（信号与信息处理专业论文）移动宽带无线接入系统的接纳控制机制研究.pdf

摘要 摘要 基予i e e e8 0 2 。1 6 系列标准的蹦m a x 技术加速了宽带无线网络“最焉一英 里 的部署，推动了全球宽带无线接入的发展。其中，接纳控制是影响移动 w i m a x 网络性能的关键因素之一。但是在i e e e8 0 2 1 6 协议中并没有规定相应 的接纳控制算法，与切换管理结合的接纳控刳机制的研究工作还处在起步阶段。 因此，本文在分析i e e e8 0 2 1 6 标准和w i m a x 网络架构的基础上，研究基于 w i m a x 技术宽带无线网络下的接纳控制策略，以提高w i m a x 系统的性能。 首先，在研究w i m a x 网络q o s 体系结构的基础上，本文针对i e e e 8 0 2 。1 6 e - 2 0 0 5 标准中定义的u g s 、r t p s 、e r t p s 、斌p s 和b e 五种服务类型的特 点及q o s 要求，提出了一种基于q o s 的队列式接纳控制算法。仿真结果表明该 算法既可以满足多种业务优先级不同的需求，叉可以优先接纳切换业务，并最 大化利用资源。 其次，针对现有的基于w i m a x 网络的接纳控制算法仅考虑了带宽作为接 纳控制的标准，本文提出一种结合带宽和信噪比的接纳控制算法，在考虑小区 带宽因素的同时兼顾考虑接纳后业务的信噪比情况。该算法保证了业务被接纳 后的通信质量，降低了业务的掉线率。分析和仿真证明，本文算法在一定程度 上会降低业务的接纳率，但是同时可以降低系统的掉线率，使系统的性能更优。 然后，本文在系统的角度上提如一种结合硬切换的接纳控制方法以及具体 实现流程，确保接纳控铡可以为切换业务有效的预留资源，优先接缡切换业务， 并顺利的和切换模块进行交互，协调两者工作，使系统性能最优化。经过仿真 测试，本文提出的流程机制适合各种宽带无线接入系统，具有较强的可移植性 和通用性。 最看，对本文的研究工作进行了总结著提溺了进一步的磷究方向。 关键词：w i m a x ，接纳控制，硬切换，呼叫接纳率，连接掉线率 a b s t r a c t a b s t r a c t w i m a x t e c h n o l o g yb a s e do ni e e e8 0 2 16s t a n d a r da c c e l e r a t e st h em a n u f a c t u r e o fb r o a d b a n dw i r e l e s se q u i p m e n t sa n dd e p l o y m e n to fl a s t - m i l ec o n n e c t i o n 。i ta l s o p r o m o t e st h ed e v e l o p m e n to fg l o b a lb r o a d b a n dw i r e l e s sn e t w o r k s ，a n dh a sb e c o m e t h em o s tp o p u l a rb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g ya f t e rw i f i 。c a l la d m i s s i o n c o n t r o li so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r st h a tg r e a t l yi n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo f t h ew i m a xn e t w o r k s f i r s t l y , b a s e do ns t u d y i n go ft h eq o sa r c h i t e c t u r eo fw i m a xn e t w o r k ，aq u e u e a d a p t i v ea l g o r i t h mf o rc a l la d m i s s i o nc o n t r o li sp r o p o s e d n ea l g o r i t h mf o c u so n f i v ed i f f e r e n tk i n do fs e r v i e si ni e e e8 睨。16e ：u g s ，r t p s ，e r t p s ，m t p s ，b ea n d t h e i rq o s t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a to u rp r o p o s e da l g o r i t h mu t i l i z e st h e a v a i l a b l eb a n d w i d t he f f i c i e n t l yt op r o v i d eq o sg u a r a n t e ew i t hr e d u c i n gh a n d o f fc a l l b l o c k i n gp r o b a b i l i t ya n dp r o v i d em o r ec h a n c e s t oh i g hp r i o r i t ys e r v i c e s s e c o n d l y , t h ec a l la d m i s s i o nc o n t r o la l g o r i t h m si nw i m a xo n l yu s et h e b a n d w i d t ha st h ej u d g i n gs t a n d a r d so fa d m i s s i o n ac a l la d m i s s i o nc o n t r o la l g o r i t h m b a s e do nb a n d w i d t ha n ds i n r ( s i g n a lt oi n t e r f e r e n c en o i s er a t i o ) i sp r o p o s e d 砀e s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h i sa l g o r i t h mc a i ld e c r e a s ec d p ( c o n n e c t i o n d r o p p i n gp r o b a b i l i t y ) o fe v e r yk i n do fs e r v i c e sa n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f n e t w o r k 。 t h i r d l y , b ya n a l y z i n gt h ec a u s eo fh a n d o v e rl a t e n c yi nt h ei e e e8 0 2 16e - 2 0 0 5 s t a n d a r d 。ac a l la d m i s s i o nc o n t r o ls c h e m ei n 、矾m r a xb r o a d b a n dw i r e l e s sn e t w o r ki s p r o p o s e d t h es c h e m er e s e r v e sr e s o l l r sf o rh a n d o v e rs e r v i c e se f f e c t i v e l y , a d m i t s h a n d o v e rs e r v i c e sf i r s t l y , c o r r e s p o n d sw i t hh a n d o v e rm o d u l e sa n dt h e nm a k e st h e s y s t e mt og e to p t i m i z a t i o n f r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ec a l la d m i s s i o nc o n t r o l s c h e m ei ss u i tf o re v e r yk i n do fb o a r dw i r l e s sa c c e s ss y s t e m s ，a n dh a sv e r ys t r o n g p e r f o r m a n c ei nt r a n s p l a n t 。 f i n a l l y , t h er e s e a r c hw o r ki nt h i st h e s i si si n c l u d e d ，a n df u r t h e rr e s e a r c hw o r ki s p r o s p e c t e d 1 1 a b s t r a c t k e yw o r d s ：w i m a x ，c a l la d m i s s i o nc o n t r o l ，h a r dh a n d o v e r , a d m i s s i o n s u c c e e d i n gp r o b a b i l i t y , c o n n e c t i o nd r o p p i n gp r o b a b i l i t y 1 1 1 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供隧录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：回专氏 p y 年弓月f 髟日 同济大学学位论文原创性声明 本入郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个入和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：i 习古n 。年? 月? 丫日 第1 章绪论 第1 章绪论 随着i n t e m e t 的飞速发展，开始涌现出各种各样的宽带接入技术，如a d s l ( a s y m m e t r i cd i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，非对称数字用户线路) ，w l a n ( w i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k ，无线局域网) 等。宽带无线接入技术经过近几年的发展， 已经具有了一定的规模。随着新的技术涌现，宽带无线接入的传输能力在不断 增强，接口更加开放，技术的发展正经历着一个从固定到移动的发展过程。与 此同时，宽带无线接入的标准化工作也正在向前推进。原来的固定无线接入技 术缺乏统一标准，不同的设备无法互通。新的8 0 2 1 6 标准能够保证接口开放， 可以推进产业的进一步发展。8 0 2 1 6e 既能提供高速数据业务又支持移动性，被 业界视为可能对3 g 构成竞争的新的宽带无线接入技术。接纳控制是宽带无线接 入技术中很关键的一项技术，其好坏直接影响到整个网络的执行情况，有重要 的研究意义。 1 1 研究背景和选题依据 w i m a x 是i e e e8 0 2 1 6 的通俗称呼，它的全称为全球微波接入互操作性 ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) 。为了更好地推动i e e e8 0 2 16 的市场化进程并对各厂家的产品进行一致性和互操作性认证，2 0 0 1 年4 月，由 i n t e l 牵头成立了w i m a x 论坛，截至2 0 0 6 年8 月2 3 日，论坛共有3 7 8 个成员， 包括了许多著名的运营商、芯片商、系统制造商【l 】。 由于在o f d m 接入技术、开放网络模式、基于口的无线宽带技术、电信运 营商基础设施、支持不确定的应用等方面独一无二的优势，w i m a x 成为第一个 真正面向电信级运营的、具有q o s 保证的、全球标准化的无线宽带接入技术。 这是当前其他无线宽带接入技术难以企及的。 1 9 9 9 年i e e e8 0 2 委员会成立了8 0 2 1 6 工作组，从事8 0 2 1 6 标准的制定工 作。i e e e8 0 2 1 6 标准有多个版本，8 0 2 1 6 2 0 0 4 ( 8 0 2 1 6d ) 【2 j 和8 0 2 1 6 2 0 0 5 ( 8 0 2 1 6 e ) 1 3 j 这两个版本使w i m a x 真正成为了无线领域中的热点。特别是8 0 2 1 6e 的 发布，为个人移动宽带领域的发展带来了巨大的推动力。 第1 章绪论 w i m a x 作为一种宽带无线接入技术及未来3 g 网络的有益补充，在远距离 传输、高速宽带接入及多媒体通信等方面具有非常突出的优势。f 1 前，w i m a x 在欧美、日韩等国已经进入应用阶段；在中国，中国网通和电信等运营商已开 始进行w i m a x 的规模测试及试商用。 与其它有线接入手段( 如x d s l 、c a b l e 、光纤接入等) 相比，w i m a x 技术 具有部署速度更快、扩展能力更强、灵活性更高的优点。w i m a x 对于新兴国家 的电信市场与广大的乡村地区特别有吸引力，尤其在一些基础建设不良的地区， 更突显出它的竞争力。此外，在一些固网运营商居垄断地位的地区，新兴运营 商由于缺乏基础建设与线路需花大笔费用向其租借线路使用费才得以运营，而 w i m a x 向其提供了不受限制迅速开展业务的有效手段。因此，w i m a x 被认为 是d s l 的补充，可以向家庭和小企业提供“无线d s l 服务。通过w i m a x 系 统，室内、室外的w i f i 用户可以接入到i n t e r n e t i n t r a n e t ，同时w i m a x 还可以 提供移动终端，移动l a p t o p 的无线接入以及企业w i f i 热点区域的后端传输功 能【4 】。所以，w i m a x 必然会成为未来宽带无线接入技术的主流，有很重要的研 究意义。 接纳控制( c a c ，c a l la d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 是无线资源管理中的重要组成部 分，是一种减少网络拥塞保证服务质量和网络资源利用率的重要机制，用来决 定是否承认一个新呼叫的接入。承认或拒绝一个新呼叫基于以下两点考虑：新 呼叫是否会影响已存在呼叫的服务质量；网络能否满足新呼叫的服务质量要求。 如果网络不能满足呼叫用户的请求，呼叫请求将被拒绝【5 】。 接纳控制通过限制接入业务流的数目来满足应用所请求的q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 参数。接纳控制算法的设计对网络性能有直接的影响，好的接纳控制 算法应该有高的网络资源利用率，即在网络资源充分时不拒绝新的服务流，同 时接入新的服务流后又不违背已接入服务流的q o s 要求。接纳控制应综合考虑 当前的网络资源状态和请求服务流的资源需求，判定当前可用的网络资源能否 满足新请求服务流的q o s 需求来作出接纳决策。 呼叫接纳控制c a c 是无线资源管理中的重要组成部分。第二代移动通信主 要提供语音业务，其数据处理能力非常有限，这使得它的c a c 算法相对比较容 易实现。而随着多媒体业务和w w w 业务量的不断增加，面临着发展第三代、 第四代移动通信的需要，下一代移动通信系统能提供高数据速率的服务用以传 输高质量的图像和视频信息，还可以提供高速接入i n t e r n e t 服务【6 】。j 下因为下一 2 第1 章绪论 代移动通信所能提供的业务多，而各业务之间的传输速率和q o s 不同。使得它 的c a c 算法变得复杂。w i m a x 技术因其固有的o f d m ( o n h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，j 下交频分复用) o f d m a ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ，正交频分多址) 吖j 、m i m o ( m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t ，多 输入多输出) p j 、h a r q ( h y b r i d a r q ，混合自动请求重发) 【9 】技术以及先进的 q o s 机制，使得w i m a x 系统在移动通信领域的应用备受青睐，基于w i m a x 的系统在下一代通信标准中占主导地位。随着用户的大量增加和业务的不断拓 展，呼叫接纳控制仍然是比较迫切需要解决的课题。由于w i m a x 系统需要为 其多种服务提供q o s 保障，如何使用c a c 算法准确的判决哪些业务申请可以被 接纳，是w i m a x 系统研究的重点之一。为了设计更合理的c a c 算法，有必要 对c a c 的各种算法进行分析和比较。通过分析得出各个c a c 算法个有不同的 侧重点，一个实用的c a c 必须要综合考虑多个因素。在c a c 算法研究中，有 很大一部分是只考虑无线系统，而不是专门针对w i m a x 系统的。虽然这些算 法对于w i m a x 网络下的接纳控制算法研究有重要的意义，但是研究针对 w i m a x 网络的接纳控制算法使其有效的限制干扰，获得高系统容量( 低阻塞 率) ，维护系统稳定性( 低掉话率) 非常重要。 i e e e8 0 2 1 6 标准本身只制定了介质访问接入( m a c ) 层的框架，但具体的 接纳控制算法以及具体实现流程却没有规定。接纳控制技术现在虽然已经有一 定的研究，但是还没有针对w i m a x 的具体接纳控制机制的研究。因此，研究 宽带接入系统中的接纳控制机制刻不容缓。 1 2 国内外研究现状 近年来随着无线通信和网络技术的迅速发展，移动应用越来越广泛，服务越 来越多样化。下一代无线网络将承载语音、数据、视频等多类业务，这些业务 具有不同的带宽需求和服务质量需求，如何保证多用户、多业务的服务质量， 同时使网络资源的利用率达到最大是网络设计者追求的目标。尽管有线网络也 存在服务质量问题，但是无线网络中由于用户的移动性、频谱资源的缺乏以及 信道的衰落，使无线网络的服务质量的供给比有线网络更具有挑战性【l 0 1 。 呼叫接纳控制作为无线资源管理研究的一个重要方面，己经越来越得到人们 的重视。作为资源分配的一个重要手段，接纳控制研究的重点在于一方面保证 3 第l 章绪论 己建立连接的通话质量，另一方面对于各种新呼叫的到达给予资源的合理分配。 运用接纳控制，能够保证无线网络中的信号质量、呼叫掉线率、包级别的参数、 传输速率等几个重要的服务质量参数的性能。由于呼叫允许控制在服务质量供 给中发挥着重要的作用，近2 0 年来c a c 得到了人们越来越多的关注，国内外 大学研究机构投入了大量的人力和物力，进行了c a c 方面的研究。 表1 1 呼叫接纳控制方案的分类 设计选择方法优点缺点说明 集中集中式更有效复杂、不可靠不易实现 分布式 简单、更可靠少有效常用 信息量 全局 最有效最复杂对分布式方法基站之 间需交换信息 半本地有效中等复杂需要较少的信息交换 本地 最简单最不有效不需要信息交换 业务类别单类业务适合1 g 2 g 网络 多类业务适合2 5 g 、3 g , 4 g 网络 最优化最优更有效难以得到最优解更理想 次最优更容易扩展 少有效 启发式合智能技术 决策时间 前摄式快需要误差探测，也称为基丁参数的方 需要先前的信息 法 反应式误差探测较少，慢 不需要先前的信也称为基于测量的方 息法 信息类型 小区占用不需要运动估计 需要小区模型 移动 不需要小区模型需要运动估计 信息粒度 基丁相同的小区 简单粗粒度 基于不同的小区适合于不同的业中等信息量 基于用户务大信息量 信息最精确 考虑链路 上行链路传输功率有限 下行链路 需要从移动台向基站 反馈信息 c a c 方案可以根据不同的设计要求进行分类。主要的分类方法有：做决策 是否中央化；接纳控制可得到的信息量；业务类别；是否最优化；进行接纳控 制决策的时间；c a c 过程需要的信息：小区级别或用户级别的信息粒度；设计 4 第1 章绪论 兹链路的上下行方向。表l 。l 列举了不同的设计选择下，各种c a c 算法的优缺 点以及一些建议。 根据控制中心的位置，c a c 方案可分为集中式和分布式两种。集中式机制 就是由个网络中的实体如移动交换中心来控制整个网络的接纳控制【i f , 1 2 ；而分 布式机制就是由每个小区的基站单独控制本小区的接纳控制【i3 】。与分布式机制 相比，集中式机制出于全羯信息的有效性强，性能更优，但是其实现也更为复 杂，所以在实际网络中一般不被建议使用。 按接纳控制可褥到的信息量可将c a c 分为全局c a c 、半本地c a c 和本遗 c a c 方案。若接纳控制的有用信息量是全网络的，就是全局c a c 方案，这与集 中式c a c 机制类似雅l 眨1 ；若有黑信息量是髓络中某块受限制的区域，如一块固 定的区域或是处于呼叫周围的小区，就是半本地c a c 方案【1 4 l 习；若有用信息量 局限于呼叫所在的小区，就是本地c a c 机制f 1 3 , 1 6 。全局c a c 方案不一定都是 由集中式c a c 机制实现，只要记录网络中各个b s 之闯的信息交互，全局的c a c 方案由分椎式c a c 机制实现也是可以的。但是这种方式信息交互量大，实现较 占用系统资源。 根据网络中支持的服务类型和数量，c a c 机制可以分为单类业务的c a c 方 案和多类业务的c a c 方案。单类业务的c a c 方案只适用于以语音业务为主要 业务( 甚至为唯一业务) 的i g 2 g 网络1 1 习；随着数据业务和多媒体业务的增长， 单类业务的c a c 方案不爵适用于2 5 g 和3 g 4 g 网络，多类业务的c a c 方案【l 硼 更加重要。但是多类业务的c a c 方案的设计由于服务优先级，公平性，资源共 享政策等关键性问题更加具有挑战性。 根据c a c 机制是否最优化，可以将c a c 分为最优化的c a c 机制和次优化 的c a c 机制。其中最优化的c a c 机制1 9 。2 1 】一直受到关注，假有时候其最优解 很难得到，尤其是在有许多问题和有相互依赖的各个部分的复杂系统中。因此 次优化的c a c 机制也是c a c 发展的方向。次优化的c a c 机制常使用误差探测 和人工智能技术獬】，以寻找次优解。虽然它易于扩展，但是有效性少予最优化 的c a c 机制。 c a c 方案根据进行决策的时间可分为前摄式( 基于参数) 和反应式( 基于 测量) 的方案。在前摄式c a c 机制中【2 赘，网络根据一些预先设定的或是先前由 探测得到的q o s 参数限制，作为接纳呼叫的判决准则；在反应式的c a c 机制( 2 4 1 ， 网络通过发送一些探测包或是减小发射功率簿方法，对申请接纳的呼羹唾进行试 5 第1 章绪论 传输，擞搌传输尝试中得到的q o s 测量值来决定是否接纳该呼叫。翦摄式c a c 机制决策时间快，但是需要网络先前信息，桐对误差较大；反应式的c a c 机制 决策时间慢，但不需要网络先前信息，相对误差较小。 c a c 方案还可根据c a c 过程需要的蔷息- i j , 区占用信息和移动信息来散允 许控制决策。小区占用信息的c a c 机制【2 5 1 ，需要一个或几个小区占用的假设模 型；移动信息靛c a c 机豢1 2 0 , 2 6 】，需要使用移动性信息来做接纳控制的判决准则， 丽移动性信息的使用必然会导致复杂的估算方法和极大的信令开销。 根据小区级别或用户级剜的信息粒度，可分尧基于相同小送、基于不同小区 和基于用户的c a c 方案。如果在统一的流量模型中，一个小区的信息足以表现 整个网络的情况，就可以使用基于相同小区的c a c 方案；如果在非统一的流量 模型中，不同小区的信息要根据网络状态建模，就应该使用基于不同小区的c a c 方案；如果每个用户的信息都需要在网络建模中考虑的话，就应该使用基于用 户的c a c 方案。键是信息粒度越细，信息量就会越大，处理也会相应复杂。 根据设计的链路是上行还是下行，可分为上链路【1 7 2 3 1 和下链路c a c 2 7 2 8 1 方 案。在上链路，传输功率有限，接纳控制中要考虑到功率的限制因素；在下链 路，移动站向基站的反馈信息可以被c a c 利用。因为有的呼叫尤其是上下行不 对称的呼疆堪，只可以在一条链路中被接纳，弼在另一条链路中不能被接纳，所 以上下行都进行c a c 判决i z 9 j 是很重要的。 1 3 主要研究工作 由于支持移动性的i e e e8 0 2 。1 6e - 2 0 0 5 标准于2 0 0 5 年1 2 胄才推出，目前对 于基于w i m a x 技术宽带网络接纳控制策略的研究还处于起步阶段。所以本文 将在现有接纳控削算法、i e e e8 0 2 。1 6 系列标准的基础上提出两种适合w i m a x 网络的接纳控制算法；并在i e e e8 0 2 1 6e 2 0 0 5 协议规定的硬切换流程的基础上， 研究基于w i m a x 硬切换技术的接纳控制策略。 本文主要的研究工作包括： 首先，在研究i e e e8 0 2 1 6e - 2 0 0 5 标准的q o s 体系结构的基础上，本文针对 其中定义的五种服务类型：u g s 、r t p s 、e r t p s 、n r t p s 和b e 的特点及q o s 要求， 提出了一种基于q o s 的队列式接纳控制算法。分析和仿真证明该算法在保证切 换监务优先的情况下，为高优先级业务提供了棱纳豹优先权，使资源利用得到 6 第1 章绪论 最大化。 其次，由于现有的针对w i m a x 网络的接纳控制算法仅考虑了带宽资源作 为接纳控制的标准，本文提出种结合带宽和信噪比的接纳控制算法，在考虑 小区带宽因素酶圜时筢兼顾考虑棱纳焉监务的信噪毖情况。该算法傈证7 业务 被接纳后的通信质量，降低了业务的掉线率。分析和仿真证明，虽然该算法会 降低各种业务的接纳率，但是它降低了系统的掉线率，使系统的性能优化。 最后，本文在系统的角度上提出一种实现接纳控制和硬切换相结合的方法 以及具体实现流程。确保接纳控制可以为切换业务有效的预留资源，优先接纳 切换业务，并可以顺利的和切换模块进行交互，协调两者工作，使系统性能最 优化。经过仿真测试，本文提出的流程机制适合各种基于w i m a x 的测试系统， 具有很强的可移植性和通用性。 1 4 论文的结构安排 论文的结构安排如下： 第1 章绪论，阐述了基于w i m a x 技术的宽带无线网络的发展历程和现状， 提出了接纳控制策略研究在提高无线网络性能中的重要作用，并进一步阐述了 接纳控制策略的分类和各种研究机制的优缺点，最后介绍了本文主要的研究工 作和论文结构安排。 第2 章首先介绍了w i m a x 宽带无线网络的q o s 结构，然后介绍了当今基 于w i m a x 嬲终的各种主流接纳控制算法。最藤比较了各种算法的优缺点，以 及目前存在的局限性。 第3 章在分析w i m a x 宽带无线网络q o s 体系架构的基础上，提出一种基 于q o s 的队列式接纳控制算法，保证切换业务的接纳率，为不同的业务流提供 不丽的q o s 保障，并最大诧利用资源。 第4 章在分析现有基于w i m a x 的接纳控制判决标准的瑟础上，提出一种结 合带宽和信噪比的接纳控制算法，补充了仅由带宽作为接纳控制判决标准的 w i m a x 接纳控制机制，降低了孵瑟唾被接纳着的搏线率。 第5 章通过分析i e e e8 0 2 1 6e 2 0 0 5 标准切换过程，提出了一种与切换相结 合的接纳控制的流程，实现完整的i e e e8 0 2 1 6m a c 层硬切换过程，并具有很 强的可移植、可操作性。 7 第1 章绪论 最后，第6 章对全文进行了总结和展望。 8 第2 章w i m a x 宽带无线网络下的接纳控制策略 第2 章w i m a x 宽带无线网络下的接纳控制策略 无线移动通信网络中日益增长的多媒体应用的性能瓶颈主要是无线链路带 宽资源的匮乏，这就要求在网络中支持具有不同流量特征、不同q o s 需求的分 级服务。为此，高效的接纳控制( c a c ) 策略是不可或缺的。一种好的接纳控 制策略应当使各种业务之间或切换连接与新连接之间实现平衡，达到所需的q o s 要求。 2 1 w i m a x 系统的q o s 机制 2 1 1 q o s 的基本知识 网络的服务质量( q o s ) 泛指所有网络业务的服务质量【3 0 】。q o s 无论在技 术选型时期、规划建设阶段，还是在网络的商业运行的过程当中，都是一个不 容忽视的问题，有必要对其进行深入的了解和全面的考虑。它被描述为网络在 传输数据流时要求满足的一系列的服务请求，具体可以量化为带宽、延迟、延 迟抖动、丢包率、和带宽利用率等性能指标。此处的服务具体指数据分组流经 过若干网络节点所接受的传输服务，强调端到端或网络边界到边界的整体性。 反映了网络元素( 如主机，服务器，调度算法) 在保证信息传送和服务要求方 面的能力。 一 q o s 的核心概念是对不同上层业务按一定特性进行区分，并对各个类别的服 务流保证一定的传输参数。q o s 参数包括：吞吐量、时延、时延抖动、丢包率 以及安全性等。在目前的网络中可能有多种上层应用，包括话音、视频以及数 据，部分业务可能有实时性或互操作性要求【3 。对它们进行区分服务对于保证 各个不同服务级别的q o s 是非常关键的。 2 1 2w i m a x 系统m a c 层q o s 相关机制 w i m a x 系统可以支持多种通信业务，如数据、语音、视频等，并且可以为 9 第2 章w i m a x 宽带无线网络卜的接纳控制策略 每种业务提供对应的q o s 等级支持，m a c 层提供的q o s 信令机制可以控制基 站和移动站之问的信息传输。这在宽带无线接入网发展罩程中具有重要的意义 3 2 1 0 w i m a x 系统的q o s 机制包含两部分的内容，一部分是关于业务流的管理， 它提供了一种实现上、下行q o s 管理的机制，是m a c 层的核心功能，包括q o s 参数集、业务流定义、分类符和动态业务管理等，在i e e e8 0 2 1 6e 中进行了详 细规定：另一部分是相应的q o s 实现机制，包括调度算法、缓冲池管理和接纳 控制等，在协议中对这些算法并没有进行定义和阐述。 下面分别从w i m a x 支持的业务类型、q o s 参数集、m a c 层q o s 架构三个 方面对w i m a x 系统的q o s 机制进行详细的介绍。 a 业务类型 在8 0 2 1 6 标准中，m a c 层是基于“连接”的，即所有终端的数据业务以及 与此相关的q o s 要求，都是基于“连接 进行的。每一个“连接 均由一个标 识符( c i d ) 来唯一进行标识。在8 0 2 1 6 e 标准【3 】中，m a c 层定义了较为完整的 q o s 机制。m a c 层针对每个连接可以分别设置不同的q o s 参数，包括速率、延 时等指标。为了更好地控制上行数据的带宽分配，协议定义了5 种调度业务类 型，井对每种业务类型的带宽请求方式进行了规定： ( 1 ) 主动授权业务u g s ( u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e ) 主动授权业务用于传输固定速率实时数据业务，例如没有静默压缩的v o i p ( v o i c eo v e ri n t e r a c tp r o t o c 0 1 ) 业务等。该业务周期性地将固定大小的授予带宽 给予用户：在语音会话的初始阶段协商授予带宽的大小和周期，这一类服务只 要申请成功，在传输的过程中就不需要再去发送带宽请求。下行信道可以由b s 来统一分配带宽。如果在上行信道中m s 出现这样的服务，b s 禁止m s 使用任 何竞争请求机会发送带宽请求，也不给m s 为了这样的服务流而专门提供单播轮 询的带宽( 单播轮询是b s 单独给一个指定的m s 分配的发送带宽请求的机会， 它不同于带宽请求竞争时段) 。这一类流中的捎带请求也不被允许。 主要的服务参数为：最大延迟、时延抖动、请求传输策略、最小预留传输 速率和主动受权数据间隔。 ( 2 ) 实时轮询业务r t p s ( r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e ) 实时轮询业务用于支持可变速率实时业务，是为满足动态变化的业务需求而 设计，例如m p e g 视频业务。如果这一类服务出现在下行信道，则由b s 来统 1 0 第2 章w i m a x 巍带无线网络卜- 的接纳控制策略 一协调；当这类服务蹴现在上行信道中，就由b s 来为有此类服务的m s 提供周 期性的单播轮询带宽请求机会( u n i c a s tp o l l i n g ) ，以满足实时需求。用于m s 为 b s 发送请求，指示该业务每一个包的大小。因此m s 禁止使用任何竞争或者捎 带请求熬方式柬申请带宽。 主要的服务参数为：最小预留传输速率、最大维持传输速率、最大延迟、请 求传输策略、主动受权数据间隔。 ( 3 ) 扩展的实时轮诲韭务e r t p s ( e x t e n d e dr e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e ) 在r t p s 基础上，i e e e8 0 2 。1 6e 协议针对实时轮询业务扩展了一种新的业务 类型一p s 。结合了u g s 和r t p s 两者的高效性，主要用来支持带静默压缩的 v o l p 业务。该业务周期性地产生大小可变的数据包，基站根据请求周期性地分 配土行链路资源，直至用户申请男一个带宽。第一次带宽分配：在这次带宽请 求进程后的下一个m a c 帧；第二次带宽分配：在基于即时的服务流的带宽分配 间隔后。减少r t p s 的m a c 层管理和上行接入时延：预防了u g s 对上行链路资 源的浪费。 主要的服务参数为：最大维持传输速率、最大延迟、时延抖动、请求传输 策略、最小预留传输速率和主动受权数据间隔。 ( 4 ) 非实时查询业务n r t p s ( n o n r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e ) 非实时查询业务支持j # 周期变长分组的j 荽实时数据流，例如，f t p 业务。 这一类服务需要周期性的单播轮询带宽请求机会供其发送带宽请求，但是它所 用的轮询间隔比r t p s 要大的多。b s 不定期地为终端分配可变长度的上行带宽。 这就确保了服务流在网络捆塞的时候依然可以成功发送带宽请求。另外m s 也可 以用竞争和捎带的方式来请求带宽。 主要的服务参数为：最小预留传输速率、最大维持传输速率、流量优先级和 请求传输策略。 ( 5 ) 尽力面茺的服务流b e ( b e s te f f o r t ) 尽力而为业务支持非买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 和短信等，不要求提供吞吐量和时延保证。这一类服务需要周期性的单播 轮询带宽请求机会供其发送带宽请求，但是它所焉的轮诲矧隔冼r t p s 要大的多。 b s 不定期地为终端分配可变长度的上行带宽。这就确保了服务流在网络拥塞的 时候依然可以成功发送带宽请求。另外m s 也可以用竞争和捎带的方式来请求带 宽。 第2 章w i m a x 宽带无线网络。卜的接纳控制策略 主要的q o s 参数是：最大维持传输速率、流量优先级和请求传输策略。 这五种不同的业务类型及其特点等，按优先级从高到低如表2 1 所示： 表2 1w i m a x 服务类型及q o s 参数定义 类型特点q o s 参数戍川类型 u g s定长、周期发送的数据包 最人延迟、时延抖动、请求传输策e 1 t i ，v o i p 组成的实时数据流 略、最小预留传输速率和主动受权 数据间隔 r t p s 可变长、周期发送的数据 最小预留传输速率、最人维持传输m p e g 视频 包组成的实时数据流速率、最人延迟、请求传输策略、流 主动受权数据间隔 e r t p s周期性产生可变长度数最人维持传输速率、最人延迟、时静音抑制 据分组的实时业务流延抖动、请求传输策略、最小预留 v o i p 业务 传输速率和主动受权数据间隔 n r t p s可变长、对时延不敏感， 最小预留传输速率、最人维持传输 f r p 但对丁最小数据传输速 速率、流量优先级和请求传输策略 率有限制的数据流 b e没有最小服务等级需求，最人维持传输速率、流颦优先级和网页浏览 可以在空闲时处理的数请求传输策略 等 据流 b q o s 参数集 q o s 参数集是一组描述业务流的q o s 参数( 包括时延、时延抖动、最小保 证速率等) 的集合【3 3 1 。一条业务流由3 个参数集组成：指派q o s 参数集 ( p r o v i s i o n e d q o s p a r a m s a ) 、已接纳q o s 参数集( a d m i t t e d q o s p a r a m s e t ) 和激 活q o s 参数集( a c t i v e q o s p a r a m s e t ) 。 指派q o s 参数集是对业务流进行静态或动态配置时指派的q o s 参数集。系 统可以在配置业务流期间或创建业务流期间对其资源要求能否被满足进行审 查。 已接纳q o s 参数集是b s 认为能够满足其资源要求的q o s 参数集，b s 必须 为已接纳的业务流，按其己接纳q o s 参数集要求预留资源。 对于激活q o s 参数集来说，b s 为处于激活状态的业务流提供其实际需要同 时又不大于接纳q o s 参数集的资源要求。 同一条业务流的3 个q o s 参数集满足如下关系：激活q o s 参数集为己接纳 参数集子集，已接纳q o s 参数集为指派参数集的子集。 业务流主要可以分为3 类：己指派、已接纳以及激活。对于已指派业务流来 1 2 第2 章w i m a x 宽带无线网络m 勺接纳控制策略 说，已接纳q o s 参数集和激活q o s 参数集均为“空”；对于已接纳业务流来说， b s 按照已接纳q o s 参数集的内容预斟资源，但并木实际占用，激活q o s 参数 集为“空”；对于激活、j 业务流，实际占用b s 按照已接纳q o s 参数集安排资源， 接纳q o s 参数集和激活q o s 参数集均为“非空”。 图2 1w i m a x 中跨层q o s 管理结构 b s 中的上行调度控制上行分组的传输。由于8 0 2 1 6 的m a c 层协议是面向 连接的，应用首先建立b s 和m s 间的连接，并和业务流联系起来( u g s ，r t p s ， e r t p s ，n r t p s 或b e ) 。b s 为该连接分配一个唯一的连接表示( c i d ) 。此连接代 表一个单独的应用或者多个应用。在m s 中，来自应用层的所有分组被c i d 分 类并放入适当的队列中，调度器在u l m a p 定义的时隙从队列中取出分组传送 】3 第2 章w i m a x 宽带无线网络- 卜的接纳控制策略 入网络。上行调度根据m s 的带宽申请来确定u l m a p 。 由于m a c 层数据传输都是面向连接的，m s 高层的信令和数据业务的传输 都要先和b s 建立传愉连接，并和业务流联系起来。b s 端接纳控制机制防止网 络超负荷运转。具体来说，只有当接纳这个新连接后，这个新连接以及已经存 在的连接在带宽和时延上的q o s 均能够得到保证时，b s 才会接纳这个新连接。 仅主动授权业务( u g s ) 、实时轮询业务( r t p s ) 、非实时轮询业务( i m p s ) 和扩 展的非实时轮询服务( e r t p s ) 需要接入控制，“尽力而为”业务( b e ) 不需要接 入控制。 在i e e e8 0 2 1 6 标准中只定义了b s 和m s 间信息交互的信号机制，例如连 接建立，带宽请求，u l m a p 和u g s 业务流的上行调度，而没有定义u g s ，r t p s ， e r t p s ，n r t p s 以及b e 的具体调度、接纳控制算法。本文结合了w i m a x 网络中 特有的m a c 层q o s 机制，提出相应的接纳控制算法，弥补了现有的w i m a x 网络中接纳控制具体算法的欠缺。 2 2w i m a x 宽带无线网络中现有的接纳控制算法 2 2 1 判断接纳控制算法有效性的标准 评价接纳控制算法的主要参数有正常呼叫的阻塞率( p 。) 和切换呼叫掉线 率( p 。) 3 5 】。当一个移动终端( 移动用户) 申请服务，该服务可能被接纳也可 能被拒绝。若服务被拒绝