（通信与信息系统专业论文）基于ieee80216+wman+qos机制的研究和优化设计.pdf

一 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：连遮 日 期：丛生乏：幽 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文 论文作者签名期：超! 望! 尘纽 山东大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 英文缩略语v 第一章引言1 1 1i e e e8 0 2 16 系列标准2 1 2i e e e8 0 2 16 技术优势3 1 3i e e e8 0 2 1 6 技术的典型应用5 1 4 课题的提出6 1 5 本文内容安排7 第二章i e e e8 0 2 1 6 宽带无线城域网9 2 1 宽带无线城域网的组网一9 2 1 1w i m a x 独立组网9 2 1 2w i m a x 联合组网一9 2 1 3 联合组网的可行性分析一1 1 2 2i e e e8 0 2 1 6m a c 层协议模型1 4 2 2 1 特定服务汇聚子层( s s c s ) 1 4 2 2 2 公共部分子层( c p s ) 15 2 2 3 安全子层( s s ) l7 2 3i e e e8 0 2 16m a c 层q o s 机制17 2 3 1 调度业务类型的定义1 8 2 3 2i e e e8 0 2 1 6 系统业务流管理一1 9 2 3 3i e e e8 0 2 1 6 系统q o s 保证机制2 0 2 3 4 网络接入与初始化2 2 2 3 5 带宽分配及请求机制2 2 2 4 本章小结2 5 第三章i e e e8 0 2 1 6m a c 层q o s 机制的设计及改进2 6 山东大学硕士学位论文 3 1i e e e8 0 2 16 系统q o s 架构2 6 3 2i e e e8 0 2 1 6 系统q o s 架构的改进2 7 3 2 1 缓冲模块2 7 3 2 2 流量整形模块2 8 3 2 3 自适应调制编码模块2 8 3 3i e e e8 0 2 1 6 系统中改进的q o s 调度算法设计2 9 3 3 1i e e e8 0 2 1 6 系统的网络架构3 0 3 3 2 提出的混合调度算法分析3 3 3 3 3 仿真平台及参数设置3 5 3 3 4 仿真结果及分析3 5 3 4i e e e8 0 2 1 6 系统中接纳控制的改进机制一3 8 3 4 1 接纳控制基本原理3 8 3 4 2 服务流优先级设定3 9 3 4 3 改进的接纳控制机制设计4 0 3 4 4 仿真平台及参数设置4 1 3 4 5 仿真结果及分析4 1 3 5 本章小结4 3 第四章基于w i m a x 网络的v o l p 服务调度算法设计4 4 4 1v o i p 服务模型4 4 4 2w i m a x 网络中v o l p 服务的调度机制4 6 4 2 1i e e e8 0 2 1 6 的业务调度4 7 4 2 2 多塔调度机制4 8 4 3 仿真平台及参数设置5 0 4 4 仿真结果及分析51 4 5 本章小结5 3 第五章w i m a x 与i m s 融合组网中端到端q o s 架构设计5 4 2 5 1w i m a x 和i m s 网络的紧耦合互联融合5 4 5 2w i m a x 和i m s 融合组网的端到端q o s 架构5 5 山东大学硕士学位论文 5 2 1w i m a x 承载服务管理架构( w b s m a ) 5 5 5 2 2 端到端的q o s 管理架构( q m f a ) 5 6 5 3 端到端q o s 管理功能架构( q m f a ) 5 8 5 3 1 信令控制平面的q o s 管理功能。5 8 5 3 2s g s n 令牌中基于策略的q o s 协商机制( p q n s t ) 5 8 5 3 3 用户数据平面的q o s 管理功能5 9 5 4 本章小结。6 0 第六章总结和展望6 1 6 1 论文主要工作总结61 6 2 未来研究和前景展望6 2 参考文献6 4 致谢6 9 攻读硕士研究生期间发表的学术论文及研究成果7 0 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g l i s h ) i l l a b b r e v i a t i o n s v c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1i e e e8 0 2 16s t a n d a r ds e r i e s 2 1 2a d v a n t a g e so fi e e e8 0 2 16t e c h n o l o g y 3 1 3t y p i c a la p p l i c a t i o n so f i e e e8 0 2 1 6t e c h n o l o g y 5 1 4r e s e a r c hs u b j e c t 6 1 5a r r a n g e m e n to fd i s s e r t a t i o n 7 c h a p t e r2i e e e8 0 2 16b r o a d b a n dw m a n 9 2 1b r o a d b a n dw m a n n e t w o r k i n g 9 2 1 1i n d e p e n d e n tn e t w o r k i n go fw i m a x 9 2 1 2n e t w o r ki n t e r w o r k i n go fw i m a x 9 2 1 3f e a s i b i l i t ya n a l y s i so fn e t w o r k i n t e r w o r k i n g 11 2 2i e e e8 0 2 1 6m a c p r o t o c o lm o d e l 1 4 2 2 1s 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 ( s s c s ) 1 4 2 2 2c o m m o np a r ts u b l a y e r ( c p s ) 15 2 2 3s a f e t ys u b l a y e r ( s s ) 17 2 3q o sm e c h a n i s m so fi e e e8 0 2 16m a c l a y e r 17 2 3 1d e f i n i t i o no f s c h e d u l i n gs e r v i c et y p e 1 8 2 3 2s e r v i c ef l o wm a n a g e m e n to f i e e e8 0 2 1 6s y s t e m s 1 9 2 3 3q o sg u a r a n t e e dm e c h a n i s m so f l e e e8 0 2 1 6s y s t e m s 2 0 2 3 4n e t w o r ka c c e s sa n di n i t i a l i z a t i o n 2 2 2 3 5b a n d w i d t ha l l o c a t i o na n dr e q u e s tm e c h a n i s m s 2 2 2 4s u m m a r y 2 5 c h a p t e r3d e s i g na n di m p r o v e m e n tf o rq o sm e c h a n i s m so fl e e e8 0 2 16m a c 1 a y e r 2 6 4 3 1q o sa r c h i t e c t u r eo fi e e e8 0 2 16s y s t e m s 2 6 3 2i m p r o v e dq o sa r c h i t e c t u r eo f i e e e8 0 2 1 6s y s t e m s 2 7 3 2 1b u f f e rm o d u l e 2 7 3 2 2t r a f f i cp o l i c i n gm o d u l e 2 8 3 2 3a d a p t i v em o d u l a t i o nc o d em o d u l e 2 8 3 3i m p r o v e ds c h e d u l i n ga l g o r i t h md e s i g nf o rq o si ni e e e8 0 2 16s y s t e m s 2 9 3 3 1i e e e8 0 2 1 6a r c h i t e e t u r e 3 0 3 3 2a n a l y s i so ft h ep r o p o s e dh y b r i ds c h e d u l i n ga l g o r i t h m 3 3 3 3 3s i m u l a t i o np l a t f o r ma n dp a r a m e t e r ss e t t i n g 3 5 3 3 4s i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i s 3 5 3 4i m p r o v e dd e s i g no f a d m i s s i o nc o n t r o lm e c h a n i s m si ni e e e8 0 2 1 6s y s t e m s 3 8 3 4 1b a s i cp r i n c i p l e so f a d m i s s i o nc o n t r o l 3 8 3 4 2p r i o r i t ye n a c t m e n tf o rs e r v i c ef l o w 3 9 3 4 3i m p r o v e dd e s i g no f a d m i s s i o nc o n t r o lm e c h a n i s m s 4 0 3 4 4s i m u l a t i o np l a t f o r ma n dp a r a m e t e r ss e t t i n g 4 1 3 4 5s i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i s 4 1 3 5s u m m a r y 4 3 c h a p t e r4s c h e d u l i n ga l g o r i t h md e s i g nf o rv o i p t r a f f i cb a s e do nw i m a xn e t w o r k s4 4 4 1v o l pt r a f f i cm o d e l 4 4 4 2v o l pt r a f f i cs c h e d u l i n gi nw i m a x 4 6 4 2 1i e e e8 0 2 16s e r v i c es c h e d u l i n g 4 7 4 2 2m u l t i t a ps c h e d u l i n g 4 8 4 3s i m u l a t i o np l a t f o r ma n dp a r a m e t e r ss e t t i n g 5 0 4 4s i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i s 51 4 5s u m m a r y 5 3 c h a p t e r5d e s i g no fe n d - t o - e n dq o sa r c h i t e c t u r ef o rw i m a x a n di m si n t e r w o r k i n 9 5 4 5 1i n t e r w o r k i n go f w i m a xa n di m si ns c e n a r i oo f t i g h tc o u p l i n g 5 4 5 2e n d t o - e n dq o sf r a m ef o ri n t e r w o r k i n go fw i m a xa n di m s 5 5 5 5 2 1w i m a xb e a r e rs e r v i c em a n a g e m e n ta r c h i t e c t u r e ( w b s m a ) 5 5 5 2 2e n d t o e n dq o sm a n a g e m e n ta r c h i t e c t u r e ( q m f a ) 5 6 5 3e n d t o e n dq o sm a n a g e m e n ta r c h i t e c t u r e ( q m f a ) 5 8 5 3 1q o sm a n a g e m e n tf u n c t i o ni ns i g n a l i n gc o n t r o lp l a n e 一5 8 5 3 2p o l i c y b a s e dq o sn e g o t i a t i n gm e c h a n i s mo fs g s nt o k e n ( p q n s t ) ”5 8 5 3 3q o sm a n a g e m e n tf u n c t i o ni nu s e rd a t ap l a n e 5 9 5 4s u m m a r y 6 0 c h a p t e r 6c o n c l u s i o na n dp r o s p e c t 6 1 6 1m a i nw o r kc o n c l u s i o n 6 1 6 2p r o s p e c t 6 2 r e f - e r e n c e 6 4 a c k n o w l e d g m e n t 6 9 p u b l i s h e dp a p e r sa n dr e s e a r c hr e s u l t s 7 0 6 山东大学硕士学位论文 摘要 2 0 0 7 年l o 月，联合国国际电信联盟( i t u ) 正式批准w i m a x 无线宽带接入技 术成为移动设备的全球标准，以o f d m a t d dw i m a x 的名义成为继w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a 之后的全球第四大3 g 标准。随着第二代移动 晰m a x - _ i e e e8 0 2 16 m 认证进程的加快，标准制定组织i e e e 预计将在2 010 年中期正式完成标准制定，届时i e e e8 0 2 1 6 m 将成为全球首个符合i t u 定义的 4 g 技术标准。 与此同时，w i m a x 中的关键技术服务质量( q o s ) 也受到了越来越多 研究者的关注，成为w i m a x 技术的研究热点。应用于固定、游牧、便携、移动 等场景的i e e e8 0 2 1 6 标准，需要满足不同种类服务流的q o s 需求。标准中提出 的媒体接入控制( m a c ) 协议详细定义了五种类型的服务以及b s 与s s 之间的 信令交互机制( 如连接建立、带宽请求、u l m a p 消息等) ，规定了u g s 服务的 上行链路调度算法，还提出了一种系统的q o s 架构，但是对于r c p s 、e r c p s 、n r t p s 和b e 这四种服务的调度算法以及具体的接纳控制机制却没有作出明确的规定。 基于上述情况，本文在研究了i e e e8 0 2 1 6m a c 层已有q o s 机制的基础上， 提出了一种改进的q o s 架构，该架构新增了缓冲模块、流量整形模块和自适应调 制编码( a m c ) 模块；另外，本文使用动态带宽重分配来考虑端到端时延的q o s 增强机制，对提出的混合调度算法进行了分析仿真，结果表明：混合调度算法在 实时业务中产生的时延更少，还能够使单个b s 在可允许的端到端时延范围内容 纳数量更多的子s s ，并且g p s s 模式能提供更好的端到端时延要求；对于架构中 没有定义的接纳控制机制，本文提出了一种基于优先级的动态带宽分配接纳控制 机制，并将其与传统的固定带宽分配的接纳控制机制比较，发现提出的接纳控制 机制具有更优的性能和效率。 然后，针对目前应用广泛的i p 网络传送语音( v o i p ) 服务，本文提出了一种 服务感知调度算法用于w i m a x 网络中v o i p 的调度，研究了提出的算法的性能， 并与一些传统的方法做出了比较，还讨论了延迟和带宽效率之问的权衡。仿真结 果表明，提出的调度算法机制能产生更少的延迟，支持更多的v o i p 用户，提高了 山东大学硕士学位论文 带宽利用率。 最后，针对i m s 和w i m a x 的融合组网问题，确立了一种端到端的q o s 架 构，实现了u m t s 承载服务到w i m a x 接入的扩展和融合。该框架提出了信令协 商和w i m a xq o s 与i m sq o s 的映射，成功地解决了分割的承载服务在不同q o s 机制下的互联融合问题。因此实现了整个w i m a x i m s 网络中统一的q o s 保证， 还能够为每一个差别用户提供综合的低抖动的多媒体服务，这些都是传统的架构 所不能提供的。 关键词：i e e e8 0 2 1 6 ；服务质量；调度算法；接纳控制；融合组网 n 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t o c t o b e r , 2 0 0 7 ，t h eu n i t e dn a t i o n si n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ( i t u ) f o r m a l l ya p p r o v e dt h ew i m a x w i r e l e s sb r o a d b a n da c c e s st e c h n o l o g yt ob e c o m et h e g l o b a ls t a n d a r df o rm o b i l ed e v i c e sa n dw i m a x b e c a m et h ew o r l d sf o u r t hl a r g e s t3 g s t a n d a r d sa f t e rw c d m a ，c d m a 2 0 0 0a n dt d s c d m ai nt h en a m eo fo f d m at d d w i m a x w i t ht h es e c o n d - g e n e r a t i o nm o b i l ew i m a x i e e e8 0 2 16 ms p e e d i n gu p t h ec e r t i f i c a t i o n p r o c e s s ，s t a n d a r d s - s e t t i n go r g a n i z a t i o ni e e ee x p e c t st of o r m a l l y c o m p l e t es t a n d a r d ss e t t i n gi nm i d 一2 0 10 ，w h e n , i e e e8 0 2 16 mw i l lb e c o m et h ew o r l d s f i r s tm e e t i n gt h ed e f i n i t i o no f4 gt e c h n o l o g ys t a n d a r di t ud e f i n e d a tt h es a m et i m e ，t h ec r u c i a lt e c h n o l o g yo fw i m a x q u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) h a sd r a w nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n s ，a n dh a sb e c o m et h eh o t s p o to fw i m a x t e c h n o l o g ys t u d y i e e e8 0 2 16 ，t h es p e c i f i c a t i o nf o rf i x e d ，n o m a d i c ，p o r t a b l ea n d m o b i l eb w as y s t e m s ，i sp r o m i s i n gt os u p p o r th e t e r o g e n e o u sc l a s s e so ft r a f f i c 、) v i m d i f f e r e n t i a t e dq o s t h ep r o p o s e dm e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) p r o t o c o ld e f m e s f o u rt y p e so fs e r v i c ef l o w s ，t h em e c h a n i s mf o rm e s s a g ee x c h a n g eb e t w e e nb sa n ds s ( s u c ha st h ec o n n e c t i o ns e t - u p ，b w - r e q u e s ta n du l m a pm e s s a g e ) a n dt h eu p l i n k s c h e d u l i n gf o ru g ss e r v i c ef l o w t h em a ch a sa l s op r o p o s e daq o sa r c h i t e c t u r e h o w e v e r , t h ed e t a i l so fs c h e d u l i n ga l g o r i t h m sf o rr t p s ，n r t p s ，b es e r v i c ef l o wa n dt h e a d m i s s i o nc o n t r o lp r o c e s sa r el e f tu n s p e c i f i e d b a s e do nt h ea b o v e ，t h i sp a p e rp r o p o s e da ne n h a n c e dq o sa r c h i t e c t u r e ，w h i c hi s b a s e do nt h ee x i s t i n gq o sa r c h i t e c t u r eo fi e e e8 0 2 16m a c - l a y e ra n dt h eb u f f e r m o d u l e ，t r a f f i cp o l i c i n gm o d u l e ，a d a p t i v em o d u l a t i o nc o d e ( a m c ) m o d u l ea d d e d ；o u r s i m u l a t i o nr e s u l t sd e p i c tt h ee n h a n c e dq o si nt e r m so f e n d - t o - e n dd e l a y 、析md y n a m i c r e d i s t r i b u t i o no fb a n d w i d t h e f f e c t i v es c h e d u l i n ga l g o r i t h m sw e r ec o n s i d e r e da n df r o m t h er e s u l t sw ec a ni n f e rt h a t ，t h ec o n s i d e r e dh y b r i d - s c h e d u l i n ga l g o r i t h m sp r o v i d e sl e s s e n d - t o - e n dd e l a yf o rr e a lt i m es e r v i c e s t h i sc o n c l u d e st h ep r o v i s i o no fa l l o t t i n gm o r e s s su n d e ras i n g l eb s ，m a i n t a i n i n gt h ee n d - t o - e n dd e l a yw i t h i nt h ep e r m i s s i b l er a n g e ， i i i 山东大学硕士学位论文 a n df o u n dt h a tg p s sg i v e st h eb e t t e re n d t o e n dd e l a y ；a st h ed e t a i lo ft h ea d m i s s i o n c o n t r o lp r o c e s si su n s p e c i f i e d ，t h i sp a p e rd e f i n e dad y n a m i cb a n d w i d t ha l l o c a t i o n a d m i s s i o nc o n t r o lp r o c e s sb a s e do np r i o r i t y , a n dc o m p a r e di t 、析t l lt h ec o n v e n t i o n a l f i x e db a n d w i d t ha l l o c a t i o na d m i s s i o nc o n t r o lp r o c e s s t h er e s u l ts h o w st h a t t h e p r o p o s e da d m i s s i o nc o n t r o lm e c h a n i s mi sm o r ep e r f o r m a n c ea n de f f i c i e n t i na d d i t i o n ，f o rt h ev o i ps e r v i c ew h i c hi sb e c o m em o r ea n dm o r ep o p u l a r , t h i s p a p e rp r o p o s e dat r a f f i ca w a r es c h e d u l i n ga l g o r i t h mf o rv o l pa p p l i c a t i o n si nw i m a x n e t w o r k s w es t u d yt h ep e r f o r m a n c eo fo u r p r o p o s e dm e t h o da n dc o m p a r ei tw i t ht h a t 山东大学硕士学位论文 a f a m c a r q a s n a t m b e b g b s b w a c d f c i d c i n r c m d a c o p s c p s c s c s n d c d d e c t d h c p d l d s a a p p l i c a t i o nf u n c t i o n a d a p t i v em o d u l a t i o nc o d e a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t 英文缩略语 应用功能 白适应调制编码 自动请求重传 a c c e s ss e r v i c en e t w o r k接入服务网络 a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e b e s te 伟) r t b e a rg a t e w a y b a s es t a t i o n b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c c s s c u m u l a t i v ed i s t r i b u t i o nf u n c t i o n 异步传输模式 尽力而为业务 承载网关 基站 宽带无线接入 累积分布豳数 c o n n e c t i o ni d e n t i f i e r s连接标识符 c a r r i e rt oi n t e r f e r e n c ea n dn o i s e r a d i o载波对干扰和噪声比 c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c o m m o no p e np o l i c ys e r v i c e c o m m o np a ns u b l a y e r c o n v e r g e n c es u b l a y e r c o n n e c t i o ns e r v i c en e t w o 出 d o w n l i n kc h a n n e ld e s c r i p t o r 码分多址接入 公共开放政策服务 公共部分子层 汇聚子层 连接服务网络 下行信道描述器 d i g i t a le n h a n c e dc o r d l e s st e l e c o m m u n i c a t i o n s 数字增强无绳电话 d y n a m i c h o s tc o n f i g u r a t i o np r o t o c o l 动态主机配置协议 d y n a m i cs e r v i c ea d d i t i o n 下行 动态服务流添加 d s c d s d d s l 山东大学硕士学位论文 d y n a m i cs e r v i c ec h a n g e 动态服务流更改 d y n a m i cs e r v i c ed e l e t e动态服务流删除 d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e数字用户线路 d v b - h d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s ts y s t e mf o rh a n d h e l d手持式数字视频j “播系统 d v b - t d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g - t e r r e s t r i a l 数字无线电视 e d d e d f e r t p s g g s n g l l g p c g p s s i e e e i m s i u t l m d s l r e m a c m i m o e a r l i e s td u ed a t e e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t e x t e n dr e a l - t i m ep o l l i n gs e r v i c e g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e g r a n tp e rc o n n e c t i o n g r a n tp e rs u b s c r i b e rs t a t i o n 最先剑达时间 最早到期优先 增强的实时轮询业务 g p r s 支持：符点网关 通川链路层 给予单个连接 给予单个用户站 i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n r s 电气和电子工程师协会 i pm u l t i m e d i as u b s y s t e m i m p l e m e n t a t i o nu n d e rt e s t l o c a lm u i t i p o i n td i s t r i b u t es e r v i c e l o n gt e r me v o l u t i o n m o d i u ma c c c s sc o n t r o l m u l t i p l ei n p u tm u l t i p l eo u t p u t i p 多媒体子系统 被测实现 本地多点分配业务 长期演进 媒体接入控制 多输入多输i i j m m d sm u l t i c h a n n e lm i c r o w a v ed i s t r i b u t i o ns y s t e m 多路微波分配系统 m r c s n r t p s n l o s n m s v t 。 m u l t i p l er a d i oc o n t r o ls e r v e r n o n r e a l - t i m ep o l l i n gs e r v i c e n o nl i n eo fs i g h t n e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e m 协同无线控制服务器 非实时轮询业务 非视距 网络管理系统 r t p s s a s a i d s a p s b l p 山东大学硕士学位论文 r e a lt i m ep o l l i n gs e r v i c e s e c u r i t ya s s o c i a t i o n s e c u r i t ya s s o c i a t i o ni d e n t i f i e r s e r v i c ea c c e s sp o i n t s e r v i c eb a s e dl o c a lp o l i 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