（信号与信息处理专业论文）ieee+80216网络qos跨层机制的分析与优化.pdf

i e e e8 0 2 1 6 网络q o s 跨层机制的分析与优化 摘要 无线城域网( w m a n ) 技术是全球通信架构中的重要组成部分之一。 作为一种面向w m a n 的宽带接入方案，基于i e e e8 0 2 1 6 协议的w i m a x 系统以其优异的性能和广阔的市场前景而倍受关注。 本文着重研究了8 0 2 1 6 d e 协议，针对协议特点提出了一种跨层优化 结构，有效地实现了p m p 模式下单小区的q o s 保证，各类业务的q o s 性能均得到一定的改善。 文中首先概括了w i m a x 系统的应用背景以及i e e e8 0 2 1 6 协议的发 展现状。随后针对8 0 2 1 6 d e 协议模型分析了q o s 的基本实现，重点讨论 了协议定义的q o s 架构，并阐述了几种分组调度算法的原理。接着分析 了跨层技术的原理及其在q o s 保证中的应用，给出了针对8 0 2 1 6 d e 的 q o s 保证而提出的跨层优化结构，并对上、下行链路中各功能模块进行 了简单的描述。最后对该跨层结构中的映射、分片控制、准入控制和分 组调度四个主要模块及关键算法进行了详尽的研究；提出了一种i p 层到 m a c 层业务的映射规则，并通过监听调度队列状态实现了重映射，有效 的辅助了缓冲管理，在不显著增加复杂度的同时提高了系统整体性能； 利用m a c 帧头的预留字段作为分片的标识实现分片控制，使得m a c 层 在处理分片时将同属一个i p 包的分片作为一个整体对待，减少了无效数 据处理的消耗；将s i n r 引入基于门限的准入控制，保证高优先级用户实 时性要求的同时，兼顾了系统带宽分配的稳定性；采用两级分组调度结 构，支持各类业务q o s 要求，在一定程度上提高了算法的公平性。同时 通过仿真实例证实了算法的有效性和优越性。 关键词：8 0 2 1 6 ，w i m a x ，服务质量，跨层，映射，调度 as t u d ya n d0 p t i m i z p 灯1 0 n0 fc r o s s l a y e r f r a m e w o r kf o rq o si ni 琶e e8 0 2 16n e r w o r k s a b s t r a c t w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ( w m a n ) b e c o m e st ob ea n i m p o r t a n tp a r to fg l o b a lt e l e c o m m u n i c a t i o n s 。a si s w e l lk n o w n ，w i 撇 b a s e do ni e e e8 0 2 16 ，a sa na v a i l a b l ea c c e s sm e t h o df o r 强压a n ，h a sd r a w n ag r e a td e a lo fa t t e n t i o nf o ri t sb e t t e rp e r f o r m a n c ea n db r i l l i a n tf u t u r ei na b r o a do fa r e a s an e wc r o s s 。l a y e rf r a m e w o r kf o rq o si n8 0 2 1 6 d en e t w o r k s ，w h i c h c o u l ds u c c e s s f u l l ya c h i e v eq o sg u a r a n t e e sa n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c e so f d i f f e r e n tt y p e so fs e r v i c e si ns i n g l eb sp m p a p p l i c a t i o n ，i sp r o p o s e di nt h i s t h e s i s 。 a tf i r s t ，w e g e n e r a l i z e t h e a p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d a n dc u r r e n t d e v e l o p m e n to fw i m a xs y s t e m sa n di e 董泡8 0 2 1 6 t h e n ，t e c h n o l o g yo fq o s i sa n a l y z e ds p e c i a l l yt oi e e e8 0 2 1 6 d e ，i n c l u d i n gi t sb a s i ci m p l e m e n t a t i o n ， t e c h n i c a lh i g h l i g h to ft h ef r a m e w o r ka n dp a c k e ts c h e d u l i n gt h e o r ya f t e rt h a t ，。 w ed e a lw i t ht e c h n o l o g yo fc r o s s l a y e r ；a n da l s og e n e r a t ean e wk i n do f c r o s s 1 a y e rf r a m e w o r kf o rq o si n 8 0 2 16n e t w o r k s ，w h e r ea l lf u n c t i o n m o d u l e sa r ec o n s i d e r e da c c o r d i n gt ou p l i n ka n dd o w n l i n k 。f i n a l l y , t h ef o u r m a i nf u n c t i o nm o d u l e so ft h ep r o p o s e df r a m e w o r ka r ed i s c u s s e di nd e t a i l s h e r e ，i n c l u d i n gan e wm a p p i n gr u l eb e t w e e ni pa n dm a c s e r v i c e sa sa n a s s i s t a n tb u f f e r m a n a g e m e n tf o r b e t t e r s y s t e mp e r f o r m a n c e u n d e rl o w c o m p l e x i t y , i pf r a g m e n t sc o n t r o l f o rm a cf r a m ep r o c e s s i n gw i t hl e s s w a s t a g e ，c a l la d m i s s i o nc o n t r o lb a s e do nt h r e s h o l da n ds i n rt oa c h i e v eh i g h s y s t e mv a l i d i t ya n ds t a b i l i t y , a n d a l s oah i e r a r a c h i c a lp a c k e t s c h e d u l i n g a l g o r i t h mf o rb o t he n h a n c e dq o sg u a r a n t e e sa n df a i r n e s s 。a tt h es a m et i m e ， w er e a l i z et h es i m u l a t i o ni n s t a n c e sw i t hn st od i s p l a yt h ea d v a n t a g e so ft h e p r o p o s e ds c h e m e 。 i l k e yw o r d s ：8 0 2 1 6 ，w i m a x ，q o s ，c r o s s l a y e r , m a p p i n g ，s c h e d u l i n g 掇 北京邮电大学硕上学位论文 i e e e8 0 2 1 6 网络q o s 跨层机制的分析与优化 皤 a m c a r q a ：r m b e b s b w a b w r e q b w r s p c e d f c i d c l c s i d a m a d i f 珞e r v d r r d s a d s c d s d d s l e d f e f e r t p s f i f o f d d f e c f f t g p s g s h o l 缩略语 a s s u r e d f o r w a r d i n g a d a p t i v em o d u l a t i o na n dc o d i n g a u t o m a t i c r e p e a tr e q u e s t a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e b e s te f f o r t b a s es t a t i o n b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s b a n d w i d t hr e q u e s t b a n d w i d t hr e s p o n s e c o m p e n s a t i o ne a r l i e s td e a d l i n ef i r s t c o n n e c t i o ni d c o n t r o l l e dl o a d c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d e m a n da s s i g n e dm u l t i p l ea c c e s s d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e d e f t c i tr o u n dr o b i n d y n a m i cs e r v i c ea d d i t i o n d y n a m i cs e r v i c ec h a n g e d y n a m i cs e r v i c ed e l e t e d 蝤t a ls u b s c r i b e rl i n e e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t e x p e d i t e df o r w a r d i n g 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 f i r s ti n p u tf i r s to u t p u t f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m s g e n e r a l i z e dp r o c e s s o rs h a r i n g g u a r a n t e e ds e r v i c e s h e a do fl i n eb l o c k i n g 5 8 确保转发 自适应调制编码 自动重发请求 异步传输模式 尽力而为服务 基站 宽带无限接入 带宽请求 带宽请求应答 补偿最早截止时间优先 连接标识 可控负载 信道状态信息 按需分配多址访问 区分服务 差额轮循 动态服务激活 动态服务变更 动态服务删除 数字用户线路 最早截止时间优先 加速转发 扩展实时轮询服务 先入先出 频分双工 前向纠错 快速傅立叶变换 通用处理器共享 保证服务 队头阻塞 j 七京邮电大学硕士学位论文 i e e e8 0 2 1 6 嘲络q o s 跨层机制的分析与优化 i e e e 1 下 i n t s e r v u 磁d s l o s m a c m l b m l m o m m d s m p l s m 矾 m s e m s t r m t u n l o s n r t p s 0 f d m 0 固m a p d u p f o p 珏s p h y q a m o o s q p s k p h b p m p p s n r r r r s v p r t p s s a p i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r s i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e i n t e g r a t e ds e r v i c e l o c a lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o ns e r v i c e s l i n e o f - s i g h t m e d i aa c c e s sc o n t r o l m a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n b a s e m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t m u l t i c h a n n e lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o ns e r v i c e m u l t i - p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g m i n i m u mr e s e r v e dn 鑫f f i cr a t e m e a ns q u a r ee r r o r m a x i m u ms u s t a i n e dt r a f i l er a t e m a x i m u mt r a n s m i s s i o nu n i t n o nl i n eo fs i g h t n o n - r e a l - t i m ep o l l i n gs e r v i c e o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g o 矗h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g a c c e s s p r o t o c o ld a t au n i t p a c k e rf a i rq u e u i n g p a y l o a dh e a d e rs u p p r e s s i o n p h y s i c a ll a y e r q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n q u a l i t yo fs e r v i c e q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g p e rh o pb e h a v i o r p o i n tt om u l t i p o i n t p e a ks i g n a lt on o i s er a t i o r o u n dr o b i n r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c o l r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e s e r v i c ea c c e s sp o i n t 5 9 电气电子工程师协会 互联网工程任务组 综合服务 本地多点分配业务 视距 媒体访问控制层 管理信息库 多输入多输出 多信道多点分配业务 多协议标签交换 最小预留速率 均方差 峰值速率 最大传输单元 葚# 视距 非实时轮询服务 正交频分复用 正交频分多址 协议数据单元 分组公平队列 负荷头压缩 物理层 积分幅度调制 服务质量 四相楣移键控 每跳行为 点到多点 峰值信嗓比 轮循 资源预留协议 实时轮询服务 韭务接入点 北京邮电火学硕上学位论文i e e e8 0 2 1 6 网络q o s 跨层机制的分析与优化 s d u s f s f i d s i n r s l a s s t e t d d u g s u r r w f q w i 嗽 w l a n w m a n w r r s e r v i c ed a t au n i t s e r v i c ef l o w s e r v i c ef l o wi d s i g n a lt oi n t e r f e r e n c ea n dn o i s er a t i o s e r v i c el e v e la g r e e m e n t s u b s c r i b e rs t a t i o n 1 吁a f f i ce n g i n e e r i n g t i m ed i v i s i o nd u p l e x u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e u r g e n c y b a s e dr o u n dr o b i n w 萌g h t e df a i rq u e u i n g w b r l di 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 w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k w e i g h t e dr o u n dr o b i n 服务数据单元 服务流 服务流标识 信噪干比 服务等级协议 移动台 流量工程 时分双工 主动授权服务 紧急轮循 加权公平队列 全球微波接入互操作性 无线局域网 无线城域网 加权轮循 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获褥北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的阀志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说朗并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 压3 盘王。日期：融亟二至：卫一。一一一一 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留翻使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 匿! 垫日期：亟丝：i = 超 导师签名： | 匕京邮电大学顼士学位论文 i e e e8 0 2 1 6 网络q o s 跨层机制的分析与优化 第一章绪论 网络的高效与便捷吸零| 了越来越多的用户，瓣络已成为人们生活的一部分。与此 同时，用户飞速增长、网络规模迅速扩大反过来也对传统有线网络提出了挑战。覆盖 范围更广，接入方式更灵活，终端更便携，功能更丰富，服务质量更高，这些都是用 户对未来网络的迫切需求。于是无线宽带城域网i e e e8 0 2 1 6 应运而生，并被全球各 大通信实体和用户看好。8 0 2 。1 6 技术的研究也成为无线网络研究的热点。 1 1 无线城域网协议i e e e8 0 2 1 6 1 1 1 背景与目的 无线城域网( w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ，w m a n ) 的提出是为了满足日 益增长的宽带无线接入( b r o a d b a n dw i r e l e s s a c c e s s ，b w a ) 市场需求。凰然8 0 2 1 l x 等接入技术在b w a 领域获得了很大成功，但是由于带宽、用户数量、遴信距离等限 制，w l a n 的总体设计无法适用于b w a 的室外应用。基于上述情况，i e e e 制定了 一种全新的全球标准，用予瞬时解决物理层环境和赧务质量( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) 两方面问题，以满足b w a 和“最后一英里 接入的需要。通信公司和服务提供商通 过建设新的无线城域网来为冒翦仍然缺少宽带服务的企业和住宅提供服务。 1 9 9 9 年，i e e e 成立了8 0 2 1 6 工作组研究宽带固定无线接入规范，建立全球统一 的宽带无线接入标准。符合8 0 2 1 6 标准的设备可以在“最后一英里”接入领域替代 c a b l em o d e m 、d s l ( d i s t a ls u b s c r i b e rl i n e ) 和t 1 e 1 等接入系统，也可以为8 0 2 。1 1 提供热点回传。新标准规范了一个支持语音和视频等低时延应用的协议，在用户终端 和基站之闻允许非视距的宽带连接，个基站可支持成百上千用户，在可靠性和q o s 方面均提供电信级性能。8 0 2 1 6 充分考虑了可扩展、长距离、大容量、“最后一英单 无线通信系统的需求，使服务提供商能够在降低设备成本和投资风险的同时，提高系 统的有效性和可靠性，有助于加速无线宽带设备的市场投放以及“最后一英里”宽带 在世界各地的部署。 1 1 2i e e e8 0 2 1 6 的发展 i e e e8 0 2 1 6 标准又称w m a n 空中接口标准，对工作于不同频带的无线接入系 = l 匕衷邮电大学硕士学位论文 i e e e8 0 2 + 1 6 网终o o s 跨层枧制的分拼与优化 统的空中接西进行了规范，并分析了系统共存性背景，给出了系统的设计、配置和频 率使用鳃决方案。根据使用频带高低的不同，8 0 2 。1 6 系统分为视距( l i n eo fs i g h t ， l o s ) 和非视距( n o nl i n eo fs i g h t ，n l o s ) 两种，其中2 - 1 1 g h z 频带系统应用于 非视距，1 0 6 6 g h z 频带系统应用予视距范围。 i e e e8 0 2 1 6 标准到困前为止包括8 0 2 。1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 c 、8 0 2 。1 6 d h 、8 0 2 1 6 e 羽、 8 0 2 。1 6 f 和8 0 2 。1 6 9 七个标准，如表1 - 1 。根据是否支持移动特性，8 0 2 。1 6 标准又可分 为固定宽带无线接入标准和移动宽带无线接入标准。8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 d 属于 固定无线接入标准，8 0 2 1 6 e 属于移动宽带无线接入标准。 表1 - 18 0 2 1 6 标准系统体系 标准定义及主要业务应用 工作于1 0 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统空中接口标准，采用 8 0 2 董6 - 2 王秘粕轰後多址方式，摹载波调铡。蔻l m d s 实现互操作性丽制定， 其业务应用与l m d s 相似。 工作于2 一l l g h z 固定宽带无线接入系统空中接口稀准，为m m d s 实 8 0 2 1 6 a 现互操作性而制定，其业务应用与m m d s 楣似。 1 0 6 6 g h zi 司定宽带无线接入系统空中接口标准增补文件，详细系统框 8 0 2 1 6 c 絮。 8 0 2 1 6 a 的修改版，用w i m a x 微型天线取代8 0 2 1 6 a 的室外天线结构， 8 0 2 薹铊4 可用于p c 机网苦等小垄设备。m a c 协议支持t d m i p 综合业务。 支持客户端移凑性，工作予2 6 g h z 适于移动性酶许可频段，用户可 8 0 2 1 6 2 0 0 5 以在基站之间自由切换和漫游。 8 0 2 1 6 f嘲定宽带无线接入系统空中接口m i b 瑟求。 固定和移动宽带无线接入系统空中接雎管理平面流程帚l 服务要求，实 8 0 2 1 6 9 现设备的互操作性和对网络资源、移动性及频谱的有效管理。 1 1 3i e e e8 0 2 1 6 协议的特点 8 0 2 1 6 协议是为在各种传播环境中获得最优性能焉设计的，即便在链路状况最差 的情况下也能提供可靠的性能。o f d m 在数十公里的通信距离上支持高频谱效率， 可以采用已有网络拓扑和无线技术进一步改善覆盖。8 0 2 1 6 标准的m a c 层是按需分 配多路寻址协议( d e m a n d a s s i g n e dm u l t i p l e a c c e s s ，d a m a ) 接入媒体，支持不同的 服务质量。表量2 和董一3 分别列盘了8 0 2 1 6 的物理层霾m a c 层特点1 3 一。 物理层采用三项技术：o f d m 、空时编码和自适应调制编码技术。根据实际情况 灵活选择调制方式，包括单载波、o f d m 和o f d m a ，有效降低了多径衰落的影响。 随着信道状态的变化，可以动态调整载波调制方式等物理层参数，以保证传输质量。 2 j e 京邮电大学硕上学位论文i e e e8 0 2 1 6 网络q o s 跨层机制的分析与优化 表1 - 28 0 2 1 6 的物理艨特点 特点好处 内含解决室外视距和寻 视距环境多径闯题的熊 2 5 6 点f f f o 雾移m 波形 力 每射频突发信号自适应调制和在为单用户单元提供最大比特速率的嗣时保证 可变纠错编码 射频链路的可靠往 支持t d d 和f d d 双t 方式适应世界各地不同的管制办法 灵活的信道宽度( 如3 5 m h z 、提供必要的灵活性，以适应谨界各地不阏频段与 5 m h z 和1 0 m h z 等) 不同信道要求 智能天线止在迅速降价，其抑制干扰和提高系统 支持智缝天线系统 增益的黥力对b w a 的部署显褥越发重要 m a c 层的重要特点在于面向连接，所有终端数据业务及相关q o s 机制都是基于 连接进行的。其核心技术为具有电信级q o s 的全l p 核心网，提供种新型的网络接 入结构和无线资源管理，优化了无线资源分配，从悉提嵩网络的整体容量。 表1 - 38 0 2 。1 6 的m a c 层特点 特点好处 t d 艇理d m a 上、下行链路帧带宽有效利用 可护展剑数髫个髑户 允许按成本部署，支持需要的用户数目即可 瑟向连接 每连接均有q o s 快速分缎选路翻转发 q o s 支持主动授权、实粒翔棼实时 低时延，适合对时延敏感的业务 交比特率业务 自动重发请求( a r q ) 改善端到端性辘 安全和保密 。 保护刚户私密 自动葫率控制 瞻予将自于挠减剃最小，均霹实施蜂窝结构 多业务共存情况下的准入控制策略 梭据相应空中信令和业务，利用有限的频率资源，合理配置，戳提供更高的系统 容量或数据吞吐量，保证用户满意。 结合无线链路特征和q o s 要求的分组调度策略 具有不同需求的多种分组业务汇聚到无线接因进行共享传输，为了保证时延、速 率等q o s 要求，设计可调度的m a c 层机制。依据业务属性，结合无线接口的链路特 性对分组传输遴行调度，提高吞睦量，并保证定的公平性。 无线资源管理 资源分配，配合物理层进行链路岛适应传输，如自适应调制、功率控制、信道分 配等，使尽可能多的用户复用无线资源，提高用户容量和无线信道的实际利用率。 移动切换管理 当用户在基站之闻切换时，保持数据连接和l p 地址；支持漫游切换，切换过程 3 北京邮i 也人学硕上学位论文i e e e8 0 2 1 6 刚络q o s 跨层机制的分析j 优化 中保证没有分组丢弃。 1 1 4w i m a x 的应用 w i m a x 的全称是全球微波接入互操作性( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v e a c c e s s ) 。w i m a x 论坛1 5 , 6j 是2 0 0 1 年4 月成立的非赢利性组织，旨在对基丁i e e e8 0 2 1 6 标准和e t s ih i p e r m a n 标准的宽带无线接入产品制定测试规范和认证体系，对其进 行一致性和互操作性认证，推动i e e e8 0 2 1 6 标准的市场化进程。通过w i m a x 认证 的产品符合全球统一标准8 0 2 1 6 ，获得“w i m a xf o r u mc e r t i f i e d ”认证标识，确保 在全球范围内使用。w i m a x 认证将减小设备生产商在设备开发过程中投资的不确定 性，方便网络运营商自山选择不同设备制造商的产品，以最少的投资建设最优化的网 络。 目前w i m a x 成员包括世界著名的通信设备制造商、半导体厂商、通信运营商、 科研机构以及一些著名高校。 鱼 游略 ki i ：- ，黼_ i i i k 盘l 7 = 闹定室内按入 运营商数据中一巴 侥业校吲 e 1 t i 业务 图1 1w i m a x 在b w a 的应用 图1 1 所示为基于8 0 2 1 6 d e 的w i m a x 系统在b w a 中的应用，w i m a x 的技术 和应用特点决定了其应用环境，具有不同的应用模式。p m p 应用模式以b s 为核心， 采用点到多点的连接方式构建星形结构接入网络，其网络结构简洁，是一种线缆替代 的理想选用方案；m e s h 应用模式采用多个b s 以网状网的方式扩大无线覆盖区，网 状网结构可根据实际情况灵活部署，实现网络的弹性延伸；热点回传模式采用 w i m a x 无线接入网络把远端w i f i 热点业务回送到核心网，移动运营商应用该模式 把各小区移动基站业务回传到移动交换中心，可以作为传统回传模式的补充或替代方 4 岈 。 ，蚣 一 怠攀 翟一一 枣攀f超= 6 瀚麓懒繁稍 北京邮电大学硕士学位论文i e e e8 0 2 1 6 网络q o s 跨层机制的分析与优化 案；终端接入模式下，用户终端设备直接接入核心网，适合接入速率要求高且有移动 性要求的终端应用；驻地网接入模式把诸如企业、校园和s o h o 等用户驻地网通过 w i m a x 接入城域网；无线桥接模式把地理位置分离的两个子网络通过w i m a x 无线 链路连接在一起，传输性能相对稳定，部署也相对筋单。 1 2 国内外研究现状 尽管i e e e8 0 2 1 6 拥有很多优点，但是多媒体数据业务需求的增长和数据密度的 持续增加对宽带无线接入网的系统性能和可扩展性提出了挑战。为了满足用户数和业 务量的增加，8 0 2 1 6 系统的总容量必须最优并可按需扩展，并且网络应该能够支持新 业务。 8 0 2 1 6 的物理层提供了很多优化技术。目前国内外对物理层技术的研究【7 】主要有 以下几个方面：空时编码的编码方式切换和多编码联合使用，多天线信号同步，多天 线信道估计，偾听算法等。 m a c 层也提供了大量带宽分配和q o s 机制，但仍存在一些问题，有待进一步研 究与改进： m a c 层q o s 实现机制的调度与预约管理细节没有定义，制约了系统容量的增加 和网络扩展； 数据密度持续增长对网络的系统性能和可扩展性提也了挑战： 带宽限制是制约网络扩展的主要问题之一； 资源分配的灵活性对于满足突发业务和按需分配容量菲常重要，必须考虑每比特 的费用或网络带宽的总费用； 无线m e s h 网络是下一代网络的关键技术之一，8 0 2 1 6 标准必须支持无线m e s h 网络的部署和实现。现有物理层和m a c 层技术并不是针对m e s h 网络具体特点 设计的； b s 和s s 的射频设餐费用太高，阻碍了无线宽带接入市场的发展。 m a c 层的相关研究【8 1 1 l 主要集中在q o s 机制的具体实现上，包括实现i p 网络数 据包到m a c 业务流的映射，合理高效的调度算法，有效的流量控制方法，数据缓冲 管理等。 另外，安全也是无线网络的一个重要方面。因此，加解密算法实现也是一个倍受 关注的研究方向。 在众多研究中，跨层技术也应用于8 0 2 。1 6 的q o s 实现，本文帮基于这种思路， 提出了一种跨层q o s 结构，并针对q o s 的实现，设计了相应的准入控制和调度服务。 5 北京邮电大学硕士学位论文 i e e e8 0 2 1 6 网络q o s 跨层机制的分析与优化 1 3 本文主要成果与结构安排 1 3 1 本文的主要成果 本文主要研究8 0 2 1 6 d e 协议，分析了跨层技术原理及其在q o s 保证中的应用， 针对协议和网络业务特点提出一种跨层优化结构，有效实现了p m p 模式下单小区的 q o s 保证机制。其中重点分析了引入跨层技术的映射、分片控制、准入控制、分组调 度机制四个部分，在优化无线资源和提高网络容量的同时，满足了不同业务对q o s 的要求。 1 3 2 本文的结构安排 第二章对i e e e8 0 2 1 6 的q o s 机制进行理论分析，根据i e e e8 0 2 1 6 d e 的协议模 型和q o s 的基本知识分析8 0 2 1 6 d e 建议的q o s 架构，并讨论了几种重要的分组调度 策略。 第三章首先分析了跨层机制的原理及其研究现状，在i e e e8 0 2 1 6 d e 已有q o s 架构的基础上引入跨层技术，提出了一种改进的q o s 跨层结构，并按照上、下行链 路的逻辑结构阐述了各模块的构成及其功能。 第四章针对跨层模型的四个重要模块展开，分析该模型实现机制及关键算法，并 分别进行了仿真和数据分析，证实了算法的优越性和可行性。主要包括映射、分片控 制、准入控制和分组调度四部分。 第五章对全文做总结，并对未来工作进一步展望。 6 北京邮电大举硕士学位论文i e e e8 0 2 1 6 网络q o s 跨层机制的分析与优化 第二章i e e e8 0 2 1 6q o s 机制的分析研究 2 1i e e e8 0 2 1 6 协议模型 8 0 2 1 6 标准的协议模型【1 j 如图2 1 。其空中接口由物理层和m a c 层构成。m a c 层鸯上丽下依次分为三个子层：特定服务汇聚子层( s e r v i c es p e c i f i cc o n v e r g e n c e s u b l a y e r ，c s ) 、公共部分子层( c o m m o np a r ts u b l a y e r ，c p s ) 和私有子层( p r i v a c y s u b l a y e r ，p s ) 。图中的s a p 为业务接入点( s e r v i c ea c c e s sp o i n l ) ；进入各子层未被 处理的数据称为服务数据单元( s e r v i c ed a t au n i t ，s d u ) ，经过子层处理后形成特定 格式的数据称为协议数据单元( p r o t o c o ld a t au n i t ，p d u ) 。 图2 - 1i e e e8 0 2 1 6 d e 协议模登 特定服务汇聚子层提供与高层的接口，通过不同的汇聚方式适配各种上层业务和 协议。其主要功旋包括接收赢层p d u 并将其分类，基予此分类对高层p d u 进行处理， 再将本子层生成的p d u 传递到正确的s a p ；同时也从对等实体接收c sp d u 。 鼬2 。1 6 d e 定义了a t m 和分组两种c s ，分别崩予a t m 和以太网的分组业务数据。 公共部分子层负责执行m a c 层的核心功能。c p s 从不同的c s 接收数据，将其 分类到不同的m a c 连接，保证数据传输和数据调度的q o s 。其具体任务包括构造并 传送p d u 、对物理层的支持、系统接入、带宽请求与分配、动态服务流管理等。 私有子层提供鉴权、安全密钥交换、加密等功能。连接加密可以对用户数据保密； 服务流加密可以隰止未授权的数据传输服务访问。保密机制包括封装和密钥管理掰个 基本协议，分别用于定义加密组件和提供密钥数据的安全发布。 7 北京邮电火学硕士学位论文i e e e8 0 2 1 6 网络q o s 跨层机制的分析与优化 2 2q o s 的基本知识 服务质量【8 。1 1 】体现了服务对象对服务提供者提供服务的满意程度，是对服务者服 务水平的一种度量和评价。作为信息传送等服务的提供者，网络同样也存在着q o s 优劣的问题。目前，网络承载着复杂的综合业务，如图形、图像、音频、视频、数据 等，不同业务所需的服务质量千差万别。网络如何满足各种不同业务的服务质量，己 成为网络研究最富魅力的研究领域之一，被称为新一代网络最重要的网络研究领域之 一，对网络技术的研究、应用与发展具有举足重轻的意义。 2 2 1q o s 的概念 q o s 指网络在传输数据流时满足的一系列服务请求，具体可量化为某些网络参数 的组合，如传输时延( d e l a y ) 、时延抖动( j i t t e r ) 、吞吐量( t h r o u g h p u t ) 和可靠性 ( r e l i a b i l i t y ) 等。 时延是分组从发送端经网络到达接收端的时间。时延越大，传输协议进行有效操 作的压力就越大； 时延抖动是端到端传输延时的变化值； 吞吐量是两端点之间能保持的最大数据传输率； 可靠性一般可看作传输系统特性，由媒体的平均出错率表示。 服务流获得一个或多个不同的参数，代表了不同类型的服务质量。为服务流提供 一定的q o s 保证，也就是保证服务流的上述参数在所期望的范围之内。 2 2 2q o s 的实现机制 互联网工程任务组( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ，i e t f ) 的q o s 技术方案主 要有综合服务资源预留( h l t s e 瓜s v p ) 、区分服务( d i f f s e r v ) 、多协议标签交换 ( m p l s ) 、流量工程( t e ) 和基于约束的寻路等。 q o s 体系结构可分为三个平面： 控制平面：处理用户服务流路径，包括准入控制、q o s 选路、资源预留等； 数据平面：直接处理用户服务流，包括缓冲管理、拥塞回避、标记分组、排队、 服务整形和分组调度等； 管理平面：处理网络的操作、运行、管理，包括服务等级协议、服务预定、计量 和记录等。 本文主要针对8 0 2 1 6 网络讨论其q o s 体系的数据和控制平面，支持综合服务 8 北京邮电人学硕上学位论文 i e e e8 0 2 1 6 网络q o s 跨层机制的分析与优化 资源预留和区分服务。 2 2 3 无线网中实现q o s 无线网络传播的开放性、环境的复杂性和终端的移动性，使得无线信道的工作状 态表现出时变和差错的特牲，其链路特性除了与天气有关以外，还受多径衰落、多普 勒效应和障碍物阻隔等影响。室内网络受家具及人体反射等多种复杂因素影响，并且 当网络拓扑或周围反射物体发生变化时，无线链路的干扰特性也随之改变。因此，无 线网络的差错特性往往变化很快髓难以预测。在无线传输中应该针对不同服务的q o s 特性采用适当的差错控翩机制。 由于无线带宽资源非常有限，提高资源利用率在无线网络设计中非常重要。但资 源利用率与q o s 保证往往是相互约束的。例如，视频和语音业务对实时性要求较高， 要求网络为其预留一定资源以保证严格的时延要求，但是资源预留可能会降低无线资 源的使用效率。因此，要灵活的控制业务对带宽的使用方法，在保证用户q o s 要求 的同时，合理分配资源，努力提高无线资源的利用率。 综上所述，在无线网络中实现q o s ，除了带宽、时延、时延抖动以外，还必须考 虑到无线链路的低可靠性、功率和缓存的限制、遴信端设备的移动性等问题，在实现 用户q o s 要求的同时，公平、有效的使用宝贵的无线资源。 2 。3i e e e8 0 2 1 6m a c 层q o s 机制分析 i e e e8 0 2 。1 6 的q o s 机制包含两部分内容【8 1 ：一是服务流管理，提供一种实现上、 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、服务流定义、分 类符和动态业务管理等，在协议中进行了详细规定；二是相应的q o s 保证枫制，包 括调度算法、缓冲管理和流量控制等，在协议中对这些算法没有定义和阐述。 目前的网络应用非常丰富，有些业务对实时性和互操作性有一定的要求。因此， 采用不同的请求轮询机制，进行区分服务对于保证不同业务的o o s 来说是非常关键 的。 2 3 1 连接与服务流 服务流( s e r v i c e f l o w