（控制理论与控制工程专业论文）宽带无线城域网ieee+80216若干关键技术问题研究.pdf

摘要 y 摘要 宽带无线城域网e e8 0 2 1 6 与传统的无线接入技术相比具有更高的带宽速 率，更大的覆盖范围，更低廉的成本，被认为是“最后一公里”接入的最佳解决 方案。e e8 0 2 1 6 被认为是下一代无线通讯技术的发展方向，越来越受到业界的 关注。 随着宽带无线城域网m e e8 0 2 1 6 应用的逐步形成，越来越多的关键问题亟待 解决，例如，如何承载各种业务，保障各种业务的服务质量( q o s ) ，分组调度机 制，资源分配机制等成为目前研究的热点。 本论文分别对皿e e8 0 2 。1 6 点到多点( p m p ) 模式下保证综合业务的服务质量 ( q o s ) 和网格( m e s h ) 模式下带宽资源调度所存在的问题，进行了详细的研究 分析，并提出了相应的解决方案。本文的主要研究内容和成果如下： 1 首次提出了一种e e8 0 2 1 6p m p 模式的综合业务服务质量( o o s ) 管理体 系结构，实现跨层的q o s 保证。 2 首次提出了m e e8 0 2 1 6m e s h 模式集中式调度的最优化带宽资源分配方案 和可实施的时隙分配算法。 关键字：i e e e8 0 2 1 6 点到多点服务质量网格资源调度 a b s 仃a c t a b s t r a c t 1 e e e8 0 2 1 6s t a n d a r d s ，a l s ol 【n o w na sw i m a x ，h a sb e e ns p e c 试c a l l yd e s i 印e dt o p m v i d ew i r e l e s sl 勰t m 订eb m a d b 柚da c c e s si nm em e h _ 0 p o l i l a a r e an e t 、v o r k ( m a n ) ， o t e e r i n gah i g l ls p c e d ，c a p a c i t y l o wc o s t ，a i l das c a l a b l es o l u t i o n m e e8 0 2 1 6s t 蛐d a r d s w i l lb e t h c f o u n d a t i o no f m 鸟n i n t h en e x t f e w d e c a d e s t h e r ea r es e v e r a lk e vp r o b l e m sw h i c hs h o u l db ea d d r e s s e dp r o m p t l y d u r i n gt h ew i d e a p p l j c a t i o no ft h ei e e e8 0 2 1 6w i r e l e s sm a n ，s u c ha sh o wt 0g u a r a i i t c et h ev e r y d i v e r s eo _ o sr e q u i r e m e n t sf o ra no fd i 行e r e n t 印p i i c a t i o n s ，h o wt os c h e d u l et h ep a c k e t a i l dh o wt o 枷0 c a t ct i l cr c s o u r c et oo p t i m i z et h ep e r f o m a n c eo fw i r e l e s sn e t w o r k ，e t c t h em a j nc o n t f i b u t i o n so ft l l i si h e s i sa r et h a t ： 1 a ni n n o v a t i v ei n t e 掣a t c dq o sa r c h i t e c n l r ei sp r o p o s e df o ri e e e8 0 2 1 6i np m p m o d e t h en e w i n t e g r a t e do o sa r c h i t e d u r cg i v e sam a p p i n g r u l et 0p r o v i d cc r o s sl a y e r q o sg u a m n t e e 2 a 皿i i i n o v a t i v es c h c m eo fb a i l d w i d t hr c s o u r c ea l l o c a t i o ni sp m p o s e df o r e 巳 踟2 1 6m c s hm o d ec e n t r a l j z e ds c h e d u l i n gw n had e s i 印e dg o a lo fa c h i e v i n go v e r a u h i g i lt r a 饿ct h m u g h p u ti i lm 王i l i m a ls c h e d u l i n gt i m es l o t s ，a l l d 柚a l g o r i t 胁o fm 伽。s l o t a l l o c a t i o nd u r i n gm l n l e sj sa l s op m p o s e d k e y w o r d s ：m e e8 毗1 6p m pq o s m e s hr e s 佣n es c h e d i i n g 创新性声明 y8 5 8 7 3 l 本人声明所呈交的论文是我个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：也不包含为获得西安电子科技大学或 其它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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有1 i 实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名 銎面同期兰! 垡：! ：7 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 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论文。 本人签名：疑蠡日期兰! 型：! ： 导师签日期加“夕 第一章绪论 第一章绪论 1 1i e e e8 0 2 1 6 标准制定的背景和意义 在未来的信息社会中，信息极大丰富，信息的获取应极其便利，实现这个美好 目标的物质技术基础是宽带通信网络。目前随着光纤通信科技的发展，已经可实 现在一条光纤上传输1 0 0 0 g b 埘s 的信息流，并且不断向更高速率发展，基于光纤 通信的骨干网技术已可满足对极大容量信息传输的要求。但是瓶颈存在于接入网， 因此各种宽带接入网技术的发展成为当前通信界关注的重点。在各种宽带接入技 术中，宽帝无线接入( b w a ) 系统具有灵话、方便、可移动性和投资少的明显优 势，越来越受到广泛重视。 无线城域网( w m a n ) 的推出是为了满足日益增长的宽带无线接入( b w a ) 市场需求。虽然多年来无线局域网( w u 州) 也e e8 0 2 1 l 技术一直与许多其它 专有技术一起被用于宽带无线接入( b w a ) ，并获得很大成功，但是w l n 的总 体设计及其特点并不能很好地适用于室外的接入应用。当其用于室外时，w l a n 在带宽和用户数方面将受到限制，同时还存在着通信距离等其他一些问题。基于 上述情况，i e e e 决定制定一种新的、更复杂的全球标准，这个标准应能同时解决 物理层环境( 室外射频传输) 和服务质量( q o s ) 两方面的问题，以满足宽带无线 接入( b w a ) 和“最后一英里”接入市场的需要。于是1 9 9 9 年，美国1 e e e 标准 8 0 2 系列8 0 2 1 6 工作组【1 成立，主要负责无线城域网的标准化工作。 i e e e 8 0 2 1 6 标准l 目 3 1 f 4 一固定宽带无线接入系统的空中接口，也被称为b e 无线城域网标准。8 0 2 1 6 不同于8 0 2 1 1 的地方在于，它为了提供一个支持真正无 线网络迂回的标准，从一开始就提出了有关声音、视频、数据的服务质量问题。 这种技术在城域网中提供的接入性能可比照电缆( c a b l e ) 、d s l 和e l 厂r 1 ，将会 给宽带无线接入产业带来革命。正e e8 0 2 1 6 具有以下优点：( 1 ) 宽带系统：能够 满足不断增长的带宽需求，最高1 2 0m b s 的接入速率也远大于珉e e8 0 2 1 1 a 所规 定的最高5 4m b ，s 的速率。( 2 1 业务范围广：可同时向用户提供话音、数据及视频 综合业务，符合网络融台的趋势，与传统的接入方式相比，更具灵活性。业务更 加多样化。f 3 ) 经济性好：特别是在有线接入难以到达的地区，避免高昂的安装费 用，能够克服传统有线网络的物理局限。当前，给不能提供宽带接入的地区，提 供用电缆和d s l 的方式的有线接入，是一种非常耗时和需要大量财力的过程。在 全世界都还有惊人的大片区域不能提供宽带接入，而i e e e8 0 2 1 6 无线技术则提供 了一种灵活、高效的、基于标准的方法来填平目前在宽带覆盖方面存在的鸿沟。 ! 宽带无线城域网i e e e8 0 2 1 6 若干关键技术问题研究 i e e e8 0 2 1 6 标准规范了一个支持诸如话音和视像等低时延应用的协议，在用 户终端和基站( b t s ) 之间允许非视距的宽带连接一个基站町支持数百上千用户， 在可靠性和服务质量方面提供电信级性能。总之，它充分考虑了，为全世界通信 公司和服务商设计一个可扩展、长距离、大容量的“最后一英里”无线通信系统 的需要，可支持一整套的服务，从而使服务提供商能够在降低设各成本和投资风 险的同时提高系统性能和可靠性，有助于加速无线宽带设备向市场的投放，以及 “最后一英里”宽带在世界各地的部署。 入，用于s o h u 和小企业的d s l 级业务 m e e8 0 2 1 6 的应用1 包括住宅宽带接 用于企业的e 1 厂r 1 级业务，还包括用于 热点的无线回传和蜂窝小区基站回传业务等( 如图1 1 所示) ，所有这些不仅支持 数据，而且还支持话音和视像。 目前，i e e e8 0 2 1 6 吸引了越来越多的目光，它也被认为是未来无线接入技术 的发展方向，同时它与第三代移动通讯技术是竞争还是互补的关系也倍受关注。 用于舞点的毛蝮田锥住宅，s o i l 0 宅蒂接八 图1 1i 髓e8 0 2 1 6 的几种典型应用 1 2i e e e8 0 2 1 6 的发展过程 i e e e8 0 2 ，1 6 工作组自1 9 9 9 年成立以来，主要负责固定无线接入的空中接口标 准制定。工作组在标准的制定和开发过程中一直执行严格的规定，以确保标准的 开放性。工作组每隔两个月召开次为期周的会议，工作进展非常快，到目前 为止成绩卓著。2 0 0 1 年4 月，由业界主要的无线宽带接入厂商和芯片制造商共同 成立了一个非盈利工业贸易联盟组织一w i m a x p l ，用于推广基于1 e e e8 0 2 1 6 和 e t s ih i p e r m a n 协议的无线宽带接入设备，以确保不同无线宽带接入设备之间 的兼容性和互操作性。w i m a x 的角色类似于无线局域网标准l e e e8 0 2 1 1 的 “w i f i ”。 第一章绪论 i e e e8 0 2 1 6 标准系列到目前为止处于活跃( a c t i v e ) 状态的标准包括 8 0 2 1 6 2 0 0 4 、8 0 2 1 6 2 - 2 0 0 4 、8 0 2 1 6 c 0 n f o 砷a 1 1 c e 叭一2 0 0 3 、8 0 2 16 c 0 n f o m a i l c e 0 2 一 2 0 0 3 、8 0 2 1 6 ，c 0 n f o m a n c e 0 3 2 0 0 4 n 其中c o n f o m c e 为一系列对空中接口进行 测试的结构和目标。处于草案阶段的标准包括二个：8 0 2 1 6 e 、8 0 2 1 6 f 。其中8 0 2 1 6 e 中添加了8 0 2 1 6 移动性的支持，在本论文撰写的同时，8 0 2 1 6 e 标准已经完成最终 修改并且通过1 e e e 批准，并于2 0 0 5 年底发布，最后版本将以8 0 2 1 6 2 0 0 5 出现。 其余的标准( 8 0 2 1 6 2 0 0 1 、8 0 2 1 6 a 2 0 0 3 、8 0 2 1 6 c 2 0 0 2 、8 0 2 1 6 2 - 2 0 0 1 ) 已废除， 草案( 8 0 2 1 6 d ) 已经终结。8 0 2 1 6 d 草案对2 0 0 3 年前的8 0 2 1 6 系列标准进行了整 合和修订，于2 0 0 4 年7 月正式发布为8 0 2 1 6 2 0 0 4 【5 j 版本，该版本是相对比较成熟 并且最具实用性的一个标准版本。8 0 2 1 6 2 0 0 4 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。它保持了前几个标准中的所有模式和主要特性， 增加或修改部分内容用来提高系统性能和简化部署，但仍属于固定宽带无线接入 规范。本文的内容主要基于固定宽带无线接入i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准。 l _ 3 本文研究的主要内容 随着宽带无线城域网e e8 0 2 1 6 应用的逐步形成，越来越多的关键问题亟待 解决，例如，如何承载各种业务，保障业务的服务质量( o o s ) ，分组调度机制， 带宽资源分配调度机制等成为目前研究的重点。同时由于i e e e8 0 2 1 6 协议的开放 性又给研究人员提供了广阔的研究空间。本论文研究课题来源于，作者在贝尔实 验室中国基础科学院实习期间，在高速无线链路项目组( h i 曲s p e e d w i r e l e s s u i l l 【 p r o i e c t ) 【9 j 所参与的科研工作。 本论文分别对e e8 0 2 1 6p m p 模式下综合业务服务质量( q o s ) 管理和m e s h 模式下带宽资源调度所存在的问题，进行了详细的研究分析，并提出了相应的解 决方案。本文的主要研究内容和成果如下： 1 首次提出了一种m e e 8 0 2 1 6 p m p 模式的综合业务服务质量( q o s ) 管理体 系结构( i n t e 路a 忙dq o sc o n t r o l c h i t e c t u r e ) 。8 0 2 1 6 标准仅仅是m a c 层和物理层 ( p h y ) 的规范，如何保障综合业务服务质量o o s 是一个亟待解决的问题。本文 在分析了8 0 2 1 6p m p 模式o o s 机制和i p 层的q o s 机制一i n t s e r v 瓜s v p 业务、 d i t f s e 业务后，提出了m e e8 0 2 1 6p m p 模式f 的综合业务服务质量( o o s ) 管 理体系结构，提供了一种i p 层q o s 和m a c 层q o s 之问的映射机制。这种快速的 映射机制提供了跨层的q o s 管理机制，与传统的资源预留r s v p 协议信令机制相 比，在性能、效率上有很大的提高。通过对、b i p ，f r p ， r i r r p 三种不同的业务对 !宽带无线城域网l e e e8 0 2 1 6 若干关键技术问题研究 系统进行测试，仿真实验结果显示：本文所提出的服务质量( 0 0 s ) 管理体系结构 具有很高的性能和效率，可以很好的保障各种业务的服务质量( q o s ) 。 2 首次提出了i e e e8 0 2 1 6m e s h 模式集中式调度的最优化带宽资源调度管理 方案和时隙分配算法。i e e e8 0 2 1 6 m e s h 模式下仅仅定义了三种业务调度机制，但 是并没有定义具体的带宽资源分配算法和方案，而是留给不同的设备商和运营商 来实现。本文在分析了m c s h 模式中业务调度机制之后，建立了集中式调度最优化 带宽资源分配的数学模型，给出了调度周期的理论下限，提出了m e e8 0 2 1 6 集中 式调度的资源分配方案以及相应的时隙分配算法。 本文具体内容按照以下顺序组织： 第二章对i e e e8 0 2 1 6 标准的体系结构进行了简单介绍。 第三章提出了e e8 0 2 1 6 p m p 模式综合业务服务质量( q o s ) 管理体系结构。 第四章提出了m e e8 0 2 1 6m e s h 模式集中式的带宽资源调度管理方案。 第五章是对本文的总结。 第二章i e e e 8 0 2 1 6 标准体系结构介绍 第二章i e e e8 0 2 1 6 标准体系结构介绍 l 髓e8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 p 专门定义了2 6 6 g h z 频段的无线空中接口，其空中接口 由物理层( p h y ) 和媒体接入控制( m a c ) 层组成，如图2 1 所示。m a c 层由上 到下依次分为3 个子层：特定业务会聚予层( c s ) 、m a c 公共子层( c p s ) 和私 密子层。在匝e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 中，进入每个子层未被处理的数据称为服务数据单 元( s d u ) ，经过子层处理后形成特定格式的数据被称为协议数据单元( p d u ) 。 同时，本层形成的p d u 即为下层的s d u 。 僦前j * 捌。 c 。嚣糍譬怒0 。十。磊未十 l c 0 ) r r m 、 i _ 哺c c np m 勃b i y r ： n n c c r 耐 ，l h n q m 艄目俐坤 i c c 鲫m 蛐p n 轴h 州- r 一 s c w 竹，岫v f f n 一一 斗oi 矗面；品二面一j ： p h 社i c hl d y r ： i p 州i _ 4 卜“篙“卧嘶+ l d a “咖口in 豳 圈2 1舰e8 0 2 1 6 体系结构图 2 1 媒体接入控制层( m a c 层) 2 1 1 特定业务会聚子层( c s ) 特定业务会聚子层( c s ) 提供与更高层的接口，通过不同的会聚方式适配各 种上层业务与协议。目前眦e8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准中制定了两种类型的子层( 删 会聚子层和p a c k c t 会聚子层) ，用于上层业务和8 0 2 1 6m a c 之间的双向映射。其 中，前者是为a t m 业务而定义的，后者则应用于i p v 4 、i p 、r 6 、以太网帧和v l a n 等分组( p a c k e t ) 业务。在本文主要介绍p a c k e t 会聚子层。 !宽带无线城域两姬卫e 8 0 2 ，1 6 若干芙键技术问题研究 p a c k c t 会聚子层将i p 层来的s d u ，通过分类器把它们分类映射到某个合适 的m a c 层连接( c i d ) ，这个连接关联着一系列的服务流参数，实现或保持对应 的o o s 和带宽需求。s d u 的映射方式随业务的不同而不同。除了这些基本功能之 外，会聚子层还可以执行其它一些操作，如负荷头部的压缩和重构，以提高无线 链路的效率。 2 1 - 2m a c 公共子层( c p s ) m a c 公共部分子层( c p s ) 它位于c s 子层下面，负责执行m a c 层的核心功 能，提供包括系统接入、带宽分配、连接建立、连接等m a c 功能。c p s 子层对经 过c s 子层会聚之后的服务数据单元( s d u ) 进行打包( p a c k i n 2 ) 和分段 ( f r a g m e n t a t i o n ) 操作，把数据重新整理成适合空中接口传输的s d u 并加上m a c 头形成p d u 。m a c 经过串连( c o n c a i e n a t i o n ) 操作将采用同样编码调试方式的p d u 形成一块数据( 协议中称为b u 哑) 递交给物理层进行发送。同时，c p s 层也支持 相反的操作。 e e 8 0 2 1 6 m a c 的公共部分予层( c p s ) 分别支持点到多点( p m p ) 和网格 ( m c s h ) ，两种网络拓扑结构。p m p 模式主要是为点对多点的宽带无线接入应用 而设计的。在p m p 模式下，下行方向只有丑s 发送，上行带宽由多个s s 共享， b s 同时负责上行和下行带宽资源分配，每帧的分配结果体现在下行映射 ( d l 广m a p ) 和上行映射( u l 广m a p ) 结构中。s s 根据d l ，m a p 和u 王，m a p 的规 定接收和发送数据及管理信令。m e s h 模式主要是为了适应2 1 1 g h z 频段的物理环 境和不同业务需求，所提出对p m p 模式的扩展。与p m p 模式不同，在m e s h 模式 下，允许不同s s 之间不通过b s 而直接通信，每个s s 能够与m e s h 网络中的其它 s s 建立多跳的通讯链路。在m e s h 模式帧结构中，没有明确的独立上下行链路子 帧。由于m e s h 网络具有覆盖区路径损失小，覆盖区和稳健性随用户的增加呈指数 改进，以及在多跳环境下吞吐量较大等优点，因此研究m e s h 网络具有重要的意义。 e e8 0 2 1 6 对网络中每个节点都有一个4 8 b i t 的m a c 地址，而且对于每个设 备是独有的。m a c 层中的每个连接都有一个1 6 b i t 连接标示c i d ( c o l l i i e c t i o n i d e n t i f i e r ) ，c 1 d 可以类比互联网中的口地址。1 6b i t 的c i d 允许在上下行方向分 别有6 4 k 的连接可用。对于所承载的业务，b s 会根据提供给它的信息来建立连接， 业务的请求和管理就是基于连接的。许多商层的会话服务也可以在同一个无线c i d 中进行，例如在一个公司的许多用户可能采用t c p 口方式来进行 玎t p 浏览，但 是因为他们的服务需求都是一样的，所以可以把他们的业务流量合计到一起，来 共同申请带宽，也就是在同一个连接中传送因为传送净荷中的源地址和目的地 址不同，所以高层区分他们的会话服务是没有任何问题的。 第二章l e e e 8 0 2 1 6 标准体系结构介绍 m a c 层p d u 的格式如图2 2 ，一个4 8b i t 固定长度的m a c 头( g e n e r j cm a c h e a d e r ) 、变长的有效载荷( p a y l o a d ) 和可选的3 2b i t 循环冗余校验( c r c ) 和组 成。其中净荷部分和c r c 部分是可选的。 图2 2m a c 层p d u 格式 m a c 头分为两种，一种是普通的m a c 头，用于添加到管理信息和特定业务 会聚子层( c s ) 子层来的数据；一种是带宽请求的m a c 头，用于p m p 模式下的 上行请求带宽。头部的第一个比特说明了是哪种类型的m a c 头，两种m a c 头的 格式如图示。图2 3 为一般形式的m a c 头格式，它包含的主要信息有，这个m a c p d u 对应的连接c m ，是否有循环冗余码，是否对净荷数据加密，整个m a cp d u 的长度，净荷部分的类型( 所包含予头的类型) 等。 器 ： 曩 t 捧e f 6 ) 罄 臀匿 l e n 蠢 m s b 3 ) l e nl s 8 f 8 ) c d m s b 都 c i ol s b f 8 jh e s l 8 圈2 3 普通的m a c 头格式 c p s 子层还定义了三种类型的m a c 子头，作为m a cp d u 的净荷，紧跟着 m a c 的头部分。分别是分割子头，合并子头，授权管理( g m ) 子头和m e s h 子头。 其中m e s h 子头中提供了发送数据包的源节点的节点标示( n 0 d e 1 d ) a 此外，c p s 子层还定义了一系列的管理消息，例如，p m p 模式下定义了连接 ( c i d ) 的建立，改变和删除的d s a d s c ，d s d 消息；m e s h 模式下集中调度式消 息m s h c s c h 和分布式调度消息m s h d s c h ，在后文将详细介绍。 2 1 3 私密子层 私密子层( p s ) 提供加密、鉴权、密钥交换等与安全有关的功能。它由两个子 协议组成： ( 1 ) 数据包加密的封装协议( e n c a p s u l a t i o np m t o c 0 1 ) ，即采用数据封装协议来 !宽带无线城域网髓8 0 2 1 6 若干关键技术问题研究 对在固定宽带无线接入网上传输的分组进行加密。 ( 2 ) 保密密钥管理协议( p r i v a c yk e ym a n 3 9 e m e t - p k m ) ，该协议提供了从b s 到s s 的密钥数据的安全分配机制，此协议保证了s s 和b s 可以同步密钥，b s 还 可以用此协议实旌有条件接入网络服务。 2 2m a c 层对物理层的支持 m a c 层可以支持物理层采用两种复用模式，一种是时分双工( 1 d d ) ，另一种 是频分双工( f d d ) 。t d d 复用模式只支持成帧方式，f d d 模式则可分为成帧和 不成帧的两种方式。成帧方式的每一帧的时长都是固定的，由m a c 层的参数来决 定帧长。t d d 模式是在一帧里面分为了上下子帧，并且上下子帧的划分是可以动 态调整的，由特定的系统参数来控制。在匝e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 中，规定m e s h 模式只 支持1 d d 方式。并且因为t d d 模式在支持不对称业务方面有较高的带宽利用 率，因此本文的内容均是在是基于1 d d 模式来介绍的。具体的p m p 模式的帧结 构和m e s h 模式的帧结构，将在后文分别介绍。 2 3 物理层( p h y 层) i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准定义了三个不同的p h y 层调制机制，可以和m a c 层技 术结合使用提供可靠的端到端连接。这些空中接口规范是： ( 1 ) w m an - s c ：单载波调制机制的空中接口规范。 ( 2 ) w m an - o f d m ( 正交频分复用) ；2 5 6 载波o f d m 机制的空中接口规范e ( 3 ) w m a n o f d m a 2 0 4 8 载波o f i m 机制的空中接口规范。通过给各个接收 机分配载波子集，提供了多个接入，所以这个版本通常称为0 f d m 多址接入 ( o f d m a ) 。 笙三雯! 望；里竺! ! ! 垄丛塑塑旦! 塑堕茎箜鱼、业箜墅簦垦里蝗! ! 堕堡笪墨堕塑 ! 第三章i e e e8 0 2 1 6 无线城域网p m p 模式综合业务服务质量 ( q o s ) 管理体系结构 3 1 前言 i e e e8 0 2 1 6 标准例p m p 模式中，定义了种面向连接的m a c 层协议，为b s 和s s 之问的m a c 层业务提供了服务质量( o o s ) 保证机制，包括建立连接，带 宽请求和带宽分配等等。但是，标准中并没对带宽分配和管理的具体实现予以说 明。已有的研究成果【1 0 】【1 l j 则基于这些机制，提出了m a c 层带宽资源分配的算 法和业务管理方案。但既e8 0 2 1 6 仅仅是m a c 层和物理层的规范，它需要承载 上层的各种业务，比如，语音、多媒体、视频会泌、游戏以及数据业务。如何保 障这些业务的服务质量( 0 0 s ) 是一个亟待解决的问蹶。 本章提出了一种e e8 0 2 1 6p m p 模式下的综合业务服务质量( q o s ) 管理体 系结构( i n t e g r a t e dc 0 sc o n t r o la i c 蚯t e d e ) ，提供了一种碑层0 _ o s 和m a c 层 0 0 s 之间的映射机制。这种跨层的快速映射机制，与传统资源预留( r s v p ) 协议 的信令机制相比，在性能、效率上有很火的提高。在仿真平台上，对不同的v o i p ， f t p ，肼业务进行r 测试，实验结果显示：本章所提出的综合业务0 0 s 管理体 系结构具有很高的性能和效率，各种业务均可以很好地满足其o o s 需求。 3 2i e e e8 0 2 1 6p m p 模式相关技术介绍 3 2 1i e e e8 0 2 1 6p m p 的管理连接 e e 8 0 2 1 6p m p 模式m a c 层是为点对多点网络结构而设计的，b s 作为中心 基站，同时为多个独立的扇区提供服务。当s s 接入网络后，b s 会在上下行方向 为s s 各分配三个管理连接，速三个管理连接对应于不同层次的o o s 要求的管理信 息的传送： ( 1 ) 基本连接( b a s i cc o 衄e d i o n ) ：用下传递实时m a c 消息，长度较短的 m a c 消息和无线链路控制( r l c ) 消息，它的o o s 优先级最高； ( 2 ) 主管理连接( p r i m y m a g e m e n t c o n n e c t i o n ) ：用于传递时延要求不高 的，长度较长的m a c 层管理消息，如鉴权和连接建立时的d s a 之类的消息，它 的q o s 优先级次之； 的q o s 优先级次之； 竺宽带无线城域网e e8 0 2 1 6 若干芙键技术问题研究 ( 3 ) 次管理连接( s e c o n d “ym a n a g e m e n lc o n n e c t i o n ) ：用于基于i p 层的管 理信令，如d h c p t f r p 和s n m p 等的管理消息，它的q o s 优先级最低。 3 2 2i e e e8 0 2 1 6p m p 在1 1 ) d 模式下的帧结构 在t d d 模式下，上行链路( 从s s 到b s ) 和下行链路( 从b s 和s s ) 共享同 一个频率的信道。每个帧由下行子帧和上行子帧组成。如图3 1 所示。两个子帧的 长度比例可以由b s 动态划分。 f 八? 置。乞、 f r m 2f r 耨_ ，f r m jf r _ 户1f q r 啊一2 圉3 11 d d 模式的帧结构 在每一帧的开头都包括上行链路m a p 消息( d l m a p ) 和下行链路m a p 消息 ( u l m a p ) ，分别携带了下行子帧和上行子帧突发( b u r s t ) 安排情况的信息。上 下行子帧完全根据u l 。m a p 和d l 。m a p 消息来决定晕面每一个突发( b u r s t ) 的 时长内传递数据。在下行方向，最小的时长单元为p s ( p h y s i c a l s l o t ) ；在上行方 向，最小的时长单元为微时隙( m i n i s l o t ) ，一个m i l l i s i o t 包含几个p s ，并且m i 硝s l o t 与p s 是2 的次方关系。 t d d 模式中下行、上行链路分别采用t d m 和1 d m a 方式进行复用a 在下行 链路，由b s 在下行子帧中传输由一个s s 到另一个s s 的中转数据，或者是从外 部网络发往某个s s 的数据。下行子帧以广播方式发送给所有的s s ，每个s s 只能 按照d lm a p 消息中的信息从相应时隙中提取传输给自己的数据包。上行链路的 接入采用t d m a 方式，由b s 为每个s s 分配所能用的时隙e 这一信息有b s 在每 一帧的歼始通过u lm a p 消息广播至全网，每个s s 在收到u l m a p 消息后，按 照所被分配的时隙在上行子帧发送数据。 3 2 3i e e e8 0 2 1 6p m p 模式业务类型 为了能支持多媒体业务，结合使用单播、组播和广播3 种查询方式以支持不 同的o o s ，l e e e8 0 2 1 6p m p 模式定义了4 种m a c 层业务类型，并对每种业务类 第三章m e e 8 0 2 1 6 无线城域网p m p 模式综合业务服务质量( o o s ) 管理体系结构旦 型的带宽请求方式进行了规定： ( 1 ) 主动授权业务( u g s ) 主动授权业务( u g s ) 用于传输固定速率实时数据业务，例如，t l e l 以及没 有静默压缩的v o i p 等。b s 周期地以强制方式进行调度，不接受来自s s 的请求， 同时禁止使用捎带请求。b s 基于业务流的最大连续业务速率，周期性地提供固定 长度的授权，这样避免了带宽请求引入的开销和时延以满足实时业务的时延和时 延抖动要求。s s 可以通过帧中的联带( p m ，即p o l l m e ) 比特的设置为同一s s 下的其他非u g s 业务流请求单播机会。如果需要改变某个授权周期内的授权数目， s s 必须启动动态业务改变( d s c ) 过程。 ( 2 ) 实时查询业务( n p s ) 实时查询业务( n p s ) 用于支持可变速率实时业务是为满足动态变化的业务 需求而设计，例如m p e g 视频业务。b s 为r t p s 提供周期性的单播查询请求机会， 并禁止使用其他竞争请求机会和捎带请求。由于s s 提出请求，协议的开销和时延 会增加。 ( 3 ) 非实时查询业务( r t p s ) 非实时查询业务( n r t p s ) 支持非周期变长分组的非实时数据流，例如，有保 证最小速率要求的因特网接入。b s 提供比n p s 更长的周期或不定期的单播请求机 会，可以使用竞争请求( 多播或广播) 机会，甚至被主动授权。n n p s 可以被设冒 成不同优先级。 ( 4 ) 尽力而为业务( b e ) 尽力而为业务( b e ) 支持非实时无任何速率和时延抖动要求的分组数据业务， 如e m a i l 和短信等，不要求提供吞吐量和时延保证。b e 允许使用任何类型的请求 机会和捎带请求。 每种业务流都有相应的一些关键服务参数，比如最小保留业务速率( m i n i m u m r c s e r v e dt r a 伍cr a t e ) ，最大支持的业务速率( m a x i l n u ms u s t a 嘶d1 硼cr a t e ) ， 业务有限级( 胁塌cr a i e ) ，晟大时延( m i m u mb t e n c y ) 等等。所有这些参数 通过动态业务流管理消息来传递。 3 2 4i e e e8 0 2 1 6p m p 模式业务流管理机制 i e e e8 0 2 1 6p m p 模式下，把m a c 层的业务流与一个由连接标识符( c i d ) 标识的业务流关联起来，、i k 务类型和相应参数都对于与具体的c 。m a c 层在对 业务流进行调度前就具有相应的q o s 需求。i e e e8 0 2 1 6m a c 协议对业务流的管 理分为三部分：首先创建晟初的业务流，并且对业务流的q o s 参数进行配置：然 后对业务流进行动态管理，包括动态业务流创建( d s a ) 、动态业务流改变( d s c ) 些宽带无线城域网砸e e 8 0 2 1 6 若干关键技术问题研究 和动态业务流删除( d s d ) ；最后在通信过程中，对m a c 的分组数据单元( p d u ) 进行分类并依据业务流的类别区分优先级进行业务调度。 l e e e8 0 2 1 6 中，个业务流主要由以下的属性来表示： ( 1 ) 业务流标识( s f i d ) ；用于标识网络中已经创建的不同业务流，一个业 务流至少有一个s f l d 。分配了s f i d 的业务流可能并未被立即接纳或激活，而仅 仅处于已预设状态。业务流动态管理使用s n d 来唯一标识业务流。 ( 2 ) 连接标识符( c i d ) ：用于标识网络中已经被接纳的业务流，在注册和 动态业务增加过程中，b s 为被接纳的业务流分配c i d 。 ( 3 ) o o s 参数集：用于描述业务流的o o s 参数( 包括时延、时延抖动、最 小保留业务速率等) 的集合。一条业务流由3 个参数集组成：预设o o s 参数集、 接纳o o s 参数集和激活q o s 参数集。预设q o s 参数集是业务流所预设的q o s 需 求参数；接纳o o s 参数集是b s 认为能够满足其资源要求的0 0 s 参数集，b s 必须 为接纳了的业务流按其接纳o o s 参数集要求预留资源；激活q o s 参数集是b s 为 处于激活状态的业务流提供其实际需要，但同时又不大于接纳q o s 参数集的资源 要求。同一条业务流的3 个o o s 参数集满足如下关系：激活o o s 参数集为接纳 q o s 参数集子集，接纳q o s 参数集为预设0 0 s 参数集的子集。据此，业务流主要 可以分为三个状态：预设、已接纳、激活。对于预设业务流来说，接纳o o s 参数 集和预设q o s 参数集均为空：对于已接纳业务流来说，b s 按照接纳q o s 参数集 的内容预留资源，但并未实际占用，激活q o s 参数集为空：对于激活业务流，实 际占用b s 按照已接纳q o s 参数集安排资源，接纳q o s 参数集和激活o o s 参数集 均非空。 业务流进行动态管理，包括动态业务流创建( d s a ) 、动态业务流改变( d s c ) 和动态业务流删除( d s d ) 。 ( 1 ) 动态业务流创建( d s a ) ：可由b s 或者s s 发起。由b s 发起的动态业 务创建请求d s a i 也q 消息将包含一个上行链路或下行链路业务流的s f i d ，还包 含与其关联的c d 以及一组已接纳或激活的o o s 参数。由s s 发起的d s a - r e q 消息将包含业务流参考( s f r ) 和q o s 参数集，s f r 用于将分类符与业务流联系 起来。 ( 2 ) 动态业务流改变( d s c ) ：可由b s 或者s s 发起。在动态业务改变请求 d s c r e q 消息中必须使用s f l d 指定要改变的业务流。d s c 过程既可以改变指定 业务流的q o s 参数，也可以增加、删除或替换该业务流的分类符。当d s c 过程使 激活q o s 参数集由“空”变为非空”或者由“非空”变为“空”时，可实现其激活或去激 活业务流功能。 ( 3 ) 动态业务流删除( d s d ) ：可由b s 或者s s 发起。所有的业务流都可以 采用动态业务删除( d s d ) 过程删除，某业务流一旦被删除，与其相关的所有资 兰三童! ! ! 塑婴：堑查垡燮篓旦! 塑堡苎堡垒些堑望笠堕墨垡墅笪矍堡墨堕塑 望 源都释放。 3 2 4i e e e8 0 2 1 6p m p 模式业务调度方案 砸e e8 0 2 1 6 提供了完善的m a c 层业务流的0 0 s 管理机制，但是，协议中并 没有带宽分配和业务调度的具体实现。在现有的文献中，对m a c 层业务调度已有 比较成熟的算法和方案。h a w a 和k w b n 舢a v a r a w i 【l l | 均提出了e e8 0 2 1 6p m p 模式下，基于t d d 的业务调度方案但是这两篇文章的方案中仅仅考虑了上行链 路子帧的调度，并且默认为上行链路子帧和下行链路子帧的长度是按一定的比例 固定不变的。参考文献i l “为本项目组提出的调度方案，通过对上行链路和下行链 路的动态调度，与其它方案相比带宽能够得到更有效的利用，而且在业务之间的 公平性上有很大的提高。因此，本章所提出的综合业务体系结构中，业务调度方 案将基于参考文献吲的方案，将在后文详细介绍。 3 _ 3i p 层o o s 相关技术介绍 m e e8 0 2 1 6 的重要用途是做为接入网，提供接入服务，但如何保障其所承载 各种业务的o o s 是一个重要问题。本文这一节当中，对互联网的q o s 技术进行分 析。现在的互联网的服务是基于“尽力而为”( b e s te 胁n ，b e ) 的服务。在这种 服务模型下，所有的业务流“被一视同仁”地公平竞争网络资源，对所有的i p 包 都采用先来先处理( f i mc o m ef i b ts e r v j c e ，f c f s ) 的工作方式，尽最大努力将 i p 数据包送达目的地。而要传送诸如，语音、多媒体等信息，互联网又必须满足 一定的服务质量o o s ，而现有互联网的“尽力而为”的服务模型显然是不够的。 服务质量q o s 主要包括：可用性、差错率、响应时间、吞吐量、丢包率等一 系列性能参数，保证了端到端的服务要求。为了解决o o s 问题，保证语音、多媒 体在互联网的传输需求，主要有两种思想被采用：( 1 ) 基于资源预留：网络资源 按照某个具体业务的q o s 要求进行分配，制定资源管理略；( 2 ) 基于优先级：网 络边界节点对业务流进行分类、整形、标记，核心节点按照资源管理策略分配资 源，对q o s 要求高的业务给以优先处理。这些0 0 s 方法可以被用于单个数据流或