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[LV.200]无线新星
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发表于 2006-4-10 12:47
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<p><font color="#ff0000" size="5"><strong>2 服务质量的实现<br/></strong></font> IEEE 802.16 MAC层实现QoS的原理是将通过MAC传输的包映射到业务流，并映射到由CID标识的连接上。通过根据SF提供的QoS参数进行调度，保障MAC的QoS特性。<br/></p><p> 如前所述，SS初始化过程的最后一步是通过信令动态业务流建立请求(DSA-REQ)建立预分配的业务流(Provisioned SF)。上行和下行是不同的业务流，业务流按照状态分为3类：激活的(Active)、准许的(Admitted)和预分配的(Provisioned)业务流。业务流由32比特的业务流标识(SFID)唯一标识，3种业务流都对应有SFID，但是对于预分配的业务流系统不预留资源，也不能传输数据，因此也没有对应的CID。如果需要传输数据，必须通过发送信令动态业务流改变请求(DSC-REQ)来激活业务流。对于激活的业务流BS会分配CID。对于准许的业务流系统首先预留资源，等待端到端的协商完成后转为激活的业务流。激活的业务流可以用于传输数据。因此，激活的和准许的业务流才有对应的CID，表明已经建立起连接。业务流包含连接所需要的QoS参数，例如延时、抖动、吞吐量等。<br/></p><p> 根据不同的应用可以采用资源预留或优先级[3]方式实现QoS。IEEE 802.16 MAC设计结合采用预留或优先级手段。<br/></p><p> IEEE 802.16 MAC定义了4种业务类型，按优先级从高到低依次为：</p><ul><li>主动提供服务(UGS)。UGS是固定带宽的实时服务，如E1、T1、VoIP等。 </li><li>实时轮询服务(rtPS)。rtPS为可变带宽的实时服务，如MPEG视频流。 </li><li>非实时轮询服务(nrtPS)。nrtPS以一定周期轮询连接。 </li><li>尽力而为服务(BE)。根据网络状况提供最大可能的服务，不保证QoS。<br/></li></ul><p> IETF在IP网络的QoS方面定义了一些服务模型和机制，包括：综合业务(IntServ)模型[4]和区别型业务(DiffServ)模型[5]。IntServ采用资源预留协议(RSVP)，而DiffServ可以看作是一种相对优先级策略。<br/></p><p> IEEE 802.16 MAC的QoS算法综合这两种机制，借鉴DiffServ的策略(利用ToS字段)，并结合IntServ预留资源的方式，以提高灵活性和保障QoS。从协议角度出发，应当对QoS级别做相应简化：将IP头中的服务类型(ToS)字段中3比特的优先权子字段可形成的8种级别映射成为4种不同QoS级别，同级别的业务类型采用同一种调度方式，不再区分优先级。IEEE 802.16 MAC在准入控制时已经计算UGS、rtPS所需最大带宽，保证系统带宽满足这两类业务最大带宽需要。如果超过系统容量，将不能接入。带宽分配与调度的策略IEEE 802.16协议并未规定，但应当遵循以下原则：</p><ul><li>在分配下、上行带宽时，需要计算控制信令，重传数据和不同类型业务所需总带宽。在进行调度时需要结合每个业务流的QoS参数。保证每个业务流的QoS。 </li><li>调度下、上行带宽的时候要进行统一安排。安排原则考虑现存的业务流和每个业务分配的带宽情况。 </li><li>结合信道测量结果，尽量把每个SS安排到信道条件好的子信道，提高信道利用率。需要根据不同物理层采用不同算法。 </li><li>控制信令、ARQ重传数据具有最高优先级应首先分配带宽资源。 </li><li>不同业务类型优先级从高到低依次为：UGS数据、rtPS数据、nrtPS数据、BE数据。 </li><li>由于带宽有限，所以当用户发起新建业务流的时候，要使用准入控制。不同业务的准入门限是不同的。<br/></li></ul><p> 根据以上原则，具体划分和调度算法如表1所示。</p><p></p><p><font color="#ff0000" size="5"><strong>3 链路自适应技术<br/></strong></font> 由于OFDMA下行和上行均支持子信道化(一组特定数目可用的子载波按照一定的方式组合起来被称为子信道)，MAC层RRM算法不仅负责用户数据的时域、频域具体位置安排，同时负责调制编码方式的选择以及相应的发射功率。合理的选择结果直接影响传输效率，从而影响到系统容量。<br/></p><p> IEEE 802.16 OFDMA物理层共支持多达25种编码调制方式组合。BS周期性地通过DCD、UCD信令广播当前系统使用的下行和上行调制编码方式(协议中称为突发块属性)和对应的DIUC、UIUC。DL-MAP、UL-MAP可通过DIUC和UIUC索引突发块属性。OFDMA 物理层在接入网络时采用二进制相移键控(BPSK)调制发送144比特的CDMA码进行初始测距。BS返回RNG-RSP(测距响应)信令，包含所需要进行的功率、时偏和频偏调整。初始测距过程中SS通过监测下行链路载波干扰比(CINR)选择合适的DIUC，并通知BS。BS同样需要监测上行链路CINR，并选择合适的UIUC。BS具有选择上行和下行突发块属性的决定权。在初始测距之后，SS和BS还要不断地监测下行和上行链路的CINR值。无线链路是不断变化的，BS和SS应当监测这种变化：如果链路质量比较好，超过了当前突发块属性门限，则需要选择更加高效的突发块属性；反之，则需要选择更加鲁棒的突发块属性。SS通过测距请求(RNG-REQ)或下行突发块属性改变请求(DBPC-REQ)通知BS选择DIUC的结果，BS负责决定允许或拒绝SS的请求。UIUC更换相对简单，BS只需要在UL-MAP中指明分配给SS的带宽及所采用的UIUC。每种突发块属性都有进入和退出门限，而且门限是交叠的，如图4所示。<br/></p><p> MAC可使用自动重发请求(ARQ)通过重传提高传输可靠性。通信系统中的差错控制技术分为两类：纠错编码和ARQ。纠错编码技术通常不需要发射机进行重传操作，其传输效率由码率决定。ARQ传输效率则由信道条件诀定，信道条件好，重传次数少，传输效率高；信道条件差，重传次数多，传输效率低。将纠错编码和ARQ特点结合在一起形成一种新的差错控制技术混合ARQ(HARQ)。仅OFDMA物理层支持HARQ。<br/></p><p><font color="#ff0000" size="5"><strong>4 OFDMA物理层技术<br/></strong></font> OFDMA物理层同OFDM物理层一样采用OFDM调制。OFDM可有效对抗多径效应，有效地减小多径传播所造成的符号间干扰，非常适用于11 GHz以下非视距(NLOS)传播环境。同时由于接收机均衡器复杂度的降低，使得接收机成本得以降低。多载波系统可以很容易地使用多天线技术来提高覆盖范围，在不增加带宽的前提下提高信息速率，提高可靠性。<br/></p><p> OFDMA物理层支持子信道化。协议规定两种基本的子载波分配方式，连续式分配方式和分布式分配方式。连续式子载波分配方式由于子载波连续，有可能在个别子信道取得高信噪比，适合于固定或低移动性用户；分布式的分配方式由于子载波分散在整个频谱，不太可能出现非常好或非常差的信道环境，适合于游牧用户。OFDMA物理层定义了5种不同的子载波分配模式[7]，比较常用的为全使用子信道化(FUSC)、部分使用子信道化(PUSC)和高级编码调制方式(AMC)。FUSC和PUSC采用分布式的子载波分配，AMC采用连续式子载波分配。OFDMA物理层和OFDM物理层的区别在于前者在上行和下行均支持子信道化，后者仅在上行方向支持子信道化。此外，OFDMA不同于OFDM对于不同子载波采用相同的调制编码方式，而是根据不同的子信道情况采用不同的调制编码方式，从而提高信道利用率。图5所示为OFDMA/TDD方式下的帧结构，一个OFDMA帧是一个时频二维结构，纵轴单位为子信道，横轴单位为符号。MAC层调度的最小单位为一个子信道和一个或多个符号组成时隙，具体符号数由子载波映射方式决定。每帧从时域上被分为上行和下行两部分。上行和下行的分界是发射/接收变换间隔(TTG)和接收/发送变换间隔(RTG)。每个下行帧的开始为前同步信号，紧跟其后的是帧控制头(FCH)、DL-MAP和UL-MAP。</p><p><br/></p><p> FCH中规定了DL-MAP采用的调制编码方式和长度。DL-MAP紧跟在FCH之后，UL-MAP紧跟在DL-MAP之后。下行的突发排列方式和采用编码调制方式由DL-MAP指定，相应的上行编码调制方式由UL-MAP制订。<br/></p><p> 如上所述的自适应调制编码方式没有考虑增加部分子载波功率的情况。在限带信道上实现理论信道容量的最佳输入功率应该满足“注水分布”算法[8]，但是这种方法的计算难度较大，而且还需要假设星座规模量化精度无限小，这在实际系统中是无法实现的。同时对于多用户系统，分配复杂度将更高。目前实际实现中只能采用次优的分配算法，OFDMA自适应比特和功率分配有很多次优算法提出[9—11]。<br/></p><p><font color="#ff0000" size="5"><strong>5 结论<br/></strong></font> 目前，无线城域网宽带无线接入领域由于IEEE 802.16协议的最终确定而成为一个炙手可热的研究点。IEEE 802.16协议中对多种关键技术的支持使得这种研究成为可能，同时由于IEEE 802.16协议的开放性又给研究人员提供了广阔的研究空间。本文对于MIMO、AAS、STC等技术并没有进行讨论。OFDMA自适应比特功率分配也存在广阔的研究空间。在QoS算法中，对于UGS和rtPS，可以进一步研究调度算法，提高信道利用率。<br/></p><p> 总之，无线城域网领域可以进行很多理论研究和实践。深入的研究必将对无线城域网推广起到积极作用。<br/></p><p><font color="#ff0000" size="5"><strong>6 参考文献<br/></strong></font>[1] IEEE 802.16 IEEE Standards for Local and Metropolitan Aarea Networks Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems [S].<br/>[2] Vaughan-Nichols, Steven J. Achieving Wireless Broadband with WiMAX [J]. IEEE Computer Society, 2004(6).<br/>[3] Hos E, Visser N. Quality of Service for Wireless Networks [M]. University of Amsterdam, the Netherlands.<br/>[4] IETF RFC 1633 Integrated Services in the Internet Architecture: An Overview [S].<br/>[5] IETF RFC 2475 An architecture for Differentiated Services [S].<br/>[6] Chu G S, Wang D, Mei S L. A QoS Architecture for the MAC Protocol of IEEE 802.16 BWA System [C]. IEEE 2002.<br/>[7] Hassan Yaghoobi. Scalable OFDMA Physical Layer in IEEE 802.16 Wireless MAN [J]. Intel Technology, 2004,8(3).<br/>[8] Gallager R.G. Information Theory and Reliable Communication [M]. Wiley, New York, 1968.<br/>[9] Kivanc D, Liu H. Subcarrier Allocation and Power Control for OFDMA [C]. the Thirty-Fourth Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, 2000.<br/>[10] Mustafa Ergen, Sinem Coleri, Pravin Varaiya. QoS Aware Adaptive Resource Allocation Techniques for Fair Scheduling in OFDMA Based Broadband Wireless Access System [J]. IEEE Transactions on Broadcasting, 2003,49(4).<br/>[11] Junqiang Li, Hojin Kim, Yongsuk Lee. A Novel Broadband Wireless OFDMA Scheme for Downlink in Celluar Communications [C]. IEEE 2003.<br/>[12] Pietrzyk S, Jansscn G J M. Multiuser Subcarrier Allocation for QoS Provision in the OFDMA Systems [C]. IEEE VTC 2002.</p><p><strong>作者简介：</strong> </p><p>马楠，北京邮电大学电信工程学院在读博士生，主要从事无线宽带通信领域MAC层技术研究。<br/><br/>刘培植，北京邮电大学电信工程学院副教授，长期从事教学、集成电路理论研究、通信技术研究及通信产品研发等工作。曾作为主要研究人员多次参与并完成国家“863”计划、国家自然科学基金项目。并多次获得信息产业部科技进步奖。<br/><br/>张平，北京邮电大学电信工程学院电路与系统中心主任，教授，博士生导师，中德软件研究所副所长，《北京邮电大学学报》编委会副主任，北京邮电大学学术委员会委员。研究方向主要集中在3G和B3G无线通信理论和技术方面，承担国家“863”计划项目、自然科学基金项目、省部级项目及国内外企业合作科研项目近40项，并多次获奖。</p> |
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发表于 2006-4-14 16:10
