1、浙江大学硕士学位论文IEEE802.16中的无线资源分配技术研究姓名：徐骞申请学位级别：硕士专业：信息与通信工程指导教师：张朝阳20070501浙江大学硕士学位论文摘要随着社会经济发展和通信技术的进步，无线接入网络呈现出带宽更大、业务种类更多以及服务质量多样性等的发展需求。为了满足这些需求未来宽带无线接入系统将从多个方面寻求技术进步。在物理层正交频分复用技术OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)因其有效对抗多径信道传播所造成符号闻干扰的能力被当作是超三代甚至是第四代移动通信网络的技术基础。在链路层需要依靠无线资源管理的优化分配来尽可能提
2、升无线资源的利用效率，解决有限的无线资源和不断提升的业务服务要求之间的尖锐矛盾。本文以新兴的IEEE80216宽带无线城域网(WMAN)接入标准系列为背景，研究OFDMA多址接入模式下针对不同服务质量要求(QoS)多媒体传输业务的无线资源优化分配问题。本文研究了无线通信系统中的传统分组调度方法，阐述了分组调度在系统频谱利用效率和用户业务服务质量公平性这两个方面的性能特性。同时以往传统的分组调度方法在IEEE80216系统中并不能简单应用。结合IEEE80216系统OFDMA工作模式的自身特点本文提出了一种针对BE业务的比例公平分组调度，在频谱利用效率和用户业务服务质量公平性之间保持合理的平衡点
3、。同时IEEES0216的OFDMAI作模式具有时频二维帧结构的信道分配特性，这样的信道划分方式对实际系统运行产生的信令开销和OFDM信号的发射功率平稳性有很大影响。通过对业务数据进行灵活的映射，本文提出了基于二维碎片优化的数据映射方法，以较少数据拆分实现了更小的信令开销。同时提出一种改进的数据映射方法，在信号的发射功率平稳性方面有更佳的表现。在IEEES0216中业务服务不再局限于恒定速率的单一种类，而是支持业务连接动态设定自身的QoS参数。标准将所有业务连接划分为四个种类，而这四个种类的业务按照对数据传输时延的要求又可以划分为实时非实时两类。IEEE80216的无线资源管理需要在这两种业务
4、类型中做出优化分配。本文基于无线资源中功率和带宽相互转化的概念，提出一种功率和带宽联合分配方法，在保障实时业务的速率要求前提下尽可能的提升非实时业务的总传输速率。当考虑实际IEEE80216系统部署时必须考虑到蜂窝系统中的多小区同信道干扰问题。蜂窝系统可以依靠频率复用机制来减轻同信道干扰来维持链路通信质量。更为先进的系统规划可以同时利用多种不同的频率复用机制。基于用户的信道响应质量反馈机制本文提出一种动态复用系数FRF的子信道分配方法，相比传统的单一频率复用机制具有更好的空间公平性。关键词：正交频分复用，无线资源管理，服务质量，资源分配，频率复用浙江大学硕士学位论文AbstractAs the
5、 society develops and communication technology advances,the wireless accessnetworks have demonstrated a trend toward higher capacity and more diversified service qualitiesTo coupe with this trend technology advance has to be achieved in several layersIn the PHY layerOFDM(Orthogonal Frequency Divisio
6、n Multiplexing)is becoming more popular for its strengthat dealing with multi-path蜘iIlg channelsAnd in the MAC layer more sophisticated radioresource management is required to promote the systemS utilization efficiency and to diminish thegap between limited radio resources and increasing service req
7、uirementsThis thesis focus on theoptimized radio resouree allocation for multi-media services with different QoS requirements withOFDMA signaling，based upon the IEEE80216 WMAN standardsThe thesis researched on the packet scheduling issues in wireless systems,and illustrated themulti-dimensional perf
8、ormance on bandwidth efficiency and usersservice fairnessAnd thoseconventional scheduling methods cannot be readily used in IEEES0216Based on the features ofIEEE80216 OFDMA mode the thesis proposed a proportional fairness scheduling method for BEservicesAnd adopting the OFDMA modeS timefrequency dim
9、ensional frame structure the burstmapping method will greatly determine the systemS signaling overhead and transmission powerstabilityBy mapping with twodimensional goneeFns the thesis proposed fragment-optimized andtransmission power stability optimized mapping methodsThe IEEE80216 is no longer lim
10、ited to single service with constant rate；in fact the servicecan adjust its own QoS parametersThe standard categorizes all the services into four types,andaccording to the transmission delay requirement they can further be categorized into two classes：real-time and non-reahimeBased on the essellce o
11、f exchangeability between power andbandwidth,the thesis proposed a power-bandwidth joint allocation methodIt gall maximize theoverall non-realtime throughputs while guaranteeing the real-time throughput requirementsIn real deployment the co-channel interference is severe in multi-cell wireless syste
12、msTheco-channel interference Call be mitigated by frequency renseAnd more sophisticated systemplanning will adopt several frequency reuse scenarios simultaneouslyThe thesis proposed adynamic frequency reuse based sub-chanuel allocation method that achieves better fairness thanthe single frequency-ms
13、ystemsKeywords：OFDM,radio resource management，QoS，reSOurce allocation,frequency reUSeH一浙江大学硕士学位论文第1章绪论随着社会的信息化发展和通信技术的进步，终端用户对信息服务的需求日益增长，以互联网业务为代表的宽带多媒体数据业务已经成为网络需求发展的主流。传统的无线接入技术逐渐成为网络建设向宽带化、全业务方向发展的瓶颈。在众多宽带接入技术中无线宽带接入技术被看作是未来通信技术的重要组成部分，是通信服务市场最大的亮点。一方面无线通信技术能够满足用户在移动状态下获取业务服务的需求，符合当前社会高速流动性的特点。另
14、一方面，无线通信技术具有网络部署简便快捷的特性，能够减少通信系统建立的资金和时间要求。11 IEEE80216无线城域网接入标准的发展概况宽带无线接入(BWA)对带宽需求的日益增长和对移动性支持的渴望促使了IEEE80216无线城域网(wircless MAN)【1-3】的推出。目前已经普遍推广的8021lx4-6】技术并不适合应用到室外移动环境中的BWA应用中去。为此IEEE组织在1999年成立了专门研究无线宽带接入技术规范的IEEE80216工作组，致力于建立全球统一的宽带无线接入标准。同时一些全球著名的通信公司联合成立了非营利性组织Wm4AX论坛【刀，力求在全球范围内推广宽带无线接入标准
15、IEEE80216。目前WIMAX已经成为IEEE80216标准的代名词。111 IEEES0216标准系列IEEE80216标准系列主要包括80216、80216a、80216e、80216d、80216e标准，其中80216、16a、16d属于固定无线接入空中接口标准，而80216e则是针对移动性制定的增强版本。80216e的标准化工作基本上是在80216d的基础上进行的，因此它能够向下兼容80216d。IEEE80216标准系列各版本的主要参数如图表1所示。80216 80216a 80216d 80216e2001年12月 2003年1月正 2004年6月23 2005年12月7标准情
16、况正式 式 日 日1066GHz使用频段 1066GHz 11GHz 6GI-Iz1lGHz信道条件 视距 非视距 视距+非视距 非视距固定移动性 固定 固定 固定 移动+漫游信道带宽 2528MHz 1_2520MHz 12520MHz 12520MHz32134 Mbps 在20删z信 在20删z信 在5姗z的信传输速率 (以28MHz 道上提供约75 道上提供约75 道上提供约15为载波带宽) Mbps的速率 Mbps的速率 Mbps的速率额定小区半径 5km 510km 515km 几km图表1IEEE80216系列标准各版本的参数比较IEEE80216标准可以划分成为物理层(PHY)
17、和媒体接入层(1IAC)。PHY层主要确定了一1一浙江大学硕士学位论文10666Hz的应用频段，12520删z之间的系统带宽，以及单载波(Single Carrier，SC)、正交频分复用(0rthogonal Frequency Division Multiplexing，0FDM)和正交频分多址(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFm帅三种不同的物理层调制方式。其中后面的两种基于OFDM的调制方式由于在抵抗多径衰落和窄带干扰上具有明显的优势而最为热门。此外OFDMA的组帧模式在时域和频域二维结构上提供了灵活可动态变化的上下行子帧格
18、式，使得系统在满足各种不同业务QoS要求时具有更大的机动性。在链路白适应方面80216物理层引入调制方式为BPSK、QPSK、16QAM、64QAM以及编码速率为12、23、34、56的自适应调制编码(Adaptive Modulation and Coding Scheme)，从而根据链路的时变信道响应动态地选择合适的调制编码方式以维持一定地误码率要求。此外80216还能与空时编码(STC)、智能天线(AAS)技术结合以进一步提升频谱利用效率和系统容量。112 IEEF_凇16系统模型IEEES0216协议定义了两种网络拓扑结构：PMP和Mesh。PMP模式这是一种点到多点的网络结构。整个无
19、线系统的覆盖范围被划分成为多个小区，每个小区中心设有一个基站(BS)与该小区内的众多终端用户(SS)建立传输链路并对小区内的通信进行集中控制。基站后端以有线方式连接到骨干网络以向前端的sS提供无线网络接入服务，结构如图表2所示。图表2蜂窝小区系统模型在下行链路中，小区内的BS是唯一的信号发送者，下行帧采用广播的形式发送出去。当广播消息DLMAP中没有具体指定特别的终端接收时，小区内ss接收所有广播的数据包，在接收完毕后根据数据包头部包含的相应信令判断属于自己的数据在整个帧内的相对位置。在上行链路中，小区内所有SS按照DAMA(Demand Assigned Multiple Access)方式
20、共享上行链路。这种共享方式的核心是基于带宽请求允许机制，即BS充当小区内的集中调度者，根据不同业务的各自QoS要求从系统的角度出发相应地分配数据传送机会。BS可以以固定时问间隔周期性的为某个ss分配传送机会，也可以周期性的问询然后按照用户的当前一2一浙江大学硕士学位论文缓冲队列占用情况进行分配，也可以只为用户提供竞争时隙以供用户以竞争接入的方式发送带宽分配请求。Mesh模式Mesh是80216新增的一种网络拓扑模式，如图表3。它与PMP的主要区别是，PMP模式需要Bs来对SS进行统一管理而通信只可能发生在BS和SS之间；而Mesh模式中两个SS相互之间可以直接进行通信而不需要BS的管理协调，同
21、时SS之间的通信可以通过多跳的形式完成。图表3Mesh网络拓扑结构示意图在Mesh网络中把与外网相连接的节点称作Mesh BS，而其余的节点称作Mesh SS。上行链路的方向定义为流向Mesh BS的方向而下行链路的方向即离开Mesh BS的方向。Mesh网络中的所有节点需要相互协调才能实现通信，其资源调度方式可以分为分布式和集中式两种。分布式调度中Mesh BS和Mesh SS都要向自己的邻居节点广播其可用资源、请求、允许等消息。而在集中式调度中由Mesh BS负责收集所有节点的请求信息，并在一定范围内对可用资源进行集中管理和分配。在本文后续章节中，如没有特殊说明文章内容都是针对采用PMP拓
22、扑结构的IEEE80216网络。12 IEEE80216系统中无线资源管理的相关技术121无线资源管理概述无线资源管理的目标是尽可能高效率的使用系统中有限的无线资源，包括频率、时隙、扩频码以及功率等。无线资源管理的任务就是为那些有需求的用户建立一个质量足够好的链路并尽可能地减轻对其他用户通信造成的影响，同时在时变受干扰的恶劣无线传播环境中充分维持链路质量。这样才能保障各种不同业务的QoS要求，维持系统覆盖范围并提升系统的有效容量。无线资源管理对于网络中的各个成员都有着重要意义。对于网络运营商而言，无线资源管理机制能够帮助他们实现更高的无线资源利用效率和更大的网络容量，从而利用现有的网络基础设施
23、创造更大的运营收益。对于网络中的终端用户来说，无线资源管理可以细分业务级别，提供多样性的服务种类，从而保证用户不同业务连接各自的QoS需求得到一3一浙江大学硕士学位论文满足。一 =_ = 一 二-= _ - _ _卜堡垒?，至 霎网 窭 =篷 挲 r络 臻黪 蒌 嬲层 裂 遴 幽渊伍固会驷哎1哆厂。弋二；：一层 旆M3用户信道响应质量7、 J，厅面丽卜J切换J层图表4MAC层功能模块无线资源管理的主要功能模块可以概括成以下几个主要部分【8】：功率控制功率控制是所有无线通信系统中及其重要的一个模块。从一条链路的角度上看功率控制直接影响到经过无线信道衰减后的接收信号质量和移动用户的电池耐用性能。从
24、多链路共存的场景上看功率控制还影响到系统内部使用相同频率的其他链路的干扰。因此通过功率控制合理分配各个发射机的功率，避免产生内部干扰而提升系统容量是一个非常重要的问题。这一点在干扰受限的CDMA网络中尤其突出。小区选择和切换控制小区选择和切换控制主要针对无线通信网络的移动性和时变性的特点。移动用户或者是位于小区边缘的用户往往因为与不同基站之间信道响应的动态变化或者由于基站各自负荷情况的差异需要从一个基站切换到另外一个新的基站。新近提出的软切换技术能够保证用户在切换的过程中其链路质量和业务QoS要求仍然得到满足。而针对异构网络提出的垂直切换策略能够让用户进入最合适的服务网络。准入控制当小区内的负
25、荷急剧增大时小区的覆盖范围将会减小造成所谓的“小区呼吸现象”，同时现有连接的QoS要求将会难以得到满足。所以当基站尝试建立一个新的业务连接时，需一4一浙扛大学硕士学位论文要准入控制来评估新进入的负荷将不会对当前的覆盖范围或是已有的活动连接的QoS造成损害。新建业务请求将会在上下行两个方向都不会对当前业务造成侵害的条件下才被接纳进入。负载控制虽然通过合理的规划和有效的准入控制能够在大多数情况下避免系统过载，然而由于无线信道质量的恶化和业务特性的波动系统过载总是会出现的。这个时候就需要依靠负载控制功能迅速有效地为系绕重新建立稳定。信道、功率分配和分组调度信道、功率分配主要指的是如何利用用户问多样性
26、和信道质量多样性从而优化分配每个信道上的发送功率和传输速率，在保证业务QoS要求的前提下最大化系统的信道利用效益和功率效率。而分组调度模块主要解决的问题是如何根据当前业务的不同特性将有限的传输容量按照一定的标准分配给众多用户。信道、功率分配和分组调度两者之间是互动的，信道、功率分配决定了分组调度的结果，而分组调度要综合考虑用户当前的信道质量和可利用的无线资源。以上就是现代无线资源管理的一些主要功能模块。从总体上看这些功能模块面向的对象有差别，关注的侧重点也不尽相同。但是这些功能模块总的来说都是围绕着如何保持系统运行更稳定，网络容量更高的出发点考虑的。抽象来看，上面的无线资源管理大致可以分为两个
27、层面：从链路层面来看无线资源分配使得功率、信道等的无线资源的使用效率得到提升；从网络的层面来看无线资源管理使得多小区系统的运行更稳定，网络容量更大。l-22 IEEES0216的业务Q0s保障无线通信系统的一个首要目标就是满足用户对服务质量(QoS)的需求。在不同组网模式和通信层面上QoS的意义各不相同。本文所关注的IEEE80216的PMP模式是从小区基站到移动用户的单跳多蜂窝系统。在PHY层QoS的概念体现为用户一定的信干噪比(SINR)和误比特率(BER)要求。在MAC层中QoS往往是指一定的误包率(PER)、瞬时最小速率和最大传输时延等参数要求。在更高层面看QoS可以理解为针对业务连接
28、的吞吐速率、时延、时延抖动甚至是速率分配的公平性等限制要求。系统满足用户连接QoS要求并最终提升系统性能的能力很大程度上由系统体系结构中多个层面的具体机制和流程决定。例如PHY层要能够实现快速准确的信道质量估计功能。此外还要通过发送功率、调制方式、编码速率和符号速率的动态调整来适应无线信道质量的快速波动。在MAC层QoS保障通常通过合适的分组调度策略以及成熟高效的资源分配算法来实现。这些功能在下行方向(从基站到终端用户)和上行方向(从终端用户到基站)都是必须的IEEE80216作为面向连接的宽带无线接入协议标准，按照业务各自的特性差异将所有连接划分成UGS、rtPS、nrtPS和BE四类。Un
29、solicited Grant Service(UGS)UGS代表具有恒定速率(CBR)的数据传输业务，例如不带静默压缩的语音数据。在这类业务注册时终端用户与小区基站事先商定业务的具体QoS参数，业务准入后基站周期性地在上行子帧中为该用户分配固定大小的信道容量。这类业务将不参与带宽竞争，数据传一5一浙江大学硕士学位论文输的带宽将由基站直接为其预先保留，因而数据延迟可以确定得到保障。QoS的关键参数包括带宽分配周期时间、需要分配的带宽大小，允许的分配时延抖动等。reaMime Polling Service(rtPS)这类业务主要针对可变比特速率(VBR)的数据流，例如MPEG。因为这些业务流的
30、速率具有突发性所以基站无法预测它们的带宽需求。基站将周期性的向业务用户发送带宽轮询，然后终端用户向基站报告当前的带宽需求情况以供基站作出调度。值得注意的是基站轮询信息采用无冲突的单播方式送出，终端用户将会及时地接收到轮询信息。这类业务QoS的主要参数包括轮询周期时间、轮询的延时抖动。non-real-time Poning Service(naPS)这类业务连接与rtPS相似，不同的是轮询问隔时间更长，大致在1秒或更大的级别。因此nrtPS业务可以同时使用单播的轮询机会和广播的竞争机会来向基站申请带宽。QoS中的关键参数轮询周期时间由基站确定缺省值，但是这个值可以由终端用户在业务注册阶段的Qo
31、S协商过程中更改为不同数值。这类业务主要为高速文件传输应用如FTP。Best Effort(BE)这类业务通过基站广播的带宽竞争机会来向基站申请发送带宽。同时这类业务也可以在带宽请求机会中直接发送业务数据。由于基站不向BE业务提供QoS保障，这种业务只适合诸如互联网浏览和Tdnet等传统业务。在图表5中显示了上述四种业务连接类型的主要QoS参数特征3】。QoS种类 应用业务 主要QoS参数UGS 最大持续传输速率Unsolicited Grant Service VoIP 最大容忍传输时延允许的时延抖动最小预留传输速率ftPS 流媒体视劾音频 最大持续传输速率Realtime Polling
32、Service 最大容忍传输时延业务流服务优先级nrtPS 最小预留传输速率Non-realtime Polling Service FrP 最大持续传输速率业务流服务优先级BE 最大持续传输速率Best Efrort Service l-lttp测览 业务流服务优先级图表5四种业务连接的Qos参数介绍123无线信道模型无线通信与有线通信不同，电磁波的传输环境有很大的时变性，难以预测。目前已经有很多测量和研究结果【9-ll】向人们展示了无线电信号传播的特性。现今的通信技术能够基于无线信道的特性利用多用户分集增益和MIMO技术等【12】提升系统的可靠度和服务容量。一个IEEES0216系统中的无
33、线信号传播模型如图表6所示。一般的无线衰落信道环境可以划分成为三个组成部分：大尺度的路径衰减，中尺度的慢一6一浙江大学硕士学位论文速阴影衰落，以及小尺度的快速Rayleigh或Rieian衰落。快速小尺度衰落的具体类型由收发机之间是否存在占主导作用的视距传播(1ine ofsight，LOS)路线决定131。用来描述一个无线蜂窝系统中信号传播的三个因素就是大尺度衰落、阴影衰落和多径衰落。图表6无线信号衰减示意图大尺度衰落大尺度衰落指的是所发送的电磁波信号在从发射机(Tx)传播到接收机(Rx)的过程中所经历的衰减。这种衰减是由于电磁波的向外扩散、以及传输媒介中例如水蒸气等的吸收造成的。典型的大尺
34、度衰落与传播距离直接相关，即当发射功率一定的情况下接受信号的功率随着发送接受机之间距离的增大而减小。无线信号在理想自由空间中的视距传播可以看作是最简单的大尺度衰落。实际场景中的路径损耗大致根据距离d的35次方衰减。根据在市区、郊区和室内等不同环境下的测量结果人们提出了更为符合实际情况的Okumura,Hata,Walfish-Ikegami等141模型。阴影衰落上面所说的大尺度衰落在传输距离固定的情况下保持恒定。然而传播路径上存在的诸如树木和建筑物等带来的反射和散射使得即使传输距离固定的链路上传播衰减也是随机变化的。实际测量结果表明阴影衰落可以用lognormal随机变量模型来准确描述。也就是
35、说当用分贝(dB)的计量单位来表示其数值的话是正态分布的随机变量，阴影衰落的标准方差盯一般落在510dB的范围内，且受到具体传播环境的影响。多径衰落在大多数情况下发射机和接收机之问存在着很多建筑物、树木和起伏地形等的阻碍物，这些阻碍物往往排除了发射机和接收机之间直线传播的可能性而迫使信号经过非视距(NLOS)传播。经过反射、散射及绕射等到达接收机的信号具有各不相同的幅度衰减和相位延迟，在接收机端形成急剧变化的叠加信号。这种由多条传播路径引起的信号衰减叫做多径衰减。此时信道的冲击响应可以表示成为：一1浙江大学硕士学位论文h(t，f)=白O)占(ff，) (11)I-0其中三是总共分辨出的路径条数
36、，蜀(，)是平均延时f，的第，条路径的时变衰减，呈Rayleigh衰落或是Rician衰落。如果在时刻，的发送信号为S(f)，则接收信号可以表示为：纽r(t)=J(r)(f，f)=gt(t)s(tf，) (12)I=0其中的表示线性卷积运算。上述的信道冲击响应具有时间选择性和频率选择的两个特性。124 OFDM技术与OFOMA多址接入正交频分复用(OFDM)技术OFDM技术是一种多载波传输技术，其核心思想是在频率域中将整个宽带划分成为众多相互正交的窄带子载波用于并行数据传送。输入的比特流经过串并变化分裂成众多并行序列，每个并行序列被各自的调制器调制到相应的子载波上，经过IDFT变化得到时域样点
37、，插入循环前缀，经过数模变换和滤波后被发射到空中。接收机则对经过信道衰落的接收信号进行相反的处理过程，具体的系统结构框图如图表7。到冀斟旰黼粥卜引警阐。，H霾会HP，s k蒯震k副圹8 H I无线分组调度算法H用户信道信息用户1用户2用户I 熏黑制SP卜波、H夔夔蟹塑!H H妻除H l【=比特l l FFT I：l循环l：l广伫竺分配I ： I II前缀I。l I信息蓊雨函刊H H I图表7OFDM收发机结构框图OFDM具有频谱效率高、能有效适应多径传播等众多优势。当OFDM信号在多径衰落信道中传播时，每个子载波上的信号都只经历了频率平坦性衰落。此外接收机的均衡步骤得到大幅简化。OFDM技术具
38、有天生的抗多径衰落的能力；与CDMA等系统相比，OFDM技术的频谱利用率高，大大节省了频谱资源。这两个优点使得OFDM非常适于多径信道下的高速率数据通信。由于使用多载波并行传输降低了系统的符号速率以及循环前缀的使用，系统能够更为有效的对抗多径传播的时间延迟和符号间干扰(Inter-Symbol-Interference，ISI)。一8一浙江大学硕士学位论文此外OFDM在每个子载波上使用独立的调制器从而系统在时变信道连接质量条件下进行自适应传输有更大的灵活性【15】。OFDM下的多址接入将OFDM技术与传统的诸如FDMA、TDMA等接入方式相结合可以实现多用户OFDM系统，也就是(Orthogo
39、nal Frequecny Division Multiple Access，OFDMA)16。OFDM-FDMA的多址接入将整个系统带宽划分成正交的子载波，并将系统中所有的子载波同时分配给不同的用户，从而实现了多用户接入信道的区分。这是一种以频率来区分用户的多址接入方式。OFDM-TDMA指在一段时间内将系统全部的子载波全都分配给某个特定用户使用，不同用户只能在不同的时刻占用所有的子载波，既是在时间轴上划分时隙来区分用户信道。OFDMA是指正交频分多址接入方式，是OFDM技术的演进。在利用OFDM技术将信道进行子载波划分后，OFDMA指定不同用户在互不相同的子载波和符号时间的矩形子帧内加载传
40、输数据。OFDM中一个用户一次占用整个频带内的子载波，而OFDMA中每个用户可以选择信道条件较好的部分子信道在可变的时隙中进行数据传输，从而使得各个子载波能够被信道响应相对较好的用户使用。这种模式下系统具有更小的二维时频资源分配粒度，基于不同用户的子载波响应质量获取频率上的多用户分集增益(Multi-user Diversity)来对抗时间选择性和频率选择性衰落，提高了信道的利用效率。以上三种基于OFDM的多址接入模式示意如图表8。靼癌靼OFDMTI)MA OFDM-FDMA圄用户lV-3用m陲口用户3图表8基于OFDM的多址接入模式12S自适应调制编码自适应调制编码机制能够从链路的角度出发在
41、向接收机提供一定的误比特率(BER)前提下提升通信的传输速率(bitssee)。物理层中可控的通信参数包括编码速率、调制方式。编码速率上层的具体业务产生的信息以比特流的形式传递给编码器的输入端。为了提供接收机端错误检测和纠正的能力一个(疗，k)编码器将k个比特的数据编码成1个比特的码字，编码速率为kn。一个(胛，七)的ReedSolomon前向纠错(FEC)码最多可以纠正一k)2个错误。根据无线传输信道的质量变化可以通过对传输信号进行不同速率的编码来获取相应的鲁棒性【17，18】。当信道条件比较好的时候传输错误发生的可能性比较小，因此编码可以加入比较少一O一浙江大学硕士学位论文的冗余比特从而达
42、到较高的传信率。相反的当无线信道质量较差时编码速率降低以保证通信质量。调制方式编码比特流经过编码器的输出口灌入调制器，从而数字比特流被映射成模拟波形。每b=log，M个比特被映射成肘个波形中的一种，调制到载波频率然后被发送出去。当使用QAM调制时，波形的相位和幅度对应于二维星座图中的某一个星座点。自适应调制技术可以动态改变每个符号所传送的比特数，例如2-QAM、4-QAM、16-QAM和64-QAM分别对应于l、2、4、6bitssymbol。在时变的信道质量环境下，自适应调制的作用是在保持接收机一定BER要求下尽可能的提高传送速率。更高的调制方式以更加密集的映射星座图实现更高的传送速率，因此
43、也更容易受到干扰和噪声的影响而产生错误。所以在信道条件比较差的情况下需要使用比较低的调制方式以传输速率的牺牲换取更强的抗干扰噪声的能力。使用M-QAM时检测器输出端的BER可以近似表示成信干噪比SINR的函数【19】：。EE墨*O2e“。1 (13)一叠璺曼那么当系统规定的最低BER要求为时，使用M-QAM所需要的最低SINR要求可以表示为：SINR二!里堕!(M1) (14)15从而可以得到在保持系统BER要求条件下使用各种调制方式所需要的最低SINR门限。显然SINR门限随着调制方式的提升而增加。13本文的主要内容和贡献本文的主要工作是针对基于OFDMA技术的IEEE80216无线宽带接入
44、系统中的无线资源分配的优化方法和策略进行分析研究，利用OPNet和MATLAB计算工具进行系统仿真并分析性能表现。主要贡献有如下几点。1针对IEEE80216二维帧结构灵活划分的特性提出一种改进的比例公平(ProportionalFairness Scheduling)分组调度算法。该算法通过综合考虑用户的信道响应质量和平均传输速率能够在每个信道分配时刻灵活决定每个用户的发送机会，从而在系统总吞吐速率和用户服务公平性之问保持合理的折中。该比例公平分组调度算法能够防止系统中距离基站较远或信道响应质量相对较差的用户在长时间内始终得不到发送机会从而其服务质量急剧下降。2针对调度出来的业务数据提出了两
45、种数据映射的优化方法：二维碎片映射和功率平稳性映射方法。二维碎片映射通过将调度出来的业务数据与二维OFDMA帧结构中的所有碎片资源块进行优化匹配实现对到达burst拆分的尽可能避免，从而实现了更少的广播信令开销和更高的信道利用效率。功率平稳性映射方法通过对具有不同发射功率的burst数据进行优化映射实现了更好的信号发射功率平稳性。3提出一种针对实时非实时两类业务共存的功率带宽联合分配算法，克服了传统OFDM系统下子载波和比特分配算法往往只是针对具有相同业务特性连接的局限性。这种方法基于发射功率和信道带宽之间相互转化的核心，通过对实时业务在保障其业务速率要求的一10一浙江大学硕士学位论文前提条件
46、下以一定的策略分配功率和带宽资源使得所有非实时业务相应能够实现的吞吐速率得到最大化4为多小区的系统部署提出一种基于动态FRF机制的子信道分配机制。传统的系统部署以固定的频率复用机制来减轻小区间同信道干扰以维持链路通信质量。所提出的动态FRF机制子信道分配机制根据用户的信道质量反馈动态地决定每个用户占用子信道的复用模式并相应地进行子信道分配，从而实现了在空间上更为优秀的用户业务服务公平性。14本文的结构安排本文的第一章将主要介绍IEEE80216无线宽带接入标准的相关背景。首先分析了系统的网络拓扑结构，介绍了IEEE80216所支持业务连接的四种QoS要求类型，以及其物理层正交频分复用和多址接入
47、技术。随后阐述了无线资源管理的意义和几个主要功能模块。最后是本文的主要内容和贡献。这章总体来说是对IEEE80216系统中无线资源分配方法一些相关内容的简单介绍，是本文后续研究内容的铺垫和基础。第二章针对IEEE80216系统中的分组调度和数据映射方法做了分析和研究。首先给出实际系统中业务数据从产生到最终传输过程中的传递模型。然后对传统无线通信系统中的分组调度方法进行探讨，并提出一种适用于IEEE80216二维帧结构的比例公平分组调度方法。然后这章分析了调度出来分组数据的映射问题，阐明了具体映射方法对系统帧使用效率和发射功率平稳性的影响。然后分别针对这两个性能提出二维碎片映射和功率平缓性映射两
48、种优化方法。第三章主要研究IEEE80216针对不同业务类型的功率带宽联合分配问题。首先介绍了传统OFDM系统中的子载波和比特分配方法，以及IEEE80216下各种不同业务划分的种类。然后就业务速率保障提出发射功率和占用带宽相互转化的思想。基于这种思想本章首先研究了实时月实时两用户模型下的功率带宽联合分配问题，并将该简单问题的解决方法拓展到多用户环境中由此提出一种针对实时非实时多业务的功率带宽联合分配算法。第四章将分析和研究的角度从单小区模型拓展到多小区系统中，从避免小区间同信道干扰的角度考虑子信道的分配和复用模式。首先介绍多小区无线通信系统中的同信道干扰和频率复用机制。而后建立了虚小区内子信
49、道分配的问题模型。在此基础上提出一种基于动态FRF机制的子信道分配算法，并考察了算法复杂度和仿真性能。第五章总结了全文内容和贡献，接着指明了有待进一步深入的工作目标和研究发展方向。浙江大学硕士学位论文第2章IEEE80216的分组调度和映射方法21 IEEE8021 6的数据传递流程在图表9中显示了IEEE80216在PMP模式下通信链路中数据传输经过的功能模块。以下行链路为例用户的业务数据在基站内部在应用层由具体业务产生后依次通过分拣和流量整形器、业务数据缓冲队列、分组调度器、协议数据单元(PDu)生成器、最终在映射功能模块中被组合成完整的下行帧递交给PHY层做相应的变换处理后发射到空中。此外这个完整功能的实现还需要依靠BS协议栈中保存的各个业务QoS要求数据库和预留的信道质量反馈专用信道来实现。下面详细的来描述这一过
