無線城域網(wǎng)中資源分配算法研究.pdf

1、無線城域網(wǎng)IEEE802.16標準針對城域范圍的無線網(wǎng)絡(luò)提供用戶站和基站間的寬帶無線接入服務(wù)，具有部署快、靈活性高、吞吐量高和支持移動性等特點。該標準工作在2-66GHz范圍內(nèi)并且支持固定和移動的終端用戶，填補了高速率的無線局域網(wǎng)和高移動性的無線蜂窩網(wǎng)系統(tǒng)之間的空白，因而得到了各運營商和設(shè)備商的廣泛關(guān)注。為保證無線環(huán)境下的系統(tǒng)性能和網(wǎng)絡(luò)的兼容性，無線城域網(wǎng)同時支持TDMA、OFDM-TDMA和OFDMA等多種接入方式，同時提出了明確而詳

2、細的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)要求。然而IEEE802.16系列標準中并沒有給出相應(yīng)的算法或建議，而是把它留給生產(chǎn)廠商。目前主要通過接納控制、流量調(diào)節(jié)、資源分配以及擁塞控制等方法來保證用戶業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，其中資源分配是其核心環(huán)節(jié)，它可根據(jù)各業(yè)務(wù)的不同需要來分配相應(yīng)的無線資源以保障業(yè)務(wù)的QoS要求。通常在無線網(wǎng)絡(luò)中所使用的資源分配算法都是首先在有線網(wǎng)絡(luò)中提出來，經(jīng)過改進后應(yīng)用到無線網(wǎng)絡(luò)中的；但無線網(wǎng)絡(luò)同有線網(wǎng)

3、絡(luò)相比具有很大的特殊性，例如可變的信道容量、信道狀態(tài)的位置依賴性以及突發(fā)的信道誤碼等。因此，研究合理的無線資源分配架構(gòu)和性能優(yōu)越的資源分配算法來保證業(yè)務(wù)流的QoS要求，提高系統(tǒng)的吞吐量和資源的利用率就成為實現(xiàn)和推廣IEEE802.16標準急需解決的問題。針對這些情況，本文在全面分析國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，圍繞著保障無線城域網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)流的QoS要求和提高系統(tǒng)性能，在無線資源分配的架構(gòu)模型、OFDM-TDMA和OFDMA多址接入方式下的無線

4、資源分配以及跨層資源分配等方面進行深入研究，提出相應(yīng)的方案和算法。 本文首先分析了無線城域網(wǎng)IEEE802.16系統(tǒng)的QoS規(guī)范及其架構(gòu)模型，指出了無線城域網(wǎng)資源分配中面臨的主要問題，為下一步深入研究提供指導(dǎo)和依據(jù)。接著針對OFDM-TDMA接入方式的特點，分別研究了上行和下行鏈路的資源分配算法；為了發(fā)揮OFDMA的優(yōu)勢，研究了基于OFDMA系統(tǒng)下行鏈路和上行鏈路的資源分配算法以及針對OFDMA系統(tǒng)的跨層資源分配。 本文

5、的主要研究成果包括以下幾個方面： 1)針對無線城域網(wǎng)OFDM-TDMA系統(tǒng)上行鏈路的特點，提出了一種基于最小速率保證的公平調(diào)度算法(Minimum Traffic Rate based Fair Scheduling，MTRFS)。MTRFS算法支持多種業(yè)務(wù)類型并可保障業(yè)務(wù)流的最小預(yù)約速率。算法中引入了補償模式，以保障處在惡劣信道條件下的業(yè)務(wù)流的最小速率。同時，算法對信道條件好的業(yè)務(wù)流提供盡可能多的帶寬，以保障其QoS性能和系統(tǒng)

6、吞吐量的最大化。 2)針對無線城域網(wǎng)OFDM-TDMA系統(tǒng)下行鏈路的特點，提出了一種保證混合業(yè)務(wù)QoS的基于自適應(yīng)權(quán)重的公平調(diào)度(Adaptive Weight-based Fair Scheduling，AWFS)算法。算法為每個業(yè)務(wù)設(shè)置一個隨信道條件和排隊情況而動態(tài)變化的帶寬分配權(quán)值以保證各業(yè)務(wù)的QoS和系統(tǒng)吞吐量的最大化。 3)研究了OFDMA接入模式的特點和基于OFDMA系統(tǒng)的無線城域網(wǎng)資源分配問題。所提出的資源

7、分配方案中引入了效用函數(shù)的概念，并設(shè)計一種適用于IEEE802.16的效用函數(shù)作為目標函數(shù)以平衡資源分配中的效率和公平性問題，使資源分配問題轉(zhuǎn)化為基于系統(tǒng)中各用戶總效用最大化的優(yōu)化問題。鑒于目標函數(shù)的最優(yōu)解求解復(fù)雜度過高，提出了一種次優(yōu)算法，該算法在性能上與最優(yōu)解非常接近，而計算復(fù)雜度卻大幅下降。與已有算法相比，所提出的資源分配方案能夠通過效用函數(shù)中的公平因子在頻譜效率和公平性間取得折衷。 4)研究了基于OFDMA系統(tǒng)的跨層資源

8、分配問題?；谧畈钚诺烙脩魞?yōu)先原則，提出了一種新的跨層資源分配算法CRRA(Cross-layer Radio Resource Allocation)及其簡化算法S-CRRA(Simplified CRRA)。該算法利用用戶數(shù)據(jù)隊列長度動態(tài)變化的特性和多用戶分集策略以實現(xiàn)在滿足用戶QoS的基礎(chǔ)上最大化系統(tǒng)吞吐量，并且將頻譜和功率分配分開進行以降低計算復(fù)雜度。 5)研究了OFDMA系統(tǒng)上行鏈路的資源分配問題，基于QoS保證和系統(tǒng)

9、吞吐量最大原則以及上行鏈路資源分配的特點，提出了一種新的上行鏈路資源分配算法URRA(Uplink-based Radio Resource Allocation)。算法包含兩部分，首先為每個用戶定義一個動態(tài)的優(yōu)先級參數(shù)并基于該參數(shù)為用戶分配資源以滿足其QoS要求——優(yōu)先級參數(shù)是用戶的信道條件、QoS要求和隊列信息的函數(shù)，每幀更新一次；然后將剩余的子載波資源分配給吞吐量增量最大的用戶。URRA算法不但能夠滿足上行鏈路用戶的QoS要求，提