（通信与信息系统专业论文）宽带接入无线城域网pmp结构mac层性能研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 宽带接入无线城域网p m p 结构m a c 层性能研究 摘要 近几年最后一英里的宽带接入技术的开发如火如茶，用于给用户 提供因特网接入和多媒体服务。在固定宽带无线接入系统方面，协议 i e e e8 0 2 1 6 d 于2 0 0 4 年6 月正式颁布，它定义了无线城域网的空中接口。 i e e e 8 0 2 1 6 d 协议定义了固定接入的s s 和b s 之间的空中接口。其 m a c 层采用面向连接的传输机制，使用授予请求的调度机制支持具有 不同q o s 参数的业务。为了提供更多的灵活性，8 0 2 1 6 d 并未给出对q o s 支持、调度机制等关键技术的具体实现方案。 本文对i e e e 8 0 2 1 6 d 协议m a c 层进行了较为详细地分析，主要研 究了p m p 网络结构m a c 控制性能，包括协议模型、m a c 层基本工作 原理，m a cp d u 的构造及传输。同时使用o p n e t 网络仿真软件构建 了基于p m p 结构的i e e e 8 0 2 1 6 dm a c 层仿真模型，实现了仿真软件 架构、m a c 层调度机制等。同时，在对碰撞退避算法的研究基础上， 提出了一种改进的退避算法，通过对未来上行帧中可能出现报文数的 预测，b s 随时改变退避的范围，从而提高带宽利用率。最后本文给出 了o p n e t 的仿真结果，改进的算法在数据吞吐量和平均接入时延指标 上均优于原始的二进制指数退避算法。 关键词无线城域网，w i m a x ，i e e e 8 0 2 1 6 ，媒体介入控制，碰撞退 避 浙江工业大学硕士学位论文 p e r f o r m a n c er es e a r c ho fb r o a d b a n d a c c e s sp m pw m a nm a cl a y e r a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，s e v e r a ll a s tm i l eh i g h s p e e dt e c h n o l o g i e sh a v eb e e n e x p l o r e dt op r o v i d ei n t e m e ta c c e s sa n dm u l t i m e d i as e r v i c e st ou s e r s f o r f i x e db r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ( b w r a ) s y s t e m s ，i e e e8 0 2 16 dw a s d e v e l o p e da n dp u b l i s h e di nj u n e2 0 0 4 t h es t a n d a r dd e f i n e st h ea i r i n t e r f a c ef o rw i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s ( w m a n ) i e e es t a n d a r d8 0 2 16 dm a cp r o t o c o lw a sd e s i g n e dt os u p p o r t p o i m - t o - m u l t i p o i n ta r c h i t e c t u r ea n dq o sm e c h a n i s m st a k i n ga d v a n t a g eo f r e q u e s t g r a n tm 认cs c h e d u l i n gm e c h a n i s m s s p e c i f i ca l g o r i t h ma b o u tk e y m e c h a n i s m si nq o sa n ds c h e d u l i n gw a sn o tg i v e ni nt h ep r o t o c o lf o r p r o v i d i n gm o r ef l e x i b i l i t yt om a n u f a c t u r e r s i nt h i st h e s i si e e e 8 0 2 16 dm a cl a y e rp r o t o c o lw a sa n a l y z e di nd e t a i l ， i n c l u d i n gp r o t o c o lm o d e l ，c o n s t r u c t i o na n dt r a n s m i s s i o no fm a cp d u ， m a cl a y e re l e m e n t a r yc h a r a c t e r i s t i c t h et h e s i se s t a b l i s h e das o i lm o d e l f o rf i x e da c c e s s i n gp w a 嗄a nt os i m u l a t em a cp e r f o r m a n c e a n i m p r o v e db a c k o f fa l g o r i t h mw a sa l s op r o p o s e d i nt h i sa l g o r i t h m ，b y p r e d i c t i n g t h en u m b e ro fr e q u e s tm e s s a g e si nn e x tu p l i n kf r a m e ，b s c o n t r o l l e dt h e o p t i m a l b a c k o f fr a n g e sd y n a m i c a l l y a sar e s u l t ，t h e s u c c e s s f u lr a t eo fs e n d i n gr e q u e s t e dm e s s a g e si ne a c hf r a m ew a si n c r e a s e d s i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r m e dt h a ti m p r o v e da l g o r i t h mm a d ea no b v i o u s i m p r o v e m e n ti nd a t at h r o u g h p u ta n dt h em e a na c c e s sd e l a yc o m p a r e d w i t h t h eo r i g i n a lb e ba l g o r i t h m k e yw o r d s ：w m a n ，w i m a x ，i e e e 8 0 2 1 6 ，m a c ，c o l l i s i o nb a c k o f f i i 浙江工业大学硕士学位论文 符号说明 缩略语 a a s a d a p t i v ea n t e n n as y s t e m a r q a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t b eb e s t e f r o r t b rb a n d w i d t hr e q u e s t b sb a s es t a t i o n b s nb l o c ks e q u e n c en u m b e r b w a b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s c i dc o n n e c t i o ni d e n t i f i e r c p sc o m m o np a r ts u b l a y e r c s c o n v e r g e n c es u b l a y e r d a m ad e m a n da s s i g n e dm u l t i p l ea c c e s s d ld o w n l i n k e c e n c r y p t i o nc o n t r o l e k s e n c r y p t i o nk e ys e q u e n c e f d d f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e xo rd u p l e x i n g h th e a d e rt y p e h u m a n h i g h - s p e e du n l i c e n s e dm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k i ei n f o r m a l t i o ne l e m e n t l o s l i n e o f - s i g h t m a cm e d i u ma c c e s sc o n t r o ll a y e r n l o s n o n - l i n e o f - s i g h t n r t p sn o n - r e a l - t i m ep o l l i n gs e r v i c e o f d m 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 f d m a 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 p d u p r o t o c o ld a t au n i t p h yp h y s i c a ll a y e r p m pp o i n t t o m u l t i p o i n t r t p s r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e r x r e c e i v e r q o sq u a l i t yo fs e r v i c e p h s p a y l o a dh e a d e rs u p p r e s s i o n 自适应天线系统 自动重传请求 尽力而为 带宽请求 基站 块序列号 宽带无线接入 连接标识符 公共部分子层 会聚子层 按需分配的多址接入 下行链路 加密控制 加密密钥序列 频分双工 报头类型 高速非授权城域网 信息元素 视距 媒体接入控制层 非视距 非实时轮询业务 正交频分复用 正交频分多址接入 协议数据单元 物理层 点到多点 实时轮询业务 接收机、 服务质量 净荷报头压缩 v 浙江工业大学硕士学位论文 p h s f p h s i p h s m p h s s p h s v s a s a p s c s c a s d u s f s f i d s s t d d t d m a t x u i u c u g s u l p a y l o a dh e a d e rs u p p r e s s i o n f i e l d p a y l o a dh e a d e rs u p p r e s s i o ni n d e x p a y l o a dh e a d e rs u p p r e s s i o nm a s k p a y l o a dh e a d e rs u p p r e s s i o n s i z e p a y l o a dh e a d e rs u p p r e s s i o nv a l i d s e c u r i t ya s s o c i a t i o n s e r v i c ea c c e s sp o i n t s i n g l ec a r r i e r s i n g l ec a r r i e ra c c e s s s e r v i c ed a t au n i t s e r v i c ef l o w s e r v i c ef l o wi d e n t i f i e r s u b s c r i b e rs t a t i o n t i m ed i v i s i o nd u p l e xo rd u p l e x i n g t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s t r a n s m i t t e r u p l i n ki n t e r v a lu s a g e c o d e u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e u p l i n k 、 净荷报头压缩域 净荷报头压缩指示 净荷报头压缩掩码 净荷报头压缩尺寸 净荷报头压缩有效 安全联盟 服务访问点 单载波 单载波接入 业务数据单元 业务流 业务流标识符 用户站 时分双工 时分多址接入 发送机 上行间隔使用代码 主动授权业务 上行链路 v i 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 羡烤 日期：御8 年年月f d 曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 导师签名： 羡塘 劾缈 日期：力d 8 年4 月i 口日 日期：碲歹月荔珀 浙江工业大学硕士学位论文 1 1课题研究背景 第一章绪论 传输宽带化、业务多样化是通信发展的趋势。目前包括长途网和中继网在内 的核心网已经具备了超高速和超容量的特征，接入网成为通信网相对的瓶颈。宽 带接入网分为有线接入和无线接入两种方式。有线接入主要包括基于传统电话线 的x d s l 技术，基于有线电视网的c a b l em o d e m 技术、基于以太网的l a n 接入技术、 基于光纤技术的f 邝( 等等。f l 】理论上，全光纤接入网是最理想的解决方案，但是 f t t h ，f t t b 对基础网络的要求过高，因此短期内在成本上没有优势，很难得到 普及，并且在某些地域由于地形地势的原因也缺乏有效的有线接入手段。宽带无 线接入( b w a ) 系统和c a b l em o d e m ，x d s l 相比容量高，和光纤相比部署迅速、组 网灵活迅速、升级维护方便，向来是宽带接入技术的热点。m m d s ，l m d s ，w l a n ， u w b ，w m a n ，h s d p a ，e v d o ，s c d m a 等无线宽带技术应用层出不穷，对社 会经济可持续发展发挥了巨大作用，已被社会各界认可和重视。 1 1 1w i m a x 的发展历史 以无线城域网( w m a n ，w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s ) 技术为代表的 b w a 技术是从2 0 世纪9 0 年代开始快速发展起来的，但在很长时间里没有形成标准。 为了促进标准的形成，几家世界知名企业于2 0 0 1 年4 月发起成立了w i m a x 论坛1 1 1 3 1 。w i m a x 全称为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 ，即全球微波 接入互操作性，它是w m a n 及i e e e 8 0 2 1 6 系列标准的代名词。该论坛旨在对基于 i e e e8 0 2 1 6 标准和e t s ih i p e rm a n 标准的宽带无线接入产品进行一致性和互操作 性认证，加快符合i e e e8 0 2 1 6 技术标准的宽带无线接入设备的上市速度，力争在 世界范围推广w m a n 。w i m a x 技术是一种面向w m a n 的宽带无线接入技术，是 针对微波频段提出的一种新的空中接口标准，它可以将w l a n 系列的无线接入热 点连接到互联网，也可连接家庭和公司等环境至有线骨干线路。w i m a x 技术的优 势在于集成了w i f i 无线接入技术的移动性与灵活性，以及d s l 和c a b l em o d e m 等基 于线缆的传统宽带接入技术的高带宽特性和相对理想的q o s 服务质量，作为最后一 公里的无线宽带的接入技术。 w i m a x 的成员中主要由芯片制造商、设备制造商和电信运营商组成，截至 2 0 0 7 年5 月2 8 日，成员已经超过共4 4 0 家1 4 j ，并仍在不断壮大。其中有i n t e l 、富士 通、诺基亚、索爱、朗讯、北电、思科、西门子、三星、l g 、a i r s p a nn e t w o r k s 、 a l v a r i o n 、a p e r t on e t w o r k s 、e n s e m b l ec o m m u n i c a t i o n s 、o f d mf o r u m 等诸多重量 级制造商，也不乏英国电信、法国电信、德国电信、q w e s t 通信公司、r e l i a n c e 电 浙江工业大学硕士学位论文 信等大型的运营商。国内的中国电信、中国网通、联想集团、烽火集团、展讯公 司、北交大等也都加入了此组织。大公司的加入，加速了w i m a x 设备的开发和商 用进程。 1 1 2w m a n 的标准现状 w i f i 之前w l a n 就有2 0 多年历史，但只有在w i f i 形成标准后w l a n 才发 展起来。而前几年的热点技术如本地多点分配业务( l m d s ) 系统和多点多信道分 配系统( m m d s ) 都曾经是非常热门的，但是实际上后来他们生存情况并不理想， 这些技术没有被市场广泛接纳的一个主要原因是没有统一的标准。w i f i 的历史表 明，统一标准有助于技术成本的下降，同时促成不同制造商设备之间的互操作性。 i e e e 8 0 2 1 6 又称为i e e ew i r e l e s sm a n 空中接1 2 1 标准1 5 】，它对2 6 6 g h z 频率范 围内无线接入系统的底层标准( 包括物理层和媒体接入控制层) 做出规范，并分析 了系统共存性背景，给出了系统的设计、配置和频率使用解决方案。由于它所规 定的无线接入系统覆盖范围可达5 0 k m ，因此8 0 2 1 6 系统主要应用于城域网范围， 以解决高速接入家庭和企业的“最后一英里”问题。1 6 1 7 1 i e e e 8 0 2 1 6 标准委员会于1 9 9 9 年7 月开始公开讨论全球统一的无线宽带城域 网接入标准，到目前为止已经建立了包括8 0 2 1 6 ，8 0 2 1 6 a ，8 0 2 1 6 c ，8 0 2 1 6 d ， 8 0 2 1 6 e ，8 0 2 。1 6 卿8 0 2 1 6 k 的一系列标准，各标准相对应的技术领域如表l 。1 所示。 根据使用频段高低的不同，8 0 2 1 6 系统可分为应用于视距和非视距两种，其中使用 2 1 i g h z 频段的系统应用于非视距范围，而使用1 0 6 6 g h z 频段的系统应用于视距 范围。根据是否支持移动特性，i e e e8 0 2 1 6 标准系列又可分为固定宽带无线接入 空中接口标准和移动宽带无线接入空中接口标准，其中的8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 a , 8 0 2 1 6 d 属于固定无线接入空中接口标准，而8 0 2 1 6 e 属于移动宽带无线接入空中接口标准。 表1 1i e e e 8 0 2 1 6 系列标准及其应用领域 标准号相应的技术领域 i e e e 8 0 2 1 6 i e e e 8 0 2 16 a i e e e 8 0 2 16 c i e e e 8 0 2 16 d i e e e 8 0 2 16 e i e e e 8 0 2 16 f i e e e 8 0 2 16 9 i e e e 8 0 2 16 h i e e e 8 0 2 16 i i e e e 8 0 2 16 k 1 0 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统空中接口 2 11 g h z 固定宽带接入系统空中接口 1 0 6 6 g h z 固定宽带接入系统的兼容性 2 - 6 6 g h z 固定宽带接入系统空中接口 2 - 6 g h z 固定和移动宽带无线接入系统空中接口管理信息库 固定宽带无线接入系统空中接口管理信息库( m i b ) 要求 固定和移动宽带无线接入系统空中接口管理平面流程和服 务要求 业余频带上运作的无线网络系统 宽带无线接入系统空中接1 2 1 移动管理信息库( m i b ) 要求 局域和城域网m a c 网桥，i e e e 8 0 2 1 6 的桥接 2 浙江工业大学硕士学位论文 2 0 0 1 年1 2 月发布的8 0 2 1 6 对使用1 0 6 6 g h z 频段的固定宽带无线接入系统的空 中接口物理层和m a c 层进行了规范，由于其使用的频段较高，因此仅能应用于视 距范围内。 2 0 0 3 年1 月发布的8 0 2 1 6 c 是对8 0 2 1 6 的增补文件，使用1 0 6 6 g h z 频段8 0 2 1 6 系 统的兼容性标准，它详细规定了1 0 6 6 g h z 频段8 0 2 1 6 系统在实现上的一系列特性 和功能。 2 0 0 3 年4 月发布的8 0 2 1 6 a 对8 0 2 。1 6 进行了扩展，对使用2 11 g h z 许可和免许可 频段的固定宽带无线接入系统的空中接口物理层和m a c 层进行了规范，该频段具 有非视距传输的特点，覆盖范围最远可达5 0 k m ，通常小区半径为6 1 0 k m 。另外， 8 0 2 1 6a m m a c 层提供q o s 保证机制，可支持语音和视频等实时性业务。这些特点 使得8 0 2 1 6 a 与8 0 2 1 6 相比更具有市场应用价值，真正成为用于城域网的无线接入 手段。 2 0 0 4 年6 月发布的8 0 2 1 6 d 是8 0 2 1 6 的一个修订版本，也是相对比较成熟并且最 具实用性的一个标准版本。8 0 2 1 6 d 对2 6 6 g h z 频段的空中接口物理层和m a c 层做 了详细规定，定义了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的m a c 层和相对 应的多个物理层。该标准对前几个标准进行了整合和修订，仍属于固定宽带无线 接入规范。它保持了8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 等标准中的所有模式和主要特性，增加或修 改内容用来提高系统性能和简化部署，或者用来更正错误、补充不明确或不完整 的描述，包括对部分系统信息的增补和修订。同时，为了能够后向平滑过渡到 8 0 2 1 6 e ，8 0 2 1 6 d 增加了部分功能以支持用户的移动性。本文研究的对象就是符合 8 0 2 1 6 d 的固定接入的无线城域网 2 0 0 5 年1 2 月发布的8 0 2 1 6 f 定义了8 0 2 1 6 系统m a c 层和物理层的管理信息库 ( m i b ) 以及相关的管理流程。 2 0 0 6 年1 月发布的8 0 2 1 6 e 是8 0 2 1 6 的增强版本，该标准规定了可同时支持固定 和移动宽带无线接入的系统，工作在2 6 g h z 适于移动性的许可频段，可支持用户 站以车辆速度移动，同时8 0 2 1 6 a 规定的固定无线接入用户能力并不因此受到影响。 该标准还规定了支持基站或扇区间高层切换的功能。 2 0 0 7 年8 月发布的8 0 2 1 6 k 定义了局域和城域网m a c 网桥，i e e e 8 0 2 1 6 的桥接 功能，加强了对无限局域网的兼容性。 另外，8 0 2 1 6 9 、8 0 2 1 6 h 、8 0 2 1 6 i 仍在制定中。 除ti e e e 8 0 2 委员会之外，还有许多的标准化组织进行宽带无线接入的标准化 工作，他们的开发成果极有可能于i e e e 8 0 2 1 6 标准相融合。 1 1 3 产业发展现状 在硬件设备方面，继w a v e s m 发布了世界上第一款符合i e e e 8 0 2 1 6 d 标准的 w i m a x 芯片d m 2 5 6 片之后，富士通也推出了符合i e e e 8 0 2 1 6 d 标准高集成度 浙江工业大学硕士学位论文 w i m a x 系统芯片m b 8 7 m 3 4 0 0 。t i 公司则针对2 5 g h z 、3 5 g h z 和5 8 g h z 频段推出 了3 种系列支持i e e e s 0 2 1 6 d e 的射频芯片组：t r f l1 2 x 、t r f l 2 2 x 、t r f 2 4 3 x 。m a x i m 也推出首款投入批量生产的单芯片w i m a xr f 收发器m a x 2 8 3 8 。全球最大的芯片 制造商i n t e l 推出的基于i e e e 8 0 2 1 6 d 标准的产品一p r o w i r e 2 1 e s s 5 1 1 6 宽带接e l 设备已在全球范围内进行了广泛试用。微软已携手a t & t 以及其它一些大公司开始 极力推广基于w i m a x 技术的无线服务。前不久，t i 又宣布推出通过w i m a x 论坛 8 0 2 1 6 e 第一波认证( w i m a xf o r u m 8 0 2 1 6 ew a v elc e r t i f i c a t i o n ) 的软件库，从而促 进了w i m a x 基础局端解决方案在深度与广度上的发展。 目前一些测试用或试运行的w i m a x 系统已经建立起来。例如：英国电信，目 前已经在4 个市郊测试w i m a x 技术。英国宽带网服务公司于2 0 0 6 年初试提供 w i m a x 无线新技术服务，若此技术服务试运行进展顺利，英国将成为世界上第一 批采用w i m a x 无线新技术的国家之一。2 0 0 6 年初英特尔公司工作在沙特首都利雅 德的雇员都开始使用基于3 5 g h z 频率的固定w i m a x 网络基础构架，这一网络将由 i t c 公司提供。近期i n t e l 和n d s ( 欧洲付费数字电视公司) 发布了一个基于固定 w i m a x 技术的试验系统以展示电视及视频业务。二者致力于向服务提供商和整个 业界示范，如何利用付费电视展示w i m a x 将比宽带接入服务提供更多的内容。 在国内，w i m a x 的发展势头也非常迅猛。w i m a x 论坛在北京、上海、成都 等地已经开展过巡展。而作为中国首家加入w i m a x 组织的通信设备制造商中兴通 讯与富士通宣布联手推广富士通得到w i 脚技术认证的设备，这些设备是基于富 士通m b 8 7 m 3 4 0 0 芯片制造的，两家公司将合作开发符合8 0 2 1 6 d 标准的w i m a x 发 射基站及用户接入点设备，并合作完成中兴公司w i m a x 系统的设计制造和调试使 用的全过程。华为和英特尔也宣布，双方将合作建设支持新型i e e e8 0 2 1 6 标准和 规范的电信级无线宽带网络。 1 。1 4 应用前景 目前w i m a x 可以提供的典型业务有： 一 移动语音( v o i p ) ：提供高质量的基于i p 的语音业务； 结合m o b i l ei p 技术：完成语音业务的切换； 移动互联网：提供移动互联网接入业务，延伸传统互联网业务； 移动增值业务：移动游戏、移动电视、消息类业务、g p s j 艮务等。 w i m a x 的终端一般为个人移动设备。未来可能的主要个人用户是商务人士、 移动娱乐潮流者等。 当然，w i m a x 也面临一些问题需要解决：组网建设时需要更低的频段与更宽 的信道带宽，但可用的频段资源不多：高带宽接入带来了移动性的损失和覆盖面 积的减少；仅定义了空中接口的物理层和m a c 层，上层协议以及核心网部分并没 有定义规范：设备还未可以大规模商用，离真正实现价值还有很长的路要走：需 4 浙江工业大学硕士学位论文 要r w g 和g r w g 协调工作才可实现全球漫游，目前各个国家可用的频率不一致。 【8 1 w i m a x 的首次商业应用可能在机场，其中包括更新旅客名单、飞行计划和飞 行中的娱乐文件。这种称为g a t e s y n c 拘w i m a x 技术硬件由位于法国c e d e x 的、源 于前汤姆逊c s f 的t h a l e sa v i o n i c s 公司制造，其软件由位于加州圣地亚哥的 p r o x i m e t r y 公司提供，而波束可调相控阵天线由位于内华达州里诺的p i n y o n t e c h n o l o g i e s 公司提供。w i m a x 能够更好地处理多径干扰且上载速度更快。 g a t e s y n c 目前处于原型阶段，后续测试将在若干美国机场进行。美国联邦委员会 ( f c c ) 对其射频设备的认证预计在今年年底进行。 1 2w i m a x 技术特点 作为无线城域网技术，w i 能够有巨大的发展潜力及广泛的应用前景与它 在技术上的特点和优势是分不开的。 w i m a x 的技术优势体现在很多方面。首先，它能提供高速率的宽带接入以及 更远的覆盖距离。w i m a x 的基站可以提供最高每扇区7 5 m b i t s 的接入速率，并且 每个基站的覆盖范围可达5 0 公里，较为典型的基站覆盖距离为6 1 0 公里i 讲，这样 只需建设少量的基站就可以实现全城范围的覆盖。 另外，在网络结构方面，可以支持点到多点( p m p ) 结构和m e s h 结构，前者在 i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 1 标准中就提出了，后者是在i e e e8 0 2 1 6 a 中提出的。这样在骨干 网络覆盖不到的区域，可以采用w i m a x 网状网覆盖，以灵活地扩展接入网的结构。 在物理层，可以根据实际情况灵活选择多种调制方式，包括单载波、o f d m 和o f d m a ，o f d m 技术能有效的降低多径衰落的影响。并且随着传输信道状态发 生变化，为了保证传输质量，载波调制方式以及一些物理层的参数都可以进行动 态的调整，十分灵活。 m a c 层的一个重要特点在于它是面向连接的，可以提供服务质量保证。不同 的业务类型具有不同的服务质量参数，可以通过灵活的机制保障各种业务的服务 质量。 1 0 l 1 3论文安排 本课题主要对基于i e e e s 0 2 1 6 d 协议的p m p 结构w m a n 进行m a c 层性能理论 研究，包括媒质接入控制与数据传输a r q 控制、上行业务流的调度的分析等等。 工作主要包括： 一 ( 1 ) 查阅、分析了i e e e s 0 2 1 6 的资料，尤其对其协议进行详细分析研究； ( 2 ) 查阅其他的无线接入技术的m a c 传输机制资料。 ( 3 ) 熟悉使用o p n e t 软件，构建基于o p n e t 的w m a n 仿真模型； ( 4 ) 对碰撞解决机制作研究，提出了一种对二进制指数退避算法的改进算法， 并在仿真模型上进行仿真。 5 浙江工业大学硕士学位论文 本论文内容共分五章，安排如下： 第一章介绍了w i m a x 的发展历史、标准体系的历史和现状、国内外产业发展 现状及应用前景进行了详细说明，最后给出了本文的总体安排。 第二章详细分析了w m a n 的系统架构和m a c 层的基本工作原理。在8 0 2 1 6 d 协议参考模型的基础上，分析无线城域网的系统架构，特别是面向业务的汇聚子 层与公共部分子层的基本工作原理。 第三章对i e e e 8 0 2 1 6 d 协议m a c 的q o s 机制进行分析，特别是调度算法和带宽 分配请求机制。 第四章对冲突退避算法作研究，改进二进制指数退避算法，提出了种适用 于8 0 2 1 6 系统的退避控制算法。用o p n e t 软件建立m a c 层的仿真模型，并进行仿 真，最后对仿真结果作比较和分析。 第五章对论文的全部工作进行了总结，讨论了今后需深入研究的有关项目的 可能性和必要性，指出了下一步研究探索的方向。 6 浙江丁业大学硕士学位论文 第二章无线城域网m a c 层基本工作原理 2 1无线城域网系统架构 2 1 1无线城域网参考模型 根据i e e e 8 0 2 1 6 协议，无线城域网的参考模型如图2 1 所示。 5 1 该模型分别定 义了媒体接入控制层( m a c ) 和物理层( p h y ) 。 i ，、。l ： 一 l “i l 面向业务的会聚子层 l 管理实体 | l喽 ( c s ) 一 r 面向业务的会聚子层l l = ， ： 蒴 一m a c s a p 卜一 ： l ： 帮 m a c 公共部分子层一 管理实体 蒋 !s 矮 ! 鞍 ( m a cc p s ) m a c 公共部分子层一 剐 i 瓤 i 安伞子屡 海 安全子层 r 。匿 、 ， in tt 、，a nl l 11 11 。“ r 嗵 管理实体 一 尉 物理层 物理层 ， 雾、 ， ( p h y ) l 数据控制平面管理平面l 图2 1i e e e8 0 2 1 6 协议参考模型( 显示服务访问点s a p ) 其中m a c 层划分为3 个子层：面向业务的汇聚予层( c s ) ，公共部分子层( c p s ) 和安全子层。另外，还有3 个服务访问点( s a p ) ，作为层间服务的传递途径。 该模型规定了无线城域网系统包括两个平面：数据控制平面和管理平面。其 中数据j 空制平面的主要功能是保证数据的正确传输，因此该平面内需要定义控制 机制来保证传输的顺利进行。管理平面中定义的管理实体，分别与数据控制平面 的功能实体相对应。通过与功能实体的交互，管理实体可协同外部网管系统完成 管理功能。i e e e 8 0 2 1 6 协议只规定了参考模型中的数据控制平面部分的内容。 面向业务的会聚子层( c s ) 的功能是从本层的s a p 接收到外部网络数据，将 其映射到系统内的m a c 层业务数据单元( s d u ) 。该层需要支持以下功能：对收到 的外部网络数据进行分类，并与相应的业务流( s e r v i c ef l o w ) 建立对应关系，压 缩净荷( p a y l o a d ) 的报头等等。 7 浙江工业大学硕士学位论文 公共部分子层( c p s ) 是m a c 层的核心部分，实现所有m a c 层必须的核心功 能，包括上行业务类型划分，带宽资源调度，系统接入、带宽请求分配，建立维 护连接，初始测距和周期性测距等等。它通过m a cs a p 从c s 接收数据，将其与一 定的连接绑定。连接的服务质量控制( q o s ) 以及数据单元的调度机制也在该子层 实现。 安全子层具备鉴权、安全的密钥交换以及加密等功能。主要有两部分组成： 数据报的加密打包协议和密钥管理协议。数据报的加密打包协议定义了一系列的 认证和加密算法，以及将这些算法运用到协议数据单元( p d u ) 净荷部分的规则。 密钥管理协议主要提供基站( b s ) 和用户站( s s ) 间安全的密钥分配机制。 2 1 2 频带使用规划 i e e e 8 0 2 1 6 协议规定w m a n 可使用的频段有3 个，如表2 1 所示： 表2 ，1i e e e 8 0 2 。1 6 d 规定的频带使用规划 其中1 0 6 6 g h z 频段适合进行视距传播，多径造成的影响可以完全忽略不计， 非常适合以点对多点( p m p ) 的方式接入网络。i e e e 8 0 2 1 6 d 规定了五种物理层调 制技术：单载波调制( s c ) ，单载波接入( s c a ) ，正交频分复用( o f d m ) 和正交 频分多址接入( o f d m a ) 。这五种技术分别适用于不同频段。就目前发展状况看， 对于2 1 l g h z 频段，厂商普遍采用o f d m 。 2 1 3 物理层 8 0 2 1 6 的物理层定义了多种工作模式，其中o f d m 是最常用的。o f d m 能最大 限度利用可用频谱，支持非视距传输。物理层支持智能天线系统，来改善b s n 务 的范围的容量。同时还采用r e e d s o l o m n 与卷积级联码的前向纠错、动态频率选择、 空时编码等技术来提高衰落信道下的有效性。 物理层支持时分双工( t d d ) 和频分双工( f d d ) 两种双工方式。同时还规 定终端可以采用半双工频分双工( h f d d ) ，可以降低对终端收发器的要求，降低 终端成本。 在载波带宽划分上，8 0 2 1 6 相当灵活。系统在1 2 5 m - 2 0 m h z 之间可选取两个 系列的带宽，如表2 2 所示。对于1 0 - - 6 6 g h z 的固定无线接入系统，还可以采用2 8 m h z 的载波带宽，用来提供更高接入速率。 浙江工业大学硕士学位论文 表2 2 载波带宽系列划分 系列可选用带宽( m h z ) 1 2 5 m h z 系列 1 7 5 m h z 系列 1 2 5 2 5 5 10 陀o 1 7 5 3 5 7 1 4 对多种双工方式和载波带宽划分的支持，使w m a n 对世界各地不同管制办法 的适应性大大增强，便于部署实施。 2 1 4 网络拓扑结构 8 0 2 1 6 支持两种网络拓扑结构：双向点对多点( t w o w a yp m p ) 结构和网状 ( m e s h ) 结构。 图2 2p m p 拓扑( 左) 与m e s h 拓扑( 右) 示意图 对于p m p 结构，如图2 2 左图所示，b s 会使用划分扇区的天线来同时服务多个 独立扇区。位于同一频率或者扇区的所有s s 接受相同的信息。如果系统工作在t d d 模式，m a c 层管理消息d l m a p 会指明下行帧中每一部分数据所属连接的c i d 。每 个s s 在接收数据时，通过检查协议数据单元( p d u ) 的c i d 来筛选出发往自己的数 据。所有的s s 以按需的方式共享上行链路，发送数据前先要发送带宽请求消息。 b s 根据s s 提供的q o s 参数和所使用的服务类型，为s s 分配一定带宽。s s 就可以使 用此带宽发送数据。 ， 一对于m e s h 结构，如图2 - 2 左图所示，提供接入骨干网服务的节点为m e s hb s ， 其余的为m e s hs s 。因此m e s h 网络中的上行和下行链路是相对于m e s hb s 来定义 的。 p m p 网络与m e s h 网络最主要的不同是p m p 网络的数据交换只发生在b s 和s s 之间，而m e s h 网络的数据传输可能会经过其他s s ，甚至可以直接在两个s s 间进行。 相比之下，p m p 结构更加接近于目前可实现应用的系统，因此本课题将只对p m p 9 固姆 q 豁 浙江工业大学硕士学位论文 拓扑结构的网络展开研究。 2 1 5m a c 层的基本特点 m a c 层最大的特点是面向连接，每个连接均由一个连接标识符( c i d ) 唯一 标识。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、时延、时 延抖动等指标，从而为该连接建立专门的q o s 保证机制。w m a n 的m a c 层使用由 b s 安排的时分多址接入( t d m a ) 协议在p m p 网络中给用户分配容量。t d m a 的 接入机制使系统不仅能提供符合服务水平协定( s l a ) 的高速数据业务，还能提供 对时延敏感的语音视频或数据库访问业务。 m a c 层接入机制通过主动带宽授权、轮询( 包括单播、多播、广播) 和请求 竞争过程中5 种不同类型的上行链路调度来实现。m a c 层提供了两种带宽请求方 式：独立带宽请求报头和授权管理子头中捎带请求域。 为了更好控制上行数据的带宽分配，w m a n 定义了4 种不同业务：主动授权业 务( u g s ) 、实施轮询业务( r t p s ) 、非实时轮询业务( n r t p s ) 和尽力而为业务( b e ) 。 系统可以根据不同业务的需要提供实时或非实时的不同速率要求的数据传输服 务。m a c 层不仅控制优先等级，还能考虑到物理层所处的不同环境影响，如干扰、 快衰落等等。 下面对m a c 的c s 与c p s 子层的基本工作原理进行详细分析。 2 2面向业务的会聚子层基本工作原理 面向业务的会聚子层( c s ) 位于m a c 顶端，通过m a cc p s 提供的m a cs a p 使用下一子层的服务。i e e e 8 0 2