（通信与信息系统专业论文）无线宽带城域网mac层上行带宽调度的设计与实现.pdf

摘要 当今时代，科技发展日新月异。在通信领域，随着无线通信在人们生活中扮 演着越来越重要的角色，宽带无线接入技术作为其中的重要部分有着广泛的应用 前景以及巨大的发展潜力。i e e e 8 0 2 1 6 技术是一种定位于无线城域网的宽带无线 接入技术，用来解决“最后一公里”的通信要求。它可以为用户提供范围更广， 速率更高的宽带无线接入，在一些没有基础设施可用的地方这种无线接入的方式 就更灵活。由于i e e e 8 0 2 1 6 在技术上有很多优势因而得到人们的广泛关注，成为 宽带无线领域的一个研究热点。 在i e e e 8 0 2 1 6 协议中没有对带宽调度进行详细的说明，因此研究m a c 层的带 宽调度是一个很有意义的课题。基于此，论文主要对i e e e 8 0 2 。1 6 ei l a c 层协议进 行分析并研究其带宽调度架构。论文重点阐述了i e e e 8 0 2 1 6 标准的协议栈架构， 尤其是m a c 层协议。接下来简单介绍了终端侧m a c 层协议栈数据平面的实现，讨 论了有线和无线网络中常见的调度算法，分析借鉴基站侧调度架构，结合已有的 无线分组调度算法，设计了一套有效的i e e e 8 0 2 1 6m a c 层带宽调度架构。最后利 用软件n s 2 构建仿真网络，仿真研究表明，该调度架构能够保证不同业务的0 0 s 要求；同时在v c 上编写脚本，测试带宽调度模块的功能。 关键词：i e e e 8 0 2 1 6 媒质接入控制层微波接入全球互操作论坛带宽调度 a b s t r a c t n o w a d a y s ，s c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya r ed e v e l o p i n gr a p i d l y i nc o m m u n i c a t i o n a r e a , w i t hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np l a y i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l e ，b w a t e c h n o l o g yw h i c hi si m p o r t a n tp a r to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，h a se x t e n s i v ea p p l i e d f o r e g r o u n da n dh u g ed e v e l o p m e n tp o t e n t i a l i e e e 8 0 2 1 6w h i c hi sak i n do fb w a t e c h n o l o g y i su s e di nw m a n ，i t su s e df o r s o l v i n g t h e l a s to n ek i l o m e t e r c o m m u n i c a t i o nr e q u i r e m e n t i e e e 8 0 2 16c a l lp r o v i d eb w aw i t hm o r ew i d ea r e aa n d h i g h e r r a t e e s p e c i a l l y i nt h ea r e a w h e r et h e r ei s al a c ko fb a s i c i n f r a s t r u c t u r e , i e e e 8 0 2 1 6a so n ew i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g yw i l lb em o r ef l e x i b l e b e c a u s ei e e e 8 0 2 1 6h a sal o to ft e c h n i c a la d v a n t a g e s ，i th a sr e c e i v e dm u c ha t t e n t i o n f r o mp e o p l ea n di th a sb e c o m ear e s e a r c hh o t - s p o t i e e e 8 0 2 1 6s t a n d a r dd o e s n ts p e c i f yt h eb a n d w i d t hs c h e d u l i n gi nd e t a i l ，s oi t sa m e a n i n g f u lt o p i ct od i s c u s s e st h em a cb a n d w i d t hs c h e d u l i n g a c c o r d i n gt ot h i s t h e p a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h ei e e e s 0 2 1 6m a cp r o t o c o la n da n a l y z e sm a c b a n d w i d t h s c h e d u l i n ga r c h i t e c t u r e i nt h ep a p e r , t h ep r o t o c o ls t a c ka r c h i t e c t u r eo fi e e e 8 0 2 ，1 6 s t a n d a r da e l a b o r a t e df i r s t l y e s p e c i a l l yt h em a c l a y e r t h e nb r i e f l yi n t r o d u c e dt h e i m p l e m e n to fd a t ap l a ni nm sm a cl a y e rp r o t o c o ls t a c k , a n dd i s c u s s e dv a r i o u sg e n e r i c s c h e d u l i n ga l g o r i t h mi nw i r e da n dw i r e l e s sn e t w o r k n e x tt h es c h e d u l i n ga r c h i t e c t u r e o fb sa l ea n a l y z e da n dr e f e r e n c e d b a s e do i lp r e v i o u sr e s e a r c ha n d 、析t l la p p r o p r i a t e w i r e l e s sp a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m a n dt h e nd e s i g n i n g 觚e f f i c i e n tm a cb a n d w i d t h s c h e d u l i n ga r c h i t e c t u r e f i n a l l yas i m u l a t e n e t w o r kw a sb u i l d e dw i t hn s 2 ，a n dt h e s i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ea r c h i t e c t u r ec a r ls a t i s l yt h eq o sr e q u i r e m e n to fv a r i a b l e s e r v i c e a n dt e s t - s c r i p tw a sw r i t e di nv ct ot e s tf u n c t i o no fb a n d w i d t hs c h e d u l i n g m o d u l e k e y w o r d ：i e e e 8 0 2 1 6m a cw i m a xb a n d w i d t hs c h e d u l i n g 缩略语 a m c a a s b e b s b w a c e d f c l d c p s c r c c s d p s c s d f p q d s a d s c d s d e k s e r t p s e d f h a r q h c s h o i p l m d s l o s l s b m a c m i m o m m d s m s b m s n r t p s o f d m o f d m a 缩略语 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 d a p t i v ea n t e n n as y s t e m s b e s te f r o r t b a s es t a t i o n b a n d 诵d t hw i r e l e s sa c c e s s 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 加e c t i o ni d e n t i f i e r c o m m o np a r ts u b l a y e r c y c l i cm d l l i l d a n c yc h e c k c h a n n e ls t a t ed e p e n d e n tp a c k e ts c h e d u l i n g c o n v e r g e n c es u b l a y e r d e f i c i tf a i rp r i o r i t yq u e u e 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 i o n e n c r y p t i o nk e ys e q u e n c e 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 e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t h y b r i da u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t h e a d e rc h e c ks e q u e n c e h a n d o v e r i n t e r a c tp r o t o c o l 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 l i n eo f s i g h t l e a s ts i g n i f i c a n tb i t m e d i u ma c c e s sc o n t r o ll a y e r m u l t i p l e i n p u tm u l t i p l e - o 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 o s ts i g n i f i c a n tb i t m o b i l es t a t i o n 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 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 ea c c e s s 自适应调制编码 智能天线 尽力而为业务 基站 宽带无线接入 带补偿机制的e d f 连接标识 公共部分子层 循环冗余校验 基于信道状态的分组调 度 汇聚子层 亏空公平优先级队列 动态业务增加 动态业务修改 动态业务删除 密钥号 扩展实时轮询业务 最先截止算法 混合自动重传 头校验序号 切换 网际协议 本地多点分配业务 视距 最低比特位 媒质接入控制层 多输入多输出 多频段多点分配业务 最高比特位 移动台 非实时轮询业务 正交频分复用 正交频分多址 6 0 无线宽带城域网m a c 层上行带宽调度的设计与实现 p h s p h y p k m p q p d u p m p ，俨 q o s r t p s s f i d s d u s l s i s 0 s s u g s w f q w n d a x w l a n w l a n w 队n w r r w ，a n p a c k e th 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 p r i v a c yk e ym a n a g e m e n t p r i o r i t yq u e u e p r o t o c o ld a t au n i t p o l l m eb i t p o i n tt om u l t i - p o i n t q u a l i t yo f s e r v i c e 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 ef l o wi d e n t i f i e r s e r v i c ed a t au n i t s l i pi n d i c a t o r s i n g l e - i n p u ts i n g l e - o u t p u t s u b s c r i b e rs t a t i o n u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e w e i g h t e df a i m e s sq u e u i n g 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 f o r u m w i r e l e s sl o c a la l e an e t w o r k s w i r e l e s sm e l r o p o l i t a n a r e a n e t w o r k s w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k s w e i g h t e dr o u n d - r o b i n w i r e l e s sw i d ea l e an e t w o r k s 分组头压缩 物理层 密钥管理协议 优先级队列算法 协议数据单元 自我轮询比特 点对多点 服务质量 实时轮询业务 业务流标识 业务数据单元 滑动指示 单输入单输出 安全子层 主动准许服务 加权公平对列算法 微波接入全球互操作论坛 无线局域嘲 无线城域网 无线个域网 加权轮询 无线广域网 创新性说明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我 所知，除了文中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：也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了 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： 日期：咝6 堡 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证离校后。发表论文或使用 论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许 查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复 制手段保存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本人签名： m i m o ( 多输入多输出) 对于未来移动通信系统而言，如何能够在非视距和恶劣信道下保证高的q o s 是一个关键问题，也是移动通信领域的研究重点。对于s i s o 系统，如果要满足 上述要求就需要较多的频谱资源和复杂的编码调制技术，而频谱资源的有限和移 动终端的特性都制约着s i s o 系统的发展，所以m l m o 是未来移动通信的关键技 术。m i m o 技术主要有两种表现形式，即空间复用和空时编码。这两种形式在 w i m a x 协议中都得到了应用。协议还给出了同时使用空间复用和空时编码的形 式。目前m i m o 技术正在被开发应用到各种高速无线通信系统中，但是目前很少 有成熟的产品出现，估计在m i m o 技术的研发和实现上，还需要一段时间才能够 取得突破。支持m 1 m o 是协议中的一种可选方案，协议对m i m o 的定义已经比 较完备了，m i m o 技术能显著地提高系统的容量和频谱利用率，可以大大提高系 统的性能，未来将被多数设备制造商所支持。 q o s 机制 在w 1 m a x 标准中，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。w i m a x 系统所定 义的5 种调度类型只针对上行的业务流。对于下行的业务流，根据业务流的应用 类型只有q o s 参数的限制( 即不同的应用类型有不同的q o s 参数限制) 而没有 第二章i e e e s 0 2 1 6 协议标准 调度类型的约束，因为下行的带宽分配是由b s 中的b u f f e r 中的数据触发的。这 里定义的q o s 参数都是针对空中接口的，而且是这5 种业务的必要参数。 a a s ( 自适应天线) a a s 采用多根天线收发信号，利用数字信号处理技术跟踪和提取各移动用户 的空问信息，产生空间波束，达到充分利用移动用户信号并抑制干扰信号的目的。 另外，可以利用用户空间位置的不同，在同一信道中发射和接收各用户的信号， 而不会引入较大的相互干扰，从而提高系统的频谱利用率。 h a r q ( 混合自动重传) h a r q 技术因为提高了频谱效率，所以可以明显提高系统吞吐量，同时因为 重传可以带来合并增益，所以间接扩大系统的覆盖范围。在i e e e 8 0 2 1 6 e 的协议 中虽然规定了信道编码方式有卷积码( c c ) 、卷积t u r b o 码( c t c ) 和低密度校 验码( l d p c ) 编码，但是对于h a r q 方式，根据目前的协议，i e e e s 0 2 1 6 e 中只 支持c c 和c t c 的h a r q 方式。具体规定为：在i e e e 8 0 2 1 6 e 协议中，混合自动 重传要求( h a r q ) 方法在m a c 部分是可选的。r t a r q 功能和相关参数是在网 络接入过程或重新接入过程中用消息s b c 被确定和协商的。h a r q 是基于每个连 接的，它可以通过消息d s a d s c 确定每个服务流是否有n a r q 的功能 a m c ( 自适应调制编码) a m c 在w i m a x 的应用中有其特有的技术要求，由于a m c 技术需要根据信 道条件来判断将要采用的编码方案和调制方案，所以a m c 技术必须根据w i m a x 的技术特征来实现a m c 功能。与c d m a 技术不同的是，由于w i m a x 物理层采 用的是o f d m 技术，所以时延扩展、多普勒频移、p a p r 值、小区的干扰等对于 o f d m 解调性能有重要影响的信道因素必须被考虑到a m c 算法中，用于调整系 统编码调制方式，达到系统瞬时最优性能。w i m a x 标准定义了多种编码调制模 式，包括卷积编码、分组t u r b o 编码、卷积t u r b o 码、零咬尾卷积码 ( z e r o t a i l b a i t i n g c c ) 和l d p c ，并对应不同的码率，主要有1 2 、3 5 、5 1 8 、2 3 、 3 4 、4 5 、5 6 等码率。 睡眠模式 i e e e s 0 2 1 6 e 协议为了适应移动通信系统的特点，增加了终端睡眠模式：s l e e p 模式和i d l e 模式。s l e e p 模式的目的在于减少m s 的能量消耗并降低对s e r v i n g b s 空中资源的使用。s l e e p 模式是m s 在预先协商的指定周期内暂时中止s e r v i n g b s 服务的一种状态。从s e r v i n g b s 的角度观察，处于这种状态下的m s 处于不可用 ( u n a v a i l a b i l i t y ) 状态。i d l e 模式为m s 提供了一种比s l e e p 模式更为省电的工作 模式，在进入i d l e 模式后，m s 只是在离散的间隔，周期性地接收下行广播数据 ( 包括寻呼消息和m b s 业务) ，并且在穿越多个b s 的移动过程中，不需要进行 切换和网络重新进入的过程。i d l e 模式与s l e e p 模式的区别在于：i d l e 模式下m s 8 无线宽带城域网m a c 层上行带宽调度的设计与实现 没有任何连接，包括管理连接，而s l e e p 模式下m s 有管理连接，也可能存在业 务连接；i d l e 模式下m s 跨越b s 时不需要进行切换，s l e e p 模式下m s 跨越b s 需要进行切换，所以i d l e 模式下m s 和基站的开销都比s l e e p 小；i d l e 模式下m s 定期向系统登记位置，s l e e p 模式下m s 始终和基站保持联系，不用登记。 切换技术 i e e e 8 0 2 1 6 e 标准规定了一种必选的切换模式，在协议中简称为h o ( h a n d o v e r ) ，实际上就是我们通常所说的硬切换。除此以外还提供了两种可选的 切换模式：m d h o ( 宏分集切换) 和f b m s ( 快速b s 切换) 。i e e e 8 0 2 1 6 e 中规 定必须支持的是硬切换，协议中称为h o 。移动台可以通过当前的服务b s 广播的 消息获得相邻小区的信息，或者通过请求分配扫描间隔或者是睡眠间隔来对邻近 的基站进行扫描和测距的方式获得相邻小区信息，对其评估，寻找潜在的目标小 区。切换既可以由m s 决策发起也可以由b s 决策发起。在进行快速基站切换 ( f b m s ) 时，m s 只与a n c h o r b s 进行通信；所谓快速是指不用执行h o 过程中 的步骤就可以完成从一个a n c h o r b s 到另一个a n c h o r b s 的切换。支持f b m s 对 于m s 和b s 来说是可选的。进行宏分集切换( m d h o ) 时，m s 可以同时在多个 b s 之间发送和接收数据，这样可以获得分集合并增益以改善信号质量。支持 m d h o 对于m s 和b s 来说是可选的。 2 3i e e e 8 0 2 1 6 标准协议栈 i e e e 8 0 2 ，1 6 规范的协议栈模型1 s 1 1 6 1 如图2 1 所示。空中接口由物理层和m a c 层组成，m a c 层又分成y e 个子层：特定服务汇聚子层( c s ) 、公共部分子层( c p s ) 、 安全子层( s s ) 。 p h y 图2 1i e e e s 0 2 1 6 协议栈模型 第二章i e e e 8 0 2 1 6 协议标准 9 2 3 1m a c 层 w l m a x 存在两种模式：p m p 和m e s h 。p m p 和可选m e s h 模式的主要区别 就是在p m p 模式中，业务只发生在m s 和b s 之间，但在m e s h 模式下，业务通 过其它节点和b s 建立间接连接，且m s 和m s 之间可以建立直接连接。本文只 研究p m p 模式。 在p m p 模式中，有一个中心b s 和一个能够同时处理多个独立扇区的天线。 下行方向，在给定的频率信道和天线扇区内，所有的m s 可以接收相同的传输或 者是其中的一部分。b s 是下行方向上唯一的发送者。下行链路一般是广播式的。 如果在d l m a p 消息中没有明确指出下行子帧的某一部分是为某个特定的m s ， 则所有能侦听到下行子帧这个部分的m s 都将侦听。m s 将检查接受到的p d u 的 连接标识符，保留发送给自己的p d u 。 上行方向，m s 共享到b s 的上行链路。根据服务的类型不同，m s 可能得到 连续发送的权利，或者b s 在收到m s 请求之后授予它发送的权利，可以通过不 同的上行调度机制来满足每个用户应用的延时和带宽的需求。 m a c 层是面向连接的。为了映射不同类型的业务，并根据业务类型提供相 应的q o s 等级，所有的数据通信都要建立在连接的基础上。m s 和b s 之间的连 接用1 6 b i t 的c i d 来标识。在m s 初始化时有3 个管理连接被建立：基本管理连 接( 用于交互短的、实时的m a c 消息) ，主管理连接( 用于长的、非实时的m a c 消 息的传送) 和辅管理连接( 用于允许时延、基于标准的管理消息的交互) 。只有被管 理的m s 才会和b s 之间建立第二管理连接。对于无连接的i p 数据流，c i d 也可以 认为是i p 数据流的一个标识符，利用c i d 可以索引到连接的目的端以及连接相 关的信息。1 6 b i t 的c i d 允许上行或者下行方向上最多有6 4 k 条连接。 业务流提供了一种上行和下行链路q o s 管理的机制，尤其是和带宽分配过程 紧密相关。一个m s 请求上行带宽是基于某个连接，而b s 对m s 的带宽授予是 基于一个m s 连接一旦建立就需要维护，维护需求将根据连接的业务类型而变 化。连接也可能会终止，b s 或者m s 都可以发起，这种情况一般发生在一个用户 的业务契约发生变化时。 总之，p m p 模式是一种集中式网络结构，即一个b s 对应多个m s 的结构， 任何m s 需要通信都要经过b s 来传输，因此所有的通信都发生在b s 和m s 之间， 由b s 对一个扇区内的所有m s 的通信进行集中控制和管理。下行链路一般采用 广播的方式传输数据。上行链路是多个m s 共享，带宽的分配则是由b s 来负责。 2 3 1 1c s 层 无线宽带城域网m a c 层上行带宽调度的设计与实现 业务汇聚子层位于m a cc p s 之上，将所有从汇聚业务接入点( c ss a p ) 接 收到的外部网络数据转化映射成m a cs d u ，通过m a c s a p 发送给m a cc p s 。 汇聚子层主要功能是把面向连接的公共部分服务映射成标准类犁的服务。这罩有 两种主要的c s 类型：a t mc s 和p a c k e tc s 。本文只研究分p a c k e tc s 。 发送c s 负责把m a cs d u 传递到m a cs a p 。m a c 负责把m a cs d u 传递 到对等m a cs a p ，同时包含q o s 、分段、连接和其他传输功能及特定连接的业 务流特征。接收c s 负责从对等m a cs a p 接收m a cs d u 并传递到高层实体。 分组c s 负责传输所有基于分组的协议，如i p 、p p p 和i e e es t d8 0 2 3 ( 以太 网) 。分组c s 可选地支持负载数据包头压缩p h s 。p h s 通过一定规则在发送端消 除包头中的重复信息，并在接收端重构这些信息。p h s 使得包含多层报头的数据 传输更加有效。这种特性提高了带宽的利用率，对于像v o i p 这样的应用特别重 要。c s 层功能示意图如图2 2 所示。 2 3 1 2c p s 层 注：发送时根据s f i d p h s i 匹配，接收时根据c i d p h s i 匹i ! g 图2 2c s 层功能示意图 m a c 公共部分子层在不可靠的物理层m p d u 传输之上提供了可靠的、面向 连接的、有服务质量保证的分组数据业务传输。每一个连接都有与之相对应的q o s 特性，这些q o s 特性是由基站来决定的。 1 m a c p d u 与m a c 头 m a cp d u 的格式如图2 3 所示，每个p d u 开始于一个固定长度的m a c h e a d e r ，随后可能紧跟着p d u 的p a y l o a d 。如果p a y l o a d 存在，p a y l o a d 可能包含 0 个或者多个m a c 子头( m a cs u b h e a d e r ) 、0 个或者多个m a cs d u 或者s d u 的 分段。m a cp d u 是可变长的，以使它可以承载各种上层实体的业务流而无须知 道上层数据格式。m a cp d u 可能包含一个c r c 校验，对于s c a 、o f d m 和o f d m a 物理层，c r c 是必须的。 。 i e e e s 0 2 1 6 协议定义了两种m a ch e a d e r 的格式：一个是通用m a c 头格式 ( g e n e r i cm a ch e a d e rf o r m a t ) ，另一个是带宽请求头格式。通用m a c 头后边跟 着m a c 层的管理消息的内容或者是来自于c s 汇聚子层的数据。 第二章i e e e 8 0 21 6 协议标准 m a ch e a d e r p a y l o a d ( o p t i o n a l )c r c ( o p 4 j o n a l ) e k sl e n t y p e ( 6 ) f 2 )m s b f 3 ) l e nj s b | ( a )c i dn s “8 c i d b b ( 8 )h c s ( 8 l t y p e ( 3 )8 r m s h ”) b r i s i s ) c i d m s b ( 8 ) c i di s b ( 的 h c s ( 8 ) 图2 3 姒ch e a d e r 格式 其中的标志位如表2 3 所示。 表2 31 4 a ch e a d e r 格式中的标志位 标志位指示意义 c lc r ci n d i c a t o r m a cp d u 中是否包含c r c 校验 c i dc o b t ) e c t i o ni d e c p 科1 0 a d 是否加密 e k s 加密用的密钥序号 h c sm a ck 8 d 盯校验序列，为前五个字节的c r c 校验码 h t h e a d e r t y p e 。0 表示通用m a c 头，l 表示带宽请求头 l e nm a cp d u 的长度，包括头、p 掣i o 甜以及c r c t y p e ( 曲标i 舅, p d u 中是否有m a c 子头存在、以及特殊的p a y l o a d b r 申请带宽的大小 r y p t ( 3 )标识是增量请求还是总量请求 协议还定义了5 种类型的子头：m e s h 子头、分割子头、快速反馈分配子头、 准许管理子头和组包子头五种，如果同时包含分割子头和准许管理子头，准许管 理子头应该放在前面，如果包含m e s h 子头，它将位于所有其它子头之前，快速 反馈分配子头总是排在后面。m a c 头内的t v p e 字段决定了m a cp d u 是否包含 子头或包含哪些子头。五种子头中比较常见的有三种子头，分别是准许管理子头、 分割子头和组包子头。准许管理子头长度为2 个字节，被m s 用来向b s 发送带 宽管理需求。分割子头是对m a cp d u 的净荷分割时需要的。需要组包时，m a c 层将多个m a cs d u 组包进一个m a cp d u ，当这些m a cs d u 长度不同时，m a c 层会在每一个m a cs d u 前面加上组包子头。分割子头和组包子头不会同时存在 于同一个m a c p d u 之中。 2 动态业务流管理 业务流是一个提供特定q o s 的单向数据流，m s 和b s 依据为业务流定义好 的q o s 参数提供相应的q o s 服务属性，这些属性包括m s 如何请求上行带宽以及 b s 上行调度器进行相应的调度执行。一条业务流至少有一个s f i d ，3 个q o s 参 数集以及一个鉴权模块，当业务流激活或接入系统时还将分配一个c i d 。业务流 1 2 无线宽带城域网砒c 层上行带宽调度的设计与实现 的建立和业务流q o s 参数集的改变都必须通过鉴权模块。调度在q o s 保证中占 有核心地位。 业务流可以通过m a c 动态业务创建、改变或删除。动态是指这些操作在m s 与b s 的通信过程中进行，而不是在通信前建立。动态业务流创建可由b s 或者 m s 发起。由b s 发起的动态业务创建请求( d s a r e q ) 消息将包含一个上行链路或 下行链路业务流的s f i d ，还包含与其关联的c i d 以及一组已接纳或激活的q o s 参数。由m s 发起的d s a r e q 消息将包含业务流参考( s f r ) 和q o s 参数集，s f r 用于将分类器与业务流联系起来。 动态业务流改变由b s 或m s 发起，在动态业务改变请求d s c r e q 消息中必 须使用s f i d 指定要改变的业务流。d s c 过程既可以改变指定业务流的q o s 参数， 也可以增加、删除或替换该业务流的分类器。当d s c 过程使激活q o s 参数集由 “空”变为“非空”或者由“非空”变为“空”时，可实现其激活或去激活业务 流功能。 所有的业务流都可以由b s 或m s 发起的d s d 过程删除，某业务流一旦被删 除，与其相关的所有资源都释放。如果某m s 的基本业务流已经删除，该m s 必 须重新注册鉴权。通常情况下，d s d r e q 用s f i d 来指定要删除的业务流。当 m s 发起的d s a 过程出错而发起d s d r e q 时，由于b s 还没有为该业务流分配 s f i d ，d s d r e q 消息使用s f r 来指定要删除的业务流。 3 调度和服务质量保证 i e e e 8 0 2 1 6 终端中包含一个调度器，其决定什么时候发送什么类型业务。基 站侧调度器响应用户站的带宽请求消息，通过调度或轮询上下行数据传输来决定 如何满足每个连接的q o s 要求，然后终端侧在基站分配的带宽条件下，根据自己 的调度算法发送业务。i e e e s 0 2 1 6 没有定义具体的调度算法实现。 上行连接通过轮询来获得信道的接入，每个上行连接可应用5 种预定业务类 型，每种类型决定了调度器不同的轮询方式。 2 3 1 3s s 层 m a c 层包含一个单独可选的安全子层来提供链路加密，身份验证和数据完 整性保护，也可以进行用户授权来控制网络的接入以防止服务的冒用。i e e e 8 0 2 1 6 通过加密m s 和b s 之间的连接给用户提供秘密接入固定宽带无线网络的能力， 此外b s 通过加密相关的业务流禁止未经授权的访问，还给运营商提供强大的防 盗用功能。 i e e e 8 0 2 1 6 标准的安全子层定义了两部分内容： 加密封装协议 该协议负责加密接入固定b w a 网络的分组数据，定义了加密和鉴权算法，以 第二章i e e e s 0 2 ，1 6 协议标准 及这些算法在m a cp d up a y l o a d 中的应用规则( 加密只针对m a cp d u 中的 p a y l o a d 部分，m a ch e a d e r 不被加密) 。 密钥管理协议( p k m ) p k m 负责从b s 到m s 之间密钥的安全分发，m s 和b s 之间密钥数据的同步， 以及b s 强迫接入网络业务。p k m 采用服务器客户机模型，m s 作为客户端来请 求密钥，b s 作为服务器端响应m s 的请求并授权给m s 唯一的密钥。p k m 使用 c p s 子层中定义的m a c 管理消息来完成上述功能。p k m 支持周期性地重新授权 及密钥更新机制。p k m 使用x 5 0 9 数字证书( i e t fr f c3 2 8 0 ) 、r s a ( r i v e s t - s h a m i r - a d l e m a np u b l i c k e ys y s t e m ) 公钥加密算法和强对称算法进行b s 与m s 之间的密钥交换。通过使用基于数字证书的认证方式，进一步加强了p k m 的安全性能。 2 3 2物理层 i e e e 8 0 2 1 6 标准根据不同的应用情况划分了不同的物理层。单载波( s c ) 物 理层主要面向1 0 6 6 g h z 的系统，在设计该系统时，频谱效率和高容量不是主要 考虑的因素。o f d m 物理层系统的设计则适用于1 2 5 m h z 到3 5 m h z 的窄信道带 宽上。o f d m a 物理层系统设计是用于从i 2 5 m h z 到2 0 m h z 的可扩展f f t 的信 道。 i e e e8 0 2 1 6 e 的物理层实现方式与i e e e8 0 2 1 6 d 是基本一致的，主要差别是 对o f d m a 进行了扩展，可以支持2 0 4 8 点、1 0 2 4 点、5 1 2 点和1 2 8 点，以适应 不同地理区域从2 0 m h z 到1 2 5 m h z 的不同载波带宽的需要。 在三种物理层制式中，o f d m a 更适合移动信道，因为它能够向多个用户灵 活分配子载波。o f d m a 在部署时，通过采取特定的方式，有可能实现频率复用 系数为1 ，将大大简化组网时对频率规划的要求。 i e e e 8 0 2 1 6 e 采用o f d m a 时，具有如下优点： 通过采用可扩展的o f d m a ，可以支持多种信道带宽； 当采用o f d m a 时，有可能实现频率复用系数为1 ： 较高的频谱效率，如d l 及u l 上所用的子信道化模式，在各子载波级分 配中具有最大灵活性： o f d m a 中子载波在子信道中的分配无需邻接，有利于实现频率分集； 支持对每帧子载波级的传输进行优化的功率控制。子载波具有正交性，无 需像在c d m a 系统中那样严格控制功率。 1 4 无线宽带城域网m a c 层上行带宽调度的设计与实现 2 4 业务类型介绍 作为最后一公里的宽带无线接入系统，i e e e8 0 2 1 6 标准在其m a c 层上为各 种上层业务提供q o s 保证机制。调度服务代表了m a c 调度器所支持的用于在上 行连接传输数据的处理机制，每个传输数据的连接要有一个业务流与之对应，该 业务流可以用一系列q o s 参数来描述，每个业务流会对应一种调度业务。根据业 务的不同属性及需求，协议在上行方向将它们分为四种不同等级的业务调度类型： 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 ) ，实时轮询业务( r t p s ：r e a l t i m e p o l l i n gs e r v i c e ) ，非实时轮询业务( 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 ) 和尽力而 为业务( b e ：b e s te f f o r t ) 。为支持移动性，在i e e e 8 0 2 1 6 e 标准中增加了一种业务 扩展实时轮询业务( 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 ) 。 2 4 1 主动授权业务 u g s 主要用于实时性非常高的业务，并且此类业务是周期性( 周期在几个毫 秒到几十个毫秒) 产生定长数据包，如无静音压缩的v o i p 。b s 根据业务的周期 和数据包长定期提供固定大小的带宽给用户，从而减小了m s 为该业务请求带宽 的开销和延时，确保业务对实时性的要求得到满足。b s 将根据最大持续传输速率 定期向m s 提供传输数据的突发i e 。i e 中分配的带宽大小应能足够容纳动态业务 流所规定的数据长度和m a c 层开销。图2 7 说明了u g s 上行带宽分配机制。b s 在分配带宽时要分配较大的带宽给对应连接，同时考虑其时延要求，需要在请求 传输策略中规定该连接不允许使用竞争方式发送带宽请求。u g s 必须的q o s 参 数如下：最大持续传输速率，最大时延，可容忍抖动，请求，传输策略如果最小预留 传输速率需要给出，那么其值应该与最大持续传输速率相等。 在u g s 中还用到了m a c 层数据包的分配管理( g m ) 子头，主要是m s 用它来 向b s 传递u g s 服务的相关状态。g m 的最高位是错位指示符( s i ：s l i p i n d i c a t o r ) ， 在实际运行过程中，业务的数据传输速度可能因为时钟偏差在某一时刻超过q o s 所规定的最大持续传输速率，这时数据就会堆积在m s 本地等待发送的数据队列 中，或者m s 接收m a p 发生错