（通信与信息系统专业论文）ieee80216e性能分析以及硬件模块设计.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着新型多媒体业务的发展、话务量的提升等，人们对3 g 系统及下一代无线 网络的无线传输速率要求会越来越高，用户希望能打破各种条件的制约，实现“任 何人在任何时候的任何地方与任何人进行任何方式”的通信。移动通信与商务、 娱乐等应用的融合，要借助于终端的改进来实现。方面，运营商要求介入终端 标准定制，寻求更好的终端标准支持自己推出的业务；另一方面，终端厂商要求 结合运营商需求，开发出适合市场需求的终端产品，两方面相互配合。作为通信 的重要组成部分，无线城域网将掀起移动通信的新浪潮，在现在和未来的生活中 将得到广泛的应用。 最初的i e e e8 0 2 1 6 标准是为固定终端制定的，之后的扩展版本i e e e8 0 2 1 6 e 标准旨在为移动的终端提供高速接入业务。作为对移动性能的扩展，i e e e8 0 2 1 6 e 定义了两个新的功能，即睡眠模式操作和切换过程。随着语音、视频等实时应用 的日益增多，终端的节省能量消耗成为了关键问题。论文首先学习了8 0 2 1 6m a c 层协议，然后基于i e e e 8 0 2 1 6 e 协议，研究了移动终端现有的睡h 民模式节能机制的 操作过程和相关参数，通过设计和优化现有的节能机制，进一步提高现有机制下 的性能，进行系统总体设计和算法的部分模块设计。本人的主要工作如下： 1 根据i e e e8 0 2 1 6 e 标准的定义，在只考虑下行数据传输的情况下，建立标 准睡眠模式分析模型，并使用概率统计方法对睡眠模式中的节能类型进行了数学 建模，讨论睡眠模式中各个参数对于能耗和下行帧时延的影响，以及二者之间存 在的折衷关系，最后采用m a t l a b 工具进行仿真。 2 学习i e e e8 0 2 1 6 e 协议，通过对协议中建议的睡眠模式中睡眠窗口指数增 长方式的学习，针对指数增长算法的不足，本文提出了新的指数加权滑动增长算 法，该算法是通过减缓睡目民间隔的增长速度来减少数据包的延时时间。并且对新 的算法进行了硬件设计、整个系统的框架设计和核心算法模块的状态转移分析， 该算法在数据帧到达率比较小的时候，改进了睡眠窗口增长算法，在基本保持能 量消耗的同时大大缩减了等待时间。并且通过动态的调整睡眠窗口，使能耗和等 待时间参数更加合理，最后进行了硬件设计和整体系统的硬件结构设计，并且对 山东大学硕士学位论文 模块进行了分析。 3 根据i e e e8 0 2 1 6 e 标准的定义，在f d 时考虑f ：、下行数据传输的情况下， 建立新的能量消耗模型，并且假设在上行帧存在时立即结束睡眠模式，并使用概 率统计方法进行了数学建模，并对睡眠模式节约能耗的效果及其对睡眠时问的影 响进行了分析，随后进行了相关的硬件设计，最后采用m a t l a b 工具进行了仿真。 关键词：i e e e8 0 2 1 6 e ；媒体接入控制；睡眠模式；节能类型；能量消耗； u 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h en e e do fw i r e l e s st r a n s m i s s i o nr a t ei si n c r e a s i n gi nb 3 gn e t w o r ka l o n gw i t ht h e f a s td e v e l o p m e n to fn e wm u l t i m e d i aa n dt h ea d v a n c eo fv o i c et r a f f i c u s e r sw a n tt h e c o m m u n i c a t i o ng o a lo f5 w ( w h o e v e r ，w h e n e v e r ，w h e r e v e r , w h o m e v e r , w h a t e v e r ) m o b i l ec o m m u n i c a t i o ni sc o m b i n e dw i t hb u s i n e s sa f f a i r sa n de n t e r t a i n m e n ta p p l i c a t i o n a n ds oo n ，i ti sr e a l i z e db yt e r m i n a li m p r o v e m e n t f o ro n es i d e ，s e r v i c ep r o v i d e rw a n tt o c a r r yo u tt e r m i n a ls t a n d a r dt os t a n do u tt h es e r v i c e s ，f o ra n o t h e rt h i n g ，t e r m i n a l m a n u f a c t u r e rw a n tt oe m p o l d e rt h et e r m i n a la d a p t e dt ot h en e e do fm a r k e t a sa n i m p o r t a n tp a r t ，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 s ) w i l ll e a dt oan e wt i d e a n dg e tb r o a da p p l i c a t i o n si ni n d u s t r ya n ds o c i a ll i f ei nf u t u r e o r i g i n a l l y ，i e e e8 0 2 1 6h a sb e e nd e s i g n e df o rf i x e ds u b s c r i b e rs t a t i o n s ( s s s ) o n t h eo t h e rh a n d ，t h er e c e n t l y d e v e l o p e di e e e8 0 2 16 ei sa ne x t e n s i o nt a r g e t i n ga tt h e s e r v i c ep r o v i s i o n i n gt ot h em o b i l es u b s c r i b e rs t a t i o n s ( m s s s ) a sp a r to ft h em o b i l i t y e x t e n s i o n ，t h e8 0 2 16 em a i n l yd e f i n e st w of u n c t i o n s ，n a m e l y ，as l e e p m o d eo p e r a t i o n a n dah a n d o v e rp r o c e d u r e w m a ni st h em o s tw i d e s p r e a du s ef o rb r o a d b a n dw i r e l e s s i tv e r ys u i t sf o rv o i c ec o m m u n i c a t i o na n ds u p p o r t sv i d e os e r v i c ea n dm u l t i m e d i a s e r v i c e e n e r g ye f f i c i e n c yi sv e r yi m p o r t a n ti ni e e e 8 0 2 16 e i nt h i sr e p o r t ，w es t u d ya n d r e s e a r c hm a cl a y e rb a s e do ni e e e 8 0 2 16 ，w es t u d yt h ee n e r g ye f f i c i e n c ys c h e m e ，b y d e v i s i n ga n do p t i m i z i n gi t ，w ea d v a n c et h ep e r f o r m a n c e m yw o r ki sd e s c r i b e da s f o l l o w s ： 1 w ec h a r a c t e r i z et h es t a n d a r d i z e ds l e e pm o d ei ni e e e8 0 2 16 e a n dt h e nw e b u i l dt h es y s t e mm o d e l sf o rt h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h ea v e r a g ep a c k e td e l a y a f f e c t e db ys l e e p m o d eu s i n gs t a t i s t i c s a tl a s t ，w eg i v et h es i m u l a t i o no nt h ea n a l y t i c a l r e s u l tb ym a t l a ba n dac o n c l u s i o n 2 i ni e e e 8 0 2 16 e ，t h ee x p o n e n t i a li n c r e a s ea l g o r i t h mo fs l e e pw i n d o wb r i n g so n l o n gr e s p o n s et i m ei nl o wt r a f f i cs c e n a r i o ，t h i sp a p e rp r e s e n t se x p o n e n t i a lw e i g h t 山东大学硕士学位论文 s m o o t hi n c r e a s ea l g o r i t h mt os o l v et h i sp r o b l e m ，i td e c r e a s et h ea v e r a g er e s p o n s et i m e b ys l o w i n g t h e i n c r e a s i n gs l e e pw i n d o w ，w e h a v e h a r d w a r e d e s i g n o f s l e e p _ t i m e _ c a c u l a t o r ，t h ew h o l es y s t e m s h a r d w a r ef r a m e w o r ka n dt h es t a t es h i f t a n a l y s i s t h en e wa l g o r i t h mi m p r o v eo nt h ep e r f o r m a n c ew h e nt h ei n c o m i n gd a t ar a t ei s s m a l l ，i td e c r e a s et h ea v e r a g ew a t i n gt i m ea tt h es a m et i m ew i t hp r o p e ra v e r a g ee n e r g y c o n s u m p t m n 3 b a s e do nt h ei e e e 8 0 2 16 e ，w ec h a r a c t e r i z ean e ws l e e pm o d ec o n s i d e r i n g u p l i n ka n dd o w n l i n kd a t at r a n s f e r ；w ea s s u m et h a tt h eu p l i n kd a t aw i l l t e r m i n a t et h e s l e e pm o d ei m m e d i a t e l y w em a k et h em o d e l ，a n a l y z et h e i n f l u e n c e s o ne n e r g y c o n s u m p t i o na n dt h es l e e pt i m eu s i n gs t a t i s t i c sa n dt h e nd oa s s o c i a t e dh a r d w a r ed e s i g n a tl a s tw eg i v et h es i m u l a t i o no nt h ea n a l y t i c a lr e s u l t sb ym a t l a b k e y w o r d s ：i e e e8 0 2 16 e ；m a c ；s l e e pm o d e ；p o w e rs a v i n g c l a s s ； e n e r g y c o n s u m p t i o n ； i v 山东大学硕士学位论文 a c k a t m b e b s c d p d c i d c p s c r c s c s m a d l f d m a f t p g s m h s d p a i e e e i e t f i t u 英文缩略语 a c k n o w l e d g e m e n tf r a m e 确认帧 a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e 异步传输模式 b e s te f f o r ts e r v i c e 尽最大努力业务 b a s es t a t i o n 基站 c e l l u l a rd i g i t a lp a c k e td a t a 蜂窝数字分组数据 c o n n e c t i o ni d e n t i f i e r s 连接标识符 c o m m o np a r ts u b l a y e r 公共部分子层 c o g n i t i v er a d i o 认知无线电 c o n v e r g e n c es u b l a y e r 汇聚子层 c a r d e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s 载波监听多路访问 d o w n l i n k 下行连接 f 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 频分多址 f i l et r a n s f e rp r o t o c a l 文件传输协议 g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n 全球移动通信 h i g hs p e e dd o w n l i n kp a c k e ta c c e s s 高速下行分组接入技术 i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s 电气和电子工程师协会 i n t e r n e te n g i n e e r i n g t a s kf o r c e 互联网工程任务组 i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n 国际电信联盟 l l cl o c a ll i n kc o n t r o l m a c m s m e d i aa c c e s sc o n t r o l m o b i l es t a t i o n n r r v rn o nr e a lt i m ev a r i a b l er a t es e r v i c e 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 p d ap e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t p d up r o t o c o ld a t au n i t 逻辑链路控制 媒体接入控制 移动台 非实时可变速率业务 j 下交频分复用 掌上电脑 协议数据单元 v 山东大学硕士学位论文 p h y p s c q o s s d u s s t d m t d m a u g s u l w i f i w i m a x w c d m a w l a n w m a n w p a n w r a n v i p h y s i c a ll a y e r p o w e rs a v i n gc l a s s q u a l i t yo fs e r v i c e s e r v i c ed a t au n i t s u b s c r i b e rs t a t i o n t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e u p l i n k w i r e l e s sf i d e l i t y w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v e a c c e s s w i d e b a n dc o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 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 l i t a na r e an e t w o r k w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k w i r e l e s sr e g i o n a la r e an e t w o r k 物理层 功率节约类 服务质量 业务数据单元 用户站 时分复用 时分多址 主动授权业务 上行连接 无线保真 微波接入全球互操作性 宽带码分多工存取 无线局域网 无线城域网 无线个域网 无线区域网 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已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： 致鱼 日 期：2 盟3 ：王：2 吐 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：孟己彝导师签名：日期：么田逝 山东大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 论文的选题背景和意义 随着无线通信的飞速发展，出现了各种尤线网络防议标准，无线城域网【l 】 ( w m a n ) 、无线局域刚2 j ( w l a n ) 和无线个域网( w p a n ) 覆盖范围及功能各不 相同，它们三者互相补充和融合，为人们提供无处不在的无线网络连接，无线网 络的重点是无线城域网的媒体接入控制( m e d i u ma c c e s sc o n t r o l ，m a c ) 技术。 宽带通信网络应用正在更深更广地向社会各个领域渗透，信息的获取更加便 利，目前，在宽带有线网络中，光纤通信技术已得到极大发展，无线网络作为传 统有线网络的一种延伸，将企业和个人从有线线缆解放出来，使他们可以随时随 地传送信息【3 】。作为有效的接入技术，无线个域、局域、城域网给人们带来的便 利是显而易见的，它们潜在的商业价值以及应用前景非常广阔，当日订对它的研究 非常广泛，其中对无线城域网的研究尤为突出。在这种应用背景和研究背景下， 论文选择以无线城域网为研究对象。 当前能提供实时语音和高速宽带数据业务的新型系统正在发展之中，提供最 后一公里的接入是制约通信发展的瓶颈，近年来，有线宽带接入技术，如x d s l 、 c a b l em o d e m 等技术都取得了巨大的成功，但是由于缆线资源和技术覆盖能力有 限，全球仍有很多的用户无法享受到宽带接入服务，特别是偏远郊区。随着蜂窝 技术、无线通信技术的发展，宽带无线接入逐渐成为用户新的选择。i e e e 8 0 2 1 6 协议，是i e t f ( 电气和电子工程师协会) 为实现宽带无线接入而开发的协议族，它 能够作为提供最后一公里宽带无线接入的解决方案，并可作为第三代移动蜂窝通 信网的补充甚至替代技术。i e e e 8 0 2 1 6 系列标准【4 。o 】是一组新兴的无线城域网 ( w m a n ) 技术，i e e e 8 0 2 1 6 d 仅支持固定站点模式，为了提供高速的宽带无线接入 和支持终端站点的移动性，i e e e 标准委员会制订了i e e e8 0 2 1 6 e 标准。 i e e e8 0 2 1 6 e 标准在i e e e8 0 2 1 6 d 标准的基础之上，增加了对无线终端移动 性的支持。与3 g 网络相比，i e e e8 0 2 1 6 e 拥有许多技术优势和成本优势。按照 8 0 2 1 6 e 的目标，该系统将具有高速移动、宽带接入和城域范围覆盖等基本特征， 山东大学硕士学位论文 这些都使得无线网络应用的范围大大扩展，使得i e e e8 0 2 1 6 e 标准引起了社会浓 厚的兴趣和重视。在i e e e8 0 2 1 6 e 标准中，为了更好的支持终端的移动性，m a c 层定义了睡l 民模式操作和越区切换操作。睡眠模式的目的在于减少m s 的能量消 耗并降低对服务基站( s e r v i n gb s ) 空中资源的使用。睡眠模式是移动台( m s ) 在预先 协商的指定周期内暂时中止服务基站服务的一种状态。从服务基站的角度观察， 处于这种状态下的m s 处于不可用状态。 虽然无线网络有着可移动性、可扩展性等许多优剧l l 】。但是和有线网络相比， 无线网络提供的性能和服务质量还有很大差距，主要制约因素有无线网络的传输 介质是无线电波，电波在空气中传播，容易受到多方面因素的影响，如路径损耗、 无线信道特有的衰落现象，其它电磁波的干扰，环境和障碍物的影响等，无线信 道的传输性能受到很大限制，整个系统的吞吐性能及传输的可靠性都较低。在无 线网络中，要想提高m a c 层的吞吐及可靠性，必须使m a c 层能很好地了解物理 层信道的质量状况。 在终端能量方面，在无线网络中，能量是一种非常宝贵的资源，因为无线终 端通常由电池供电，而电池提供的能量是有限的，并且电池技术相对成熟，很难 有大的突破。为了延长电池的寿命，通过节能机制延长m s 的使用时间非常重要。 在过去，主要的研究集中在硬件电路上的节能，近年来，人们渐渐意识到在软件 上尤其是通信协议上可以更好的节能，因此，研究能量高效( e n e r g y e f f i c i e n t ) 的通 信协议是非常必要的【1 2 】。所以现有的无线通信的多址接入协议都考虑到了如何最 有效的进行能量节省，如何提高节点及网络的能量有效性，使网络在有限的能量 条件下工作时i 日j 尽可能长的延长。比如蜂窝数字分组数据( c d p d ) 、g s m 、w l a n 、 c d m a 2 0 0 0 、w c d m a 、无线传感器网络等都允许移动终端采用不同的节电模式。 同样，在采用i e e e8 0 2 。1 6 e 标准的网络中，如何节约终端的能量消耗，延长移动 终端的工作时问成为人们研究的焦点问题之一。 无线城域网、个域网标准所涉及的仅有物理层和m a c 层。相对于物理层来说， m a c 层的作用更突出，原因在于无线网络的资源如何分配、终端站点如何接入网 络等等都由m a c 层来完成。因此，有一个能够充分、有效地提高无线信道利用率 的媒体访问协议，就更重要。所以，对无线网络m a c 层协议的性能进行分析，对 2 山东大学硕士学位论文 协议进行改进以提高性能，始终是无线网络研究领域的热点问题。故论文专注于 i e e e8 0 2 1 6 e 标准中与移动阽州哭的m a c 层技术的研究，对师眠模式进行了性能 分析和改进，并独+ 盘提出了一种t 、下帧睡u 民模型，进行整体分析和设计。论文 以“i e e e 8 0 2 1 6 e 性能分析以及硬件模块设计”为题，具体内容下面详述。 1 2 论文的主要工作 电池寿命是移动性应用的关键问题。i e e e8 0 2 16 e 标准支持睡眠模式和唤醒模 式以延长移动台的使用时间。睡眠模式是移动台在一段时间间隔内处在一种服务 基站不可见的状态，这个时间间隔的特点是对于服务基站无论从上行和下行看， 移动台都是不可见的。睡眠模式的目的是最小化移动台的能量消耗和服务基站空 中接口资源的使用。 论文所做的工作就是对i e e e8 0 2 1 6 e 标准的能耗问题进行进一步的研究，包 括对m a c 层关键技术的介绍、睡眠模式的性能分析、上下行帧睡眠模式的提出、 相关的系统结构设计、m a t l a b 验证仿真。 1 3 论文内容安排 上面简要介绍了论文的主要工作，下面是论文各个章节的安排： 第一章选题的背景和意义，各章主要内容介绍。 第二章i e e e8 0 2 1 6 e 标准m a c 层介绍：对i e e e8 0 2 1 6 e 标准m a c 层做了 简要介绍，然后重点介绍了8 0 2 1 6 e 与移动性相关的睡眠模式。 第三章无线城域网中终端节能机制的性能分析及改进：8 0 2 1 6 e 中提出的睡 眠模式算法采用指数方式来增加睡眠时间，算法简单。在低业务量的情况下，数 据帧之间的i 口j 隔时间比较长，睡眠模式要经历比较多的睡眠周期，经过多个周期 后，指数增长的唾h 民| 日j 隔就会增长到一个比较大的值。如果在此间隔内有数据包 到达，就会经过较长时间才能被响应。实验数据也证明了这一分析。因此，在低 业务量情况下，指数增长算法会延长数据包的响应时i 日j ，考虑到睡眠模式是在业 务量低时被应用，所以提出了一种睡眠窗口滑动增长算法来减少响应时间并且也 山东大学硕士学位论文 能够很好地考虑功率消耗，尤其是适用于对延时敏感一些的应用情况。 第阴章i e e e 8 0 2 1 6 em a c 层睡眠模式的研究和改进：本章分析了8 0 2 1 6 e 睡 眠模式算法，研究了以f j 文献的理论和实验结果后，综合考虑了上、下行帧的情 况，参考文献中的能量消耗模型，建立统一的能量消耗模型，在有上行帧到达时， 睡眠周期结束，睡眠模式结束。考虑了睡眠模式的两个指标，能量消耗和平均睡 眠时间。对性能进行理论分析，对提出的能耗模型进行仿真实验，最后对本章进 行总结。 第五章总结与展望：论文工作的总结，不足之处以及技术展望。 4 山东大学硕士学位论文 第二章le e e8 0 2 16 e 标准m a c 层 2 1i e e e 8 0 2 16 标准概述 无线网络具有多方面的优点，发展十分迅速。最近几年，新兴的无线城域网 技术正以其覆盖面积广、容量大、速度快、成本低等优势得到极大关注和发展。 无线局域网已经在酒店、机场、商店、学校、公园和咖啡店等不适合网络布线的 场合得到了广泛的应用，无线个域网也己经在消费类电子中崭露头角。无线网络 已经在工业、工厂管理、旅游业、金融服务、公共安全、零售和监视应用等不同 行业发挥巨大作用。国际上主要的两大标准组织：国际电信联盟i t u 和美国i e e e 组织为各种通信技术制订了相应的标准，主要有无线城域网、无线局域网和无线 个域网标准。其中，i e e e 8 0 2 系列标准在无线网络技术中的影响最大。 i e e e 针对特定市场需求和应用模式提出了一系列不同层次的互补性无线标 准，其中已经得到广泛应用的标准系列包括应用于无线个域网的i e e e8 0 2 1 5 标准 和应用于无线局域网的i e e e8 0 2 1 1 标准。而i e e e8 0 2 1 6 标准的提出，弥补了i e e e 在无线城域嘲标准上的空白。 i e e e 8 0 2 1 5 工作组专门负责制定有关无线个域网( w p a n ) 的标准，蓝牙 ( b l u e t o o t h ) 是最初的无线个域网标准，也是i e e e8 0 2 1 5 1 标准的基础。8 0 2 1 5 1 基 于蓝牙微微网，为个人便携设备提供简单、低功耗的短距离无线连接，它工作在 2 4 g h z 频段，提供电路交换和分组交换两种连接，以适应不同场合的应用。由于 w p a n 和w l a n 很可能工作在相同的频段( 如2 4 g h z ) 而造成相互干扰，因此i e e e 制定了8 0 2 1 5 2 标准。8 0 2 1 5 2 推荐了一系列解决w p a n 与w l a n 之间互扰的 技术策略和方法。i e e e8 0 2 1 5 3 是为视频会议、实时网络游戏、高清晰电视等高 速率个人应用而设计的标准协议。i e e e8 0 2 1 5 4 是为了给传感器网络提供解决方 案而制定的，它提供三种可选数据率：2 5 0 k b p s 、4 0 k b p s 和2 0 k b p s 。蓝牙技术具有 灵活、安全、低成本、小功耗的特点，而成为目前的w p a n 主流技术。 无线局域网标准，首先是i e e e 8 0 2 1 l 系列标准。最早的i e e e8 0 2 11 1 3 标准 能提供1 m b p s ，2 m b p s 等传输速率标准。i e e e 相继推出了8 0 2 1l b ，8 0 2 1l a ，8 0 2 1 l e ， 5 山东大学硕士学位论文 8 0 2 11 c8 0 2 11 i 等标准。8 0 2 1 1 b 工作于2 4 g h z 频段，支持5 5 m b p s 和1 1 m b p s 两种速率，8 0 2 1 1 9 工作于2 4 g h z 频段，采用o f d m 技术，可以实现高达5 4 m b p s 的数据速率。8 0 2 1 1 ，8 0 2 1l b ，8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 1 9 这四个标准基于同样的m a c 协 议，定义了不同的物理层标准。 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，对工作在不同频 带的无线接入系统空中接口进行了规范。由于它所规定的无线系统覆盖范围在公 罩( k m ) 数量级，因此8 0 2 1 6 系统主要应用于城域网。根据使用频带高低的不同， 8 0 2 1 6 系统可分为应用于视距和非视距两种，其中使用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l o - - 一6 6 g h z 频带的系统应用于视距( l o s ) 范围。根据是否支持移动特性，8 0 2 1 6 标准又可分为固定宽带无线接入空中接口 标准和移动宽带无线接入空中接口标准。i e e e8 0 2 1 6 标准系列到目前为止包括 8 0 2 i1 6 ，8 0 2 1 6 a ，8 0 2 1 6 c ，8 0 2 1 6 d ，8 0 2 j1 6 e ，8 0 2 1 6 t , 8 0 2 1 6 9 ，8 0 2 1 6 j ，8 0 2 1 6 k 和8 0 2 1 6 q 等标准。其中：8 0 2 1 6 、1 6 a 、1 6 d 属于固定无线接入空中接v i 标准，而 8 0 2 1 6 e 属于移动宽带无线接入标准。 最早的i e e e 8 0 2 1 6 标准规范了1 0 6 6 g h z 频段的固定无线接入系统的空中接 口物理层和m a c 层，由于其使用的频段较高，故只能应用在视距范围内。8 0 2 1 6 a 标准对8 0 2 1 6 进行了扩展，增加了对2 1 1 g h z 频段非视距宽带固定接入系统的 定义和规范。该频段具有非视距传输的特点，覆盖范围最远可达5 0 k m ，小区半径 通常是6 - - 一1 0 k m 。8 0 2 1 6 c 是对8 0 2 1 6 标准的增补文件，是使用1 0 - - 一6 0 g h z 频段 8 0 2 1 6 系统的兼容性互通性标准。8 0 2 1 6 d 是8 0 2 1 6 a 的增强型，它对2 - - 一6 6 g h z 频段的空中接口物理层和m a c 层作了详细的规定，该标准对前几个标准进行了整 合和修订，是8 0 2 1 6 的修订版本中比较成熟且最具实用性的一个版本。8 0 2 1 6 e 是8 0 2 1 6 d 的进一步延伸，目的是在已有标准中增加对用户移动性的支持，是一 种既能提供高速数据业务又使用户具有移动性的移动带宽无线接入解决方案。它 工作在2 6 g h z 适于移动性的许可频段。8 0 2 1 6 f 标准的制定有助于实现网格网连 接，扩大单个基站的覆盖范围。8 0 2 1 6 9 的制定是为了规定标准的8 0 2 1 6 系统管 理流程和接口，来实现8 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。8 0 2 1 6 j 标准是以中继技术为核心，以8 0 2 1 6 e ( w i m a x ) 标准为基础架 6 山东大学硕士学位论文 构的新，一带无线城域网标准。它的目标是通过在基站的覆盖小区内布放中继站来 降低w i m a x 系统的整体建设成本，并提高系统的柔韧性。 8 0 2 1 6 系列标准中，8 0 2 1 6 d 和8 0 2 1 6 e 是两个主流空中接口标准。 i e e e 8 0 2 1 6 e 是对i e e e 8 0 2 1 6 d 的增强，它定义了一个结合固定与移动宽带无线接 入的系统，支持用户站以车速移动和基站或小区间高层切换的功能。它的物理层 实现方式与8 0 2 1 6 d 基本一致，主要差别在于对o f d m a 进行了扩展。而且为了 支持移动性，8 0 2 1 6 e 在m a c 层引入了许多新的特性，如切换支持、可节电的睡 眠模式等。8 0 2 1 6 e 的目标主要是使系统要具有高速移动性，宽带接入，城域覆盖 范围等特征。表2 1 显示8 0 2 1 6 e 和其他技术的比较。 表2 1i e e e8 0 2 1 6 e 与其他技术的总体比较 信道带宽 f d d 厂r d d 下行峰值上行峰值组织 b i t s s e c h z g p r s 1 6 0 k b p s1 6 0 k b p s 0 8 2 0 0 k h zf d d e d g e 4 8 0 k b p s4 8 0 k b p s 2 4 3 g p p w c d m af d d 厂r d d 2 m b p s2 m b p s 0 4 5 m h z h s d p af d d14 4 m b p s 7 m b p s 2 8 8 e v d 0 3 1 m b p s1 8 m b p s 2 4 8 1 2 5 m h zf d d3 g p p 2 e g d v 3 i m b p s1 8 m b p s 2 5 6 w i m a x u p t 0 2 0 m h z f d d ，r d d u p t o7 5 m b p su p t o7 5 m b p s i e e e3 7 5 8 0 2 1 6 d 标准是8 0 2 1 6 标准系列的一个修订版本，是相对比较成熟并且最具有 实用性的一个标准版本。8 0 2 1 6 d 对l o 一6 6 g h z 频段和小于1 1 g h z 频段的固定宽 带无线接入空中接口物理层和m a c 层进行了详细规定，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。 8 0 2 1 6 e 标准相对于前几个标准，最大区别在于对移动性的支持。该标准规定 了可同时支持固定和移动宽带无线接入的系统，工作在小于6 g h z 适宜于移动性的 许可频段，可支持用户终端以车辆速度移动，同时8 0 2 1 6 d 规定的固定无线接入用 户能力并不因此受到影响。8 0 2 1 6 e 标准规定了支持基站或扇区间高层切换的功能。 制定8 0 2 1 6 e 标准的目的，是希望能够提出种既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 e8 0 2 1 6 e 与8 0 2 1 6 d 的比较如表2 2 所示。 7 山东大学硕士学位论文 表2 2i e e e8 0 2 1 6 e 与8 0 2 1 6 d 的比较 项目1 6 d1 6 e内容 应川场景州定川定，移动1 6 e 能覆盖1 6 d 的应j 【 j 场景 多址接入 t d m a0 f d m a1 6 d 不能构成蜂窝网络 m i m o a a s 要求否是1 6 e 支持f 信道化, f i i m i m o a a s ， 非视距支持 否是能更好支持1 卜视距 移动性支持否是1 6 e l t l 6 d 支持移动性 室内m o d e r n ， 终端室p l - m o d e m p c m c i a ， 1 6 d 的终端价格高 p d a 手持设备 安装困难可自己安装1 6 e 的安装很简单 i e e e8 0 2 1 6 e 是对i e e e8 0 2 1 6 d 的增强，运行在小于6g h z 的许可频谱或免许可 频谱上，它定义了一个结合固定与移动宽带无线接入的系统，支持用户站以车速 移动和基站或小区间高层切换的功能。 i e e e8 0 2 1 6 e 移动宽带无线接入的协议模型是基于8 0 2 1 6 d 模型的，针对移动性 操作还定义了一些附加的功能。重要特性包括切换支持、可节电的睡眠模式、寻 呼以及增强的安全能力，该系统支持t d d 、f d d 矛d h f d d 操作方式。 在基站基本功能相当的情况下，与8 0 2 1 6 d 相比，8 0 2 1 6 e 提供了用户终端的 移动性增强支持。协议采用动态时隙分配模型，控制功能保留在基站上，由基站 通过使用基本信道和m a p 的帧开头上的标记来调度d l 和u l 的传输机会。由于这种 模式可以预订无线信道的时隙，因而在这种模式下可以实现统计的服务质量保证。 2 2ie e e 8 0 2 16m a c 层 i e e e 8 0 2 1 6 宽带无线城域网由基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 和用户站( s u b s c r i b e r s t a t i o n ，s s ) 两种类型的固定站点组成，它们之间采用点对多点( p o i n tt om u l t i p o i n t p m p ) 的通信方式【1 4 】。b s 是中心节点，负责网络内以及网络间的所有通信，s s 连接各类用户，并通过空中接口与b s 相连。在8 0 2 1 6 的上行链路( 从s s 到b s ) 接入方面，多个s s 在同一扇区内共享一个传输媒质，上行信道被模式化为一连串 的微时隙流，采用时分多址( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) 和按需多址 接入( d e m a n da s s i g n e dm u l t i p l ea c c e s s ，d a m a ) 相结合的方式，由b s 对上行时 隙进行集中分配，以保证s s 的有效接入，下行( 从b s 到s s ) 链路只要采用时分 山东大学硕士学位论文 复用( t i m e d i v i s i o nm u l t i p l e x ，t d m ) t j 3 式，由一个b s 向多个s s 发送数据，s s 数 据m a cp d u ( p r o t o c o ld a t au n i t ) 头中所含连接标识符( c o n n e c t i o ni d ，c i d ) 来 判断接受还是丢弃该报文。 2 2 18 0 2 16 的m a c 层结构 i e e e 8 0 2 1 6 协议规定的基站( b s ) 和用户站( s s ) 的协议栈模型如图2 1 所 示。协议栈模型纵向可以分为数据控制平面和管理平面，模型横向分为m a c 层和 p h y 层，协议对这两层的功能做了详细规定。 一管理实体 一汇聚子层 | f 百蘑丽 弛差垂查呈星i _ _安全子层 疆 数据控制f 曲管理平面 图2 - 18 0 2 1 6 协议栈模型 8 0 2 1 6 e 标准定义了物理层和m a c 层规范。其中，m a c 层主要负责数据成 帧以及共享无线链路的接入控制。它是面向连接的，所有上层业务包括一些无连 接业务都要映射到m a c 层连接( m a cc o n n e c t i o n ) 上进行传输。一个m a c 层链接 由一个全网唯一的连接标识符c i d 来标识。 i e e e8 0 2 1 6