无线城域网IEEE802.16标准针对城域范围的无线网络提供用户站和基站间的宽带无线接入服务，具有部署快、灵活性高、吞吐量高和支持移动性等特点。该标准工作在2-66GHz范围内并且支持固定和移动的终端用户，填补了高速率的无线局域网和高移动性的无线蜂窝网系统之间的空白，因而得到了各运营商和设备商的广泛关注。为保证无线环境下的系统性能和网络的兼容性，无线城域网同时支持TDMA、OFDM-TDMA和OFDMA等多种接入方式，同时提出了明确而详细的服务质量(Quality of Service，QoS)要求。然而IEEE802.16系列标准中并没有给出相应的算法或建议，而是把它留给生产厂商。目前主要通过接纳控制、流量调节、资源分配以及拥塞控制等方法来保证用户业务的服务质量，其中资源分配是其核心环节，它可根据各业务的不同需要来分配相应的无线资源以保障业务的QoS要求。通常在无线网络中所使用的资源分配算法都是首先在有线网络中提出来，经过改进后应用到无线网络中的；但无线网络同有线网络相比具有很大的特殊性，例如可变的信道容量、信道状态的位置依赖性以及突发的信道误码等。因此，研究合理的无线资源分配架构和性能优越的资源分配算法来保证业务流的QoS要求，提高系统的吞吐量和资源的利用率就成为实现和推广IEEE802.16标准急需解决的问题。针对这些情况，本文在全面分析国内外相关研究的基础上，围绕着保障无线城域网络中业务流的QoS要求和提高系统性能，在无线资源分配的架构模型、OFDM-TDMA和OFDMA多址接入方式下的无线资源分配以及跨层资源分配等方面进行深入研究，提出相应的方案和算法。 本文首先分析了无线城域网IEEE802.16系统的QoS规范及其架构模型，指出了无线城域网资源分配中面临的主要问题，为下一步深入研究提供指导和依据。接着针对OFDM-TDMA接入方式的特点，分别研究了上行和下行链路的资源分配算法；为了发挥OFDMA的优势，研究了基于OFDMA系统下行链路和上行链路的资源分配算法以及针对OFDMA系统的跨层资源分配。 本文的主要研究成果包括以下几个方面： 1)针对无线城域网OFDM-TDMA系统上行链路的特点，提出了一种基于最小速率保证的公平调度算法(Minimum Traffic Rate based Fair Scheduling，MTRFS)。MTRFS算法支持多种业务类型并可保障业务流的最小预约速率。算法中引入了补偿模式，以保障处在恶劣信道条件下的业务流的最小速率。同时，算法对信道条件好的业务流提供尽可能多的带宽，以保障其QoS性能和系统吞吐量的最大化。 2)针对无线城域网OFDM-TDMA系统下行链路的特点，提出了一种保证混合业务QoS的基于自适应权重的公平调度(Adaptive Weight-based Fair Scheduling，AWFS)算法。算法为每个业务设置一个随信道条件和排队情况而动态变化的带宽分配权值以保证各业务的QoS和系统吞吐量的最大化。 3)研究了OFDMA接入模式的特点和基于OFDMA系统的无线城域网资源分配问题。所提出的资源分配方案中引入了效用函数的概念，并设计一种适用于IEEE802.16的效用函数作为目标函数以平衡资源分配中的效率和公平性问题，使资源分配问题转化为基于系统中各用户总效用最大化的优化问题。鉴于目标函数的最优解求解复杂度过高，提出了一种次优算法，该算法在性能上与最优解非常接近，而计算复杂度却大幅下降。与已有算法相比，所提出的资源分配方案能够通过效用函数中的公平因子在频谱效率和公平性间取得折衷。 4)研究了基于OFDMA系统的跨层资源分配问题。基于最差信道用户优先原则，提出了一种新的跨层资源分配算法CRRA(Cross-layer Radio Resource Allocation)及其简化算法S-CRRA(Simplified CRRA)。该算法利用用户数据队列长度动态变化的特性和多用户分集策略以实现在满足用户QoS的基础上最大化系统吞吐量，并且将频谱和功率分配分开进行以降低计算复杂度。 5)研究了OFDMA系统上行链路的资源分配问题，基于QoS保证和系统吞吐量最大原则以及上行链路资源分配的特点，提出了一种新的上行链路资源分配算法URRA(Uplink-based Radio Resource Allocation)。算法包含两部分，首先为每个用户定义一个动态的优先级参数并基于该参数为用户分配资源以满足其QoS要求——优先级参数是用户的信道条件、QoS要求和队列信息的函数，每帧更新一次；然后将剩余的子载波资源分配给吞吐量增量最大的用户。URRA算法不但能够满足上行链路用户的QoS要求，提高系统吞吐量；还可以显著的降低算法的复杂度。