（通信与信息系统专业论文）wimax物理层的关键技术研究.pdf

浙汗大学顽士学位论文 x g s 3 2 3 ， 摘 要 随着人们对宽带无线通信需求的不断增加， 无线宽带通信向更高速率、 更大的筱盖 范围、更好的移动性方向发展。wi ma x技术的出现正好满足了人们对于无线i n te r n e t 的需求，如果说无线局域网技术解决了 “ 最后一百米” 的接入问题，那么 wim, 技 术则是“ 最后一公里” 接入的 最佳解决方案。 w i m a x技术支持固定和移动两种接入方 式和包含i e e e 8 0 i 1 6 d c 也称i e e e 8 0 2 a 6 - 2 0 0 4 7 和i e e e 8 0 2 . 1 6 e 两大标准， i e e e 8 0 2 3 6 d 支持固定宽带无线接入，i e e e 8 0 2 . 1 6 e 支持固定和移动宽带无线接入。 w i ma x物理层分成三种结构:单载波 p h y , o f d m p h y和 o f d ma p h yb 主 要研究o f d r 4 p h y和o f d ma p h y 。 结合i e e e 8 0 1 1 6 - 2 0 0 4 标准阐述了o f d m 本文 p hy 的结构，并且设计了一个简单的o f d m接收机方案:包括帧起始同步、频偏估计、相 位跟踪和信道估计。 wma x利用o f d m a技术实现了 多 用户通 才 言 ， 并且在i e e e 8 0 2 3 6 e 草案中提出了可分级 o f d m a ,使移动性成为了可能。 本文重点研究了自 适应比 特和 功率分配技术在o f d m物理层中的应用，分析了一 种灵活的比 特和功率分配算法，并 将其应用到wi m a x的o f d m物理层中去，经过仿真，性能至少能够提高4 个d r左 右。 关键字:wi m a x , i e e e 8 0 2 . 1 6 , o f d m, o f d iv i a ,自 适应比 特分配 浙江大学硕士学位论文 ab s t r a c t wi r e l e s s b r o a d b a n d c o m m u n i c a t i o n i s d e v e l o p i n g w i t h h i g h e r r a t e , w i d e r r a n g i n g a n d m o b i l i t y . wi ma x t e c h n o lo g y s a t i s f i e s t h e n e e d o f w i re l e s s i n t e r n e t . wl a n r e s o l v e s t h e p r o b l e m o f l a s t o n e h u n d r e d m i l e a c c e s s , t h e n wi m a x w i l l b e c o m e t h e b e s t s c h e m e o f l a s t o n e k i lo m e t e r a c c e s s . wi m a x s u p p o r t s t h e f i x a n d m o b i l e a c c e s s a n d c o n t a i n t w o s t a n d a r d s : i e e e 8 0 2 . 1 6 d ( i e e e 8 0 2 . 1 6 一 2 0 0 4 ) a n d i e e e 8 0 2 . 1 6 e . i e e e 8 0 2 . 1 6 d s u p p o r ts f i x b r o a d b a n d w i r e le s s a c c e s s a n d i e e e 8 0 2 . 1 6 e s u p p o r t s f ix a n d m o b i l e b r o a d b a n d w i r e le s s a c c e s s . wi ma x p h y c o n t a i n s t h r e e k i n d s s t r u c t u r e s : s c a p h y , o f d m p h y a n d o f d ma p h y t h i s p a p e r a n a l y z e s o f d m p h y a n d o f d m a p h y c o m b i n e d w i th i e e e 8 0 2 . 1 6 - 2 0 0 4 , t h i s p a p e r d e s i g n s a s i m p l e o f d m r e c e i v e r w i t h t h e c o m p o n e n t o f f r a m e s t a r t s y n c h r o n i z e r , f r e q u e n c y c a r r i e r e s t i m a t o r , p h a s e t r a c k a n d c h a n n e l e s t i m a t i o n . wi ma x u s e s t h e o f d ma t o i m p l e m e n t t h e m u l t i u s e r c o m m u n i c a t io n . f u r t h e r m o r e , s c a l a b l e o f d ma h a s b e e n u s e d i n d r a ft o f i e e e 8 0 2 . 1 6 e f o r m o b i l i t y . t h i s p a p e r a l s o a n a l y z e s a d a p t i v e b i t s a l l o c a t i o n a n d p o w e r a l l o c a t i o n t e c h n o l o g y . f o r e v e r y o f d m s y m b o l , i t a p p l i e s a fl e x i b l e a r it h m e t i c i n t h e m o d e l o f i e e e 8 0 2 . 1 6 - 2 0 0 4 p h y t h r o u g h s i m u l a t i o n , m o r e t h a n f o u r d b h a s b e e n i m p r o v e d . k e y wo r d s : a ll o c a ti o n . i e e e 8 0 2 . 1 6 ，o f d m, o f d ma , a d a p ti v e b i t s a n d p o w e r 浙江大学硕上学位论文 第一章 绪论 1 . 1无线宽带接入简述 无线接入技术常分为移动接入和固定接入两大类。 移动接入又可分为高速接入和低速接入两 类，高速接入一般用于蜂窝系统、p 星移动通信系统、集群系统等来实现，而低速系统可用 p c n ( 个人通信) 系统，如c d ma( 码分多址) 本地环路、p a c s 个人接入通信系统) 、 p h s( 个人手 持电话系统)等来实现。固定接入是从交换节点到固定用户终端采用无线接入，它实际上是 p s t n i i s d n网 ( 公共交换电话网/ 综合数字业务网)的无线延伸。 随着多媒体通信的迅速发展， 人 们不再局限与传统的语音通信， 而更多地需要进行大容量数据的通信， 而且随时随地都能 进行通信。 无线高速上网、 无线 v o l e 、 无线视频点播正在改变着人们的 通信方式，同时也要求无线通信具 有 更高的 速率、 更大的覆盖范围。目 前主干网己 普遍采用光纤， 所以 其所提供的带宽已 足以 保证目 前 的多 媒体 通信的 需要。 但是 要做到 光纤到户或 光纤到 路边， 其成 本太高，目 前还不是 很 现实， 提高 通信的最大瓶颈还是在接入这一坏节。 采用宽带无线接入， 并 提高 其传输速率己成为了 人们研究的 热点， 目 前无线局域网能 够提供几十兆的 速率， 上百兆的 无线 传输速率也已 经不是遥不可及的事情 了。 目 前， 在国内或国外市场上己 经存在了多种无线宽带接入的 方式， 广泛使用的 主要有: l m d s ( 本地多点 分配业务) . m m d s ( 多 信道多点分配业务) . w l a n ( 无线局域网) 、 直播卫星系统( d b s ) . 近 年来 无线 局域网的 技术 得到了 广 泛地 应用 人 们己 经能 够 通过 无线局 域网实 现高 速地 无线 上网 随着无线局域网 在企业和家庭用户中的 普及， v o w l a n : 即 无线局 域网语音通信， 也逐步 得到了 应 用。但是无线局 域网 技术存在一些缺点，比如说覆盖范围小， 移动性差， q o s 和安 全性不健全等 随着多媒体通信的发展， 人们需要一种更高速率、 更大覆盖率以 及具有移动性的无线宽带接入方式 w i m a x技术的出现恰好能满足这些要求。w i m a x的全名是微波存取全球互通 ( w o r l d w i d e i n t e r o p e r a b i l ity f o r m i c r o w a v e a c c e s s ) ， 它是一种新 兴的 无线 城域网 技 术， 它能 够为用 户 提供f _ 百 兆 的 传输速率以 及能 够解决宽带无线通信的移动性问 题。也有人 将w i m a x称为是w i - f i 的 增强 版。 本文将主要介绍w i ma x物理层的关键技术。 1 . 2 wi m a x技术 1 - 2 . 1 i e e e 8 4 2 . 1 6 无线接入标准 i e e e 8 4 2 . 1 6 则是为制定无线城域网 ( w i r e l e s s m a n ) 标准成立的y作组，该工作组自1 9 9 9 年 成立后， 土要负责开发工作在2 -6 6 g h z 频带的无线接入系统空中接u 物理层 ( p h y ) 和媒质接入 浙江人学硕 l - 学位论文 控制层 ( m a c )规范，同时还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共存 的规范， 涉及 m md s , i nd s等技术。它由三个工作小组组成，每个l作小组分别负责不同的方 同:i e e e 8 0 2 . 1 6 . 1 负责制定频率为 1 0 -6 0 g h z 的无线接口 标准:i e e e 8 0 2 . 1 6 .2负责制定宽带无线 接入系统共存方面的标准;i e e e 8 0 2 . 1 6 .3 负责制定频率在2 g h z -i o g h z 之间获得频率使用许可权 可应用的无线接口 标准。i e e e 8 0 2 . 1 6工作组制定的是用户的收发信机同基站收发信机之间的无线 接口，协议标准按照三层体系结构组织的: 物理层:三层结构中的最底层，该层的 协议主要是关于频率带宽、调 制模式、 纠错技术以 及 发射机同接收机的同步、数据传输速率和时分复用结构等方面。 数据链路层: 在 物理层之上， 该层 上土 要 规定了 为用户 提供服务所需的各种 功能 这些功能 都包括在介质访问控制层ma c层中， 主要负责将数据组成帧格式来传输和对用户如何接入到共享 的无线介质中进行控制。 汇聚层:在 m a c层之上，该层能根据所提供服务的不同 而相应地提供不同的 功能。该层也 可以归到数据链路层上。 现在我们介绍一下i e e e 8 0 2 . 1 6 工作组进展的情况以及制定的几个标准。 i e e e 8 0 2 . 1 6 : 固定宽带无线接入系统空中接口 标准， 应用于l o g h z -6 6 g h z 视距传输， 2 0 0 2 年4 月发布。 i e e e 8 0 2 . 1 6 a :固定宽带无线接入系统空中接口 标准，应用于 2 g h z - i 1 g h z非视距传输， 2 0 0 3 年4 月发布口 i e e e 8 0 2 . 1 6 c :是对i e e e 8 0 2 . 1 6 的增补文件，是使用 l o g h z -6 6 g h z 频段8 0 2 . 1 6 系统的兼 容性标准，2 0 0 2 年4月发布。 i f f f 8 0 2 . 1 6 d 固定宽带无线接入系统空中接口 标准 ( 2 g h z - b 拓h z ) ， 主要是对 8 0 2 . 1 6 / 8 0 2 . 1 6 a / 8 0 2 . 1 6 c 的 修订。 2 0 0 4 年6 月在i e e e 8 0 2 委员会获得通过， 以8 0 2 . 1 6 - 2 0 0 4 名称发布。 8 0 2 . 1 6 d 可以应用与2 g h z -1 1 g h z ( n l o s )传输和 l o g h z -6 6 g h z 视距 ( l o s )传输。 i e e e 8 0 2 . 1 6 e :支持固定和移动性的宽带无线接入空中接口标准，工作在2 g h z -6 g h z 适于 移动性的 许可频段， 可支持用户站以 车辆速度移动，目 前还处于草案阶段， 预计2 0 0 5 年上半年完 成。8 0 2 . 1 6 e 的目 标是能够向下兼容8 0 2 . 1 6 d ，因此它的标准化工作基本上是在8 0 2 . 1 6 d 的基础上进 行的。 8 0 2 . 1 6 e 目 前定位的目 标速率为车速， 一般可以支持 1 2 0 k m / h 的移动速度。 8 0 2 . 1 6 e 目 标带宽 可以高达7 0 m b / s 。改标准还规定了支持基站或扇区间高层切 换的功能。 i e e e 8 0 2 . 1 6 f :定义了8 0 2 . 1 6 系统 m a c层和物理层的管理信息库 ( mi b )以及相关的管理 流程。该标准的工作处于起步阶段，计划在2 0 0 6 年发布。 i e e e 8 0 2 . 1 6 g :规 定 标 准的8 0 2 . 1 6 系 统 管 理 流 程 和 接口 ，从 而实 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。该标准的制定工作刚处于起步阶段，计划在2 0 0 7 年发 布 i e e e 8 0 2 . 1 6目 标的最大覆盖范围是 5 0 k m，是一种定位于宽带 i p城域网的无线接入技术。3 g 技术强调地域 匕 的全覆盖和高速的移动性，强调 “ 无处不在”的服务，而 8 0 2 . 1 6 则牺牲了全着盖， 一 一一一.一目 一户 浙江大学硕 卜 学位论文 仅保证在一定区域内实现连续覆盖，强调数据传输能力的 提高. 8 0 2 . 1 6 4 定位于为企业用户提供无 线传输豹手段， 可以作为企业t 1 和家庭x d s l和c a b l e m o d e m的无线扩充技术，或者取代有线宽 带接入的市场， 同时它还能够连接w l a n的热点和互联网。 8 0 2 . 1 6 e 在移动性和覆盖范围上比8 0 2 . 1 1 获得了增强， 可以 提供更厂泛的高速数据接入。 从某种意义上， 它是解决“ 最后一公里” 通信接入 的一个很有效的技术。根据地域位置划分，下图显示了i e e e电 气电子下程师协会的无线标准层次 示意图。 撇八 n 3 g p p e 口 g e i e e e 妇 0 2 2 c 麟黯黔梁 图1 - 1 i e e e 电 气电 子工程师协会的无线标准层次示意图 1 . 2 . 2 wi ma x联盟 w i m a x联盟是由 业界领先的 通信设各公司 及器件公司共同 成立的非盈利组织， 该 联盟旨 在对 基 于ie e e 8 0 2 . 1 6 标 准 和e t s i h ip e r m a n 标 准 的 宽 带 无 线 接 入 产 品 进 行 一 致 性 和 互 操 作 性 认 证 。 在推进i e e e 8 0 2 . 1 1 无线局域网的 应用方面，w i - f i 联盟的作用是不可低估的。 w i - f i 联盟的兼 容性测试， 确保了w璧 a n产品的互 通， 降低了 芯片和设备的 成本， 也使市 面上基本上所有的w l a n 产品都贴上了w i - f i 的标志， 确保了wl a n产品的兼容性。 wi - f i 联盟对于wl a n技术的推广起 到了 很大的作用。 同样， w i m a x联 盟与wi - f i 联盟一 样使用同样的方法， 定义和进行互操作测试， 并且加快符合 i e e e 8 0 2 . 1 6技术标准的 宽带无线接入设备的上市时间。 现在我们可以 看到 w i m a x 和 i e e e 8 0 2 . 1 6之间的关系:后者是标准的制定者;前者是标准的推动者，同时 wi ma x还为 i e e e 8 0 2 . 1 6 的一致性标准作出了重要的贡献。 目 前业界所指的wima x技术实际上就是i e e e 8 0 2 , 1 6 技术， 涵盖7 1 e e e 8 0 2 . 1 6 d t 1 e e e 8 0 2 _ 1 6 - 2 0 0 4 3 a il i e e e 8 0 2 . 1 b e .所以 在本文中， w i m a x技术指 的就是i e e e 8 0 2 . 1 6 技术。 1 . 2 . 3 物理层关键技术 本文主要研究的是w i m a x物理层的关键技术， 围绕i e e e 8 0 2 . 1 6 - 2 0 0 4 标准展开， 同时也会介 8 f - f i e e e 8 0 2 . b e 草案中提出的某些不同于i e e e 8 0 2 . 1 6 - 2 0 0 4 标准的技术。下 面，首先对物理层 浙江人学硕士学位论文 的一些技术做简单地介绍。 令频段 i e e e 8 0 2 1 6 d 的工作频段为2 -i i g h z , 8 0 2 . 1 6 e 为了确保移动性， s作频段定义为2 -6 g h z wi m a x正在各个国家寻求较低的频段， 根据各个国家频率规划的不同，目 前t * i m a x已经选定了 首先对二 l : 作于2 . 5 g h z 授权频段、 3 .5 g h z 授权频段、5 . 8 g h z 非授权频段这三个频段的8 0 2 . 1 6 d 设 备进行一致性和互操作性测试。 令 双一 1 二 复用方式 w i ma x系统可以 支持t d d( 时分双工) 和f d d( 频分双工) 两种复用技术，在i e e e 8 0 2 . 1 6 中， 还规定了用户站可以采用半双工频分双工 ( h - f d d ) 方式，这样就降低了终端收发器的要求 从而降低了终端成本。 命 载波带宽 i e e e 8 0 2 . 1 6 并未规定具体的载波带宽，系统可以采用从 1 . 2 5 m h z -2 0 mh z 之间的带宽 考虑各个国家己 有固定无线接入系统的载波带宽划分， i e e e 8 0 2 . 1 6 规定了几个系列: 1 . 2 5 mh z 的倍数、 1 . 7 5 mh z 的倍数。 1 2 5 m h z 系列包括: 1 .2 5 1 2 . 5 1 5 / 1 0 / 2 0 m h z 等。 1 . 7 5 mh z 系列包括: 1 .7 5 1 3 .5 1 7 ! 1 4 m h z 等。 对于1 0 - 6 6 g h z 的固定无线接入系 统， 还可以采 用2 8 m h z 载波带宽， 提供更高的接入速率. 令o f d m 和 of d ma 根据频段的不同 分别有不同的 物理层技术与之相对应: 单载波c s c 7 , o f d m ( 2 5 6 点) 和o f d m a ( 2 0 4 8 点) 。其中，1 0 - - 6 6 g h z 固定无线宽带接入系统主要采用单载波调制技术，对于2 -1 i g h z 频段的系 统， 主 要采用o f d m和o f d m a技 术。由 于o f d m, o f d m a具有较高的 频谱 利用率， 而且 具有良 好的 抵抗多径效应、 频率 选择性衰弱和窄带干扰上的能力， 所以o f d m和o f d m a是 wi m a x物理层的核心技术。wi m a x系统利用了o f d m技术，使其传输距离接近3 0 k m -5 0 k m , 当 在2 0 m h z 的 信 道带 宽 时， 能 够支 持 高 达l o o m 如， 的 共 享 数 据 传 输 速 率， 8 0 2 . 1 6 d 标准化工作己经完成， wi m a x 会首先对采用2 5 6 点o f d m物理层方式、 工作在2 . 5 g h z 和3 . 5 g h z 许可频段、 5 . 8 g h z 免许可频段的设备进行一致性和互操作信测试。 i e e e 8 0 2 . 1 6 e 标准化工作还在进行中， 它的 物理层实现方式与i e e e 8 0 2 . 1 6 d 基木相同， 主要的 差别是对o f d m a进行了扩展。 在8 0 2 . 1 6 d 中， 规定了o f d m a是2 0 4 8 点， 是固定的。 8 0 2 . 1 6 e 中. o f d m a是可分级， 支持2 0 4 8 点、 1 0 2 4 点、 5 1 2 点和 1 2 8 点， 这样可以适应不同地理区域从2 0 m i 1 z . 到l 2 5 m h z 的 信道带宽差异， 这样使移动性成为了 可能。当8 0 2 . 1 6 e 物理层采用2 5 6 点o f d m或 2 0 4 8 点o f d m a时， i e e e 8 0 2 . 1 6 e 向后兼容8 0 2 . 1 6 d 的物理层。 本文第三章重点介绍。 f d m物理层 技术，第四章重点介绍o f d m a物理层技术。 令 多天线技术 w im a x能 够提供高于3 b it s / s e c o n d / h z 的 数 据速率， 为了 增加覆盖范围 和系统的 可靠 性， ie e e 8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 标 准 支持多 天线技术比 如a la m o u t i s p a c e - t i m e c o d i n g ( s t c ) 自 适 应天线系 统 ( a a s ) f l mu l t i p l e - i n p u t mu l ti p l e - o u t p u t ( m i m o )系统。a l a m o u t i s t c和m i mo属于同一类技 _ i 77 竺一 13 i t = t v e ie x 一一 一一 一 一一 一 一_ 术. 在发 送端不需 要知道信道信息， 而a a s 在 发 送端需 要知 道信道信息。 义的 说， a la m o u t i s t c 使用多根大线发送、单根天线接收 ( mi s o ) 应该也属于m i m o技术。 使用多天线技术的优势: j阵列增益:使用多天线后增加了信号的相千性，从而获得了阵列增益。 ,/ 分集增益: 这是通过利用多径来获得的， 当 任何一径性能变坏时， 就不会影响系统的性能。 在无线衰落信道里， 这个可以 增加接收信号强度的稳定性从而提高性能。 分集增益可以 在 空间 ( 天线) 、时域 时间)或者频域 ( 频率) 各个维度上获得。 j 共信道千扰消除 ( c c i r ) c通过干扰的不同信道响应、从而消除共信道的干扰信号 多天线技术和o f d m技术结合使用能够大幅度地提高覆盖范围和容量。 m i m o技术就是在b s 和s s 端使用多 根天线，能够大幅度的增加信道的 容量、覆盖范围和频 谱的利用率。 mi m o己经成为了i e e e 8 0 2 . 1 6 - 2 0 0 4 中智能天线的一个选项， 而且也已经被提议给了 j e e e 8 0 2 . 1 6 e t 作组。 另外， m i m o技术在i e e e 8 0 2 . 1 i a / g 的 下一代增强版上 都有 应用， 而且 也提 议给了i e e e 8 0 2 . l l n 工作组。 可见， m i m o技术在增加覆盖范围和链路的容量方面具有很大的应用 前景。 t g 8 0 2 . 1 6 。 提出的高容量的m i m o编码仅仅是简单的空间复用， 在天线之间没有编码。 i n t e l 公司的s u m e e t s a n d h u 等人提出了一种m i m o中的 空频交织方法 4 1 ,就是 将编码比 特映射到频带 和天 线上去， 通过空间 复用实 现分集增益， 并且该 方法已 经向t g 8 0 2 . 1 i e 提议。 夺自 适应调制 i e e e 8 0 2 . 1 6 支持b p s k , q p s k , 1 6 q a m和6 4 q a m多 种调制方式。 在信道 编码纠错 方面， i e e e 8 0 2 . 1 6 采用了 截短的r s 编码和卷积码级连的纠错编码， 并且还支持分组t u r b o 码、 卷积t u r b o 码。 i e e e 8 0 2 . 1 6 可以 根据不同的调制方式和纠错编码方法组合成多种发送方案， 系统可以 根据信蒯 犬 况的好坏以及传输的需求， 选择一个合适的 传输方案。比如说，当信道状态差时，可以 选择例如 q p s k低 阶的 调 制方式，当 信道状况好时， 可以 选 择例如6 4 q a m高阶的 调 制 方式j自 适应调 制给 无线传输系统带来了很好的抗衰落性能。本文的第五章会详细地分析自 适应调制技术。 1 . 2 .4 数据链路层关键技术 o ma c层结构 m a c 层 分 成 三 个 子 层: 特定 服务 汇 聚 子 层( s e r v ic e s p e c i f ic c o n v e r g e n c e s u b l a y e r ) 、 公 共 部 分 子层 ( c o m m o n p a rt s u b la y e r ) ,安 全子 层 ( p r iv a c y s u b la y e r ) . 汇聚子层用于a t m信元和i p 数据包的传输。 m a c层能够对数据包进行分类，然后把它送入 所要求的8 0 2 . 1 6 连接以及进行包头的压缩。 冷q o s w im a x 技 术定义了良 好的q o s 机 制， 可以向 用 户提供具 有q o s 性能的 数 据、 视频、 语音( v o i p ) 业务。 w i m a x提供三种等级的服务:c b r ( c o n s t a n t b i t r a t e ,固定带宽) ， c j r ( c o m m i t t e d r a t e , 浙江人学硕十学位论文 约定带宽) 、 b e ( b e s t e f f o rt ， 尽力而为) 。c b r的 优先级最高，网 络操作者与服务商以高 优先级. 高速率以及低延时为用户提供服务， 保证用户定购的带宽。 c i r的优先级次之，网路操作者以约定 的速率来提供， 但是速率超过规定的峰值时， 优先级会降低， 还可以 根据设备带宽资源情况向用户 提供更多的传输带宽。b e则具有最低的优先级，这种服务类似于传统i p网络的尽力而为的服务， 网路不提供优先级与速率的保证。 在系统满足其他用户较高 优先级业务的条件卜 尽力为用户提供 传输带宽。 wi m a x的m a c层是基于 “ 连接”的，每一 个 “ 连接” 均由 一个标志符 ( c i d ) 来唯一进行 标识。 m a c层针对每个连接可以 设置不同的q o s 参数， 包括速率、 延时等指标。 为f 更好地控制 上行数据的带宽分配，定义了四种不同的上行带宽调度模式， 分别为: 非请求的 带宽分配业务 ( u g s ) : 用于恒定比 特率连接; 实时轮询业务 ( rt p s ) :周期性地为终端分配可变长度的上行带宽: 非实时轮询业务 ( n r tp s ) : 不定期地为终端分配可变k 度的上行带宽; 尽力而为业务 ( b e ) 尽可能地利用空中资 源传送数据， 但是不会对高优先级的连接造成影响。 利用上面三种带宽的调度模式， w i m a x系统的q o s 机制可以 根据业务的实际需求来动态分配 带宽，为不同 业务提供不同 质量的服务，具有非常大的灵活性。 i e e e 8 0 2 . 1 6 和i e e e 8 0 2 . 1 1 的q o s比 较; w i - f i 网络的 最大的 特点是简单。一个s s 能够进入 任何一个a p 覆盖范围内， 通过c s m a i c a的 接入的 方式来获得信道的使用权。 虽然在i e e e 8 0 2 - 1 1 e 中 增加了q o s 的 性能， 但是 仅仅提 供有限的q o s 参 数和一 个 简单的 连接。 i e e e 8 0 2 . 1 1 是 基于 分 布 式的结构， ma c的 操作是在 a p和s s 之间协同进行的。w i m a x是基于基站为中心控制所有s s 进行无线 媒质的 接入。 w im a x支持多 个具有q o s 性能的 连接。 w im a x还提供包的 分类， 将连 接 映射到各种用户应用和接q， 包括以 太网、 t d m, a t m, i p , v l a n等。然而这些丰富的特征和 灵活性增加了服务配置和提供的复杂度。 令安全性 为了 保证 信息传 输的安 全性， 8 0 2 .1 6 在m a c 层中定 义了 一 个安 全子 层来实 现对密钥的分 配 管 理和数据的 加密。 安全子层位于 物理 层之上， 属于m a c层的 最低一个子层。 它的 加密协议主要是 以电缆调制传输技术 d o c s i s b p i + 中的密钥管理协议为基础，加密子层主要可以分为数据包加密 封装协议和密钥管理 ( p k m)协议两部分。 数据包加密 封装协议定义了 一系列的加密算法， 例如公钥密码体制的r s a算法、数据加密标 准d e s 等， 这些算法的实现是以 具体的m a c 层的 机制为基础的。 密钥管理协议 p k m 提供了 安全的密钥交换 机制，支持周期性的再认证和密钥更新，是加 密子层的核心内 容。 最重要的 两个密钥是授权密钥 ( a k ) 和传输加密密钥 ( t e k ) ， 都是由b s 产 生的随机数或伪随机数， a k是认证过程中在s s和b s 之间传输的， t e k用于认证过后数据的加 密。p k m协议使用x . 5 0 4 公钥证书、 r s a公钥算法和三重d e s 数据加密标准来保护s s 与b s 之 间的密钥交换。 浙汀火学硕士学位论文 1 . 3 本章小结 本章介绍了无线宽带接入的发展现状以及 w i m a x 的技术的发展过程，wi m a x联盟与 i e e e 8 0 2 . 1 6的关系。 对于wi ma x物理层的儿个关键技术做了概述， 它们分别是o f d m和o f d ma 技术、 多大线技术和自 适应调制技术。 另外， 本小节还对w i m a x的 数据链路层的关键技术做了 简 单的阐述。 1 . 4本文的内容安排和主要工作 本文的主要内容安排如下: 第一 章 简单介绍了 无线 宽带 接入的发 展， w im a x技 术的 发展、 w im a x联盟、 w im a x的 物 理层和m a c的概况。 第止章 介绍了在无线宽带接入中常用的信道模型- s ii i 信道模型， 另外对于m i m o信道模型 也做了简单的阐述。 第三章 结合i e e e s 0 2 . 1 6 - 2 0 0 4 标准分析了o f d m p h y的结构，设计了一个简单的o f d m接 收的方案。 第四章 分析了 。 f d m a p h y的结构，简单 地介绍了在 i e e e 8 0 2 a 6 e草案中提出的可分级 of dma. 第五章 分析了一种灵活的自 适应比 特和功率分配算法， 并将它应用到o f d m p h y物理层中 并用m a t l a b进行了 性能仿真。 第六章 针对wima x无线网络 ( 或者wi - f i 无线网 络)设计一个无线宽带接入终端，该终端 由 无线网 卡和基于多媒体基带处理器的嵌 入式系统构成。 第七章 本文的回顾和展望。 本文的主要工作有: 1 .参照i e e e 8 0 2 . 1 i a o f d m接收机设计的方法，为t e e e 8 0 2 . 1 6 - 2 0 0 4 o f d m p h y设计了一个 简单的 接收机，并在s u i - 3 信道模型下做了 相应的仿真。 2 在o f d m接收机的同步方面做了 三部分工作:帧起始同步、频偏估计和相位跟踪。 本文使用m a t l a b 6 .5 对i e e e 8 0 2 . 1 6 - 2 0 0 4 的 接收端帧起始同步 进行仿真， 使用o f d m 2 5 6 点 p h y结构中的帧长 前导，分别进行粗同步和细同步，并得到相应的同步相关图。 本文设计了 一种适合于 i e e e 8 0 2 . 1 6 - 2 0 0 4 o f d m p h y频偏估计的方法，使用帧长 前导中的 o f d m训练符号， 先在时域里实现小 数倍频偏估计， 然后在频域里实现整数倍频偏估计。 仿真结果 表明， 当 信噪比 很 低时， 残留频 偏己 经是1 0 - 3 子 载 波间 隔 这个数量 级别，当 信噪比 大 于2 0 d b 时， 残留 频偏为 1 0 - 0 子 载波间 隔数量级别， 达 到了o f d m系统 对频偏的 要求。 为了解决残留频偏引起的符号在星座图上的相位旋转，本文在 o f d m接收机中使用了相位跟 踪的方法。 在频域里， 利用每个o f d m符号中的导频序列得到相位的偏移， 然后去补偿o f d m符 浙江人学硕士学位论文 号， 避免了符号 在星疼图上的旋转 3 本文对信道估计l s 算法和l m m s e 算法进行性能仿真， 采用m a t l a b f 具，信道模型采用 s t i i - 3 频率选择性信道， 利用i e e e s 0 2 - 1 6 - 2 0 0 4 q f d m p h y长 前导作为训 练序列。仿真结果表明， l s 算法只能在高信噪比的情况下被使用，因此本文仿真中 采用l m m s e 信道估计算法。 4 针对频率选择性衰落信道的特点， 本文里点研究了自 适应比 特和功率分配技术在q f d m物 理层中的应用，分析了一种灵活的比特和功率分配算法， 它由两部分组成:可变速率的预比特分配 和固定速率的比特调整。并将其应用到 w i m a x的q f d m物理层中去，经过仿真，性能至少能够 提高4 个d b左右。 5 . 最后，本文设计了一个能 够应用于w i m a x或者 w i - f i 网络的无线终端，该终瑞由 无线网 卜 和基于嵌入式系统的多媒体基带处理模块构成。 1 . 5 本章参考文献 口 7 吴彦文、 刘 文、 周光明 著， 固 定宽 带无 线接入技术 ， 北京邮电 大学出 版社。 2 i e e e s t d 8 0 2 , 1 6 - 2 0 0 4 p a rt 1 6 :a i r i n t e r f a c e f o r f i x e d b r o a d b a n d w i r e l e s s a c c e s s s y s t e m s 3 c a r l e k l u n d ,r o g e r 那么 对于第二代系 统， 就需要一个可分级的多单元的结构， 非视距传输环境成为了主导地位。 本文所讨论的无线宽带 系统就属于第二代系统， 所建立的信道模型也要满足系统的传输结构要求。 模型所适应的具体环境描述如下: 。 单元的半径小于i o k m 具有各种各样的地形和不同的树密度 类型。 在接收机端，可以 在屋檐下或在屋顶_ l 安装定向 天线 ( 高 度为2一 1 0。) 。 。 基站s t s 钓天线高度为1 5一4 0 m . 要求# 1 0 - 9 0 %的单元覆盖率。 由于无线电波在自 由空间 传播时， 容易受到 干扰和衰减， 所以无线信道特性比有线信道复杂得 多，影响无线通信质量的生要有以 下几个参数: 路径损耗 ( 包括阴影) ; 多 径时 延扩展; ， 衰落特性: 。 多普勒频移; 共信道和临近信道干扰。- 以 上 参数特性都 是随 机的 ， 可能 仅 有一教统 计 特性， 但是 在 分析 研究时， 我们可以为 它们指定 一个特定的均值和方差。 对子多 天线系统， 信道模型的 建立还 要考虑空间特性。 空问 特性是由 相关距离来描述， 相关距 离是指使两点之问的信号绝大多数不相关的最小距离。 这个距离 通常比半 波长大， 并且依赖于天线 的波束宽 度和到达信号的 角度。 在s t s , 根据天线的高 度 ( 1 2 0 度的扇区 天线) ， 这个距离为1 0 到 2 0 个波长。 2 . 2 s u i 信道模型 本小结将介绍一种常用的信道模型一s u i ( s t a n f o r d u n i v e r s i t y i n t e r i m ) 信道模型， 它包括了3 种地形的6 种典3 y 的信道。 这些信道的模型可以用来仿真、 设计、 开发和测试16 1 定宽带无线通信系 统。本文所作的仿真也是基于s u i - 3 信道模型。 浙汀 _ 大学硕上学位论文 s u l 丫 言 道参数化的分类: 表2 . 2 s u l 参数化分类 t e r r a i n i y p e s ul ch a n n e l s s um , s ui - 2 s ui - 3 , s ui - 4 s ui - 5, s ul - 6 c一b s u l 信道模型的 一般结构， 如图2 - 1 。 这个结构对于m i m o信道也是通用的， 而且 还包括s i s o ( s in g l e i n p u t s in g l e o u tp u t ) 和s i m o ( s in g l e i n p u t m u lt ip le o u t p u t ) . 整个信道模型由 三部 分组成: ( 1 ) i n p u t m i x i n g m a t r ix :当 使 用多 个发送天线时， 对输入 信号 之间的 相关性的 建模。 ( 2 ) t a p p e d d e l a y l i n e m a t ri x : 信 道多 经衰落的 建 模。 多 径衰 落可以 用3 抽头的 延时 抽头 线 ( 具 有非统一的 延时) 来 建 模口 每个抽头的 增益由 分布 ( r i c e a n 分 布k - f a c t o r 0 , 或 者r a y l e ig h 分布k - f a c t o r = 0 ) 和最大的多普勒频移确定。 ( 3 ) o u t p u t m i x i n g m a t r i x :如果 使用多个接收天线， 输出 信号 之间 相关性的建模。 t a p p e d b e la y l i n e ( t dl) m a t r i x rx p r i m a r y o r co - c h a n n e l图2 - 1 s u l 信道模型 我们对s u l 信道进行修改， 修改后适用的场景如下: 了单元半径:7 k m v b t s 天线高度:3 0 m v 接收天线高度:6 m r b t s 天线波束宽度:1 2 0 度 v 接收天线波束宽度: 全向3 6 0 度， 定向3 0 度。 使用3 0 度的天线波束宽度与全向3 6 0 度相 比， 它的r m s 时延扩展要小2 .3 倍。 相应的， 它的第二个抽头的功率要额外地衰减6 d b , 第三个抽头的功率要额外 地衰减1 2 d b o j 仅使用垂直极化。 j 在每个覆盖的位置， 9 0 % 的单元覆盖区域具有9 9 .9 0/ u 的 可靠性。 对于以 上的场景， s u l 模型具 有6 个特定的 信道，具体的参数见文献 1 e 浙江火学硕i位论文 2 . 3 mi mo信道模型 2 . 3 . 1 mi mo技术简介 m im o ( m u lt ip l e - i n p u t m u lt ip le - o u t - p a t ) 技术， 最早由m a r c o n i 于1 9 0 9 年提il来的，它利用 多天线来抑制信道衰落。 根据收发端天线的数最， m i m o还可以包括s i m o s in g le - i n p u t m u lt i- in p u t - o u t p u t ) 和m i s o ( m u lt ip le - i n p u t s in g le . o u t p u t ) n m i m o技 术 研 究 的 动 力 来 源 于b e l l 实验室的研究人员f .t e l a t a r 和3 .f o ,s h n i n i 独立得到的无线i v 1 i m o系统的s h a n n