（无线电物理专业论文）基于ieee80216的带宽分配和接纳控制的研究.pdf

摘要 基于i e e e8 0 2 1 6 的带宽分配和接纳控制的研究 专业：无线电物理 硕士生：崔爱君 指导老师：秦家银张琳 摘要 基于m e e8 0 2 1 6 标准的无线城域网是目前无线通信领域的一个热点，它支 持不同业务的q o s 需求，正受到国内外设备厂商和运营商的普遍关注，有广阔 的应用前景。 i e e e8 0 2 1 6 系统中的m a c 层采用了面向连接的机制，为语音、数据、，多 媒体等多种业务提供相应的q o s 保证，该标准的m a c 层协议对q o s 服务流及 参数配置信令体系、业务类型和相应的带宽分配请求信令进行了定义，但是该 标准并没有对b s 端的接纳控制、带宽分配等资源调度和管理部分进行具体定义， 然而，调度策略的优劣又直接关系到整个系统的吞吐量、延时、阻塞率等性能， 所以，一种有效的资源调度策略对保证用户的q o s 起着关键作用。 根据对i e e e8 0 2 1 6 协议m a c 层机制的分析，一种有效的资源调度策略包 括两部分：接纳控制策略和带宽分配策略，所以本文主要是针对这两部分算法的 设计和实现进行的。论文首先对一种成熟的基于队列的带宽分配算法进行了深入 的研究，并首次在o p n e t 上实现了该算法与固定优先级带宽分配算法的比较； 接入控制策略也是q o s 保障的一个重要环节，它用来限制接入网络的业务数量， 以免系统过载，防止正在服务的业务由于拥塞而得不到服务质量的保证。由于专 门针对i e e e8 0 2 16 的接纳控制策略还未形成规范，所以本文主要参考了其他无 线网络下的几种成熟的算法，并提出了一种简单的专门针对i e e e8 0 2 1 6 系统的 基于门限的接纳控制策略，并进行了仿真分析，仿真结果进一步验证了该算法的 有效性。 摘要 关键词：i e e e8 0 2 1 6q o s 带宽分配接纳控制 r e s e a r c ho nb a n d w i d t ha u o c a t i o na n da d m i s s i o nc o n t r o lf 0 r i e e e8 0 2 16 p r o t o c o l m a j o r ：w 的1 e s sp h y s i c s s u p e r v i s o r ：j i a y i l lq i n l i l l2 r h a n g a b s t r a c t w h l e s sm e 们p o l i 切皿a l c c s e s sn e 呐o r k ( w m a 如，w 量l i c hi sb 勰e do ni e e e 8 0 2 16 删a r d ，i sn o wo n eo fm ef o 吼略e so fc u r r 朗tw i r e l e s sc o m m u l l i c a t i o n n s u p p o r t sv 撕e t i e sq o sr e q u m e n tf o rd i f 陆e n tk i n d so fs e r v i c e s ，i sb e c o m i i l gm e a t t r a c t i v ea l t e m a t i v ef o ri n t e i n a t i o n a lf i a c i l 时m a n u f a c t u r e r 锄dt e l e c o r n m u i l i c a t i o n s e r v i c ep r o v i d e 瑙，l 粥b r i g h t 自i t l l r ef o r 研d e l yu s e d n l em a cl a y e ri ni e e e8 0 2 16p r o t o c o l i sc o l l i l e c t i o no r i e n t e d ，w 1 1 i c hc a i l s u p p o r tm u l t 谗l et r a m c s ( d a t a ，v o i c e ，v i d e o ) w i t hd i 妇昆r e n tq o sr e q u i r e m e n t s t h e m a c p r o t o c o lh a v ed e f m e dq o ss i 印a l i l l gm e c h a i l i s m 、仃锄c 白l ，p e sa 1 1 db a l l d 谢d m 黟a n t r e q u e s ts c h e m e ，锄d l e rt 1 1 e 硼i or e s o u r c em a n a g e m e n t ( a d m i s s i o nc o n t r o l 、 b a n d 、订d t h a l l o c a t i o l l ) l l l l d e f i n e d h o 、v e v e r ， 硼i or e s o u r c em a n a g e m e n t 观d s c l e d u l i n gm e c h 撕s mi sc r u c i a lt og u m i 肌t e eq o sp e r f o n n a n c eo ft h es y s t e m ，s u c ha s t h o u g h p u t a v e r a 喀ed e l a y 觚db l o c l 【i 】呜p r o b a b i l i t ) ， a c c o r d i i 培t ot h em a cm e c h a m s mo fi e e e8 0 2 16 ，觚e 彘c t i v er e s o u r c e s c h e d u l i l l gs 柏t e g yc o n s i s t so f 咖p a r t s ：a d l n i s s i o nc o n t r o ls c h e m e 趾db a 【l d 、v i d 也 a l l o c a t i o ns 仃a t e g y t h e r e f o r e ，m yr e s e a r c hi sm a i n l ya b o u td e s i g na n di m p l e m e n to f t l l e 铆op a n s f i r s t l y ，w eh a v ed o n ead e 印l yr e s e 锄c ho nal 【i 】以o fm a n 脱b a i l d 晰d t h a l l o c a t i o ns c h 锄e ，a i l dc o n l p a r e dt h i ss c h e m e 、析t l lp r i o r i t ) ，q u e u i n g ( p q ) b a i l d 、析d t h s c h e m en l r o u 曲o p n e t ，讹c hi san e 铆o r ks i 删l l a t i o nt 0 0 1 s e c o n d l 弘c o i l n e c t i o n a d i i l i s s i o nc o n t r o l ( c a c ) i so n eo fn l ek e yf 础o ri i l 目姻r a l l t e e i n gq o s ，w l l i c hc 趾 l i m i tm en 啪b e r so ft m m cc o n n e c t i o n st oa v o i ds y s t e mo v e r l o a d t h er e s e a r c h i a ：b o u tw m nc a ci sn o tm 砷鹏c u r r e n t l y ，s om et 1 1 e s i sm a 谳yc o n s u l t ss o m ew e l l r e s e a r c h e da l g o r i s m si i lo t l l e rw i r e l e s s 玳加t k s i i lm ee n d ，l i st l l e s i sb r i n g sf o 刑a r d as i m p l ea d m i s s i o nc o n t r o ls 缸l a t e g yd e p e n d i n go nt h eu i l i q u ef 毛a t u r e so fi e e e8 0 2 16 s y s t 唧，a 1 1 dv a l i d a t e sn l ea l g o r i s m l r o u 班c o l i l p 撕s o nw i t l ls 协t i cp r i o r i 够s c h e m e k b yw b r d s ： i e e e8 0 2 16 q o s b a i l 捌d ma l l o c a t i o na d n l i s s i o nc o l l 仃o l 原创性申明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 笮豸磊 i 7 日期：加6 扩年乞；，月岁日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者签名： 璀磬磊 1 日期：狄彩年多月苫日 导师签名：座争。勿 日期：诈月，乞日 目录 第一章绪论 1 1 论文背景及研究现状 长期以来，解决“最后一公里 问题主要依靠有线接入技术，如电缆、数字 用户线、光纤等。随着无线通信产业的快速发展，宽带无线接入技术也加入到这 一竞争行列来【l j 。众所周知，宽带无线接入系统( b w a ) 以其经济、易于实施、 维护和升级等优点在近年来得到飞速发展。i e e e 针对特定市场需求和应用模式 提出了一系列不同层次的互补性无线标准。其中广泛应用的标准系列包括应用于 无线个域网8 0 2 1 5 标准和应用于无线局域网的8 0 2 1 1 标准，而8 0 2 1 6 标准的提 出，弥补了i e e e 在无线城域网标准上的空白。i e e e 于1 9 9 9 年成立了i e e e8 0 2 1 6 工作组来专门研究宽带固定无线接入技术规范，工作的主要内容是开发宽带无线 接入标准，包括空中接口及其相关功能标准，目标就是要建立一个全球统一的宽 带无线接入标准。m e e8 0 2 16 工作组的出现大大地推动了宽带无线接入技术在 全球的发展。为有助于将i e e e8 0 2 1 6 定义的广义标准变成更加具体的标准，以 满足特定服务提供商的需求，2 0 0 1 年4 月，i i l t e l 、奥维通、a i r s p a i ln 鲍0 r k s 、 n o l 【i a 、p r o x i l l l 、r e d l i n ea n da p e n on 咖o r l ! 【s 、a t & t 等1 0 0 家生产、运营商成 立了一个非盈利工业贸易联盟组织w i m a x 论坛，它的全称是w 硎d 谢d e i n t e r o p e r a b i l i t ) ，f o rm i c r 0 靴ea c c e s s ，全球微波互通，它负责推广遵循i e e e 8 0 2 1 6 和e t s ih i p e 砌讧a n 的宽带无线接入设备，目标是对以i e e e8 0 2 1 6 系列宽带无 线接入标准为基础的产品互通性进行测试和认证，以保证市场上设备的部件是标 准化的。w i 论坛的 组织结构【9 】由下图1 1 所示，各个组织分工明确。 绪论 图1 1w i m a x 论坛组织架构图 w i 目前在国际上还没有统一的频段分配给它，各个国家的频段分配情 况也不同。w i m a x 主要关注的频段有2 3 g 、2 5 g 和3 5 g 。2 5 g 主要应用在拉 丁美洲，在台湾可能会把该频段指派给8 0 2 1 6 e ，2 3 g 频段在韩国已经分配给 了w i b r o 。3 5 g 在西欧主要用作固定接入，该频段在美国和意大利不可用，在 中国未被w i m a x 占用。 i e e e8 0 2 1 6 主要就空中接口协议的m a c 层和物理层进行了定义，并且物 理层和m a c 层的规范是相互独立的，其中m a c 层的主要功能是对无线链路进 行高效的管理，支持点对多点( p m ) 和m e s h 网络结构。协议主要定义了四种 物理层规范，分别为运行频率为1 0 一一6 6 g h z 的无线城域网单载波 ( w 删一s c ) 物理层和运行频率为2 一一l l g h z 的无线城域网 ( w m a n s c a ) 、无线城域网一一正交频分复用( w m a n o f d m ) 、无线城域 网正交频分多址接入( w m a n o f d m a ) 物理层【5 j o 以e e8 0 2 1 6 系列 标准为基础的w i 技术，支持固定( 8 0 2 1 6 d ) 和移动( 8 0 2 1 6 e ) 宽带无线 接入，基站覆盖范围是公里数量级，为宽带数据接入提供了新的解决方案。 2 绪论 w i m a x 是一项新兴技术，可以替代现有的有线和a d s l 连接方式，来提供最后 一英里的宽带无线接入，它提供固定、移动、便携得无线宽带连接，并最终能够 在非视距的情况下提供移动无线宽带连接。随着w i m a x 技术研究的深入， w i m a x 商用问题提上日程，从而出现更多的问题需要解决，例如m a c 层的同 步问题、冲突避免算法、资源调度策略等都成为目前研究的重点。由于w i m a x 能够支持多种多媒体业务，采用面向连接机制，其端到端的q o s 机制显得尤为 重要。 w i 脚、i e e e8 0 2 1 6 与w i b r o 的关系可用图1 2 明确的表述。 i e e e 8 0 2 16k o r e at t a 圈 图1 2 组织关系图 一 w i m a xf o r u m 其中w i b r o 的名称来源于w i r e l e s sb r o a d b a l l da c c e s s s e r i c e 的英文简称，它最 初是由韩国电子通信协会( e t 砌) 、三星电子和韩国主要运营商发起的 h p i ( h i 曲s p e e d p o r t a b l e i n t e m e t ) 项目发展而来的。在2 0 0 4 年1 月开始制订标准， 命名为w i b r o ，韩国信息通信部明确w i b r o 技术方向，决定w i b r 0 要完全符合 8 0 2 16 e 标准，并开始与8 0 2 16 e 标准进行协调；协调的结果是将w i b r o 标准融合 到8 0 2 1 6 e 标准之中【2 1 。由图1 2 可以明显的看出这种关系。 i e e e8 0 2 16 标准m a c 层协议对无线资源调度策略未作规定，把接纳控制、 资源预留、流量控制、分组调度算法等一系列的问题留待厂商来解决【2 0 】当一个新 的业务连接要求接入系统时，b s 必须要判断该业务是否会对正在传输的业务产 绪论 生影响，同时b s 也要保证新接入连接的服务质量。w i m a x 技术的m a c 层定 义了四种业务类型，而各类业务有不同的优先级，在传输过程中的要求也不尽相 同，上行带宽分配算法目的是为了保证系统的带宽利用率，避免高优先级业务抢 占过多资源，接纳控制策略目的是除了最大限度的利用无线通信系统资源，接纳 尽可能多的用户外，还要保证接入用户的服务质量，不同业务的传输速率和服务 质量要求是不同的，这使得整个资源调度策略变得更加复杂。 目前在e e8 0 2 1 6 系统的技术研究领域，在带宽分配算法领域取得了一定 的成果，出现了比较成熟、稳定、有效的算法和策略。文献【6 】提出一种基于轮 询队列长度的带宽分配算法，该算法能够有效的保证不同用户的q o s ，文献【5 】 提出一种叫做e s r a 的资源分配策略，通过最大化传输的连接数来达到最大化吞 吐量的目的。文献【7 】提出一种针对o f d m a 系统的动态资源分配策略，该策略 分两步执行，即带宽分配和信道配置，而且用m g 1 依队列模型来分析了动态 带宽分配下的分组阻塞概率，但是没有考虑q o s 区分服务。在接纳控制领域， 真正适用于i e e e8 0 2 16 系统的接纳控制算法还未完全形成规范，有一部分文献 也在该领域做了研究，文献 1 2 】提出一种简单的接纳控制算法：通过估算当前系 统的剩余可用带宽，来判断是否批准请求它没有考虑到业务的优先等级，所以 无法保证高优先级业务，特别是u g s 业务的实时性要求。同时了解到其他无线 网络( 3 g ，4 g ，w l a n 等) 拥有比较好的研究成果，并且，同为无线网络与 i e e e 8 0 2 1 6 系统有着相通的地方，所以本文主要是借鉴其他无线网络的接纳控 制算法，并且通过阅读大量文献得到的启发，本文提出一种简单的i e e e8 0 2 1 6 系统下的接纳控制算法，并进行了仿真分析，并与固定优先级接纳控制算法进行 了比较，进一步证明了该算法的有效性和优越性。 1 2 论文的研究目的及内容 早期的无线网络仅支持语音业务的传输，所以接纳控制策略就显得格外简 单，只要有足够的带宽就可以接入，否则就拒绝。但随着宽带无线接入技术应用 的逐步形成，单媒体业务的传输己远远不能满足人们的需求，由于i e e e8 0 2 1 6 技术能够支持多种多媒体业务，包括语音、视频以及数据，有的有实时性要求， 有的有互操作性要求。不同的业务采用不同的请求轮询机制，对他们进行区分服 4 绪论 务对于保证不同业务的q o s 来说非常关键。而在用户的最后一公里接入网 络中，带宽资源则成为制约上网速率和宽带业务发展的主要瓶颈。因此在带宽紧 缺的无线网络中，如何对业务进行合理的接纳控制和有效的带宽分配成为m e e 8 0 2 1 6 的关键问题之一。 在目前i e e e8 0 2 1 6 已有的q o s 调度架构中，控制着所有上行分组传输的上行 包调度器( u p s ) 在b s 侧，标准只规定u g s 为预留带宽的调度方式，其他三种 业务未作规定。另外b s 侧的接纳控制模块，在标准中也未作具体规定。总的来 说，8 0 2 1 6 定义了b s 和s s 间完整的信令交互机制，如连接的建立、带宽的请 求、u l m a p d l m a p 消息的生成、u g s 业务预留带宽的带宽分配方式，未定 义的有r t p s 、l l n p s 、b e 的上行包调度方法和接纳控制策略。本文对i e e e8 0 2 16 系统q o s 架构中资源调度策略的研究，目的是解决以下问题：如何保证不同q o s 要求的多种业务的带宽分配公平性问题，如何在保证现有业务服务质量不下降的 前提下接入更多的业务连接，尤其是降低u g s 流的阻塞率，使得实时业务没有 阻塞。 1 3 论文的主要结构安排 本文的主要工作是基于i e e e8 0 2 1 6 的q o s 架构，对b s 端接纳控制模块和带 宽分配模块的算法实现进行的研究，结合数学理论推导和网络模型仿真，提出并 验证了一系列综合资源调度策略。 本文正文有以下五部分组成： 第一章为绪论，主要描述了课题研究的背景与研究现状，研究内容与目的以及论 文的组织结构。 第二章为与m e e8 0 2 1 6 系统相关内容综述，包括协议框架、m a c 层、物理层 的关键技术、m a c 层主要功能、q o s 机制、带宽分配算法以及接纳控制策略， 都进行了相关描述。 第三章为上行带宽分配算法的详细介绍。深入研究并实现了一种基于轮询队列长 度的带宽分配算法，并在0 n 忸t 仿真平台上搭建了上行调度模型，通过与固定 优先级带宽分配算法( p q ) 的比较，验证了该算法的有效性和可实现性。 第四章为接纳控制策略的详细介绍。借鉴了无线网络的算法思想，结合8 0 2 1 6 系统自身业务等各方面的特点和现有该领域算法的不足，本着充分保证实时业务 q o s 的目的，提出一种简单的基于门限的接纳控制策略，并应用m a t l a b 仿真 工具对该算法和文献【3 5 】提出的固定优先级接纳控制算法做了阻塞率性能比较， 结果表明该算法能够很好的保证实时业务q o s ，虽然以一定的带宽利用率为代 价，但基本达到了本算法的设计目的，因此该算法是有效的。 第五章对全文进行了总结，并提出了未来工作的方向。 6 正e e8 0 2 1 6 研究综述 表2 1 i e e e8 0 2 1 6 d 物理层规范 物理层规范应用频段 w i r e l e s s m l 气n s c1 0 6 6 g h z w i r e l e s s m a n s c ab e l o w1 1g h zl i c e n s e db a i l d s w i r e l e s s m a n 一0 f d mb e l o w1 1g h z1 i c e n s e db a i l d s w i r e l e s s m a n _ 0 f d m a b e l o w1 1g h zl i c e l l s e db a i l d s w i r e l e s s h u m a nb e l o w11g h z l i c e n s e - e x e m p tb a i l d s w i r e l e s s m a ns c ( 单载波调制) ，规定了各设备在1 0 6 6 g h z 频段上的操作 标准。w i 系统为了灵活地使用频谱资源，p h y 层支持时分复用t d d 和频 分复用f d d 的两种复用方式，在t d d 方式中，上行链路和下行链路位于同一个 频段上，在不同的时间片传输，t d d 帧的长度是固定的( 8 0 2 1 6 e 的帧长是可选 的) ，包括u ls u b m i i n e 和d ls u b 侬吼e ，帧由所谓的物理时隙组成。在频分复 用方式下，上、下行链路分别工作在不同的频段，而且也是使用固定时间长度的 帧；在物理信道上传送的数据以帧的格式传送，协议支持的帧长为0 5 m s 、l m s 、 2 m s ，若是采用t d d 模式，下行链路的子帧先传输，随后是上行链路的子帧。 如果采用f d d 模式，上下行链路的子帧将同时传输【1 1 1 。每个子帧以前导符 ( p r e a l b l e ) 开始，该符号用于时间、频率和帧同步，采用q p s k 调制，紧接着 是f c h ，帧控制报头，包含m a c 层的一些管理消息和控制信令消息，帧的最后 部分是要传送的数据。i e e e 8 0 2 1 6 的物理层以一定长度的突发脉冲( b u r s t ) 为 传输数据单元，因此每个帧都包含若干个b u r s t 。 i e e e8 0 2 1 6 中共定义了1 2 个b u r s tp r o j e l l e ，每个b u r s t 对应的b u r s tp r o j f i l e 类型可以从控制信息部分得知。数据被打包成帧，加上必要的控制信息后，进入 物理信道传输，数据在信道上传输之前，还要做一些处理，如调制、编码以提高 传输效率【1 1 】。m e e8 0 2 1 6 支持自适应的调制方式，每个b s 和s s 可根据自己的 设备能力、无线信道的链路状况选择合适的调制方式，甚至同一个s s 在发送数 9 e e8 0 2 1 6 研究综述 据时，也可以根据无线信道的链路状况，实时的改变调制方式，以提高数据发送 效率。 2 2 2 物理层关键技术 经过上一节的介绍，w 订儿x1 6 d 和1 6 e 的物理层可选用三种技术：单载波， o f d m ，o f d m a ，单载波这个选项主要是为了兼容1 0 g h z 6 6 g i z 频段的视距 传输( o f d m 和o f d m a 只用于 嚣 融 t x k ib 3 - 鹕 图2 5 空间复用技术 空间复用技术把信号分段，每个天线上发送的数据流是不同的，在同一频率 上发送不同的空间数据流，很明显它增加了系统的容量。并且是随着天线的增加 容量线性增长，并且空间复用也会提高系统的传输速率，因为是多对收发天线共 同作用，所以信号传输比较快。所以可以取得较好的空间增益，但是空间复用并 不能改善信号质量，这是它的缺点。 空间分集能提高信号质量，它又可以分为发射分集和接收分集如图2 6 所示。 发射分集：在多个天线上发送信号的副本，空时编码使得空间分集可以使用，信 号的副本不但从另外一个天线上发送，还在另外的时间发送，这种延时发送称为 延时分集。 r x = 霎 t x yy | b 陇 l b l - 磁- 的 磷画 图2 6 空间分集技术 接收分集：接收天线的数量大于发射天线，在多个天线上接受同一个信号。通过 采用比发送天线更多的接收天线和一组合适的组合算法，可以实现接收分集。空 间分集和空间复用问的折中，对于可靠和强大的m m o 系统很重要。 1 4 m e e8 0 2 1 6 研究综述 了带宽分配调度机制和q o s 机制，最后该子层还负责资源的调度和预留管理，系 统的接入和连接的建立和维护。 m a c _ - p s ：提供b s 和s s 之间的保密性，它包括两部分：一是加密封装协议， 负责空中传输的分组数据的加密，二是密钥管理协议( p l 湖) 负责b s 到s s 之 间密钥的安全发放【8 1 。 2 3 2m a c 层主要功能 媒体接入控制是m a c 层的主要功能，m a c 层的中心论题是相互竞争的用 户之间如何分配信道资源。i e e e8 0 2 1 6 标准使用的是按需分配多路寻址时分 多址( d a m a t d m a ) d a m a 技术是一种根据多个站点之间的容量需要的不同 而动态分配信道容量的技术。t d m a 是一种时分技术，它将信道分成一系列的 帧，每个帧都包含很多的小时间单位，称为时隙。时分多路技术可以根据每个站 点的需要为其在每个帧中分配一定数量的时隙来组成每个站点的逻辑信道。通过 a 气m a t d m a 技术，每个信道的时隙分配可以动态的改变。b s 控制每个时隙的 使用情况，些时隙分配给特定的s s 传输数据，还有一些竞争时隙用于所有的 s s 申请带宽，其他的时隙用于新的s s 接入网络。 m a c 层除了要实现媒体接入控制这个主要功能外，还具有加密功能，m a c 层要进行数据解密，s s 进入系统时要进行s s 鉴权和密钥的交换，另外还可以在 初始化时建立安全连接，这些措施都是为了保证数据传输的保密性。m a c 还包 含一个会聚子层，它可以把m 、e t h e m c t 和a t m 业务映射到m a c 层，根据提 供服务的不同提供不同的功能。 8 0 2 1 6 具有一个灵活的m a c 层，而且它是面向连接的( c o n n e c t i o n 哪r i e m e d ) ， 所有业务包括一些无连接业务也都要映射到一个连接上进行传输。每个连接具有 一个1 6 b i t 的连接标识符( c i d ) ，s s 进入网络以后，每个方向上都会分配三个 管理连接，它们分别是：( 1 ) 基本连接：用来传输较短的对时间要求严格的m a c 控制消息i u c 消息等；( 2 ) 主要管理连接：用来传输鉴权和连接建立等消息。 ( 3 ) 辅助管理连接：用来传输d h c p 或s n 管理消息等。除了这些管理连接 外，b s 还会为s s 分配传输连接，用于数据的传输连接通常是成对进行分配的。 m a c 层还要保留一些连接用于其他目的，用于系统的初始接入，下行链路广播 1 6 正e e8 0 2 1 6 研究综述 消息的发送，或是用于下行链路多播消息的发送【l 3 1 。 在i e e e8 0 2 1 6 标准中定义了一系列管理消息，这些消息是携带在m a c p d u 的有效载荷部分中。b s 对s s 的一些控制功能就是通过发送这些管理消息 实现的，下面介绍几个比较重要的管理消息首先是u l m a p 消息，它是一个长 度可变的m a c 管理消息，定义了上行链路的发送机会，它包括一个固定长度的 消息头和信息实体( i e ) ，其中每个i e 定义了一定时间范围内微时隙的使用情况。 u l m a p 消息大小的选择对系统的性能影响较大，它的尺寸过大会带来较大的接 入时延，但它的尺寸最小也要大于b s 和s s 间的往返时延。往返时延是以下所 有时延之和：下行编码、下行交织、下行传输时延、s s 解码、s s 处理u l m a p 消息时延、上行编码时延、上行传输时延、b s 编码时延【l3 1 。因此可根据系统的 上述参数确定u i m a p 消息的大小，在i e e e8 0 2 1 6 中并没有规定它的大小。同 样的，d l m a p 消息定义了下行链路的信息，包含一些i e s 。其次介绍u c d 消 息，b s 周期性地传送d c d 管理消息，在d c d 中定义了下行物理信道的特征， 如下行帧持续时间、中心频率、b si d 、功率控制方式、d i u c 描述。当基站或 用户站需要改变现有服务流的参数时，会发送d s c r e q 消息，接收方收到此消 息后，会发出d s a i 也q 消息作出应答 带宽请求和分配也是m a c 层的核心功能之一，在固定宽带无线接入系统中， 各s s 采用时分多址接入方式共享上行信道，s s 首先提出带宽请求，向b s 上报 业务量信息和业务流的q o s 参数，然后b s 根据整个系统各个连接的业务流消息 来决定如何分配带宽资源。m e e8 0 2 1 6 协议中并没有对具体的带宽分配算法做 规定，留待各个设备开发商自己解决。s s 向b s 提出带宽请求的方式有两种：一 种是单独请求( s 切n da l o n er e q u e s t ) ，一种是捎带请求( p i g g y b a c kr e q u e s t ) ，当 b s 为s s 分配了业务信道时，用户站可在此业务信道中捎带发送其带宽请求消 息。为了支持u g s 、仲s 、n r t p s 、b e 四种不同类型的业务，e e8 0 2 1 6 结合 使用单播、多播、广播三种轮询方式来支持不同业务的q o s ，在该标准中定义了 四种调度模式的业务，对每种业务的带宽请求方式都做了相应的规定。当s s 提 出带宽请求以后，b s 会根据不同的业务类型采用不同的应答模式，应答消息包 含在u l m a p 消息中，把该消息传送回s s ，s s 在自己的上行调度器上完成各个 上行业务连接带宽的分配。 1 7 m e e8 0 2 1 6 研究综述 下面简要介绍四种业务类型和带宽分配方式。 主动授权业务( u g s ) ：用于支持固定速率的高实时性业务，如v o i p ；带宽分 配方式：b s 为其预留带宽，不使用任何类型的竞争请求机会，并禁止捎带请求； 实时轮询业务( 仰s ) ：用于支持可变速率实时业务，如m p e g 视频流，轮 询方式：b s 为其提供周期性的单播轮询机会，并禁止使用其他竞争请求机会， 可以捎带请求。 非实时轮询业务( n r t p s ) ：用于支持可变速率的非周期性非实时业务，轮询 方式：b s 为其提供经常性的单播轮询机会，并允许使用竞争和捎带请求。 尽力而为业务( b e ) ：没有q o s 要求，只要有连接请求，系统都会接入。轮 询方式：允许使用任何类型的请求机会和捎带请求。 2 4i e e e8 0 2 1 6 的q o s 机制 2 4 1m a c 层的q o s 机制概述 理想的资源调度和接纳控制策略是接入系统实现无线网络高资源利用率和高 q o s 的重要保障。 随着w i 应用的逐步形成，越来越多的关键问题需要解决，例如m a c 层的同步问题、接纳控制策略、带宽调度算法等成为目前研究的重点。由于 w i m a x 能够支持多种多媒体业务，采用面向连接机制，其端到端的q o s 机制显 得尤为重要，为了提高频谱的利用效率，满足用户间的公平性，同时很好的支持 不同业务间的q o s ，需要研究和实现q o s 解决机制的核心：m a c 层的资源管理 和调度算法。我们首先介绍一下8 0 2 1 6 的q o s 机制。8 0 2 1 6 标准在m a c 层引 入了完整的q o s 机制，它借鉴了删业务划分的思想，并以优先级的策略来实 施q o s ，以提供t c m p 传输可靠的q o s 保障。8 0 2 1 6 支持多种通信业务，包括 语音、数据、视频等，并且可以为每一种业务提供相应的q o s 支持，m a c 层的 q o s 信令机制可以控制b s 和s s 间消息的传输【1 7 1 。 i e e e8 0 2 1 6 对q o s 的支持功能包括：1 ) q o s 服务流和参数的预配置和注册 功能；2 ) 动态建立服务流和参数的功能；3 ) 运用m a c 调度机制为上行服务流 提供q o s 支持的功能；4 ) 根据q o s 参数为下行服务流提供q o s 支持；5 ) 根据 1 8 m e e8 0 2 1 6 研究综述 服务流的属性组成有名服务类( n a m e ds e i c ec l 嬲s ) ，支持上层实体和外部应用 创建服务流。 2 4 2 服务类型的定义 i e e e8 0 2 1 6 标准定义了一种面向连接的m a c 层协议，为b s 和s s 之间的各 种业务提供q o s 的机制，包括建立连接、带宽请求和带宽分配等等。在m a c 层 中，按照不同业务对q o s 的需求定义了u g s 、仰s 、i 岫s 、b e 等四种业务，上 面已作了简要介绍，每类业务的服务流都有相应的一些关键服务参数，如：最小 保留业务速率( m i i l i l n 眦r e s e r v e dt r a 伍cr a t e ) ，最大可支持的业务速率 ( m a ) 【i m u ms u 舭dt r a m cr a t e ) ，业务优先级( t r a 伍cp r i 嘶够) ，最大时延 ( m a ) ( i m u ml a t e i n c y ) 等。所有的这些参数通过动态服务流管理消息来传递。通 过一系列被称作动态服务添加( d s a ) 、动态服务更改( d s c ) 、动态服务删除 ( d s d ) 的m a c 层消息序列，服务流可以被添加、更改或删除【2 3 j 。 1 ) 主动授权业务( u g s ) ：u g s 业务用来传输周期性的、包大小固定的实 时数据业务，例如未经过静默压缩的v o i p 。基站周期性的以强制方式进行 调度，即该类业务一旦申请成功，在传送过程中不需要再发送带宽请求信息。 b s 不接受来自s s 的竞争请求机会，同时禁止使用捎带请求，这样避免了带 宽请求引入的开销和时延，满足实时业务时延和时延抖动的要求。该类业务 的关键q o s 参数为：最大可支持的业务速率( m a ) 【i i i l u ms u s t a i n e dt r a 衔c 贼e ) 、最大时延( m a x i i i l u ml a t e n c y ) 、可容忍时延抖动( t o l e r a t e dj i 执r ) 以及请求传输策略( r e q u e s t ，r r a l l s i n i s s i o np o l i c y ) ，这里最小保留业务速率 和最大可支持的业务速率是相等的。 2 ) 实时轮询业务( r t p s ) ：n p s 主要用于支持周期性的、包大小可变的实时 业务，它和n n p s 业务都是为了满足动态变化的业务需求而设计的；典型应 用为m p e g 视频业务。b s 为n p s 提供周期性的单播轮询带宽请求机会，用 于s s 向b s 发送请求指示该业务流的每个包的大小。n p s 业务禁止s s ( 用 户站) 使用其他竞争请求机会和捎带请求。因为有s s 提出请求，协议的时 延和开销会增加。该业务关键q o s 参数包括：最小保留业务速率( m 洫m 啪 r e s e r v e dt r a f f i c 眈) ，最大可支持的业务速率( m a x h n 眦s u s t 血e dt r a 伍c 1 9 i e e e8 0 2 1 6 研究综述 r a t e ) ，最大时延( m a ) 【i n l 啪l a t e n c y ) 以及请求传输策略 ( r e q u e s t 佃r a n s “s s i o np o l i c y ) 。 3 ) 非实时轮询业务( 1 1 n p s ) ：主要用于支持非周期变长分组的非实时数据 流，例如f t p 业务；b s 为该业务提供比n p s 更长周期或不定期的单播请 求机会，可以使用竞争请求和捎带请求。i m p s 可以被设置成不同的优先级。 主要的q o s 参数：最小保留业务速率( m i n i m u mr e s e r v e dt r a m cr 矗t e ) ，最 大可支持的业务速率( m a x i m u ms u s t a i n e dt r a f j f i c 晚) ，业务优先级( 1 r a m c p r i o r i 够) 以及请求传输策略( r e q u e s 仉协s i i l i s s i o np o l i c y ) 。 4 ) 尽力而为业务( b e ) ：主要用于支持非实时无任何速率和时延抖动要求 的分组数据业务，如e 。m a i l 和h t t p 等，不要求提供吞吐量和时延保证。 b e 业务允许使用任何类型的竞争请求机会和捎带请求，但是不允许他们使 用任何单播请求机会。该类业务的q o s 参数包括：最大可支持的业务速率 ( m a x i m 啪s u g t a i n e dt r a 伍c ) 、业务优先级( t r a 伍cp r i o r i 锣) 以及请求传输 策略( r e q u e s t 门n s m i s s i o np o l i c y ) 。 2 4 3q o s 保证机制的实现流程 i e e e8 0 2 1 6 标准作为未来w m a n 使用的无线接入系统，针对在复杂的无线 环境下提供更好的服务质量等问题，在m a c 层引入了完整的q o s 机制。它借 鉴了a t m 业务划分的思想，并以优先级的策略来实施q o s ，以提供可靠的q o s 保证【1 7 1 。m a c 协议内的q o s 机制大致分为三部分：第一部分是系统的初始化 和业务流的鉴权；第二部分是业务流管理，包括动态创建、修改、删除业务流， 并对业务流的q o s 参数进行配置；第三部分是对高层来的数据包进行分类映射 到m a c 层的业务流，并根据优先级的高低进行数据包的调度；下面会对这三 个部分进行详细介绍。 1 系统初始化和用户业务流的鉴权 初始化和鉴权是i e e e8 0 2 1 6 d 的重要组成部分，该标准定义了用户进入网 络、进行身份识别以及q o s 合同鉴权等过程。 2 动态业务流管理 一条提供特定q o s 的单向数据包流被定义为一条业务流。用户站( s s ) 和 m e e8 0 2 1 6 研究综述 基站( b s ) 依据为该业务流定义好的q o s 参数提供相应的q o s 服务。为了 标准化s s 及b s 之间的通信流程，这些q o s 服务属性包含了s s 如何请求上 行带宽的细节以及b s 上行调度器具体的行为。业务流是为了更好的实现q o s 机制而提出的一个概念，它使得上、行连接的q o s 管理得以实现。从而系统 的上下行带宽在不同的业务流之间进行分配。业务流可以通过注册或d s a 消息动态建立，每条业务流包含的参数有三个：业务流d ( s f i d ) 、连接标识 符( c i d ) 和q o s 参数集。业务流在不同的状态会有1 3 个参数，而且根据业 务流不同状态( 指派、接纳、激活) ，q o s 参数集分为三类，分别为：指派 q o s 参数集( p r o v i s i o n e dq o sp a 阳m s e t ) 、己接纳q o s 参数集( a d i i l i t t e dq o s p a 均m s e t ) 和激活q o s 参数集( a c t i v eq o sp a r a m s e t ) 。指派q o s 参数集是 对服务流进行静态或动态配置时指派的q o s 参数集。已接纳q o s 参数集是 b s 认为能够满足该服务流资源要求的q o s 参数集b s 将按照已接纳q o s 参 数集为其预留资源。激活q o s 参数集是通过注册或动态业务流管理过程被激 活的q o s 参数集【r 7 1 。同一条业务流的三个q o s 参数集的满足以下关系：激 活q o s 参数集为已接纳q o s 参数集的子集，已接纳q o s 参数集为指派参数 集的子集。 服务流有三个状态：指派状态、已接纳状