802.16 WiMAX系统中的QoS与节能机制探索

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"本文主要研究了802.16 WiMAX系统中的服务质量（QoS）保障机制和节能策略，特别是在802.16e标准下的应用。文章指出，虽然802.16标准提供了QoS支持，但缺乏接纳控制和数据调度的具体算法。此外，802.16e引入的休眠模式对于移动设备的电池寿命优化至关重要，但其参数选择和性能评估并未明确。作者对此进行了深入研究，提出了两个主要贡献：一是设计了一种公平接纳控制算法（FCAC），旨在解决现有算法依赖优先级导致的资源分配不公问题，通过动态设定用户新业务接入门限来提高公平性，且实验证明该算法不会降低网络吞吐量；二是分析了多业务场景下802.16e休眠模式的能量消耗，并提出了协作休眠算法（COPS），特别是针对同时运行实时和非实时业务的移动站，旨在优化功率节省，以延长设备电池寿命。这些研究对提高WiMAX网络效率和用户体验具有重要意义。"

第 1 章绪论

其扩展为极宽频带。为了避免来自免授权国家信息基础设施（U-NII）频段的干

扰，DS-UWB 技术把频谱分为两个频带，U-NII 频带的两侧各有一个子频带，在

每个子频带上分别采用极短时间脉冲传输数据，采用 24 个码片的直接序列扩频

（DSSS）实现编码增益，采用 RS 码和卷积码进行纠错。两大技术下形成两大

产业阵营，互不相让，难以达成一致，标准化工作无法进展，因此 802.15.3 工作

组已经于 2006 年 1 月宣布解散，相关 UWB 技术将以市场占有率来决定胜负。

IEEE 802.15.4 针对低速无线个人区域网络（Low-Rate Wireless Personal Area

Network，LR-WPAN）制定标准，把低能量消耗、低成本作为重点目标，不要求

高传输速率，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间的低速互连提供统一标

准。IEEE 802.15.4 包括两个物理层技术选择，分别工作于 2.4GHz ISM 频段和

868MHz（欧洲）/915MHz（美国）频段。两个频段的物理层均采用 DSSS 技术，

但在调制方式和扩频参数上有所不同，868MHz/915MHz 频段采用差分编码和

BPSK 调制，2.4GHz ISM 频段采用 O-QPSK 调制，速率有所提高。两个物理层

技术使用同一个 MAC 公共层。MAC 层采用与 IEEE 802.11 相似的 CSMA/CA 接

入方式，并定义了超帧，利用超帧的活跃与非活跃期使设备在休眠和激活状态中

转换，节省功率。设备扫描信道内的信标帧，根据接收能量、链路质量等因素选

择和切换信道，实现信道的动态选择。IEEE 802.15.4 由 ZigBee 联盟推动其产业

化相关工作，包括网络模型、安全认证、应用层协议、一致性测试等，使得来自

不同厂商的设备可以相互对话。

1.1.2 无线局域网（WLAN）

WLAN 是利用无线通信技术在一定的局部范围内建立的网络，是计算机网

络与无线通信技术相结合的产物，它以无线多址信道作为传输媒介，提供传统有

线局域的功能，解决用户“最后 100 米”的通信需求。WLAN 可以当作有线局

域网的扩展来使用，也可以独立作为有线局域网的替代设施。随着应用的进一步

发展，WLAN 正逐渐从传统意义上的局域网技术发展成为“公共无线局域网”，

成为 Internet 宽带接入手段。WLAN 具有易安装、易扩展、易管理的特点，并且

具有一定移动性，因此能够实现很多的特色应用，不过无线局域网设备的低功率

和高频率限制了其传输范围，使其只能覆盖几百米。

1997 年 6 月通过的IEEE 802.11

[13]

是IEEE制定的第一个无线局域网标准，它

使用红外线技术、调频扩频（FHSS）和直接扩频序列（DSSS）技术，运行速率

为 1Mbps和 2Mbps。由于 802.11 在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，

1999 年 9 月，IEEE又发布了一个标准取代IEEE 802.11，称为 802.11b

[14]

，它工

作在 2.4~2.4835GHz的频段，采用CCK或DSSS调制技术，提供最高 11Mbps的物

第 1 章绪论

理层传输速率，传输距离控制在 15~50m。与IEEE 802.11b几乎同时发布的

IEEE802.11a

[15]

在物理层采用OFDM技术，提供高达 54Mbps的空口速率，传输距

离控制在 10~100m，但是它工作在需要授权的 5.15~5.825GHz频段。鉴于IEEE

802.11a与 802.11b的产品因为频段与物理层调制方式不同而无法互通，2003 年 6

月IEEE又发布了 802.11g

[16]

标准。802.11g融合了 802.11b和 802.11a，工作在

2.4GHz和 5.8GHz频段，在 2.4GHz使用了与 802.11a标准相同的调制方式OFDM，

使网络达到了 54Mbps的高传输速率，同时仍然保留了 802.11b之中的CCK调制方

式，以兼容 802.11b。表 1-1 列出了 802.11、802.11a、802.11b和 802.11g主要技术

参数。

随着移动通信业务的迅速发展，高性能 WLAN 的市场需求日趋增长。为了

适应这一需求，IEEE 与 2003 年启动了 IEEE 802.11 TGn 工作组来制定 802.11n

标准。802.11n 将多入多出（MIMO）与 OFDM 技术相结合，最高传输速率超过

500Mbps；而在覆盖范围方面，采用智能天线技术，通过多组独立天线组成的天

线阵列，动态调整波束，提高信号质量并减少信号干扰，因此其覆盖范围可以扩

大到好几平方公里。目前 802.11n 的标准仍在制定中。

IEEE 802.11 无线局域网的主体工作已经完成，但依然有许多问题需要解决，

IEEE 802.11 工作组内部依然活跃着许多任务组，比如 802.11p 任务组针对高速移

动车辆上的无线局域网运行环境，致力于解决车辆与路边建筑之间的数据交换；

802.11s 任务组将 Mesh 网络作为研究对象，打通 AP 之间的数据通道，利用多跳

扩大 IEEE 802.11 网络的覆盖范围。可以看到，IEEE 802.11 已经形成了丰富的规

范体系供市场选择。

表 1-1 IEEE 802.11 系列主要物理层标准

802.11 802.11a 802.11b 802.11g

发布时间 1997 年 6 月 1999 年 7 月 1999 年 9 月 2003 年 6 月

工作频段

（GHz）

2.4~2.4835 5.725~5.85 2.4~2.4835 2.4~2.4835 ，

5.725~5.85

调制方式 FHSS，DSSS OFDM CCK CCK，OFDM

最大带宽

（Mbps）

2 54 11 54

1.1.3 无线城域网（WMAN）

无线城域网技术指的是无线通信网络覆盖范围大于无线局域网的一种无线

通信技术，无线城域网是为了解决宽带接入“最后一公里”问题而专门设计的。

第 1 章绪论

无线城域网的推出是为了满足日益增长的宽带无线接入（BWA）市场需求的。

虽然多年来 IEEE 802.11 技术一直与许多其他专有技术一起被用于 BWA，并获得

很大成功，但是 WLAN 的总体设计及其提供的特点并不能很好的适用于室外的

BWA 应用。其用于室外时，在带宽和用户数方面受到限制，同时还存在着通信

距离等其他一些问题。基于上述情况，IEEE 制定了一种新的、更复杂的全球标

准，这个标准应能同时解决物理层环境（室外射频辐射）和 QoS 两方面的问题，

以满足 BWA 和“最后一公里”接入市场的需要。

IEEE 802.16 工作组负责制定了无线城域网的相关规范。由IEEE 802.16 标准

所规定的无线接入系统覆盖范围可达 50km，每个基站提供的总数据速率最高可

达 280Mbps。IEEE 802.16 包括两个主要规范，IEEE 802.16-2004

[17]

和IEEE

802.16e-2005

[18]

，这两个规范定义了无线城域网空中接口的物理层和MAC层。

IEEE 802.16-2004 面向固定接入场景，4 个物理层子集分别采用SC、SCa、OFDM

和OFDMA传输技术；支持高阶调制，并实现了自适应调制以适应无线信道的变

化；下行采用TDM，上行采用TDMA接入方式，由基站根据用户需求对带宽进

行分配管理；支持FDD和TDD两种方式；支持单工、半双工和全双工方式。IEEE

802.16e-2005 是前者的修订和扩展版本，主要增加了对移动性的支持，支持 3 种

二层切换；对OFDMA进行了扩展，通过PUSC和FUSC分布式子载波排列方式获

得一定的子载波分集增益，有效抵抗移动场景下可能面对的复杂衰落环境；对多

天线技术进行了完善，实现上、下行的发射分集和上行的复用，提高链路增益和

频带利用率；设计了新的密钥管理协议PKMv2，定义了基于扩展EAP的用户认证

和基于RSA的设备认证两种认证方式；对支持MBS业务的空口机制进行了扩展。

为确保不同供应商产品与解决方案的兼容性，802.16 技术的部分供应商于

2001 年 4 月发起并成立了旨在推进无线宽带接入的全球微波接入互操作系统

（World Interoperability for Microwave Access，WiMAX）论坛。WiMAX 论坛在

定义网络层协议、市场应用、产品一致性测试、频谱规划等方面做了相当多的工

作。目前已有不少国家和地区的运营商开通了商用 WiMAX 网络，如美国的

Clearwire 公司、中国台湾的大同电信等。

802.16 的空中接口技术和 WiMAX 系统网络架构将在 1.2 节介绍。

1.1.4 无线广域网（WWAN）

在发展制订IEEE 802.16 标准的同时，IEEE无线工作组成立了 802.20 工作组，

发展移动宽带无线接入（Mobile Broadband Wireless Access，MBWA）。IEEE 802.20

的工作频段和信道带宽与 3G系统相同，但它是全IP化的，能够提供比 3G系统更

高的通信速率。802.20 协议模型

[19]

，主要分为数据链路层和物理层两个功能层，

第 1 章绪论

表 1-2 IEEE 802.20 系统预期技术指标（续）

信道带宽 1.25MHz 5MHz

上行小区峰值数据速率大于 800kbps 大于 3.2Mbps

上行用户峰值数据速率大于 300kbps 大于 1.2Mbps

下行小区峰值数据速率大于 4Mbps 大于 16Mbps

下行用户峰值数据速率大于 1M bps 大于 4Mbps

上行下行移动终端速度

3km/h 120km/h 3km/h 120km/h

频谱效率(bit/s/Hz/sector) 1.0 0.75 2.0 1.75

1.2 802.16 协议体系及 WiMAX 技术概述

1999 年，IEEE 802 局域网（LAN）/城域网（MAN）成立了 802.16 工作组

来专门研究宽带无线接入标准，主要任务是制定一个全球统一的宽带无线接入标

准，解决“最后一公里”的宽带无线城域网接入问题。IEEE 802.16 工作组由三

个小工作组组成，每个小工作组分别负责不同方面：IEEE 802.16.1 负责制定频

率范围在 10~66GHz 的无线接口标准；IEEE 802.16.2 负责制定宽带无线接入系统

共存方面的标准；IEEE 802.16.3 负责制定频率范围在 2~11GHz 之间的无线接口

标准。随着技术标准的不断发展，新的工作组也逐步形成，包括针对客户端能在

802.16 基站之间自由切换和漫游的 802.16e 工作组，以及旨在改进基站覆盖范围

的 MESH 网络特别委员会——802.16f 工作组。

IEEE 802.16 工作组主要制定无线城域网的物理层和 MAC 层的规范和标准，

但一个标准的通过并不意味着这项技术一定会被市场所接纳。为了促进 802.16

标准的发展完善和市场推广，一些世界知名通信企业联合发起了世界微波接入互

操作性（World Interoperability for Microwave Access，WiMAX）论坛，在全球范

围内推广 802.16 协议。从此 WiMAX 成为了 802.16 的代名词。

1.2.1 IEEE 802.16 系列标准

IEEE 802.16 标准规定了多业务点对多点宽带无线接入系统的空中标准，主

要对物理层和MAC层进行了规范。到目前为止，IEEE 802.16 标准系列主要包括

IEEE 802.16-2001

[21]

、IEEE 802.16a

[22]

、IEEE 802.16c

[23]

、IEEE 802.16-2004（也

称为 802.16d）、IEEE 802.16e-2005、IEEE 802.16f

[24]

、IEEE 802.16g

[25]

、IEEE

802.16j

[26]

、IEEE 802.16k

[27]

和IEEE 802.16-2009

[28]

共 10 个标准。其中IEEE 802.16、

IEEE 802.16a和IEEE 802.16-2004 属于固定宽带无线接入空中接口标准；IEEE

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