（通信与信息系统专业论文）ieee80216协议带宽调度架构的研究.pdf

重庆大学硕+ 学位论文中文摘要 摘要 近年来，信息产业飞速发展，随着人们对多媒体业务的需求越来越大，无线 通信技术的应用也越来越广泛，宽带无线接入技术作为无线通信技术的重要组成 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，它可以为用户提供范围更广，速率更高以及更灵活的 宽带无线接入。i e e e 8 0 2 1 6 协议的空中接口由物理层( p h 和媒体接入控制( m a c ) 层组成。其中m a c 层是面向连接的，不同类型的业务连接对网络有不同的服务质 量( q o s ) 要求，网络为不同的用户提供相应的q o s 保障，实现q o s 保障的关键之 一就在于m a c 层的带宽调度，是否能够采用一种有效的m a c 层带宽调度架构( 包 括合适的调度算法以及调度策略) 是非常重要的。由于在已有的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。 围绕着8 0 2 1 6 协议带宽调度的问题，论文首先介绍了各种无线接入技术的特 点和i e e e 8 0 2 1 6 标准的产生背景及研究现状。然后介绍了8 0 2 1 6 协议的整体结构， 重点研究了m a c 层协议三个子层中的公共部分子层。接下来，论文讨论了有线和 无线网络中常见的调度算法，分析了各种算法的性能特点，并对无线环境下的调 度算法性能进行了比较。随后，论文研究了8 0 2 1 6 协议中的q o s 架构以及架构中 所定义的各类业务流，分析了各类业务流的的特点及应该使用的调度策略，并且 研究了以往主要的几种调度架构。 最后，在上述研究的基础上，论文设计了一种高效的，能更好的满足实时业 务q o s 要求的基于g p s s ( g r a n t sp e rs u b s c r i b e rs t a t i o n ) 方式的联合带宽调度架 构。该调度架构基于g p s s 带宽授予方式，采用基于业务流优先级的联合调度策略， 在结构上主要包括上行业务调度器和映射器两个部分，主要应用于要求系统快速 响应的实时业务( 特别是对时延敏感的硬实时业务要求带宽高) 多的系统中，它 可以为8 0 2 1 6 的q o s 架构中定义的各种不同类型的业务提供相应的q o s 保障，并 且能够更好的为实时业务服务，不过对于低优先级的非实时( 如b e ，b e s te 硒r t ， 尽力而为 ) 业务来说，该调度架构损失了一定的公平性。仿真实验结果表明，与以 往的调度架构相比，该调度架构可以更好的满足8 0 2 1 6 标准中实时业务的q o s 要 求，能明显的降低实时业务的时延和丢包率。 关键词：e e 8 0 2 1 6 ，调度算法，g p s s 方式，联合调度 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t r e c e n t l y ，w i t h n l e r a p i dd e v e l o p m e n t o fi i l f o m a t i o n i l l d u s 仃y ，、析r e l e s s c o m m u n i c a t i o ni s p l a y i n g m o r ea n dm o r c i r n p o r t a i l t r o l ei i l p e o p l e s l i v e s ，b w a ( b r o a d b a n d 、) l ，i r e l e s sa c c e s s ) t e c l l n o l o g yw l l i c h i sa ni i l l p o r t a n t p a r to f 、杌r e l e s sc 0 m m u i l i c a t i o nt e c l l o l o g ya l s oh 强e x t e n s i v ea p p l i e df o r e 毋_ o m l d 舡l dh u g e d 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 16i sak i n do fb w at e c l l n o l o g yw h i c hi su s e di l l w m a n ( w i 】旧l e s sm e 仰p o l i t a na r e an 咖r k s ) ，i tc 趾p r o v i ( i eb w a w i t l lm o r e 、析d e a r e a 锄dl l i 曲e rr a t e a so n e 埘r e l e s s c e s st e c l l i l o l o 既i t 丽ub em o r ef l e x i b l e e s p e c i a l l yi na r e aw h e r em e r ei sal a c ko f b 撕ci n 觚t m c t l 鹏i e e e 8 0 2 16s t a i l d 矾 s p e c i f i e sm ea i rm e r 胁e ，m l u d i n gt h ep h y s i c a l ( p h l a y e ra l l dt l l em e d i 啪a c c e s s c o n 缸o l ( m a c ) l a y e r t h em a cl a y e ro fi e e e8 0 2 1 6i sc o i l 芏1 e c t i o n - o r i e n t e d ，r v i c eo f v a r i o u st y p e sh a sd i f | f e r e n tq u a l i t ) ro fs e n ，i c e ( q o s ) p a r 锄e t e r ，s ot l l em a cl a y e rc 锄 p r o v i d eq o s 目场r a n t e ef o rd i f r e r e n ts e i c e s b a i l d 谢d ms c h e d u l i n gi 1 1m a cl a y e ri s o n eo ft h em o s ti m p o r t 觚tp a r ti i li i i l p l e m e n t i i l gq o s 舒删e e ，s o 、_ h e m e r 锄e 艏c i e n t m a cl a y e rb 锄d 晰d t hs c h e d u l i n ga r c l l i t e c t l l 倚_ i n c l u d i n gt l l ea p p r o p r i a t es c h e d u l i n g a l g o r i t l l i n 锄ds c h e d u l i n gs 仃a _ t e g y c a nb eu s e di sv e r yi i l l p o r t a i l t i e e e8 0 2 16 s t a j l d a r dd o e s n ts p e c i 匆t h eb a i l 捌d t l ls c h e d u l i n gi i ld e t a i l ，s oi t i sam e a m n g m lt o p i ct 0 d i s c u s st h em a cl a y e rb a n d 、 ，i d t l ls c h e d u l i n g a m u n dt l l eq u e s t i o no fb 锄d 晰d ms c h e d u l i n gf o r8 0 2 16p r o t o c a l ，m ep 印e r m t r o d u c e dc l l m a c t e r i s t i c 锄dd e v e l o p m e n t 订e n do fv a r i o u sw i r e l e s sa c c e s st e c l l i l o l o g i e s a n dn l eb a c k g r o u n da n dr e s e a r c hs t a t u sf o ri e e e 8 0 2 16s t ；眦d a r df i r s t l y a n d 廿l e n “ 协n d d u c e dt h eo v e r a l ls n 眦t u r eo f8 0 2 16p r o t o c a l ， f o c u s e so nc o m m o np a r t s u b l a y e f ( c p s ) w l l i c hi so n eo fm et h i e es u b l a y e r si l lm a c1 a y e rp r o t o c a l 1 1 1 ep 印e r d i s c u s s e dt h ec o m m o ns c h e d u l i n ga l g o r i 岫i i l 谢r e dn e t w o r k 锄d 诵r e l e s sn e 帆o r k 鲫d 肌a l y z e dt l l ep e r f o n n a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u sa l g o r i t h m s 锄dc o m p a r e dt l l e p e r f o m a n c eo fv a r i o u sa l g o r i t h m si i lw i r e l e s sn 咖r kn e x t l y t h e nt h ep 印e rs t u m e d t l l eq o sa r c h i t e c t u r ea i l ds e n r i c eo fv a r i o u st y p e sd e f m e db yq o sa r c m t e c t l 鹏a n d 趾a l y z e dt l l ec h 蹦蛾耐s t i c so ft l l es e r v i c eo fv a r i o l l st y l ) e sa n dw t l i c hs c h e d u l i n g s 仃a t e g ys h o u l db eu s e d t h ep 印e ra l s os t u d i e ds o m ei n l p o 吨m ts c h e d u l i n ga r c l l i t e c t u r e i i l 廿l ep a s t a tl a s t ，c o r d i i l gt oa b o v er e s e a r c h ，t l l ep 印e rp r o p o s e d 锄e m c i e mi m e 伊a t e d b 锄d 丽d t l ls c h e d u l i i l ga r c l l i t e c t u r eb 硒e do ng r a n t sp e rs u b s c r i b e rs t a t i o n ( g p s s ) 1 1 重庆大学硕士学位论文英文摘要 w h i c hc a nm e e tt h eq o sr e q u i r e m e n t so fr e a l t i m es e r v i c eb e t t e r t h es c h e d u l i n g a r c h i t e c t u r ew h i c hm a i n l yi n c l u d e su p s t r e 锄s c h e d u l e ra n dn l a p p e ri sb a s e do n g p ssb a n d w i d t hg r a n tm o d ea n da d o p t si i l t e 黜ds c h e d u l i i 培s 仃a t e g yb a s e do nm e p r i o r i 够o fv a d o u ss e r v i c en o w s i ti sm a j l l l yu s e di i lt l l es y s t e mw m c hi i l c l u d e sm 孤l y r e a l t i r n es e r v i c e 卜- e s p e c i a l l yw h e nl l a r dr e a l - t h es e r v i c ew l l i c hi s d e l a y - s e l l s i t i v e r e q u i 】旧m o r eb 觚d 埘d m t h es c h e d u l i i l ga r c h i t e c t u r ec 锄p r o v i d et l l ea p p r o p r i a t eq o s 酊l a r a l l t e e sf o rt h e i c eo fv 2 i r i o u sd i 仃i e r e n t 咖e sw b j c ha r ed e f i n e db y 廿l eq o s a r c k t e c t u r e 锄ds e r v i c er e a l t i l l l es e r v i c eb e t t 既h o 、e v e r ，i tl o s es o m eo ff a i n l e s sf o r 1 1 0 n - r e a l 一缸争咯u c ha sb e s te 仃o r t ( b e ) _ s e r v i c e 、) ，i ll o w e rp r i o r i t y t l l es i r n u l a t i o n r e s u l t sd e m o n s 洲m a tt l l ep r o p o s e ds c h e d u l i n ga r c h i t e c t u r ec a nm e e tt h eq o s r e q u i r e m e n t so fr e a l _ t i m e s e r v i c eb e t t e rc o m p a r e dw i t hp r e v i o u s s c h e d u l i n g a r c h i t e c t u r e i tc a nr e d u c ed e l a ya n dp a c k e tl o s sr a t eo fr e a l - t i m es e r v i c e s o b v i o u s l y k e y w o r d s ：i e e e 8 0 2 16 ，s c h e d u l i n ga l g o r i t l n ，g p s sm o d e ，i n t e g 哪e ds c h e d u l i n g i i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的石疋 士 学位论文 兰照鲤鱼丛幽莞i 圈堑袅趱蠡篮盛是夏不又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的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。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作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 敏飘 导师始鼻t 文 签字日期：髀月乡f 3 签字日期：p 彳二5 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程以- 下简称“章程，) ，愿意将本人的互红学位论文工 臣鲤堕继虹垒耋鬈魈! 铲骐 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n ) 在中国博士学位论文全文数据 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n l ( i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名： 鱼垫童鱼 导师签名： 景孓文 州年6 月s 日 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书 ，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至 年月日。 说明：本声明及授权书：q 呸装订在提交的学位论文最后一页。 重庆大学硕士学位论文l 绪论 l 绪论 1 1 课题研究背景与意义 1 1 1 课题研究背景 近年来，信息产业飞速发展，随着人们对多媒体业务的需求越来越大，无线 通信技术的应用也越来越广泛。宽带无线接入技术作为其中的重要组成有着广泛 的应用前景以及巨大的发展潜力。无线接入技术相比于有线接入技术更加灵活， 借助无线网络，任何人可以在任何时间任何地点进行通信。 目前宽带无线接入的发展还不是很理想，虽然g p r s ( g e n e m lp a c l 啾黜l d i o s e n ，i c e ，通用分组无线服务技术) 和c d m a 2 0 0 0l x 都可以提供移动上网，即将在中国 大规模商用的3 g 也支持高速分组数据传输，但是由于各种因素，发展还是比较缓 慢，为了提高传输速率、满足海量数据业务的需要，3 g 向宽带无线接入系统的增 强和演进工作已经在世界范围内开展，相关的标准化工作也已经全面展开。如何 支撑高速数据传输、保证无缝漫游和切换、提供不同业务的服务质量( q o s ) ，是宽 带无线接入系统的研究重点。 宽带无线接入技术种类很多，下面介绍几种主要的宽带无线接入技术。 在无线个域网方面的标准有i e e e8 0 2 1 5 ，它的主要目的是用于近距离设备 之间的通信。目前8 0 2 1 5 中的两种主要技术包括蓝牙和超宽带( u w b ) 。开发蓝牙 是为了要用一种小型且成本低的无线技术连接各类数字化信息设备。超宽带技术 曾主要应用于军事领域，它可以在近距离范围内提供高速率的数据传输，因此， 它在无线个域网领域有很大的发展空间。总之，通过无线个域网技术可以将笔记 本电脑、智能移动电话、p d a ( 掌上电脑) 等便携和移动的数字化信息设备联系起来 形成无线网络。 在无线局域网方面目前应用最广的标准就是i e e e8 0 2 1 1 ，无线局域网是对 有线局域网的扩展，无线的方式比有线的方式更加灵活方便，并且价格低廉，易 于安装和维护。8 0 2 1 1 用于解决“最后1 0 0 m ”的通信要求，尤其是一些基础设施不 足的地方，它可以应用于高速的因特网接入、企业网、校园网及驻地网。随着无 线局域网技术的不断进步，它将有更广泛的应用。 无线城域网技术是解决“最后一公里”接入的最佳方式，可快速为运营商提 供各种业务，组建一个支持城域范围内的综合业务网络。它能向固定的或移动的 便携设备提供高速的无线数据和语音服务，并能用来连接w l a n ( w h l e s sl o c a l 觚a n 舐o r k ) 热点t s p o t ) 与因特网，以及实现各种局域网之间的自由连接。它支 持如语音和视频等低时延应用，同时也可以在可靠性和方面提供电信级的性能。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 i e e e 于1 9 9 9 年通过了支持无线城域网8 0 2 1 6 a 的标准规范书眩1 。该标准明 确定义了三种无线数据传输方式；第一种是单载波存取，这是为特殊需求的网络 所保留的部分；第二种是经由2 5 6 个载波的正交频分复用( o n h o g o i l a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) 存取，专门提供给大部分的应用程序使用；最后一种 是使用2 0 4 8 个载波的特殊o f d m a 标准，使用于搭配选择性的多点传送应用程序、 阶梯状网络的进阶多路传输技术。为了推广8 0 2 1 6 标准及解决在8 0 2 1 1 中遇到的 互操作性问题，由英特尔和其它众多通信组件与设备公司共同组建了 晰m a x ( w b r l di n t e r o p e r 刁l b i l 时f o rm i c r o ，a v ea c c e s s ，全球微波接入互操作性组织) 。w i m a x 作为一项新兴的无线接入技术，能够向网络用户提供面向因特网的无 线宽带连接，现在w i m a x 几乎成了8 0 2 1 6 标准的代名词。 当前，i e e e 已经对固定式无线宽带( f i x e dw h l e s sb r o a d b a l l d ) 接入进行了规 范，提出了8 0 2 1 6 a 标准。同时，为了保证用户终端在高速移动时的通讯质量，i e e e 也从8 0 2 1 6 a 标准延伸制定了8 0 2 1 6 e 标准，从而能够向移动用户站和移动终端提 供服务。此外，m e e 还制定了8 0 2 1 6 c ，8 0 2 1 6 d ，8 0 2 1 6 f 及8 0 2 1 6 m 等标准。 表1 1i e e e 8 0 2 16 系列标准所对应的技术领域 7 e a b l e1 1t h et e c h n o l o 舒c o 仃e s p o n d i n gt os t a n d 砌so fi e e e 8 0 2 16 2 重庆人学硕士学位论文1 绪论 表1 1 详细的介绍了i e e e 8 0 2 1 6 系列标准所对应的技术领域，文献【1 】【7 】对这 些标准进行了详细的介绍。需要说明的是，8 0 2 1 6 m 并不属于w i 标准，但可 以在两标准之间建立一个共享平台，它同时还可以兼容4 g 标准网络。 1 1 2 课题研究意义 i e e e 8 0 2 1 6 m c 层协议是面向连接的，不同类型的业务连接具有不同的服务 质量( q o s ) 参数，从而为不同的用户应用提供相应的q o s 保障，实现q o s 保障的 关键之一就在于m a c 层的带宽调度，能否采用一种有效的m a c 层带宽调度架构 是十分重要的。当前对i e e e 8 0 2 1 6 协议的研究尚处于起步阶段，8 0 2 1 6 标准对网 络的接入控制部分和带宽分配等q o s 架构中的关键部分都还没有进行具体的定 义。所以如何针对w i 网络中的不同数据流类型进行分析，建立w i m a x 网 络在不同连接模式下的带宽分配模型，如何设计适当的带宽分配算法，如何使用 合适的调度策略来调度业务流，以及如何设计合理的调度架构成为当前最重要的 问题之一。因此，建立带宽分配模型，研究该网络在不同连接模式的带宽分配和 调度算法成为当前w i 网络发展的重点，必将对该领域的研究和实施产生巨 大的促进作用。 1 2 国内外研究现状 目前国内外的部分学者己经开始对w i m a x 网络进行研究。在带宽调度问题 上面，研究的内容主要集中在带宽调度架构和调度算法上面。文献【8 】提出了一种 简单的带宽分配模型来分析w i m a x 网络的带宽调度过程，使用无线信道来表示 网络中的带宽资源，并使用线路交换的方式来讨论w i 网络的信道资源分配， 但这并不能反映实际w i m a x 网络时分多路复用的特点；g u o s o n gc h u 等在 w i m a x 网络的点对多点( p o i n t t 0m u t i l p o 硫，p m p ) 连接模式中引入了一种简单 的q o s 架构，该文认为w i m a x 网络中存在5 种类型的服务流。但是，当前i e e e 8 0 2 1 6 工作组对网络中的服务流进行了重新定义，认为网络中主要存在着主动服 务( u n s o l i c i t e dc 哟n ts e i c e ，u g s ) 、实时轮循服务( r - e a l t i m ep 0 1 l i n gs e n ，i c e ， r t p s ) 、非实时轮循服务( n o n r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e ，i l r t p s ) 和尽力而为服务 ( b e s te 肋r t ，b e ) 4 种服务流四1 ，因此该文不能及时反映w i m a x 网络的发展； 文章 1 0 】对w i 蚴网络中使用m e s h 模式连接的用户站之间的带宽请求情况进行 了分析，作者在文章中分析了用户站竞争带宽资源的时间关系，并且分析用户站 在不同网络环境下的带宽资源竞争过程。还有其他不少的文献研究了在8 0 2 1 6 协 议中的各种分级调度架构，并且根据各业务类型的特点分析了应采用的调度策略 ( 即应用何种调度算法来进行调度) ，在后文中会有详细的叙述。 由于在已有的协议q o s 架构中对带宽调度没有明确定义，协议也没有建议怎 重庆人学硕士学位论文 1绪论 样有效地调度网络资源来满足不同的带宽要求，以及如何建设w i 网络来达 到该要求，当前虽然也有些文章对8 0 2 1 6 的带宽调度问题做了一定的研究，但是 针对w i 网络p 模式的带宽调度架构( 特别是联合带宽调度架构) 和带宽调 度算法，以及使用m e s h 模式连接的用户站之间的带宽调整方式的讨论还是较少。 1 3 课题研究主要内容及章节安排 本文主要是对宽带无线接入技术中应用于无线城域网的i e e e 8 0 2 1 6 技术进行 分析和研究。i e e e 8 0 2 1 6 标准提供了一种面向连接的m a c 层协议，并在此基础 上为各种应用提供相应的q o s 保障，而m a c 层的带宽调度是实现q o s 的关键所 在。i e e e 8 0 2 1 6 协议中没有对m a c 层的带宽调度进行详细说明，因此这是一个 值得研究的问题。本文研究了有线和无线环境下的调度算法以及以往文献所提出 的带宽调度架构，在此基础上设计了一种能够更好的为实时业务服务的基于g p s s 方式的联合带宽调度架构。全文共分为六章，论文主要内容安排如下： 第l 章为绪论。在介绍了本论文课题的来源、研究内容及研究意义的基础上， 本章简要介绍了宽带无线接入技术以及无线城域网w i m a x 方面的研究进展、现 状与水平。最后是本文的组织结构。 第2 章介绍了m e e 8 0 2 1 6 协议的体系结构。本章主要介绍了e e 8 0 2 1 6 协议 的整体结构，物理层协议及m a c 层协议结构。其中，重点研究了m a c 层协议三 个子层中的公共部分子层。 第3 章是对各种调度算法的研究，这是分析m a c 层带宽调度架构的基础。本 章分别阐述了有线和无线网络中多种常见的调度算法并对算法的性能进行了比 较。本章还介绍了两种无线调度算法：l w d f m l w d f 和m i 汛算法。在后面会 将这两种算法应用到本文所设计的8 0 2 1 6 的m a c 层带宽调度架构中。 第4 章是对带宽调度架构的研究。本章研究了8 0 2 1 6 中的q o s 架构以及架构 中所定义的业务流，分析了各类业务流的的特点及应该使用的调度策略( 即应该用 何种算法来调度业务流) ，并且研究了以往主要的几种分级调度架构，分析了分级 调度架构的优缺点。 第5 章设计了一种基于g p s s 方式的联合带宽调度架构。该调度架构能对 8 0 2 1 6 的q o s 架构中定义的各种不同类型的业务提供相应的q o s 保障，并且能为 实时业务提供更好的调度服务：在降低实时业务的时延及丢包率的同时不花费多 余的带宽从而提高带宽利用率。最后通过仿真验证了其性能。 第6 章对全文进行总结，并对接下来的研究提出进一步的要求。 4 重庆大学硕士学位论文 2i e e e 8 0 2 1 6 协议体系结构 2i e e e 8 0 2 1 6 协议体系结构 2 1 i e e e 8 0 2 16 协议整体结构 i e e e 8 0 2 1 6 协议规定的基站( b s ) 和用户站( s s ) 的协议栈模型如图2 1 所示：协 议栈模型纵向可以分为数据控制平面和管理平面，横向分为m a c 层和p h y 层， 协议对这两层的功能做了详细规定。 由协议模型图可以看出，8 0 2 1 6 协议的空中接口由物理层( p h 和媒体接入控 制层( m a c ) 组成。物理层协议主要解决与工作频率、带宽、数据传输率、调制方 式、纠错技术以及收发信机同步有关的问题。m a c 层又分成了三个子层，分别是 特定业务汇聚子层( s e r v i c e s p e c i f i cc o n v e 玛e n c es u b l a y e r ，c s ) ，m a c 公共部分子 层( m a cc o n l i n o np a r ts u b l a y e r ，c p s ) 、受全子层( s e c u r i 够s u b l a y e r ，s s ) 。其中公 共部分子层完成大部分m a c 层的核心功能，提供q o s 机制。本文研究的业务调 度问题就是q o s 机制的重要组成部分。文献【5 】 1 1 【1 2 】中对8 0 2 1 6 的协议结构以 及物理层和m a c 层的技术进行了介绍，文献 1 3 】【1 4 】中对m a c 层协议进行了详细 的分析。 m a c p h y j l 特定业务汇聚子层管理实体 ( c s )特定业务汇聚子层 网 公共部分子层 络 层 管 ( c p s ) 管理实体 公共部分子层 理 系 安全子层 安全子层 统 r( s s ) jl 物理层 皇 管理实体五 ( p h y ) 物理层 1r 数据控制平面 管理平面 图2 18 0 2 1 6 协议栈模型 f i g 2 1t h em o d e lo fi e e e 8 0 2 16p r o t o c o ls l a c k 2 2i e e e 8 0 2 16 物理层协议概述 物理层定义了多种规范，每一种都为了适用于特殊的频率范围和应用。 重庆大学硕士学位论文 2i e e e 8 0 2 1 6 协议体系结构 物理层使用1 0 6 6 g h z 和2 1 1 g h 泛的频率范围，并可以支持时分双工( t d d ) 方式和频分双工( f d d ) 方式。时分双工是指上行传输和下行传输占用不同的时间 段，频分双工是指上行传输和下行传输占用不同的频率。 在1 0 6 6 g h z 这个频段，需要满足视距传输的需求，可以不用考虑多径效应。 针对此频段8 0 2 1 6 协议定义了一种物理层规范即无线城域网一单载波 ( w i r e l e s s m a n s c ) 模式，即采用单载波调制方式，可以采用q p s k 、1 6 q a m 和 6 4 q m 调制技术。在w h l e s s 压a n s c 模式下，下行信道采用时分复用( t d m ) 方 式，上行信道采用时分多址接入( t d m a ) 与按需分配多址接入( d a m a ) 相结合的多 址方式。 在2 1 1 g h z 这个频段，满足非视距传播要求，针对此频段8 0 2 1 6 协议定义了 三种物理层规范，分别为无线城域网一增强单载波( w i r e l e s s m a n s c a ) 模式、无线 城域网一正交频分复用( w i r e l e s s m a n o f d m ) 模式以及无线城域网一正交频分多 址( w i r e l e s s m a n o f d m a ) 模式。其中，w i r e l e s s m a n s c a 模式也指单载波调制方 式。w i r e l e s s m a n 0 f d m 模式是采用2 5 6 点变换o f d m 技术。 w n l e s s m a n o f d m a 模式是采用2 0 4 8 点变换o f d m 技术。在w h l e s s m a n s c a 和w i r e l e s s m a n o f d m 模式下，和w h l e s s ma n s c 模式类似，一般在下行信道 采用时分复用( t d m ) 方式，上行信道采用时分多址接入( t d m a ) 与按需分配多址接 入( d a m a ) 相结合的多址方式，而在w l e s s m a n o f d m a 模式中，上行信道和 下行信道都采用了正交频分多址( o f d m a ) 方式。 2 3i e e e 8 0 2 16m a c 层协议研究 2 3 1 i e e e 8 0 2 16 m a c 层协议概述 i e e e 8 0 2 1 6 协议支持点到多点( p m p ) 和格状网( m e s h ) 两种网络拓扑结构，本文 重点讨论点对多点模式( p m p ) 。点对多点即一个中心b s 服务多个s s ，在给定的频 率区域中所有的用户收到相同的传输信息。b s 是下行唯一消息发送者，它以时分 复用的方式将消息广播至各个用户端，用户端通过检验地址检收发给自己的信息； 用户端通过时分多址接入的方式共享上行链路。 m a c 层所传送的业务包括语音、数据、i p 连接等，因此m a c 层需要既支持 连续型业务，又支持突发型业务。 i e e e 8 0 2 1 6 m a c 层最显著的特征是：它是基于“连接”的，即所有s s 的数据 业务以及与此相联系的q o s 要求，都是在“连接”的范畴中来实现的。每一个“连接” 均由一个1 6 b i t 的连接标识符( c i d ) 来唯一地标识。一个s s 注册后，“连接”以及伴 随着的服务流就被提供给这个s s ，而且，当用户的业务需要改变时，也可以新建 一个“连接”。“连接”一旦建立起来之后，需要维护时，维护要求则随着连接的业务 6 重庆大学硕士学位论文 2i e e e 8 0 2 1 6 协议体系结构 类型不同而改变。当然，当用户的业务合约改变时，“连接”也可以被终止。与“连 接”紧密相连的服务流概念则定义了在“连接”上传输的p d u ( 协议数据单元) 的q o s 参数，一个“连接”分配一个服务流，服务流也可以与带宽分配过程联系在一起。 m a c 层包含三个子层，分别为特定业务汇聚子层、m a c 公共部分子层和安 全子层。特定业务汇聚子层位于m a c 公共部分子层之上，接收高层来的p d u ， 对其分类并映射到特定的m a c 连接，并通过m a cs a p ( 服务接入点) 将m a c s d u ( 服务数据单元) 交给m a c 公共部分子层。不同类型的汇聚子层可以为高层提 供不同的接口。m a c 公共部分子层主要提供m a c 层的核心功能，包括系统接入、 带宽分配、连接建立以及连接维护，它通过m a cs a p 从各种类型的汇聚子层接收 数据，还可以提供q o s 机制。m a c 层还包含一个安全子层，用来提供鉴权、密钥 交换和加密功能。接下来对m a c 层协议进行详细的介绍。 2 3 2m a c 层协议三个子层功能分布 特定业务汇聚子层( c s ) 特定业务汇聚子层位于m a cc p s 子层之上并通过m a cs a p 将m a cs d u 交 给m a cc p s 。 c s 子层主要执行以下的功能： 接收高层来的协议数据单元( p d 忉 执行对高层p d u 的分类功能 对分类的高层p d u 进行处理( 如果需要的话) 将c sp d u 发送到合适的m a cs a p 接收从对等的m a cc p s 实体发送过来的c sp d u 目前，协议主要提供两种类型的c s 子层，分别为a t mc s 子层和分组c s ( p a u c k c tc s ) 子层。其它类型的c s 子层可能在将来制定。 a t mc s 子层是为a t m 服务提供的逻辑接口，用于承载a t m 业务。分组c s 子层是用来服务各种基于分组的协议，承载分组业务，像i p v 4 ，口v 6 、点到点和以 太网等基于分组的业务。下面本文只研究分组c s 子层。 高层p d u 一旦被分类并映射到特定的m a c 连接，就会被封装成m a cs d u 的格式，如图2 2 所示。 7 重庆大学硕士学位论文 2 e e 8 0 2 1 6 协议体系结构 r、 i p h s i ( 可选) p a c k e t p d u 图2 2m a cs d u 的格式 f i g 2 2t h ef 0 咖a to fm a cs d u 分类器是一系列映射标准的集合，对于每一个进入8 0 2 1 6 网络的分组，都要 根据分类器定义的规则将其映射到特定的连接。分类器与连接标识符( c i d ) 是相关 联的。如果一个分组与某个分类器定义的映射规则相符合，那么这个分组就会被 映射到与这个分类器相关联的c i d 所标识的连接上，此连接的业务流特性将会为 这个分组提供相应的服务质量保证。可见，这种基于连接的机制是提供服务质量 保证的基础。 多个分类器可以将分组映射到同一个业务流上。分类器存在优先级，它可以 确定应该优先使用哪个分类器对分组进行匹配。b s 端用下行链路分类器对分组进 行分类，s s 端用上行链路分类器对分组进行分类。如果一个分组与所有分类器都 不匹配，就会丢弃这个分组。 c s 子层还包含了其它的一些功能，比如净荷头压缩功能( p h s ) ，这个是可选 的，它是对高层数据分组的净荷头的一些冗余信息进行压缩，并在对等层对压缩 的信息进行恢复。可见，这样能够节约带宽，提高传输效率。 公共部分子层( c p s ) m a c 公共部分子层完成大部分的m a c 层核心功能，包括系统接入、带宽分 配、连接建立维护，它从汇聚子层接收数据，并且保证其服务质量川1 ： m a cp d u 构造和传送； 网络接入； 带宽请求与分配； 动态服务流管理； m a c 对物理层的支持： 对于以上核心功能和相关重要概念在章节2 3 3 中将详细说明。 安全子层 m a c 层的安全子层，用来提供鉴权、密钥交换和加密功能。它通过对b s 和 8 重庆大学硕士学位论文 2i e e e 8 0 2 1 6 协议体系结构 s s 之间的连接进行加密，为经过w m a n 网络的用户数据提供保密。另外，安全 子层还为运营商们提供强有力的防止服务被窃取的保护机制。通过对网络中的服 务流进行加密，b s 可以阻止那些对数据传输服务进行的未授权的访问。基本密钥 管理机制中还加入了基于电子证书的s s 授权机制，进一步加强了基本保密机制。 保密机制有两个基本的协议： 用于加密数据包的封装协议：该协议定义了一组加密组件，例如数据加密 和相匹配的鉴权算法，以及将这些算法应用于m a cp d u 净荷的规则； 密钥管理协议：该协议提供了密钥数据从b s 到s s 的安全发布，通过这个 协议，s s 和b s 之间的密钥数据能保持同步。b s 还可以利用该协议对网络服务实 行条件性访问。 2 3 3m a c 公共部分子层 m a c 公共部分子层完成几乎所有的m a c 层核心功能，包括m a cp d u 的构 建和传送，网络的进入和初始化，带宽的请求和授予，竞争解决算法的实现，服 务流的管理，以及各种链路自适应技术的实现等n 卯，所以本文将m a c 公共部分 子层单独拿出来重点介绍。 p d u 的构建与传送 m a cp d u 是b s 与s s 的m a c 层之间传送的数据单元。协议中给出了m a c p d u 的格式，如图2 3 所示。每个p d u 都由一个固定长度( 4 8 b i t ) 的m a c 头开始。 在头部后面是m a cp d u 的净荷，净荷可能包括多个子头、多个m a cs d u ，并且 净荷的长度是可变的。m a cp d u 还可以包括一个循环冗余校验( c r c ) 。由图可以 看出，净荷和c r c 部分都是可选的。 i 意器头 c r c i 净荷( 可选) ( 可选)l 图2 3m a cp d u 的格式 f i g 2 3t h ef 1 0 n 1 1 a to fm a cp d u 通用m a c 报头： 每个p d u 以一个固定长度的m a c 报头开始。8 0 2 1 6 标准中定义了两种类型 的m a c 报头：一种是普通m a c 报头，另一种则是带宽请求m a c 报头。普通 m a c 头形成的m a cp d u 为普通m a cp d u ，它用于传送m a c 管理信息或者是 c s 子层的数据。带宽请求头形成的m a cp d u 为带宽请求m a cp d u ，它用于带 9 重庆大学硕士学位论文 2 i e e e 8 0 2 1 6 协议体系结构 宽请求，带宽请求m a cp d u 仅包含带宽请求头，不包含净荷信息。不同的m a c 头是根据m a c 头内的1 b i t 的头类型( h t ) 字段来区分，h t 字段设置为0 则为普通 m a c 头，设置为1 则为带宽请求头。 净荷部分：负责传输c s 数据和m a c 管理消息。 传输c s 数据时，净荷部分可能包括子报头，m a