（电磁场与微波技术专业论文）wimax带宽分配策略研究与仿真.pdf

独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人躲张魄驯印， 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期i 矽l ! ：纠 日期： 丝! ! ：三：! 兰 摘要 近年来，无线通信技术的发展非常迅速。w i m a x 作为一种新兴 的无线通信技术，成为继w c d m a ，c d m a 2 0 0 0 ，t d s c d m a 之后 的第四个3 g 标准。同时该技术的很多方面还不够成熟，因此各项机 制的完善和调度算法的改进等都成为当前很有挑战性的课题。 调度算法对于w i m a x 网络的q o s 性能是至关重要的。i e e e 8 0 2 1 6 标准定义调度机制的大体框架，但是并未指明调度算法的实现 细节。本研究的工作则集中在带宽分配机制的研究上，它是调度机制 的一种，也是相关研究开展得较少的一类机制。本文第一、二章对 w i m a x 技术以及其发展历史与现状进行了介绍，并通过其他无线通 信技术进行对比，展示了w i m a x 技术的特点及优势。第三、四章介 绍了w i m a x 的系统架构模型与协议栈，并提出了易于实现的新带宽 分配算法。仿真结果表明，新提出的带宽分配算法显著提升了系统的 q o s 性能。本文第五章还就带宽分配与切换的综合应用设想进行了探 讨，从理论上证明了将二者进行综合应用的设想可以进一步提高系统 效率。第六章则总结全文，并展望了w i m a x 技术的未来发展。 关键词：w i m a x ；q o s ；调度算法；带宽分配机制；切换 i i i i nr e c e n ty e a r s ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi s d e v e l o p i n g r a p i d l y w i m a x , w h i c hi s an e w l yp r o p o s e dw i r l e s st e c h n o l o g y , h a s b e c o m et h ef o u r t h3 gc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c ha l s oi n c l u d e w c d m a , c d m a 2 0 0 0 ，a n dt d s c d m a w h e r e a s ，t h i st e c h n o l o g yi s n o tp e r f e c ty e t ，t h u st h e r er e m a i nm a n yc h a l l a n g e b l et a s k s ，i n c l u d i n gt h e i m p r o v e m e n to fe a c hm e c h a n i s ma n ds c h e d u l i n ga l g o r i t h m s ，f o rt h e r e s e a r c h e r s s c h e d u l i n ga l g o r i t h m sf o rq o s a r eo fu t m o s ti m p o r t a n c ei nw i m a x n e t w o r k t h ei e e e8 0 2 16s t a n d a r d p r o v i d e s af r a m e w o r kf o rt h e s c h e d u l i n gm e c h a n i s m s ，b u td e t a i l sf o ri m p l e m e n t a t i o no fs c h e d u l i n g a l g o r i t h m sa r eu n s p e c i f i e d t h i sr e s e a r c hm a i n l yf o c u s e so ns t u d y i n gt h e m e c h a n i s mo fb a n d w i d t ha l l o c a t i o n ，w h i c hb e l o n g st ot h ec a t e g o r yo f s c h e d u l i n ga n d i sa l s on o t w i d e l ys t u d i e d t h i st h e s i si ss t r u c t u r e da sf o l l o w s i nc h a p t e r1a n d2 ，w i m a x t e c h n o l o g ya n di t sd e v e l o p i n gs t a t u si si n t r o d u c e d ，a l s ot h ef e a t u r e sa n d a d v a n t a g e so fw i m a xa r ep r e s e n t e db yc o m p a r i n gw i t h t h eo t h e r w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s i nc h a p t e r3a n d4 ，t h es y s t e m a r c h i t e c t u r ea n dp r o t o c o lm o d e lo fw i m a xi s s h o w n ，a l s oan e w b a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h mi sp 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 t ，n e wn e wa l g o r i t h mh a sg r e a t l y e n h a n c e dt h e s y s t e mq o s p e r f o r m a n c e i nc h a p t e r5 ，a ni n t e g r a t e da p p l i c a t i o ni d e a ，w h i c hc o m b i n e s b a n d w i d t ha l l o c a t i o na n dh a n d o v e r ，i sp r o p o s e d t h i sk i n do fa p p l i c a t i o n i st h e o r e t i c a l l yp r o v e dt ob ea b l et op r o v et h ew i m a x s y s t e me f f i c i e n c y t h ef i n a lc h a p t e rc o n c l u d e st h i st h e s i s ，a n dp u t sf o r w a r dt h ef u t u r e d e v e l o p i n gt r e n do fw i m a x k e yw o r d s ：w i m a x ；q o s ；s c h e d u l i n ga l g o r i t h m ；h a n d o v e r ； b a n d w i d t ha l l o c a t i o na l g o r i t h m i v 目录 j 商要l ：i i a b s t r a c t 。i v 第一章绪论3 1 1w i m k x 概述3 1 2 研究背景和意义3 1 3 本文内容安排5 第二章w i m a x 技术介绍。5 2 1w i m a x 发展历史与现状【2 】。5 2 2w i m a x 关键技术8 2 3w i m a x 应用场景1 l 2 4w i m a x 与其他宽带无线接入技术的比较1 2 2 4 1 与w i f i 的比较1 2 2 4 2 与i e e e8 0 2 2 0 的比较1 4 2 4 3 与其他3 g 技术的比较1 6 2 4 4 与l t e 技术的比较1 7 第三章w i m a x 系统架构与协议栈1 8 3 1w i m a x 系统整体架构1 8 3 2 端到端的参考模型2 0 3 3 网络系统接口2 1 3 4 协议栈参考模型2 2 3 5w i m a xm a c 层协议2 3 3 5 1m a c 层概述2 3 3 5 2 负荷头压缩( p h s ) 2 4 3 5 3 分类2 4 3 5 4m a cp d u 格式2 5 3 5 5 服务质量。2 6 3 6 本章小结2 8 第四章w i m a x 带宽分配策略研究与仿真2 8 4 1 概i 苤：1 8 4 2w i m a x 帧结构2 9 4 3w i m a x 的基本初始化流程3 0 4 4w i m a x 带宽分配策略研究3 1 4 4 1 调度算法基础思想。3 1 4 4 2 带宽分配与请求机制。3 2 4 4 3 新提出的带宽分配策略。3 4 4 5w i m a x 带宽分配策略的实现与仿真3 7 4 5 1 仿真：工具与相关分析工具3 7 4 5 2 仿真模块与环境设定3 9 4 5 3 网络拓扑的构建与算法实现。4 1 4 5 4 仿真结果分析4 6 4 6 本章小结。5 0 第五章带宽分配与切换的综合应用探讨5 0 5 1 切换类型5 0 5 2 切换协议5 5 5 3 问题的提出5 6 5 4 综合应用设想。5 6 第六章总结与展望5 8 参考文献5 9 致谢6 1 攻读学位期间发表的学术论文6 2 2 第一章绪论 近年来，关于移动通信网络的研究正处于蓬勃发展阶段，其研究领域涉及图 论、统计物理学、通信、计算机网络、经济学等很多方面。移动通信研究的飞速 发展，新的理论研究、新的应用领域的开辟，使得我们有必要整理和总结这一领 域的研究，找出发展的瓶颈和尚未解决的问题，并再深入地进行探讨，以提出新 问题并促进新发展。本文针对w i m a x 的带宽分配机制进行仿真和研究，提出了 新的算法，并探讨了将带宽分配策略与切换进行综合应用以优化网络的设想。 1 1w i m a x 概述 w i m a x 全称为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 ea c c e s s ，即全球微 波接入互操作性，它是基于i e e e8 0 2 1 6 标准系列的无线城域网技术。w i m a x 不单可以作为解决无线接入的技术，还能作为有线网络接入( c a b l e 和d s l ) 的 无线扩展，可以方便地实现边远地区的网络连接，为用户提供“最后一公里 的 宽带无线连接方案，使其成为现有无线局域网技术的远程版本。 w i m a x 是一项新兴技术，建立在i p 技术之上，顺应了宽带移动化的发展 大势，有着众多其他无线通信技术所不具有的优势。支持客户享受t 1 类服务且 拥有相当于线缆d s l 的访问能力。凭借其在任意地点的高覆盖范围，w i m a x 可为高速数据应用提供更出色的移动性。w i m a x 在城市领域中的最重要应用将 是延伸d s l 的接入以及支持移动宽带。此外，利用高吞吐率的特点，w i m a x 还能为电信基础设施、企业园区和w i f i 热点提供回程。 1 2 研究背景和意义 w i m a x 技术在8 0 2 1 6 标准的基础上一直在完善，到现阶段已经提出了很 多新的机制和算法。例如使用a r q h a r q ( 自动请求重传混合自动请求重传) 机制，物理层使用0 f d m 0 f d m a ( 正交频分复用正交频分多址接入) 技术， m a c 层提出了面向连接的数据传送机制及根据不同服务质量分配资源的机制。 但是作为一个复杂的系统，这些机制还远远不够，并且为了整体提高系统性能， 它们还需要被进一步完善。例如新的带宽分配机制，新的调度算法都需要被迸一 步提出和验证。 w i m a x 的调度可以分为三类：上行调度、下行调度、带宽分配。其中上、 下行调度的理念基本相同，区别就是数据传输方向的不同前者为s s ( 用户 3 站) 到b s ( 基站) ，后者为b s 到s s 。而带宽分配的概念与上下行调度有所区别， 它的主要作用是为不同的s s 决定其一次可以上行传输的资源，s s 获得这部分资 源后，再由s s 的调度模块来决定如何为其承载的服务流分配它们可以使用的上 行资源。图1 - 1 描述的是w i m a x 网络的调度架构，其中b s 的u p l i n ks c h e d u l e r 模块负责的就是带宽分配，以决定单个s s 的上行资源的上限。b s 在做出决定后， 将信息写在u l - m a p 中发送给s s ( 关于u l - m a p 详见4 2 节) 。 图1 - 1w i m a x 调度架构 到现阶段为止，已经有不少学者和研究机构发表了基于w i m a x 网络的调度 算法的研究论文。其中一些研究把原先提出的调度算法用在w i m a x 网络上并评 估其性能，也有一些调度算法是专门为w i m a x 网络设计的，但是这些调度算法 在实现起来或多或少都比较复杂。在这些关于调度算法的研究中，关于w i m a x 带宽分配策略的研究文章比较少见，而调度与带宽分配均是涵盖内容比较多、并 且相对独立的研究方向，很难在一个研究课题中将两者完全包含，因此本人选择 w i m a x 的带宽分配作为提升w i m a x 网络q o s 性能的研究切入点。 i e e e8 0 2 1 6 e 标准中定义了5 种类型的服务流( u g s ，e r t p s ，r t p s ，n r t p s ， u e ) 1 1 】，这5 种不同类型的服务流具有不同的q o s 需求。为了满足不同类型服 务流的q o s 需求，设计一个高效的调度算法对于时变性极强的无线传输环境来 说无疑是十分必要的，因为无线信道不同于有线信道，其传输质量基本上很难通 过人为的力量给予提升。然而，i e e e8 0 2 1 6 标准仅仅为调度机制定义了一个大 体的框架和思路，而并没有规定其实现的细节，因此这部分内容均由通信设备商 或者研究机构来完善。由于无线通信系统的q o s 性能在很大程度上由无线调度 模块决定，因此一个优秀的资源调度算法对于无线通信系统的q o s 性能的提升 是至关重要的，尤其是在出现资源紧缺的情况时，一个好的调度算法可以最大限 4 度地满足系统的q o s 性能需求。 资源调度算法对无线移动通信系统的q o s 性能可以起到决定性的作用。因 此，本文对于带宽分配策略( 也属于资源调度算法) 的研究十分有利于个人对无 线通信系统( 特别是w i m a x 通信系统) 的理解，同时也希望这方面的研究能对 整个w i m a x 技术的发展起到促进作用。 1 3 本文内容安排 本文首先将对w i m a x 技术的发展状况及基本原理进行阐述，然后介绍其物 理层和m a c 协议，这些是第二、三章的内容。本文的第四章将介绍新提出的带 宽分配算法，并给出仿真结果与分析，第五章则会探讨将带宽分配与终端切换进 行综合应用的方案设想，论证二者结合可以带来的好处。第六章总结全文，并展 望w i m a x 技术未来的发展趋势。 第二章w i m a x 技术介绍 2 1w i m a x 发展历史与现状【2 】 2 0 世纪9 0 年代，宽带无线接入技术发展迅速，以本地多点分配系统( l m d s ) 和多信道多点分配为代表的无线技术的市场定位为小型办公室( s o h o ) 、中小 企业和城市商业中心等用户。但是这一产业并没有像人们预期的那样进一步繁荣 壮大，一个重要的原因就是没有统一的全球宽带无线接入标准。 1 9 9 9 年，i e e e 成立了i e e e8 0 2 1 6 工作组来专门研究宽带无线接入技术规 范，目标是要建立一个全球统一的宽带无线接入标准：i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 ，即i e e e 8 0 2 1 6 d 固定宽带无线接入标准，和i e e e8 0 2 1 6 r 支持移动特性的宽带无线 接入标准。i e e e8 0 2 1 6 d 标准于2 0 0 4 年1 0 月1 日发布，它规范了固定接入下用 户终端同基站系统之间的空中接口，主要定义空中接口的物理层和m a c 层。 i e e e8 0 2 1 6 e 标准的最大特点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系统，工作频率小于6g 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行动，同时i e e e8 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。i e e e8 0 2 1 6 工作组主要针对w i r e l e s sm a n ( 无线城域 网) 的物理层和m a c 层制定了规范和标准。目前w i m a x 几乎成了i e e e8 0 2 1 6 w i m a x 技术的代名词，其空中接口规范涵盖了i e e e8 0 2 1 6 d e 标准。 w i m a x 论坛成立于2 0 0 1 年4 月，是由运营商和设备商等组成的产业联盟。 联盟旨在通过推动和验证基于i e e e8 0 2 1 6 无线宽带接入设备的兼容性和互操作 5 性，确保w i m a x 产品的互通，降低芯片和设备的成本，加快符合i e e e8 0 2 1 6 技术标准的宽带无线接入设备的应用。目前，w i m a x 联盟有4 0 0 多个成员。 随着i e e e8 0 2 1 6 e 技术和规范的进展，该组织的目标也逐渐扩展，不仅要 建立一整套基于i e e e8 0 2 1 6 标准和e t s ih i p e r m a n ( 欧洲电信标准协会高性能 城域接入网) 标准的认证体系，同时还致力于可运营的宽带无线接入系统的研究 与需求的分析、应用模式的探讨、市场的拓展等一系列大力促进宽带无线接入市 场发展的工作。通常认为，i e e e8 0 2 1 6 工作组是i e e e8 0 2 1 6w i m a x 空中接口 规范的制造者，而w i m a x 论坛是技术和产业链的推动者。经过w i m a x 联盟及 其成员几年来不懈地推动，w i m a x 技术已在上层标准制定、芯片设计及设备研 发的各个环节得到了极大的完善，在商用化进程上已初步形成了芯片研发、设备 生产、系统应用的产业链。尤其对于产业链前端的芯片研发，通过国际风险资金 的注入已使得以i e e e8 0 2 1 6 e 标准为主导的芯片研究迅速发展。目前，i n t e l 、意 法半导体、r u n c o m 和b e c e e m 等公司已能陆续提供i e e e8 0 2 1 6 e 芯片组，且大 部分终端芯片都支持m i m 呲s ( 多输入多输出自适应天线系统) 技术。 目前，w i m a x 在欧洲、拉美地区和亚太地区以及非洲已有5 0 个试验项目， 在西班牙、法国、新西兰、阿根廷和瑞典已进入商用阶段。作为一种低成本的宽 带无线接入技术，w i m a x 非常适合宽带基础设施还不够完善的发展中国家，在 东欧、中东、部分亚太地区和拉美地区这样的发展中市场上，对w i m a x 的需求 是确定无疑的。至2 0 0 9 年年底，亚太地区的w i m a x 用户数量将占到全球 w i m a x 用户总数的4 5 。在该地区用于w i l 姒x 设备上的全部开支中，由于韩 国宽带产业发展迅速，有可能占据w i m a x 市场的领导地位。 w i m a x 可全面兼容现有w i f i ，相对w i f i 的i e e e8 0 2 1 1 x 标准，w i m a x 是i e e e8 0 2 1 6 x 。w i f i 和w i m a x 分别针对的是无线局域网和城域网，具有不 同的市场定位。与w i f i 相比，w i m a x 具有更远的传输距离( 数据传输距离最 远可达5 0 k m ) 、更宽的频段选择以及更高的接入速度等优势，预计会在未来几年 间成为无线网络的一个主流标准。i e e e8 0 2 1 6 标准的发布时间如表1 - 1 所示。 表2 - 1i e e e8 0 2 1 6 标准发布时间 标准号发布时间相对应的技术领域 i e e e8 0 2 1 62 0 0 1 1 21 0 6 6g h z ，固定宽带接入系统空中接口 i e e e8 0 2 1 6 a2 0 0 3 42 1 1g h z ，固定宽带接入系统空中接口 l e e e8 0 2 1 6 c2 0 0 2 1 01 0 6 6g h z ，固定宽带接入系统兼容性 i e e e8 0 2 1 6 d2 0 0 4 72 - 66 g h z ，吲定宽带接入系统空中接口 i e e e8 0 2 1 6 e2 0 0 5 1 22 6g h z ，| 矧定和移动宽带接入系统空中接口管理信息库 6 髓e8 0 2 1 6 f2 0 0 5 9 固定宽带接入系统空中接口管理信息库要求 i e e e8 0 2 1 6 9 2 0 0 r 7固定和移动宽带接入系统空中接口管理平面流程和服务要求 w i m a x 已在国外得到大量运用，特别是i e e e8 0 2 1 6 dw i m a x 芯片的商用 加速了设备市场的步伐，目前已有多家公司可提供i e e e8 0 2 1 6 d 设备，全球有 多家固定和移动运营商进行了w i m a x 试验，全球3 0 多个国家有1 3 0 个部署案 例，其中3 0 多个商业网络，现阶段其工作的频段主要是3 5g h z 。3 5g h z 是国 际电联( 1 1 r u ) 推荐的用于固定无线接入f w a ( f i x e dw i r e l e s s a c c e s s ) 的频段， 3 5g h z 固定无线接入系统采用点对多点微波技术，主要提供大容量的语音和数 据业务，也可以为窄带无线系统和移动基站提供回传连接。对于不便铺设光缆的 用户、相对分散铺设光缆不经济的用户以及对开通紧迫性很强的用户，引入快速、 经济的固定无线接入系统可为用户提供急需的接入服务，对解决“最后一公里 接入网的瓶颈问题起到了有力的补充作用，因此其具有广泛的商业应用前景。 与传统的3 5g h z 点到多点的固定无线接入系统相比，采用i e e e8 0 2 1 6 技 术标准的3 5g h zw i m a x 无线接入系统集成了w i m a x 和3 5g h z 的综合优点， 具有标准化、技术成熟、传输速度快、覆盖范围广、良好的抗雨衰性能、扩容性 强和组网灵活的优点，已成为当前运营商建设宽带城域网时采用的理想的“最后 一公里”无线接入手段。通过使用该项技术，运营商可以为客户提供各种增值服 务，以较少的初期投资，迅速地实现大面积的用户覆盖，快速占领市场，吸引客 户；而且，随着客户群体的不断发展壮大，系统扩容的平滑性又满足了其滚动发 展的需要。 w i m a x 技术有4 个发展阶段，固定接入业务阶段、游牧式业务阶段、便携 式业务阶段和全移动业务阶段。w i m a x 网络有两种组网方式：w i m a x 网络单 独组网或者与现有网络融合组网。目前比较有前景的是第二种方式。固定网络运 营商在利用传统有线网络提供语音和数据接入的同时，移动运营商也通过2 g 3 g 提供语音和移动数据接入；同时，两类运营商均可借助w i m a x 为企业和商业用 户提供宽带和专线数据接入业务。可以预见，w i m a x 网络与现有网络的有效融 合将会展现1 + 1 大于2 的效果。目前各无线通信技术的发展进程如图2 1 所示。 w i m a x 技术正在不断向前演进，当前o f d m ( 正交频分复用) 和m i m o ( 多输入多输出) 被认为是下一代所有无线网络的核心技术和融合的基础，也首 先被应用到w i m a x 技术中。在w i m a x8 0 2 1 6 e 系统中，m i m o 技术与o f d m 技术结合使用，可以大幅提高网络覆盖能力，使w i m a x 系统容量倍增，从而大 幅降低网络建设成本和维护成本，有力推动了移动w i m a x 发展。而移动w i m a x 不仅采用了如o f d m j ，o f d m a 、h a r q 、a m c 、m i m o 和快速调度等先进技术， 而且为满足多业务承载能力，m a c 层还定义了端到端的q o s 机制。为满足移动 7 性，移动w i m a x 还增加了终端睡眠模式：s l e e p 模式和i d l e 模式。移动w i m a x 还可以满足用户在1 2 0l 【l i l l l 移动环境中的服务需求，提供高带宽、大数据流应 用。 织旃挽 纛 l 张5l 锄l 端 镌 。l 魄b 辨。：l 硪细 ；嚣 二j j 灞骥霭魄擎 置黧渤，器 篡誊，：瓣j 4 嘞” ， 图2 i 各种无线通信技术的发展进程 2 2w i m a x 关键技术 w i m a x 的关键技术包括o f d m 0 f d m a 、h a r q 、a m c 、m i m o 、q o s 机 制、睡眠模式和切换技术等。 1 o f d m o f d m a o f d m ( 正交频分复用) 是一种多载波数字调制技术，它具有较高的频谱利 用率，且在抵抗多径效应、频率选择性衰落或窄带干扰上具有明显的优势。而 o f d m a 是利用o f d m 的概念实现上下行多址接入，每个用户占用不同的子载 波，通过子载波将用户分开。o f d m a 允许单个用户仅在部分子载波发送，降低 了对发送功率的要求。在w i m a x 系统中，o f d m 技术为物理层技术，主要应 用的方式有两种：o f d m 物理层和o f i ) m a 物理层。 o f d m 物理层采用o f d m 调制方式，o f d m 正交载波集由单一用户产生， 为单一用户并行传送数据流。它支持t d d 和f d d 双工方式，上行链路采用 t d m a 多址方式，下行链路采用t d m 复用方式，可以采用s t c 发射分集以及 a a s 自适应天线系统。o f d m a 物理层采用o f d m a 多址接入方式，支持t d d 和f d d 双工方式，可以采用s t c 发射分集和a a s 自适应无线系统。 o f d m a 系统可以支持长度为2 0 4 8 、1 0 2 4 、5 1 2 和1 2 8 的h 呵点数。通常向 下数据流被分为逻辑数据流，这些数据流可以采用不同的调制及编码方式以及以 不同信号功率接入不同信道特征的用户端。向上数据流子信道采用多址方式接 8 入，通过下行发送的多媒体接入协议( m a p ) 分配子信道传输上行数据流。虽 然o f d m 技术对相位噪声非常敏感，但是标准定义了s c a l a b l e f f t ，可以根据不 同的无线环境选择不同的调制方式，以保证系统能够以高性能的方式工作。 2 1 n r q h a r o ( 混合自动重传请求) 技术是将a r o ( 自动重传请求) 和f e c ( 前 向信道纠错编码) 相结合的一种差错控制方案，提高了频谱效率，明显提高系统 吞吐量；同时因为重传可以带来合并增益，所以间接扩大了系统的覆盖范围。在 w i m a x 技术的应用条件下( 室外远距离) ，无线信道的衰落现象非常明显，在 质量不稳定的无线信道上运用t ( 二p 口协议，其效率十分低。w i m a x 技术在链 路层加入了弛讯q 机制，减少了到达网络层的信息差错，可大大提高系统的业 务吞吐量。 在i e e e8 0 2 1 6 e 的协议中虽然规定了信道编码方式有卷积码( c c ) 、卷积 t u r b o 码( c t c ) 和低密度校验码( u ) p c ) 编码，但是对于h a r q 方式，根据 目前的协议，i e e e8 0 2 1 6 e 中只支持c c 和c t c 的m 堰q 方式。具体规定为： 在8 0 2 1 6 e 协议中，h a r q 方法在m a c 部分是可选的。h a r q 功能和相关参数 是在网络接入过程或重新接入过程中用消息s b c 被确定和协商的。h a r q 是基 于每个连接的，它可以通过消息d s a d s c 确定每个业务流是否有h 根q 的功能。 3 a m c a m c ( 自适应调制编码) 在w i m a x 的应用中有其特有的技术要求，由于 a m c 技术需要根据信道条件来判断将要采用的编码方案和调制方案，所以a m c 技术必须根据w i m a x 的技术特征来实现a m c 功能。与c d m a 技术不同的是， 由于w i m a x 物理层采用的是o f d m 技术，所以时延扩展、多普勒频移、p a p r 值、小区的干扰等对于o f d m 解调性能有重要影响的信道因素必须被考虑到 a m c 算法中，用于调整系统编码调制方式，达到系统瞬时最优性能。w i m a x 标准定义了多种编码调制模式，包括卷积编码、分组t u r b o 编码( 可选) 、卷积 t u r b o 码( 可选) 、零咬尾卷积码( z e r o t a i l b a i t i n g c c ) ( 可选) 和l d p c ( 可选) ， 并对应不同的码率，主要有：1 2 、3 5 、5 8 、2 3 、3 4 、4 5 、5 6 等码率。 4 m i m o m i m o ( 多输入多输出) 是未来移动通信的关键技术。m i m o 技术主要有两 种表现形式，即空间复用和空时编码，这两种形式在w i m a x 协议中都得到了应 用。w i m a x 相关协议还给出了同时使用空间复用和空时编码的形式。支持m i m o 是协议中的一种可选方案，结合a a s 和m i m o 技术，能显著提高系统的容量和 频谱利用率，可以大大提高覆盖范围并增强应对快衰落的能力，使得在不同环境 下能够获得最佳的传播性能。 9 5 q o s 机制 在w i m a x 标准中，m a c 层定义了较为完整的q o s 机制，m a c 层针对每 个连接可以分别设置不同的q o s 参数，包括速率、延时等指标。在w i m a x 中 提供q o s 的核心机制是将通过m a c 接口的数据包与一个由c i d 标识的服务流 关联起来，从而使得该数据包获得该服务流的q o s 支持。服务的类型和其他服 务的当前参数都暗含在c i d 中。将q o s 机制内置于i e e e8 0 2 1 6m a c 协议内部 大致可分为3 个部分：一是通过最初的服务流创建并对服务流的q o s 参数进行 配置；二是对服务流的动态管理( d s a 、d s c 、d s d ) ：三是在通信过程中对m a c p d u 进行分类，并依据服务流的类别区分优先级调度，实现了将q o s 机制内置 于i e e e8 0 2 1 6m a c 协议内部纠。 6 睡眠模式 i e e e8 0 2 1 6 e 协议为适应移动通信系统的特点，增加了终端睡眠模式：s l e e p 模式和i d l e 模式。s l e e p 模式的目的在于减少m s s ( 移动用户台) 的能量消耗并 降低对s e r v i n gb s 空中资源的使用。s l e e p 模式是m s s 在预先协商的指定周期内 暂时中止s e r v i n gb s 服务的一种状态。从s e r v i n gb s 的角度观察，处于这种状 态下的m s s 处于不可用( u n a v a i l a b i l i t y ) 状态。i d l e 模式为m s s 提供了一种比 s l e e p 模式更为省电的工作模式，在进入i d l e 模式后，m s s 只是在离散的间隔， 周期性地接收下行广播数据( 包括寻呼消息和m b s 业务) ，并且在穿越多个b s 的移动过程中，不需要进行切换和网络重新进入的过程。 i d l e 模式与s l e e p 模式的区别在于：i d l e 模式下m s s 没有任何连接，包括管 理连接，而s l e e p 模式下m s s 有管理连接，也可能存在业务连接；i d l e 模式下 m s s 跨越b s 时不需要进行切换，s l e e p 模式下m s s 跨越b s 需要进行切换，所 以i d l e 模式下m s s 和基站的开销都比s l e e p 小；i d l e 模式下m s s 定期向系统登 记位置，s l e e p 模式下m s s 始终和基站保持联系，不用登记。 7 切换技术 i e e e8 0 2 1 6 e 标准规定了一种必选的切换模式，在协议中简称为h o ( h a n d o v e r ) ，实际上就是我们通常所说的硬切换。除此以外还提供了两种可选 的切换模式：m d h o ( 宏分集切换) 和f b s s ( 快速b s 切换) 。移动台可以通过 当前的服务b s 广播的消息获得相邻小区的信息，或者通过请求分配扫描间隔或 者是睡眠间隔来对邻近的基站进行扫描和测距的方式获得相邻小区信息，对其评 估，寻找潜在的目标小区。切换既可以由m s s 决策发起也可以由b s 决策发起。 在进行快速基站切换( f b s s ) 时，m s s 只与a n c h o rb s 进行通信；所谓快速是 指不用执行h o 过程中的步骤就可以完成从一个a n c h o rb s 到另一个a n c h o rb s 的切换。支持f b s s 对于m s s 和b s 来说是可选的。进行宏分集切换( m d h o ) 1 0 时，m s s 可以同时在多个b s 之间发送和接收数据，这样可以获得分集合并增益 以改善信号质量。是否支持m d h o 对于m s s 和b s 来说也是可选的。 2 3w i m a x 应用场景 针对w i m a x 技术的特点，w i m a x 论坛给出了w i m a x 技术的5 种应用场 景定义，即固定、游牧、便携、简单移动和全移动应用场景【御。 缵建磐钐 的2 纛嶝。， 戮震鬻魏。4 - 孵纠确鼬睁l 髫端传豫 爱整，梭l 鞠l d i e o n c t ! 锔 销一- 。 烹埔搿e 曼多 图2 1w i m a x 各类应用场景 1 ) 固定应用场景：固定接入业务是8 0 2 1 6 运营网络中最基本的业务模型， 包括用户因特网接入、传输承载业务及w i f i 热点回程等。 2 ) 游牧应用场景：游牧式业务是固定接入方式发展的下一个阶段。终端可 以从不同的接入点接入到一个运营商的网络中；在每次会话连接中，用户终端只 能进行站点式的接入；在两次不同网络的接入中，传输的数据将不被保留。在游 牧式及其以后的应用场景中均支持漫游，并应具备终端电源管理功能。 3 ) 便携应用场景：在这一场景下，用户可以步行连接到网络，除了进行小 区切换外，连接不会发生中断。便携式业务在游牧式业务的基础上进行了发展， 从这个阶段开始，终端可以在不同的基站之间进行切换。 4 ) 简单移动应用场景：在这一场景下，用户在使用宽带无线接入业务中能 够步行、驾驶或者乘坐公共汽车等，但当终端移动速度达到6 0 k m h - - - 1 2 0 k m h 时，数据传输速度将有所下降。这是能够在相邻基站之间切换的第一个场景。 5 ) 全移动应用场景：在这一场景下，用户可以在移动速度为1 2 0 k m h 甚至 更高的情况下无中断地使用宽带无线接入业务，当没有网络连接时，用户终端模 块将处于低功耗模式 i e e e8 0 2 1 6 d 主要提供固定和游牧的业务，i e e e8 0 2 1 6 e 主要提供便携、简 单移动和全移动业务。 獭 一翟 2 4w i m a x 与其他宽带无线接入技术的比较 无线接入技术( 也称空中接口) 是无线通信的关键。它指通过无线介质将用 户终端与网络节点连接起来，以实现用户与网络间的信息传递。无线信道传输的 信号应遵循一定的协议，这些协议即构成无线接入技术的主要内容。无线接入技 术与有线接入技术的一个重要区别在于可以向用户提供移动接入业务。 w i m a x 作为一项新兴技术，能够在广阔的地域范围内提供“最后一英里 宽带连接性。凭借其在任意地点7 。1 0k m 的覆盖范围，w i m a x 将可以为高速数 据应用提供更优的移动性。 2 4 1 与w i f i 的比较 w i f i 是指无线保真技术，它包括已经批准的i e e e8 0 2 1 l a 、i e e e8 0 2 1 l b 、 i e e e8 0 2 1 l g 和i e e e8 0 2 1 l n 规范。w i f i 是第一项得到广泛部署的高速无线技 术，在全球的热点中尤其引人注目：包括家庭和办公室以及越来越多的咖啡屋、 酒店和机场，w i f i 热点几乎是风靡全球，且由于w i f i 可提高工作效率，因而 受到旅行人士的追捧。然而，w i f i 能够支持的范围非常有限，用户只有保持在 距离无线接入点( a p ) 设备3 0 0 英尺的范围内才能实现高速连接。w i f i 是最早 期的高速无线数据技术之一，目前拥有大量支持产品和技术，市场收益相当可观。 一些最新的平台甚至能够支持多个w i f i 标准，从而支持数个无线网络之间的兼 容性。 截止到2 0 0 7 年，美国己安装了5 3 万个热点，欧洲安装了7 0 万个