（通信与信息系统专业论文）smax系统网络性能的研究.pdf

摘要 当前w i m a x 网络管理系统实现了对被管理设备的数据采集，但是对网络资源 尚未充分利用，w i m a x 技术所独有的q o s 机制成为提高网络管理性能以及优化资 源配置新的研究热点。 论文首先阐述了w i m a x 相关的基本概念和主要网络管理技术，系统地论述了 i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 协议栈的m a c 层特点和网络管理结构与功能。针对当前w i m a x 网络管理系统网络资源利用率低的问题，对w i m a x 网络独有的q o s 机制和业务流 管理进行了比较深入的研究，设计了s m a x 网络管理系统的性能管理模块。该模 块根据用户业务的特点，在e m s 端通过业务调度将典型业务配置与用户定制配置 的业务参数映射到相应的连接；在a g e n t 端通过q o s 基本组件和q o s 配置模型的 设计以及服务流的创建，实现了b sq o s 参数集以及服务流属性的具体管理。上述 两部分共同实现了s m a x 系统的性能管理，有效提升了w i m a x 网络资源利用率， 提升了s m a x 网管系统下的网络性能。 关键字：w i m a xq o s 性能管理网络管理系统 a b s t r a c t s o m ew i m a xn e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e m sh a v eb e e ni m p l e m e n t e di nr e c e n t y e a r s ，b u tt h o s es y s t e m sj u s ta c q u i r es i m p l ed a t af r o mm a n a g e dd e v i c e s ，w h i l et h e n e t w o r kp e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o nh a sn o tb e e nd e s i g n e d t h eq o sm e c h i n a n i s ma st h e u n i q u ef a c t o ro fw i m a x h a sb e c a m ean e wr e s e a r c hp o i n tt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e o fn e t w o r km a n a g e m e n ta n dt h eo p t i m i z a t i o no fn e t w o r kr e s o u r c ea l l o c a t i o n t h i sp a p e rf i r s td i s c u s s e st h eb a s i cc o n c e p t so fw i m a xa n dt h ef u n d a m e n t a l t e c h n i q u e so f n e t w o r km a n a g e m e n t ，a n dt h e ns y s t e m a t i cd e s c r i b e st h ef e a t u r e so fm a c l a y e ro fi e e e8 0 2 16 - 2 0 0 4p r o t o c o la n dt h es t r u c t u r e so f n e t w o r km a n a g e m e n t f o rt h e p r o b l e mo f l o wu t i l i z a t i o no fn e t w o r kr e s o u r c e ，a f t e ra ni n d e p t hs t u d yo fq o s m e c h a n i s m so fw i m a xn e t w o r ka n ds e r v i c ef l o wm a n a g e m e n t ，f i n a l l yp r o p o s e sa p e r f o r m a n c em a n a g e m e n ts o l u t i o nf o rs m a xn e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e m t h i s s o l u t i o nd e p e n d so nt h ef e a t u r e so fn e t w o r ks e r v i c e o nt h ee m ss y s t e mp a r t ，i tm a p s t h et y p i c a ls e r v i c ec o n f i g u r a t i o n sa n du s e rp r e d e f i n e dc o n f i g u r a t i o n si n t ot h es p e c i a l c o n n e c t i o n st h r o u g hs e r v i c es c h e d u l e r o nt h ea g e n ts y s t e mp a r t ，t h r o u g ht h ed e s i g n s o fq o sc o m p o n e n t sa n dt h ec r e a t i o no fs e r v i c ef l o w , i ta c h i e v e st h em a n a g e m e n to fb s q o sp a r a m e rs e ta n ds e r v i c ef l o wp r o p e r t i e s a b o v et w op a r t st o g e t h e re o n s i s t i t u t et h e p e r f o r m a n c em a n a g e m e n to fs - m a xs y s t e mt h a tw i l li m p r o v et h er e s o u r c eu l t i l i z a t i o n o fw i m a xn e t w o r ka n dt h ep e r f o r m a n c eo fs m a xs y s t e m k e y w o r d ：w i m a xq o s p e r f o r m a n c em a n a g e m e n t n e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e m 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个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：互明署日期：工啪、弓、lz 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。本人保证毕 业离校后，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) 本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：2 o o 、3 z r 期：沙f0 多陟 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文的研究背景及意义 近年来，无线通信通讯技术的发展已经对各个领域中的巨大革新起到决定性的 推进作用。宽带无线接入系统具有灵活、方便、可移动性强和投资少的明显优势， 市场需求也同益增大，无线城域网的推出正是为了满足日益增长的宽带无线接入 市场需求。虽然多年来无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ，w l a n ) 技术在 技术完善和商业推广上都取得了很大的成功，但是无线局域网w l a n 在室外的 接入应用中，对于带宽和用户数方面的限制无法避免，同时存在通信距离短这个 最为严重的缺陷。为克服这个严重的问题，以i e e e8 0 2 1 6 标准所支持无线接入技 术近几年得到了充分发展，最终将有可能同时解决传输距离和服务质量的问题， 以满足宽带无线接入和“最后一公里 接入的市场需求。 全球微波接入互操作性【l j ( 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 ， 、m m a x ) 是一种宽带无线接入技术，w i m a x 接入网络能支持访问因特网的数据 传送服务以及正常的声音和图像传送。i e e e8 0 2 1 6 d 标准规范了w i m a x 固定无线 宽带网络技术及其基本结构和w i m a x 系统的各个层次的核心内容。i e e e8 0 2 1 6 d 标准只规定了w i m a x 无线接入网络中的物理层和m a c 层的规范以及w i m a x 无线网络的整体结构和框架【2 】。i e e e 8 0 2 1 6 协议是一个开放的协议，它并没有对 整体结构、框架的解决方案和技术细节做出具体的规定。然而w i m a x 技术的应 用和无线城域网的实现，需要解决那些i e e e8 0 2 1 6 d 标准尚未规定或建议的 w i m a x 网络中的众多关键技术问题。这些关键技术问题包括服务质量【3 l ( q u a l i t y o f s e r v i c e ，q o s ) 、资源调度算法【4 】、并发传输和路由建立算法等。这些问题已经成 为国内外研究课题组的研究热点和方向。i e e e8 0 2 1 6 d 标准的开放性为研究人员 提供了广阔的研究空间。 对于w i m a x 网络而言，网络优化技术对于提升网络性能显得格外重要。与其 他无线宽带技术不同，w i m a x 网络优化技术主要结合w i m a x 的两种组网方式【5 】： 一种是点到多点( p o i n t - t om u l t i p o i n t ，p m p ) 方式，一种是m e s h ( 网状) 模式。对 于这两种组网模式的网络优化，国内外研究机构主要在无线资源管理( r a d i o r e s o u r c em a n a g e m e n t ，r r m ) 和路由设计这两个方面进行研究以提高系统的性能。 由于w i m a x 所采用的先进的组网模式，对w i m a x 网络性能的研究将会在 3 g 4 g 等宽带无线接入和大范围无线覆盖领域发挥很大的作用，所以对w i m a x 2s m a x 系统网络性能的研究 网络性能的研究具有非常重要的意义，也是非常必要的。 1 2 目前相关研究现状 1 2 1w i m a x 网络性能的研究趋势 w i m a x 以其部署灵活、成本低、高速率的特点成为部署无线宽带城域网的理 想技术。作为宽带无线接入系统的标准，i e e e8 0 2 1 6 在物理层采用正交频分复用 技术和灵活的编码调制方式来提高传输速度和性能；在m a c 层采用预约与竞争相 结合的调度机制，以连接、服务流等与服务质量相关的概念为基础。在入网与初 始化、帧结构设计上优化设计，提高网络吞吐量，降低网络时延，使网络配置更 加灵活。由于w i m a x 协议体系仅对p h y 层和m a c 层进行了规定，而对网络资 源调度方面没有做出明确的限制，允许开发人员设计不同的网络优化方案。因此， 如何对w i m a x 网络资源进行调度就成为了提高w i m a x 网络性能的关键。 目前的无线网络中有多种应用，包括话音、视频以及数据，其中有的有实时性 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，因此，需要 对它们进行区分服务，这对于保证不同业务的q o s 来说是非常关键的。不同业务 的q o s 保证策略可以分为两个部分：带宽管理机制和业务流处理机制。带宽管理 机制具体包括：接入控制和资源预留。业务流处理机制具体包括：业务流分类、 分组调度、缓冲池管理、业务流监控和信道接入等。 w i m a x 技术所提供的具有q o s 保证的多q o s 服务等级的特点以及其面向连接 的特性是w i m a x 技术领先其他宽带无线接入技术的关键。这使得研究w i m a x 网 络下不同业务的服务情况成为研究w i m a x 网络性能的关键课题。目前对该课题的 研究主要集中在对w i m a xq o s 保障机制的研究【6 】、w i m a xq o s 体系结构中对业 务分类器算法的研究、轮询机制的设计、请求授权机制的研究、q o s 参数集的配置 问题以及基于q o s 保证下w i m a x 服务的应用，这些研究方向都是该领域急需解决 的问题。 在m e s h 和p m p 两种网络拓扑结构下进行的网络优化的研究主要集中在对 w i m a x 独特的q o s 特性方面。在m e s h 模式下，用户站( s u b s c r i b e rs t a t i o n ，s s ) 的q o s 请求可以与其他s s 节点和b s 节点进行交互；而在p m p 模式下，s s 只允许通 过b s 进行交互。因此，在p m p 网络模式下服务提供者可根据环境的条件通过控制 b s 来保证s s 的q o s 请求，这也是p m p 网络模式下q o s 保障机制可行性的原因。而对 于m e s h 网络架构下的q o s 保障机制的研究属于w i m a x 移动网络下的研究难点和 前沿课题，由于w i m a xm e s h 网络具有多跳的结构特点以及节点的自组织能力使 其资源调度、路由协议的设计以及结点信息传输的相互干扰成为学术研究的挑战 第一章绪论 3 性课题【7 , 8 , 9 , 1 0 。对这两个课题的深入研究，将构成w i m a xm e s h 网络中q o s 服务解 决方案的基础。 1 2 2网络管理的发展趋势 随着电信和计算机网络的不断发展，网络规模迅速膨胀，联网设备越来越来越 多样化，这就对网络管理提出了更高的要求，网络管理已经成为了网络正常运行 的关键因素。总的来看，网络管理有如下发展趋势： 综合化和智能化； 面向业务的网络管理； 以客户为中心的综合网络管理； 新的o s s ( o p e r a t i o n ss u p p o r ts y s t e m ，运营支撑系统) 。 不断增长的社会需求也使网络管理技术成为一个十分热门的技术领域，许多标 准结构、学术组织都在进行这方面的研究，提出了各种可能的网络管理方案，包 括c o r b a 体系结构、基于w e b 的网络管理和智能代理等。 网络技术的发展向网络管理提出了更高的要求，未来的网络管理将会强调综合 化管理和更好的接入控制、各管理对象之间联系的自动维持以及加强多媒体业务 功能的管理等功能。随着人工智能在网络管理中的应用，未来的网络管理系统还 将具有自学能力和自我规划的功能。 在此发展情况下，无线宽带技术与网络管理技术的结合是提高网络资源利用 率、提升网络性能、改善用户体验的主要方式。宽带网络下的网络管理将重点在 综合化和智能化以及面向业务的网络管理方向发展。不单单只进行简单的数据采 集，还需要对采集到的数据进行数据挖掘，对当前网络优化给出最优配置，甚至 动态的为用户的性能参数进行优化。 论文就是建立在w i m a x 技术与网络管理技术的基础上将两者进行结合，通过 设计面向业务特点的且具有q o s 保证的性能管理，优化目前资源利用率较低的 w i m a x 网络。在实现方面，目前用于网络管理的技术很多，常用的网络管理技术 主要有【4 8 】：基于s n m p 面向数据网和计算机网的网络管理技术、基于w 曲的网络 管理技术、基于c o r b a 面向网管系统互连的网络管理技术，以及基于t m n 面向 电信网的网络管理技术等。其中以基于s n m p 的网络管理技术应用最为广泛。目 前主流的w i m a x 网络管理系统也主要依赖s n m p 协议进行开发。因此，在s m a x 系统的开发是建立在s n m p 协议栈基础上实现的。 综上所述，结合w i m a x 网络性能特点以及网络管理技术，利用w i m a x 独有 的q o s 特性，开发具有业务特点的q o s 业务管理成为提高w i m a x 网络资源利用 率优化网络性能的一种方式。同时，如何根据用户的不同业务特点配置网络管理 4 s m a x 系统网络性能的研究 参数，优化网络资源调度，在此基础上完善网管系统数据挖掘开发出具有专家辅 助系统的智能网络管理系统的开发是提升当前无线宽带网络，特别是w i m a x 网 络性能的重要问题。随着无线城域网( w a n ) 在全世界的加速部署，特别是3 g 、 4 g 网络商用化进程的逐步提高，解决无线宽带网络资源的合理配置，将成为重中 之重。 1 - 3 论文所做的主要工作 本论文源于普罗通信公司s m a x 网络管理与网络优化项目。在该项目前期， 通过对实际设备的外场测试发现w i m a x 网络的实际性能与i e e e 8 0 2 1 6 协议的设 计性能差距较大。并且当前的w i m a x 网络管理系统虽然实现了对w i m a x 网络 全网b s s s 设备的简单管理及信息采集，但对网络资源尚未充分利用，没有对现 有网络资源进行有效管理。因此，有必要对w i m a x 网络管理系统性能优化进行 研究。 此外，在该项目中本人主要负责s - m a x 系统e m s 端的设计与实现，以及基 于该系统的网络性能优化设计。在系统设计初期，对i e e e 8 0 2 1 6 协议及其扩展协 议进行了研究，根据网管系统功能需求分别实现了s n m p 网关模块、t r a p 消息处 理模块、远程升级模块以及拓扑发现模块和性能管理模块。后期系统性能优化阶 段，深入研究了w i m a xq o s 与服务流理论，对性能管理模块进行了优化设计， 设计出具有典型业务配置以及用户业务定制功能的性能管理功能。 本文的主要工作如下： ( 1 ) 深入研究了i e e e8 0 2 1 6 协议以及相关基本概念和关键技术。 ( 2 ) 深入研究了与网络管理相关协议及技术。 ( 3 ) 深入研究了w i m a xq o s 理论及影响网络性能的主要技术，通过o p n e t 仿真软件对w i m a x 典型业务进行分析，对不同调度等级下q o s 参数的变 化情况进行分析。 ( 4 ) 设计s m a x 系统网络性能管理模块。 ( 5 ) 将网络性能管理模块应用基于w i m a x 技术的s - m a x 网络管理系统中。 ( 6 ) 实现了s m a x 网络管理系统的网关模块、t r a p 消息处理模块、远程升级 模块，优化了拓扑发现模块。 论文的研究成果已经应用于普罗通信w i m a x 微基站s - m a x 网管系统中，得 到了实际的验证和广泛的应用 第一章绪论 5 1 4 论文内容安排 本文主要分析了i e e e8 0 2 1 6m a c 层协议以及相关的网络管理技术，结合 w i m a x 独有的q o s 机制及业务流管理特点，设计了基于w i m a x 技术的网络管 理系统的性能管理模块，该模块可以通过业务定制功能对b s 、c p e 以及连接进行 业务分配，有效优化了网络资源的利用率，提升w i m a x 网络性能。本文各章节 内容如下： 第一章绪论，论述w i m a x 网络优化相关理论的研究现状，以及论文的主要 工作和论文的内容安排； 第二章i e e e8 0 2 1 6m a c 层协议及网络管理技术综述，系统论述i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 协议栈的m a c 层特点和主要网络管理技术。 第三章w i m a x 网络q o s 机制及业务流管理，重点论述i e e e8 0 2 1 6 体系框架 下对业务流的分类、业务流管理以及q o s 保证机制。对该部分的研究是提高 w i m a x 网络性能的关键。 第四章s - m a x 网络管理系统性能模块设计，详细论述s - m a x 系统性能管理 模块的设计。 第五章s m a x 网络管理系统设计与实现，详细介绍了s m a x 系统性能管理 模块的实现过程，并对s m a x 系统的结构和其他主要模块的设计以及实现进行论 述。 第六章总结与展望，对全文进行总结，并对w i m a x 网络性能提升方面的研 究进行展望。对待解决的m e s h 网络结构下q o s 保证机制等理论问题以及s m a x 系统q o s 模块的进一步优化研究进行展望，提出下一步的工作计划。 7 第二章i e e e8 0 2 1 6m a c 层协议及网络管理技术综述 2 1i e e e8 0 2 1 6m a c 层协议 i e e e8 0 2 1 6m a c 层位于物理层之上，主要为p h y 层提供信息。如图2 1 所 示，m a c 层分为特定业务汇聚子层( c o n v e r g e n c es 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 ) 、安全子层( s e c u r i t ys u b l a y e r ，s s ) - - 部分。 i 准范围| c s s a p l 。厂文岁 特定业务汇聚子层( c s ) 署 m a c 公共部分子s ( c p s ) 4 - 安全子s ( s s ) l、 四掣 传输i 聚子层( t c l ) 物理媒质依赖子层( f m d ) 图2 1w i m a x 协议栈参考模型 汇聚子层的主要功能是负责将其业务接入点( s a p ) 接收到的外部网络数据单 元( p d u ) 进行转换和映射到m a c 业务数据单元( s d u ) ，并传递到m a c 层 的s a p 。i e e e8 0 2 1 6 协议提供多种汇聚子层规范作为与外部各种协议的接口。 公共部分子层是m a c 层的核心部分，主要功能包括系统接入、带宽分配、连 接建立和连接维护、移动和切换等。公共部分子层通过m a cs a p 接收来自各 种汇聚子层的数据并分发到特定的m a c 连接，同时对在物理层上传输和调度 的数据实时进行q o s 控制。 安全子层的主要功能是提供对通信实体和业务数据的认证、密钥交换和加解密 处理等功能。 8 s m a x 系统网络性能的研究 2 2m a c 层技术特性对网络性能的影响 在i e e e8 0 2 1 6m a c 层的三层结构中，特定业务汇聚子层( c s ) 和公共部分 子层( c p s ) 对于w i m a x 网络性能以及m a c 层调度算法的设计是非常重要的。 对于w i m a x 网络性能、网络资源调度以及q o s 保障等方面的研究也主要集中在 m a c 层。下面则分别对c s 子层和c p s 子层的核心内容进行介绍。 2 2 1特定业务汇聚子层 汇聚子层的核心内容是业务分类，即将来自高层的协议数据单元( p d u ) 分类 映射到合适的连接。m a c 层的每个连接由长度为1 6 b i t 的连接标示符( c i d ) 唯一 标识，这种基于连接的机制是提供q o s 保障的基础。汇聚子层中定义了分类器 ( c l a s s i f i e r ) 的概念。分类器用于将m a cs d u 映射到合适的连接以传送到对等的 m a c 实体，映射的过程将每个进入w i m a x 网络的m a cs d u 与一个连接相关联， 同时也使每个高层数据单元与所使用的连接的服务流特性相关联。 分类器可以通过网管系统进行配置，也可以动态建立生成。动态生成的分类器 可以在终端进行网络接入和初始化过程中，通过d s cr e q 、d s ar e q 消息中的 “分类器d s c 操作”字段来实现分类器的增加、修改和删除。 每个分类器规则有一个分类器规则索引，规则的定义可以包括以上一个或多个 规则参数。每个分类器还包括一个优先级域，从低到高为0 - - 2 5 5 。如果一个来自高 层的数据包与一个分类器规则相匹配，即被分发到与该分类器对应的服务类，然 后按照调度器服务类队列优先级，通过映射具有c i d 定义的连接进行发送。当一 个数据包与多个分类器规则相匹配时，应选择高优先级的分类器。 多分类器可能作用于同一个服务流，分类器的优先级用于将分类器对数据包的 作用顺序排序，明确的排序是必须的，因为分类器的分类方法可能有重叠部分。 优先级并不一定要求唯一，但是需要避免冲突。 分类器的操作过程如图2 2 所示： 第二章i e e e8 0 2 1 6m a c 层协议及网络管理技术综述 9 1 分类器1 i 规则 i 优先级2 4 0 1分类器2 i规则 i 优先级8 8 i 1 分类器3 l规则 i优先级1 l iil 发出的数据包 图2 2 分类器模型 上述服务分类机制以及分类器模型是设计、矾m a xm a c 层资源调度算法的核 心内容。目前，已经出现了针对单一业务、混合业务的资源调度算法，以及基于 不同优先条件的资源调度算法。 2 2 2公共部分子层 i e e e8 0 2 1 6 协议的m a c 层是面向连接的，每个连接由长度为1 6 b i t 的连接标 示符( c d ) 唯一标识。在终端初始化过程中，基站和终端之间至少会建立两对管 理连接，即基本( b a s i c ) 管理连接和主( p r i m a r y ) 管理连接，也可能还需要建立 第三对管理连接，即次( s e c o n d a r y ) 管理连接，每对连接都包括下行连接和上行 连接。不同类型的管理连接具有不同的q o s 等级。 这三对管理连接的主要作用如下： 基本管理连接( b a s i cm a n a g e m e n tc o n n e c t i o n ) ：用于基站m a c 层和终端m a c 层之间交换短的、有实时性要求的m a c 管理消息。 主管理连接( p r i m a r ym a n a g e m e n tc o n n e c t i o n ) ：用于基站m a c 层与终端m a c 层之间交换长一些、时延容忍度更大一些的m a c 管理消息。 次管理连接( s e c o n d a r ym a n a g e m e n tc o n n e c t i o n ) ：用于基站m a c 层与终端 m a c 层之间传输对时间不敏感的基于d h c p 、t f t p 、s n m p 等标准的消息。 公共部分子层的主要功能如下： ( 1 ) 信道获取：m a c 层协议对s s 有一套初始化机制，s s 首先对其频率列表进行 扫描来寻找到合适的传输信道。一旦频率匹配，s s 将周期性的搜索下行信道 描述( d c d ) 消息和上行信道描述( u c d ) 消息，通过这些消息s s 可以获得 龅丽一撇- + 赢一 1 0 s m a x 系统网络性能的研究 在该信道上需要采用的调制方式。 ( 2 ) 测距与协商：当完成对测距参数的配置之后，s s 将通过扫描每一帧中的 u l m a p 消息的方式搜索测距机会。b s 通过来自s s 的测距响应计算出自身与 s s 的距离。在完成初始测距之后，终端通过发送s b cr e q 消息来通知基站 它的基本能力，包括支持的调制级别、编码方案和速率等等。基站收到 s b cr e q 后，进行能力参数对比，将双方都支持的能力参数包含在基本能力 应答消息s b cr s p 中单波告知终端。 ( 3 ) s s 认证与注册：每个s s 都含有一个数字认证证书用来建立s s4 8 - b i tm a c 地 址和公有r s a 密钥的联系。在完成了对s s 的识别之后，如果s s 被允许接入 网络，b s 将对请求产生一条认证响应应答，该应答中包含认证密钥( a k ) 和 加密的s s 公有密钥。 ( 4 ) 业务调度和q o s ：i e e e8 0 2 1 6 系统旨在提供端到端的q o s 支持能力，包括业 务流建立时的许可、会话协商以及会话建立后无线资源的分配和调度，尤其是 在移动环境下，终端从一个基站移动到另一个基站的切换过程中数据丢包和时 延必须控制在严格的范围内，切换以后q o s 能够保持不变。端到端的q o s 解 决方案包括两方面得内容：空中接口的q o s 能力和网络侧q o s 架构。 i e e e8 0 2 1 6 协议的空中接口q o s 机制在m a c 层实现，m a c 层的q o s 机 制主要包括两部分的内容：一部分是业务流管理，它提供了一种实现上、下行 q o s 管理的机制；另一部分是相应的q o s 保证机制，包括调度算法、缓冲池 管理和流量控制等。 ( 5 ) 带宽请求与分配：w i m a x 系统中上行带宽的分配和使用由基站集中管理，终 端只能在基站允许的情况下才能使用上行带宽。终端在使用上行带宽之前，必 须向基站发出带宽请求，经过基站许可后才能得到上行带宽的使用权。上行发 送的突发位置、调制和编码方式由基站在u l m a p 广播消息中通知各个终端。 终端应在获得基站允许使用的上行突发内发送带宽请求，再由基站统一进行上 行带宽的分配。 2 3 网络管理技术 目前用于网络管理的技术很多，常用的网络管理技术主要包括：基于s n m p 面向数据网和计算机网的网络管理技术、基于w e b 的网络管理技术、基于c o r b a 面向网管系统互连的网络管理技术，以及基于t m n 面向电信网的网络管理技术。 第二章i e e e8 0 2 1 6m a c 层协议及网络管理技术综述l l 2 3 1基于s n m p 的网络管理技术 s n m p ( s i m p l e n e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c o l ，简单网络管理协议) 以其简单 性、可伸缩型、扩展性、健壮性得到电信网管界的广泛认可。s n m p 的基本思想： 为不同种类的设备、不同厂家生产的设备、不同型号的设备，定义一个统一的接 口和协议，使得管理员可以使用统一的管理界面对这些需要管理的网络设备进行 管理。通过网络，管理员可以管理位于不同物理空间的设备，从而大大提高网络 管理的效率，简化网络管理员的工作。 s n m p 主要是为基于t c p i p 的因特网设计的，目前已成为网络管理方面事实 上的标准。目前的s n m p 共有v l ，v 2 ，v 3 共三个版本： v l 和v 2 都具有基本的读、写m i b 功能 v 2 增加了警报、批量数据获取、管理站和管理站的通信能力。 v 3 在v 2 的基础上增加了u s m ，使用加密的数据和用户验证技术，提高了安全 性。 另外，r m o n 是s n m p 的一个重要扩展，为s n m p 增加了子网流量、统计、分析 能力。 r m o n 提供了o s i 七层网络结构中网络层和数据链路层监视能力。 r m o n 2 提供了o s i 七层网络结构中网络层之上各层的监视能力。 2 3 2基于w e b 的网络管理技术 基于w e b 的网络管理模式( w b m ，w e bb a s e dm a n a g e m e n t ) 提供给用户熟悉 的w e b 浏览器的单一用户接口，以实现透明访问分布在因特网上的各类信息，且 易于支持多数现有标准网管协议框架，如s n m p ，c m i p 和厂家专用协议等。这种 网管系统的最大特点是在系统和网络管理中应用w e b 浏览页面作为网管系统用户 界面，不同功能的管理界面分散在多个w e b 页中，管理人员可以随时随地进行管 理。 它有两种实现方式。第一种方式是委托代理方式，即在一个内部工作站上运行 w e b 服务器( 代理) 。这个工作站轮流与端点设备通信，浏览器用户与代理通信， 代理端点与设备之间通信。第二种实现方式是嵌入式，它将w e b 功能嵌入到网络 设备中，每个设备都有自己的w e b 地址，管理员可通过浏览器直接访问并管理该 设备。在这种方式下，网络管理软件与网络设备集成在一起，网络管理软件无须 完成协议转换，所有的管理信息都通过h t t p 协议传送。 1 2s m a x 系统网络性能的研究 2 3 3基于c o r b a 的网络管理技术 c o r b a ( c o m m o no b j e c tr e q u e s tb r o k e ra r c h i t e c t u r e ) 是一个分布的处理平台， 是为解决在异构环境中的应用系统之间的互操作问题而提出的，被认为是开发分 布式管理系统的一种有效方法。这种方法允许相同的接口在不同的平台上透明的 实现，并可以通过网关的方法实现与现有协议和操作的兼容。 c o r b a 的最大优点在于增强了管理应用软件的可移植性，为编程人员提供了 与协议无关的应用编程接口，可以有效地跟踪q 3 接口标准的完善和提高。 2 3 4基于t m n 的网络管理技术 电信管理网( t m n ) 建立了一个标准的管理界面，使得对于不同的厂商、不 同软硬平台的网络产品的统一管理成为可能。t m n 是一个逻辑上与电信网分离的 网络，它通过标准的接口( 包括通信协议和信息模型) 与电信网进行管理信息的 传送和接收，从而达到对电信网进行控制和操作的目的。 t m n 对于如何构造管理系统以及管理系统之间如何实现互操作，t m n 并未深 入研究。而c o r b a 则非常适用于开放的电信市场环境下业务的快速构造及资源 和业务的有效管理。o m g ( o b j e c tm a n a g e m e n tg r o u p ，对象管理组) 建议采用 c o r b a 作为网元管理层以上的接口。因此，c o r b a 与t m n 比较起来，恰好 c o r b a 弥补了t m n 的不足。c o r b a 技术和t m n 的结合，是构建综合网管系统 的理想方案。 2 4 网络管理系统结构与功能 2 4 1网络管理软件结构 图2 3 所描述的是网络管理软件的一种普通结构。该软件可以分为三大类： 用户表示软件 网络管理软件 通信和数据库支持软件 第二章i e e e8 0 2 1 6m a c 层协议及网络管理技术综述 1 3 图2 3 网络管理系统的结构模型 ( 1 ) 用户表示软件 网络管理用户和网络管理软件之间的交互作用通过用户接口实现。这样的一种 接口是每个管理系统所必须的，它允许用户监视并控制网络。一个高效网管系统 的关键在于统一用户接口。不管是否是同一个供应商，接口在任何节点上必须是 一样的。 ( 2 ) 网络管理软件 在图2 3 中，中间的方框表示反映o s i 系统管理相对比较复杂的结构，这也是 典型的非标准网管系统。图中的网管软件被分为三层。顶层含有一系列网管应用 程序，它们提供用户感兴趣的服务，例如：故障管理、计费管理、配置管理和安 全管理等。具体的网管软件的最低级别是网络管理数据传输服务。该模块包含一 个用于在管理工作站和代理之间交换管理信息的网络管理协议以及一个应用程序 元素的接口。 ( 3 ) 通信和数据库支持软件 要执行其既定功能，网管软件需要访问一个本地的m i b 、远程代理和管理工作 站。在代理中的本地m i b 包含网络管理的信息。管理站中的本地m i b 除包含这种 具体节点的信息之外，还包含该管理站所控制的所有代理的摘要信息。 1 4s m a x 系统网络性能的研究 2 4 2网络管理系统的功能 国际标准化组织( i s o ) 定义了网络管理的五个功能域，分别是：故障管理 ( f a u l t ) 、配置管理( c o n f i g u r a t i o n ) 、账户管理( a c c o u n t ) 、性能管理( p e r f o r m a n c e ) 和安全管理( s e c u r i t y ) 。如果在网络管理中需要某个功能域的话，一般是把这些功 能域映射到这5 个功能类中。 ( 1 ) 故障管理 故障管理( f m ) 负责检测、定位和排除网络硬件和软件中的故障，增强网络 的可靠性。当出现故障时，能确认故障并记录故障。找出故障位置，对其进行隔 离、纠正和修复，确保其正常运行。要确定一个网络设备是否正常，必须知道每 个设备的“故障特征，每个设备都应该有一个预先定义好的故障门限。超出这个 门限值时发出告警提示。故障管理还应该实现故障过滤功能，对一些不需要的告 警不予提示，这可防止产生过多的故障通知，对检测定位故障带来麻烦。 ( 2 ) 配置管理 配置管理( c m ) 功能是掌握和控制物理网络的状态，包括网络内各设备的状 态及其连接关系。它又可划分成3 个子域： 互连网络状态的初始化和维护 每个网络对象的状况维护 监视网络对象之间的关系 配置管理是网络管理中非常重要的一部分，网络站点的启动与关闭、复位，系 统时间的设置和查询，系统软硬件版本的查询以及网络拓扑结构的查询等都是在 配置模块实现的。配置管理与故障管理关系密切，操作日志和运行日志用于记录 之前都进行的什么配置操作以及当前系统的运行状况。 ( 3 ) 计费管理 计费管理( a m ) 负责度量各个终端用户和应用程序对网络资源的使用情况， 为网络资源的合理分配和运行维护提供基础。计费管理一般是根据用户在网络上 的连接时间、连接跨越网络的长度、用户名和其他参数，运用各种算法来计算对 网络资源的使用。它支持对使用网络及网络资源的用户核算费用，分摊费用，收 取费用，提供帐务记录，费率设置等功能。 ( 4 ) 性能管理 性能管理( p m ) 负责测量网络中硬件、软件和媒体的性能，用来研究网络的 利用情况。它与配置管理的区别是：配置管理考虑的是互联网运行是否运行正常， 而性能管理考虑的是网络运行的好坏。性能管理主要实现两大功能监视和调 整，能够监测系统的吞吐量、利用率、错误率或响应时间等，并指出网络中哪里 的性能可以改善以及如何改善。 第二章i e e e8 0 2 1 6m a c 层协议及网络管理技术综述1 5 ( 5 ) 安全管理 安全管理( s m ) 是为了保证网络资源的安全，防止非法用户对网络资源进行 访问。主要功能包括：身份验证、访问控制、安全日志和安全告警等。它还可以 设定网络用户的访问权限和优先级并对未授权用户企图进行的不应有的操作进行 纪录。 第三章w i m a x 网络q o s 机制及业务流管理 1 7 第三章w i m a x 网络q o s 机制及业务流管理 i e e e8 0 2 1 6 系统中q o s 的核心原理是通过把m a c 层传输的数据包与一个由 连接标识符( c o n n e c t i o ni d ，c i d ) 标识的业务流( s e r v i c ef l o w , s f ) 关联起来。数据包 的业务类型和相应参数都包含在c i d 中，使得每个数据包在进行调度前具有相应 的q o s 要求。一 i e e e8 0 2 1 6 协议m a c 层对q o s 的支持分为三部分。首先创建初始业务流并 对业务流的q o s 参数进行配置。然后，对业务流进行动态管理，包括动态业务增 力l ( d y n a m i cs e r v i c ea d d ，d s a ) 、动态业务改变( d y n a m i cs e r v i c ec h a n g e ，d s c ) 和动 态业务删除( d y n a m i cs e r v i c ed e k e t e ，d s d ) 。最后，在通信过程中对m a c 层的分 组数据单元( p d u ) 进行分类，并依据业务流的类别区分优先级进行调度。 i e e e8 0 2 1 6 系统中的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。它是m a c 层的核心功能，包括 业务流分类、动态业务管理、带宽请求、轮询、带宽分配等，在i e e e 8 0 2 1 6 协议 中进行了详细规定。另部分是相应的保证机制，包括调度算法、缓冲区管理和 流量控制等。 本章首先介绍q o s 体系结构及交互机制，接下来就w i m a xq o s 保证机制、 业务流分类和业务流管理等方面进行深入论述。 3 1w i m a x q o s 体系架构及交互机制 在包括w i m a x 的无线网络中，对q o s 的支持主要在m a c 层进行，在该层对 无线资源进行管理以及与物理层进行交互。图3 1 描述了w i m a xq o s 体系结构的 主要框架【2 4 1 。 1 8 s m a x 系统网络性能的研究 a p p h c a i j 硼la p p l i c a t i o n s l 。 i s u b s c t i b e rl d o w n l i n k 曰n ，p r 簪q 让c 甜s n 。e ：u e s t 女p 耋) u 意n d w 。t i 蠢d t h p u p 。l m u i j 5 s t a r i o n _ s t a t i o n 土剐5 、