论文部分内容阅读
随着无线通信技术的发展和多媒体新业务的出现，通信领域呈现出宽带移动化和移动宽带化的趋势，“宽带”和“移动”成为无线通信系统两个最重要的特点。在这样的背景下，IEEE提出了应用于宽带无线城域网的802.16系列标准。IEEE802.16d/e协议是802.16系列标准中最重要的标准，它定义了宽带无线城域网无线接入系统的空中接口规范，包括物理层规范和媒体接入控制(MAC)层规范。无线资源分配是IEEE802.16 MAC层的核心技术，它决定了空中接口的信道利用率和用户的服务质量。
IEEE802.16协议没有对MAC层的无线资源分配算法进行定义。本文对无线资源分配中的三个关键问题下行调度、二维数据映射和竞争区域分配进行研究，分别提出了针对这三个问题的下行调度算法、数据映射算法和测距区域分配算法。下行调度算法特定于IEEE802.16系统提出，数据映射算法和测距区域分配算法分别适用于包含802.16系统在内的OFDMA系统和竞争接入系统。另外，本文设计了遵循IEEE802.16协议的MAC协议栈，并将所提三个算法集成到MAC协议栈软件系统中。
论文的创新性工作包括以下几个方面：
(1)提出了满足IEEE802.16e各种业务服务质量要求的下行调度算法—PASRAL。
本文针对IEEE802.16e MAC各类业务的优先级、最大时延、最小保留速率和最大保持速率等服务质量参数，提出了信道相关两轮分级限速调度算法一PASRAL。同时，还提出适用于PASRAL算法的调度框架以及为用户选择最佳调制编码方式的最少时隙占用算法MISO。MISO算法既可以用于PASRAL算法中的用户选择和调制编码方式确定，也可以作为一种链路自适应决策算法单独使用。PASRAL算法通过时间戳、多用户选择、两轮分级调度和调度顺序翻转等方法，在满足业务服务质量要求的同时，兼顾系统吞吐量和用户公平性。分析和仿真结果表明，与其它同类无线调度算法相比，PASRAL算法在系统吞吐量、丢包率、数据平均时延、用户公平性和算法复杂度等指标的综合表现上更好。调度实时恒速业务时，与CD-EDD算法相比，PASRAL算法将系统吞吐量约提高了12％，将丢包率和平均延迟分别降低了27％和40％。调度实时变速业务时，与DRR和CD-EDD算法相比，PASRAL算法将吞吐量约提高了10％，将丢包率降低了41％和11％，将平均延迟降低了42％和14％。调度非实时业务时，PASRAL将DRR和CD-EDD算法获得的吞吐量约提高了10％。
(2)提出了OFDMA二维信道数据映射算法—FITS。数据映射算法将下行调度算法调度出的数据排列到合适的OFDMA时频二维矩阵区域上。以简单实用和减少控制单元数与空闲时频资源块数为目标，本文提出了截断排序分段映射算法—FITS。FITS算法先将数据按照子信道数进行整数倍截断，然后将余下的数据进行排序并分段映射。通过这种映射方法，FITS能够有效减少浪费的时频资源块。仿真结果表明，与同类算法Raster相比，FITS算法获得的映射效率高，而付出的映射代价小。在一个10M信道带宽的系统中，传输定长固定速率业务和变长变化速率业务，FITS获得的吞吐量比Raster最大分别提高了6.7％和3.4％。
(3)提出了测距区域优化分析和动态分配方法。由于测距区域竞争使用和数据区域独占使用的特性，上行帧中测距区域大小和数据区域大小之间的比例直接影响上行方向的系统性能。本文以确定测距区域大小为目标，用数学方法分析了系统的测距时延和竞争吞吐量，并分为无服务质量约束和带服务质量约束两种情况对次优测距时隙数进行求解。在无服务质量约束下，测距时隙数被推导为上行时隙数、竞争用户数和测距码字数的解析表达式。在带测距时延限制和数据吞吐量限制两种服务质量参数约束下，本文给出了基于拉格朗日乘子法对测距时隙数进行次优化求解的方法。为了预测将来帧的竞争用户数，本文提出了基于牛顿迭代法的竞争用户数估算方法。基于所推导的测距时隙数和估算的竞争用户数，本文提出了测距区域动态次优分配方法—SODA。仿真结果表明，同静态分配方法FIX相比，无论FIX采用何种比例进行分配，SODA在系统整体性能上表现更好。当FIX取1:10和1:1:10时，SODA将系统整体性能分别提高了90％和1倍。SODA在保证系统整体性能的同时，所获得的竞争吞吐量达到理论最优值的87％。
(4)设计了IEEE802.16 MAC协议栈软件系统。在对IEEE802.16系列协议和各种关键算法进行研究的基础上，本文设计了遵循IEEE802.16d/e协议和WiMAX规范的MAC协议栈系统—FPWiMAC。基于本文的设计，我们实现了FPWiMAC软件系统。实际经验表明，FPWiMAC系统具有灵活和可移植的特性，便于算法升级和验证，便于MAC系统运行在多种物理平台上。测试结果表明，FPWiMAC系统能够完成WiMAX论坛规定的所有功能，下行和上行峰值速率分别达到27.1Mbps和6.8Mbps，单用户数据信道利用率超过97％，终端和基站之间的往返时延为28毫秒，基站允许同时接入512个用户。FPWiMAC系统通过了协议一致性测试和互操作性测试，已经被国内外多家研究机构和设备生产商购买。