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发表于 2006-4-11 16:55
<p><span class="cpx12blue">Study on QoS Mechanisms in WiMAX Systems</span><br/>彭木根,李茗,王文博</p><strong>摘要:</strong>文章分析了WiMAX系统QoS机制的主要内容:业务流管理、QoS保证算法,探讨了QoS机制对主动授权、实时查询、非实时查询和尽力而为等数据业务的支持。为了让不同业务的QoS得到保证,文章重点探讨了基于信道状态的分组调度算法(CSDPS)、基于业务类型排队(CBQ)的CSDPS调度算法和通用处理器共享策略,并给出了相应的算法模型。 <p><strong>关键词:</strong>无线城域网;IEEE 802.16协议;媒体接入控制;服务质量;调度算法 </p><p><strong>Abstract:</strong>The QoS associated with a WiMAX system mainly refers to: service flow management and QoS guarantee algorithm, which are analyzed first. And then the support of QoS for Unsolicited Grant Service (UGS), Real-Time Polling Service (rtPS), Non-Real-Time Polling Service (nrtPS), Best Effort (BE) and other data services are discussed. In order to guarantee the QoS for multimedia services, the paper puts emphasis on the discussion of Channel State Dependent Packet Scheduling (CSDPS) algorithm, Class Based Queuing (CBQ)+ CSDPS algorithm and General Processor Sharing (GPS) algorithm, with relevant algorithm models. </p><p><strong>Key words:</strong>wireless MAN; IEEE 802.16 protocol; MAC; QoS; scheduling algorithm </p><p></p><p></p><p> IEEE 2004年10月正式发布了IEEE 802.16-2004[1],它是相对比较成熟并且最具实用性的一个标准版本。IEEE 802.16-2004版本是一个相对成熟的标准,如果不考虑移动性,目前WiMAX系统的研究主要基于IEEE 802.16-2004进行。<br/></p><p> 随着WiMAX应用的逐步形成,越来越多的关键问题需要解决,例如MAC层的同步问题、碰撞解决算法、分组调度机制等成为目前研究的重点。由于WiMAX能够支持多种多媒体业务,采用面向连接机制,其端到端的QoS机制显得尤为重要,基于数据业务的业务流管理成为WiMAX的最关键问题之一。为了提高系统频谱效率,满足用户间的公平性,同时很好地支持不同业务的QoS保证,需要研究和实现QoS解决机制的核心:MAC层的资源管理和调度算法。<br/></p><p><font color="#ff0000" size="5"><strong><font size="2">1 WiMAX体系结构</font><br/></strong></font> IEEE 802.16系列标准专门定义了WiMAX的无线空中接口,其空中接口由物理层(PHY)和媒体接入控制(MAC)层组成,如图1所示。</p><p> <br/></p><p><font color="#ff0000"><strong>1.1 媒体接入控制层<br/></strong></font> IEEE802.16的MAC层功能独立于具体的物理层规范,由上到下依次分为3个子层:<br/></p><p> (1)特定业务会聚子层<br/> 特定业务会聚子层(SSCS)提供与更高层的接口,通过不同的会聚方式更好地适配各种上层业务与协议。<br/></p><p> (2)MAC公共子层<br/> MAC公共部分子层(CPS)负责执行MAC层核心功能,包括系统接入、带宽分配、连接建立、连接维护等。<br/></p><p> (3)私密子层<br/> 私密子层(PS)提供加密、鉴权、密钥交换等与安全有关的功能。<br/>由于WiMAX的定位是基于无线模式进行“最后一公里”的连接,因此其MAC层的主要功能就是高效地对无线链路进行管理。IEEE 802.16的MAC层支持两种网络拓扑方式:点对多点(PMP)和网状网(Mesh)。IEEE 802.16 MAC协议是面向连接的,当用户站(SS)被激活进入网络,会与基站(BS)建立一个或多个用于数据传输的连接。MAC层对无线资源的使用进行调度并根据业务不同提供QoS保证,通过采用链路自适应技术和自适应重传(ARQ)技术以提供比较高的频谱效率。<br/></p><p> IEEE 802.16 MAC规定了上行信道接入采用按需多址(DAMA)与时分多址(TDMA)或正交频分多址(OFDMA)相结合的方式。由BS对上行链路资源进行管理,SS在上行信道上进行资源请求,BS搜集请求信息并根据SS的链路质量和服务协定对SS的申请进行资源分配。无线资源可能给予特定用户进行接入,也可能给予一组用户竞争接入。BS将一帧内的资源分配信息写入上行链路映射(UL-MAP),UL-MAP消息在下行信道中广播给SS。一个UL-MAP消息可能安排一些无线资源用于SS单独传送数据,另一些无线资源则给所有或部分SS竞争使用。由于采用竞争传输方式会产生冲突,IEEE 802.16建议使用截短的二进制指数退避算法进行冲突避免。</p><p><font color="#ff0000"><strong>1.2 物理层<br/></strong></font> IEEE 802.16共定义了4种物理层规范,分别为无线城域网-单载波(WMAN-SC)、无线城域网-增强单载波(WMAN-SCa)、无线城域网-正交频分复用(WMAN-OFDM)和无线城域网-正交频分多址(WMAN-OFDMA),其中WMAN-SC模式工作在10~66 GHz频段,而其他模式工作在2~11 GHz频段。各种模式的物理层均支持时分双工(TDD)、频分复用(FDD)以及半频分复用(Half-FDD)3种方式。除了WMAN-OFDMA模式上下行链路采用了OFDMA接入方式外,其余3种模式下行链路采用时分复用(TDM)广播方式,上行链路采用DAMA与TDMA结合的多址方式。在WMAN-OFDM中上行链路也可采用OFDMA资源分配方式。在各种物理层模式中分配资源单元的含义有所不同,例如在WMAN-SC和WMAN-SCa模式中,分配资源单元主要指时间段,而在WMAN-OFDM和WMAN-OFDMA中分配资源单元还包含子信道。如果采用了自适应天线系统(AAS),资源单元还包含空间资源。<br/></p><p> 图2所示为采用WMAN-OFDM模式的TDD系统帧结构示意图。帧分为上、下行子帧。下行子帧由导频、帧控制头部(FCH)和一些数据突发组成。FCH规定了紧跟其后的一个或多个突发的属性和长度。下行链路映射(DL_MAP)、UL_MAP、下行链路信道描述(DCD)、上行链路信道描述(UCD)以及其他描述帧内容的广播消息都在第一个突发的开头发送,剩余的下行链路子帧由各个SS的数据突发构成。DL_MAP和UL_MAP规定了上下行子帧中的详细控制信息。</p><p><br/></p> |
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