（通信与信息系统专业论文）宽带无线通信系统中mac层和phy层联合优化的研究.pdf

摘要 摘要 现代宽带无线通信主要面临的两大问题是无线信道的衰落和带宽利用率低的问题，对于前者我们可 以使用目前的主流技术正交频分复用( o f d m ，o n i o g o 】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 ) 来克服其中 的大部分衰落，包括多径衰落，频率选择性衰落等等；对于后者。目前主要的解决手段就是引入跨层优 化。 本文以基于8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 标准的o f d m 系统为背景，了解了协议中的自适应编码调f b i j ( a m c ，a d a p t i v e m o d u l a t i o na n d c o d i n g ) 的原理，并在仿真中研究了其工作流程及存在的一些不足针对其的不足之处， 在m a c 层引入了信道预测，使a m c 能够进一步挖掘系统的吞吐量。全文的内容安排如下： 首先在第一章针对研究背景作了详细的介绍，简单介绍了宽带无线通信系统和跨层优化的概念。接 者第二章简单介绍了本文研究所基于的8 0 2 1 6 系统仿真平台的整体框架，并对物理层模块、信道模块、 管道模块的实现作了详细描述。然后在第三章从对自适应传输技术的介绍中引出自适应编码调制( a m c ) 的原理及发展情况，之后引出了在本文所基于的系统中信道预测存在的必要性，并对几种经典的信道预 测方法的优缺点作了详细叙述，从第四章开始是本文的核心，提出了在宽带无线接入系统的m a c 层利 用信道预测的结果来控制自适应编码调制，并将a m c 结果反映给调度器，使得对帧资源的调度更准确 更有效，从而实现了针对a m c 的m a c 层和p h y 层之间的跨层优化。第五章对两种不同业务仿真场景 中，分别采用信道预测与不采用信道预测情况下的结果作了比较和分析。最后在第六章提出了论文的结 论与展望，总结了本文了成果及不足之处，讨论了在本研究方向上今后的工作重点。 关键词：0 f d m ，宽带无线接入系统，跨层优化，自适应编码调制，信道预测，调度。 a 。b s t r a c t t h em u d e h lb 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 nn o wf a c e st w oc r i t i c a lp r o b l e m s ：o n ei st h ef a d i n go f w i r e l e s sc h a n n e la n dt h eo t h e ri sl o we f f i c i e n c yo fb a n d w i d t h1 , 1 s a g e t h ef o r m e rc a nb es o l v e dm a i n l yb y 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 ) ，i n c l u d i n gm u l t i 。p a t hf a d i n ga n df r e q u e n c ys e l e c t i v e f a d i n ga n ds of o r t h t h el a t t e rc a l lb e s o l v e db yt h ec r o s s - l a y e ro p t i m i z a t i o nc u r r e n t l y t h i st t s i si sb a s e d 霸t h eo f d m 科s 嘲no f9 0 2 1 6 - 2 0 0 4 a f t e rt h ep r i n c i p l ea n dw o r kf l o wo f a m c ( a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g ) i sd i s c u s s e d , s o m ed i s a d v a n t a g e sw i l l b er e v e a l e d ，t og e tt h e d i s a d v a n t a g e so v e r , t h ec h a n n e lp r e d i c t i o ns h o u l db ea d d e di nt h em a cl a y e r a n dt h et h r o u g h p u to f t h es y s t e m g r e a t l yi n c r e a s e dw i t ht h i si m p r o v e m e n t t h e t h e s i si sa r r a n g e da sf o l l o w ： f i r s tc h a p t e ri n t r o d u c e st h er e s e a r c hb a e k g r o o 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 ma n dc r o s s l a y e ro p t i m i z a t i o n c h a p t e r2p r o v i d e sa ni n t r o d u c t i o no l lt h es i m u l a t i o np l a t f o r mo f8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 ，w h i c hi su s e df o rt h e r e s e a r c hi nt h et h e s i s a n dd e t a i l 商d e s c r i p t i o no f p l - l a y e rm o d u l e ，c h a n n e lm o d u l ea n dp i p e l i n em o d u l ew i l l b eg i v e n c h a p t e r3s h o w st h ed e v e l o p m e n to fa m c f r o mt h ea d a p t i v et r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g i e s t h en e c e s s i t y o fc h a n n e lp r e d i c t i o nw i l lb ef o l l o w e d a n dt h ec o m p a r i s o no fs e v e r a le l 笛s i c a lp r e d i e t i o nm e t h o d * w 姒b e p r e s e n t e d c h a p t e r4i st h ec o r eo f t h e s i s i tp r o v i d e st h ec r o s s - l a y e ro p t i m i z a t i o ns c h e m eb e t w e e nm a c l a y e ra n d p h yl a y e r , w h i c hu s i n gt h er e s o ro fc h a n n e lp r 钱l i c t i a ni um a cl a y e rf o rc o n t r o l l i n gt h ea m c a f t e ra m c p r o c e s s ，t h er e s u l t i s i n p u t t e d t os c h e d u l e r i n t h e p u r p o s e o f e f f i c i e n ts c h e d u l i n g c h a p t e r5c o m p a r e st w og r o u p so f s 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 s a n dp r o v i d et h er e s u l tw i t h w i t h o u t c h a n n e lp r e d i c t i o n a n a l y s i sf o rt 1 1 er e s u l t sw i l lb eg i v e n c h a p t e r6g i v e st h ec o n c l u s i o no 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 kw h i c hh a sb e e n d o n ea n d t h ew o r kw i l lb ed o n ei nf l l t l u e k e y w o r 山：o f d m ，b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s ss y s t e m ，c r o s s - l a y e ro p t i m i z a t i o n ，a d a p t i v em o d u l a t i o na n d c o d i n g , s c h e d u l i n g i i 插图目录 图1 图2 图3 图4 图5 图6 图7 图8 圈9 图1 0 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图1 6 图1 7 图1 9 图1 9 图2 0 圈2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 插图目录 各层间跨层信息交互示意图一3 跨层设计的理论模型3 仿真系统网络拓扑结构5 仿真系统网络模型6 仿真系统协议栈模型6 b s 节点模型7 s s 节点模型8 l i e 节点模型8 b s 节点内部进程模块图，一一。9 s s 节点内部进程模块图。1 0 b st c 子层工作流程国1 2 s st c 子层工作流程图1 3 仿真平台l o wm a c 开销示意图( 无聚合) 。1 4 仿真平台l o w m a c 开销示意图( 有聚合) 1 4 管道模型图，1 5 预测滤波器阶数判断流程图，2 6 b s 分配测距用上行带宽流程2 8 b s 周期测距接收处理流程，2 9 s s 周期测距流程3 0 仿真平台b s 周期测距流程3 1 仿真平台s s 周期测距流程，3 2 仿真平台b s 调度流程3 2 仿真平台b s 周期测距流程3 3 仿真平台s s 周期铡距流程3 4 仿真平台b s 调度流程，3 4 v o d 业务l 平均延时性能比较( w r r ) 3 6 c o d 业务1 平均延耐性能比较( p f ) 3 6 v o d 业务1 平均延时性能比较( m a xc i ) 一3 6 v 插图目录 图2 9 图3 0 图3 1 图3 2 菡3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图4 0 图4 l 图4 2 图4 3 图“ 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图5 0 图5 l 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 v o d 业务l 平均延时抖动性能比较( w r r ) 3 7 v o d 业务1 平均延时抖动性能眈较( p f ) 3 7 v o d 业务l 平均延时抖动性能比较( m a xc ，1 ) 3 7 v o d 业务1 吞吐量性能比较( w r r ) 3 8 c o d 业务1 吞吐量性能比较( p f ) 一3 8 v o d 业务1 吞吐量性能比较( m a xc i ) 3 8 v o d 业务2 平均延时性能比较( w r r ) 。 v o d 业务2 平均延时性能比较( p f ) 3 9 v o d 业务2 平均延时性能比较( m a xc 1 ) v o d 业务2 平均延时抖动性能比较( w r r ) 4 0 v o d 业务2 平均延时抖动性能比较( p f ) 。4 0 v o d 业务2 平均延时抖动性能比较( m a xc 1 ) 4 0 v o d 业务2 吞吐量性能比较( w r r ) 。4 1 v o d 业务2 吞吐量性能比较( p f ) 4 1 v o d 业务1 吞吐量性能比较( m a xc i ) 4 1 f t p 业务1 平均延时性能比较( w r r ) 4 2 兀p 业务1 平均延时性能比较( p f ) 4 2 f t p 业务1 平均延时性能比较( m a xc 1 ) f t p 业务l 吞吐量性能比较( w l 汛) 4 3 f t p 业务1 吞吐量性能比较( p f ) 4 3 f t p 业务1 吞吐量性能比较( m a xc 1 ) 4 3 f t p 业务2 平均延时性能比较( w r r ) f r p 业务2 平均延时性能比较( p f ) 。4 4 f t p 业务2 平均延时性能比较( m a xc i ) 。 f t p 业务2 吞吐量性能比较( w r r ) 一4 5 f t p 业务2 吞吐量性能比较( p f ) 4 5 f t p 业务2 吞吐量性能比较( m a xc ，i ) 4 5 表格目录 表l 调制编码方案 表2 信道基本参数 表3 相关系数表 表4 推头系数表 表格目录 表5 信噪比误差表 表6f - j 限误差表2 7 v i i 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 自适应调制技术 a r pa d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o 】 地址解析协议 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 eb e s le f f o r t尽力而为服务 b rb a n d w i d t hr e q u e s t带宽请求 b sb a s es t a t i o n基站 b 、 ，ab r a o d b a n dw i r e l e s a c c c 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 e a c c e s s码分多址 d c dd o w n l i n kc h a n n e ld e s c r i p t o r下行信道搓述符 d i u cd o w n l i n ki n t e r v a lu s a g ec o d e下行间隔使用码 d l m a pd o w n l i n km a p下行链路映射 f d d f r e q u e n c yd i v i s i o nd u a l 频分双工 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 t0 u t先进先出 f 了pf i l et r a n s f e r p r o t o e 0 1文件传输协议 g p cg r a n tp e rc o n n e c t i o n基于连接分配带宽 g p s s g r 盖m p e r s s 基于s s 分配带宽 h 1 丁p h y p e r t e x tt r a n s f e r p r o t o c o l 超文本传输协议 i e i n r o r m a t i o ne l e m e n t 信息元素 l p l n l e r n e tp r o t o c o j 网际协议 i s d n i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i 百m ln e t w o r k综合服务数字网 m a cm e d i u ma c c e s sc o n t r o l媒体接入控割 m a x c i v l a x i m u mc a r r i e r i n t e r f e r e n c e 最大载干比 m i m o m u l t ii n p u tm u l t io u t p u t 多输入多输出 n s d n n a r r o w b a n d _ i n t e g r a l e ds e r v i c e sd i 鲈a in e t w o r k 窄带综合服务数字两 n g b wn e x tg e n e r a t i o nb r o a d b a n dw i r e l e s s 下一代宽带无线 缩略语 n g ln e x tg e n e r a t i o ni n t e m e t 下一代互联网 n g nn e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k下一代网络 u r t p sn o n r e a l - t i m ep o i b n gs e r v i c e菲实对轮询服务 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 正交频分复用 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 5 正交频分多址 o s l 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 p h y s i c a l 物理 p d u p r o t o e o ld a t au n i t 协议数据单元 p o t s p l a i no l dt e l e p h o n es e r v i c e 简易老式电话业务 q o s q u a l 畸o f s e r v i c e服务质量 r t p sr e a l - t i m ep o l l i n gs e r v i c e 实时轮询服务 s ss u b s c d b e rs t a t i o n用户站 t c lt r u n c a t e dc h a n n e li n v e r s i o n截短信道导致方法 t c mt r e l l i sc o d e dm o d u l m i o n网格编码调制 7 7 蒯 t i m ed i v i s m nm u r i p t ea c c s 时分多垃方式 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 用户设备 u g su n s o l i c i t e dg r ts e r v i c e 直接带宽分配服务 u i u c u p l i n ki n t e r v a lu s a g ec o d e 上行间隔使用码 u l m a p u p l i n km a p 上行链路映射 u w bu l i r a - w i d eb a n d超宽带 v o d v i d e oo nd e m a n d 视频点播 v o i pv o i c eo v c ri p i p 电话 w l 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 w r r w e i g h t e dr o u n d r o b i n 加权r o u n d - r o b i n i x 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。 ，。z o 岁彩 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。 一躲牲翩始笱瓤 如易；6 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 无线通信技术的发展经历了窄带、中宽带、宽带和超宽带西个阶段。窄带无线通信是以传统的低速 电路交换方式为基础，它提供话音、低速数据、调制解调器和窄带综合服务数字网( ni s d n ) 类的数 据业务，提供给用户的数据带宽一般在几十k ，采用的通信技术手段有：模拟调频技术、蜂窝无线技术、 微蜂窝无线技术。中宽带无线通信也是以电路交换方式为基础，由基站控制器、基站、终端用户和网管 系统组成，系统容量一般在十几兆。提供给用户的数据带宽一般在几十k 到2 兆。能为用户提供简易老 式电话业务( p o t s ) 、综合服务数字网( i s d 咐) 和e 1 服务。宽带无线通信系统是基于分组交换的，它 是一种点到多点的结构，由一个中心站和许多用户站组成，能为用户提供大于2 兆的带宽，是当前研究 热点之一。超宽带( u l t r a - w i d eb a n d ) 是指相对带宽大于2 5 的无线电波信号，利用发射和接收超窄无载 频脉冲信号可实现超宽带信号的传播，其通信容量可达到现有码分多址( c d m a ) 系统容量的几十倍， 是下一代无线通信的发展趋势【1 】。 1 1 1 宽带无线通信系统概述 当今世界已进入高速发展的信息网络时代，其中最为活跃和发展最快的当属无线网络和因特网，二 者常被称为天地两大网。因特网以光纤、电缆和电话线为传输媒质，把成千上万的计算机和智能终端连 接成网，可传输数据、图像、话音( m 电话) 等多媒体信息，目前正向以i p v 6 为主要协议的下一代互联网 ( n g i ) 发展。无线用户要接入因特网，因特网用户希望在移动中享受因特网服务，只有这两大网络互相补 充和发展，人们才会享受到更加便捷、业务多样、更高速率和个性化的宽带多媒体信息服务。因此，宽 带无线通信技术受到国内外的广泛重视，并投入巨资进行开发和研究。宽带无线通信技术包括宽带移动 通信技术和宽帝固定无线接入技术。移动通信两大约3 - 5 年发生一次大的变革，现己经历了第一代、第 二代，目前发展到第三代( 3 g ) ，3 g 在部分国家和地区已经开始运行，第四代( 4 g ) 的标准和关键技术研究 已个面展开。3 g 网络中可传输数据、图像、话音等多媒体信息，成为因特网宽带无线接入的重要技术。 宽带固定无线接入是日前宽带接入技术的重要组成部分，并将成为下一代网络( n o n ，n e x tg e n e r a t i o n n e t w o r k ) 、下一代宽带无线( n g b w ，n e x tg e n e r a t i o nb r o a d b a n dw i r e l e s s ) 及3 g 演进的重要接入与传送支 撑技术。 宽带无线数字通信是当前无线通信技术的发展前沿，在未来的语音、视频、数据及多媒体等综合业 务方面有广阔的应用前景。但该系统的发展也存在着一些问题，最严峻的两个挑战就是：多径衰落信道 和带宽效率。 对于多径衰落信道的问题，普遍采用正交频分复用( o f d m ) 的技术来解决。o f d m 具有良好的抗 频率选择性衰落和抗多径干扰能力，使得无线接入系统对于视距传输的要求降低，特别适用于日趋复杂 的城市传播环境，此外它还具有较高的频谱效率，随着无线通信技术的发展和o f d m 技术的成熟，可以 预计o f d m 将成为未来宽带无线通信系统关键技术之一。 对于带宽效率鲍阀题，跨层优纯是解决该同题的一条途径。传统系统的协议分层架构是用于连接异 种计算机的标准框架。协议分层架构具有较好的开放性和兼容性，它通过将功能逻辑上划分开来，而使 整个结构具有较高的灵活性。但同时协议分层架构也有一些缺点，各层之间只能以固定的方式通信而不 能相互交换常规以外的信息，每层只能假设在最恶劣的条件下工作，因此对频谱和能量等资源有较大浪 费。跨层优化通过各层之间更多的信息交互，最大化系统资源利用率再不是局限在一层、仅仅获得恶劣 环境假设下的局部最优，而是可以联合各层的优势，达到系统最优。从而能更有效地利用系统资源，提 高资源利用效率。 东南大学硕士学位论文 1 1 2 跨层优化概述 在无线网络中由于无线环境的不确定因素，导致无线信道容量和误比特率等时变特性，分层设计 方法无法保证网络的最佳资源利用率和用户业务的服务质量( q l l a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 需求。为了改善 无线网络的性能，m a c 、路由协议和传输协议，甚至应用层必须与物理层进行有效的信息交互，以适应 物理层特性的变化，于是网络协议跨层设计的思想应运而生。跨层设计过去主要用于系统设计和软件设 计，真正应用到通信网络协议设计，特别是无线通信网络协议设计是在近几年。近三年来，跨层设计思 想得到广泛研究，在蜂窝通信、无线局域网( w l a n ) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 、多天线( m i m o ) 、o f d m 、 无线传感器网络、无线多跳网络、a dh o c 网络以及无线通信系统的q o s 保证和系统优化设计等方面取得 了一定的成果。 由于无线信道的物理特性f 信道传播的开放性和信道参量变化的时变等) 使无线信道成为一种非常不 稳定的媒介，增加了无线通信网络设计的难度，人们为了保证可用性，往往只按照信道性能最差的情况 和最低要求进行保守设计，在信道质量较好的情况下则会造成频谱、功率等资源的浪费。传统的无线通 信系统设计沿用严格分层的开放式系统互联参考模型( o p e ns y s l e mi n t e r c o n n e c tr e f e r e n c em o d e l ，o s i ) 参考模型，单独对各层进行设计和优化，简化了整体网络设计的复杂性，满足了软件设计的信息隐藏原 则，因而得到广泛应用。若遵循o s i 设计理念必然摒弃协议层之间跨层交互，而且不同协议层中存在一 定的信息冗余 2 】。例如，物理层和m a c 层对定向信道估计、同步信息、误码率以及信号强度等信息的 处理结果，可以应用到发送端到接收端的距离估计中来：男一方面。节点位置和网络拓扑信息也可以被 其他协议层充分利用，如信道估计、功率控制、移动性管理等。因此，o s i 严格分层的参考模型不能对 无线网络资源进行整体管理，网络性能不能得到整体优化。参考文献 3 】，下文就各层之间的信息冗余， 适当必要的信息交互，简单叙述了各协议层之间对跨层设计的不同需求。 物理层与其上协议层的交互 物理层采用的发射方式( 主要参数有传输功率、调制与编码、天线波束参数等) 不同，对接收器能否 成功接收信号产生影响，从而影响链路层的无线信道多址接入问题。另一方面，若在链路层进行功率控 制，可以降低满足速率和误码率要求时的传输功率，减少邻节点间的干扰；通过增加传输功率来对抗多 径衰落引起的信道变化，降低物理层的误码率。同样，也可以在链路层采用更强的差错控制机制来降低 误码率。 信道质量、网络拓扑等变化都会限制路由选择。从源节点到目的节点往往存在多条路由，若根据物 理层的信道质量信息，自适应地选择或改变传输路由，使用信道质量最佳的路由将有效提高网络性能。 另一方而，在无线通信环境中，小功率、多跳、近距离传输可能比大功率、单跳、远距离传输效果更优。 因此。网络层不同豹路由选择将涉及q 不同链路的物理层的调制方式选择、功率控制等。此步 ，造成传 输层丢包的原因，大致可分为链路拥塞和非链路拥塞。非链路拥塞造成丢包的原因之一在于误码率过大， 如果在传输层能够感知物理层的误码率，就可以在传输层采用适当的拥塞控制。 链路层与其上协议层的交互 由于链路层的传送调度策略会影响数据包延迟、带宽等性能，导致网络层路由性能的恶化。若9 日络 层能感知链路层性能的变化，就可以以自适应的方式改变路由、改善网络性能。对于传输层也是如此， 传输层性能的好坏也可以通过与链路层的交互得以改善。此外，链路层可以通过满足应用层不同业务对 q o s 相关参数的不同需求，对业务队列进行相应的调度、处理。例如对延时敏感的业务，其业务队列将 被赋于较高的优先级得到优先调度处理；对于可靠性要求比较高的业务，可以在前向纠错( f o r w a r de r r o r c o 玎e c t 妣，f e c ) 、自动重传( 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 ，a r q ) 等方面得郅处理，从而得到更强 的纠错编码和更多的重传次数。应用层也可利用链路层的相关信息调整自身的参数设置，如应用层通过 链路层的吞吐量信息来调整其发送速率等。 网络层与其上协议层的交互 若网络层把传输层的链路拥塞信息作为路由判据之一，则可有效地对传输层的链路拥塞进行调节。 此外，网络层根据应用层不同业务的q o s 需求，选择基于不同q o s 准则的路由判据，以满足应用层的 延时、延时抖动、吞吐量及丢包率等需求。 传输层与其上协议层的交互 2 第一章绪论 通过将传输层的丢包率及吞吐量等信息提供给应用层，应用层据此调整发送速率等。同样，应用层 也可将业务的q o s 需求传递给传输层，传输层据此选择适当的传输协议并调整相关参数。 多媒体业务q o s 保证对跨层设计的需求 有效的多媒体业务q o s 保证枧制需要根据多媒体业务不同的q o s 要求，提供一种动态的端到端的 q o s 保证。另一方面，q o s 保证机制涉及所有协议层，即每个协议层的相应参数设置都涉及到q o s 能否 得到保证。从应用层的角度粗略分为非实时业务和实时业务。对于非实时业务，在传输层可以采用传输 控制协议( t r a n s f e r c o n t r o l p r o t o c o l ，t c p ) ，根据接收器窗口大小和网络拥塞情况自适应地调整业务流速 率；实时业务因其对延时要求比较高。若实时业务的数据包到达接收器时己经超出预先确定的期限，将 无利用价值，因此对于实时业务，其传输层常采用r t p u d p 协议。在网络层，路由选择与链路跳数、 链路稳定性等有关，这些参数同样会对q o s 产生影响。链路层对各个业务流优先级的设置、调度以及信 道选择等也会影响端到端的q o s ( 如延时等) 。在物理层选择不同的调制方式和传输功率，同样会使q o s 中的误码率、吞吐量、发送速率等发生变化。由于多媒体业务对q o s 的要求不同。因此对于各层选择的 策略也不同。如何综合利用各层之闯的依赖关系和交互信息，有效实现多媒体监务的动态q o s 保证，将 成为跨层设计的重要目的之一。因此，有必要考虑层与层之间的依赖关系，加强层与层之间的信息交互 和若享，使网络性能得到整体优化。各层间跨层信息交互示意图如图l 所示 4 】。 一。 ：q o s 自 适 应 ：自 ：上 ：而 ：下 的 ：信 - 息 图1 各层间跨层信息交互示意图 跨层设计的理论模型如下图2 所示 5 】。跨层设计要求在层与层之间进行信息传递和共享，针对各层 相关模块协议的不同状态和要求，在整体框架内，利用层与层之间的相互依赖和影响，对网络性能进行 整体优化。跨层设计充分合理利用现有网络资源( 包括编码技术、传输功率控制、信道、各种调制编码方 式、天线分集、各种调度策略、路由等) ，达到系统吞吐量最大化、总传输功率最小化、q o s 最优化等目 的。 设计 实现 系 统 约 束 图2 跨层设计的理论模型 3 跨 层 自 适 应 一信道自适应自下面上的信息 东南大学硕士学位论文 本课题将针对基于o f d m 技术的宽带无线通信系统，主要研究m a c p h y 两层联合优化。由于无线 通信系统中多媒体应用需求快速增长，通常在链路级通过调度算法来保证业务的q o s 和业务之间的公平 性，但是仅仅在m a c 层调度，不能获得最大资源利用率，为了更有效的分配和利用无线资源需要在 m a c 调度基础上，通过在p h y 层采甩一些技术以最大化吞吐量为目的、并结合无线信道的时变性、区 域性和突发错误率高等特点来进行联合优化，以期在保证业务q o s 的基础上获得效率与公平之间的折 衷。 1 2 本文内容安捧 下面对本次论文的章节安排作一下简单的介绍。 第一章绪论部分介绍了本次课题的应用背景及跨层优化相关领域的发展和研究现状，并对章节的安 排作了说明。 第二章简单介绍了8 0 2 ，1 6 系统仿真平台的整体框架，并对物理层模块、信道模块、管道模块的实现 作了详细描述。 第三章从对自适应传输技术的介绍中引出自适应编码调制( a m c ) 的原理及发展情况，之后引出了 信道预测存在的必要性，并对几种经典的信道预测方法的优缺点作了详细叙述。 第四章是本文的核心，提出了在宽带无线接入系统的m a c 层利用信道预测的结果来控制自适应编 码调制，并将a m c 结果反映给调度器，使得对帧资源的调度更准确更有效，从而实现了针对a m c 的 m a c 层和p h y 层之间的跨层优化。 第五章对两种不同业务仿真场景中，分别采用信道预测与不采用信道预测情况下的结果作了比较和 分析。 第六章为论文鹤结论与展望，总结了本文了成果及不是之处，讨论了在本研究方向上今后的工作重 点。 4 第二章9 0 21 6 仿真平台简介 2 1 系统概要 2 1 1 网络拓扑结构 第二章8 0 2 1 6 仿真平台简介 本次仿真，我们采用o p n e t 仿真软件来搭建8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 1 6 1 系统仿真平台。本章描述的仿真平台主 要针对应用层部分以及空中接口部分，其他部分采用o p n e t 自带的标准模块，主要包括模块和a r p 模块。应用层能选择产生两种业务，包括视频点播( v o d ) 和文件传输协议( f r p ) 业务。空中接口模 块( 包括m a c 和p h y 模块) 主要参照协议8 0 2 1 6 d 搭建，实现了主要的m a c 层管理信令。上下行均 采用正交频分复用( o f d m ) 和时分多址方式( t d m a ) ，双工模式为f d d 。 两络拓扑结构如下图所示，点对多点的网络图扑结构，基站b s 一端接入核心网，另一端下带多个 用户站s s ，每个s s 下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 之间可以通过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l _ r e 设备或者s s 实现通信。 图3 仿真系统网络拓扑结构 2 1 2 子网模型 如图4 所示，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l i 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l i e 作为远程用户设备，与s s 带的l i 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 e1 u e5 1 ，u e2 u e5 2 ，以此类推，u e3 0 u e8 0 。本文主要研 究信道预测对上行调度结果的影响所以b s 端的u e 只收不发。 东南大学硕士学位论文 图4 仿真系统网络模型 2 1 3 协议栈模型 仿真系统的协议栈模型如图5 所示。 u es s b s 蕊5 仿真系统协议棱棱型 2 1 4 节点模型 图6 、图7 、图8 分别b s 、s s 和l i e 的节点模型。下文对图中的模块等作简单介绍。 图6 中，左上舞分的模块用来与主干踺中实体实现对等运信。右下部分熙来警理s s 筹实现与各个 s s 之问的无线通信。 p p p _ t x _ 0 9 和p p px 0 _ 0 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： a t w m a x _ b s s 、w m a x b s m a c _ c p s 及w m a xb sp h y 三个模块是本次仿真平台的主体，第2 1 5 节 中的b s 节点进程模块图详细刻画了这几个模块的内部结构； w m a xb s 戗和w m a xb sr x 是一对无线缆射接收机，用来与s s 进行收发通信； 红蓝流线称为包流线，宴现模块间的包通信。 6 由一 1黜饔 第二章8 0 2 1 6 仿真平台简介 国6b s 节点模墅 w m a x b 霉l a n i s s 的节点模型如图7 所示，以下详细描述各模块的作用。 i p j 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 sc s 、w m a x _ s sm a cc 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，第2 1 5 节 中的s s 节点进程模块晷详细刻画了这几个模块的内部结构； w m a xs s t x 和w m a xs l 这一对无线发射接收机实现与b s 之问的收发通信； 7 东南大学硕士学位论文 也0 s - a n t 图7s s 节点模型 l i e 的节点模型如图8 所示。 r p g 模块用来模拟业务的产生： i p _ e a c a p 、i p 和a r p 模块是o p n e t 的标准模块； m a c 模块只是为了实现对端通信，做简单的转发工作； h u b _ t x _ 00 和h u b _ r x _ 0 _ 0 用来实现与s s 之间的收发通信 h u b _ f l 0 0h u b - i l 0 - 0 图8l i e 节点模型 2 1 5 节点内部进程模块图 b s 节点内部的进程模块图如下图所示。红底为信令平面，蓝底为数据平面。主要刻画了m a cc s 、 m a cc p s 以及p h y 层的进程模块结构。 固驯 第二章8 0 21 6 仿真平台简介 a p p l i c a t i