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北京邮电大学硕士学位论文 摘要 w i m a x 网络中的快速切换技术研究 摘要 宽带的移动化和移动的宽带化成为通信产业的发展趋势。目前的 无线通信系统! h 3 g 、w l a n 在数据速率、业务能力及成本、覆盖范 围、移动性等方面各有其应用的局限，因此，作为移动宽带无线接入 技术的w i m a x 受到了越来越多的关注。w i m a x 8 0 2 16 e 标准提供的 巨大覆盖范围、最高达7 0 m b s 的数据传输速率以及支持移动台的车速 移动等技术优势决定了w i m a x 技术具有广阔的应用范围和良好的市 场前景。目前i e e e 8 0 2 1 6 e 标准只定义了物理层和m a c 的规范，在切 换问题上也只定义了m a c 层的切换，如何联合网络层进行快速切换， 以便支持w i m a x 的完整移动性，是关系到w i m a x 网络能否成功进行 商业部署的重大问题。 移动i p v 6 是i e t f 定义的i p 网络的移动性的解决方案。但是，传统 m i p v 6 在切换过程中产生较大的切换时延，这对v o l p 禾n 多媒体通信等 实时业务来说是难以容忍的。为此i e t f 提出了移动i p v 6 的快速切换机 制，即f m i p v 6 。 本文正是在研究w i m a x 8 0 2 16 e 协议和f m i p v 6 协议的基础之 上，提出了基于f m i p v 6 的w i m a x 网络快速切换机制，该方案采用跨 层切换的思想，m a c 层联合网络层同时进行切换，在链路尚未断开 之前即完成新转交地址( n c o a ) 获取等功能，从而加快了切换进程， 减小了切换时延和切换时的丢包率。在提出本切换机制的基础上，本 文在n s 2 仿真平台上对所提出的切换方案做了系统性的性能仿真，通 过仿真结果验证了方案的可行性和优越性。 关键词：移动i p v 6 快速切换时延丢包率i e e e 8 0 2 1 6 ew i m a x 北京邮电大学硕上学位论文 a b s t r a c t t h ef a s th a n d o v e rr e s e a r c h o fw i m a xn e t w o r k a bs t r a c t a si n t e m e ta n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o nd e v e l o pr a p i d l y , p e o p l e p r o p o s es o m ea d v a n c e dr e q u i r e m e n t so nt h eq o so f m u l t i - m e d i as e r v i c e m o b i l ec o m m u n i c a t i o nm u s ts u p p o r tb r o a d e rb a n d ，a n db r o a d b a n da c c e s s t e c h n o l o g ym u s ts u p p o r tm o b i l i t y b u tn o w a d a y sw i r e l e s ss y s t e m s ，s u c h a s3 g 亿a n ，h a v es o m ed e f e c t si nr e s p e c to fs p e e d ，c o s t ，r a n g ea n d m o b i l i t y s ot h ew i m a xw h i c hi sam o b i l eb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s s t a n d a r dh a sg o tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n w i m a x 8 0 2 16 e s t a n d a r dn o to n l ym e e t sp e o p l e sh i g h s p e e d ， l o n g d i s t a n c ea n dw i r e l e s sn e e d si nt h el a s tk i l o m e t e rc o n n e c t i o n ，b u ta l s o p r o v i d e ss u f f i c i e n tm o b il i t yc a p a c i t y b e c a u s eo fi t so u t s t a n d i n gs y s t e m p e r f o r m a n c e ，w i m a xt e c h n o l o g yw i l lb ea p p l i e di naw i d ea r e aa n dw i l l h a v eab r i g h tm a r k e tp r o s p e c t b u tc u r r e n t8 0 2 16 e s t a n d a r do n l y s p e c i f i e st h em o b i l i t yo fm a cl a y e r h o wt oe x e c u t et h ev e r t i c a l h a n d o v e ra s s o c i a t e dw i t hb o t ht h em a ca n di pl a y e r si sa nu r g e n t p r o b l e mw h i c hm a ya f f e c tt h ed e p l o y m e n to fw i m a x n e t w o r k i no r d e rt op r o v i d et h es e s s i o nc o n t i n u i t yd u r i n gh a n d o v e rb e t w e e n d if f e r e n ts u b n e t s m o b i l ei p v 6p r o t o c o li s p r e s e n t e d h o w e v e r , t h e h a n d o v e rl a t e n c yr e s u l t i n gf r o ms t a n d a r dm o b i l ei p v 6i so f t e n u n a c c e p t a b l et or e a l t i m et r a f f i cs u c ha sv o i c eo v e ri p s ot h em o b i l e i p v 6f a s th a n d o v e rp r o t o c o l ( f m i p v 6 ) h a sb e e np r o p o s e da sa m e c h a n is mt oi m p r o v et h eh a n d o v e rl a t e n c y i nt h i sp a p e r , i e e e 8 0 2 16 es t a n d a r di sd e s c r i b e da tf i r s t t h e na n i n t r o d u c t i o nf o rt h eb a s i ck n o w l e d g ea n dr e s e a r c hi nm i p v 6a n df m i p v 6 p r o t o c o li sg i v e n af a s th a n d o v e rs c h e m eo fw i m a x n e t w o r kw h i c h b a s e do nf m i p v 6p r o t o c o li ss u g g e s t e d ，w h i c hi m p l e m e n t st h ef a s t i i h a n d o v e ra ti pl a y e ra s s o c i a t i n gw i t hm a c l a y e ra tt h es a m et i m e t h i s s c h e m em i n i m i z e sh a n d o v e rl a t e n c yb yp r e d i c t i n ga n d p r e p a r i n g t h e i m p e n d i n gh a n d o v e ri na d v a n c e f i n a l l y , s i m u l a t i o na r ec a r r i e do u tt o e v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h i sf a s th a n d o v e rs c h e m e t h er e s u l to ft h e s i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ef a s th a n d o v e rs c h e m eh a sg o o d p e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：f m i p v 6f a s th a n d o v e rd e l a yp a c k e tl o s sr a t ei e e e 8 0 2 1 6 ew i m a x 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料苞有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：搬进 日期：遁：1 ：f 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着社会信息化的推进，人们对移动通信的需求越来越大，对移动通信支持 的业务要求也越来越来越高。同时，随着通信技术的发展，系统能够支持的数据 速率越来越高，各种新兴的宽带数据业务也随之出现，移动通信正向着宽带化、 业务综合化等方向发展。移动化和宽带化的结合将是全球通信产业发展的必然趋 势。w i m a x 技术正是迎合了这种趋势，因此受到了越来越多的关注。 1 1 课题的背景及意义 1 1 1 无线通信技术的发展 从技术标准的角度看，当今无线通信正沿着两条主线发展：一条是i t u 和 3 g p p 3 g p p 2 弓i 领的移动通信系统，从3 g 走向e 3 g ，再走向b 3 g 4 g ；另一条是i e e e 引领的无线接入系统，从无线个人域n ( w p a n ) 至i 无线局域n ( w l a n ) 、无线城 域g 习( w m a n ) 。近几年来，随着技术的不断发展和网络的同趋演进，移动通信与 无线接入在相互角逐的同时，走向互补融合、共同发展。而w i m a x 标准的出现 最终促成了这种融合，2 0 0 7 年1 0 月1 9 日w i m a x 正式被i t u 接纳为3 g 标准。 3 g 网络目前逐渐成熟起来并逐步走向商用，但是3 g 网络的设计初衷是为满 足话音业务基础上增加多媒体数据业务，所以支持数据业务的能力有限。随着互 联网的迅速发展和流媒体业务的兴起，第三代移动通信合作计划( 3 g p p ) 和3 g p p 2 都开始了i p 化的演化进程。3 g p p 已经发布了支持移动软交换的r 4 、核心网采用 i p 多媒体子系统( i m s ) 的r 5 r 6 ，3 g p p 在i i i i i i 发布r 7 r 8 版本中继续发展i m s ，并 引入了其他接入方式。问题是如果仍然继续保持面向连接的结构，其支持突发式 互联网数据业务时频谱效率必然很低。3 g 可以支持话音和低速率数据，但是其 容量实际上不能支持多个高速数据用户。 3 g p p 不1 3 g p p 2 都认识到支持高速数据用户的问题，试图在原来的体系框架 内，在下行链路中采用分组多址技术，大幅度提高i p 数据下载和流媒体速率。 3 g p p ：币1 3 g p p 2 分别在2 0 0 4 年底矛1 2 0 0 5 年初丌始了3 g 演进技术e 3 g 的标准化工 作。 在蜂窝移动通信系统快速发展的同时，其它的宽带无线接入技术也不断涌 现，包括以蓝牙i e e e8 0 2 1 5 为代表的无线个人域网( w p a n ) 、以i e e e8 0 2 1 1 为代 表的无线局域曝j ( w l a n ) 、以i e e e8 0 2 1 6 为代表的无线城域网( w m a n ) 。该系列 第1 页共6 6 页 北京邮i u 人学硕，【：学位论文第一章绪论 标准如图1 1 所示，这些标准的制定保证了宽带无线接入网络的互操作性。 图1 - 1 宽带无线接入标准结构图 w p a n 主要为了解决家庭和办公环境中高速设备间的无线互连问题，用于同 一地点的终端与终端之间的连接，即点到点的短距离连接，如手机和蓝牙耳机之 间的无线连接。w p a n 工作在2 4 g h z 频段，其新的标准将可以支持最高达 5 5 m b i t s 的多媒体通信，覆盖范围小于1 0 m 。目前承担w p a n 标准化任务的国际 组织主要是i e e e8 0 2 15 工作组。 w l a n 对应的是i e e e8 0 2 1 1 标准系统。主要用于解决办公室局域网和校园网 中用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数据存取，速率最高只能达到 2 m b i t s 。由于i e e e8 0 2 1 1 在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此， i e e e8 0 2 1 1 工作组又相继推出了i e e e8 0 2 1 1 b 和i e e e8 0 2 1 1 a 两个新标准。i e e e 8 0 2 11 b 采用2 4 g h z 频带，调制方法采用补偿码键控( c k k ) ，共有3 个不重叠的传 输信道，传输速率范围为5 5 11 mb i f f s 。i e e e8 0 2 1 1 a 扩充了i e e e8 0 2 1 1 标准的 物理层，规定该层使用5 g h z 的频带，物理层采用o f d m 调制技术，传输速率范 围为6 5 4 mb i t s ，共有1 2 个不重叠的传输信道。 i e e e8 0 2 1 6 标准定义了无线m a n ( 城域网) 空中接口规范，它的提出就是 要建立一个全球统一的宽带无线城域网的接入标准。w i m a x 论坛( w i m a x f o r u m ) 是由众多无线通信设备和器件供应商于2 0 0 1 年6 月发起成立的，其目标 是促进i e e e8 0 2 1 6 标准规定的宽带无线网络的应用推广，保证采用相同标准的 不同厂家宽带无线接入设备之间的互通性和互操作性。w i m a x 论坛的成立很快 得到了厂商和运营商的关注，很好地促进了i e e e8 0 2 1 6 标准的推广。 第2 页共6 6 页 北京邮电大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 2w i m a x 8 0 2 1 6 标准的提出和发展 宽带无线接入技术从2 0 世纪9 0 年代开始快速地发展起来，但一直没有统一的 全球性标准。i e e e8 0 2 1 6 最初被设计用于固定无线视距通信，提供点到点的连 接，采用t d m a t d d f d d 体制，使用1 1 一- 6 6 g h z 频段，速率最高可以达至1 j 1 5 5 m b s 。i e e e8 0 2 1 6 标准于2 0 0 1 年1 2 月发布，2 0 0 2 年1 2 月发布了i e e e8 0 2 1 6 互用 性标准。 为了满足固定宽带无线接入的需求，需要提供点到多点的非视距通信能力， 为此，i e e e 进一步发展了i e e e 8 0 2 1 6 a 标准。i e e e8 0 2 1 6 a 使用2 11 g h z 频段， 占用2 0 m h z 带宽时速率可达7 5 m b s ，采用s c o f d m o f d m a 物理层体制；点对 多点大蜂窝工作时主要采用0 f d m o f d m a 体制。i e e e8 0 2 1 6 a 是按照支持互联 网业务需求设计的，采用快速调度、自适应编码调制和自动重发技术实现无线链 路的分组化。 i e e e 8 0 2 1 6 d 是i e e e 8 0 2 1 6 的一个修订版本，也是相对比较成熟并且最具有 实用性的一个标准版本，在2 0 0 4 年下半年正式发布，也被称为i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 。 i e e e 8 0 2 1 6 d 对2 6 6 g h z 频段的空中接口的物理层和m a c 层做了详细的规定，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。 在市场对移动宽带无线接入需求的推动下，2 0 0 2 年i e e e 8 0 2 设立了固定移动 宽带无线接入( f m b w a ) 研究组，在i e e e 8 0 2 1 6 的基础上增加移动能力，将b w a 变为f m b w a ，形成- i e e e 8 0 2 1 6 e 1 1 。i e e e 8 0 2 1 6 e 使用2 6 g h z 频段，支持车 速移动( 通常认为是1 2 0 k m h ) 。在物理层技术方面，8 0 2 1 6 e 除了支持单载波方式、 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 正交频分复用) 方式、 o f d m a ( 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 nm u l t i p l ea c c e s s 正交频分多址接入) 方式 以外，还对o f d m a 方式进行了扩展。8 0 2 1 6 d 只规定了2 0 4 8 点的o f d m a ，而在 8 0 2 1 6 e 中可以支持2 0 4 8 点、1 0 2 4 点、5 1 2 点、1 2 8 点的o f d m a ，以适应不同的信 道带宽。在m a c 层功能上，增加了对切换，漫游等移动性的支持。为了支持移 动性，8 0 2 1 6 e 还加入了一些新功能，例如移动台( m s ) 的睡眠模式、空闲模式等。 i e e e8 0 2 1 6 e 的第一个版本于2 0 0 5 年底发布，因此也被称为i e e e8 0 2 1 6 e 2 0 0 5 。 i e e e8 0 2 1 6 e 标准也一直在修改完善中，可以肯定，移动性的加入将使i e e e 8 0 2 1 6 标准具有更大的技术优势，拥有更广阔的市场前景。 1 2 本文研究的主要内容 i e e e8 0 2 1 6 e 标准最大的特点是引入了移动性，支持移动性必然要支持切 第3 页共6 6 页 北京邮电人学硕一i ：学位论文 第一章绪论 换，而且w i m a x 网络支持v o l p 和多媒体通信等时延敏感业务，所以如何解决快 速、无缝切换已经成为关系到w i m a x 网络能否商业部署的关键问题。但是i e e e 8 0 2 1 6 e 标准只规定了物理层和m a c 层的规范，切换方面也只规定了m a c 的切换 流程，对上层并未规定，因此w i m a x 网络的网络层切换成为了研究热点。 移动i p v 6 是公认的i p 网络中移动性解决方案，可以使节点在移动过程中能够 保持网络层通信的连续性。为了减少移动节点在切换过程中的切换时间，i e t f 提出了移动i p v 6 快速切换技术( f m i p v 6 ) 。f m i p v 6 是对移动i p v 6 的改进，它可以 缩短i p v 6 移动节点的切换时间，减少已有通信连接的中断时间，保证通信流的实 时传输。它通过提前注册绑定更新，以及在新的外地网络切换未完成时通过与前 一个网络保持通信的方法，实现了快速切换，满足了实时业务的要求。 本文正是的研究f m i p v 6 的基础上，提出了基于f m i p v 6 的w i m a x 网络快速 切换方案，采用跨层切换的思想，即m a c 层联合网络层同时切换，在m s 尚未与 旧链路断开连接之前已完成新接入路由发现和新转交地址的分配等工作，有效地 减少了网络重新接入过程的时间，同时基于上述提出的解决方案，系统地进行了 基于n s 平台的性能仿真，并对仿真结果进行了分析，结果表明能达到预期的性 能效果。 本论文的组织结构如下： 第一章是绪论部分，主要介绍w i m a x 8 0 2 1 6 标准的发展状况以及本课题的 研究背景及意义；第二章主要系统地介绍i e e e8 0 2 1 6 e 标准，包括i e e e8 0 2 1 6 e 标准的体系结构和8 0 2 1 6 e 的m a c 层协议，重点阐述了i e e e8 0 2 1 6 e 在m a c 层的 切换流程；第三章主要介绍了m i p v 6 f m i p v 6 协议，包括m i p v 6 的功能实体、 m i p v 6 的基本切换过程、m i p v 6 的快速切换机制f m i p v 6 ；第四章是论文的重点所 在，提出了基于f m i p v 6 的w i m a x 快速切换方案，并对该方案进行了性能分析； 第五章对所提的切换方案进行了仿真，同时分析了仿真结果；第六章对论文的研 究工作进行了总结，提出了下一步研究的方向及前景展望。 第4 页共6 6 页 北京邮电大学硕十学位论文第二章i e e e8 0 2 1 6 e 协议标准 第二章i e e e8 0 2 1 6 e 协议标准 2 1i e e e8 0 2 1 6 e 标准的体系结构 i e e e8 0 2 1 6 e 是8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 d 的增补方案，它在2 6 g h z 的特许频段内支持 低速的移动终端，其空中接口由物理层( p h y ) 和媒体接入控制层( m a c ) 组 成。图2 1 是w i m a x 8 0 2 1 6 协议栈的参考模型。协议栈模型横向可以分为数据 控制平面和管理平面。系统在数据控制平面实现的功能主要是保证数据的正常 传输，因此，数据控制平面在定义必要的传输功能之外，还需要定义一些控制 机制来保障传输的顺利进行。而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。通过与数据控制平面中实体的交互，管理实体可以协 助外部的网络管理系统完成有关的管理功能。8 0 2 1 6 e 协议只规定了数据控制平 面部分。协议栈纵向则分为m a c 层和物理层，协议对这两层的功能做了详细规 定。以下分别介绍协议栈的m a c 层和物理层。 ：。硒备前毹赫涵甜。： 图2 1w i m a x 8 0 2 1 6 协议栈参考模型 2 2i e e e8 0 2 1 6 e 的m a c 层协议研究 i e e e8 0 2 1 6 e 的m a c 层有三个子层组成：特定服务汇聚子层( c s ) 、公共 部分子层( c p s ) 和安全子层( s s ) 。特定服务汇聚子层提供了对来自外部网络 的数据进行转换或映射的机制，包括对来自外部网络的服务数据单元( s d u ) 进 第5 页共6 6 页 北京邮电人学硕i ? 学位论文第二章i e e e8 0 2 1 6 e 协汉标准 行分类，并将他们与正确的m a c 服务流标识( s f i d ) 和连接标识( c i d ) 相关 联。为了与各种不同的外部网络接口，协议定义了多种c s 层规范。m a c 公共部 分子层实现m a c 层的所有核心功能，包括系统接入、带宽分配、服务流建立和 维护，移动性管理等功能。安全子层提供鉴权、安全密钥交换和加密功能。 2 2 1 汇聚子层 面向业务的汇聚子层( c s ) 位于w i m a x 8 0 2 1 6 e 系统m a c 层的最顶端，通 过公共部分子层提供的媒体访问控制服务访问点( m a cs a p ) 使用下一层提供 的服务。w i m a x 8 0 2 1 6 标准定义面向业务的汇聚子层要完成以下功能： 1 ) 接收来自上层的协议数据单元( p d u ) ； 2 ) 对所接收的上层p d u 进行分类； 3 ) 如果需要，根据分类，对上层p d u 进行处理； 4 ) 将本层处理以后生成的汇聚子层p d u 送往合适的m a cs a p ； 5 ) 接收协议对等实体过来的c sp d u 。 目前的8 0 2 1 6 e 协议只定义了两种特定服务汇聚子层：a t m 汇聚子层和分组 汇聚子层。a t m 汇聚子层用于支持基于a t m 连接的各类数据单元，分组汇聚子 层则用于映射类似于i p v 4 、i p v 6 、以太网和虚拟局域网( v l a n ) 等各类分组业 务数据单元，本文主要介绍分组汇聚子层( p a c k e tc s ) 。 分组汇聚子层将从i p 层过来的分组p d u 封装成m a cs d u ，然后通过分类器 将m a cs d u 映射到特定的连接上，这样s d u 就可以在m a c 对等层间进行传送。 映射过程将一个m a cs d u 与一条连接关联起来的同时，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，分类器由一些协议相关的数据包匹配标准( 如 目标i p 地址) 、分类器优先级、连接标识符( c i d ) 组成。如果一个数据包与 一个匹配标准相匹配，则将被分发到由c i d 定义的连接，并在此连接上进行发 送。该连接的服务流特性提供这个包的q o s 。如果分组无法与所定义的分类器相 匹配，那么该分组将会被丢弃。多个分类器可能作用于同一个服务流，分类器的 优先级用于将分类器对数据包的作用顺序排序，明确的排序是必需的，因为分类 器的分类方法可能有重叠部分。下行分类器由b s 作用于数据包，上行分类器由 s s 作用于数据包。b s 端和s s 端之间的分类君n c i d 映射如图2 2 和图2 3 所示。 第6 页共6 6 页 北京邮电大学硕 ：学位论文 第二章1 e e e8 0 2 1 6 e 协议标准 图2 - 2 分类与c i d 的映射( b s 到s s ) 2 2 2 公共部分子层 图2 3 分类与c i d 的映射( s s 到b s ) m a c 层的公共部分子层( c p s ) 几乎完成了所有m a c 层的核心功能，包括 m a cp d u 的构建和传送、网络的初始进入、带宽的请求和授予、竞争解决算法 的实现、服务流的管理以及移动性管理等功能。 2 2 2 1 寻址与连接 每个终端有一个4 8 位唯一的m a c 地址，在初始阶段，测距过程用于与基站 建立一个合适的连接，也被用于基站和终端相互认证，此m a c 地址其实与8 0 2 3 第7 页共6 6 页 北京邮电人学硕士学位论文第二章i e e e8 0 2 1 6 e 咖议标准 的m a c 地址意义和作用都是相同的。 每个连接有一个1 6 位的c i d 标识，在终端的初始过程中，基站与终端将建 立三对管理连接( 双向) ，这三对连接也表明了基站与终端的管理信息具有三种 不同的q o s 。基本连接和主管理连接是必须的，第二管理连接是可选的。基本连 接用于基站与终端的m a c 层交互短的、实时的m a c 层管理信息。主管理连接用 于基站与终端交互长的、可以容忍更多时延的m a c 层管理信息。协议规定了管 理信令信息应该在哪一个管理连接上传输。最后一种第二类管理连接被用于基站 与终端之间传输可允许时延的、基于标准的管理消息( 例j t h d h c p 、t f t p 、s n m p 等) 。第二类管理连接上传输的消息都是i p 包数据报格式，可能被组包或分段。 基本连接与主管理连接都是基站接收到终端的初始测距请求时，为终端分配 的，是终端完成接入过程的必备条件。这两个c i d 是用于接入控制的，所以不 可缺少；而第二管理连接的作用只是为了传输基于其他标准协议管理消息，因为 其他协议都是处于m a c 之上，对于8 0 2 1 6 来说是透明的，所以没有第二管理连 接，终端仍旧可以正常实现功能，只是没有办法对终端实现接入控制之外的其他 管理。 2 2 2 2m a cp d u 的格式 m a cp d u 是在b s 和m s 的m a c 层之间传送的数据单元。m a cp d u 是由固定 长度的m a c 报头、可选的可变长度的净荷部分和可选的循环冗余校验( c r c ) 部分构成，如图2 4 所示。m a c 报头包括两种：通用报头和带宽请求报头。包含 通用报头的p d u 被称为通用p d u ，其净荷部分或携带m a c 层管理信令或携带c s 子层生成的m a cs d u 数据。带宽请求p d u 没有净荷部分，只包含带宽请求报头。 图2 _ 4 m a c p d u 格式 对于通用p d u ，净荷部分可能包含子报头。m a c 子报头有五种类型：分段子 报头、授权管理子报头、打包子报头、m e s h 子报头和快速反馈分配子报头。除 了子报头以外，净荷中还可能包含m a c 层的管理消息。管理消息的格式如图2 5 所示，由管理消息类型和管理消息净荷两部分组成。m a c 管理消息相当于电话 网的中的信令消息，控制整个通信过程，管理消息只会在管理连接上进行传送。 l釜m ；兰e s 兰s 兰a 兰g 兰t 至y 兰p ；el：三兰：! 三二：! 三三三：兰：竺三三! i l e i 一一 i 图2 - 5m a c 管理消息格式 第8 页共6 6 页 北京邮电大学硕上学位论文第二章i e e e8 0 2 1 6 e 协议标准 2 2 2 3m a cp d u 的成帧和传输 来自汇聚子层的m a cs d u 可以被分段或打包构建成m a cp d u 。分段是指一 个m a cs d u 被分成多个m a cp d u ，根据服务流的q o s 要求进行分段能够提供 带宽利用率。打包是将多个m a cs d u 封装成一个m a cp d u 。如果进行加密，还 需要将计算所得的c r c 添加到m a cp d u 的尾部。c r c 提供的保护包括m a c 报头 和m a cp d u 的净荷部分。 多个m a cp d u 可能经过相同的调制和编码方式级联成一个突发脉冲，如图 2 - 6 所示。m a cp d u 在物理层成帧之后，便送入无线信道中传送。经过传送之后， m a cp d u 被还原成原来的m a cs d u ，以实现对等层的透明传输。 夏圈匦至丑亘圈 c a d = 0 垤3 0 1c i d = 0 _ 0 渤c - - ( p 女c e f l c e ) = 锄s f 3 e = 0 x 2 5 5 5 图2 6m a cp d u 的级联传输 2 2 2 4 调度服务 调度服务是m a c 调度程序为了在一个连接上传输数据的一种数据处理机制， 通过使用调度服务，w i m a x 8 0 2 1 6 e 系统中的m a c 层可以确定整个网络，即在 每一个连接上的数据发送顺序。w i m a x 8 0 2 1 6 e 在每一个连接都与一个单独的数 据服务( d a t as e r v i c e ) 相关联，每一个数据服务与一系列的q o s 参数相关联，这 些q o s 参数确定了数据服务的特性，并通过d s a 、d s c 消息交互来管理。 w i m a x 8 0 2 1 6 e 系统支持5 种不同类型的调度服务，分别是主动授权服务( u g s ： u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e ) 、实时轮询服务( i r t p s ：r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e ) 、 扩展的实时轮询服务( e x t e n d e dr t p s ) 、非实时轮询服务( n r t p s ：n o n r e a l t i m e p o l l i n gs e r v i c e ) 、尽力而为服务( b e ：b e s te f r o r t ) 。 u g s 用于支持实时数据流传输，数据包长度固定，女h t l e 1 及没有静音压缩 的v o l p ，此类调度服务的强制的q o s 参数包括最小保留带宽，最大可容忍业务速 率，最大时延，s d u 大小，容忍的抖动以及请求传输策略。在w i m a x 8 0 2 1 6 e 系统中，b s 根据服务流中的最大可容忍业务速率为s s 分配数据突发信息单元 ( d a t ag r a n tb u r s ti e s ) ，s s 可以在分配的数据突发信息单元中发送数据，不允 许s s 通过竞争的方式为u g s 服务所对应的连接请求额外的带宽。 r t p s 主要是用于支持固定间隔变长数据包传输，如m p e g ，强制的q o s j 艮务 流参数包括：最小保留带宽、最大可容忍业务速率、最大时延、s d u 大小、容忍 第9 页共6 6 页 北京邮电人学硕l ：学位论文第二章i e e e8 0 2 1 6 e 协议标准 的抖动和请求传输策略。为了满足实时业务的需要且允许用户来指定需要的带 宽大小，b s 可以为这种调度服务提供实时的周期性的单播请求机会。在带宽请 求机会时，s s 可以向b s 发送带宽请求。 e x t e n d e dr t p s 结合了u g s 和r t p s j j 艮务的优点，用于支持周期性变长分组数据 的实时业务，如带静默压缩的v o l p 业务。其强制的q o s 参数包括：最小保留带宽、 最大可容忍业务速率、最大时延和请求传输策略。对于e x t e n d e dr t p s 报务，b s 周期性地为其分配数据突发信息单元，不同于u g s 服务的是，该数据突发信息单 元是变长的，可以利用该突发信息单元发送数据或带宽请求消息。 n r t p s 用来支持包含变长数据包的、可以容忍一定时延的数据流传输，如f t p ， 其强制的o o s 服务流参数包括：最小保留带宽、最大可容忍业务速率、服务优先 级和请求传输策略。s s 可以利用基于竞争的带宽请求机会为非实时轮询服务提 出带宽申请，非实时轮询服务也可以提供固定时间间隔的单播轮询，目的是即使 在网络拥塞时，也可以让承载服务流的连接获得带宽请求机会。这样，s s 就可 以同时用两种方式来申请带宽：即单播轮询和基于竞争的方式。 b e 服务用于支持e m a i l 等对时延等q o s 要求比较低的数据业务，强制的q o s 参数包括：最大可容忍业务速率、服务优先级和请求传输策略。s s 只能通过基 于竞争的方式申请带宽。 2 2 2 5 带宽请求与分配 w i m a x 8 0 2 1 6 e 系统中传送的业务可以是连续型业务，也可以是突发型业 务。为了实现带宽的灵活分配，m a x 层定义了有效的带宽分配机制。 对于连续型业务，如u g s 服务，m s 不需要发出带宽请求，b s 会主动授予 带宽；而对于突发类型业务以及变比特速率业务，m s 需要发送带宽请求，以获 得传送机会。m s 发送带宽请求的方式有两种：一种是竞争方式：另一种是非竞 争方式，即轮询( p o l l i n g ) 方式。在非竞争的方式下，即单播轮询方式下，b s 会对每个m s 进行轮询，为每个m s 提供独有的发送机会，m s 在所提供的发送 机会下发送带宽请求消息。在竞争方式下，多个m s 会在共享的竞争时隙下发送 带宽请求，m a c 层会使用退避算法来解决竞争所产生的碰撞问题。 请求( r e q u e s t s ) 指的是m s 用来通知b s 需要分配上行带宽的机制。请求 可以是一个独立的带宽请求报头，也可以和数据一起传输，成为一个捎带的请求。 支持捎带请求功能与否是可选的。因为上行链路的突发描述可以动态地修改，所 以，所有的带宽请求描述的是用来承载m a c 报头和净荷所需的字节数，而不包 含任何物理层信息所需的开销。带宽请求消息可以在除了初始测距间隔之外的任 何的上行传输机会中发送。 第1 0 页共6 6 页 北京邮电大学硕士学位论文 第二章i e e e8 0 2 1 6 e 协议标准 w i m a x 8 0 2 1 6 系统中，虽然请求的带宽是基于单个业务连接的，但是，b s 直接将授权的带宽分配给m s 的基本c i d ，而不是请求带宽的业务连接。所以， m s 需将带宽按照一定的调度策略分配给自己的不同业务连接。 轮询( p o l l i n g ) 是指b s 专门为m s 分配一定的带宽，允许m s 来发送带宽 请求。b s 可以为某m s 分配带宽，成为单播轮询。单播轮询时，b s 在u l 行链路映射管理消息) 消息中给某个m s 分配足够的带宽用于该m s 发送带宽请 求。如果没有足够的带宽用于单播轮询m s ，就可以使用广播或多播的方式来实 现带宽申请。单播轮询是针对终端基c i d 分配带宽请求时隙，而多播、广播轮 询是针对多播或广播c i d 分配带宽请求时隙，因此当多个m s 使用这样的传输 机会来发送带宽请求时就需要采用竞争解决算法，常见的为二进制指数退避算 法。 2 2 2 6m a c 层对物理层的支持 在物理层成帧过程中，b s 的m a c 层需要产生! d l m a p ( 下行链路映射管理 消息) 消息和u l _ m a p 消息，为m s 访问下行子帧和上行子帧提供相关信息。b s 还需要产刍l d c d ( t 行信道描述符) 消息和u c d ( 上行信道描述符) 消息，以提供下 行和上行信道的参考信息。d l _ m a p 并- i u l _ m a p 消息在每一下行子帧里都会有， d c d 和u c d 消息也是周期性发送的，有具体的物理层参数来规定周期的大小。 d l m a p 、u l m a p 、d c d 、u c d 消息都位于帧控制头部分，如图2 7 所示。 。r c ，_ 一p o r h ，_一一 秀 b f = l j 躲* 一t o m c 。慰 o o f 壤f + 1 0 自 7 孙d t d 8 崖 d l l 乒e o 【辫t j i eao i u o 赶 了1 珏 图2 7t d d 模式下行子帧结构 下行链路映射管理消息( d lm a p ) 用来定义突发模式的物理层中下行链路 内突发问隔的访问方式，即m s 如何来接收下行链路上的信息。该消息放在帧控 制头部广播给所有的m s 。d lm a p 消息包含如下参数： p h y s y n c h r o n i z a t i o n ：物理层同步域的设置和具体的物理层技术相关； d c dc o u n t - 与d c d 消息中的配置改变次数( c o n f i g u r a t i o nc h a n g e c o u n t ) 参数相匹配，d c d 是指应用于当日i d lm a p 消息的下行突发描 第1 1 页共6 6 页 北京邮i u 人学硕i j 学位论文第二章i e e e8 0 2 1 6 e 协议标准 述。 b a s es t a t i o ni d ：4 8 比特的基站i d ，唯一标识基站。 d lm a pi e ：包含了下行子帧中各个突发的相关信息，包括每个突发所 使用的下行间隔使用码( d i u c ) ，该突发在帧中的位置，以及突发所对 应的c i d 。 d lm a p 信息是用于当前帧的，即用于承载该消息的帧。 u lm a p 根据突发相对于分配开始时问( a l l o c a t i o ns t a r tt i m e ) 的偏移定义 了上行传输间隔的使用方式，即m s 如何在上行链路上发送突发。该消息同样放 在帧控制头部广播给所有的m s 。u lm a p 消息包含如下参数： u p l i n kc h a n n e li d ：与该u lm a p 对应的上行信道标识符。 u c dc o u n t ：与u c d 消息中的配置改变次数( c o n f i g u r a t i o nc h a n g e c o u n t ) 参数相匹配，u c d 是指应用于当前u lm a p 消息的上行突发描 述。 a l l o c a t i o ns t a r tt i m e ：u lm a p 所定义的上行分配的有效开始时间。 u lm a pi