（通信与信息系统专业论文）ieee+80216e标准的mac层研究.pdf

ie f e8 0 2 16 e 标准的m a g 层研究 摘要 近些年来，宽带无线接入技术飞速发展，i e e e8 0 2 1 6 标准便是一种面向互联网的高 速连接、极具发展潜力的宽带无线接入标准。i e e e8 0 2 1 6 标准主要应用于城域网( m a n ) ， 可实现话音、图像、视频以及数据等的无线传输，也是解决企业、家庭等“最后一公里” 接入问题的手段之一。 i e e e8 0 2 1 6 e 标准在i e e e8 0 2 1 6 d 的基础上增加了对移动性的支持。两者物理层的实 现方式基本一致，但是为了支持移动性，i e e e8 0 2 1 6 e 还在m a c 层引入了一系列技术， 其中包括移动用户的切换、省电模式以及五种调度类型的q o s 支持。通过对这些关键技 术的进一步研究探讨可以为实际应用提供相应的科学依据。 本文对i e e e8 0 2 1 6 e 标准的m a c 层进行了较为详细的分析和研究。首先介绍了m a c 层的三个子层包括特定服务汇聚子层、公共部分子层和安全子层的主要功能和构成，其次 就q o s 、切换以及省电模式三个m a c 层关键技术进行分析，最后针对省电模式之一的睡 眠模式算法进行研究。本文的研究重点是睡眠模式算法，通过建立数学模型和仿真，对平 均睡眠周期数、能量消耗和延时等睡眠模式的性能指标进行了细致地分析。在分析中也发 现数据帧到达率较小时，数据帧之间的时间间隔比较长，导致睡眠窗口会到达较大值或者 最大值，从而使得该算法的能量消耗和延时都较大。因此针对这一问题，本文提出了一个 改进的算法，其实现原理是有选择地减少睡眠模式内最大睡眠窗口的数量。仿真的结果表 明改进算法能够有效的降低能量消耗和减少延时。 关键词：i e e e8 0 2 1 6 e ，m a c 层，q o s ，切换，睡眠模式，空闲模式 r e s e a r c ho fi e e e8 0 2 16 【a cl a y e r a b s t r a c t b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g yi s d e v e l o p e dv e r yf a s ti nl a s tf e wy e a r s i e e e 8 0 2 16s t a n d a r di saw i r e l e s sa c c e s ss t a n d a r dw h i c hh a sa b r i g h tf u t u r et h a ti tc a l lp r o v i d eh i g h s p e e dc o n n e c t i v i t yf o rt h ei n t e r n e t i ti sm a i n l ya p p l i e dt om e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k ( m a n ) ， a n di tc a nb et r a n s m i t t e dv o i c e s ，i m a g e s ，v i d e o s ，d a t aa n ds oo n i ti sa l s oa p r o p e rs o l u t i o nf o r t h el a s to n em i l e ”a c c e s so fm a n yf a m i l i e sa n d e n t e r p r i s e i e e e8 0 2 16 ei sb a s e do ni e e e8 0 2 16 d ，a n di ti sa l s oa d d e ds u p p o r tf o rm o b i l i t y t h e p h y s i c a ll a y e ro ft w os t a n d a r d si sd e s i g n e da st h es a m e b e c a u s eo fm o b i l ec h a r a c t e r i s t i c ，s o m e t e c h n o l o g i e s a r eu s e df o ri e e e8 0 2 16 em a cl a y e r f o r e x a m p l e ，h a n d o v e r ，p o w e r m a n a g e m e n t ，a n dq o ss u p p o r tt of i v ek i n d so fs c h e d u l i n g t h r o u g hr e s e a r c h i n gt h e s ek e y t e c h n o l o g i e s ，i ti sb e n e f i c i a lt om a k ea p p l i c a t i o n t h i sp a p e r sm a j o rc o n t r i b u t i o ni sl a i do nr e s e a r c h i n gi e e e8 0 2 16 em a c l a y e r t h e m a c l a y e ri sc o m p o s e do fs e r v i c es p e c i f i cc o n v e r g e n c es u b l a y e r , c o m m o np a r ts u b l a y e ra n d s e c u r i t ys u b l a y e r , t h em a i nf u n c t i o n sa n df e a t u r e so ft h e s es u b l a y e r sa r ei n t r o d u c e df i r s t l y t h e n t h r e ek e yt e c h n o l o g i e s ( q o s ，h a n d o v e ra n d p o w e rm a n a g e m e n t ) a r ea n a l y s e d i nt h i sp a p e r , t h e a l g o r i t h mf o rs l e e pm o d ei np o w e rm a n a g e m e n ti sak e yr e s e a r c hp o i n t t h ep e r f o r m a n c eo f a l g o r i t h mf o rs l e e pm o d ei sa n a l y s e db ym o d e la n ds i m u l a t i o n t h er e s u l ts h o w st h a tm o r e e n e r g yc o n s u m p t i o na n db i g g e rd e l a ya r ee x i s t e di nl o w e rt r a f f i cr a t e t og e tab e t t e r p e r f o r m a n c e ，a ni m p r o v e da l g o r i t h mi sp r o p o s e df o rs l e e pm o d e t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h i si m p r o v e da l g o r i t h mc o u l d e f f e c t i v e l yr e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o na n dd e l a y k e yw o r d s ：i e e e 8 0 2 16 e ，m a cl a y e r q o s ，h a n d o v e r , s l e e pm o d e ，i d l em o d e 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：孝如日期：硒哼年华月1 日 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 、不保密叫 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：v 叶年4 月7日 日期：由j 年年月7 日 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 通信技术和网络技术的迅速发展加快了人类信息交流的速度，改变了人类信息交流的 方式，极大地促进了人类社会的发展，同时，人类社会的全球化发展又进一步刺激了通信 和网络技术的发展。人们更加追求在任何时间、任何地点以任何方式进行信息交流。 在2 0 世纪的大部分时间里，通信的主要载体还是以固定电信网为代表的有线网络。 随着计算机网络技术的快速发展，手机、笔记本电脑等移动通信设备和便携式设备得到大 量使用，用户们往往希望在日常生活和商务环境中使用这些无线设备进行通信。在无线网 络中，无线终端可以方便地接入因特网( i n t e m e o ，使用如短信、多媒体等一系列的网络服 务。由于无线网络的方便和快捷，越来越多的用户使用无线网络，并保持着快速增长的势 头【l 】。在最近几年里，无线网络已经成为了网络技术发展的热点。由于技术的不同，无线 通信的方式呈现多样化，主要有本地无线环路( w i r e l e s sl o c a ll o o p ，w l l ) 、蜂窝无线网 络( c e l l u l a rw i r e l e s sn e t w o r k ) 、宽带卫星系统、无线局域网( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ， w l a n ) 及无线城域网( 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 ，w m a n ) 等。同时，以 t c p i p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 协议簇为基础的i n t e r n e t 在2 0 世纪 9 0 年代迅速发展【2 l ，传输的内容从以数据为主发展到语音、数据、图像、视频等多种业 务，从几个大型网络的简单连接发展到覆盖全球的异质网络互联，从电话线发展到电话线、 铜线和光纤并存，传输方式从有线扩展到无线，无线城域网就是i n t e m e t 在无线领域的延 伸和发展。 随着i n t e m e t 的业务内容对网络宽带的需求也越来越高【3 】，为了满足用户对接入带宽 的迫切需求，业界开发了各种各样的宽带接入技术，其中有代表性的有数字用户环路 ( x d s l ) 技术、混合光纤同轴( h f c ) 技术、线缆调制解调器( c a b l em o d e m ) 技术、光纤接入 技术和宽带无线接入技术等。比较而言，宽带无线接入技术在初期投资、业务提供速度和 资源重复利用等方面具有自身独特的优势以及广泛的市场应用前景。 通常业界所指的宽带无线接入技术主要指的是城域覆盖范围内的技术。为了在全球范 围内建立一个统一的宽带无线接入技术标准，美国的i e e e 协会提出了i e e e8 0 2 1 6 标准 一l 一 浙江工业大学硕士学位论文 【4 】【7 】，它定义了无线城域网的空中接1 3 规范，为无线城域网中的“最后一公里 连接提供 了不可缺少的一环。为了在全球范围内推广这一标准，w i m a x ( w o r l di n t e r o p e r a b i l i t yf o r m i c r o w a v ea c c e s s ) 论坛也应运而生【4 】。它的成立得到了设备厂商和运营商的关注，他们积 极加入其中，很好地促进了i e e e8 0 2 1 6 标准的推广和发展。 1 2l e e e8 0 2 1 6 的标准化现状 1 2 1i e e e8 0 2 1 6 标准组织的情况 美国i e e e 协会针对特定市场需求和应用模式提出了一系列不同层次的互补性无线标 准，其中已经得到广泛应用的标准系列包括应用于无线个域网的i e e e8 0 2 1 5 标准 8 1 和应 用于无线局域网的i e e e8 0 2 1 1 标准 9 1 。而i e e e8 0 2 1 6 标准的提出，弥补了i e e e 在无线 城域网标准上的空白。 i e e e8 0 2 1 6 标准又称为i e e ew i r e l e s sm a n 空中接口标准，对工作于不同频带的无 线接入系统空中接口进行了规范。由于它所规定的无线系统覆盖范围在公里( k r n ) 量级，因 此8 0 2 1 6 系统主要应用于城域网。根据使用频带高低的不同，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 l i g h z 频带的系统可以应用于非视距( n l o s ) 范围，而 使用1 0 - - 一6 6 g h z 频带的系统应用于视距( l o s ) 范围。根据是否支持移动特性，8 0 2 1 6 标准 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。 1 2 2i e e e8 0 2 1 6 标准系列的介绍 i e e e8 0 2 1 6 标准系列到目前为止包括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 t , 8 0 2 1 6 9 和8 0 2 1 6 k 共八个标准1 0 】【1 4 1 ，如表1 1 所示。其中，8 0 2 1 6 、1 6 a 、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 ii e e e8 0 2 1 6 空中接口相关标准 标准号负责的技术领域 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标准 8 0 2 1 6 a 2 li g h z 固定宽带无线接入系统空中接口标准 8 0 2 1 6 c 1 0 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统关于兼容性的增补文件 8 0 2 1 6 d 固定宽带无线接入系统空中接口标准 8 0 2 1 6 e 固定和移动宽带无线接入系统空中接口标准 8 0 2 1 6 f 固定宽带无线接入系统空中接u i m i b 要求 8 0 2 1 6 9 固定和移动宽带无线接入系统空中接u 管理平面流程和服务要求 8 0 2 1 6 k 局域网和城域网媒体接入控制( m a c ) 桥接 浙江工业大学硕士学位论文 2 0 0 1 年1 2 月颁布的8 0 2 1 6 标准，对工作在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l i 垦( l o s ) 传输。 2 0 0 3 年1 月颁布的8 0 2 1 6 a 标准对之前颁布的8 0 2 1 6 标准进行了扩展，对使用2 l l 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( n l o s ) 传输的特点，覆盖范围最远可达5 0 公里，通常小区半径为1 0 公里以内。 该标准明确定义了三种物理层数据传输方式：第一种是单载波方式；第二种是使用2 5 6 个 载波的正交频分复用( o f d m ) 方式；第三种是使用2 0 4 8 个子载波的o f d m 标准。另外， 8 0 2 1 6 a 的m a c 层提供- j 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 相比更具有市场价值，真正成为了用于城域网的无线接入标准。 2 0 0 2 年正式发布的8 0 2 1 6 c 标准是对8 0 2 1 6 标准的增补文件，是对工作在1 0 6 6 g h z 频段 8 0 2 1 6 系统的兼容性规范，它详细规定了i o - , 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 标准是8 0 2 1 6 标准系列的一个修订版本，是相对比较成熟并且最具有实用性的 一个标准版本。8 0 2 1 6 d 对2 - - 6 6 g h z 频段的固定宽带无线接入空中接口物理层和m a c 层进 行了详细规定，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8 0 2 1 6 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，增加或修改的内容用来提高系 统性能和简化部署，或者用来更正错误、不明确或不完整的描述，其中包括对部分系统信 息的增补和修订。2 0 0 4 年6 月2 3 日，i e e e 正式批准了8 0 2 1 6 d 标准。 8 0 2 1 6 e 标准与前几个标准的最大区别在于对移动性的支持。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 适宜于移动性的许可频段，可支持用 户终端以车辆速度移动，同时8 0 2 1 6 d 规定的固定无线接入用户能力并不因此受到影响。 制定8 0 2 1 6 e 标准的目的，是希望能够提出一种既能提供高速数据业务又能使用户具有移 动性的宽带无线接入解决方案，且能够向下兼容8 0 2 1 6 d 。为了支持移动性，8 0 2 1 6 e 提出 了具有移动特性的系统框架结构。与8 0 2 1 6 d 相比，8 0 2 1 6 e 的物理层( p h y ) 采用正交频分 多址( o f d m a ) 方式进行扩展；m a c 层增加了支持移动切换的功能。标准在2 0 0 5 年1 2 月 得到了批准。 8 0 2 1 6 f 标准定义了8 0 2 1 6 固定无线接入系统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。该标准已于2 0 0 5 年1 2 月正式发布。 浙江工业大学硕士学位论文 8 0 2 1 6 9 标准制定的目的是为了规定8 0 2 1 6 管理流程和接1 2 1 ，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。该标准已于2 0 0 7 年9 月通过批 准。 8 0 2 1 6 k 标准针对8 0 2 1 6 的桥接进行了修改，使之能够与8 0 2 1 6 媒体接入控制 队c ) 实现兼容。该标准已于2 0 0 7 年3 月通过批准。 1 3w i 蚴概况 i e e e8 0 2 1 6 标准工作组主要针对无线城域网的物理层和m a c 层制订规范和标准。 为了形成一个可运营的网络，8 0 2 1 6 技术必然需要其他部分的支持，所以w i m a x 论坛 应运而生，从此w i m a x 成为了8 0 2 1 6 的代名词。w i m a x 是基于8 0 2 1 6 标准的一项新 兴无线城域网技术，是针对微波和毫米波频段提出的一种新的空中接口，能够提供高速的 互联网连接。作为一种功能强大的无线技术，它用于将无线接入热点连接到互联网，也可 连接公司、家庭等环境至有线骨干线路。它可作为线缆和d s l 的无线扩展技术，从而实 现无线宽带接入。 1 3 1 国外发展现状 目前，w i m a x 已经形成了包括芯片制造商、接入及终端设备制造商、网络系统设备 商和运营商【1 0 1 在内的较完整的产业链，其中，主要的基带芯片开发商、r f 芯片制造商和 设备制造商如表l 一2 所示。 表1 - 2w i m a x 主要的基带芯片开发商、r f 开发商和设备制造商 基带芯片开发商r f 开发商设备制造商 i n t e lm a x i ma l v a r i o n f u j i t s u 微电子 r fm a g i ci n c w i l a n 腑v e s a ts i e r r am o n o l i t h i c si n c a t m e l b e c e e mt ir e d l i n ec o m m u n i c a t i o n 由于w i m a x 依赖于核心芯片作为上游产品，因此芯片开发与制造在短期内是 w i m a x 发展的“瓶颈”，尤其是i e e e8 0 2 1 6 e 设备，目前只有几家：卷片厂家推出了基带 j 占片。不过，随着w i m a x 技术标准的不断成熟和完善，作为w i m a x 应用基础的j 醛片 开发和生产也加快了，主要的：卷片制造商有i n t e l 、w a v e s a t 、b e c e e m 等。 浙江工业大学硕士学位论文 i n t e l 。2 0 0 5 年4 月1 8 号，i n t e l 推出了符合8 0 2 1 6 d 标准的高集成度系统级芯片 - - p r o w i r e l e s s5 11 6 ，它支持1 0 m h z 信道带宽，2 5 6 个o f d m 载波。2 0 0 8 年，i n t e l 又推 出了2 款基于移动w i m a x w i f i 的芯片【1 5 l - l i n k515 0 和l i n k5 3 5 0 。 w a v e s a t 。2 0 0 4 年1 2 月，w a v e s a t 发布了全球首款符合8 0 2 1 6 d 标准的基带芯片 w a v e s a td m 2 5 6 ，其适用于非视距环境，具备q o s 管理能力，同时具有后向兼容能力。2 0 0 5 年6 月，w a v e s a t 再次推出了1 5 m m x l 5 m m 小封装的w i m a x 芯片。2 0 0 7 年初，w a v e s a t 发布了代号为p a n t h e r 的高性能移动w i m a x 芯片。 f u j i t u 。2 0 0 5 年4 月2 2 日，f u j i t u 微电子宣布推出高集成度w i m a x 系统芯片一 m b 8 7 m 3 4 0 0 ，它符合8 0 2 1 6 d 标准，可以在t d d 或者f d d 模式下运行，并支持1 7 5 2 0 m h z 之间所有频道带宽。2 0 0 9 年2 月，f u j i t u 宣布完成一款移动设备用w i m a x 基带处理芯片 m b 8 6 i 【2 3 ，是现在全球最小的w i m a x 芯片。 b e c e e m 【1 6 】。2 0 0 6 年1 月，b e c e e m 宣布推出世界上首款符合8 0 2 1 6 e 标准的移动 w i m a x 芯片m s l o o 。2 0 0 9 年第一季度，基于b c s 5 2 0 0 芯片的固定w i m a x 设备和基 于b c s m 2 5 0 芯片的移动w i m a x 设备也已经投产。 目前，主要的r f i c 供应商有s i e r r am o n o l i t h i c s 、r fm a g i c 、t i 、s i g e 等公司。这些 公司也分别推出了2 5 g h z 、3 5 g h z 和5 8 g h z 的r f i c 产品。 包括a l c a t e l 、a l v a r i o n 、p r o x i m 以及西门子等涉足宽带无线接入领域的大部分厂商都 考虑开发基于i e e e8 0 2 1 6 d 标准的设备产品。n a v i n i 和三星等在移动w i m a x 领域投入 较早的设备开发商也已经开始提供基于i e e e8 0 2 1 6 e 的系统和终端，这些公司从一开始 就专注于移动w i m a x ，前期的研发进展很快，一些设备已经开始投入试验或者商用。比 较成熟的产品如三星公司所开发的w i b r o 系统【l7 1 。 此外，作为产业链的核心组成部分，营运商的态度对于w i m a x 技术的发展、产品的 迅速应用以及设备的互通至关重要。由于w i m a x 网络的投资和建设需要足够的资源， 电信运营商或者政府部门就需要承担网络建设和运营的责任。目前，全球已经有许多运营 商对w i m a x 表达出了相当大的兴趣，加入w i m a x 论坛的电信运营商就有1 0 0 多个， 包括a t & t 、s p r i n t 、英国电信、法国电信、v e f i z o n 等知名的国际电信巨头【1 0 1 。随之而来， 一系列的w i m a x 网络也已经搭建完成，其中小部分开始试运行或者商用。 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 2 国内发展现状 中国的运营商在w i m a x 技术上的态度尚不明朗，其中最主要的原因是，目前更多的 资源都投入到了t d s c d m a 1 8 1 等其他的3 g 技术上，但是对w i m a x 还是持有较高的积 极性。重组前的中国电信、中国网通先后加入了w i m a x 论坛。重组前的中国四大运营 商都在不同程度的开展i e e e8 0 2 1 6 d 网络测试、商用试验。 在国内的w i m a x 制造商【1 9 】中，中兴通讯走在了最前端。早在2 0 0 4 年初它就加入了 w i m a x 论坛，并表现活跃。近几年，中兴通讯已经在欧洲、亚洲和非洲等地区获得了 w i m a x 的商用合同，并在2 0 0 6 年开始进行i e e e8 0 2 1 6 e 技术的场地试验。国内的另一 家著名企业华为，也在2 0 0 4 年8 月加入了w i m a x 论坛。此后，华为生产了基于i n t e l p r o w i r e l e s s5 1 1 6 芯片的产品，并于2 0 0 7 年推出了基于i e e e8 0 2 1 6 e 的产品。 在2 0 0 4 年6 月，i n t e l 公司分别与大连和成都市政府签署了w i m a x 无线网络合作谅 解备忘录，将采用w i m a x 宽带无线技术为这两个城市提供宽带无线接入。2 0 0 5 年3 月， 北京市石景山区政府与北京艾维通信有限公司、美国a d a p t i x 公司和北京邮电大学签 约，在石景山区合作建设我国首个w i m a x 无线宽带示范网络“石景山w i p l u s ”，这是我 国第一个w i m a x 完全标准的区域示范网。截止2 0 0 7 年9 月，我国已经在北京、上海、 天津、武汉、杭州和深圳六个城市确立了无线城市计划，w i m a x 的中国路线图也日渐清 晰。进入2 0 0 9 年，走在世界最前沿的台湾地区，已经开始使用以i e e e8 0 2 1 6 e 为基础的 移动w i m a x 网络【2 0 1 ，估计到2 0 1 0 年底，中国台湾的w i m a x 网络用户将达到8 0 0 万。 此外，广电部门也在关注着w i m a x 技术的进展情况，i p t v 系统通过w i m a x 接入 将是广电网建设的一个方剐2 1 1 。 1 3 3w i m a x 与其他3 g 技术的比较【1 4 】 自从i e e e8 0 2 1 6 e 提出以来一直广受关注，因为有i n t e l 这样的巨头和w i m a x 论坛 的推动，加上自身的移动特性，业界对于8 0 2 1 6 e 和3 g 技术( 这里的3 g 技术主要是指 t d s c d m a 、w c d m a t 2 2 】和c d m a 2 0 0 0 t 2 3 1 ) 的关系存在着多种不同的观点：有的认为 8 0 2 1 6 e 会取代3 g ，有的则认为8 0 2 1 6 e 不可能取代3 g ，只是3 g 的互补。虽然w i m a x 是3 g 技术，但是和其他的3 g 技术相比还是有很大的差别的。 首先，定位不同。从标准化过程来看，8 0 2 1 6 e 仅定义了空中接口的物理层和m a c 层，在m a c 层以上采用的协议以及核心网部分并不涉及。其它3 g 技术作为一个完整的 网络，空中接口、核心网以及业务规范等都已经完成了标准化工作。 从业务能力来看，8 0 2 1 6 e 提供的主要是具有定移动特性的宽带数据业务，面向的 一6 一 浙江工业大学硕士学位论文 用户主要是笔记本终端和8 0 2 1 6 e 终端持有者。8 0 2 1 6 e 接入口核心网，也能提供v o i p 业务。而其他3 g 则是为了语音业务和数据业务共同设计的。8 0 2 1 6 e 牺牲移动性换取较 高的数据传输能力，数据带宽优于其他3 g ，但是其他3 g 的数据能力也在不断的提高中。 从覆盖范围来看，8 0 2 1 6 e 为了得到较高的数据宽带，需要牺牲覆盖和移动性，主要 还是用于解决热点覆盖。其它3 g 则实现了连续覆盖，用户可以不问断的通信。 总体来说，虽然8 0 2 1 6 e 在数据能力上优于其他3 g ，但是从标准化、技术特性等多种 角度考虑，8 0 2 1 6 e 离大规模的商用还有一段时间，它的应用应该在其他3 g 之后。从网 络用户特点、服务提供商和技术特点三个方面来看，8 0 2 1 6 e 和其他3 g 的区别如表1 3 。 表1 - 38 0 2 1 6 e 与其他3 g 技术的区别 8 0 2 1 6 e其他3 ( 3 用户 固定无线接入、高速数据速率、低移需要数据服务的语音用户。 动性用户。非对称性数据服务。 对称数据用户。缺乏对低延时数据服务的支持。 支持低延时数据和实时语音服务。终端设备提供数据服务。 终端设备提供固定接入、高速数据服 务，p c 卡提供移动业务。 服务 固定无线服务商和w i s p 。蜂窝移动通信服务提供商。 提供商支持本地或区域移动性和漫游。支持全球移动和漫游。 技术特点扩展了8 0 2 1 6 a 的物理层和m a c 层。t d s c d m a 、w c d m a 、和c d m a 2 0 0 0 对固定基站进行优化；能向后兼容。从g s m 或l s _ 4 l 发展而来 工作于2 - - 6 g h z 的许可频段。2 7 g h z 以下的许可频段。 典型信道带宽大于5 m h z 。典型信道带宽小于5 m h z 。 面向数据包的架构。 面向电路的架构，引入数据传输部分。 采用q o s 措施对多媒体服务进行信道 对移动语音服务进行信道优化和控制优 化和控制。化，基于m a p s s 7 。 低延时架构。下行数据传输效率一般，上行效率较低。 高延时架构。 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 本文的主要工作 本文对i e e e8 0 2 1 6 e 标准的m a c 层进行了较为详细的分析和研究。首先介绍了m a c 层的三个子层包括特定服务汇聚子层、公共部分子层和安全子层的主要功能和构成，其次 就q o s 、切换以及省电模式等三个m a c 层关键技术进行分析，最后针对省电模式之一的 睡眠模式算法进行研究。本文的研究重点是睡眠模式算法，通过建立数学模型和仿真，对 平均睡眠周期数、能量消耗和延时等睡眠模式的性能指标进行了细致地分析。在分析中也 发现数据帧到达率较小时，数据帧之间的时间间隔比较长，导致睡眠窗口会到达较大值或 者最大值，从而使得该算法的能量消耗和延时都较大。针对这一问题，本文提出了一个改 进的算法，其实现原理是有选择地减少睡眠模式内最大睡眠窗口的数量。最后利用仿真证 明了改进算法的可行性。 本论文内容共分五个章节，具体的安排如下： 第一章是绪论部分，首先介绍了i e e e8 0 2 1 6 标准的背景和现状，然后对基于此标准 的w i m a x 技术进行了详细说明，最后是论文的基本结构。 第二章介绍了i e e e8 0 2 1 6 e 标准的概况，重点是特定服务汇聚子层、公共部分子层和 安全子层这三个重要m a c 子层。 第三章对i e e e8 0 2 1 6 em a c 层的关键技术进行研究，主要是五种调度类型的q o s 机 制、用户的切换以及省电模式。 第四章通过建立数学模型对睡眠模式算法进行了仿真，重点分析了平均睡眠周期、能 量消耗以及延时等性能指标。在此基础上，针对算法存在的问题，提出了一种改进算法， 并进行了比较和分析。 第五章是全文的总结以及需要改进的地方。 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 概述 第2 章i e e e8 0 2 1 6 e 标准分析 最初i e e e8 0 2 1 6 定位在固定无线，但是随着宽带无线技术的飞速发展和人们对无线 业务需求的不断改变，只有具有移动特性才能保证i e e e8 0 2 1 6 拥有更加广阔的市场。于 是在固定宽带接入8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 和8 0 2 1 6 d 标准基础上，i e e e8 0 2 1 6 工作组提出了支 持终端移动性的技术，也就是i e e e8 0 2 1 6 e 标准。它的目的是在移动环境中同时支持语 音、多媒体和高速数据业务，形成一个高效的、集成的和基于i p 的通信环境，同时支持 对i n t e m e t 和企业内联网的透明接入。8 0 2 1 6 e 标准与之前的一系列标准的最大区别就是 移动性。它规定了可同时支持固定和移动宽带无线接入，工作在2 6 g h z 适合于移动性的 许可或者免许可频段，可支持终端以车辆速度移动，且对8 0 2 1 6 d 规定的无线接入用户能 力不产生影响。总的来说，8 0 2 1 6 e 是一种能够提供高速数据业务又使用户数据具有移动 特性的宽带无线接入技术。 2 1 1 基本特征 8 0 2 1 6 e 标准面向更广范围的无线点到多点城域网系统，可提供核心网接入，在一经 出现便受到了业界广泛的关注，按照其设定的目标，该系统具有以下一些特征1 0 l ，【1 4 1 。 移动性高。8 0 2 1 6 e 可以同时支持固定和移动无线接入，其移动性目标为1 2 0 k m h 的 车速移动；支持低于5 0 m s 的优化切换策略，确保实时业务在切换时质量不受影响，而灵 活的密钥管理策略又保证了切换期间的安全性。 可扩展能力强。8 0 2 1 6 e 可以支持点到点、点到多点固定模式，也可以支持点覆盖的 游牧模式和全覆盖的移动模式；在网络部署时，可以通过子信道方式平衡网络覆盖和数据 传输能力，根据业务的重点改变覆盖范围；此外还可以根据频率资源和业务要求选择相应 的带宽，同时在不同的载波带宽和调制方式下获得不同的接入速率，满足了全球不同地区 的需求。 覆盖范围广。由于引入了o f d m a 和m i m o 等技术，8 0 2 1 6 e 能够在小增加系统带宽 的情况下，提高系统的容量和无线传输性能。单基站覆盖范围的典型取值为l 2 k m 。 一9 一 浙江工业大学硕士学位论文 提供数据服务。8 0 2 1 6 e 系统将接入基于i p 的核心网，主要是面向个人用户提供数据 业务，也能提供v o m 业务。但是为了获得较高的宽带( 3 0 m b i t s ) ，其覆盖范围和移动性方 面必然受到影响。因此，它的应用将集中在静止或者低速移动的宽带数据接入。 q o s 和安全机制灵活。8 0 2 1 6 e 标准的子信道化以及媒体接入协议( m a p ) 信令提供了 空中接口中灵活的优化调度制度。同时，采用了可扩展认证协议( e a p ) ，进一步加强了安 全机制。 2 1 2 主要指标 i e e e8 0 2 1 6 e 标准的主要技术指标【1 4 】如表2 1 所示，工作频率在2 - - - 6 g h z ，双工方式 为f d d 和t d d ，载波带宽可在1 2 5 - 2 0 m h z 之间选择。物理层与8 0 2 1 6 d 基本一致，但 对o f d m a 进行了扩展，可以支持1 2 8 点、5 1 2 点、1 0 2 4 点和2 0 4 8 点的快速傅里叶变换。 此外，为了支持移动性，8 0 2 1 6 e 中的导频和前导信号也和8 0 2 1 6 d 有所不同。 表2 - 1i e e e8 0 2 16 e 标准主要技术指标 工作频率 2 6 g h z 移动性支持最高1 2 0 k m h ，低速一般是1 0 - - 1 5 k m h 双工方式频分双i ( f d d ) 和时分双i ( t d d ) 载波带宽 1 2 5 2 0 m h z 单基站覆盖范围 l 2 k m 调制方式o f d m 和o f d m a ( 进行了扩展) 扇区标称峰值接入速率 7 0 m b i t s 2 2 理论模型 2 2 1协议模型 i e e e8 0 2 1 6 e 标准主要规范了数据控制平面。数据控制平面由物理层( p h y ) 和媒体接 入控制层( m a c ) 组成，m a c 层又分成了三个子层：特定服务汇聚子层( s e r v i c es p e c i f i c c o n v e r g e n c es u b l a y e r ，s s c s ) 、公共部分子层( c o m m o np a r ts u b l a y e r ，c p s ) 和安全子层 ( s e c u r i t ys u b l a y e r ，s s ) 。其移动用户站m a c 层的协议栈和8 0 2 1 6 d 相同，如图2 - l 所示。 浙江工业大学硕士学位论文 厂 8 0 2 1 6 e 标准 ( c ss a p 卜 ii ol i li ! i 特定服务汇聚子层 l i管理实体 l i 一 i l | i特定服i 汇聚子层 l 一：一 l i 弋m a cs a p 卜 i 网 m c 公共部分子屉络 i管理定位 l 1日t r r 管 安全子层 ；l ：一二姜三；毒一- i i 理 1r ( p h ys a p 卜 j l 系 p h y ：i管理实体 l 一 物理层 7 l 物理层 i 一 统 l i1r l管理平面 i i数据控制平面 i i i 图2 18 0 2 1 6 e 移动用户站的协议栈模型 汇聚子层的主要功能是负责将其业务接入点( s a p ) 接收到的外部网络数据进行转化和 映射到m a c 业务数据单元( s d u ) ，并传递到m a c 层的s a p 。 公共部分子层是m a c 层的核心部分，主要功能包括系统接入、宽带分配、连接建立 和连接维护、移动和切换等。它通过m a cs a p 接收来自汇聚子层的数据并分发到特定的 m a c 连接，同时对物理层上传输和调度的数据实施q o s 控制。 安全子层的主要功能是提供对通信实体和业务数据的认证、密钥交换和加解密处理 等。 为了支持移动性，i e e e8 0 2 1 6 e 基站的协议栈和移动用户站有所不同【1 9 】，如图4 2 。 它基于8 0 2 1 6 d ，针对移动性又定义了切换支持、省电的睡眠模式以及e a p 支持的增强性 安全机制等附加功能。此外，协议栈还增加了移动代理( m o b i l e a g e n t ，m a ) 层。 移动代理( m a ) c 至回 特定服务汇聚子层 m a c 公共部分子层 物理层 骨 干 网 协 议 栈 图2 - 28 0 2 1 6 e 基站的协议栈模型 一l l 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 2 网络模型 i e e e8 0 2 1 6 e 支持移动性同时又基于m 的通信环境，其实体网络模型可描述为图2 3 所示。与移动性相关的实体包括用户站( s u b s c r i b e rs t a t i o n ，s s ) 、基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 和服务提供商的鉴权和服务授权服务器( a s a s e r v e r ) 。 根据服务提供商网络的配置和管理策略，s s 可以执行从一个b s 到另一个b s 的切换。 切换的管理策略可能在相关的b s 处，也可能在a s a s e r v e r 中。图就是2 个b s 连接到运 营商骨干网上的例子，其中当s s 离开了b s l 的覆盖范围而进入b s 2 的覆盖范围时，就 进行了一次成功的切换。 图2 - 3 实体网络模型示例 由于8 0 2 1 6 e 基站的协议栈模型和8 0 2 1 6 d 有所不同f l l 】，因此这二者的逻辑网络参考 模型也不同。8 0 2 1 6 e 增加了b s 之间的参考点i b ，它表示b s 到b s 的消息；b s 和s s 之间的参考点u ，它表示p h y 层，m a c 层的操作，包括支持移动性的消息交互；b s 和 a s a s e r v e r 之间的参考点a ，它表示给s s 提供鉴权消息和服务授权功能。各参考点的描 述如图2 4 所示。 图2 _ 4 逻辑网络模型 一1 2 一 浙江工业大学硕士学