（通信与信息系统专业论文）ieee80216e上行资源调度算法研究.pdf

摘要 i e e e8 0 2 1 6 e 是一种支持移动性的无线城域网宽带无线接入( b w a ，b r o a d b a n d w i r e l e s s a c c e s s ) 技术标准，可以用来解决“最后1 公里 的通信要求。对服务质量( q o s ， q u a l i t yo f s e r v i c e ) 的支持是i e e e8 0 2 1 6 e 媒体接入控制( m a c ，m e d i a a c c e s sc o n t r 0 1 ) 层主要特点之一，但是协议并未给出调度方案。本学位论文基于i e e e8 0 2 1 6 e 协议和无 线信道的特性，分别给出了部分使用子信道( p u s c ，p a r t i a lu s a g eo f s u b c h a r m e l ) 和自 适应调制编码( 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 ) 两种子载波分配方式下的调度 方案。 首先，论文对i e e e8 0 2 1 6 e 协议进行简要介绍。对于m a c 层，介绍m a c 协议数 据单元( p d u ，p r o t o c o ld a t au n i t ) 的相关概念、带宽请求和分配以及q o s 机制；对于 基于正交频分多址接入( 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 宅s s ) 的物 理( p h y ，p h y s i c a l ) 层，则介绍在时分双工( t d d ，t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 模式下的 帧结构以及p u s c 和a m c 两种晟主要的子载波分配方式。 其次，搭建了系统仿真平台，主要包括信道模型、业务模型和算法实现三部分。采 用的大尺度衰落模型和小尺度衰落模型可以比较真实地反映基于i e e e8 0 2 1 6 e 协议的 系统所经历的无线信道。文中分别仿真了小尺度衰落在p u s c 和a m c 两种子载波分配 方式下的不同特性，基于资源调度特点进行了分析。另外，针对m a c 层协议定义的5 种上行业务调度类型，给出具有不同统计特性的多媒体业务模型。 然后，对几种经典的适用于无线衰落信道的调度算法进行了论述。针对多媒体业务 特点，对传统的比例公平( p f ，p r o p o r t i o n a lf a i r ) 算法做了修正，可以较好地保障多媒 体业务的公平性。对各算法的吞吐量和公平性进行了仿真和分析，结果表明，m l w d f ( m o d i f i e d l a r g e s tw a i td e l a yf i r s t ) 算法具有吞吐量最优性质，而且可以很好地保障业 务的公平性。 最后，基于p u s c 和a m c 两种子载波分配方式，针对o f d m a 系统最佳资源分配 目标实现复杂度太高的问题，分别设计了多用户多业务场景下的次优调度方案。在p u s c 方式下，论文提出一种分级调度方案；在a m c 方式下，提出了一种基于b a n da m c 的 调度方案。仿真结果表明，提出的调度方案具有较低的复杂度，可以较好地满足各种业 务类型的q o s 要求，具有较高的系统吞吐量性能。另外，通过比较得出a m c 方式下的 吞吐量性能优于p u s c 方式的结论。 关键词：i e e e8 0 2 1 6 e ，正交频分多址接入，服务质量，分组调度，子载波分配 a b s t r a c t i e e e8 0 2 16 ei sak i n do fb w a ( b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ) t e c h n o l o g ys t a n d a r du s e d i nw m a n ( w i r e l e s sm e t r o p o f i t a na r e an e t w o r k s ) ，w h i c hc a l lb eu s e dt os o l v e t h el a s t k i l o m e t e r c o m m u n i c a t i o np r o b l e m t h es u p p o r to fq o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) i so n eo ft h e m a i nf e a t u r e so fi e e e8 0 2 16 em a c l a y e r , b u tt h es t a n d a r dd o e sn o ts u p p l yt h es c h e d u l i n g s c h e m e i nt h i st h e s i s ，b a s e do nt h ei e e e8 0 2 16 es t a n d a r da n dc h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s s c h a n n e l ，t h ed e t a i l e ds c h e d u l i n gs c h e m e sb a s e do np u s c ( p a r t i a lu s a g eo fs u b c h a n n e l ) a n d a m c ( a d a p t i v em o d u l m i o na n dc o d i n g ) s u b e a r r i e rp e r m u t a t i o n sa r ep r o p o s e dr e s p e c t i v e l y f i r s t , t h es t a n d a r di sd e s c r i b e db d e f l y f o rm a cl a y e r , t h ec o n c e p t so fm a cp d u ， b a n d w i d t hr e q u e s t g r a n ta n dq o sm e c h a n i s ma r ei n t r o d u c e d ；f o rt h eo f d m ap h y l a y e r , t h e f r a i n es t r u c t u r eb a s e do nt d d ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) m o d ea n dt h et w om a i ns u b c a r r i e r p e r m u t a t i o n s ( p u s ca n da m c ) a r ed i s c u s s e d s e c o n d ，t h es y s t e ms i m u l a t i o np l a t f o r mi sc o n s t r u c t e d , i n c l u d i n gt h ec h a n n e lm o d e l ，t h e s e r v i c em o d e la n dt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ea l g o r i t h m s t h el a r g e s c a l ea n ds m a l l - s c a l e m o d e lu s e di nt h i st h e s i sc a l lt r u l yr e f l e c tt h ew i r e l e s sc h a n n e le n v i r o n m e n te x p e r i e n c e db y t h es y s t e mb a s e do nt h ei e e e8 0 2 16 e t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es m a l l - s c a l ef a d i n gu n d e rt h e p u s ca n da m cs u b e a r r i e rp e r m u t a t i o n sa r es i m u l a t e d r n 地s i m u l a t i o nr e s u l t sa r ca n a l y z e d b a s e do nt h ef e a t u r e so fr e s o u r c es c h e d u l i n g i na d d i t i o n , f o rt h ef i v ed i f f e r e n ts c h e d u l i n g s e r v i c et y p e sd e f m e di nt h ei e e e8 0 2 16 em a c ，f i v ec o r r e s p o n d i n gs e r v i c em o d e l sw h i c h h a v ed i f f e r e n ts t a t i s t i c a lp r o p e r t i e sa r eg i v e n t h e n , s e v e r a lc l a s s i c a ls c h e d u l i n ga l g o r i t h m sf o rt h ew i r e l e s sf a d i n gc h a n n e la 把 d i s c u s s e d f o rt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i m e d i as e r v i c e s ，s o m ea m e n d m e n t so ft h et r a d i t i o n a l p f ( p r o p o r t i o n a lf 啪a l g o r i t h ma r ep r e s e n t e d ，w h i c hc a ng u a r a n t e ep r i m e l yt h ef a i r n e s so f t h em u l t i m e d i as e r v i c e s t h et h r o u g h p u ta n df a i r n e s so fe v e r ya l g o r i t h ma r es i m u l a t e da n d a n a l y z e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em - l w d f ( m o d i f i e d l a r g e s tw a i td e l a yf i r s t ) a l g o r i t h m n o to n l yh a so p t i m a lp e r f o r m a n c eo ft h r o u g h p u t , b u ta l s ow e l lg u a r a n t e e st h ef a i r n e s so f s e r v i c e s f i n a l l y , t h es u b - o p t i m a ls c h e d u l i n gs c h e m e si nt h em u l t i - u s e ra n dm u l t i - - s e r v i c es c e n a r i o a r ep r o p o s e df o rp u s ca n da m c p e r m u t a t i o n sr e s p e c t i v e l y , c o n s i d e r i n gt h eh i g hc o m p l e x i t y w h e nt h eb e s tg o a lo ft h er e s o u c e sa l l o c a t i o ni no f d m as y s t e mi si m p l e m e n t e d t h e h i e r a r c h i c a ls c h e d u l i n gs c h e m ei np u s cp e r m u t a t i o na n dt h es c h e d u l i n gs c h e m eb a s e do n b a n da m ci na m c p e r m u t a t i o na r ep r o p o s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ep r o p o s e d s c h e d u l i n gs c h e m e sh a v el o wc o m p l e x i t y , o a ns a t i s f yd i f f e r e n tq o sr e q u i r e m e n t so f a v a r i e t y o fs e r v i c et y p e s ，a n dh a v eh i g ht h r o u g h p u tp e r f o r m a n c e i na d d i t i o n , t h ec o n c l u s i o nt h a tt h e p e r f o r m a n c eo ft h r o u g h p u ti na m c m o d ei sb e t t e rt h a ni np u s cm o d ei sd r a w n k e yw o r d s ：i e e e 8 0 2 16 e ，o f d m a , q o s ，p a c k e ts c h e d u l i n g ，s u b c a r r i e rp e r m u t a t i o n a m c a r q a s n a r m b e b s c i d c p s c s c s n d a m a d l 一l 气p e d f e r t p s f c h f d d h o l i e i e e e i s i i t u l m d s l o s m a c m c s m l w d f 仆仍s m s n l o s n r t p s n w g 0 f d m 缩略语 a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g 自适应编码调制 a u t or e p e a tr e q u e s t 自动重传请求 a c c e s ss e r v i c en e t w o r k接入网 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尽力服务 b a s es t a t i o n 基站 c o n n e c t i o ni d e n t i f i e r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 s e r v i c e s p e c i f i cc o n v e r g e n c es u b l a y e r 特定服务汇聚子层 c o n n e c t i v i t ys e r v i c en e t w o r k 连接服务网络 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按需分配多址接入 d o w n l i n km a p下行链路映射 e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t生存截止时间最早优先 e x t e n d e dr e a l - t i m ep o l l i n gs e r v i c e扩展实时轮询服务 f r a m ec o n t r o lh e a d帧控制头 f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x 频分双工 h e a do f l i n e 队列首 i n f o r m a t i o ne l e m e n t信息元素 i n s t i t u t eo f e 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 电气电子工程师学会 i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e 符号间干扰 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 o c a lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o ns e r v i c e s 本地多点分配业务 l i n eo f s i g h t视距 m e d i u ma c c e s sc o n t r o l媒体接入控制 m o d u l a t i o nc o d i n gs c h e m e 调制编码方案 m o d i f i e d l a r g e s tw e i g h t e dd e l a yf i r s t 最大加权延迟优先的修正 m u l t i c h a n n e lm u i t i p o i n td i s t r i b u t i o ns e r v i c e多点多信道分布式业务 m o b i l es t a t i o n 移动站 n o n l i n eo f s i g h t 非视距 n o n - r e a l - t i m ep o l l i n gs e r v i c e非实时轮询服务 n e t w o r kw o r k i n gg r o u p网络工作组 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 i o s i p d a p d u p f p n p u s c q o s n p s r t g s a p s f s 腿 s n m e s s t d d 耵g u l m l p u g s 、厂0 i p w i m 魄x 仉删 、l a n 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 a c c e s s o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t p r o t o c o ld a t au n i t p r o p o r t i o n a lf a i r p o i n t - t o m u l t i p o i n t p a r t i a lu s a g eo fs u b c h a n n e l q u a l i t yo fs e r v i c e r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e r e c e i v e t r a n s m i tt r a n s i t i o ng a p s e r v i c ea c c e s sp o i n t s e r v i c ef l o w s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ea n d n o i s er a t i o s i m p l en e t w o r km a n a g e m e mp r o t o c o l s e c u r i t ys u b l a y e r t i m ed i v i s i o nd u p l e x t r a n s m i t r e c e i v et r a n s i t i o ng a p o p l i n km 印 u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e v o i c eo v e ri n t e r n e tp r o t o c o l 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 r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e a n e t w o r k s w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k i v 正交频分多址 开放系统互联 个人数字助理 协议数据单元 比例公平 点到多点的结构 部分使用子信道 服务质量 实时轮询服务 接收发送转换间隔 业务接入点 业务流 信号与干扰加噪声比 简单网络管理协议 安全子层 时分双工 发送接收转换间隔 上行链路映射 主动授权带宽服务 基于i p 的话音传输 微波存取全球互通 无线城域网 无线局域网 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。 研究生签名：伽7 置哆 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。 研究生签名：王岁中 导师签名： 嗍呷参多f 第l 章绪论 第1 章绪论 近年来，i n t e m e t 应用的迅猛发展，以及便携机、个人数字助理( p d a ，p e r s o n a ld i g i t a l a s s i s t a n t ) 等移动智能终端使用的日益增长，给广大用户提供了诸多便利，同时也使得 用户对网络和业务提出了更高的要求，如随时随处自由接入i n t e m e t 、能享受更多的业 务、更高的服务质量、安全且有保障的网络等。这使得宽带无线通信系统的未来一片光 明，其发展前景可以预见，它是下一代无线网络重要组成部分。 1 1 研究背景 在蜂窝移动通信技术快速发展、力争提供移动宽带服务的同时，一些宽带无线通信 系统定位在宽带无线方面，后来也开始提高部分的移动功能，试图通过宽带移动化进入 移动通信市场，例如无线局域网和无线城域网等。 无线城域网的推出满足了日益增长的宽带无线接入市场的需求。它的出现可以解决 传统的有线网络布线复杂、难于管理以及无线接入网络覆盖范围小、接入速度低、服务 质量得不到保证等固有弊病。 随着人们对不同应用需求的日益增长，服务质量( q o s ，q u a l i t yo f s e r v i c e ) 成为宽 带无线接入( b w a ，b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ) 中的关键技术和热门研究课题。q o s 的目的是向用户提供端到端的服务质量保障，保障网络在发生拥塞时重要业务信息的安 全性，并保证网络资源的高效使用。 在未来的无线网络中，各种业务可能完全基于统一的分组交换方式获得服务。而在 分组交换网络中，分组调度算法直接决定着业务的q o s 。一个高效合理的无线资源调度 算法，能够在满足用户不同q o s 的同时，优化有限的无线资源，提高频谱利用率和无线 网络容量，让更多用户得到更好的服务。 1 2 宽带无线接入技术的发展 宽带接入依据不同的物理传输媒介，可以分为有线宽带接入和无线宽带接入。 a d s l 、f t r x + l a n 、e p o n g p o n 和h f c 等是有线宽带接入技术的代表，而摆脱了有 线束缚，满足人们自由接入的无线宽带接入技术包括无线局域网( w l a n ，w i r e l e s sl o c a l a r e an e t w o r k ) 技术、固定宽带无线接入技术以及移动宽带无线接入技术等。i e e e 8 0 2 1 1 工作组致力于w l a n 标准的制定，其定义了单一的媒体接入控制( m a c ，m e d i a a c c e s s c o n t r 0 1 ) 层和多样的物理( p h y ，p h y s i c a l ) 层，已推出了i e e e 8 0 2 1 l b 、i e e e8 0 2 1 l a 和i e e e8 0 2 1 1 8 等多个涉及p h y 层的标准，以及i e e e8 0 2 1 l e 、i e e e8 0 2 1 l i 等多个 1 东南大学硕士学位论文 涉及m a c 层的标准。其目标是通过无线通信的方式实现有线局域网的功能，提供更加 灵活、便捷的接入手段。本地多点分配业务( l m d s ，l o c a lm u l f i p o i n td i s t r i b u t i o n s e r v i c e s ) 和多点多信道分布式业务( m m d s ，m u l t i c h a n n e lm u i t i p o i n td i s t r i b u t i o ns e r v i c e ) 等是早期的固定宽带无线接入技术，其发展方向是i e e e 推出的无线城域网标准i e e e 8 0 2 1 6 ，其目标是提供与有线宽带接入质量相当的高速无线接入服务。i e e e 推出的无线 城域网标准i e e e 8 0 2 1 6 e 以及正在研究的无线广域网标准i e e e8 0 2 2 0 是新兴的移动宽 带无线接入技术，其目标是满足用户在移动环境下对宽带数据通信的需求。图1 1 给出 了各种宽带无线接入技术的覆盖范围。 图1 - 1 宽带无线接入技术覆盖范围示意图 为推广i e e e8 0 2 1 1 ，国际上成立了w t f i 联盟，旨在保证不同设备商产品的兼容性 和互操作性，今天w t f i 几乎与i e e e 8 0 2 1 1 和w l a n 成了同名词。与此类似，微波存 取全球互通( w i m a x ，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 ) 作为推动i e e e 8 0 2 1 6 标准和产品发展的国际组织【l 】，其在宽带无线接入领域的影响日益增强，今天 w i m a x 也几乎成为了i e e e8 0 2 1 6 的同名词。 固定宽带接入技术i e e e8 0 2 1 6 d 已走向市场并得到一定程度的应用，具备移动性的 i e e e8 0 2 1 6 e 技术也闪亮登场，i e e e8 0 2 2 0 标准也在紧锣密鼓地制定中，这些标准与目 前已经获得广泛使用的应用于家庭互连的i e e e8 0 2 1 5 以及应用于w l a n 的i e e e 8 0 2 1 1 等标准，形成了不同层次上的互补，填补了i e e e 在无线接入标准上的空白。 w t f i 和w i m a x 技术的不断成熟，强烈刺激了宽带无线接入市场，为全球宽带无线 接入系统开启了一个新的发展契机。 w l f i 和w l m a x 两种技术各有其适用的场合。w i f i 技术适用于近距离、视距条件， 但成本比w i m a x 低得多。因此，w t f i 技术非常适合于小区域内的业务汇接。小区域业 2 第1 章绪论 务汇集之后，远距离接入城域网的任务就可以由w t m a x 来承担嘲。因此，w i f i 技术和 w i m a x 技术在应用上有互补的作用，两者将互相促进，共同发展。可以预料，8 0 2 1 1 和8 0 2 1 6 的结合将形成一个比较完整的无线解决方案，为企业、住宅和w i f i 热点提供 高速i n t e r n e t 接入服务。 1 2 1i e e e8 0 2 1 6 系列标准 i e e e8 0 2 1 6 的主要任务是开发工作于2 6 6 g h z 频带的无线接入系统空中接口 p h y 层和m a c 层规范，同时还有与空中接口协议相关的一致性测试以及不同无线接入 系统之间的共存规范。i e e e8 0 2 1 6 规定的无线系统主要应用于无线城域网。 最初的i e e e8 0 2 1 6 协议是2 0 0 1 年1 2 月份i e e e 通过的无线城域网标准，该标准 支持的工作频段为1 0 - - - 6 6 g h z ，只能承载在视距( l o s ，l i n eo fs i g h t ) 的环境中，这 些限制并不利于固定宽带接入技术的推广，所以在2 0 0 3 年1 月份i e e e 又发布了扩展协 议i e e e8 0 2 1 6 a ，目的在于使固定宽带接入技术也能支持非视距( n l o s ，n o nl i n eo f s i g h t ) 传输，工作频率范围为2 - - - l l g h z ，需要许可证和免许可证频段 3 1 。目前，为了 能够使i e e e8 0 2 1 6 系列标准能够传输从几m b i t s 到几百m b i t s 的数据，提供高速多媒 体业务传输的能力，成为解决接入网“最后1 公里刀瓶颈的有效手段。i e e e8 0 2 1 6 d 协 议，也称为i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 协议，对i e e e8 0 2 1 6 a 做了一些改进，主要在上行引入了 一些提高性能的新特征 4 1 。目前该协议已经成为业界标准，各大厂商都基于该标准设计 和推出各种固定无线接入产品。 根据能否支持移动特性，i e e e8 0 2 1 6 标准可以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，其中i e e e8 0 2 1 6 、i e e e8 0 2 1 6 a 、i e e e8 0 2 1 6 d 属于固定无线接入空中接口标准，而i e e e8 0 2 1 6 e 属于移动宽带无线接入空中接口标 准。 i e e e8 0 2 1 6 d 是2 - - 一6 6 g h z 固定宽带无线接入系统的标准，是对i e e e8 0 2 1 6 、i e e e 8 0 2 1 6 a 和i e e e8 0 2 1 6 c 的修订，已经于2 0 0 4 年6 月在i e e e8 0 2 委员会获得通过，将 以i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 名称发布。i e e e8 0 2 1 6 d 可以应用于2 1 l g h z 非视距( n l o s ) 传输和1 0 - - 6 6 g h z 视距( l o s ) 传输。 i e e e8 0 2 1 6 e 是2 - - - 6 g h z 支持移动性的宽带无线接入空中接口标准，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 e 8 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究的基础上，为了支持 移动特性，i e e e8 0 2 1 6 e 加入新的特性【5 1 。i e e e8 0 2 1 6 e 协议作为固定接入技术的扩展， 增加了终端用户的移动性功能，从而使移动终端能够在不同基站间进行切换和漫游。 上面介绍的i e e e8 0 2 1 6 d 和i e e e8 0 2 1 6 e 标准都是业务平面标准，而与管理平面相 关的标准包括i e e e8 0 2 1 6 f 和i e e e8 0 2 1 6 9 。i e e e8 0 2 1 6 f 定义了i e e e8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 固 3 东南大学硕士学位论文 定无线接入系统m a c 层和p h y 层的管理信息库( m i b ，m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o nb a s e ) 以及相关的管理流程，于2 0 0 5 年9 月份在i e e e 通过。i e e e8 0 2 1 6 9 定义了固定和移动 宽带接入系统管理平面流程和服务规范，用于增强i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 和i e e e8 0 2 1 6 e 的 m a c 层和p h y 层管理实体。各种i e e e8 0 2 1 6 系列标准如表1 1 所示。 表1 1i e e e8 0 2 1 6 系列标准及其说明 标准名称标准说明 i e e e8 0 2 1 6 1 0 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统空中接口p h y 层和m a c 层规范 i e e e8 0 2 1 6 a2 li g h z 固定宽带无线接入系统空中接口p h y 层和m a c 层规范 ! e e8 0 2 1 6 c 1 0 - - 一6 6 g h z 固定宽带无线接入系统的兼容性标准 i e e e8 0 2 1 6 d2 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统空中接口p h y 层和m a c 层规范 i e e e8 0 2 1 6 e 2 - - 6 g h z 固定和移动宽带无线接入系统空中接口规范 i e e e8 0 2 1 6 f 固定宽带无线接入系统空中接口管理信息库以及相关的管理流程 i e e e8 0 2 1 6 9 固定和移动宽带无线接入系统空中接口管理平面流程和服务要求 1 2 2 无线资源调度的特点 在无线网络中提供区分q o s 服务的分组调度是一个非常重要的问题。有线网络的调 度主要是考虑用户的公平性和q o s 保证，通常是通过给业务流提供固定的服务速率和时 延限制来保证。但是这些算法不能直接应用于无线网络。因为与有线网络相比，无线网 络有三个明显特征： ( 1 ) 信道出错率高，且常是突发性的。 ( 2 ) 信道容量及出错情况和时间及移动台位置有关。 ( 3 )稀有的带宽资源。 这些特征影响到调度策略的公平性和业务流的q o s 保证。一个好的无线调度算法应 该具有以下特点： ( 1 )使系统总体吞吐量最大化。 ( 2 )能够对滞后流进行补偿，所谓滞后流就是暂时不满足预约q o s 要求( 通常 是服务速率、最大时延和丢包率等) 的业务流。 ( 3 ) 能使各业务流真正公平地共享信道( 长短期公平性) 。 ( 4 )系统可实现( 复杂度不能太高) 。 无线信道具有时变特性，这决定了无线调度算法的易变性。另外，由于不同用户传 输的业务类型不同，相应的公平性和业务的q o s 要求也决定了无线调度算法必须具有相 当的灵活度。这使得无线网络的分组调度问题十分复杂。下面对无线网络调度区别于有 线网络调度的主要问题进行简单介绍： 1 公平性问题 4 第l 章绪论 有线网络的调度是通过给业务流提供确定的服务速率来保证公平性。因为有线媒质 可以看作零错误率，所以分配的服务速率就是某一特定业务流实际接收到的服务速率。 而无线网络中可能会发生这样的情况，依据独立于链路状态的公平性规则，一个分组被 调度并在无线网络上进行传输，但是链路传输的信息是错误的。那么如果分组被传输， 会由于错误而被丢弃，从而导致传输资源浪费。因此合理的选择是推迟这个分组的传输 直到链路从错误状态恢复。这样，受影响的业务流暂时丢失了一些应得带宽。链路恢复 后应对这个业务流的损失进行补偿，以保障服务流的长期公平性。无线调度公平性的确 切含义取决于服务模型、业务类型和信道特性。 2 电能限制和简单性问题 蜂窝结构的无线网络中的调度算法一般在基站中运行，而基站的电力供给十分充 足，因此计算分组服务顺序所需的电能不需要过多考虑。然而移动台的电能是受限的。 一个好的调度算法应使得与调度相关的控制信息数目最小，这些信息可能包含移动台队 列状态、分组到达时间和信道状态。例如，一个需要用到每一个上行链路分组到达时间 来计算排队次序的调度算法是不好的，移动台向基站传输到达时间信息需要大量的电 能。同样，调度算法也不应该太复杂，以使其能够高速执行，对具有严格定时要求的多 媒体业务进行实时调度。 1 3 本文内容安排 本文对基于i e e e8 0 2 1 6 e 协议的分组调度算法进行了研究，首先对协议的相关定义 和特性进行了分析，然后搭建了系统级仿真平台，并对经典的无线衰落信道的调度算法 进行了研究，最后基于协议定义的两种子载波分配方式，分别给出了多用户多业务场景 下的调度方案。本文具体内容安排如下： 第2 章对i e e e8 0 2 1 6 e 协议做了简单介绍，包括w i m a x 网络架构、协议总体结构、 m a c 层和p h y 层。m a c 层着重对带宽请求和分配以及q o s 机制进行了介绍，而基于 正交频分多址接入( 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 s ) 的p h y 层则主要对帧结构和两种主要的子载波分配方式进行了介绍。 第3 章对为仿真调度算法搭建的系统级仿真平台进行了简单介绍，包括网络拓扑结 构、无线信道建模以及业务建模，并基于信道模型对协议定义的两种子载波分配方式进 行了仿真和分析。 第4 章对几种经典的针对无线衰落信道的分组调度算法进行了仿真和分析，包括最 大载干比( m a xc i ) 、比例公平( p f ，p r o p o r t i o n a lf a i r ) 、m l w d f ( m o d i f i e d l a r g e s tw a i t d e l a yf i r s t ) 和e x p ( e x p o n e n t i a l ) 算法。 第5 章首先提出了基于i e e e8 0 2 1 6 e o f d m a p h y 层的最优资源分配目标并进行了 简单分析。然后分别针对部分使用子信道( p u s c ，p a r t i a lu s a g eo f s u b c h a n n e l ) 和自适 s 东南大学硕士学位论文 应调制编码( 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 ) 两种子载波分配方式，提出了适 合其特点的调度方案，并进行了仿真和分析。 6 第2 牵i e e e 8 0 2j 6 e 协议研究 第2 章i e e e8 0 2 1 6 e 协议研究 本章将对i e e e8 0 2 1 6 e 协议进行分析和研究。首先简要介绍i e e e8 0 21 6 e 协议的叫 络拓扑结构和节点模型，并对m a c 层和p h y 屡进行了概述，然后介绍了m a c 层的主 要组成部分即公共部分了层( c p s ，c o m m o n p a r ts u b l a y e r ) ，重点放在其带宽申请和分 配机制及其q o s 机制。最后对基于o f d m a 的p h y 层进行了介绍，特别是其帧结构以 及p u s c 和a m c 两种子载波分配方式。 2 1 基于i e e e 8 0 2 1 6 e 的w i m a x 网络架构 基于i e e e8 0 21 6 e 的w i m a x 网络架构的制定与研究工作在网络工作组( n w g ， n e t w o r kw o r k i n gg r o u p ) 进行，根据发展需要分成3 个r e l e a s e 版本，采取逐步推进和 完善的策略。基于i e e e8 0 2 1 6 e 的w i m a x 基本网络结构如图2 - 1 所示i 。作为w i m a x 网络的参考架构，整个 6 i 络分为接入网( a s n ，a c c e s ss e r v i c en e t w o r k ) 和连接服务网 络( c s n ，c o n n e c t i v i t ys e r v i c en e t w o r k ) 两大部分在支持漫游和不支持漫游的情况下， 两者的网络架构稍有小同。其中，c s n 可以视为传统蜂窝移动网络的核心网部分p 】。 7 圈2 - 1 基十i e e e8 0 2 1 6 e 的w i m a x 网络结构 2 2i e e e8 0 2 1 6 e 协议体系 2 2 1i e e e8 0 2 1 6 e 协议栈参考模型 i e e e8 0 2 1 6 e 协议规定了b s 与m s 之间的空中接