（电路与系统专业论文）ieee+80216+ofdma物理层时频资源分配算法.pdf

摘要 i e e e8 0 2 1 6 标准是新一代的宽带无线接入技术标准，能在城域范围内为固定或移动用户 提供宽带网络接入服务，被公认为是4 g 网络的基础。 i e e e8 0 2 1 6 标准的空中接口部分主要对物理层和m a c 层进行了定义。物理层包括了单载 波、多载波等不同的工作方式，其中采用正交频分多址接入( o f d m a ) 的物理层是工业界重 点关注的物理层技术：o f d m a 灵活的资源管理方式可以有效提高系统效率。本文集中关注 i e e e8 0 2 1 6o f d m a 物理层资源分配问题。 正交频分多址接入系统资源分配的结果会直接影响资源分配效率以及各个接收站点的能 耗。系统中的多用户系统资源分配问题在i e e e8 0 2 1 6 标准约束下可证明为一个n p 完全问题。 本文首先考虑基本的资源分配问题，提出了一种启发式算法对问题进行近似求解，该算法具 有计算复杂度低、分配效果好的优点；然后考虑接收站点的处理能耗，提出了一种能耗优化 的资源分配算法；最后提出了一种考虑信道条件优化的资源分配算法。 关键词：正交频分多址接入；i e e e8 0 2 1 6 ；资源分配；能耗优化 中图分类号：t n9 2 9 5 a b s t r a c t i e e e8 0 2 16s t a n d a r dp r o v i d e sb r o a d b a n dw i r e l e s sc o n n e c t i v i t yi nm e t r o p o l i t a ns c o p ef o rf i x e d a n dm o b i l ea p p l i c a t i o n s ；i ti sg e n e r a l l yr e g a r d e da st h eb a s i ct e c h n o l o g yo f4 g t h ea i ri n t e r f a c eo fi e e e8 0 2 16s t a n d a r dc o n t a i n ss p e c i f i c a t i o nf o rp h y s i c a ll a y e ra n dm a c l a y e r p h y s i c a ll a y e rs u p p o a sm u l t i p l eo p e r m i o nm o d e s ，o f d m ap h y s i c a li st h ek e yt e c h n o l o g y a t t r a c t i n g a t t e n t i o nf r o mi n d u s t r y ：t h ef l e x i b l ec h a n n e la c c e s sm o d ec a ni m p r o v es y s t e m p e r f o r m a n c e t h i sp a p e rf o c u s e so nr e s o u l c ea l l o c a t i o np r o b l e m i ni e e e8 0 2 16o f d m a p h y s i c a l l a y e r r e s o u r c ea l l o c a t i o ne f f i c i e n c ya n dp o w e rc o n s u m p t i o no fs u b s c r i b e rs t a t i o n si sa f f e c t e db y r e s o u r c ea l l o c a t i o nr e s u l t s i nt h i sp a p e ri ti sp r o v e dt h a tt h er e s o u r c ea l l o c a t i o no f0 f d m as y s t e m i ni e e e8 0 2 16s t a n d a r d si sa nn p c o m p l e t ep r o b l e m f i r s t ，t h eb a s i cr e s o u r c ea l l o c a t i o np r o b l e mi s d i s c u s s e d ，ah e u r i s t i ca l g o r i t h mi sd e s i g n e dt oa d d r e s st h ep r o b l e m ，t h ea l g o r i t h mi sf e a t u r e db y o ( n 2 ) c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya n dt h ec o m p e t i t i v ea l l o c a t i o nr e s u l t ；s e c o n d ，a ne n e r g yo p t i m i z e d r e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i t h mi sd e s i g n e dt or e d u c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o na ts u b s c r i b e rs t a t i o n s ； l a s tb u tn o tt h el e a s t ，ac h a n n e la w a r er e s o u r c ea l l o c a t i o na l g o r i t h mi sd e s i g n e dt oi m p r o v et h e t h r o u g h p u ti nw h o l ed o w n l i n kf r a m e k e y w o r d s ：o f d m a ；i e e e8 0 2 16 ；r e s o u l c ea l l o c a t i o n ；e n e r g yo p t i m i z e d 第l 章宽带无线网络与8 0 2 1 6 标准族介绍 近年来，宽带无线网络正在逐步从学术研究的领域走向技术应用的领域。宽带无线网络 的快速发展得益于无线网络从上世纪9 0 年代中期至今的快速应用以及传统宽带接入网络的大 规模应用。有报道表明，无线移动服务在全球范围内的数量从1 9 9 0 年的11 0 0 万增长n 2 0 0 5 年的2 0 亿，在同一时期全球范围内i n t e r a c t 的用户数量也达到了1 0 亿。无线网络与宽带网络的 同步快速发展使得这两者的结合成为了工业界下一代移动通信技术的基础。 宽带接入技术的快速发展由多种因素触发。首先，逐步成熟的网络互联技术使得i n t e r a c t 的速度和规模得到了极大的提升，为各种应用提供了良好的发展平台；其次，i n t e r a c t 提供的 信息交换方式，商业模式以及娱乐平台吸引了大量用户。宽带接入技术提供给用户的不仅仅 是w e b 浏览和文件下载，更多的是多媒体应用，例如基于v o i p ( v o i c eo v e ri n t e r a c tp r o t o c 0 1 ) 的 语音业务以及基于组播或者点对点协议的流媒体业务。宽带接入技术正处在一个由应用主导 的快速发展时期，在发展的过程中也遇到了一些障碍：传统的宽带接入技术依赖有线网络进 行规模的扩展，这种方案在人口密度低的区域成本较高，而且容易受到不同地域物理环境的 限制。无线网络为宽带接入技术提供了一种低成本、灵活的接入方式：用户通过无线终端接 入主干网络，这样在一个区域内只需要一个无线基站设备就可以给大量用户提供宽带接入服 务。 宽带无线网络将无线的体验带给了宽带接入用户。宽带无线网络按照应用场景可以分为： 1 ) 固定的宽带接入技术，作为x d s l 技术的替换技术适合固定需求的用户，例如家庭：2 ) 移 动的宽带接入技术，给用户带来空间自由，摆脱网线的束缚。 本章对无线网络的发展历史进行简单回顾，然后对论文的研究对象i e e e8 0 2 1 6 标准进行 简单的介绍。 1 1 宽带无线网络的发展历史 在宽带有线接入技术的发展过程中，工业界也在对各种无线接入技术进行研究，希望能 找到合适的替代方式提供便捷的宽带网络接入，但是众多厂商的技术研究没有一个统一的模 式，各个厂商都按照自己的技术标准来构建宽带无线技术的雏形。由于缺乏统一的标准，之 前的无线接入技术应用规模很小。w i m a x 技术是无线宽带接入技术领域的第一个统一标准， w i m a x 的出现使得宽带无线技术的发展走上了正轨。 本小结首先按照时间顺序对宽带无线技术发展过程中的主要事件进行简单介绍，然后对 w i m a x 的发展历程进行详细回顾。 1 1 1 宽带无线接入技术发展简史1 1 i 1 9 9 7 年2 月，a t & t 启动名为“p r o j e c ta n g e l ”的项目，该项目针对固定的无线技术进行研究。 1 9 9 7 年2 月，f c c 为无线通信业务在2 3 g h z 频段分配了3 0 m h z 的带宽资源。 1 9 9 8 年9 月，f c c 放宽了m m d s 波段的限制，允许在该波段进行双向通信。 1 9 9 9 年7 月，i e e e8 0 2 1 6 工作组召开第一次会议。 2 0 0 0 年3 月，a t & t 在数年的试验之后发布了首个商用高速固定无线业务。 2 0 0 0 年5 月，s p r i n t 在美国亚利桑那州凤凰城部署了首个使用第一代l o s 技术的m m d s 。 2 0 0 1 年6 月，w i m a x 论坛成立。 2 0 0 1 年1 0 月，s p r i n t 中止了m m d s 业务。 2 0 0 1 年1 2 月，a t & t 停止了固定无线业务。 2 0 0 1 年1 2 月，高于1 1 g h z 频段的i e e e8 0 2 1 6 标准制定完成。 2 0 0 2 年2 月，韩国政府为w i b r o 在2 3 g h z 的波段上分配了带宽资源。 2 0 0 3 年1 月，i e e e8 0 2 1 6 a 标准完成制定工作。 5 第l 章宽带无线网络与8 0 2 1 6 标准族介绍 近年来，宽带无线网络正在逐步从学术研究的领域走向技术应用的领域。宽带无线网络 的快速发展得益于无线网络从上世纪9 0 年代中期至今的快速应用以及传统宽带接入网络的大 规模应用。有报道表明，无线移动服务在全球范围内的数量从1 9 9 0 年的11 0 0 万增长n 2 0 0 5 年的2 0 亿，在同一时期全球范围内i n t e r a c t 的用户数量也达到了1 0 亿。无线网络与宽带网络的 同步快速发展使得这两者的结合成为了工业界下一代移动通信技术的基础。 宽带接入技术的快速发展由多种因素触发。首先，逐步成熟的网络互联技术使得i n t e r a c t 的速度和规模得到了极大的提升，为各种应用提供了良好的发展平台；其次，i n t e r a c t 提供的 信息交换方式，商业模式以及娱乐平台吸引了大量用户。宽带接入技术提供给用户的不仅仅 是w e b 浏览和文件下载，更多的是多媒体应用，例如基于v o i p ( v o i c eo v e ri n t e r a c tp r o t o c 0 1 ) 的 语音业务以及基于组播或者点对点协议的流媒体业务。宽带接入技术正处在一个由应用主导 的快速发展时期，在发展的过程中也遇到了一些障碍：传统的宽带接入技术依赖有线网络进 行规模的扩展，这种方案在人口密度低的区域成本较高，而且容易受到不同地域物理环境的 限制。无线网络为宽带接入技术提供了一种低成本、灵活的接入方式：用户通过无线终端接 入主干网络，这样在一个区域内只需要一个无线基站设备就可以给大量用户提供宽带接入服 务。 宽带无线网络将无线的体验带给了宽带接入用户。宽带无线网络按照应用场景可以分为： 1 ) 固定的宽带接入技术，作为x d s l 技术的替换技术适合固定需求的用户，例如家庭：2 ) 移 动的宽带接入技术，给用户带来空间自由，摆脱网线的束缚。 本章对无线网络的发展历史进行简单回顾，然后对论文的研究对象i e e e8 0 2 1 6 标准进行 简单的介绍。 1 1 宽带无线网络的发展历史 在宽带有线接入技术的发展过程中，工业界也在对各种无线接入技术进行研究，希望能 找到合适的替代方式提供便捷的宽带网络接入，但是众多厂商的技术研究没有一个统一的模 式，各个厂商都按照自己的技术标准来构建宽带无线技术的雏形。由于缺乏统一的标准，之 前的无线接入技术应用规模很小。w i m a x 技术是无线宽带接入技术领域的第一个统一标准， w i m a x 的出现使得宽带无线技术的发展走上了正轨。 本小结首先按照时间顺序对宽带无线技术发展过程中的主要事件进行简单介绍，然后对 w i m a x 的发展历程进行详细回顾。 1 1 1 宽带无线接入技术发展简史1 1 i 1 9 9 7 年2 月，a t & t 启动名为“p r o j e c ta n g e l ”的项目，该项目针对固定的无线技术进行研究。 1 9 9 7 年2 月，f c c 为无线通信业务在2 3 g h z 频段分配了3 0 m h z 的带宽资源。 1 9 9 8 年9 月，f c c 放宽了m m d s 波段的限制，允许在该波段进行双向通信。 1 9 9 9 年7 月，i e e e8 0 2 1 6 工作组召开第一次会议。 2 0 0 0 年3 月，a t & t 在数年的试验之后发布了首个商用高速固定无线业务。 2 0 0 0 年5 月，s p r i n t 在美国亚利桑那州凤凰城部署了首个使用第一代l o s 技术的m m d s 。 2 0 0 1 年6 月，w i m a x 论坛成立。 2 0 0 1 年1 0 月，s p r i n t 中止了m m d s 业务。 2 0 0 1 年1 2 月，a t & t 停止了固定无线业务。 2 0 0 1 年1 2 月，高于1 1 g h z 频段的i e e e8 0 2 1 6 标准制定完成。 2 0 0 2 年2 月，韩国政府为w i b r o 在2 3 g h z 的波段上分配了带宽资源。 2 0 0 3 年1 月，i e e e8 0 2 1 6 a 标准完成制定工作。 5 2 0 0 4 年6 月，i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准完成制定并且获得通过。 2 0 0 4 年9 月，i n t e l 开始发售首个名为r o s e d a l e 的w i m a x 芯片组。 2 0 0 5 年1 2 月，i e e e8 0 2 1 6 e 标准完成制定并且获得通过。 2 0 0 6 年1 月，首个通过w i m a x 论坛认证的产品正式发布。 2 0 0 6 年6 月，w i b r o 业务在韩国正式启动。 2 0 0 6 年8 月，s p r i m 发布了在美国部署移动w i m a x 的计划。 按照时间的先后顺序，以上列举了上个十年之内宽带无线接入技术的发展历程。在i e e e 8 0 2 1 6 标准制定之前，已经有一些厂商针对固定的无线接入业务进行了尝试，但是由于没有 统一的工业标准，早期的固定无线接入技术市场空间不大。随着i e e e8 0 2 1 6 标准制定完成以 及w i m a x 论坛的成立，越来越多的厂商正在加入宽带无线接入的技术开发和市场拓展。 1 1 2 宽带无线技术的演进历程 以w i m a x 为标志的宽带无线技术的发展过程主要可以划分为4 个阶段：( 1 ) 窄带无线本 地环路，( 2 ) 第一代视距( 1 i n e o f - s i g h t ，l o s ) 宽带系统，( 3 ) 第二代非视距( n o n 1 i n e o f - s i g h t ， n l o s ) 宽带系统，以及( 4 ) 标准化的宽带无线系统。下面对这四个发展阶段分别进行简单介 绍： 1 1 2 1 窄带无线本地环路 窄带无线本地环路系统一般采用码分多址接入技术，第一个采用无线技术的应用是语音 电话业务，窄带无线本地环路( w i r e l e s sl o c a l 1 0 0 p ) 系统在一些电话基础设施无法满足同常应用 需求的发展中国家得到了广泛的采用。在另外一些已经有了发达的网络基础架构的地区，窄 带无线本地环路必须提供通过一些特性来提高自己的竞争力，例如a t & t 于1 9 9 7 年2 月发布的 无线接入系统就具有高传输带宽的特性( 双语音通道以及1 2 8 k b p s 的数据通道) 。 在同一时问，另外一些创业公司仅仅关注于提供无线的i n t e m e t 接入服务。这些无线i n t e m e t 服务提供商使用的信道频段一般是9 0 0 m h z 和2 4 g h z 的免许可频段。这些早期的窄带系统对 安装的位置比较敏感，并且只能提供每秒几百k 比特的带宽。 1 1 2 2 第一代l o s 宽带系统 随着d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 以及调制解调器的广泛部署，无线系统需要支持更高的 通信速率以避免被淘汰。越来越多的系统开发瞄准了更高的频段，例如2 5 g h z 频段和3 5 g h z 频段的带宽。另外有一些基于毫米波波段的高速系统能达到上百兆比特每秒的带宽，但是由 于通信距离较短以及安装条件苛刻等原因没有得到很大的发展空间。 在上世纪9 0 年代后期，一些宽带无线接入系统成功地在m m d s ( m u l t i c h a n n e lm u l t i p o i n t d i s t r i b u t i o ns e r v i c e s ) 波段( 2 5 g h z ) 得到了部署。第一代固定宽带无线接入在基站端需要使用很 高的塔来进行信号传输，并且用户接收端需要在户外安装天线，天线和基站之间不能有建筑 物阻挡。由于很大一片区域只是由单个基站提供接入，系统的容量受到了限制。 1 1 2 3 第二代n l o s 宽带系统 第二代非视距宽带系统能够解决在复杂的地理环境下信号多径的问题，从而可以在架设 天线的时候摆脱视距的束缚，同时能够提高系统的容量。第二代非视距宽带系统采用了蜂窝 式的网络结构以及先进的信号处理技术来提高多径环境下的系统性能。一些创业型的公司提 出了先进的专利技术例如：o f d m 、c d m a 、多天线技术等来解决非视距的通信问题。 有一些系统，例如象s o m a 网络以及n a v i n i 网络部署的第二代非视距宽带系统，可以通过 桌面的连接终端与几英里外的基站进行通信。第二代n l o s 宽带系统可以在数英晕的范围内提 供几兆每秒的连接带宽。 6 1 1 2 4 标准化的宽带无线系统 1 9 9 8 年，i e e e 组建了一个名为8 0 2 1 6 的工作组，该工作组为无线城域网技术【2 l ( w i r e l e s s m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k w m a n ) $ 1 j 定相关的标准。起初这个工作组主要集中在1 0 g h z 至0 6 6 g h z 频段的高速无线接入标准的制定，这些目标系统象l m d s 一样，可以接入光纤环系统 中通过点对多点( p o i n tt om u l t i p o i n t ，p m p ) 的视距连接为l o s 用户提供高速的网络接入方式。 2 0 0 1 年1 2 月，i e e e8 0 2 1 6 工作组通过了一项名为w i r e l e s sm a n s c 的标准，该标准主要包 括了使用单载波调制技术的物理层以及使用时分复用( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，t d m ) 技术 的m a c 层。 在w i r e l e s sm a n s c 标准之后，工作组开始在这个标准的基础上进行修改，以使其适应许 可及免许可的频段，在这些频段内可以部署n l o s 系统。2 0 0 3 年工作组完成了这项工作并且通 过了名为i e e e8 0 2 1 6 a 的标准。在i e e e8 0 2 1 6 a 标准中的一个显著特性是它采用了o f d m 作为 物理层的调制技术以抵抗多径环境对信号的影响。除了o f d m 物理层，8 0 2 1 6 a 在m a c 层增加 了正交频分复用多址接) ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，o f d m a ) 这个可选 项。 8 0 2 1 6 t 作组在2 0 0 4 年完成了一项标准修改，通过了i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准，该标准涵盖 并替换了前面制定的8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 c 标准。从2 0 0 3 年开始，工作组着手制定适用于 移动车载业务的技术标准。这项名为i e e e8 0 2 1 6 e 2 0 0 5 的标准于2 0 0 5 年1 2 月完成，这项标准 主要集中于m a c 层的修改使其适应高速移动的应用场合。 i e e e8 0 2 1 6 系列标准是一个涵盖面很广的标准集。为了能够广泛适应业界的各种需求， 工作组在标准中加入了许多可选项。为了使产品具有互通性，标准的覆盖范围必须根据互通 性测试进行调整。i e e e 仅仅对标准进行制定，互通性测试的相关标准由工业界着手制定。为 此，工业界基于i e e e8 0 2 1 6 标准成立了w i m a x 论坛来解决互通性测试的问题。w i m a x 论坛 的设立仿照w i f i 联盟，后者在i e e e8 0 2 1 l 标准族相关产品互通性测试方面获得了成功。 w i m a x 论坛的成员来自于工业界的各个领域，包括半导体公司、设备制造商、系统集成商以 及服务提供商。论坛于2 0 0 6 年1 月发布了首个基于i e e e8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 标准的固定应用产品。 w i m a x 论坛的设立以及相关产品的发布是宽带无线技术发展史上的一个里程碑。 1 2 w i m a x 3 】- 刚与i e e e8 0 2 16 标准族【司 w i m a x 的全称是：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 。w i m a x 是一种电信 通讯技术，它基于i e e e8 0 2 1 6 标准族，能为点对点的链路以及移动的蜂窝式网络提供长距离 的各种无线接入方式。w i m a x 技术是由w i m a x 论坛提出的，这个论坛成立于2 0 0 1 年6 月，其 宗旨是为8 0 2 1 6 标准提供良好的互通性以及提升系统的性能。w i m a x 论坛称w i m a x 技术是： “一项基于标准的，能够替代电缆和d s l 技术的最后一英里无线宽带接入技术”。 i e e e8 0 2 1 6 标准族是由i e e e 匍 定的无线城域网( w m a n ) 标准族，包括了物理层以及m a c 层的规范。8 0 2 1 6 物理层包括了单载波技术和多载波技术，覆盖频段范围有2 g h z 1 1 g h z 的 n l o s 频段以及10 g h z 6 6 g h z 的l o s 频段。 1 2 1i e e e8 0 2 1 6 标准族简介 表1 按照字母排序列出了子标准或工作组的名称以及主要特性。 表li e e e8 0 2 1 6 标准族 i e e e8 0 2 1 6 初始版本，只支持l o s ，物理层采用单载波，使用1 0 6 6 g h z 频带； 7 - 1 1 2 4 标准化的宽带无线系统 1 9 9 8 年，i e e e 组建了一个名为8 0 2 1 6 的工作组，该工作组为无线城域网技术【2 l ( w i r e l e s s m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k w m a n ) $ 1 j 定相关的标准。起初这个工作组主要集中在1 0 g h z 至0 6 6 g h z 频段的高速无线接入标准的制定，这些目标系统象l m d s 一样，可以接入光纤环系统 中通过点对多点( p o i n tt om u l t i p o i n t ，p m p ) 的视距连接为l o s 用户提供高速的网络接入方式。 2 0 0 1 年1 2 月，i e e e8 0 2 1 6 工作组通过了一项名为w i r e l e s sm a n s c 的标准，该标准主要包 括了使用单载波调制技术的物理层以及使用时分复用( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，t d m ) 技术 的m a c 层。 在w i r e l e s sm a n s c 标准之后，工作组开始在这个标准的基础上进行修改，以使其适应许 可及免许可的频段，在这些频段内可以部署n l o s 系统。2 0 0 3 年工作组完成了这项工作并且通 过了名为i e e e8 0 2 1 6 a 的标准。在i e e e8 0 2 1 6 a 标准中的一个显著特性是它采用了o f d m 作为 物理层的调制技术以抵抗多径环境对信号的影响。除了o f d m 物理层，8 0 2 1 6 a 在m a c 层增加 了正交频分复用多址接) ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，o f d m a ) 这个可选 项。 8 0 2 1 6 t 作组在2 0 0 4 年完成了一项标准修改，通过了i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准，该标准涵盖 并替换了前面制定的8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 c 标准。从2 0 0 3 年开始，工作组着手制定适用于 移动车载业务的技术标准。这项名为i e e e8 0 2 1 6 e 2 0 0 5 的标准于2 0 0 5 年1 2 月完成，这项标准 主要集中于m a c 层的修改使其适应高速移动的应用场合。 i e e e8 0 2 1 6 系列标准是一个涵盖面很广的标准集。为了能够广泛适应业界的各种需求， 工作组在标准中加入了许多可选项。为了使产品具有互通性，标准的覆盖范围必须根据互通 性测试进行调整。i e e e 仅仅对标准进行制定，互通性测试的相关标准由工业界着手制定。为 此，工业界基于i e e e8 0 2 1 6 标准成立了w i m a x 论坛来解决互通性测试的问题。w i m a x 论坛 的设立仿照w i f i 联盟，后者在i e e e8 0 2 1 l 标准族相关产品互通性测试方面获得了成功。 w i m a x 论坛的成员来自于工业界的各个领域，包括半导体公司、设备制造商、系统集成商以 及服务提供商。论坛于2 0 0 6 年1 月发布了首个基于i e e e8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 标准的固定应用产品。 w i m a x 论坛的设立以及相关产品的发布是宽带无线技术发展史上的一个里程碑。 1 2 w i m a x 3 】- 刚与i e e e8 0 2 16 标准族【司 w i m a x 的全称是：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 。w i m a x 是一种电信 通讯技术，它基于i e e e8 0 2 1 6 标准族，能为点对点的链路以及移动的蜂窝式网络提供长距离 的各种无线接入方式。w i m a x 技术是由w i m a x 论坛提出的，这个论坛成立于2 0 0 1 年6 月，其 宗旨是为8 0 2 1 6 标准提供良好的互通性以及提升系统的性能。w i m a x 论坛称w i m a x 技术是： “一项基于标准的，能够替代电缆和d s l 技术的最后一英里无线宽带接入技术”。 i e e e8 0 2 1 6 标准族是由i e e e 匍 定的无线城域网( w m a n ) 标准族，包括了物理层以及m a c 层的规范。8 0 2 1 6 物理层包括了单载波技术和多载波技术，覆盖频段范围有2 g h z 1 1 g h z 的 n l o s 频段以及10 g h z 6 6 g h z 的l o s 频段。 1 2 1i e e e8 0 2 1 6 标准族简介 表1 按照字母排序列出了子标准或工作组的名称以及主要特性。 表li e e e8 0 2 1 6 标准族 i e e e8 0 2 1 6 初始版本，只支持l o s ，物理层采用单载波，使用1 0 6 6 g h z 频带； 7 - i e e e8 0 2 1 6 a 支持p m p 方式，物理层采用o f d m ，使用2 11 g h z 频带： i e e e8 0 2 1 6 c i e e e8 0 2 1 6 的增补版本，发布了1 0 6 6 g h z 的系统概要： i e e e8 0 2 1 6 d 发布y 8 0 2 1 6 a c 的合并版本，替代前面三个版本的标准； i e e e8 0 2 1 6 e 在8 0 2 1 6 d 的基础上增加了移动特性，采用o f d m a 并且支持 q o s ； i e e e8 0 2 1 6 f 基础管理信息系统； i e e e8 0 2 1 6 9 定义网络管理系统的过程和提供的服务； i e e e8 0 2 1 6 k 8 0 2 1 6 桥接模式： i e e e8 0 2 1 6 h 定义免许可频段增强的通信共存性机制； i e e e8 0 2 1 6 i 定义移动的基础管理信息系统； i e e e8 0 2 1 6 j 多跳中继标准； i e e e8 0 2 1 6 m 研究先进的天线接口，可以支持高达1 0 0 m b p s 的移动业务以及 1 g b p s 的固定业务。 下面对部分重要的子标准进行介绍，从中可以看到8 0 2 1 6 协议族的发展轨迹。 8 0 2 1 6 初始版本标准 这是第一个i e e e8 0 2 1 6 标准，于2 0 0 1 年发布，物理层采用了单载波技术，工作于1 0 6 6 g h z 频段。8 0 2 1 6 规定了p m p 宽带无线接入系统的空中接口，包括了m a c 层和物理层的功能定义。 8 0 2 1 6m a c 层有如下特点：p m p ，面向连接，支持时分复用和频分复用模式，支持不同的用 户环境，支持多个物理层。 8 0 2 1 6 a 8 0 2 1 6 a 对8 0 2 1 6 标准进行了修正，在2 11 g h z ( 包括许可和免许可频段) 频段上对m a c 层进行修改扩展，在物理层引入了o f d m 和o f d m a 两种技术作为物理层的可选方案。得益于 o f d m 的抗多径特性，8 0 2 1 6 a 标准支持n l o s 应用场景，适合应用于不存在视距通信条件的 场合，例如室内或者建筑物较多，布局复杂的区域。 8 0 2 1 6 d 8 0 2 1 6 d 是8 0 2 1 6 的一个修订版本，也是相对比较成熟并且最具实用性的一个标准版本， 在2 0 0 4 年下半年正式发布。8 0 2 16 d 对2 6 6 g h z 频段的物理层和m a c 层做了详细规定，定义了 支持多种业务类型的m a c 层和相对应的多个物理层。该标准对前几个标准进行了整合和修 订，但仍属于固定宽带无线接入规范。它保持了8 0 2 1 6 ，8 0 2 1 6 a 等标准中的所有模式和主要 特性，增加或修改的内容用来提高系统性能和简化部署，或者用来更正错误、补充不明确或 不完整的描述，包括对部分系统信息的增补和修订。同时，为了能够后向平滑过渡至u 8 0 2 1 6 e ， 8 0 2 1 6 d 增加了部分功能以支持用户的移动性。 8 0 2 1 6 e 8 0 2 1 6 e s l 被称为移动无线城域网接入技术( m o b i l ew i r e l e s sm a n ) ，支持用户以车载速度 移动，该标准对固定和移动宽带无线接入两种工作模式进行了整合。8 0 2 1 6 e 标准对空中接口 物理层以及m a c 层进行了详细定义。该标准物理层采用灵活的o f d m a 技术，最多支持2 0 4 8 个子载波，信道带宽在1 2 5 m h z 和2 0 m h z 之间可调整。由于支持了自适应调制编码技术，在 信道条件好的时候可以采用6 4 q a m 进行信号编码，信道条件差的时候可以采用b p s k 方式进 行传输。另外物理层还支持m i m o 天线技术以及h y b r i da r q 。8 0 2 1 6 em a c 层支持的特性有： 和多种网络层连接的汇聚子层，认证以及数据加密，节省功耗的s l e e p i d l e 模式，切换机制以 及对数据流采用面向对象方式提供q o s 的服务。 8 8 0 2 1 6 e 标准的一个显著特性是对q o s 的支持。所有的数据流根据各自应用特点划分到5 个 q o s 类中，这5 个q o s 类分别是：u g s ( u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e ，主动带宽授予业务) ，e r t p s ( 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 ，扩展的实时轮询业务) ，r t p s ( r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e ，实 时轮询业务) ，n r t p s ( n o n r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e ，非实时轮询业务) ，b e ( b e s te f f o r t ，尽力而 为业务) 。 8 0 2 1 6 e 的组网模式包括蜂窝式组网以及m e s h 组网。 8 0 2 1 6 j 8 0 2 1 6 j 标准是以中继技术为核心，以8 0 2 1 6 e 标准为基础架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系统的整体建设成本，并提高系统的 柔韧性。中继技术是指在基站与移动台之间转发信号，通过扩大基站覆盖和增大系统容量来 达到以较低代价获取系统性能提升的目的。 8 0 2 1 6 m 8 0 2 1 6 m 标准目前正在标准制定过程中，该标准定位于在许可频段内采用先进的空中接口 技术达至l j w i r e l e s s m a n o f d m a 系统的规范，该标准满足i m t ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n s ) 下一代移动网络的技术要求，并且能够在现有标准的基础上提高系统的 性能，使之能满足i t u 报告“i t u r m 2 0 7 2 ”中所描述的应用场景。8 0 2 1 6 m 的工作频段是小于 6 g h z 的许可频段，占用带宽为5 2 0 m h z 。在复用模式上，该标准支持t d d 和f d d 两种模式。 8 0 2 1 6 m 的一个显著特性是通过先进的天线技术获得较高的传输速率。在8 0 2 1 6 m 系统中，基 站至少支持双发双收的工作模式，移动站点至少支持单发双收。 1 2 2i e e e8 0 2 1 6 标准结构 i e e e8 0 2 1 6 标准族是一个复杂的体系，本文关注的主要对象是i e e e8 0 2 1 6 ( 以下简称 8 0 2 1 6 ) 标准【6 j - 【7 。8 0 2 1 6 的协议栈如图l 所示，其空中接口部分主要由物理层协议和数据链 路层协议构成。物理层支持单载波，o f d m 以及o f d m a 三种工作方式，其内部的传输汇聚子 层对数据链路层屏蔽了物理层的底层细节。数据链路层由三个子层构成：服务相关汇聚子层， m a c 子层和安全子层。顶部的服务相关汇聚子层对应于其他8 0 2 标准中的逻辑链路层，其功 能是提供数据链路层对网络层的接口，提供网络层的数据到m a c 层连接的映射。当网络层协 议是面向连接的时候，例女f l a t m ，网络层数据到m a c 层连接的映射以直接的方式进行；当网 络层协议属于数据报协议的时候，例如i p ，服务相关汇聚子层必须提供数据到连接的映射方 式。位于数据链路层中间的是m a c 子层，它负责所有的信道管理。在8 0 2 1 6 系统中，基站的 m a c 层同时负责所有下行信道的传输调度和上行信道( 由用户向基站发起的传输称为上行传 输，由基站向用户发起的称为下行传输) 的传输及接入管理。8 0 2 1 6m a c 层协议区别于其他 8 0 2m a c 层协议的一个特点是：8 0 2 1 6m a c 层是基于连接的，从而能给语音等多媒体业务提 供q o s 保证。数据链路层底部的安全子层负责通信的加密、解密以及密钥管理，因为8 0 2 1 6 提供的是城域网规模的无线连接，安全子层是系统的一个重点环节。 9 网络层协议( a t m ，8 0 2 3 ) 服务相关汇聚子层 m a c 子层 安全子层 传输汇聚子层 s co f d mo f d m a 图18 0 2 1 6 协议栈 在描述m a c 的数据流时，服务数据单元( s e r v i c ed a t au i n t ，s d u ) 和协议数据单元( p r o t o c o l d a t au n i t ，p d u ) 是两个重要的概念。如图2 所示，s d u 是指传入对应协议层的数据包，p d u 是指传出对应协议层的数据包。服务汇聚子层的功能就是对于从网络层获得的s d u ，然后由 分类器根据其业务类型等分类参数将这个s d u 映射到一个连接上，同时也将该s d u 与该连接 的服务流特性关联起来。 1 3 8 0 2 1 6m a c 层 图2s d u p d u 示例 m a c 层的主要作用是：协调网络中位于同一个冲突域( 冲突域由站点的行为定义，如果 两个站点同时发起传输会导致双方数据发送失败，那么称这两个站点位于同一个冲突域) 的 各个站点的发送行为，控制各方使用网络的时机，从而避免由于信号冲突引起的网络资源浪 费。由此可见，物理层使用信道资源的方式决定了 m a c 层机制，f f t j 女 i i e e e8 0 2 3 以太网在同 一个冲突域中的各个站点按照c s m a c d ( 载波检测多路访问冲突检测) 规则独立地抢占信 道：i e e e8 0 2 1 1w l a n 的m a c 层引入了c s m a c a ( 载波检测多路访问冲突避免) 指导各个 站点独立地抢占信道。 m a c 层的协议根据其调度特性可以分为两类：基于竞争分配的m a c 协议和基于固定信道 分配的m a c 层协议，本文研究的8 0 2 1 6m a c 层属于基于固定信道分配的m a c 协议。8 0 2 1 6 1 0 一数据链路层物理层一 的m a c 层支持两种工作模式：单点对多点p m p 模式和网状网络( m e s h ) 模式。p m p 模式中，所 有通信传输一方是基站( b s ) ，另一方是用户站( s s ) ；在m e s h 模式中，数据传输可以在b s s s 之间发生，或者在s s s s 之问发生。本文仅关注p m p 模式的8 0 2 1 6 标准，在所有描述中m a c 层均工作在p m p 模式。 在8 0 2 1 6 系统中的通信实体由b s 和s s 构成，f h b s 向s s 发起的传输称为下行( d o w n l i n k ，d l ) 传输，由s s 向b s 发起的传输称为上行( u p l i n k ，u l ) 传输。在d l 传输过程中，因为b s 是仅有的 传输站点，b s 在d l 传输过程中不需要和其他站点同步，d l 信道可以看成是广播信道。u l 传 输由s s 发起，各个s s 根据d l 控制信令的指导在给定的时域时隙和频域子载波上进行数据传 输。 1 3 1 8 0 2 1 6m a c 的q o s 机制 8 0 2 1 6m a c 层定义了五种服务类型i s j ，它们分别是： 1 3 1 1u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e ( ug s ) u g s 支持固定包大小的实时上行业务流( 例女f l t l e 1 ，v o i c eo v e ri pw i t h o u ts i l e n c e s u p p r e s s i o n ) 这种服务提供固定大小的周期性的接入许可，从而减少s s 用于带宽申请的附加 开销和时延，并且保证分配的传输资源能够达到数据流的实时需求。得到这种服务的连接不 能发起信道接入竞争请求。 b s 分配给u g s 服务