WiMAX系统中基于跨层设计的QoS保证机制研究

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基于IEEE 802.16标准的微波存取全球互通(WiMAX)是一种适用于无线城域网的新兴宽带接入技术,因其在接入效率、可扩展性、易安装性方面的优越特性,有望成为未来接入领域的主流技术之一。如何在时变无线环境中向众多用户提供高速高质的多媒体通信服务是WiMAX技术亟待解决的问题之一,通信环境的易变性和通信服务的多样性决定了采用跨层思想设计服务质量(QoS)保证机制的必要性。本论文采用跨层思想对WiMAX系统的QoS保证机制进行了深入研究,主要包括四个方面:协议体系结构模型、联合控制策略、调度算法和自适应调制编码(AMC)传输模式选择算法。主要研究内容和创新性成果如下:1.为解决传统无线网络分层结构在QoS保证方面面临的挑战性问题,在已有WiMAX基本分层结构基础上提出一种跨层架构。整个WiMAX协议体系结构模型被纵向划分为数据流递交子平面和QoS资源管理子平面:前者职能是遵循IEEE 802.16标准制定的规范,对多媒体通信服务流进行数据处理并实现逐层递交;后者职能是通过多种管理信令由低层到高层协调各管理模块运作,实施自适应地QOS联合控制。该架构结构简单,职能明确,是面向QoS保证的完全跨层架构,特别适用于实际工程设计中。2.在建议的WiMAX跨层架构基础上,提出一种QoS联合控制策略,并给出了适用于该策略的各种算法。还提出了一种适用于QoS优先级控制策略的QoS性能优先算法。仿真表明,基于WiMAX跨层架构的QoS联合控制策略能够根据实际需求提供灵活的QOS保证,与采用加权轮转算法的第一类QOS联合控制策略相比,在相同的QoS违反率限定下,采用QoS性能优先算法的第二类QoS联合控制策略能够为更多的用户提供多媒体通信服务。3.在建议的WiMAX跨层架构基础上,提出一种面向用户公平保证多媒体通信服务流QoS的二级调度算法。在QOS联合控制策略支持下,第一级调度实现QoS优先级控制,采用了已有的面向多媒体通信服务流QoS保证的QoS优先级算法,第二级调度实现子信道资源配置,采用了新提出的面向用户速率公平的调度算法。仿真表明,与多权重调度算法相比,该二级调度算法可在有效保证多媒体通信服务流满足各自不同QoS要求的同时更好地兼顾用户速率公平,并且在系统吞吐量、QoS业务流实际吞吐量和QoS违反率方面具有更好的低信噪比(SNR)特性,更适用于无线环境中。4.在建议的WiMAX跨层架构基础上,提出一种SNR切换阈值区间可变式AMC传输模式选择算法。当基站向用户站发送各种多媒体通信服务流时,建议算法对AMC传输模式的选择不仅取决于物理层信道状态信息,还与高层多媒体通信服务流的目标误包率这一重要QoS需求参数有关。通过性能评估表明,与传统型和改进型AMC传输模式选择算法相比,建议算法能够在满足各类QoS业务流目标误包率的同时获得更高的系统有效数据传输速率。
摘要第5-7页
ABSTRACT第7-8页
第一章 绪论第17-35页
    §1.1 无线通信网络中改善QoS的跨层设计第17-21页
        1.1.1 无线通信网络QoS保证机制研究现状第17-19页
        1.1.2 基于分层结构的传统无线通信网络面临的QoS挑战第19-20页
        1.1.3 无线通信网络跨层设计方法的引入及基本思想第20-21页
    §1.2 WiMAX概要第21-28页
        1.2.1 WiMAX论坛和IEEE 802.16标准演进第22-23页
        1.2.2 WiMAX技术优势及网络拓扑结构第23-24页
        1.2.3 WiMAX分层协议体系结构及各层主要技术特征第24-28页
    §1.3 WiMAX涉及QoS保证的部分关键技术第28-31页
        1.3.1 OFDM和OFDMA第28-29页
        1.3.2 AMC第29-30页
        1.3.3 ARQ和HARQ第30页
        1.3.4 其它关键技术第30-31页
    §1.4 改善QoS的WiMAX跨层设计研究现状第31-33页
    §1.5 本文研究的主要内容第33-35页
第二章 保证QoS的WiMAX跨层架构研究第35-47页
    §2.1 引言第35-40页
    §2.2 WiMAX跨层架构基本设计思想第40-41页
    §2.3 面向QoS保证的WiMAX跨层架构实施第41-45页
        2.3.1 QoS资源管理子平面第43-44页
        2.3.2 数据流递交子平面第44-45页
    §2.4 WiMAX跨层架构的特性第45-46页
    §2.5 本章结语第46-47页
第三章 基于WiMAX跨层架构的QoS联合控制策略第47-69页
    §3.1 引言第47-48页
    §3.2 QoS联合控制策略实施流程第48-51页
    §3.3 适用于QoS联合控制策略的AMC传输模式选择算法第51-53页
    §3.4 适用于QoS联合控制策略的子信道资源配置算法第53-56页
    §3.5 适用于QoS联合控制策略的QOS优先级控制算法第56-59页
    §3.6 性能仿真及分析第59-67页
    §3.7 本章结语第67-69页
第四章 一种面向公平保证QOS的二级调度算法第69-93页
    §4.1 引言第69-71页
    §4.2 面向QoS保证的WiMAX调度算法研究第71-74页
    §4.3 面向用户公平保证多媒体通信服务流QOS的调度准则第74-77页
    §4.4 面向用户公平保证多媒体通信服务流QoS的二级调度算法第77-84页
        4.4.1 基于QoS优先级算法的第一级调度设计第78-79页
        4.4.2 基于用户速率公平算法的第二级调度设计第79-84页
    §4.5 二级调度算法在WiMAX跨层架构中的实现第84-86页
    §4.6 性能仿真及分析第86-92页
    §4.7 本章结语第92-93页
第五章 一种新颖的WiMAX AMC传输模式选择算法第93-113页
    §5.1 引言第93-94页
    §5.2 已有AMC传输模式选择算法的实现及性能分析第94-102页
    §5.3 SNR切换阈值区间可变式AMC传输模式选择算法实现第102-105页
    §5.4 SNR切换阈值区间可变式AMC传输模式选择算法性能分析第105-107页
    §5.5 三种AMC传输模式选择算法的性能评估比较第107-112页
    §5.6 本章结语第112-113页
第六章 总结和展望第113-117页
    §6.1 全文内容总结第113-114页
    §6.2 后续研究工作展望第114-117页
参考文献第117-127页
致谢第127-129页
攻读博士学位期间的科研成果第129-130页
    论文第129页
    专利第129-130页
    参与的科研项目第130页
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