明下行 上行 双工方式 w i r e l e s s m a n s clo 6 6 g h z单载波调制模式t d m t d m a t d d ， f d d h e l e s s m a n s c a 1 1 g h z 以下单载波调制模式，非视 1 d m t d i at d d 距传播 f d d w 沁l e s s m a n o f d m l l g h z 以下2 5 6 载波正交频分多路 t d mo f d 【at d d ， 复用方式 f d d w l r e l e s s m a n _ o f d m al l g h z 以下 2 0 4 8 载波正交频分多 o f d m a o f d m at d d ， 址方式 f d d 矾h e1e s s h u m a nl l g h z 以下在非授权频率工作 t d d 2 2 2 多址接入方式与调制方式 2 2 2 1t d m a 8 0 2 1 6 的p m p 模式由一个b s ( 基站) 和若干个s s ( 客户端) 组成。b s 要 和许多s s 同时通信，为防止s s 间相互干扰，就要通过某种技术使各s s 对整个 信道进行复用，从而建立各自独立的子信道。这种实现信道复用的技术称为多 址接入技术。 t d m a ( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l ea e c e s s ) 艮p 时分多址接入( 如图2 2 所示) ，是 通信技术中基本多址接入技术之- - 6 1 。时分多址是把时间分割成周期性的帧 ( f r a m e ) ，每一帧再分割成若干个时隙，各终端在属于自己的时隙发送信号。在 满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各终端的信号而不 会互相干扰。同时，基站发向各个终端的信号都按顺序安排在预定的时隙中传 输，各终端只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号中把发给它的信号区 分并接收下来。 第二章i e e e8 0 2 1 6 无线城域网标准 lt d m a f z a m e - - 团丑薤耍歪噩匿圃一 - - ， - 。，- 犀t _ 1 湎r t 而面面阿瓦f 司酶： 1 i j 1 ：i j 1 l j ： 1 恤喊d 2 2 2 2o f d m 与o f d m 魄 图2 2 t d m a 帧结构 i e e e8 0 2 1 6 标准中主要规定了两类调制方式：单载波和o f d m ( 正交频分 多路复用方式) 。物理层可以根据传输信道性能的变化，动态调整调制方式和物 理参数，以保证较好的传输质量。 单载波调制方式具体可分为正交移相键控( q p s k ) 、1 6 相正交幅度调制 ( 1 6 q a m ) 和6 4 相正交幅度调带i j ( 6 4 q a m ) 调制方式。而o f d m 是一种多载波调制 技术，它比单载波更高的数据传输速率和更高的频谱利用率【7 】。它利用d f t ( 离散傅里叶变换) 把高速串行数据分散到n 个正交的子载波上进行传输，可 以通过f f t 来加快o f d m 的调制解调速度。由于各子载波之间是完全正交的， 所以各个子载波所传输的频谱可以相互重叠，不必像f d m 一样需要保护频带， 所以频谱效率很高，大大提高了信息传输的有效性。图2 3 是o f d m 与f d m 的 频谱图的对比。 o f d m 分解后的各子载波的速率是原速率的l n ，因此每个符号的持续时间 就是单载波的n 倍，大于信道时延扩展，有效地减小多径传播所造成的码间干 扰( i s i ) 的影响。他可以有效对抗多径传播，非常适用于1 1 g h z 以下非视距传播 环境。【9 】 厂六页六、一 保护频带保护额带 厂n n o f d m 频谱 。 f d m 频谱 图2 3o f d m 与f d m 的频谱 第二章i e e e8 0 2 1 6 无线城域网标准 o f d m 作为一种调制技术，可与多址接入技术( 如t d m a 、f d m a 、 c d m a ) 相结合。其中将o f d m 和f d m a 结合形成的o f d m a 技术是最常见的 o f d m 多址技术。 2 2 3 物理层帧结构 i e e e8 0 2 1 6 支持时分双工( t d d ) 和频分双i ( f d d ) 模式。在物理层，无线 信道被按照时间分割成一系列帧。 在t d d 模式中( 如图2 4 ) ，上行和下行在同频率信道的不同时隙。一 帧按照时间先后分为上行子帧和下行子帧，每个子帧有许多时隙( t i m es l o t s ) 构 成。时隙的分配由b s 端的m a c 层控制 p 图2 - 4t d d 帧结构 在f d d 模式中( 如图2 5 ) ，上行和下行使用不同的频率信道，可以同时进 行传输。 第二章i e e e8 0 2 1 6 无线城域网标准 i ； d o w n l i n k ( f r e q u e n o yi ) u p l i n k ( f r e q u e n c yj ) f r a m ej 1 7 f r a m ej 圈l 一- t i 盯埝f 馆m e 图2 5f d d 帧结构 2 3m a c 层协议 i e e e8 0 2 1 6 的m a c 层是面向连接的，所有的数据传输被映射到不同的连 接。每个连接有一个唯一的标识( c i d ) ，这就保证了m a c 层可以针对每个连 接分别设置不同的q o s 参数，包括速率、延时等指标。 2 3 1m a c 层帧结构 2 j 1 1m a c 层的控制信息 数据的传输分为上行和下行两个方向。上行传输时，所有s s ( s u b s c r i b e r s t a t i o n ) 通过t d m a 共享同一个信道。b s ( b a s es t a t i o n ) 在每一帧的头部发送 u l m a p 消息，规定了分配给各个s s 的上行传输机会( 即时隙) ，s s 被允许在 这些预先决定好的时隙中传输数据。在下行传输时，由于只有唯一的发送者， 即b s ，因此信道的分配变得相对简单。数据由b s 发送给各个s s ，d l m a p 用 于通知s s 在不同的时隙接受发送给自己的数据。 一 一 r，；。，；，；。i n 第二章i e e e8 0 2 1 6 无线城域网标准 u l - m a pa n dd l - m a pi n d i c a t et h e = a r t i n gt i m e = l o to fe a c hd a t ab u r e t - - - i - - - - - _ - - * - - _ _ - - - - - - - 7 ? - 。 “j 。 ，。o ，。， r ， t ： ：li引磷i 窜l 墨i l i 纛； 输 s s x t f a n t - n 矬l妇1 r q 缸 d a c ed 4 b l 懒u i o c i v q t c hu t t c k - o o w n l i n ks u b f r a m e ”一一u p r i n ks u b f r a m e - 一 | - 一一nt f r a m e 一- 一- 一一l _ 图2 - 6 m a c 层控制信息 u l m a p 消息是一个长度可变的m a c 管理消息，定义了上行链路的发送机 会。它由一个固定长度的消息头和多个u l m a pi e 组成( 如表2 - 2 ) ，每个i e 定义了分配给某个s s 的上行带宽( 时隙) ，以及该带宽的用途( 如r e q u e s t ，i n i t i a l r a n g i n g ，d a t ag r a n tb u r s t ) 。其中s s 是通过其b a s i cc i d 标识出的，s s 自己决 定使用将该带宽分配给哪个c i d 。 表2 2u l m a pi e 格式 s y n t a xs i z en o r e s u l m a p - n ：0 c i d 1 6 b i t s m c4b i 悔 i f ( l i l c 一1 5 ) ( e x t e n d e du i u cd e p e n d e n ti e1 , a r f a b l ws e es u b c l a u s e sf o u o w m g 8 1 5 1 2 1 ) e l s e o f f 5 e t1 2 b i t so f f s e t i nt r a i t so fm i n i s l o t s ， o ft h ep f e a m b l er e l a u v et o t h ea u o c a t l o ns t a r tt t m e ) ) 根据u i u c 可以判断出该段带宽的用途，如带宽请求( b r o a d c a s t ，m u l t i c a s t ， u n i c a s t ) 、初始化、d a t ag r a n tb u r s t 等。u i u c 的取值见下表 表2 3u i u c 的取值 1 4 第二章i e e e8 0 2 1 6 无线城域网标准 c o n n e f t i o i e n a m ee 耽 d e s c r i p t i o a i d 0n a瞄m 、e d r e q u e s t l a n 3 s t a r t i n go f f s e to f r e q 【i e 瓴r e g x o 立 h n t l a i 2 b r o a d c a s t s t a r t i n go f l s e to f m a m t e e c er e g i o n ( u s e dm i m t i a tr 弛g m g ) r a n g i n g 3n a，壤；m ，o d d a t ag f a n f 4t m l a t 吼 s t a r t i n go f f w t o f d a t ag r a n tb u r s tt y p eia s s t g n m e n t b u r s t t 3 p el d a t ac r f a n t 5 眦c a s l s t a r u n go f f s e to f d a t ag r a mb u r s tt y p e2 鹳n 鲫e m b 谢h 1 辩2 d a t ag r a - t 6 u n t c a s t s t a r t i n go f f s