WiMAX系统中QoS导向的跨层无线资源管理机制的研究

摘要

随着因特网数据业务的爆炸式增长和多媒体应用市场的不断膨胀，未来的移动通信系统需要实现高速率和高质量的宽带无线接入来满足各种业务对服务质量(QoS:quality of service)的不同需求。然而，终端的移动性，无线链路的低可靠性以及无线带宽资源的有限性等条件限制使得无线接入成为大数据量传输的瓶颈。因此，我们需要在研究这些条件限制对通信质量和系统效率所造成的影响，并在此基础上进一步通过跨层优化的思想来设计一个高效的无线资源管理机制，以满足不同业务的QoS需求，同时均衡资源效率与系统公平性之间的关系。 由于具有标准化程度高、数据传输速度快、覆盖范围广、扩展能力强、组网灵活等优点，基于IEEE802.16协议系列的WiMAX(World Interoperability for Microwave Access)宽带无线接入技术已经被国际电联采纳为第四个主流3G标准。WirelessMAN-OFDM和WirelessMAN-OFDMA两种WiMAX的物理层规范规范都综合了自适应调制编码方案来优化物理层的传输性能。同时，WiMAX在MAC层定义了一个面向连接的灵活的QoS服务框架。根据WiMAX的这些特点，本论文针对上述两种物理层规范在不同衰落环境中的QoS保障机制进行了广泛而深入的研究。特别地，本论文从跨层优化的角度重点探讨了如何通过接纳控制和资源预留来保障连接级别的QoS需求，以及通过基于“QoS率”动态资源分配和调度方案来保障包级别的QoS需求。本论文的主要贡献包括： 第一、本论文为WirelessMAN-OFDM系统设计了一个高效的连接级别QoS保障机制。首先，考虑到用户数量、信道状况、业务分布、各种QoS需求的限制和资源分配算法等因素对系统实际吞吐量的影响，本论文通过建立一个合理的数学模型来刻画系统的平均容量和即时容量以作为资源预留和接纳控制的基础。一方面，通过判断切换用户平均带宽消耗和切换概率进行资源预留，在有效保障切换连接的服务连续性的同时，提高了资源效率；另一方面，同时考虑系统的平均资源消耗和即时资源消耗来进行接纳控制以均衡各连接级别QoS指标的关系。 第二、本论文优化了WirelessMAN-OFDM系统的上行传输性能。本论文首先定义了“QoS率”来反映由于业务突发性造成的时变的QoS需求，并以此为基础，针对WirelessMAN-OFDM物理层规范提出同时适用于上下行数据传输的基于“QoS率”的联合带宽分配及调度算法以满足业务在最大时延和最小速率方面的QoS需求，同时在带宽不足的情况下还有效地保障了具有同等优先级别业务的公平性。特别地，本论文还提出了一个增强型带宽请求机制，该机制使用带宽请求单元聚合的方法来减少非实时业务带宽请求的数量，并通过主动式单播轮询方案代替协议中的被动式单播轮询和多播/广播轮询方案进行带宽请求，有效地减少了带宽请求时延和信令冗余。 第三、在全面分析现有主流OFDMA动态资源分配算法的基础上，本论文针对WirelessMAN-OFDMA物理层规范探讨了如何通过MAC-PHY联合跨层优化的方法来实现对IEEE802.16 OFDMA多蜂窝网络的动态资源分配，以实现对各种分集的有效利用来提升系统的性能。为了满足各种业务的QoS需求和公平性需求，本论文所提的动态资源分配算法在基于“QoS率”的严格优先分配算法的基础上，通过资源的预分配保障了拥有不同移动速率的用户之间的公平性，并在在资源缺乏的情况下通过资源的重分配为同种业务提供基于权重的公平性保障和基于比例的公平性保障，最后的结果证明基于比例公平性保障的做法在有效保障各种业务包级别QoS需求的前提下均衡了系统资源效率与公平性之间的关系。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.1.1 移动通信的发展趋势

1.2 跨层优化

1.2.1 传统分层模型中各层技术的独立演进

1.2.2 跨层优化的必要性

1.3 WiMAX系统中QoS导向的跨层优化设计

1.3.1 移动多媒体通信的QoS需求

1.3.2 WiMAX系统中跨层优化的研究现状

1.4 本论文的主要工作及贡献

1.5 本论文的结构安排

本章参考文献

第二章 WiMAX空中接口技术标准的研究

2.1 WiMAX/IEEE 802.16标准系列概述

2.1.1 WiMAX/IEEE 802.16标准化进程及发展

2.1.2 IEEE 802.1 6d/e协议栈

2.1.3 WiMAX网络参考模型

2.2 MAC层的QoS服务架构

2.2.1 连接

2.2.2 服务流

2.2.3 带宽请求与分配

2.3 物理层的技术特征

2.3.1 自适应调制编码

2.3.2 正交频分复用

本章参考文献

第三章 WirelessMAN-OFDM系统的资源预留与接纳控制

3.1 引言

3.2 国内外研究现状

3.3 系统模型

3.3.1 自适应QoS服务模型

3.3.2 链路自适应模型

3.4 WirelessMAN-OFDM系统的资源预留与接纳控制

3.4.1 资源预留

3.4.2 接纳控制

3.4.3 自适应QoS管理

3.5 数值分析

3.6 仿真结果

3.6.1 仿真模型

3.6.2 仿真结果

3.7 本章小结

本章参考文献

第四章 WirelessMAN-OFDM系统上行传输的性能优化

4.1 引言

4.2 国内外研究现状

4.2.1 带宽分配和调度

4.2.2 带宽请求

4.3 QoS服务模型

4.4 WirelessMAN-OFDM系统上行传输优化方案

4.4.1 增强型带宽请求机制

4.4.2 联合带宽分配及调度

4.5 数值分析

4.5.1 上行传输排队性能分析

4.5.2 带宽请求性能分析

4.6 仿真结果

4.6.1 仿真模型

4.6.2 仿真结果

4.7 本章小结

本章参考文献

第五章 WirelessMAN-OFDMA系统的动态资源分配

5.1 引言

5.2 国内外研究现状

5.2.1 单小区OFDMA系统中的动态资源分配算法

5.2.2 多蜂窝OFDMA系统中的动态资源分配算法

5.3 系统模型

5.3.1 部分频率重用模型

5.3.2 信道模型

5.3.3 WirelessMAN-OFDMA系统的传输单元构建

5.4 动态资源分配

5.4.1 资源预分配

5.4.2 资源重分配

5.4.3 调度

5.5 仿真结果及性能分析

5.5.1 仿真模型

5.5.2 仿真结果和分析

5.6 本章小结

本章参考文献

第六章 结束语

致谢

攻读博士学位期间发表及完成的学术论文