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1、High-Rate WLAN (hrWLAN),High-Rate WLAN specifications,覆盖半径：100m 信道最大传播延迟为0.33us 连接模型：点对点、点对多点 目标频段： 5.8GHz/2.4GHz ISM频段 未来可能分配给本系统的许可频段； 系统带宽：(510) 204080Mhz，初期考虑：204080MHz 频谱效率：15bits/s/Hz OFDM调制，符号长度4us(每个符号可携带150600字节） 即：80MHz带宽时，数据速率最高可达1.2Gbps 终端能力：(510) 204080MHz 分别有20MHz、40MHz和80MHz带宽的终端 支持不同
2、能力终端的混合接入 运动速度：步行，3Km/h,系统设计要求-1,接入机制 混合接入机制，支持多址技术 OFDMA与TDMA混合（下行多用户MIMO） 从组网机制上简化复杂性 802.11的后向兼容性、多种组网机制导致复杂性 支持点到多点方式 支持更多的用户同时接入 提供比802.11更多的用户接入 单AP组网方式 赞不考虑AP间的时间同步、频率协调等复杂问题 协议开销小,系统设计要求-2,集中控制方式 上下行都是多用户系统 严格TDD双工(TDMA) 可调度的上行周期和下行周期，以适应突发业务 空口系统开销 满负荷时，系统开销不大于25% 随机接入过程 不宜采用CSMA/CA机制 可借鉴移动
3、通信网的随机接入过程,总体关键技术(要点),时间同步机制与实现方法 AP时钟为时间基准 终端的时钟(消除传播延时算法) 接收时，与AP信号的OFDM符号对齐(延迟接收) 发送时，信号在AP端实现对齐(超前发送) 频率同步机制 AP频率为基准频率 没有导频信号，UE如何与AP的频率对齐？,AP,UE,超前发送,AP端对齐,总体关键技术(要点),不同终端能力混合接入 20MHz、40MHz、80MHz混合接入 接入机制 下行MU-MIMO机制 AP多天线、终端多天线？ 下行多用户MIMO机制,hrWLAN应用场景,3G/4G与WLAN融合的理想WLAN 可提供足够好的话音、视频业务QoS保障 3G
4、/4G所有业务平滑迁移到hrWLAN上 开拓WLAN电视业务 可提供多路数字电视频道 小型多媒体集群调度系统 运营模式大用户量宽带无线接入 不同用户分配不同接入速率(1M、2M、,10s M),MAC技术基本场景,假设场景 AP为80MHz带宽，信道速率可达1.2Gbps OFDM符号长度4us 即基本时间粒度为4us AP覆盖半径 100米 信道传播延时 1/3 =0.33 us (约为传播延时的1/10) 三种带宽类型终端 A型：20MHz( 300Mbps) B型：40MHz ( 600Mbps) C型：80MHz ( 1.2Gbps),MAC技术目标,高速率MAC、低复杂度处理 信道速
5、率达到1Gbps，MAC速率能达到多少？ 低复杂度处理是提高MAC速率的重要因素之一 不同类型终端混合接入 要求AP具备20/40/80MHz终端混合接入 AP的传输方案、信道帧结构 QoS要求 实时性业务：低速率的话音、高速率的视频 突发性业务：网络通信，峰均比大 关键点 实时业务、突发业务协调支持能力 高效率、高吞吐率MAC技术,hrWLAN的MAC的问题分析,RTS,CTS,ACK,4us Slot,RTS/CTS/ACK帧各占用不到1个slot Data帧最多只占4个Slot 收发转换、发收转换估计在35个Slot,Data,1620 slot,信道利用率上限=4/16,不宜采用CSM
6、A/CA 时隙粒度大 OFDM符号长度=4us,150(20MHz)600字节(80MHz) CSMA/CA 最小帧间间隔(sifs)=20slots 不宜采用即时交互技术 收发转换至少需3个符号 符号处理+收发转换+超前发送,hrWLAN的MAC的问题分析,不宜采用传统的AP组网体制 AP与UE平等竞争权利不利于组网性能提升 AP通信量UE通信量总和 不宜通过提高AP的信道竞争能力 大幅度提高AP的信道竞争力可能破坏CSMA/CA机制 现有的提高竞争力的各种措施仅能起到微调的作用 AP方式不能提供有力的QoS保障 流量保障问题、时延抖动问题,AP,UE,UE,UE,UE,hrWLAN的MAC
7、的问题分析,需要提供多种带宽终端的混合接入 多种带宽的OFDM信号的组合、编码和解码 20、40、80Mhz带宽的信号组合传输 不宜根据信号强弱采用不同调制速率 802.11 可根据信号强弱采用不同调制速率 一个OFDM符号内各子载波是相同调制速率 将导致hrWLAN接收解调极端困难 OFDM解调是否支持不同子载波用不同速率调制？,80MHz,AP,hrWLAN的MAC的问题分析,有QoS保障的业务和突发型业务的接入 全竞争方式只能容纳较小的QoS保障的业务 突发型业务量大时，QoS业务就无法得到保障 竞争方式无法有效限制突发型的业务量 如何有效限制突发型业务？ 如何保障QoS业务的质量？ M
8、AC服务的QoS业务和突发业务的最大化 QoS业务与突发业务比例的动态调整,MAC,MAC,QoS业务,突发业务,QoS业务,突发业务,hrMAC基本思路TDD信道帧结构,TDD(TDMA)帧结构 TDD：下行周期+上行周期 AP在下行周期只发送数据，上行周期只接收数据 上行分为两个阶段，调度阶段和竞争阶段 QoS业务与突发业务传输方式 QoS业务：AP下行周期、UE上行调度阶段 突发业务：AP下行周期、UE上行竞争阶段,AP下行 调度+突发,UE上行 (调度),UE上行 竞争,Frame-1,Frame-2,Frame-k,S-Frame,S-Frame,S-Frame,超帧,帧,帧结构,下
9、行周期,上行周期,hrMAC基本思路TDD信道帧结构,hrMAC特点 帧结构有重大改变，不再向下(802.11)兼容 802.11：信道划分为非竞争和竞争期 非竞争期有上下行，竞争期共同参与 hrMAC：信道划分为上下行 下行时无竞争，上行才分调度和竞争阶段 消除了即时交互过程 即时交互被上下行交互取代 不再采用CSMA/CA 仅在UE上行竞争阶段竞争信道 消除了AP发送瓶颈 AP可安排下行的突发业务，不用竞争信道,hrMAC基本思路OFDM结构,根据系统多种带宽、OFDM子载波特点 终端带宽类型：20MHz、40Mhz、80MHz 80MHz带宽的OFDM信号，固定划分4组子载波 4组子载波
10、，每组对应20MHz 子载波集合 =A,B,C,D 子载波分配 20M终端：有四种选择(A,B,C,D) 40M终端：有六种选择(AB,AC,AD,BC,BD,CD) 80M终端：只有一种选择(ABCD) 固定分配子载波理由 便于AP对不同带宽终端混合接入的OFDM符号解调 （混合接入情况下，动态划分自载波缺乏可行性论证）,A,B,C,D,AP,4us,OFDM符号,A,B,C,D,A,C,B,C,A,D,A,B,C,D,20MHz终端,40MHz终端,80MHz终端,20MHz,hrMAC基本思路物理层服务模型,由于固定划分子载波，物理层的服务可抽象为多个并发的SAP 不同带宽表现为不同SA
11、P数,物理层,A B C D = ,无线信道 (80MHz),物理层,X Y 2,无线信道 (40MHz),物理层,Z,无线信道 (20MHz),hrMAC基本思路MAC调度模型,终端信道规则 不切换子载波组(始终在相同子载波组收发数据) 若终端同时有QoS和突发业务，也在相同子载波组上工作 AP信道规则 为终端QoS业务分配子载波组 在终端的子载波组上向终端发送数据,子载波调度,QoS业务调度,突发业务调度,业务分类调度,上下行调度,hrMAC基本思路MAC调度模型,AP下行调度 QoS业务调度 上下行时隙独立调度(适应上下行流量不平衡情况) 根据QoS业务队列长度确定占用时隙数 突发业务调
12、度 根据队列长度确定占用时隙数 AP上行调度 QoS业务调度 根据UE申请分配时隙 突发业务调度 根据预测确定时隙数 AP周期调度 在超帧范围平衡业务时隙 低速QoS业务可跨帧分配时隙,QoS业务,突发,下行调度,QoS业务,竞争,上行调度,hrMAC研究课题,超帧、帧长度设计 兼顾用户量与实时性要求 接入用户量分析 实时性理论性能分析 单个UE可获得最大QoS、突发业务量 TDD周期同步技术 信道资源 资源粒度划分N*4us，N=？依据？ 上下行、突发业务资源分配、用户子载波分配 下行QoS调度 合理安排子载波和时隙数，最大化信道效率 多队列QoS流排队与调度策略、理论分析模型 QoS总业务
13、量与时隙数的最佳匹配调度,hrMAC研究课题,上行QoS调度 不同带宽终端资源分配策略 资源预留策略 动态资源调整策略 跨帧资源分配策略 低速QoS业务在多帧(超帧)上的资源分配 上行突发业务 最佳竞争期长度 不同带宽、不同子载波组下的竞争算法 AP反馈与反向竞争控制技术 AP应答、竞争业务量控制等,hrMAC研究课题,动态周期技术 上下行、竞争阶段动态调整技术 动态帧周期技术 性能分析 大/小流量QoS业务性能 多种QoS流量混合情况下的QoS性能 突发业务性能 QoS业务流量动态变化下的性能 QoS业务流量性能 突发业务流量性能,hrMAC 帧描述,帧采用定长，是否允许动态帧长？ 动态调整
14、算法 周期定时与通告机制,AP下行 调度+突发,UE上行 (调度),UE上行 竞争,下行周期,上行周期,帧长(定长),变长,变长,变长,变长,上下行周期、竞争与非竞争阶段根据业务情况动态可变,OFDM帧结构,时域上：一个帧由若干个OFDM符号组成 频域上：一个OFDM符号包括 若干个子载波集（子信道A、B、C、D） 每个子信道包含若干个OFDM子载波一个OFMD资源块,子信道A,子信道B,子信道C,子信道D,超帧时长,1个OFDM符号,OFDM子载波,MAC资源分配,1个资源块（OFDM子载波）是资源分配和竞争的基础单元 多带宽终端接入，首先要对其工作子信道（子载波集）进行分配 每个终端用户在
15、分配的子信道上 多址方式下 子载波分配 OFDM符号分配 竞争方式下 子载波竞争 OFDM符号竞争,子信道A,子信道B,子信道C,子信道D,超帧时长,1个OFDM符号,OFDM子载波,子信道（子载波集）分配,终端用户接入，AP根据当前各自子信道负载情况和用户的带宽能力等为其指定工作子载波集 分配原则 保证现有QoS业务不受影响 适应于用户终端的带宽能力,多址方式下资源分配,调度周期：1个帧长 首先确保QoS业务的资源分配，在此基础之上再对BE业务进行调度 QoS调度模型（需要选择） 基于区分业务流 每个用户的每条QoS业务流建立独立队列 基于区分QoS类型 按照QoS业务建立队列 对于上行信道
16、，需要为每个用户建立虚拟队列 QoS调度方式跨层 队列信息，QoS要求 信道质量,Wireless channel,S,Queue Info,Channel Info,QoS Req,多址方式下资源分配,下行BE业务，分配目标是：最大化系统效用，通过效率函数选取兼顾用户间的公平性和系统资源使用的有效性,研究建议1AP竞争调度,AP由竞争转换成调度 单信道方式 由全时竞争转变为调度竞争 AP无冲突发送 UE仍按CSMA/CA竞争发送 原理 AP的流量=R1，UE流量总和=R2 则有 R1 = ap*R2，ap为比例因子(通常可设定: ap3 ) 只有UE降低报文发生速率，才能使AP有更多发送机会
17、 为AP预留发送机会，可能提高组网性能 根据比例因子ap确定T1和T2比例,AP,UE,UE,UE,AP,UE,UE,UE,全时竞争,调度竞争,研究要点 理论分析模型 不同ap下信道吞吐率对比分析 实时性能是否改善？ 限(定)时(长)竞争算法改进及性能分析 最佳T确定(实时性、延迟、竞争期时长) AP模式与Ad Hoc切换？,T1,T2,T,研究建议2信道竞争机制,高速信道下握手机制(RTS/CTS等) 收发转换、信道延迟、报文长度对性能影响太大 RTS/CTS/DATA/ACK交互时间T0远大于DATA的时间T1 原理 当T0数倍于T1时，p-CSMA可能有更好的性能 p-CSMA比CSMA
18、/CA简单 AP组网方式下，可利用AP调度通告p值,CSMA/CA交互,p-CSMA,研究要点 性能收益及对比分析 信道速率界限？ p值优化算法？ AP模式的性能优化 AP模式的隐藏终端问题 Ad Hoc 模式的隐藏终端问题,竞争,RTS,CTS,成功,Data,竞争,成功,Data,统一竞争接口,p-csma,研究建议3AP-非平衡QoS业务调度,数据QoS业务一般不是平衡型业务 大多数多媒体业务正方向流量远大与反向流量 不适宜采用传统的平衡调度算法 原理 下行队列调度，上行时隙调度 UE上行：由AP根据UE申请分配适当时隙数(动态分配？) AP下行：多个QoS队列调度，目的=弹性QoS流量
19、分配,队列调度,时隙调度,研究要点 多种流量业务排队算法 队列调度分析：公平性、实时性、均匀性等 队列调度弹性性能优化 时隙申请及分配算法、性能分析 动态按需时隙调整算法、性能分析 最佳帧长设计与分析 低速QoS业务跨帧队列调度与时隙调度算法 上行下行、上行下行 的调度算法,帧,研究建议4AP-混合调度,AP实现QoS流与突发流调度(BE流) 强化AP调度，协调调度QoS流和BE流 原理 下行QoS流：多队列QoS调度 下行BE流：FIFO调度 上行QoS流：时隙调度 上行BE流：竞争调度,AP,UE,UE,QoS流,突发流,预约时隙,竞争时段,研究要点 QoS流与BE流的动态比例控制 QoS
20、流接纳控制 竞争期及竞争强度控制 混合流链路机制及性能 (视频=QoS流，反馈=BE流） SLA保障机制,UE侧,AP侧,SLA： 速率约定 上下行速率 最小最大速率 平均速率 时延约定 最大最小时延 时延抖动 其它约定,研究建议5UE子载波分配算法,AP集中调度，为UE安排、指派子载波组 平衡各子载波组的流量 减少空隙机会，提高吞吐率 降低竞争算法难度 原理 同带宽终端尽可能安排在相同子载波组 20M终端只能在A、B、C、D之一 40M终端只能在AB、BC、CD之一 80M的终端可能有ABCD等共17种可能 在竞争方式下各种拼凑方法的性能分析 竞争算法难度、流量平衡、吞吐率 在QoS方式下考
21、虑流量平衡问题 仅能平衡QoS流量,研究要点 子载波组不同使用方案分析比较 不同终端子载波组最佳分配规则 几种被选方案的性能比较分析 平衡QoS流量的子载波分配算法,研究建议6OFDM子载波匹配算法,不同带宽 (子载波组)终端子载波匹配 20/40/80三种终端，对应1、2、4组字载波 终端的上下行对应关系 匹配方法 串行匹配 分段串行，报文并行 报文的不同分段在同一个子载波组内串行传输 并行匹配 分段并行，报文串行 报文的不同分段在不同子载波组并行传输 聚合匹配 报文拼接，在并行匹配,80,40+20,20+20,80,40+20,20+20,研究要点 串行、并行、聚合的适应性分析 优选方案
22、 动态报文长度的匹配性能 减少空隙的分配技术及性能,80,串行,聚合,研究建议7不同带宽UE混合竞争算法,不同带宽条件下 载波侦听出现了不可靠问题 方案设想 子载波组独立竞争方式 某子载波满足条件即可开始发送 适合于串行匹配 子载波组联合竞争方式 各自载波组同时满足条件才能开始发送 适合于并行匹配 公共控制信道 在公共子载波控制信道上竞争、其余信道收发数据 注：在多种带宽终端混合接入情况下，难以实施,40M终端的竞争发送情况,独立竞争,联合竞争,MAC发送,MAC发送,与,运允许发送指示,或,侦听,空闲,研究要点 独立、联合竞争的特性、适应性分析 两种方案的性能(信道利用率)对比分析 理想模型及性能上界 竞争算法设计,研究建议8MAC协议技术,广播、组播问题 AP控制技术及报文 时隙同步需求 频率同步需求 功率调整需求 调度方式及调度报文 超帧、帧、上下行、竞争时段调度协议 时隙分配协议 动态时隙协议 反馈机制 确认(AP侧、UE侧)确认机制 流量控制协议 MAC协议 AP侧MAC协议处理模型框图 UE侧MAC协议处理模型框图,研究要点 MAC功能 报文格式 服务原语 流量控制性能分析 动态时隙调度性能分析 处理模型 状态机设计,