（信号与信息处理专业论文）80216d协议上行调度算法研究及wimax仿真平台实现.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 无线城域网( w m a n ) 技术已经成为全球通信架构中重要的组成部分。 w i m a x 作为一种面向w m a n 领域的宽带接入方案，以其优异的性能和广 阔的市场前景而倍受关注。针对w i m a x 技术，制定了8 0 2 1 6 系列标准，它 的完善使得8 0 2 1 6 标准将会有更广泛的应用空间。 论文着重研究的是8 0 2 1 6 d 协议。本文对m a c 层，尤其是m a c 公共部 分子层进行了分析，并对有线和无线环境下业务调度算法展开了研究。根据 现有无线环境下算法的性能比较，对i - c s d p s 算法进行了优化，提出了适合 8 0 2 1 6 dm a c 层的基于优化i - c s d p s 算法分层调度策略，解决混合类型业务 的服务质量问题。目前，对于w i m a x 技术没有为研究其相应算法提供合适 的仿真平台，因此基于o p n e t 软件建立8 0 2 1 6 d 协议m a c 层仿真平台是一 个很有意义的课题。并在对仿真平台部分实现的基础上，通过仿真实例对实 现方案进行了功能验证。 关键词：w i m a x ；8 0 2 1 6 d 协议；m a c 层；q o s 调度；o p n e t 哈尔滨i 。稃大学硕十学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na r e a ，w m a n ( w i r e l e s sm e t r o p o l i t a n a r e an e t w o r k s ) t e c h n o l o g yp l a y sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h ew o r l d a s ab r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s ss c h e m ef o rw m a n ，w i m a xh a sr e c e i v e dp r i m a r y c o n c e r nb e c a u s eo fi t so u t s t a n d i n gs y s t e mp e r f o r m a n c ea n dw i d em a r k e to u t l o o k f o rw i m a x ，i e e ed r a w su pas e r i e so f8 0 2 1 6s t a n d a r d s t h e8 0 2 1 6s t a n d a r d i n c r e a s e st h ea c h i e v e m e n t , s oi tw i l lp r o v i d em o r ea p p l i c a t i o n t h ep a p e rm a i n l yu s e s8 0 2 1 6 df o rr e f e r e n c e n e x t ，t h e8 0 2 1 6 dm a c p r o t o c o li sd i s c u s s e de m p h a t i c a l l y , e s p e c i a l l ym a cc o m n l o np a r ts u b l a y e r , a n d t h e nv a r i o u sg e n e r i cs c h e d u l i n ga l g o r i t h m sw h i c ha l eu s e di nw i r e da n dw i r e l e s s n e t w o r ka r ei n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r i s o no ft h ee x i s t e ds c h e d u l i n g a l g o r i t h m si nw i r e l e s sn e t w o r k , w eo p t i m i z et h ei - c s d p sa l g o r i t h m ，t h e nd e s i g n a l le f f i c i e n tc l a s s b a s e di - c s d p ss e r v i c es c h e d u l i n gs t r a t e g yf o r8 0 2 1 6 dm a c p r o t o c 0 1 i ti sp r o p o s e dt os o l v et h ep r o b l e mo fm i x e dq u a l i t yo fs e r v i c e a t p r e s e n t ，w i m a xd o e s n ts p e c i f y t h es i m u l a t i o np l a t f o r mi nd e t a i l ，s oi t sa m e a n i n g f u lt o p i ct or e a l i z et h ef r a m e w o r ko f t h e8 0 2 1 6 dm a cb a s e do no p n e t o a no p n e ts i m u l a t i o np l a t f o r mi sd e v e l o p e dp a n l y ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h e k e yf u n c t i o n se v a l u a t e dv i as i m u l a t i o ne x a m p l e s k e y w o r d s ：w i m a x ；8 0 2 1 6 d ；m a cl a y e r ；q o s ；s c h e d u l i n g ；o p n e t 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：拉篮 e l 期：二抑7 年2 月，fe l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 当今时代，科技发展日新月异，通信领域更是如此。通信技术与人们的 生活密切相关，现在，传统的话音和数据业务己经不能满足市场的需要，人 们对于多媒体业务的需求越来越大。 市场的需求推动着技术的进步，技术的不断发展也正是为了满足人们生 活的需要。随着人们对于宽带多媒体应用的需求不断增大，各种宽带接入技 术发展迅速。特别是随着无线通信在人们生活中扮演着越来越重要的角色， 宽带无线接入技术作为其中的重要组成有着广泛的应用前景以及巨大的发展 潜力。无线接入技术相比于有线接入技术更加灵活，借助无线网络，任何人 可以在任何时间任何地点进行通信。 现在，各种宽带无线接入技术蓬勃发展，为用户提供更高速率的接入， 满足人们的各种通信需求，它们已经成为通信技术中不可缺少的重要组成。 1 2 各种无线接入技术的特点 宽带无线接入技术可应用于四种范围的网络，根据主要覆盖区域的大小， 并按由小到大的顺序排列，分别是无线个域n ( w p a n ，w t r e l e s sp e r s o n a la r e a n e t w o r k s ) 、无线局域n ( w l a n ，w i r e l e s sl o c a la r e a n e t w o r k s ) 、无线城域网 ( 帆4 a n ，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 s ) 和无线广域网( w w a n ， w i r e l e s sw i d ea r e an e t w o r k s y 1 。 在文献【1 】【2 】【3 】中对一些常见的无缘接入技术进行了介绍和比较，文献【3 】 主要比较了i e e e8 0 2 工作组在宽带无线领域中制定的系列标准，文献【1 】重 点比较了i e e e8 0 2 1 1 和i e e e8 0 2 1 6 。无线接入技术种类很多，下面介绍一 些主要的宽带无线接入技术。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在无线个域网方面的标准有i e e e8 0 2 1 5 ，它的主要目的是用于近距离设 备之间的通信。目前8 0 2 1 5 中的两种主要技术即为蓝牙和超宽带( u w b ) 。开 发蓝牙是为了要用一种小型且成本低的无线技术连接各类数字化信息设备。 超宽带技术曾主要应用于军事领域，它可以在近距离范围内提供高速率的数 据传输，因此，它在无线个域网领域有很大的发展空间。总之，通过无线个 域网技术可以将笔记本电脑、智能移动电话、p d a 等便携和移动的数字化信 息设备联系起来形成无线网络。 在无线局域网方面目前应用最广的标准就是i e e e8 0 2 1 1 ，无线局域网是 对有线局域网的扩展，无线的方式比有线的方式更加灵活方便，并且价格低 廉，易于安装和维护。9 0 2 i l l 用于解决“最后1 0 0 m ”的通信要求，尤其是一些 基础设施不足的地方，它可以应用于高速的因特网接入、企业网、校园网及 驻地网。随着无线局域网技术的不断进步，它将有更广泛的应用。 无线城域网方面的标准有i e e e8 0 2 1 6 ，用来解决“最后1 0 0 0 m 的通信要 求。它可以为用户提供范围更广，速率更高的宽带无线接入，在一些没有基 础设施可用的地方，这种无线接入的方式就更灵活。起初的8 0 2 1 6 标准主要 是固定宽带无线接入的标准，应用范围有一定的限制。现在，8 0 2 1 6 e 标准在 原有基础上增加了对移动性的支持，这使得8 0 2 1 6 标准将会有更广泛的应用 空间。随着技术的不断成熟，8 0 2 1 6 系列无线城域网的本地多点连接作用会 得到越来越广泛的应用。8 0 2 1 1 系列无线局域网的接入热点、校园网、企事 业单位、各大酒店还有家庭住宅都可以通过无线城域网提供的宽带接入能力 方便地连接到互联网或骨干网，为人们的生活提供极大的方便和快捷。 无线广域网的标准有3 g 蜂窝移动通信系统以及i e e e 系列标准的i e e e 8 0 2 2 0 ，作为广域网的标准，要求覆盖范围很广，需要解决超出单个城市范 围的信息传送与交互，提供一个基于i p 的高速全移动网络，满足网际接入的 需求。 1 3 各种无线接入技术之间的关系以及发展趋势 无线环境相比于有线环境更加复杂，某一种单一的无线技术不会在各个 领域内都适用。在前面的介绍中也可以看出，各种无线通信技术都有其自身 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的特点和优势，也都有各自不同的市场定位。文献 4 】分析了各种无线接入技 术的发展情况，文献【5 拄要对3 g 和8 0 2 1 6 技术的发展进行了介绍。 许多文献对这个问题进行了分析和研究，表格1 1 中对8 0 2 1 1 ， 8 0 2 1 6 及3 g 三类技术进行了比较。 首先，对于8 0 2 1 1 和8 0 2 1 6 的关系，在前面也已经提到，8 0 2 1 1 是定位 于无线局域网的标准而8 0 2 1 6 是定位于无线城域网的标准。可以通过以 8 0 2 1 6 为代表无线城域网将8 0 2 1 1 系列无线局域网的接入热点连接到高速因 特网，在这里无线城域网就好像有线接入网一样充当了无线局域网和因特网 之间的桥梁，同时也可以把无线局域网看成是用户端和无线城域网之间的桥 梁，二者相互共存并相互支持。 表1 1 三种无线技术比较州 优势劣势机会威胁 覆盖距离远，容量大；技术设备都不成熟；前景广阔；w l a n 等 w i m a x 支持q o s ：具有良好 无线环境复杂，远距可与多种技术率先 的安全保障。离传输性能不稳定。技术互补。强占市场。 室内大容量高带宽；覆盖距离短；移动性前景广阔；3 g 数据业 w l a n 技术设备成熟；成本差不支持语音业务：与3 g 技术务，自身安 低。 公共频段干扰多。互补。 全漏洞。 支持有时延保证的语带宽相对较低；业务通信市场w i m a x 音业务：支持漫游：发展受限；建网成本。发展迅速。等技术对 3 g安全性高；具有广泛 高；升级成本高。业务的分 的运营商和设备商联流。 盟：技术设备成熟。 对于3 g 技术和8 0 2 1 6 的关系，它们的定位也是不一样的，前者定位于 无线广域网，后者定位于无线城域网。3 g 技术主要关注点在于手机终端，数 据速率相对是比较低的，但是在话音与手机应用的方面比较好，也正符合它 当前的主要应用；而8 0 2 1 6 技术则关注于笔记本电脑，主要针对的不是话音 传输而是高速的数据传输。 由此可见，对于一种技术而言，并不定它越新或者越好就一定能得到 哈尔滨工程大学硕士学位论文 最广泛的应用。在实际中有许多因素需要考虑，比如当前己经广泛使用的技 术的状况、市场的情况、成本的问题等。无线接入技术在将来的发展趋势应 该是拥有不同特点和适应环境的各种无线技术会长期共存，互为支撑和补充， 在竞争中共同发展，以满足不同环境不同客户群体的不同需求，最终形成一 个融合的网络。 1 4 本文研究的主要内容及章节安排 本文主要针对8 0 2 1 6 dm a c 层协议的q o s 机制中业务调度算法进行了 深入研究，并基于o p n e t 软件平台实现了w i m a x 技术m a c 层协议建模。 第一章主要对各种无线接入技术的特点及其发展趋势进行介绍。 第二章介绍了与无线城域网标准i e e e8 0 2 1 6 技术相关的一些内容，主 要包括i e e e8 0 2 1 6 标准产生的背景和发展历程、它的技术特点和应用及其 网络结构。 第三章详细叙述了i e e e8 0 2 1 6 d 的m a c 层协议，首先对i e e e8 0 2 1 6 d 协议的整体结构以及无线m a c 协议的分类进行了阐述，接下来对m a c 层 的三个子层协议，重点针对公共部分子层进行了介绍。 第四章基于8 0 2 1 6 d 协议的q o s 架构进行了分析，同时从有线环境和无 线环境两个方面对业务调度算法进行了详细分析，并提出了一种适用于 8 0 2 1 6 d 无线环境下的业务调度策略。 第五章重点叙述了基于8 0 2 1 6 dm a c 层协议和o p n e t 软件建立 w i m a x 仿真平台的过程以及平台实现的相应功能。包括了o p n e t 软件的背 景、基本仿真机制、平台整体架构以及子进程实现过程等介绍。最后通过仿 真实例，来确定平台代码的功能实现。同时提供了仿真中的相应参数以及仿 真结果。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章ie e e 8 0 2 。1 6 标准及w im a x 技术 城域网，通常是指规模局限在一座城市范围内的区域性网络，是连接广 域网和局域网的桥梁，随着网络技术的发展，不断地向宽带璎化演进，网络 上的业务也由以话音业务为主逐步转向以数据业务、多媒体业务为主流。城 域网向无线化的方向发展，也是实现无缝覆盖网络的必然需求。因此，无线 城域网( w m a n ) 技术逐渐成为全球通信架构中重要的组成部分。 i e e e 8 0 2 1 6 协议簇是美国电子电气工程师协会( i e e e ) 在w m a n 领域制 定的一种宽带无线接入f b r o b b e d w i r e l e s s a c c e s s ，b w a ) 空中接口标准，又 称w i m a x ( w o r l d w i d ei n t e r o p e r a b i l i t yf o rm i c r o w a v ea c c e s s ) 。 2 1ie e e 8 0 2 1 6 标准产生的背景以及其发展过程 2 1 1i e e e 8 0 2 1 6 标准产生的背景 本地多点分配业务即l m d s ( l o e a lm u l t i p o i n td i s t r i b u t es e r v i c e ) 是一种固 定宽带无线接入技术，它利用微波传输提供点到多点的通信，能够进行双向 数据传输，并且带宽容量大。l m d s 可以支持包括话音业务、数据业务、图 像业务以及多媒体业务在内的多种业务类型，像电视会议、视频点播、远程 教育等，业务种类十分丰富，而且可以达到很高的用户接入速率，提供高质 量的服务。除此以外，l m d s 建设起来比较容易，成本也比较低，十分灵活 而且见效很快，很有发展前景。 随着l m d s 宽带无线接入系统的快速发展，有很多公司也已经推出了 l m d s 的产品，但是国际上对l m d s 没有统一的标准，这样很容易对它的继 续发展形成一定的障碍，因此标准化工作显得非常重要。有很多组织开展了 标准化工作，发展较快的就是i e e e 。i e e e8 0 2 1 6 工作组就是专门致力于宽 带无线接入技术的标准化工作。 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 1 2i e e e 8 0 2 1 6 标准的发展过程 i e e e8 0 2 1 6 是无线城域网的空中接口标准，适用于2 - 6 6 g h z 频段。由 于它所规定的无线接入系统覆盖范围可达5 0 k i n ，每个b s 提供的总数据速率 最高可达2 8 0 m b p s ，因此8 0 2 1 6 标准主要应用于城域网。 8 0 2 1 6 系列标准协议栈按照两层体系结构组织，主要对m a c 层和物理 层进行了规范。包括以下几个方匿内容：m a c 层、物理层、点对多点拓扑 结构、网格拓扑结构、用户站( 以下简称s s ) 和基站( 以下简称b s ) 。 文献【4 】【5 】【6 】都对标准的发展进程以及各标准的特点进行了介绍。根据是 否支持移动性，可以将i e e e8 0 2 1 6 系列标准分为两类，一类是固定宽带无 线接入空中接口标准，主要包括8 0 2 1 6 - 2 0 0 1 忉，8 0 2 1 6 a ，8 0 2 1 6 d 【1 1 ：另一 类是移动宽带无线接入空中接口标准，主要是指8 0 2 1 6 e 。此外，还有i e e e 8 0 2 1 6 c ，i e e e8 0 2 1 6 f 和i e e e8 0 2 1 6 9 。 表格2 1i e e e8 0 2 1 6 系列标准对应的技术领域 标准号相对应的技术领域和频段状态 8 0 2 1 6 i 7 11 0 6 0 g h z 固定宽带无线接入系统空中接口2 0 0 2 0 4 发布 空 8 0 2 1 6 a2 1 i g h z 固定宽带接入系统空中接口2 0 0 3 0 4 发布 由 8 0 2 1 6 c1 0 “6 g h z 固定宽带接入系统兼容性 2 0 0 2 发布 接 8 0 2 1 6 d p l 2 6 6 g h z 固定宽带接入系统空中接口 2 0 0 4 0 6 正式 口 ( 对8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 c 修订) 通过并发布 标 8 0 2 1 6 e 2 , - 6 g h z 固定和移动宽带接入系统空中接口2 0 0 5 发布草 准 管理信息库案，正在完善 8 0 2 1 6 柙 固定宽带接入系统管理信息库要求 8 0 2 1 6 9 固定和移动宽带接入系统空中接口管理平面 流程和服务要求 共存 8 0 2 1 6 2 局域网和城域网操作规程建议固定宽带无线 问题接入系统共存 标准8 0 2 1 6 2 a 8 0 2 1 6 ，2 修订 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2w i m a x 的技术特点 2 2 1w i m a x 与i e e e 8 0 2 1 6 d 协议的关系 晰m a x 全球微波接入互操作系统由众多业界领先的通信组件公司及设 备制造商共同组建。这个组织的目的就是对基于i e e e8 0 2 1 6 标准和e t s i h i p e rm a n 标准的宽带无线接入产品进行一致性和互操作性认证。通过该组 织认证的产品符合8 0 2 1 6 标准的要求，具有一致性和互操作性，可用于宽带 无线接入的应用。 由此可见，w i m a x 与i e e e8 0 2 1 6 之间有着非常紧密的关系，但同时它 们在分工上又存在不同，具体来说就是，后者是标准的制定者，前者又是标 准的推动者，前者将对产品是否符合后者的要求进行认证。 2 2 2w i m a x 的核心技术 作为无线城域网的技术，w i m a x 能够有巨大的发展潜力及广泛的应用 前景与它在技术上的特点和优势是分不开的。 在网络结构方面，可以支持点到多点( p m p ) 结构和网格( m e s h ) 结构，如 图2 1 、图2 2 所示。前者在i e e e8 0 2 1 6 。2 0 0 1 标准中就提出了，后者是在i e e e 8 0 2 1 6 a 中提出的。本文重点讨论点对多点结构。 m a c 层的重要特点在于它是面向连接的，即所有终端的数据业务以及 与此相关的q o s 机制都是基于连接进行的。它采用的核心技术为具有电信级 q o s 的全i p 核心网提供一种新型的网络接入结构和无线资源管理，优化了分 配有限的无线资源，来提高网络的整体容量。 ， 多业务共存情况下的接入控制策略：根据相应的空中信令和业务，利用有 限的频率资源和合理的设备配置提供更高的系统容量或数据吞吐量，保证用 户满意，是接入控制策略所要实现的目标。 结合无线链路特征和q o s 要求的分组调度策略：多种具有不同需求的分组 业务汇聚到无线接口进行共享传输时，为了保证时延、速率等q o s 要求，设 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1w i m a x 点对多点网络结构模式 图2 2w i m a x 网格网络结构模式 计可调度的m a c 层机制，依据业务属性、结合无线接口的链路特性对分组 传输进行调度，提高吞吐量并保证一定的公平性。这正是本文研究的重点。 无线资源管理：包括资源分配，配合物理层进行链路的自适应传输，如自 适应调制、功率控制、信道分配等，目的是使尽可能多的用户复用无线资源， 提高用户容量和无线信道的实际利用率。 移动切换管理：当用户从一个基站移动到另一个基站时，能保持数据连接 和i p 地址，并且在用户漫游时支持切换，切换过程中保证没有分组丢弃。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在物理层，采用三项技术：o f d m ，空时编码和自适应调制编码技术。 这样就可以根据实际情况灵活选择调制方式，包括单载波、o f d m 和 o f d m a ，有效的降低多径衰落的影响。随着传输信道状态发生变化，为了 保证传输质量，载波调制方式以及一些物理层的参数都可以进行动态的调整。 2 2 3w i m a x 技术的研究方向 w i m a x 在技术上有很多的优势，同时标准对于某些关键技术并未提及 其具体的实现方案，这就有待我们继续研究探讨。 对于系统m a c 层，它突出的特点就是面向连接，并且保证端到端的不 同业务的q o s 。如何具体实现q o s 机制，包括如下几个方面：业务分类方式， 实现m 网络数据包到四种业务流的映射；合理的调度算法，本文重点讨论上 行业务调度的实现；基站中合理的流量控制方法，保证业务速率要求的同时 考虑流量整形：对不同的业务流，不同的用户站，不同的调度业务类型的数 据缓冲如何管理，如何保证在缓冲资源有限情况下缓冲区不溢出等等。 另外对于无线网络而言，其安全问题远比有线网络严重。8 0 2 1 6 d 协议的 安全机制包括两个子协议：保密密钥管理( p k m ) 授权子协议和p k m 子协议， 分别解决“鉴别”和“保密”两个问题，对于加解密算法的实现也是一个非 常重要的研究方向。 目前对于物理层技术的研究有几个方面：一是空时、空频编码，研究针 对不同的信道，编码间切换或多种编码联合使用，可以在保证误码率的同时 提高系统容量；二是接收端同步算法，多天线信号不一定同时到达接收端， 需要在同步算法的基础上进行修改；三是信道估计，以较小的运算量，从多 天线混合信号中估计每组发送天线与接收天线之间的信道冲击响应；四是检 测算法，针对复杂的编码技术给出性能更好或实现更简单的算法。 2 3w i m a x 的应用 w i m a x 因其在网络拓扑结构上的特点，并且在技术上有很多优势，因 此具有广泛的应用范围( 4 1 1 1 “1 。 9 哈尔滨： 程大学硕士学位论文 首先，网络可以采用p m p 的拓扑结构，提供点到多点的宽带无线接入。 无线网络相比有线网络更加方便灵活，成本低。比如可以将无线局域网接入 高速因特网，还可以为一些企事业单位、住宅区、密集的商业区、网吧、写 字楼等提供宽带接入。而且对于需要临时建网的情况，无线网络的优势就更 明显了。如果采用m e s h 的拓扑结构，它的覆盖范围很广，尤其适用有线网 络设施不健全的乡村地区，构建无线网络方便，建网速度也较快。 此外，m m a x 还可以用于b s 之白j 的无线通信，主要是利用它的回程通 信技术。而且，回程通信技术还可以提供企业的虚拟专用网服务。 8 0 2 1 6 无线技术作为下一代宽带无线网络新的经济增长点，想要在未来 的无线通信网络中取得成功，还有很多工作要做。目前在8 0 2 1 6 无线技术的 标准化过程中，除了需要继续完善8 0 2 1 6 标准化外，仍有一些技术细节尚未 解决，这在一定程度上滞后了该技术的发展。 频谱分配策略和频谱兼容问题。8 0 2 1 6 - i - 作许可频段在2 - 1 1 g i - i z 范围， 在网络部署时需要获得政府部门的频率许可。政府无线管理部门所采取的频 谱分配策略对8 0 2 1 6 技术的发展有着决定性的作用。 互操作性问题。w i m a x 正致力于解决在宽带无线接入系统间实现兼容 性和互操作性问题，推广8 0 2 1 6 标准设备在宽带无线接入系统中的应用。 向移动网络的平滑过渡。8 0 2 1 6 固定无线接入技术的标准化的空中接1 3 、 更高的传输速率等级和更远的覆盖范围使其具有一定的技术优势，但是真正 能够吸引运营商的是该技术能够从固定无线接入网络平滑过渡到移动网络。 因此，积极研究8 0 2 1 6 e 技术，开发其对移动业务的支持能力，是8 0 2 1 6 技 术最终获得成功的关键。 进一步降低设备价格，用户设备更加易于安装、使用和维护，是其能够 大规模应用的重要影响因素。 由此可见，w i m a x 的确有着广阔的应用前景。 2 4 本章小结 针对w i m a x 技术，结合8 0 2 ，1 6 系列协议的产生背景，对w i m a x 技术 特点进行了概要的分析，并对其技术的应用给予了一定的关注。 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章i e e e 8 0 2 1 6 dm a c 层协议的研究 i e e e 8 0 2 。1 6 d 协议【i j ( 以下简称8 0 2 1 6 d 协议) 中定义了两种网格结构： 点到多点( p m p ) 结构和网格( m e s h ) 结构。本文仅介绍点对多点结构下的系统 结构和功能。 3 1ie e e 8 0 2 16 d 协议网络参考模型 i e e e8 0 2 1 6 d 协议实现了o s i 七层参考模型中的数据链路层、物理层的 大部分关键功能，对应关系如下图3 1 所示： 图3 1 协议与o s i 网络模型对应关系 8 0 2 1 6 d 协议的空中接1 ；3 由物理层( p h y ) 和媒体接入控i s j ( m a c ) 层组成。 物理层协议主要解决与工作频率、带宽、数据传输率、调制方式、纠错技术 以及收发信机同步有关的问题。m a c 层又分成了三个子层，分别是特定业 务汇聚予层( s e r v i c e s 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 s ) 、m a c 公共部分子层 ( m a cc o m m o n p a r ts u b l a y e r , c p s ) 、安全子层( s e c u r i t ys u b l a y e r , s s ) 。其中公 共部分子层完成大部分m a c 层的核心功能，提供q o s 机制。本文研究的业 务调度算法就是q o s 机制的重要组成部分，因此8 0 2 1 6 dm a c 层协议是课 题研究的基础。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 28 0 2 16 d 协议的m a c 层 3 2 18 0 2 1 6 d 协议m a c 层特点 本文重点讨论点对多点模式。点对多点即一个中心b s 服务多个s s ，在 给定的频率区域中所有的用户收到相同的传输信息。b s 是下行唯一消息发送 者，它以时分复用的方式将消息广播至各个用户端，用户端通过检验地址检 收发给自己的信息；用户端通过时分多址接入的方式共享上行链路。 m a c 层所传送的业务包括语音、数据、口连接等，因此m a c 层需要既 支持连续型业务，又支持突发型业务。m a c 层中特定业务汇聚予层既支持 a t m 协议又支持分组协议这一特点，满足了8 0 2 1 6 系统对传送多种业务数 据的需求。文献 1 3 1 4 1 1 5 j 都对m a c 特点进行了详细分析，总结于表3 1 中。 表3 18 0 2 1 6 dm a c 层的特点州 特点 优势 t d m a t d m 方式安排上，下行链路帧带宽有效利用 面向连接 q o s 基于连接，快速分组选路转发 q o s 支持连续固定比特率、实时可变化比特 符合业务的特点 率、非实时可变比特率、尽力而为四种服务 类别 自动重传请求( a r q ) 改善端对端性能 支持自适应调制编码技术根据信道条件提高系统容量 安全和保密保护用户私密 3 2 2m a c 层协议三个子层功能分布 m a c 层三个子层功能分布如下 1 6 1 ： ( 1 ) 特定服务汇聚子层( c s ) 特定服务汇聚子层负责接受高层协议数据单元( p d u ) ，并将接收到的 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p d u 映射到m a c 层连接上，或者进行相反的操作。其主要功能有： 从高层接受高层协议数据单元( p d u ) ； 对高层p d u 进行分类，是该层最核心的功能； 基于分类对高层p d u 进行处理： 将c sp d u 传递给正确的m a c 服务接入点( s a p ) ； 从对等层接收c sp d u 。 8 0 2 1 6 d 协议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 1 m 汇聚子层用于支持基于a 1 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的分组业务数据单元。 ( 2 ) 公共部分子层( c p s l m a c 公共部分子层完成大部分的m a c 层核心功能，包括系统接入、带 宽分配、连接建立维护，它从汇聚子层接收数据，并且保证其服务质量【l i 】= m a cp d u 构造和传送； m a c 对物理层的支持( u c d 、d c d 、u l m a p 、d l m a p ) , 网络接入 带宽请求与分配 动态服务流管理 对于以上核心功能和相关重要概念在章节3 2 3 中将详细说明。 ( 3 ) 安全子层 m a c 层的安全子层，用来提供鉴权、密钥交换和加密功能。它通过对 b s 和s s 之间的连接进行加密，为经过w m a n 网络的用户数据提供保密。 另外，安全子层还为运营商们提供强有力的防止服务被窃取的保护机制。通 过对网络中的服务流进行加密，b s 可以阻止那些对数据传输服务进行的未授 权的访问。基本密钥管理机制中还加入了基于电子证书的s s 授权机制，进 一步加强了基本保密机制。 保密机制有两个基本的协议： 用于加密数据包的封装协议：该协议定义了一组加密组件，例如数据加密 和相匹配的鉴权算法，以及将这些算法应用于m a cp d u 净荷的规则： 密钥管理协议：该协议提供了密钥数据从b s 到s s 的安全发布，通过这个 协议，s s 和b s 之间的密钥数据能保持同步。b s 还可以利用该协议对网络 哈尔滨工程大学硕士学位论文 服务实行条件性访问。 3 2 3m a c 公共部分子层 m a c 公共部分子层完成几乎所有的m a c 层核心功能，包括m a cp d u 的构建和传送，网络的进入和初始化，带宽的请求和授予，竞争解决算法的 实现，服务流的管理，以及各种链路自适应技术的实现等【研。 ( 1 ) 地址和连接 每一个s s 都有一个4 8 b i t 的通用m a c 地址。这个地址唯一标识了s s ， 它用来在注册过程中为s s 建立合适的连接，也用于s s 的鉴权过程。每个连 接用一个1 6 b i t 的连接标识符( c i d ) 来标识。在s s 初始化过程中，上行和下 行方向都会建立三个不同的管理连接。这三种连接反映了b s 和s s 之间不同 的管理业务的服务质量，它们分别为基本连接饵a s i cc o n n e c t i o n ) 、主要管理 连接( p r i m a r ym a n a g e m e n tc o n n e c t i o n ) 和次要管理连接( s e c o n d a r ym a n a g e m e n t c o n n e c t i o n ) 。基本连接用于传送短的、时间紧急的m a c 管理消息。主要管理 连接用于传送较长的、能容忍一定时延的m a c 管理消息。次要管理连接用 于传送对时延不敏感、基于标准的管理消息。只有m a n a g e ds s 需要使用次 要管理连接。连接的c i d 是在r n g - r s p 和p e g r s p 消息中分配的。每一 对连接( 上行和下行) 被分配相同的c i d 的值。 对于承载业务，b s 会根据提供给它的信息发起连接建立。s s 登记注册 或是一个已有s s 业务流约定的修改都可以激起b s 高层发起连接建立。c i d 标识了一个连接，1 6 b i t 的c i d 允许上行和下行方向都有6 4 k 的可用连接。 发送请求是基于c i d 的，因为即使是相同的业务类型，不同连接允许的 带宽是不一样的。举个例子说，在一个办公室里，为多个用户服务的一个s s 将为它负责的所有用户发送请求，即使这些业务的类型和其它的连接参数可 能是不同的。再比如，一个公司里的许多用户可以通过t c p ，i p 协议与不同的 目的端进行通信，只要他们的服务参数是相同的，就可以把他们的业务量汇 聚在一起采用同一个连接进行带宽请求，不同的用户会话服务可以通过发送 数据的净荷部分中封装的源地址和目的端地址区分。 哈尔滨_ 程大学硕士学位论文 ( 2 ) m a c 层p d u 构建与传送 m a cp d u 是b s 与s 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、可变长度的净荷部分和可选的循环冗余校验码 ( c r c ) 部分构成，如图3 2 所示。 im a c 报头i 可变长度净荷( 可选) ic r c ( 可选)i 图3 2 m a c p d u 格式 m a c 报头包括两种：通用报头和带宽请求报头，前者包含通用报头的 m a cp d u 净荷部分或者携带m a c 层管理消息，或者携带汇聚子层传递过 来的数据；后者则没有净荷部分，只包含带宽请求报头。 净荷中可能包含子报头。m a c 子报头有五种类型：分片子报头、授予 管理子报头、打包子报头、网格子报头、快速反馈分配子报头。分片子报头 包含的信息指示净荷中的服务数据单元是否分片以及分片的位置；授予管理 子报头用于s s 向b s 传送带宽管理需求；打包子报头用于指示多个s d u 打 包成一个p d u 的情况，可能位于每个m a cs d u 之前；网格子报头用于网 格模式下的p d u ；快速反馈分配子报头则专用于物理层。 m a c 层支持的高层协议包括a t m 协议和i p 协议。来自汇聚子层的m a c s d u 可能被分片或者打包，构成m a cp d u 。分片是将一个m a cs d u 分成 一个或多个m a cp d u 。分片使得系统能够根据连接服务流的q o s 要求来有 效地使用带宽资源。打包则是将多个m a cs d u 封装成一个m a cp d u 。携 带数据的m a cp d u 在进行加密之后，还可能需要进行循环冗余校验( c r c ) 计算，计算所得的c r c 会添加到m a cp d u 的尾部。c r c 所提供的保护包 括m a c 头部和净荷部分。 多个m a cp d u 可能经过相同的调制和编码方式连接成一个突发脉冲， 如图3 3 所示。 回围圈 图3 3 m a c p d u 的连接 哈尔滨r 程人学硕l 学位论文 m a cp d u 在物理层成帧之后，便送入无线信道中传送。在经过传送之 后，m a cp d u 被还原成原来的m a cs d u ，以实现对等层闻的透明传送。 m a cp d u 传送过程如图3 4 所示。 图3 4 m a c p d u 传送 ( 3 ) 进入网络和初始化过程 为了与网络进行通信，s s 需要完成与所属b s 自j 的网络接入过程。进入 网络和初始化将执行一系列的步骤，文献【1 7 】【1 8 】【1 9 】中有详细叙述。 s s 初始化的过程主要步骤如下，s s 向b s 注册：建立i p 连接；建立日 期和时间；传递操作参数：建立连接。其中，建立i p 连接、建立日期和时间 和传递操作参数这几个执行阶段是可选的，它们仅在s s 为m a n a g e ds s 时执 行。 ( a ) 搜索下行信道并且与b s 建立同步 b s 周期性的产生上行信道描述( u c d ) 消息和下行信道描述( d c d ) 消息， 并且周期性的产生u l - m a p 和d l m a p 消息，这些消息都是广播式的，发 向所有的s s 。 s s 需要进入网络，首先要搜索可用信道，以获取物理层的同步。一旦物 理层达到同步，s s 将搜索广播消息以获得信道控制参数。m a c 层将搜寻 d l m a p 管理消息。一旦它接收到一个d l m a p 消息，s s 就达到了m a c 层的同步。只要s s 能继续从这个信道成功的接收d l - m a p 消息和d c d 消 息，就表明m a c 层仍然保持同步。同步以后，s s 搜索u c d 消息和u l m a p 哈尔滨工程大学硕七学位论文 图3 5 网络接入和初始化流程图 消息以获取上行信道的一系列传输参数。如果s s 可以不断成功接收到 u l - m a p 和u c d 消息，就被认为己经获取了有效的上行参数。 ( b ) 执行初始测距过程 初始测距是一个获取时间偏移和功率调整的过程。s s 获得下行信道同步 并接收到u l m a p 和d l - m a p 消息后，将搜索u l - m a p 消息中一个i n i t i a l r a n g i n gi e ( b s 会分配由一个或多个传输机会组成的i n i t i a lr a n g i n gi e ) ，对 于支持单载波，增强单载波以及o f d m 的物理层，s s 用最小发射功率在初 始测距间隔中发送测距请求r n g r e q 消息，开始初始测距过程。一旦b s 成功接收到r n g - r e q 消息，它将返回一个r n g r s p 消息，这个消息给出 了分配给s s 的基本连接的和主要连接的c i d ，以及射频功率调整、频率偏 移调整和时间偏移调整的信息。如果r n g 。r s p 消息的s t a t u s 显示为继续， 则s s 将在接下来的帧中以更高的发射功率再次发送测距请求，这种测距请 求和响应过程会不断的重复，直到r n g r s p 信息中给出测距成功的指示。 托) 基本能力协商 初始测距完成以后，s s 发送s b c r e q 消息，描述其支持的调制级别、 编码方案和编码速率，以及双工方式，来告知b s 它的基本传输能力。b s 从 1 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 中根据自己的能力，选择其支持的部分，然后返回s b c r s p 消息。 ( d ) 鉴权和密钥交换过程 能力协商后，b s 和s s 将执行鉴权和密钥交换过程。每个s s 都带有一 个制造商发布的数字证书，它们将s s 的4 8 b i tm a c 地址与其公共r s a 密钥 联系起来。s s 在鉴权请求和鉴权信息中将这些证书发给b s 。网络能够通过 这些确认s s 的身份，从而检查s s 的鉴权级别。如果s s 被授权进入网络， 则b s 将回复一个用该s s 的公共密钥加密的鉴权密钥( a k ) 。s s 用该密钥对 将要进行传送的信息进行加密。 ( e ) 注册过程 成功鉴权后，s s 就进行注册进入网络。这个过程将建立该s s 第二个管 理连接。首先发送一个注册请求消息r e g r e q 给b s ，b s 收到后将回复 r e g r s p 消息响应。注册消息交互内容包括所支持的i p 协议版本、支持s s 管理或非s s 管理、支持a r