（通信与信息系统专业论文）ieee+80216系统的qos机制研究.pdf

摘要 作为一种新兴的网络技术，m e e8 0 2 1 6 因其高效的性能和低廉的成本而被认 为是替代传统接入手段的有效技术。然而，随着v o i p 、视频会议、网络游戏和流 媒体等新型多媒体业务的普及，影响i e e e8 0 2 1 6 协议开展应用的一个因素便是如 何为不同类型的业务提供多样化的q o s 保证。尽管为不同业务定义了不同的调度 服务类型，但是如何根据调度服务类型而进行有效的资源管理，i e e e8 0 2 1 6 协议 却没有指明。 针对这一问题，本文首先在对i e e e8 0 2 1 6 协议和当前研究分析的基础上，提 出了一个涵盖调度算法、接纳控制和队列管理等算法的q o s 保障体系结构，并为 该体系结构中的上行请求授权调度模块设计了三种调度算法：基于最早时限优先 算法的轮询算法( e b r r s a ) 、基于时间界限的0 n o f f 调度树算法( d b o s i a ) 和基于令牌环的轮询算法( t b r r s a ) 。随后，基于上述的q o s 保障体系，本文在 n s 2 网络仿真器中实现了包含有上述三种上行请求授权调度算法的e e8 0 2 1 6 q o s 仿真模块。通过使用该仿真模块，本文对上述三种上行请求授权调度算法进 行了性能评估。通过仿真分析本文得出如下结论：从综合性能上来讲，基于时间 界限的o n d f f 调度树算法( d b o s t a ) 是上述三种调度算法中最优秀的。 关键字：i e e e8 0 2 1 6 服务质量调度算法 a b s t l a c t 舢姐e i i l e 哂n gt e c l l n o l o g y ，i e e e8 0 2 1 6i sa n t i c i p a t e dt ob eav i a b l ea l t e m a t i v et 0 仃a d i t i o n a la c c e s st e c l l n i q u e sd u et 0i 乜h i 曲p e r f b r i n a n c e 卸dl o wc o s t b u tp r 0 v i d i n g q l l a l i 哆o fs e r v i c cf o rd i v e f s ea p p l i c a t i o m w h i c hi s n e c e s s a r yt os u p p o f tn e w 脚l 石m e d i aa p p l i c a t i o n ss u c h 嬲v o i c eo v e ri p ( v 0 i p ) ，v o i c ec o n f e r e n c e ，o n l i n eg a t i l i n g a n d 咖1 t i m e d i as 仃c a m i n g ，i sa 删t ec h a l l e n g i n gp r o b l e mt ot h ed e p l o ) r m e n to fi e e e 8 0 2 1 6 a l t h o u 曲s e v e m ls c h e d u l i n gs e r v i c e sf o rv 撕o i l s 印p l i c a t i o 璐h a v eb e e nd e f m e d i ni e e e8 0 2 1 6s 诅1 1 d a r d ，h o wt oi m p l 锄e n te f r e c t i v er e s o u r c em a n a g e m e n td e p e n d i i l g o nm e s es c h e d u l i n gs e n ，i c e sd o e sn o tb ed e s i g n a t c d t os o l v et h i sp r o b l e m i nm i sm e s i s ，an e wq o sa r c h i t e c t u r ew h i c hc o n t a i n s s c h e d u l i n gm o d u l e ，a d i n i s s i o nc o n 仃o lm o d u l ea n dq u e u em a n a g e i n e n tm o d u l e ，i s p r o p o s c df i r s t l yb 勰e d t l l ed e t a i l e ds t u d yo fm e e 8 0 2 1 6a n dr e c e n tr e s e a r c ho nm e q o so fi e e e8 0 2 1 6 b a s e do nt h i sq o sa r c h i t c c t u r e ，t h e 吐l c s i ss m d i e so u tt h r e e s c h e d u l i n gs c h 锄e sf o r t h eu p l i n kr c ( 1 u e s “g r a n ts c h e d u l i n gm o d u l e ：e a r l i e s td e a d l i n e f i r s tb a s e dr o u n dr o b i ns c h e d u l i n ga l g o r i t h m ( e b r r s a ) ，d e a d l i n eb 解e d0 n 0 f f s c h e d u l i n g1 b ea l g o r i t h m ( d b o s t a ) 锄dt b k e nr i n gb a s e dr o di 己o b i ns c h e d u l i n g a l g 嘶m m ( t b r r s a ) s u b s e q u e n t l y ，a c c o r d i n gt o t t l i sq o sa r c h i t e c t u r em e n t i o n e d a b o v e ，an s 2s i n m l a t i o nm o d u l ew h i c hi n c l u d e sm r e es c h e d u l i n ga l g o r i t l l l 郴a b o v ei s d e v e l o p c d w i mt h i ss i n l u l a 6 0 nm o d u l e ，t h ep e r f o i m a i l c eo ft h e s et l r e ea l g o r i t h 】m si s e v a l u a t e d f i n a l l y ，b ys i m u l a t i o n 锄l y s i s ，i ts h o w sm a td b o s t a h 解t h eb e s ti n t e g r a t e d p e r f o 咖a n c e 锄o n gm e s et h r e es c h e d u l i n ga l g o r i t h m s k e y w o r d s ： i e e e8 0 2 1 6 ，q u a l i t yo fs e r v i c e ，s c h e d u l i n ga l g o r i m m 西安电子科技大学 创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，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己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。 西安电子科技大学 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：亟2 邀 导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究工作的背景和意义 近年来，由于通信网络的蓬勃发展，为了让更多的用户享受更好的服务，一些 新兴的标准与技术，像x d s l 、c a b l em o d e m 、8 0 2 1 1 ，w i f i 、3 g b 3 g 、h i p e r 【a n 和i e e e8 0 2 1 6 m m a x ，在不断的更新与演进，其中，作为新一代的宽带无线接 入技术，i e e e8 0 2 1 6 被认为是4 g 时代的核心技术【l 】a m e e8 0 2 1 6 【2 】是i e e e ( i n s t i t u t co f e l e c t r i c a la n de l e c n d n i c se n g i n e e r s ，电气和 电子工程师协会) 制定的无线城域网( w i r e l e s sm e 仃o p o l i t a na r e an e 柳o r l 【s ， w m a n ) 传输标准，从网络服务的角度来讲，i e e e8 0 2 1 6 是一种可以同时支持音 频、视频和数据的综合业务传输平台。 在提供业务方面，i e e e8 0 2 1 6 具有明显的优势： ( 1 ) i e e e8 0 2 1 6 同时支持f d d ( f r e q u c n c yd i “s i o nd l l p l e x ，频分双工) 和 t d d ( t i m ed i v i s i o n d u p l e x ，时分双工) 两种双工方式，当网络工作在t d d 方式 时，网络能够根据上下行数据量灵活的分配带宽； ( 2 ) 瑾e e8 0 2 1 6 采用的o f d m ( 0 r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l c x i n g ， 正交频分复用) o f d m a ( o n l l 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 ，正交频 分多址接入) 技术具有较高的频谱利用率，可以提供更高的数据带宽； ( 3 ) i e e e8 0 2 1 6 采用的按需分配带宽资源的方式更加适合于数据业务所采用 的包交换方式； ( 4 ) i e e e8 0 2 1 6 为不同类型的业务定义了不同的服务类型，可以为用户提供 多样化的服务质量( q u a l 埘o fs e n r i c e ，q o s ) 保证。 然而，通过i e e e8 0 2 1 6 开展多媒体业务，需要解决的问题是确保网络端到端 的q o s ，以使用户获得满意服务的同时又能有效地利用网络资源。目前，许多标 准组织和设备制造商都在进行这方面的研究和开发，其主要研究方向分两大部分： ( 1 ) 空中接口q o s 技术 i e e e8 0 2 1 6 d 和i e e e8 0 2 1 6 e 标准定义了空中接口物理层和媒体接入控制层的 规范，为实现q o s 配置了完整的信令体系、定义了基于q o s 的调度服务类别和相 应的带宽请求分配运行等机制，但是有关如何实现q o s 管理的一些细节算法( 调 度算法、接纳控制和队列管理等) 并没有给出说明。目前，大多数针对i e e e8 0 2 1 6 q o s 的研究都集中在这个方面。从当前的研究现状来看，这些研究主要集中在对 调度算法、接纳控制算法、q o s 参数映射、数据流整形等问题的设计和实现上。 i e e e8 0 2 1 6 系统的q o s 机制研究 ( 2 ) 端到端的q o s 架构 i e e e8 0 2 1 6 标准没有定义端到端的q o s 机制，作为i e e e8 0 2 1 6 的推广组织， w i m a ) 【( w o r l di n t e m p e r a b i l 埘n 叫m i c r o w a v ea c c e s s ，全球微波接入互操作性) 【3 】 将i e e e8 0 2 1 6 核心网络的承载划分成无线承载和i p 传输承载两部分，前者通过 i e e e8 0 2 1 6 空中接口的机制提供服务，后者则采用i p 网络技术来保证0 0 s 。近来， 有关对端到端q o s 架构研究基本上集中在i m s ( i pm u l t i m e d i as u b s y s t e m ，i p 多媒 体子系统) 【4 】同i e e e8 0 2 1 6 网络的融合问题上。 虽然有关i e e e8 0 2 1 6q o s 确保问题的研究很多，但是，这些研究要么集中在 体系的设计，要么设计的算法过于复杂难以实现，所以，到目前为止，仍然没有 一个简单高效、能够广泛使用的解决方案，因而，设计并实现一种简单高效的q o s 确保解决方案具有较高的应用价值。 此外，本文所做工作基于国家高技术发展计划( 8 6 3 计划) 课题：利用有线电 视网带外信道的多业务宽带接入网技术研究。该课题所设计的h i n o c ( h i g l l p e r f o r m a n c e n e 柳o r k o v e r c a b l e ，基于有线电缆的高性能网络) 协议在网络模式上 同i e e e8 0 2 1 6 的基于t d d 的p m p ( p o i n tt 0m u i t i p o i n t ，点到多点) 网络相似， 因此，为给该课题的研究提供重要参考并奠定理论和实现基础，对i e e e8 0 2 1 6 协 议q o s 确保机制进行研究和改进有着重要的意义。 1 2 本文主要工作和内容安排 本文主要是针对i e e e8 0 2 1 6 空中接口的q o s 技术进行研究，对端到端的q o s 架构不做讨论。在本文中，论文首先介绍了i e e e8 0 2 1 6 协议的相关概念，阐述了 i e e e 8 0 2 1 6 协议中有关q o s 确保的相关机制，如服务类别的划分，带宽请求授权 机制和信令交互机制等。 其次，在总结现有i e e e8 0 2 1 6q o s 实现方案的优缺点的基础上，本文提出了 一种新的q o s 确保体系结构，并为该体系结构中的上行请求授权调度模块设计了 三种调度算法：( 1 ) 基于最早时限优先算法的轮询算法( e a r l i e s t d e a d l i n e f i r s tb a s e d r o l l n dr o b i ns c h e d u l i n g a l g o r i t h r n ，e b 峪a ) ；( 2 ) 基于时间界限的0 n 0 f f 调度 树算法( d e 棚i n eb 硒e d0 n o f fs c h e d u l i n gt r e e a l g o r i t l l i n ，d b o s t a ) ；( 3 ) 基于 令牌环的轮询算法( t 0 k 鼬n gb 勰e dr o 衄dr o b i ns c h e d u l i n ga l g 耐t l l i n ， t b r r s a ) 。 随后，依据所提出的q o s 架构和e b 鼬峪a 、d b 0 s 1 a 和t b r r s a 三种算法， 本文在n s 2 ( n e t 、 ，o r ks i m u l a t o r - 2 ) 仿真平台中实现了一个较为完整地i e e e8 0 2 1 6 仿真模块。在实现仿真模块的过程中，本文首先分别为基站( b 勰es 切矗o n ，b s ) 和用户( s u b s c 曲e r ，s s ) 设计了媒体接入控制( m c d i a a c c e s sc o n n d l ，m a c ) 的 第一章绪论 状态转移图，然后为实现连接信息的有效管理而设计了基于“池”的信息管理策 略( p o o lb a s e di n f o 衄t i o nm 锄g e m e n t p b i m ) ，最后对其它算法，比如队列管理 算法、发送调度、上行帧划分和业务产生模型等，进行了选择和设计。 最后，为综合考察算法的基本性能和扩展性能，本文分别在业务均衡场景下和 业务非均衡场景下对e b r r s a 、d b o s t a 和t b 鼬塔a 三种算法的时间复杂度、吞 吐量、服务率、丢包率、公平性和时延等性能指标进行了仿真分析。通过仿真， 本文发现，从吞吐量、服务率、丢包率、公平性和时延等性能指标角度考虑，在 均衡场景中，e b r r s a 、d b o s l a 和t b 砌峪a 算法的性能基本相近，但在非均衡 场景中，t b r r s a 算法的性能稍逊于e b i 汛s a 和d b 0 s 1 a 算法，而从算法复杂 度的角度考虑，e b r r s a 算法最为复杂，d b o s t a 算法次之，t b r r s a 算法最低。 所以，根据仿真结果，本文得出结论，d b 0 s t a 算法是e b r r s a 、d b o s t a 和 t b 砌峪a 三个算法中的最优算法。 本文以下内容的安排如下： 在第二章，本文主要是对i e e e8 0 2 1 6 空中接口规范进行介绍，重点介绍了 i e e e 8 0 2 1 6 协议的背景、物理层工作原理和m a c 层工作原理。 在第三章，本文首先讨论了i e e e8 0 2 1 6 协议中规定的用于实现q o s 管理的基 本机制，其次介绍了当前有关i e e e8 0 2 1 6 q o s 管理的研究进展，再有描述了本文 所提出的用于q o s 管理的算法体系架构，最后陈述了e b r r s a 、d b o s l a 和 t b r r s a 三种算法的设计原理和详细流程。 在第四章，本文重点介绍了m e e8 0 2 1 6 协议仿真模块的设计和实现，首先介 绍了m a c 协议的设计，其次讨论了p b i m 算法，最后讨论了队列管理算法、发送 调度、帧划分和业务源模型等其他用于仿真模块的辅助算法。 在第五章，本文主要是对e b 鼬峪a 、d b o s t a 和t b r r s a 三种算法的仿真性 能进行分析，文章首先对业务均衡场景和业务非均衡场景进行了定义，再有规定 了仿真过程所考察的六种性能指标：时间复杂度、吞吐量、服务率、丢包率、公 平性和时延，随后详细分析了e b r r s a 、d b o s l a 和t b r r s a 三种算法的性能， 最后给出了仿真分析的结论。 第二章正e e8 0 2 1 6 系统概述 第二章i e e e8 0 2 1 6 系统概述 i e e e8 0 2 1 6 是i e e e 制定的城域网传输标准，该标准定义了城域网范围无线接 入的空中接口标准。本章将对该空中接口规范进行简单的介绍。具体内容分三个 部分：发展概述、物理层基础和m a c 层工作原理。 2 1i e e e8 0 2 1 6 协议简介 1 9 9 9 年，i e e e 成立了8 0 2 1 6 工作组来专门研究宽带无线接入技术规范【5 】，到 目前为止，i e e e8 0 2 1 6 工作组已经制定了一系列的宽带无线接入规范，其中最为 成熟的两个协议是：8 0 2 1 6 d 陋】和8 0 2 1 6 e 【7 】o8 0 2 1 6 d 是一个可运营在2 “6 g h z 频 段上的固定宽带无线接入空中标准，而i e e e8 0 2 1 6 e 则在m e e 8 0 2 1 6 d 的基础上 加入了切换的特性来支持终端移动特性。 一个完整的8 0 2 1 6 d 系统应包含的网络实体有：用户设备( u s e re q u i p m e n t ， u e ) ，用户站( s u b s c m e rs t a t i o n ，s s ) ，基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 和核心网。图 2 1 是一个完整的i e e e8 0 2 1 6 d 网络模型。 游牧用户站 拳 用户设备 站 图2 1 i e e e8 0 2 1 6 d 组网模型 i e e e8 0 2 1 6 d 协议定义了两种网络结构：点到多点( p m p ) 结构和网格( m e s h ) 结构。在p m p 结构中，一个基站为多个用户提供服务，从基站到用户站的链路称 为“下行链路”，从用户站到基站的链路称为“上行链路”，业务仅仅在基站和用 户站之间传送，基站控制所有的通信和资源分配。而在m e s h 网中，网络中的业务 可以直接在用户站之间进行传送。 i e e e8 0 2 1 6 系统的q o s 机制研究 i e e e8 0 2 1 6 系列标准定义的空中接口由物理层和媒体接入控制层组成，其参 考模型如图2 2 所示。由图2 2 可以看出，i e e e8 0 2 1 6 d 的m a c 又可以划分为三 个子层：面向业务的汇聚子层( 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 n p a r ts u b l a y e r ，c p s ) 和安全子层( s e c 谢t ys u b l a y e r ，s s ) 。其中，m a cc s 通过 c ss a p ( s e n ，i c e a c c e s sp o i n t ，服务访问点) 为上层网络实体提供服务，而m a cc p s 则通过m a cs a p 为m a c c s 提供服务。 ：一一一一一一一一一一一一- | | _ 面向业务的 一_ _ _ l - l i 汇聚子层 c s 管理实体 卜 - 滓 - - 一坚垒竺i 垒! 卜一 i l i 网 络 m a c 公共部分子层b 一州 c p s 管理实体管 _ 理 ；l | 安全子层i l安全予层 i 系 i 统 ：物理层 卜_ p h y 管理实体 | 1 i数据控制平面 管理平面 图2 2i e e e8 0 2 1 6 d 协议模型 m a cc s 层的功能是提供从c ss a p 接收到的外部网络数据到i e e e8 0 2 1 6 d 内 m a c 业务数据单元( s e i c ed a t au n i t ，s d u ) 之间的转换或映射。为完成两者之 间的转换或映射，c s 子层应该能够对接收到的外部s d u 进行分类，并将该s d u 与相应的连接( c o 衄e c t i o n ) 和服务流( s e n ，i c ef l o w ) 建立映射关系。如有必要， 还可以增加报头压缩等功能。m a c 的c p s 子层是i e e e8 0 2 1 6 提供q o s 保证服务 的关键。c p s 子层实现了所有m a c 层的核心功能：上行业务类型的划分、带宽资 源的调度、系统接入、服务流的接纳控制、带宽的请求分配、连接的建立和维护、 初始测距以及周期性测距等等。m a c 的安全子层是一个相对独立的模块，该子层 主要具备鉴权、安全密钥交换和加密解密的功能。 2 2w i r e l e s s m a n o f d m 基础 在i e e e8 0 2 1 6 d 中，标准定义了四种物理层实现方式：w i r e l e s s m a n s c 、 w i r e l e s s ma n s c a 、w i r e l e s s m a n 0 f d m 和w i r e l e s s m a n o f d m a ，其中o f d m 和0 f d m a 是8 0 2 1 6 d 协议优先考虑的方式。 i e e e8 0 2 1 6 d 协议的p h y 规定了2 种双工方式：f d d 和t d d 。在f d d 模式 中，上行和下行链路使用不同的频率同时传送。对于t d d 方式，上下行发送发生 在不同的时间，一般使用相同的频点。t d d 帧的长度固定，包含一个上行及一个 第二章正e e8 0 2 1 6 系统概述 7 下行子帧，一个数据帧被分成多个物理时隙( p h y s i c a ls l o t ，p s ) ，这样便于带宽分 配，t d d 帧的上下行各占多少时长可以通过一个系统参数进行自适应调整。 在t d d 方式下，下行通信采用t d m ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，时分复用) 的方式将发向不同s s 的数据按不同的突发复用到下行信道上，而上行通信则采用 按需分配多址( d e m a n d a s s i 驴e d m u l t i p l e a c c e s s ，d a m a ) 的方式让不同的s s 共 享上行信道。 为了灵活应用时间资源，i e e e 8 0 2 1 6 对基于o f d m 的数据帧进行了特殊的设 计。w i r e l e s s m a n 0 f d m 规定，所有的物理p d u ( p r o t o c o ld a t au n i t ，协议数据 单元) 均由一个前导( p r e a m b l e ) 和一个或多个突发( b u r s t ) 构成，前导是一组 特殊的序列，主要用于物理层时间的同步和参数的校正，突发是具有相同调制要 求的m a cp d u 相互串联构成的数据传输块。 在双工方式为t d d 和网络模式为p m p 的情况下，w i r e l c s s m a n o f d m 的数 据帧结构如图2 3 所示。 时间 第n - l 帧 f 第n 帧 l第n + l 帧 下行子帧上行子帧 下行物理m u ii 初筹剽带喜剽专黧产1 i 篙嚣 前导i 帧控锘i 头l 下行突发# lj 下行突发# 2 | 下行突发# mj 前导i 上行突发 下行帧前缀i 广播消息lm a c p d u s d lm a p ，u lm a p d c d ，u c d m a c p d u l l 【m a c p d u ni 填充 6 字节m a cl 负荷( p 2 0 4 8 字节) lc r c 图2 3 基于t i ) d 的w i r e l s o h ) m 数据帧结构 由图2 3 可以看出，每一个i e e e8 0 2 1 6 d 的物理数据帧都以一个长型( 两个 0 f d m 符号) 的前导开始，在前导的后面是一个f c h ( f r 锄ec o n 咖lh e a d e r ，帧 控制头) 突发。f c h 中承载了一个d l f p ( d a w n l i n kf r a m ep r e f i x ，下行数据帧前 缀) 数据结构，该数据结构包含了在f c h 后是否跟随有d lm a p ( d o w n l i n k m e d i a a c c e s sp 1 a n ，下行媒体介入规划) 、u lm a p ( u p l i n l 【m e d i aa c c e s sp l 孤，上行媒 体接入规划) 、d c d ( d a w n l i n l 【c h 锄e ld e s c p t o r ，下行信道描述符) 和u c d ( u p l i n k c h 锄e ld e s c r i p t o r ，上行信道描述符) 的消息。在广播帧之后的突发，都是发往每 i e e e8 0 2 1 6 系统的q o s 机制研究 个s s 的数据。在上行数据帧部分，首先开始的是竞争时隙：初始测距时隙和带宽 请求时隙，紧跟初始测距时隙和带宽请求时隙的是每个s s 发往b s 的数据。 2 3i e e e8 0 2 1 6m a c 层工作原理 2 3 1 连接和服务流 连接是i e e e8 0 2 1 6 系统中特有的概念，是i e e e8 0 2 1 6 寻址和资源管理的基 本单位。从性质上讲，连接可以认为是b s 和s s 之间某一方向上的某一逻辑通道。 连接通过连接标识符( c o 皿e c t i o ni d e n t i f i c r ，c i d ) 来表示。 在s s 进入网络进行初始化的这段时间内，s s 将和b s 之间建立三组管理连接： 基本管理连接、主要管理连接和次要管理连接，这三组连接在s s 从入网到离开网 络期间始终不变。不同于其他连接，比如传输连接等，这三组连接是双向的。 在i e e e8 0 2 1 6 中，另一个同连接密切相关且极为重要的概念是服务流。一个 服务流一般具有以下的属性：s e r v i c ef 1 0 wi d 、c i d 、预置q o s 参数集、接纳q o s 参数集、激活q o s 参数集、认证模块等。 在i e e e8 0 2 1 6 协议中，一个服务流便代表了某一条具有某种q o s 特征的业务。 这个业务既可以是由运营商按用户需求所预先规定的“订单”，也可以是根据需求 动态创建的服务。服务流的传输需要连接的承载。 2 3 2 分组汇聚和分类 i e e e8 0 2 1 6 的分组汇聚子层的主要作用是将到来的上层数据包进行分类。分 类是将一个m a c 层s d u 映射到一个特定的连接上的过程，并同时建立了那个连 接同某一服务流的关联。分类的过程是由分类器完成的，分类器是一系列的、应 用到每个进入8 0 2 1 6 网络的分组的规则。一般来讲，每一个分类规则都包含三个 方面：用于特定协议的匹配规则，一个匹配优先级和一个c i d 。如果某一个分组 能匹配分类器中定义的某一规则，它将被传送到m a cs a _ p ，并在由该c i d 标记的 连接上进行传输，此外，与该连接相关联的服务流定义了该分组的q o s 要求。 另外，如有必要，分组汇聚子层还将对s d u 的报头信息进行压缩，此外不对 s d u 做其他的处理。然后，发送端的汇聚子层会将处理好的p d u 即m a cs d u 传 送到m a cs a p 。m a c 负责将m a cs u d 传送到对等层的m a cs a p ，接收端的分 组汇聚子层负责接收来自m a cs a p 的m a cs d u 并将其还原给上层实体。 第二章i e e e8 0 2 1 6 系统概述 9 2 3 3m a c p d u 格式 在i e e e8 0 2 1 6 中，每个m a cp d u 都包含一个固定长度( 6 字节) 的m a c 报头，后面紧跟的是m a cp d u 净荷( 0 2 0 4 8 字节) ，净荷可能包含o 或多个子头 和o 或多个m a cs d u 数据和或分段。由于净荷的长度是可变的，因此m a cp d u 可以直接封装变长的字节流。这使得m a c 协议能够在不知道上层消息格式和比特 排列的情况下，提供各种高层业务的透明传输。 此外，在i e e e8 0 2 1 6 中，m a cp d u 分为两类，一类是通用m a cp d u ，用 来传送m a c 管理消息和m a cs d u ，另一类是带宽请求m a cp d u ，此类m a c p d u 仅仅含有带宽请求报头而不含有净荷。 2 3 4m a c 服务原语 服务原语是下层协议实体给上层服务提供的信息交换接口。在分层协议体系 中，上层实体只能看见服务而无法看到下层协议，对上层实体来讲，下层协议是 透明的。在i e e e8 0 2 1 6 的m a c c s 层同m a c c p s 层之间，c p s 为c s 提供了两 类原语：一类用于连接服务流的创建、修改和删除，另一类用于数据传输。 2 3 5 带宽请求和分配 在p m p 系统中，所有带宽资源的使用都是由b s 集中管理的，当s s 有业务发 送时，s s 需要向b s 提出带宽使用申请，经b s 审查后授权一定量的带宽给s s 来 进行业务传输。 在i e e e8 0 2 1 6 中，带宽请求可以以两种方式出现：单独的带宽请求报头和捎 带请求。其中，带宽请求报头是8 0 2 1 6 系统必须支持的，捎带请求是可选的。 由于在8 0 2 1 6 物理层中采用了自适应调制编码( a d a p t i v em o d u l a t i o na n d c o d i n g ，a m c ) 技术，对于上行链路来讲，其突发配置是可变的，因此所有请求的 带宽大小应根据承载m a c 报头( 6 字节) 和净荷( 可变长度) 需要的字节数来计 算，而不能使用具体的物理带宽。 带宽请求可以是增量的，也可以是总量的，带宽请求报头中的“类型”域指明 了当前请求是增量的还是总量的。由于捎带请求没有类型域，因而捎带请求总是 增量的。但是由于带宽请求丢失等原因，b s 会做出错误的授权，为了保证带宽请 求的准确性和有效性，8 0 2 1 6 规定，s s 必须周期性的进行总量带宽请求。 对于s s ，带宽请求针对的是单个连接，但是对于b s ，带宽的授权针对的是s s 的基本c i d ，这种授权模式称为g p s s ( g r a n tp e rs s ) 。不同于对每个连接进行带 i e e e8 0 2 1 6 系统的q o s 机制研究 宽授权g p c ( g 啪tp e rc o n e c t i o n ) 模式，g p s s 方式具有很强的灵活性：b s 会汇总s s 上所有连接的带宽请求，统一在u lm a p 中指明该s s 的上行发送间隔， 至于s s 如何有效的使用这个间隔则由s s 自身的发送调度来决定。 尽管带宽请求消息可以在除初始测距间隔外所有的上行发送区间发送，但是带 宽请求的发送时机必须是由b s 专门分配。b s 为s s 分配用于带宽请求的时隙的过 程叫做“轮询”。这个分配可能是针对单个s s ( 单播轮询) ，也可能是针对一组s s ( 组播轮询) 或全部s s ( 广播轮询) 。这个分配不是以一个明确的消息发送给s s ， 而是通过u lm a p 来为s s 分配足够的带宽来发送带宽请求。另外，拥有活动的、 带宽足够的u g s 连接的s s 不能被b s 单播轮询，除非u g s 数据报头中的p m ( p o l l m e ) 位被激活。当轮询针对组播或广播c i d 时，从属于该轮询组的s s 可以在分 配给该轮询组的请求间隔中的任何时隙发送带宽请求，由于存在多个s s 同时发送 带宽请求的可能，因此每个s s 都应当具有竞争处理的能力。在8 0 2 1 6 d 中，协议 规定的竞争处理算法是二进制指数退避算法。 第三章e e8 0 2 1 6 的q o s 管理 第三章i e e e8 0 2 1 6 的q o s 管理 由于为不同应用定义了多样化的服务类型，i e e e8 0 2 1 6 被认为是能够实现多 媒体有效传输的技术之一，但是如何根据服务类型而进行有效的q o s 管理，却是 i e e e8 0 2 1 6 开展应用的难点。在本章中，论文首先对m e e8 0 2 1 6 协议中的q o s 机制进行了介绍，随后针对当前研究进行了分析，最后讨论了本文提出的q o s 确 保体系和关键算法。 3 1i e e e8 0 2 1 6q o s 系统的结构 i e e e8 0 2 1 6 是一种可以同时支持音频、视频和数据的综合业务传输平台。为 了保证不同业务的多样化q o s 要求，i e e e8 0 2 1 6 定义了一个用于保障业务服务需 求的q o s 体系【8 】，其整体结构如图3 1 所示。 基站( b s )用户站( s s ) 连接请求 “ 焦挚警型、i i 应甩，业务 j 数据流一 连接响应 分类器上行请求授权调度 用于u g s 服务流的 上行调度 999 璺盆9兮白 带宽请求 8 0 2 1 6 已经定义 u uu uuu uu _ l l l l 一 用于n p s 、n r p s 和b e u g 寅8 服务流的上行调度 一度器o 一 ( du lm a p 8 0 2 1 6 没有定义 i 数据包t 图3 1 i e e e8 0 2 1 6q o s 体系结构 在该体系中，i e e e 8 0 2 1 6 标准为多样化的应用定义了四种具有不同q o s 要求 的服务类型，分别为： ( 1 ) 主动授权服务( u n s o l i c i t e dg m n ts e r 、r i c e ，u g s ) u g s 服务用于支持实时的、固定速率的数据流的传输，如t 1 厄l 、v b i p 。此类 服务的强制的q o s 参数包括最小保留带宽、最大持续带宽、最大时延、s d u 大小、 容忍的抖动、请求传输策略( r c q u e s 仉 m n s m i s s i o np o l i c y ) 等。 ( 2 ) 实时轮询服务( r e a l t i m ep o l i i n gs e n ，i c e ，r t p s ) 1 2i e e e8 0 2 1 6 系统的q o s 机制研究 r t p s 主要是用于支持实时的、固定间隔的、变长数据包的业务流的传输，如 m p e g 视频业务、带有静默压缩的v o i p 等，强制的q o s 参数包括：最小保留带宽、 最大持续带宽、最大时延、s d u 大小、容忍的抖动、请求传输策略。 ( 3 ) 非实时轮询服务( n o n r e a l t i m ep o n i n gs e r v i c e ，n n p s ) n n p s 用于支持变长数据包的、可以容忍一定时延的数据流的传输，如f t p 下 载、w 曲浏览等，其强制的o o s 服务流参数包括：最小保留带宽、最大持续带宽、 服务优先级、请求传输策略等。 ( 4 ) 尽力而为服务( b e s t e 筋r t ，b e ) b e 用于支持没有带宽或时延要求的数据流的传输，如t e l n e t 和e m a i l 等，强 制的q o s 参数包括：最大持续带宽、服务优先级、请求传输策略等。 3 1 1i e e e8 0 2 1 6 中的调度服务 调度服务是解决多个业务竞争资源问题的有效手段，是将传输带宽在用户之间 公平分配的过程【9 】。 在i e e e8 0 2 1 6 中，m a c 控制和管理网络资源的单位是连接，所有数据都是 在与其关联的连接上进行传输的，每一个连接都与一个单独的服务流相关联，每 一个服务流又与一系列的q o s 参数相关联，这些q o s 参数确定了上层数据服务的 特性。 在i e e e8 0 2 1 6 中，调度被划分为两个模块： ( 1 ) 发送调度( o u t b 0 1 l n d 仃a n s m i s s i o ns c h e d u l i n g ) 发送调度由b s 的下行或s s 的上行发送模块实现，其功能是将连接承载的数 据发送到特定的帧或分配的带宽中。对于每一个活动的服务流，当发送调度工作 时，除了调度程序可能需要考虑的一些因素外，以下的一些因素也都将会被考虑 在内：调度服务类型、q o s 参数值、可以发送的数据、准许的带宽大小等。 ( 2 ) 上行链路请求授权调度( u p l i n i 【r c q u e s 姆a n ts c h e d u l i n g ) 上行链路请求授权调度仅仅在b s 实体中实现，目的是为每一个下属的s s 提 供上行传输带宽或请求带宽的机会，通过指定一个调度服务类型并关联相应的q o s 参数，b s 调度程序可预期上行业务吞吐量及时延需求，并在合适的时机提供轮询 和或授权。 在i e e e8 0 2 1 6 的o o s 保证体系中，协议仅仅为u g s 流的传输定义了上行链 路请求授权调度规则，而对于r 田s 、n n p s 和b e 流并没有明确的规定出上行调度 的具体方案，这些业务流的调度方案是留给厂商来规定的。但是，针对带宽请求 方式、是否允许带宽抢占和轮询规则，i e e e8 0 2 1 6 给出了明确的规则，表3 1 总 结了这些规则。 第三章i e e e8 0 2 1 6 的q o s 管理 表3 1 上行调度服务和使用规则 调度类型捎带带宽请求带宽抢占轮询 u g s不允许不允许p m 被用来为非u g s 连接请求一次单播轮询 r c p s允许允许只允许单播轮询 通过传输请求策略，调度可以将一个业务流限 n r 口s允许允许 制为单播轮询，否则允许所有轮询方式 b e允许允许 允许所有轮询方式 注：传输请求策略是位于“服务流参数集”的参数，主要规定了服务流的以下特性：是 否允许使用广播带宽请求机会( 仅上行) 、是否允许使用捎带带宽请求( 仅上行) 、是否允许 分段、是否允许包头压缩( p h s ) 、是否允许打包等。 3 1 2i e e e8 0 2 1 6 中的接纳控制 接纳控制是有q o s 要求的网络系统中的重要组件，当处于重负载的情况下， 网络需要接纳控制去根据系统的运营状况来决定是否让新的通信连接进入系统， 用