（通信与信息系统专业论文）ieee+80216系统接纳控制机制研究.pdf

摘要 宽带无线城域网i e e e8 0 2 1 6 是一个发展中的、全球的宽带无线接入技术标准， 可以很好地解决“最后一英里”的接入问题。尽管i e e e8 0 2 1 6 的m a c 层定义了较 为完善的信令交互机制、基于服务质量( q o s ) 的调度服务类型以及带宽请求授 予等机制，然而如接纳控制、分组调度算法等控制机制却交由设备提供商去实现。 接纳控制的主要任务是根据当前网络状况判决一个新的连接是否允许进入网络， 是网络资源管理机制中重要的一部分。 本文分析了i e e e8 0 2 1 6 协议和当前接纳控制领域的研究成果，利用n 8 2 仿真软 件构建了i e e e8 0 2 1 6 网络仿真平台并设计了接纳控制模块。利用该平台实现了一 种权重公平的自适应接纳控制算法，该算法通过自适应地改变接纳策略，为不同 权重的业务提供不同的接纳服务。最后从接纳率、平均降级率以及带宽利用率等 方面对该算法的性能进行了仿真分析。仿真表明该算法优先服务高权重业务流， 提高了带宽利用率，同时限制低权重业务流的接入以保证已接纳业务流的利益 关键词：i e e e8 0 2 1 6 服务质量接纳控制 a b s t r a c t t h eb r o a d b a n dw i f e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r kp r o t o c o lo fi e e e8 0 2 1 6i sa d e v e l o p i n gg l o b a ls t a n d a r df o 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 i q u e w h i c h 咖g i v ea g o o ds o l u t i o no ft h e “l a s tm i l e ”a c ( 辎i e e e8 0 2 1 6m a cp r o t o c o ld e f m e sap e r f e c t s i g n a l i n gs w i t c h i n gm e c h a n i s m , t h es e r v i c et y p e sb a s e do nq u a l i t yo fs e r v i c ea n dt h e b a n d w i d t hr e q u e s t a l l o c a t i o nm e c h a n i s m ，e t c h o w e v e rt h ec o n t r o lm e c h a n i s m ss u c ha s a d m i 锚i o nc o n t r o lm e c h a n i s ma n dp a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i s ma r el e f tt oe q u i p m e n t p r o v i d e r st or e a l j z e m a i nt a s ko fa d m i s s i o nc o n t r o lm e c h a n i s mw h i c hi sa ni m p o r t a n t p a no fm a n a g e m e n tm e c h a n i s m sf o rn e t w o r kr e s o u r c ei s t od e t e r m i n ew h e t h e ran e w c o n n e c t i o n 啪b ea l l o w e da c c o r d i n gt ot h ec u r r e n ts t a t eo fn e t w o r k t h i st h e s i sn o to n l yt a k e sa na n a l y s i sf o r t h ei e e e8 0 2 1 6p r o t o c o la n dt h ec u r r e n t s t u d y i n gr e s u l t so nt h ea d m i s s i o nc o n t r o lm e c h a n i s m , b u ta l s os i m u l a t e sa ni e e e 8 0 2 1 6e n v i r o n m e n ta n dd e s i g n sa na d m i s s i o nc o n t r o lm o d u l e o nt h i sb a s i s ，w e a c c o m p l i s h ee m p h a t i c a l l yaw e i g h t e df a i ra d a p t i v ea d m i s s i o nc o n t r o la l g o r i s mw h i c h w i l lp r o v i d ed i f f e r e n ts e r v i c e sf o rd i f f e r e n tw e i g h t so fs e r v i c e - f l o w sb ya d a p t i v e c h a n g e si na d m i s s i o ns t r a t e g y f i n a l l yw ee v a l u a t et h i sa l g o r i s mf r o mt h ea n g l e so f c o n n e c t i o na c c e p t a n c er a t i o ，a v e r a g ed e g r a d i n gr a t i oa n db a n d w i d t hu f f i i z a t i o n r a t i oa n ds oo n t h es i m u l a t i o n si n d i c a t et h a tt h ea l g o r i s mf i r s t l ys c r v o st h ef l o w sw i t h h i g hw e i g h ti no r d e rt oi m p r o v eb a n d w i d t hu t d i z a t i o n , a n dr e s t r i c t st h ef l o w sw i t hl o w w e i g h tt oe i i s u r et h ei n t e r e s t so fa l lf l o w si nt h en e t w o r k k e y w o r d ：i e e e8 0 2 1 6q o s a d m i s s i o nc o n t r o l 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 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，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 磊愈 日期兰：! ：! 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。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。同时本人保证，毕业后结合 学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：盔盔： 导师签名： 日期竺塑：! ：墨 日期! ! ：! ：! 兰 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 1 1 1i e e e8 0 2 1 6 的制定背景 在过去十几年里，通信行业得到了迅猛发展，然而“最后一英里”的接入一 直是制约通信发展的瓶颈。有线宽带接入技术，如x d s l 、c a b l em o d e m 等都取得 了巨大成功，但是由于受限于缆线资源和技术覆盖能力，全球仍有数千万用户无 法享用宽带接入服务，特别是偏远郊区。随着蜂窝无线接入技术的发展，宽带无 线接入逐渐成为用户的新选择，因此市场需求驱动了宽带无线接入技术的发展。 宽带无线城域网i e e e8 0 2 1 6 是一个发展中的、全球的宽带无线接入技术标准， 可以很好地解决“最后一英里”的接入问题。它提供了用户站和核心网络之间的 无线接入方式，例如商务大楼、飞机场、停车场、火车站、展览中心以及家庭等 地方的用户可以通过i e e e8 0 2 1 6 网络无线接入到互联网。 为了快速推广基于i e e e8 0 2 1 6 的宽带无线接入技术，确保设备的兼容性和互操 作性，几家世界知名企业发起了一个企业联盟w i m a x i 仓坛。w i m a x 的英文 全称为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 ea c c e s s ，即全球微波接入互操作性，目 前w i m a x 几乎成了i e e e8 0 2 1 6 技术的代名词。w i m a x 论坛的壮大发展以及技术 的不断成熟，强烈刺激了宽带无线接入市场，为全球宽带无线接入系统开启了一 个热火朝天的发展契机。 1 1 2i e e e8 0 2 1 6 的发展状况 i e e e8 0 2 1 6 标准规定了多业务宽带无线接入系统的空中接口，目前已经经历 了多个版本。最早的i e e e 8 0 2 1 6 标准在2 0 0 1 年1 2 月获得批准，是针对1 0 - - 6 6 g i - i z 高 频段视距( l o s ，l i n eo f s i g h t ) 环境而制定的无线城域网标准。目前所说的8 0 2 1 6 标准主要包括8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 d 和8 0 2 1 6 e 三个标准。 8 0 2 x 6 a t l j 是为工作在2 - 1 1 g i - i z 频段的非视距( n l o s ，n o n el i n eo fs i g h t ) 宽 带固定接入系统而设计的，在2 0 0 3 年1 月由髓b 批准通过。 8 0 2 1 6 d 1 2 1 是8 0 2 1 6 a 的增强型，主要目的是支持室内用户驻地设备( c p e , c u s t o m e rp r e m i s e se q u i p m e n t ) ，于2 0 0 4 年得到批准，其频率适用范围为2 1 l g h z 。 8 0 2 1 6 d 属于固定无线接入空中接口标准，本文主要针对8 0 2 1 6 , 1 标准进行研究。 2 i e e e8 0 2 1 6 系统接纳控制机制研究 8 0 2 1 6 e 【3 】是对m e e8 0 2 1 6 跏的进一步延伸，其目的是在已有标准中增加数据 移动性，在2 0 0 5 年下半年被批准，属于移动宽带无线接入空中接口标准。它适用 于2 , - 6 g h z 之间许可带宽的移动业务。 当前i e e e8 0 2 。1 6 已经发展到了8 0 2 1 6 m ，它是基于8 0 2 1 6 e 的增强版本，以适应 下一代无线通信的需求。 1 1 3 本文的研究意义 i e e e8 0 2 1 6 d 协议定义了详细的o o s 参数，包括连接和服务流的概念，4 种区分 服务的概念等。然而其资源管理控制机制，如接纳机制、时隙调度算法等却交由 设备提供商自行决定。这些控制机制的设计与实现直接关系到i e e e8 0 2 1 6 网络的 性能。因此，设计高效的资源管理控制机制显得尤为重要。接纳控制作为资源管 理机制的一部分，应能满足不同o o s 需求的分级服务，并且新接纳的流不能违背已 接纳流的o o s 要求，同时还要提供尽可能高的网络资源利用率。总之，既要接入更 多的用户使网络运营商得到更丰厚的收益，又能让这些用户享受各自应得的服务。 另外，本文的选题来自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。通过对i e e e8 0 2 1 6 协议的评估和改进， 尤其是o o s 机制，将为8 6 3 课题研究基于有线电视网的接入协议设计提供重要参考 并提供研究基础。 1 2 主要工作及结构安排 本文研究了i e e e8 0 2 1 6 系统的接纳控制机制，主要完成了以下工作： 简要阐述了i e e e8 0 2 1 6 d l 办议机制，并对已有的接纳控制算法进行了研究和 分析。 利用b s 2 仿真软件搭建了i e e e8 0 2 1 6 网络的仿真平台，在该平台上设计了接 纳控制模块；同时为了配合接纳控制算法，设计并实现了基于严格优先级 的、按队列长度比例分配的分组调度算法。这为今后继续研究其他网络的 接纳控制机制构建了一个公共的仿真平台，也为后面研究i e e e8 0 2 1 6 系统 的接纳控制机制奠定了良好的基础。 基于i e e e8 0 2 1 6 网络仿真平台，重点实现了权重公平的接纳控制算法，并 从接纳率、平均降级率和带宽利用率等方面评估了该算法的性能。该算法 通过自适应地改变接纳策略，为不同权重的业务提供不同的接纳服务。仿 真表明该算法优先服务高权重的业务流，同时按权重比例限制低权重业务 流的接入，保证已接纳业务的利益。 第一章绪论 3 本文的结构安排如下： 首先，第二章对i e e e8 0 2 1 6 d 系统的体系结构做了简要的介绍与分析。从i e e e 8 0 2 1 6 d 系统的系统架构入手，详细讲述了m a c 层的工作原理；其次，重点阐述了 i e e e8 0 2 1 6 d 协议的o o s 保证机制；最后，简单介绍了i e e e8 0 2 1 6 d 系统m a c 层( 媒 质接入层，m e d i u mc o n t r o la c c e s sl a y e r ) 对p h y 层( 物理层，p h y s i c a ll a y e r ) 的 支持，并描述了基于o f d m ( 正交频分复用，o r t 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 t i p l e x ) 的p h y 层。 第三章首先描述了与接纳控制机制相关的一些因素，它们与接纳控制算法的设 计与实现息息相关。然后分析了当前不同网络采用的接纳控制算法，并重点描述 了几个常见的接纳控制算法，包括基于参数的接纳控制算法、基于测量的接纳控 制算法和基于带宽代理的接纳控制算法以及权重公平的接纳控制算法等。 第四章详细阐述了i e e e8 0 2 1 6 仿真平台的构建和接纳控制模块的设计。首先从 整体上介绍了仿真的协议栈模型。然后从接纳和调度两个方面描述了设计的i e e e 8 0 2 1 6 模块，并指出它们与设计的接纳控制模块的关系。最后简单讲述了与接纳控 制算法配合使用的分组调度算法。 第五章是针对设计的i e e e8 0 2 1 6 仿真平台和接纳控制模块，实现了一种权重公 平的接纳控制算法。该算法优先满足高权重业务，并按权重比例限制低权重业务 的接入。然后简单介绍了仿真时设置的系统参数和业务源参数配置，并从多个方 面对该算法的接纳性能进行了详细仿真和性能分析。 第六章总结了全文，为进一步研究i e e e8 0 2 1 6 系统的接纳控制算法提出方向。 第二章i e e e8 0 2 1 6 标准的体系结构 5 第二章i e e e8 0 2 1 6 标准的体系结构 i e e e8 0 2 1 6 又称为i e e ew i r e l e s s m a n 空中接口标准。由于它规定的无线接入 系统覆盖范围可达5 0 k i n ，每基站提供的总数据速率最高可达2 8 0 m b p s l 4 j 。因此 8 0 2 1 6 技术主要应用于城域网，8 0 2 1 6 网络也称为宽带无线城域网。 i e e e8 0 2 1 6 的高性能是与其严密、完善的体系结构密切相关。本文研究的i e e e 8 0 2 1 6 d 标准定义了固定无线接入空中接口，该接口主要针对网络的底层，包括 m a c 层和p h y 层。本章将从i e e e8 0 2 1 6 d 的系统架构入手，主要描述了m a c 层、 o o s 保证机制以及p h y 层等内容。 2 1i e e e8 0 2 1 6 系统架构 图2 1 是i e e e8 0 2 1 6 规范中的参考模型，主要由m a c 层和p h y 层组成。m a c 层 又可分为三个子层。”：特定服务汇聚子层( c s ，s e r v i c e s 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 ) 、m a c 公共子层( c p s ，m a c c o m m o n p a r t s u b l a y e r ) 和安全子层( p r i v a c y s u b l a y e r ) 。下面将介绍各个予层的功能，对于安全子层本文不做讨论。 协议结柯 jl 特定服务汇聚予层 l、 。i ( c s ) l7 特定嚣妻鼽、i _ ( 二巫亘匹) 一 m c 嚣 m a c 公共部分子屈 ( m a c ( ：p s ) 懈 臂理实体 _ 捌 m a c 公共酃分子层 鼬 安垒子层 疆 r k安全子层 窿 j l n l y 物理层 。 管理实体 i p h y ) 、7 物理层 l ij r 数据胜制平面管理平面 图2 1i e e e8 0 2 1 6 参考模型 6 i e e e8 0 2 1 6 系统接纳控割机制研究 2 2 1 特定服务汇聚子层 2 2m a c 层工作原理 特定服务汇聚子层负责接收高层协议数据单元( p d u ，p r o t o c o ld a t au n i t ) ， 并将接收到的p d u 映射到m a c j 昙连接上，或者进行相反的操作。主要完成以下功 能： 接收来自上层的p d u ，并进行分类。 必要的时候对这些p d u 进行一定的处理，如压缩报头信息等。 将本层处理后生成的汇聚子层( c s ) p d i j 送往合适的m a c 服务访问点( s a p ， s e r v i c ea c c e s sp o i n t ) 。 接收来自对等实体中特定服务汇聚子层的c sp d u i e e e8 0 2 1 6 d 标准定义了两种业务的会聚处理规范：一个是面向a t m ( 异步传 输模式，a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 业务的，另一个是面向分组业务的。面向 a t m 的特定服务汇聚子层用于支持a ，r m 网络产生的a t m 协议数据单元，而面向分 组的特定服务汇聚子层主要用于一些基于分组的协议，如口协议、点对点协议 ( p i p ) 、i e e e s t d 8 0 2 3 ( 以太网) 协议等。本文只涉及面向分组的特定服务汇聚 子层。 m a cp d u 格式 每个m a cp d u 都包含一个固定长度的m a c 报头，后面紧跟的是该p d u 所携带 的净荷，即需要发送的业务数据或管理消息。净荷中可能包含一个或多个由子报 头开始的m a cs d u 或者一个s d u 分片后的数据片段。m a cp d u 净荷的长度可变。 m a cp d u 的格式如图2 2 所示。 图2 2m a cp d u 格式 有两种m a cp d u 报头格式： 通用m a c 报头：用于传输m a c 管理消息或业务数据。 带宽请求报头；用于发送数据前请求所需的带宽。 可以根据h e a d e rt y p e ( t i t ) 位来区分这两种报头格式。0 表示通用m a c 报头， 1 表示带宽请求报头。使用带宽请求报头时不能有净荷。 为了适应不同的上层应用，8 0 2 1 6 定义了6 种不同的子报头。所有的m a cp d u 都可能会插入子报头，子报头紧跟在m a c 报头之后。这6 种子报头分别是： 分片子报头：通告该子报头所携带分片的状态是不存在分片，还是最后一 个分片，或者是第一个分片，或者是中问位置的分片。 第二章i e e e8 0 2 1 6 标准的体系结构 7 授权管理子报头：其作用是由s s 向b s 发送带宽需求信息。当本子报头对 应的连接是u g s 连接时，p m 位为1 表示请求一次带宽轮询机会，s i 位为1 表示为该连接再分配额外的带宽；当对应连接不是u g s 连接时，为该连接 发送捎带请求。 打包子报头：与分片对应，通告被打包s d u 的状态信息。 a r q 反馈消息子报头：若m a c 类型域中的a r o 反馈净荷域为1 时，表示该 p d u 中包含 a r q 反馈消息。 m e s h 子报头：当节点工作在m e s h 模式时，使用m e s h 子报头。 快速反馈分配子报头：该子报头作为每个p d u 子报头的最后一个，是否支 持该子报头由具体的物理层技术决定。 分类 特定服务汇聚子层的一个重要功能就是对m a cp d u 进行分类，即将m a c s d u 映射到合适的连接上。映射过程是将一个m a cs d u 与一个连接关联，同时也 将该s d u 与该连接的服务流特性关联起来。 分类器是一系列的匹配标准，作用于所有进入8 0 2 1 6 网络的数据分组。分类器 由一些与协议相关的分组匹配标准( 如目标口地址) 、分类器优先级和一个c i d ( 连 接标识符，c o n n e c t i o ni d e n t i f i e r ) 组成。如果一个分组与一个匹配标准相匹配，那 么该分组将被映射到由该c d 定义的连接上。该连接的服务流特性提供这个分组的 q o s l 3 2 j ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) 保证。 上行链路( 从用户站到基站) 和下行链路( 从基站到用户站) 上有各自的分类 器。其中，下行分类器由b s 应用于b s 发送的分组，而上行分类器则a s s 作用于s s 发送的分组。 2 2 2m a c 公共子层 m a c 公共子层是m a c 层的主体，几乎实现了8 0 2 1 6m a c 层的绝大部分核心功 能，包括m a cp d u 的成帧与传输、系统接入、带宽分配、连接的建立和连接维护 等。除了把接收到的m a cs d u 映射到特定的连接并打包成m a cp d u ，m a c 公共 子层的最主要任务是对所传输的数据实施o o s 控制。为了有效实现这些功能，i e e e 8 0 2 1 6 系统中定义了两种网络拓扑，有效保证了传输媒质共享机制。 两种网络拓扑 这两种网络拓扑分别是点对多点( p ，) 模式和网格( m e s h ) 模式。针对不 同的网络拓扑，系统需要考虑的因素会有不同。在后续内容中，我们的研究均只 限于p m p 的拓扑结构中。 8 i e e e8 0 2 1 6 系统接纳控制机制研究 p m p 模式 i e e e8 0 2 1 6 系统中包含两种节点：基站b s ( b a s es t a t i o n ) 和用户站s s ( s u b s c r i b e r s t a t i o n ) 。根据i e e e 8 0 2 1 6 系统的定义，p m p 网络中的b s 可以同时与 多个独立的s s 进行交互，如图2 3 所示。 图2 3p m p 拓扑结构示意图 一般来说，p m p 网络中的下行链路采用广播的方式工作，s s 接收所有广播的数 据分组，并根据数据分组头部的c i d 判断接收属于自己的数据。对于上行链路，i e e e 8 0 2 1 6 系统中的所有s s 通过按需分配多址( d a m a ，d e m a n da s s i g n e dm u l t i p l e a c c e s s ) 和时分多址( t d m a ，t i m ed i v i s i o nm u l 邱l ea c c e s s ) 相结合的技术来共 享上行链路的可用资源，根据用户需求动态地改变上行信道的分配。 m e s h 模式 m e s h 模式的特点在于网状结构，数据传输可以发生在任意两个节点之间。而 p m p 拓扑中，传输只能在b s 和s s 之间进行。对于市郊等远离骨干网，有线不易覆 盖的地区，可以采用该模式扩大覆盖范围。m e s h 网络的拓扑结构如图2 4 所示。 图2 4m e s h 拓扑结构示意图 在m e s h 网络中，与外网相连的节点称为m e s hb s ，其他的节点称为m e s hs s 。 由于m c s h 网络中存在多个m e s hb s ，所以网络中的上下行链路必须相对于某一个 m e s hb s 来定义的。m c s h 网络中的所有节点都必须相互协调才能发送信息，m e s h 第二章i e e e8 0 2 1 6 标准的体系结构 9 b s 也不能例外。如果使用分布式调度，包括m e s hb s 在内的所有节点都必须在两跳 内协调调度其传输，并且必须向自己- - 1 9 i ；之内的邻节点提供其可用资源、请求、 允许等信息。如果使用集中式调度，则由m e s hb s 负责搜集所有节点的资源请求信 息，并在一定的区域内以集中控制的方式分配网络中的所有可用资源。 连接 i e e e8 0 2 1 6 系统定义的m a c 层是面向连接的，所有的数据通信都必须建立在 连接之上。连接是i e e e8 0 2 1 6 系统最基本的概念，它定义的是一组正在传输的单 向的分组数据。 每个连接有一个1 6 位的c i d 标识。在s s 的初始化过程中，b s 与s s 将建立三对 双向管理连接，这三对连接也表示了b s 与s s 的管理信息存在三种不同的q o s 。基 本连接和主要管理连接是必须的，第二管理连接是可选的。 基本连接用于b s 与s s 之间交互短的、实时的m a c 层管理信息。主要管理连接 用于b s 与s s 之间交互长的、可以容忍更多时延的m a c 层管理信息。任何管理消息 必须在管理连接上传输。而第二类管理连接被用于b s 与s s 之间传输可允许时延的、 基于标准的管理消息( 如d h c p 、1 f r p 、s n m p 等) 。第二类管理连接上传输的消 息都是基于m 包数据报格式，可能被打包或分段。 基本连接与主要管理连接都是b s 接收到s s 的初始测距请求时给s s 分配的，是 s s 完成接入过程的必备条件，因此这两个连接不可缺少。而第二管理连接是为了 传输基于其他标准协议的管理消息，而这些协议都位于m a c 层之上，对于8 0 2 1 6 来说是透明的，因此没有第二管理连接依旧可以正常实现s s ，只是不能对s s 实现 接入控制以外的其他管理功能。 m a cp d u 的成帧与传输 i e e e8 0 2 1 6 网络中传输的m a c l 噍具有特定的长度。若要承载来自高层的不定 长度的各类分组，必须在发送之前进行分片和打包操作；同时网络中的节点还必 须具备解包、解分片的能力，把高层数据还原。 分片的过程是将一个m a cs d u 划分成长度较小的片段后，形成一个或多个 m a c p d u 进行传输。一个连接所承载业务的p d u 在传输过程中是否分片是在连接 被创建的时候决定的，由b s 发起的下行连接和由s s 发起的上行连接都可能出现分 片。每一个分片在整个s d u 中的位置是在分片子报头的分段控制域( f c ) 给出的。 与分片对应，打包是指将多个s d u 并入一个p d u 中进行传输。是否对s d u 打 包也是由发送端在创建连接时决定的。 最后将打包分片后的多个m a cp d u 以串联的方式连接在一起，一并发往接收 端。图2 5 所示的就是上行链路中将多个p d u 串联在一起的情形。当然接收端在收 到多个m a cp d u 之后会进行重组，并根据每个m a cp d u 中的c i d 将正确的分组取 出交给上层。在i e e e8 0 2 1 6 系统中，不论是m a c 管理消息、用户数据还是带宽请 1 0 i e e e8 0 2 1 6 系统接纳控制机制研究 求，m a c p d u 都可以串联在一起发送。 匝理匡正巫 图2 5 串联多个p d u 2 3 m a c 层q o s 保证机制 在i e e e8 0 2 1 6 系统中，提供o o s 的基本原则是将通过m a c 层接口的分组与一 个被c i d 惟一标识的服务流相关联【3 1 1 。服务流是一组单向的具有特殊o o s 要求的分 组数据。i e e e8 0 2 1 6 网络中的b s 和s s 节点就是根据服务流所定义的q o s 参数集合 来保证q o s 要求的。 2 3 1 服务流 服务流是i e e e8 0 2 1 6 系统m a c 层提供的传输服务，其特征是由一组q o s 参数 来描述的，这些参数包括传输速率、时延、时延抖动以及吞吐量等。 i e e e8 0 2 1 6 系统中的每个连接对应着一个服务流。当一个s s 接入到系统时， 服务流就可以被指派。当s s 完成注册，连接就与服务流关联来提供请求的q o s 保证。 另外，当用户服务需求改变时，可能会建立新的连接。因此，一个连接不仅定义 了与汇聚层的映射，还定义了与服务流的映射服务流定义了传输在该连接上 的p d u 的q o s 参数。服务流提供了一种上下行链路的q o s 管理机制。 服务流和连接的关系可以这样区分。从逻辑上看，服务流和连接把m a c 分为 了两层，上层是向网络层提供服务的服务流，用于区分不同业务的o o s 需求；下层 是m a c 管理和调度的单位连接。通过服务流和连接的映射，将需求和实现联 系起来。 服务流的属性 可以用以下属性表示一个服务流： s f i d ( s e m i c ef l o wi d e n t i f i e r ，服务流标识符) ：系统都会为每一个存在的 服务流分配一个s f i d ，不同的服务流用不同的s f d 标识，并统一由b s 管理。 该s f i d 是全网唯一的。服务流的取值范围是3 2 比特。 c i d ：只有当服务流被接纳或者激活时，系统才将s f i d 映射到一个c i d 上， 此时该服务流才与由c i d 标识的连接建立一一对应关系。 预置o o s 参数集( p r o v i s i o n e dq o sp a r a m e t e rs e t ) ：由上层应用程序或外界 第二章i e e e8 0 2 1 6 标准的体系结构 1 1 系统设置。 已接纳o o s 参数集( a d m i t t e do o sp a r a m e t e rs e t ) ：该集合定义了一组q o s 参数，b s 或s s 根据这组参数进行资源的预留。 激活的o o s 参数集( a c t i v eo o sp a r a m e t e rs e t ) ：该集合定义了实际提供给 服务流的一组q o s 参数。只有激活的服务流，才可用于传输各种数据。 认证模块：a u t h o r i z a t i o nm o d u l e ，是b s 中的一个逻辑功能模块，用于同意 或者拒绝对一个服务流的q o s 参数和分类器规则的修改，即所有对服务流 o o s 参数的修改必须被认证模块验证以后才可以执行。i e e e8 0 2 1 6 系统中， 服务流的认证有两种工作模式。一种是采用系统本身预定义的认证模块， 即静态的认证模块，此时所有服务流在s s 完成初始配置的时候就已经确定， 因此系统不允许修改预置o o s 参数集，也不允许创建动态的服务流；另一种 是动态认证模式，此时认证模块通过一个独立的接口与策略服务器通信， 来决定是否接受或拒绝对服务流参数集的修改请求。 服务流的分类 i e e e8 0 2 1 6 系统中，服务流可以被预先配置，而不立即激活。也就是说，服 务流参数的描述中包含了预设的参数集，但不立即接纳或者激活该参数集。当然 b s 在接纳该服务流之前，必须通过认证模块的验证。 另外，i e e e8 0 2 1 6 系统支持两阶段的激活模型。第一阶段，系统为某个连接 建立之前预留出必需的资源。第二阶段，当o o s 参数协商完毕，系统就激活这部分 预留资源，建立实际的通信信道。因此资源预留只是其中的一个中间状态。 因此，i e e e8 0 2 1 6 系统中的服务流可以分为3 类：预置服务流( p r o v i s i o n e d s e r v i c ef l o w ) 、已接纳服务流( a d m i t t e ds e r v i c ef l o w ) 和激活的服务流( a c t i v e s e r v i c ef l o w ) 。 预置服务流：是由上层应用程序或外界系统预先配置的。b s 或者s s 都可以 激活一个预置的服务流。必须注意，服务流在激活前后将仍然使用原来的 s f l d 。 己接纳服务流：b s 可以为已接纳服务流预留一定的资源，但未激活，不能 发送数据。本文讨论的接纳控制实际上是在预留资源这个阶段进行的。如 果成功接纳了一个服务流，那么此时b s 需要为其预留一定的资源。实际上， 已接纳服务流只是服务流的一个中间状态，并未真正分配资源。 激活的服务流：是经过b s 确认的、可以对资源进行使用的服务流，此时该 服务流已经得到了传输数据所必需的带宽，可以进行数据的发送。显然， 激活服务流的激活o o s 参数集应该非空。 当然，服务流可以在预置之后直接激活，也可以动态地创建并马上激活。这两 种情况下，系统并没有严格按照两阶段的激活模型进行操作。 1 2 i e e e8 0 2 1 6 系统接纳控制机制研究 服务流的动态管理嘲 i e e e8 0 2 1 6 系统可以在任意时刻，创建、修改或删除一个服务流。这些操作通 过一组m a c 管理消息来完成，包括动态服务流创建( d s a ，d y n a m i cs e r v i c e a d d i t i o n ) 、动态服务流修改( d s c ，d y n a m i cs e r v i c ec h a n g i n g ) 、动态服务流删 除( d s d ，d y n a m i cs e r v i c ed e l e t e ) 。 动态服务流的创建 i e e e8 0 2 1 6 系统中存在两种创建服务流的方法。一种是通过预置，由上层应用 程序或者外界系统控制，建立预置服务流；另一种是通过m a c 管理消息动态地创 建服务流。本文主要是指第二种情况。当b s 或s s 有上层业务数据到达而又无法与 系统中存在的s f i d 相关联时，都必须用d s a r e q 消息向通信的接收端发出连接请 求，希望建立一个新的动态服务流。此时系统利用设计好的接纳控制模块，结合 d s a - r e q 中携带的新服务流的o o s 需求信息和当前网络的状态信息，同意或拒绝 该服务流的创建，并通过d s a - r s p 消息把接纳结果反馈给连接请求的发送方。本 文研究的接纳控制算法主要是在这里实现的。 动态服务流的修改 预置创建的服务流和动态创建的服务流都可以用d s c 消息进行修改，修改的内 容包括服务流的己接纳o o s 参数和被激活o o s 参数。d s c 消息可以修改上行或者下 行方向上的任意一个服务流 动态服务流的删除 包括预置创建的服务流和动态创建的服务流都可以用d s d 消息删除。一个服务 流被删除后，原来占用的所有资源立即被释放。删除预置服务流时，由于预置服 务流本身是由外界系统配置的，所以预置服务流的重新建立过程仍然取决于外界 系统。注意，每个d s d r e q 消息都只能删除一个服务流。当然，b s 和s s 都可以发 起删除请求。 2 3 2 服务类别 服务类别代表了m a c 调度器所支持的数据处理机制。每个连接都与一个数据 服务相联系，每个数据服务都有一组与之相关联的o o s 参数，这些o o s 参数对该服 务的行为进行了量化规定。这些参数通过d s a 、d s c 消息会话来管理。 本文研究的i e e e8 0 2 1 6 d 协议共定义了四种不同类型的调度服务：主动授权服 务( u g s ) 、实时轮询服务( r t p s ) 、非实时轮询服务( n r t p s ) 和尽力而为服务 ( b e ) 。 主动授权服务 主动授权服务( u g s ，u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e ) 主要用于支持周期性产生固 第二章i e e e8 0 2 1 6 标准的体系结构 定比特分组的实时数据业务，如没有支持静默压缩的口语音业务。b s 以强制方式 周期性地授予固定大小的带宽，不接受来自s s 的带宽请求，同时禁止使用捎带请 求。b s 将根据服务流的最大持续带宽周期性地允许终端发送数据确认突发包，其 带宽大小应足够容纳服务流的固定长度数据。 u g s 服务流的定义中必须声明的参数有最大可容忍业务速率( m a x i m u m s u s t a i n e dt r a f f i cr a t e ) 、最大时延( m a x i m u ml a t e n c y ) 、可容忍时延抖动( t o l e r a t e d j i t t e r ) 以及请求传输策略( r e q u e s t t r a n s m i s s i o np o l i c y ) 。另外，如果参数集中 存在最小可预留业务速率( m i n i m u ms u s t a i n e dt r a f f i cr a t e ) ，那么该参数值应该 等于最大可容忍业务速率。 通常情况下b s 分配给u g s 服务流的带宽不能超过激活的o o s 参数集最大可容 忍业务速率的取值，但当授权管理子报头中的s i 比特位为1 时可以例外。s i 为也称 “滑动指示位”。s s 一旦检测到该u g s 服务流的传输队列已经超过了最大长度， 就将s i 比特位置为1 。然后b s 就可以为该服务流分配额外的带宽。但额外补偿的带 宽大小不能超过原有大小的1 ，只要发送队列长度重新回到了正常范围之内，s s 必须立即将s 啦清零。实际上，这是b s 给u g s 连接分配的额外带宽进行一定的补 偿。另外，授权管理子报头中的p m ( p o l l m e ) 位还可用来为其他非u g s 连接申请 轮询。 实时轮询服务 实时轮询服务( r t p s ，r e a l - t i m ep o l l i n gs e r v i c e ) 主要用于周期性、可变分组 大小的实时业务传输情况，如m p e g 视频业务。这种调度服务允许用户指定需要的 带宽大小，该服务和u g s 相比需要更多的请求开销，但可以提供变长的数据传输， 从而优化传输效率。 b s 必须提供周期性的单播带宽请求机会，此时请求传输策略要求s s 不允许为 该类连接使用竞争请求时机来发送带宽请求。因此，使用实时轮询服务的连接只 能使用单播方式的请求机会来申请上行带宽。 r t p s 服务流的定义中必须声明的参数包括最小可预留业务速率( m i n i m u m s u s t a i n e dt r a 丘cr a t e ) 、最大可容忍业务速率( m a x i m u ms u s t a i n e d 麟cr a t e ) 、 最大时延( m a x i m u ml a t e n c y ) 以及请求传输策略( r e q u e s t t r a n s m i s s i o np o f i c y ) 非实时轮询服务 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 ) 也提供固定时间间 隔的单播轮询，因此b s 会每隔数秒或更短的时间轮询非实时连接。 b s 将为该连接提供单独请求时机来请求带宽，请求，传输策略设置应允许s s 使 用竞争请求时机来发送带宽请求，这样s s 就可以使用竞争方式、单独请求两种方 式来进行带宽请求。 在这类服务流定义中必须声明最小可预留业务速率( m i n i m u ms u s t a i n e d 1 4 i e e e8 0 2 1 6 系统接纳控制机制研究 t r a f f i cr a t e ) 、最大可容忍业务速率( m a x i m u ms u s t a i n e dt r a f f i cr a t e ) 、业务优 先级( t r a f f i cp r i o r i t y ) 以及请求传输策略( r e q u e s t t r a n s m i s s i o np o u c y ) 。 尽力而为服务 尽力而为服务( b e ，b e s te f f o a ) 的请求，传输策略设置应允许s s 使用竞争请 求时机来发