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IEEE 802.16系列标准是工作在2G到66GHz的无线城域网标准，无线城域网能够通过基站(BS)向用户站(SS)提供固定或移动的无线宽带接入，具有部署快、成本低、容量大和支持移动等优点。为保证无线环境下的系统性能，无线城域网采用TDM/TDMA时分多址接入，为了发挥OFDM的优势，支持TDMA和OFDMA相结合的方式，同时提出了明确的业务流服务质量(QoS)要求。虽然无线城域网的初衷是解决无线宽带接入的问题，主要服务为数据业务，但是对多媒体业务尤其是VoIP业务的支持能力关系着整个无线城域网的发展，VoIP业务除了要求足够的带宽以外，还需要满足时延和时延抖动的要求。IEEE 802.16标准提出了相应的QoS规范，但并不涉及QoS的实现方案和具体算法，如何在确保宽带数据接入的情况下，更好的支持VoIP业务，提高VoIP的容量和资源利用效率成为实现和推广无线城域网过程中急需解决的问题。为此，本文在分析国内外相关研究的基础上，围绕着如何保障网络中VoIP业务的QoS要求，从VoIP的容量、接纳控制和带宽分配等方面进行深入研究，提出相应的方案和算法。
根据无线城域网的体系结构，包括组网结构和网元结构，深入分析了IEEE 802.16系统的QOS规范、架构模型以及VoIP的研究成果，指出了VoIP在无线城域网中传输时面临的问题，为系统实现和深入研究提供指导和依据。根据VoIP业务流自身的统计特性，分析了无线城域网中VoIP的容量特性，并得到了容量极限，进而提出了VoIP的带宽分配方法；针对VoIP业务流自身特点和传输机制，提出了VoIP接纳控制的两个准则：优先级准则和弹性准则，在此基础上提出了基于优先级的VoIP弹单性接纳控制算法；针对OFDMA模式与FDMA模式的不同，提出了基于业务分集的VolP资源调度方法，以充分利用VoIP业务特性带来的容量增益；最后对Mesh模式下的调度模型进行了研究，提出了基于分层调度的调度模型。
论文的主要贡献包括以下几个方面：
(1)对IEEE 802.16系统中VoIP的容量特性进行了分析。通过分析IEEE 802.16标准关于VoIP的传输机制，指出在VoIP终端的语音编码方式确定时，除了MAC层的调度算法、协议开销以及物理层方式等常规因素影响VoIP容量外，一个重要因素即语音流的静默特性严重制约了VoIP的容量。在分析了VoIP业务流统计特性的基础上，得出在统计复用情况下VoIP的理论容量极限，并针对标准的具体协议对容量进行了分析。容量分析对VoIP的接纳控制和带宽分配等后续研究具有指导性的意义。
(2)根据IEEE 802.16标准中业务流的带宽分配机制，提出了基于语音激活路数预测的统计复用(SM)带宽调度算法。该算法主动预测VoIP的激活路数，确保BS能够随着语音静默带来的速率波动做出恰当的带宽分配决策，克服了UGS调度导致的带宽浪费。此外，与已有基于单路VoIP进行带宽分配的算法不同，SM 算法从聚合VoIP业务流的角度来解决VoIP的带宽分配问题，因而能够避免频繁带宽申请带来的管理负荷。为进一步提高带宽分配的速度以适应VoIP实时性的要求，根据生灭过程理论，提出了增强的统计复用(ASM)带宽分配算法。仿真表明ASM算法能够达到UGS支持容量的2.5倍，并且在BS和SS之间具有低于1％的平均丢包率和5.1ms以下的平均时延。
(3)根据IEEE 802.16关于VoIP的传输规范和VoIP服务质量保证机制，指出了区分VoIP优先级对接纳控制的必要性和VoIP弹性QoS对接纳控制的影响，提出了基于优先级的VoIP弹性接纳控制算法。该算法能够根据剩余带宽和负载强度逐渐改变接纳强度和策略，对不同优先级的VoIP业务表现出不同的接纳特性，合理地限制低优先级VoIP的接纳，根据概率强度因子和有效带宽对算法进行了优化。根据Markov模型对拒绝概率进行了分析，仿真表明建议的算法与守卫信道策略中的New call bounding算法相比，具有较低的新连接阻塞率和切换连接掉线率。
(4)根据OFDMA接入模式的特点以及VoIP业务流对OFDMA资源调度的影响，提出了一种新的分集方式，业务分集的概念，进而提出了一种基于业务分集的子载波和功率分配算法。业务分集指通过发送端的MAC把同一个用户内不同类型的业务分开，每种业务类根据各自的误比特率等特点选择子载波和功率，资源分配根据每个业务进行，而不是用户本身，因为VoIP等实时业务与其它各个等级的非实时业务相比对误比特率的要求不同，因而对信道的要求也不同；在接收端，这些属于同一用户的隔离了的业务再重新汇聚起来。根据业务分集思想，与著名的“贪婪”算法相比提出了“谦虚”算法进行子载波分配，因为VoIP业务并不需要最好的信道条件。对总功率约束条件下业务分集带来的最大数据速率进行了理论分析，仿真表明采用业务分集的OFDMA系统在频率分集和多用户分集的基础上能够进一步提升25％的数据速率。
(5)研究了IEEE 802.16在Mesh模式下的带宽调度策略，根据Mesh组网模式下的业务特点和VoIP业务的调度要求，提出了分层带宽调度模型。分层调度模型根据距离MeshBS的跳数把Mesh网络分成内外两层，内层Mesh SS仅使用集中式带宽调度；而外层的Mesh SS仅使用分布式带宽调度。以调度开销最小为原则证明了任意Mesh网络调度存在最优分层，给出了Mesh最优分层的解，并分析了BS覆盖范围对分层的影响。仿真表明分层带宽调度能够降低近30％调度开销和50％调度需要的跳数。