（通信与信息系统专业论文）基于ieee80216的qos技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘 要 随着无线通信技术的发展， 各种新的业务相继出现， 这些业务在带宽、 延迟等方面的要 求互不相同。 无线城域网技术作为有竞争力的卜 一代无线网络技术， 己经把对多种业务提供 q o s 支持的问题提上了日 程。 工 e e e 8 0 2 . 1 6 的m a c 层协议对q o s 服务流和参数配置信令体系、 基于q o s 的调度服务类别和相应的带宽 请求/ 分配信令等进行了 定义。 但却把准入控制、 q o s 参数映射、流量调节、分组调度算法等一系列重要的问题留待开发者来解决。 本文在对已 有协议结构和信令体系进行研究的 基础上， 提出一种基于工 e e e 8 0 2 . 1 6 的q o s 实现方法，对协议原有的q o s 结构进行了扩充。 在s s 端增加了流量调节模块对各数据流进 行监管，使其符合商定的速率耍求;在b s 端增加了 准入控制模块对业务流进行准入控制 分组调度模块对上下行数据传输进行调度。 推导出了 双令牌桶流量调节机制下延迟受限的 预 留 速率计算式， 并提出了 基于预留速率的准入控制算法。配合i e e e 8 0 2 . 1 6 定义的调度服务 类别， 提出了一种分优先级综合调度算法， 将总带宽按优先级在各类服务流之间进行分配， 再在各种类型服务流内 部采用不同的算法进行调度。 针对r t p s 和n rt p s 类别的 服务流， 提出 了w f s ( w e ig h t e d f a ir s c h e d u li n g ) 分 组调 度算法， 这一调 度算法是g p s流体 模型在 i e e e 8 0 2 . 1 6 中的实现算法，它具备g p s 的优良 特性，有较好的公平性，井且能够提供时延 保证。 针对需要以 竞争方式发送带宽请求的 服务类型，如n r t p s ， 提出了 分优先级的 组播问 询机制， 为不同优先级的业务提供不同的接入机会， 保证较高优先级的业务能够获得较小的 请求接入延迟。 我们搭建了基于i e e e 8 0 2 . 1 6 的。 p n e t 仿真平台， 对木文提出的q o s 实现方法中的若 干关键算法进行仿真和分析。 i e e e 8 0 2 . 1 6 a 在 i e e e 8 0 2 . 1 6的基础上增加了o f d m a的物理层标准。 本文提出了一种 适用于i e e e 8 0 2 . 1 6 a o f d m a p h y标准的分组调度算法， 利用多用户环境下多 载波传输方式 呈 现出的 用户多样性的 特点， 综合考虑各种服务类型数据包的 到达过程， q o s 要求， 使得在 满足用 户q o s 要 求的同时， 尽量提高 系统的 资源 利用率。 利用o p n e t 对算法的 性能 进行了 考察， 验证了这种算法在提供q o s 支持、 增大系统容量和保证公平性方面的性能。 关键词: q o s ， 无线城域网， i e e e 8 0 2 . 1 6 ，分组调度 浙江大学硕上学位论文 abs t ract w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n , t h e c o n t e n t s o f m u l t i m e d i a a p p l i c a t i o n s a r e e x p e c t e d t o b e e n r i c h e d . a s a c o m p e t i t i v e t e c h n o l o g y o f t h e n e x t g e n e r a t i o n o f w i r e l e s s n e t w o r k , wi r e l e s s me t r o p o l i t a n a r e a n e t w o r k ( wma n ) h as t a k e n t h e p r o b l e m o f p r o v i d i n g q o s g u a r a n t e e s t o d i ff e r e n t即p l i c a t i o n s i n t o c o n s i d e r a t i o n . i e e e 8 0 2 . 1 6 s t a n d a r d s p e c i f i e s q o s s i g n a l i n g m e c h ani s m s s u c h as b and w i d t h r e q u e s t / a l l o c a t i o n a n d s c h e d u l i n g s e rv i c e t y p e s . h o w e v e r , t h e s t a n d a r d l e a v e s s o m e i m p o rt ant i s s u e s s u c h as a d m i s s i o n c o n t r o l , q o s p a r a m e t e r m a p p i n g , t r a f fi c c o n d i t i o n i n g a n d p a c k e t s c h e d u l i n g , u n d e f i n e d . t h e s e p r o b l e m s a r e e x p e c t e d t o b e r e s o l v e d b y t h e d e v e l o p e r s . i n t h i s t h e s i s , t h e p r o t o c o l s t r u c t u r e a n d s i g n a l i n g f r a m e w o r k o f i e e e 8 0 2 . 1 6 a r e ana l y s e d and an e f f i c i e n t a r c h it e c t u r e i s p r o p o s e d t o s u p p o rt q o s i n i e e e 8 0 2 . 1 6 s t and a r d . a t t h e s s s i d e , a t r a f fi c c o n d i t i o n e r mo d u l e i s p r o p o s e d t o k e e p t h e t r a f f i c c o n f o r m t o t h e n e g o t i a t e d r a t e . a t t h e b s s i d e , an a d m i s s i o n c o n t r o l mo d u l e i s a d d e d t o m a k e a d m i s s i o n d e c i s i o n and a p a c k e t s c h e d u l i n g mo d u l e i s p r o p o s e d t o s c h e d u l e p a c k e t t r ans m i s s i o n . t o s u p p o rt a l l t y p e s o f s e rv i c e s d e f i n e d i n t h e s t a n d a r d , t h e p r o p o s e d p a c k e t s c h e d u l e r u s e s a c o m b i n e d s c h e d u l i n g a l g o r i t h m w i t h p r i o r it y d i s c i p l i n e . t h i s s c h e d u l i n g a l g o r i t h m h as a h i e r a r c h i c a l s t r u c t u r e . t h e o v e r a l l b and w i d t h i s s h a r e d a mo n g d i ff e r e n t s e rvi c e t y p e s a c c o r d i n g t o t h e i r p r i o r i t y l e v e l . t h e b and w i d t h a l l o c a t e d t o e a c h s e rv i c e t y p e i s a l l o c a t e d t o e a c h c o n n e c t i o n a c c o r d i n g t o s o m e d i s c i p l i n e . a s c h e d u l i n g a l g o r i t h m n a m e d w e i g h t e d f a i r s c h e d u l i n g i s p r o p o s e d t o s h a r e b and w i d t h a m o n g rt p s c o n n e c t i o n s as w e l l as n rt p s c o n n e c t i o n s . t h e wf s i s a p r a c t i c a l r e a l i z a t i o n o f t h e fl u i d g p s i n i e e e 8 0 2 . 1 6 q o s a r c h i t e c t u re . i t i n h e r i t s s o m e a d v ant a g e s o f g p s , s u c h as f a i rn e s s and d e l a y b o u n d g u a r ant e e s . a p r i o r i t i z e d m u l t i c a s t p o l l i n g s c h e m e i s p r o p o s e d t o p r o v i d e d i ff e r e n t i a t e d c o n t e n t i o n a c c e s s o p p o rt u n i t i e s t o c o n n e c t i o n s w i t h d i ff e r e n t p r io r i t y . t h i s c an e n s u r e t h e c o n n e c t i o n w i t h h i g h e r p r i o r i t y e x p e r i e n c e l o w e r re q u e s t a c c e s s d e l a y as s p e c i f i e d i n t h e s t and a r d . a n o p n e t s i m u l a t i o n p l a t f o r m i s d e v e l o p e d , and t h e p e r f o r m an c e o f t h e k e y a l g o r i t h m s p r o p o s e d i n t h i s t h e s i s i s e v a l u a t e d . t h e i e e e 8 0 2 . 1 6 a s t and a r d d e f i n e s a 2 ,0 4 8 - c a r r i e r o f d ma p h y s i c a l l a y e r . a p a c k e t s c h e d u l i n g s c h e m e a p p l i c a b l e t o i e e e 8 0 2 . 1 6 a o f d m a p h y s t and a r d i s p r o p o s e d . b y m a k i n g u s e o f m u l t i - u s e r d i v e r s i t y c h a r a c t e r i s t i c , t a k i n g q o s r e q u i r e m e n t s and p a c k e t a r r iv a l p r o c e s s i n t o c o n s i d e r a t i o n , t h i s s c h e m e c an p r o v i d e q o s g u a r a n t e e s as w e l l as i m p ro v e b and w i d t h e f f i c i e n c y . p e r f o r m anc e o f t h i s p r o p o s e d s c h e m e i s e v a l u a t e d v i a o p n e t s i m u l a t i o n . k e y w o r d s : q o s . wm a n , i e e e 8 0 2 . 1 6 . p a c k e t s c h e d u l i n g . 1 1 浙江大学硕士学位论文 1绪论 随着网络技术的发展， 各种新的业务需求相继提出。 不同的业务对网络传输的服务质量 有着不同的 要求， 为不同的业务提供不同的q o s的 研究已 经在有线网 络和无线网 络领域展 开。 因为无线网络受到有限带宽、 干扰、 低链路可靠性、 移动设备电 池能量和移动性等诸多 因素的限制，在0 0 s 实现方面就更具有挑战性。 本章将对无线城域网 标准i e e e 8 0 2 . 1 6 系列协议进行概述，并且介绍q o s 的概念、 q o s 的实 现机制、 在无线环境中 实 现q o s 存在的 主要问 题， 并 在此基 础上对i e e e 8 0 2 . 1 6 中 实 现 q o s 支持所需要解决的若干问 题进行讨论。 最后是本文的 主要贡献和结构安排。 1 . 1无线城域网标准 近年来，随 着用户数据业务量的迅猛发展，以a d s i 为 代表的有线宽带接入技术发展非 常迅速， 在宽带接入网 市场上占 据了 主导性的地位。 但在缺乏有效的有线接入手段的地域内， 无需光纤或双绞线等线缆资源的宽带无线接入技术得到了 运营商的青睐， 通过架设无线网 络，用户同样可以便捷地接入到宽带网络。 目 前， 在城域网已 经得到广泛应用的宽带无线接入技术包括3 . 5 g h z 固定无线接入技术、 5 . 8 g i i z 固定无线接入技术和2 6 g h z 本地多点分配系统( l m d s ) 等， 它们一 般均采用点到多点 的拓扑结构， 根据各自 所用频段的无线信道性能可提供不同的无线覆盖范围， 并土要为商业 用户和集团用户提供数据业务和语音业务的接入服务。 由于目 前市场上这三种技术的产品的 空中接口均属于私有接日， 标准化程度很低， 不同厂商的产品无法实现互通， 这限制了无线 接入产品的 大 规模商 业化。 因 此， i e e e 8 0 2 . 1 6 技术应 运而生，1 9 9 9 年， i e e e 成 立了i e e e 8 0 2 . 1 6 上作组来专门 研究宽带固定无线接入技术规范， 目 标就是要建立一个全球统一的宽带 无线接入标准。 1 . 1 . 1 l e e e 8 0 2 . 1 6 系列标准 i e e e 8 0 2 . 1 6 又称为i e e e w i r e l e s s m a n 空中 接口 标准， 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) 作出 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“ 第一 英里”或是 “ 最后英里”的问题。 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7 包 括8 0 2 . 1 6 , 8 0 2 . 1 6 a 12 1 . 8 0 2 . 1 6 c , 8 0 2 . 1 6 d , 8 0 2 . 1 6 e , 8 0 2 . 1 6 f 和8 0 2 . 1 6 9 的 一系列标准， 各标准相对应的 技术领域如表1 . 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 1 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 e 8 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 日 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 浙汀 _ 大学硕士学位论文 属于移动宽带无线接入空中接口标准。 农1 . 1 1 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 1 0 - 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统空中接口 t e e e 8 0 2 . 1 6 a 2 - 1 1 g h z 固定宽带接入系统空中接口 i e e e 8 0 2 . 1 6 c1 0 - 6 6 g h z 固定宽带接入系统的兼容性 i e e e 8 0 2 . 1 6 d 2 - 6 6 g h z 固定宽带接入系统空中接口 i e e e 8 0 2 . 1 6 e2 - 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 i e e e 8 0 2 . 1 6 f 固定宽带无线接入系统空中接口 管理信息库 m i b )要求 i e e e 8 0 2 . 1 6 g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 2 0 0 1 年1 2 月颁布的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 月颁布的8 0 2 . 1 6 a 对8 0 2 . 1 6 进行了扩展， 对使用2 - 1 1 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， 该频段具有非视趾传输的 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 6 a 的m a c 层提供q o 8 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 2 年止式发布的8 0 2 . 1 6 c 是对8 0 2 . 1 6 的增补文件， 是使用 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。 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，目 前已 经 形成了 草案， 还未正式发布。 8 0 2 . 1 6 d 对2 - 6 6 g h z 频段的空中 接日 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，但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， 增加或修改的内 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。 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。 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 工 b ) 以及相关的管理流程。 该标准的制定工作处于刚起步阶段，计划在2 0 0 6 年发布。 制定8 0 2 . 1 6 9 的日的是为了规定标准的8 0 2 . 1 6 系统管理流程和接口，从而能够实现 8 0 2 . 1 6 设备的互操作性和对网络资源、 移动性和频谱的有效管理。该标准的制定工作也处 于m 起步阶段，计划在2 0 0 7 年发布。 除了i 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。 浙江大学硕士学位论文 1 . 1 . 2 wi 1 v i a x与 wi f i 的比较 wi f i 联盟和 wi ma x 们的目 标是促进 i e e e 8 0 2 ( m a n )无线通信规范 “ 操作性。 论坛都是山 众多无线通信设备/ 器件供应商组成的非盈利组织， 他 标准的局域网 ( l a n ) 无线 通信 规范“ i e e e 8 0 2 . 1 i 1 ” 和城域网 i e e e 8 0 2 . 1 6 的应用推厂，保证不同厂家产品之间的互通性和互 w i f i 技术与w i m a x技术在应用特点和所采用的技术方面有很多相似点， 但wi f i 技术 与w i m a x技术又有很多重要差别， 因 而应用领域或应用方式也不同， 我们将从产品 应用特 点和标准所采用的关键技术对这两种无线接入标准进行比较 1 . 1 . 2 . 1 产品应用特点比 较 i e e e 8 0 2 . 1 1 是针对局域网 应用环境所制定的无线接入标准， 它的典型覆盖范围小十1 0 0 米，多用于企业办公区或家庭室内信息接入场合。 而 i e e e 8 0 2 . 1 6 则定位在城域网的无线接 入上， 色 的最大覆盖范围是5 0 公里，主要用于固定无线接入或大业务量用户的接入。 i e e e 8 0 2 . 1 1 系列标准中 ， i e e e 8 0 2 .1 i a的 信息容量最大， 信息 速率可达 5 4 m b p s ; 而 i e e e 8 0 2 . 1 6 可以 提供更 大的 信息容 量， 信道带宽为2 0 m h z 时， 信息 速率 可达1 0 0 m b p s 。 但 是i e e e 8 0 2 . 1 6 适用于多用户多业务的 场合，同时有多 个终端用户分享无线信道，因 而对于 某一个终端用户来说，它提供的信息传输速率未必高于i e e e 8 0 2 . 1 1 所提供的速率。 一 个i e e e 8 0 2 . 1 1 接入点只能同时接入数十个用户，而i e e e 8 0 2 . 1 6 的一个基站可以同 时接入数百个远端用户站，而且标准规定同一个s s 可以连接多个终端用户，提供多个业务 流的传输能力，因此可以更大的提升实际接入的用户数日。 1 . 1 .2 .2 q o s 支持功能比 较 i e e e 8 0 2 . 1 1 采用的最基本的接入方式是c s m a / c a ， 这种m a c技术适合于突发性较强 的业务， 但它只提供尽力而为的 服务质量，对具有时延和带宽约束的实时业务的支持很差， 不 能 满 足 其q o s 要 求。 i e e e 8 0 2 . 1 1 c 11 6 113 7 1 工 作 组 对i e e e 8 0 2 . 1 1 的m a c 层 协 议 进 行了 修 改 和增强， 加入了能支持q o s 的混合协调功能h c f ， 希望为上层数据传输提供分优先级q o s 和参数化q o s 的 服务。 i e e e 8 0 2 . 1 6 采用点到多点的拓扑结构， 在上行链路上采用基于d a m a ( d e m a n d a s s i g n e d m u lt ip le a c c e s s ) 的 多 址方式，由b s 进行统 一的 资 源调 度， 并且 划分服务 类别，实 现差 异 1 p . u m i ( ; r 0 4 c, ，从而为多类业务提供 0 0 s 支持。 1 . 2 q o s 概述 在现代高速宽带通信网领域，网络中承载的是复杂的混合的业务，诸如音频、视频、 数据等等， 它们都在相同的介质上传输， 不同的 业务所需要的 服务质量是千差万别的， 例如 数据资料的 传输特点是没有实时性的要求， 但对传输的 准确性要求相当高， 即可慢不可传错; 浙江大学硕十学位论文 语音的传输特点是有实时性的 要求， 允许传送时有一定的失真， 因为语音只要能够让 接收者 清楚地辨别说话者所说的内容就可以了;交互式视频信号则对时延及时延变化率非常敏感， 当承载、 传输这类业务的信元的时延超过一定限度时会被认为是丢失了， 在接收端就会产生 显著的性能衰减。 因此， 为不同业务提供满意的服务质量就成为网络技术中的一 个至关重要 的问题。 1 . 2 . 1 q o s 概念 服务质量( q o s ) 泛指所有通信业务的 服务质量。 q o s 无论是在网 络技术选型、 规划建r 时期， 还是在网络商业运营的 过程中， 都是一个不容忽视的概念， 有必要对其作深入了 解刀 进行全面 考虑。 对 q o s的理解， 总的 来说， 大致有两类看法，一类从用户的角度出发， 认 为q o s 是业务的质量要求;另一类从网 络的角度出 发， 认为q o s 最终体现为网 络性能。 一般业务的q o s 参数与具体业务类型有关， 不同 业务的q o s 参数大不相同， 如视频业 务就有图 象的分辨率、 帧频等， 而数据业务有包丢失率等。 但一般业务的q o s 都包括端到 端的时延、 流量以及业务的透明性， 这些都和网络直接相关， 如网络时延是业务端到端时延 的一部分， 网络的时延、 时延抖动、 误码率等决定了 业务的 透明性， 业务的 流量则反映成所 需的网络带宽。 这些q o s 参数 只是 一些业务网 络性能的 指标， 具 体 这些 指标是如何 通知网 络， 如 何得到 保证的，就需要q o s 翻译、协商和管理过程。 1 .2 . 2 q o s 的翻译、协商、管理 业务q o s 是网 络不能理解的 参数，必须经过q o s 翻译 过程将业务q o s 参数转换成网 络 承载业务q o s参数。 这个过程是由 终端或接入设备完成的。 例如， 对于 交互式视频业务， 终端要根据所需的图象分辨率、 压缩编码算法及压缩效率， 计算出所需的峰值带宽、 平均带 宽等参数; 交互式业务还需要有一定的反应速度， 根据这些提出对网络总延时的要求; 根据 本端接收缓冲区的大小、 传输速率计算出对时延抖动的要求; 另外还有根据终端和信道编码 的 检错、纠错能力，以 及误码对压缩图 象质量和同 步的 影响程度， 提出 信元丢失率指标。 终端根据自 己的 要求计算出 相应的网络性能指标后， 就要通过信令与网络进行协商， 看 网 络是否能 接受它的要求， 这就是q o s 协商过程。协商的过程是 通过信令完成的。 可以 用 一个例子 来说明a t m网 是 如何通过q o s 协商 提供更 好的 服 务的。 如一个用户想 通过a t m网点播一部电 影， 开始他想看正常的3 5 m m胶片清晰度的影片， 通过q o s 翻译过 程， 得到 对应的 带宽 要求 可能 达到8 m b p s 以 上， 于是 通过s e t u p 传送n p : p c r为l o m b p s , s c r为8 m b p s 的rt - v b r 业务; 当网 络以r e l e a s e 消息 拒 绝这次呼叫时， 在以 往的 通信中， 用户只好放弃这次呼叫，而在a t m网中，用户可以 检查r e l e a s e中的原因值;如果原因 值为资源不够，用户可用降低影片质量的要求，只要求到达录像带的质量，这时对应的n p 要求就低的多了， 如p c r为4 m b p s , s c r只有2 m b p s 的rt - v b r业务，以 这 个n p 重新 发 起呼叫，这时网络就可能有足够的资源接受这个呼叫了。 q o s 管理 位于 管理面上， 完成q o s 监n !9 和q o s 测量 两大功能。 q o s 监测的目 的 是 保 证 用户真正的网络承诺的 服务质量， 并在网络失职时进行协调处理。 q o s 监测可以 n隔一段时 浙江大学硕士学位论文 间进行 一 次，也l,j 以在需要时随时进行，监测请求可由用户发起也可由电信管理网发起 q o s 测量实际上是由q o s 监测发起的， 它的h 的是测量端到端或者一段链路上的网 络 和业务性能。 1 . 2 .3 q o s 的实现机制 实现q o s 的关键就是解决网络的拥塞问 题， s 前土要有四 种策略可以 保证q o s 的实现。 提高网络带宽来保证质量 对于局域网网络带宽较为便宜，所以这种方法是可行的，但随着网 络规模的 扩大、网 络终端和交换设备的 增加， 要保证网 络中 没有瓶颈将极为it 难， 靠增加带宽来解决q o s是 一种短期、治标的行为。 为应用保留静态资源 广域数据网中常用的时分复用( t d m ) 技术就是保留静态资 源的 技术， 它是现在应用最为 广泛的 一 种服务质量保证技术， 但有许多固有的 缺陷。 首先， 它一般仅用于广域网连接， 不 能用于局域网;其次，这种技术将浪费大量的带宽，因此大大增加网 络带宽的运营成本。 靠整形技术来保证质量 这种策略要求在传送有用信号的同时还必须同步传送检错纠错信息，以 便到用户终端 能最大限度地对原始信号 进行无失真还原和修整。 这样不可避免地增加了网络开销， 同时对 终端设备的智能化程度也要求较高。 为应用动态分配资源 在网络中用智能化设备来识别网 络中数据流的类型，以此来为不同的应用分配不同的 网络资源是这种技术的关键所在。 就目 前而言， 这种技术是最适合在网络中实现多媒体应用 的， 它具有两个显著的 优点: 无需修改现有终端系统和应用的软件或硬件: 网络中 传输的各 种数据流所需要的 服务类型可以 存储在一个策略数据库中。 这样不仅可以 在整个网络中 提供 一致的服务质量保证，而且还具备很好的可缩放性。 1 . 2 .4在无线网络中实现q o s 因为无线网络受到有限带宽、 干扰、 低链路可靠性、 移动设备电池能量和移动性等诸多 因 素的限 制， 在q o s 实 现方面更具 有挑战性n 5il e 1 较之有线网 络， 无线网 络的一个显薯特点 就是差错特性， 外来的干扰和噪声都可能给无 线链路带来很大的性能f 降。 无线链路的差错特性会时间变化而且受多种因素的 影响， 例如 蜂窝网 络的 链路特性不仅会随天气的改变而改变， 而且会受到多径衰落以 及障 碍物阻隔的影 响; 室内的网 络也会受到家具及人身体反射等多种复杂因素的影响， 而且 随 着发送、 接收设 备或周围反射物体的移动， 无线链路的干扰特性也会随之变化。 所以， 无线链路的差错特性 往往变化很快而且难以 预测。在有线工 p 网络中，一般都使用端到端的差错控制机制来简化 数据链路层的设计以 及避免一些不必要的开销。 由于有线链路的差错概率较小， 这种方法是 可行的。 但在无线网络中， 由于链路的差错概率较大， 如果在链路层将己 经出错的数据包继 续传送出去， 留 待端到端的协议层来解决差错控制的问 题。 势必 造成网络资源的浪费。 所以 在无线链路中， 针对不同的q o s 要求， 应该采用适当的差错控制机制对差错进行处理， 例如 浙汪大学硕十学位论文 对于对差错比 较敏感的 业务( 如数据业务) 可以 使用一些应答、 出 错重传的机制在数据链路 层对差错进行纠正 无线带宽资源是 常有限的， 也是非常宝贵的， 提高无线资源的利用率在无线网络的设 计中是非常重要的问 题。但提高资源利用率和保证用户的q o s 两个问题往往是相互约束的。 因为对于像语音业务、 视频业务这样实时性要求较高的业务， 往往要求网络为其预留一定的 资源以使其严格的时延及时延抖动的要求得到保证， 但资源预留可能会降低无线资源的利用 率。所以 要在保证用户q o s 要求的同时， 合理分配资源，努力提高无线资源的 利用率。 由于移动设备的可移动要求，电池能量和缓存空间都非常有限，所以在无线环境下提供 q o s 支持时也要考虑到功率和缓存空间的限制问 题。 资源调度机制应该尽量减少数据包因为 缓冲区的溢出 而造成的丢失; 如果某用户处在低电 池能量的状态 卜 ， 调度策略应该在这个功 率限制下进行调度，满足其低功率传送的要求 综上所述， 在无线网 络中实现q o s ,除了 像有线网络中 那样考虑带宽、 延迟、延迟抖动， 还必须要考虑到无线链路的 低可靠性、 功率和缓存的限 制、 终端设备的 移动性等问 题， 以 求 在实现用户q o s 要求的同时，公平、有效的使用宝贵的无线资源。 1 .3在i e e e 8 0 2 . 1 6 中实现q o s i e e e 8 0 2 . 1 6 对q o s 的支持功能包括:1 ) q o s 服务流和参数的预配置和注册功能; 2 ) 动态建立服务流和参数的 信令功能; 3 ) 运用m a c 层调度机制为上行服务流提供q o s 支持; 4 ) 根据q o s 参数为下行服务流提供q o s 支持; 5 ) 根据服务流的属性组成有名服务类( n a m e d s e rv i c e c l a s s ) ， 支持上层实休和外部应用通过s e rv i c e c l a s s n a m e 创建业务流。 标准采用点到多点的 拓扑结构， 山b s 进行统一的资源调度， 在下行链路上采t d m( t i m e d iv i s io n m u lt ip l e x in g ) 的 复用方式， 在上行链路上 采用基于t d m a /d a m a ( d e m a n d a s s i g n e d m u lt ip le a c c e s s ) 的 多址方式， 进行基于请求的 带宽 分配。 协议的m a c机制是基于连接 ( c o n n e c t i o n ) 的， 所有的业务， 无论是面向连接的语音业务， 还是无连接的数据传输业务， 都必须与某一个连接相联系。连接为系统的带宽请求、 q o s 支持提供最基本的 机制。 标准中 定义了 服务流 ( s e rv i c e f l o w )的概念， 一个服务流可以 用一组q o s 参数 ( 如时 延，时延抖动，吞吐量等)来进行描述。 在服务流被接纳 ( a d m i t t e d )之后，它就与连接建 立一定的映射关系，s s以连接为单位请求上行链路带宽 ( 其实就是以服务流为单位进行带 宽请求) ， b s 根据服务流的参数为其分配带宽， 或以问 询等方式获取服务流的 状态信息。 因 而服务流是i e e e 8 0 2 . 1 6 提供q o s 支持的 基本单位。 i e e e 8 0 2 . 1 6 中定义了4 种调度服务:u n s o l i c it e d g r a n t s e rv i c e ( u g s ) , r e a l - t i m e p o l l i n g s e rv ic e ( rt p s ) , n o n - r e a l - t i m e p o l lin g s e rv ic e ( n r tp s ) 和 b e s t e ff o r t ( b e ) s e rv ic e ， 每种调 度服 务适用于一定类型的数据业务。 i e e e 8 0 2 . 1 6 通过汇聚子层( c s : c o n v e r g e n c e s u b l a y e r ) 和m a c通用子层( m a c c p s : m a c c o m m o n p a rt s u b l a y e r ) 为 业务流 提供q o s 支 持。 首 先业务流 在汇聚子 层被映 射到 不 同的连接， 再由m a c通用子层根据连接的 类型、 q o s 参数等进行带宽的 请求和分配， 从而 为 不同q o s 要 求的 业务流提供 有差别的 服务 1 3 1 基于以 上的讨论， 构建一个基于i e e e 8 0 2 . 1 6 的q o s 实现方案需要解决以r 问 题: 浙江大学硕十学位论文 q o s 参数的映 射问 题。 如何将 r . 层业务流的q o s 参数映 射成m a c通用子层分m调度 过程中用到的服务参数 准入控制问 题。 怎样进行准入控制， 使系统可以为尽量多的用户提供服务， 同时又保证 用户的q o s 要求。 分组调 度算法。 采用什么样的分组调度算法，为多 种不同 类型的 业务提供 q o s 支持， 同时保证频率资源的较高的使用效率 以土提出的q o s 参数映射、 准入控制和分组调度怎样和工 e e e 8 0 2 . 1 6 所规定的信令机制 和已有的服务类型分类、带宽请求汾配机制有效的结合起来。 本文 将针 对以 上问 题进行 探索， 提出 一种基于t e e e 8 0 2 . 1 6的q o s 实现方案，为q o s 参数映射、 准入控制和分组调度等问题提供解决方案， 依托于己有的信令系统， 为多种业务 提供q o s 支持。 i e e e 8 0 2 . 1 6 a 增加了o f d ma的物理层标准。 o f d m a是一种基于o f d m的多址技术， 它将资源在时域和频域上划分为若干正交的资源块， 用户可以根据动态的需求在某些块上传 送数据，这能实现更加有效的资源分配粒度，对多媒体业务的多重速率要求提供支持。 在基于 o f d m a的物理层之上进行分组调度需要考虑的问题较之在单 载波物理层之上 所做的分组调度要复杂一些。 因为多载波的 传输方式在多用户的 环境下星现出多样性的 特点 ( m u lt i - u s e r d iv e r s it y ) ， 同 一用户在不同的f 载 波上经历的 信道衰落 各不 相同 ， 不同的 用户 在同一个子载波上的信道增益也不相同。 如果可以 充分利用这一特点， 根据业务的q o s要 求和信道响应， 在不同的用户间 动态地进行功率、 比 特和子载波的分配， 并结合自 适应调制 技术， 就可以 增大系统容量， 提高的资 源利用率。 在本文中， 我们还将对适用于i e e e 8 0 2 . 1 6 a 的o f d ma p h y标准的动态分组调度算法进行研究，综合考虑各种服务类型数据包的到达 过程， q o s 要求， 和 信道 相应特性、自 适应调 制技术等问 题， 使得在 满足用户q o s 要 求的 同时，尽量提高系统的资源利用率。 1 . 4本文主要贡献和结构安排 本文的主要工作是基于浙江省重点项目“ wi m a x宽带无线接入系统研究”和国家8 6 3 高技术研究发展计划前沿探索性项目“ 基于 多载波的无线自 适应传输系统中面向 分组 q o s 的新型链路控制协议” ，使用的仿真工具是o p n e t 和m a t l a b . 1 . 4 . 1本文的主要贡献 本文对无线城域网 标准i e e e 8 0 2 . 1 6 的q o s 机制进行了分析和研究， 提出了 一 种适用于 该标准的 q o s实现方案，并对该方案中的各个模块进行了详细的研究和定义。针对 i e e e 8 0 2 . 1 6 a 中增加的o f d m a p h y标准， 本文提出了一种适用于o f d m a的数据包调度算 法，结合多 用户环境下的用户多样性的 特点和自 适应调制来进行调度决策。 浙江大学硕十学位论文 1 .4 . 1 . 1 基于i e e e 8 0 2 . 1 6 的q o s 实现方案 对i e e e 8 0 2 . 1 6 中的q o s 机制进行总体分析， 研究其信道接入协议、基于q o s的调度 服务类型划分和带宽请求/ 分配信令体系。 以i e e e 8 0 2 . 1 6 的m a c 协议为 基础， 扩充其q o s 实 现结 构， 对协议中 未 定义的 部 分提 供参考解决方案。 在s s 端增加了 流量调节 ( t r a ff i c c o n d i t i o n e r ) 模块对各数据流进行 监管，使其符合商定的 速率要求。 在b s 端增加了 准入控制 a d m i s s i o n c o n t r o l e r ) 模 块对业务流进行准入控制;分组调度 ( p a c k e t