（计算机应用技术专业论文）ieee+80216中基于gpss的上行调度算法研究.pdf

中文摘要 随着8 0 2 1l 系列产品的商用化，人们充分体会了宽带无线上网的便利和优势。 但同时8 0 2 1 1 在带宽，接入速率，覆盖范围，安全性和服务质量等方面存在着 不足。为了满足未来宽带无线接入的要求，瑾班庥准组织推出了8 0 2 1 6 系列标 准。该标准可以提供可靠的电信级服务质量( q o s ) ，全面支持语音和视频等高 延时要求的应用。 然而在固定宽带接入系统中，为具有不同q o s 要求的多种类型业务流提供 服务质量保证是个重要并且具有挑战性的课题。尽管i e e e8 0 2 1 6m a c 协议 支持对各种类型应用的q o s 保证，但是没有给出具体流调度方案来实现q o s 要 求。要为各种应用提供不同级别的q o s 并且保证较高的系统吞吐率，必须在此 m a c 层中集成一个q o s 架构。本文针对应用于8 0 2 1 6m a c 协议中的q o s 架构 进行深入的讨论和研究。 本文在现有文献中调度框架基础上，设计了一个基于g p s s 的8 0 2 1 6 调度 框架，该框架结合了原有的多种调度算法，本文利用o 栅仿真工具模拟8 0 2 1 6 m a c 协议，在协议模型的基础上实现了本文的调度框架。该调度框架首先符合 8 0 2 1 6 标准中的m a c 层协议描述，以及标准中提出的四种业务模型；其次基于 优先级的调度算法保证了实时业务的延迟要求，语音业务的延迟要求和延迟抖 动，同时对高优先级业务速率的控制保证了尽力而为业务不被饿死，基本满足了 宽带无线接入中多种业务不同的q o s 要求；再者，本文调度框架中使用的最大 最小公平调度算法，保证了各个s s 节点之间带宽分配的公平性。另外，本文根 据i e e e8 0 2 1 6 无线物理环境的特征，提出了一个新的适用于基站端b s 的调度 算法。 通过o p n e t 仿真模型的仿真结果，证明了本文提出的q o s 架构是一个比较 合理并且能够满足多种业务q o s 要求的体系，其中的调度算法既保证了实时业 务的延迟要求，同时也保证不同节点之问带宽分配的公平性。 关键词：宽带接入系统，i e e e8 0 2 1 6m a c 协议，服务质量 a b s t r a c t a sas e r i e so f8 0 2 11p r o d u c t sb e i n gu s e d , p e o p l er e a l i z e dt h ea d v a n t a g e sa n d c o n v e n i e n c eo fa c c e s s i n gi n t e r a c tb yb r o a d b a n dw i r e l e s sn e t w o r k b u ta tt h es a m e t i m e ，t h e r ew e r es o m es h o r t a g ei na s p e c t so fb a n d w i d t h ，a c c e s sr a t e ，c o v e r a g e ， s e c u r i t ya n dq u a l i t yo fs e r v i c eo f8 0 2 11 i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n to f b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s si nt h ef u t u r e ，t h ei e e es t a n d a r do r g a n i z a t i o np r o p o s e d 8 0 2 16s e r i e ss t a n d a r d t h es t a n d a r d s u p p o r t e dr e l i a b l et e l e c o ml e v e lq o sb y s u p p o r t i n gs t r i c td e l a yr e q u i r e m e n ta p p l i c a t i o n s ，s u c ha sv o i c ea n dv i d e oe t e i nf i x e db r o a d b a n dw i d t ha c c e s ss y s t e m , p r o v i d i n gq o sg u a r a n t e e s ，f o rv a r i o u s k i n d so ft r a f f i cw i t hd i f f e r e n tq o s r e q u i r e m e n ti sav e r yi m p o r t a n ta n dc h a l l e n g i n g t a s k a l t h o u g hi e e e8 0 2 16m a cp r o t o c o lc l a i m e dt os u p p o r tq o sg u a r a n t e e sf o r d i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s ，i td i dn o tg i v et h ec o n c r e t em e t h o dt os c h e d u l et r a m c i no r d e r t op r o v i d ed i f f e r e n tl e v e l so fq o sa n dk e 印s y s t e mt h r o u g h p u th i g h e rr e l a t i v e l y , i ti s r e q u i r e dt oi n t e g r a t eaq o sa r c h i t e c t u r ei n t ot h em a cl a y e r i nt h i sp a p e r , w ew i l l h a v eat a l ka b o u tt h eq o sa r c h i t e c t u r ea n d i n v e s t i g a t ei nt h er e l a t i v ep r o b l e m s a tf w s t , t h i sa r t i c l ep r o p o s e sal l e w8 0 2 16s c h e d u l i n ga r c h i t e c t u r eb a s e do n g p s s ，i n t e g r a t i n gs o m ek i n d so fe x i s t i n gs c h e d u l i n ga l g o r i t h m s t h e ni tg i v e s8 1 1 m o d e li m p l e m e n t a t i o ns i m u l a t i n g8 0 2 16m a cp r o t o c o lu s i n go p n e t a tl a s t , t h e c o m b i n e ds c h e d u l i n g a l g o r i t h m s a r ea d d e di n t ot h em o d e l t h e s c h e d u l i n g a r c h i t e c t u r ea c c o r d sw i t ht h ed e s c r i p t i o no fm a c p r o t o c o li n8 0 2 16s t a n d a r da n dt h e f o u rk i n d so fs e r v i c e s m o d e l s t h es c h e d u l i n ga l g o r i t h m sb a s e do ns t r i c tp r i o r i t y g u a r a n t e et h ed e l a yr e q u i r e m e n to fr e a lt i m ea p p l i c a t i o n s ，a n db e s te f f o r ts e r v i c ew i l l n o tb es t a r v e dt h r o u g hc o n t r o lo fh i g hp r i o r i t ys e r v i c e s d a t ar a t e s oi tm e e t st h e d i f f e r e n tq o sr e q u i r e m e n to fs e r v i c e s t h em a x - r a i nf a i rs c h e d u l i n ga l g o r i t h me n s u r e s f a i r n e s sb e t w e e ns s f i n a l l y , t h i sp a p e rg i v e san e w s c h e d u l i n ga l g o r i t h mt ob eu s e d i nb s c o n s i d e r i n gt h ew i r e l e s sp h y s i c a lc o n d i t i o no f i e e e8 0 2 1 6 t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h en e wq o sa r c h i t e c t u r ei se f f e c t i v e ，w h i c hc a nn o t o n l ym e e tt h ed e l a yr e q u i r e m e n to fr e a lt i m ea p p l i c a t i o n s ，b u ta l s og u a r a n t e ef a i r n e s s a m o n gs u b s c r i b e rs t a t i o n s k e yw o r d s ：b r o a d b a n dw i d t ha c c e s ss y s t e m ，i e e e8 0 2 16m a c p r o t o c o l ， q o s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤壅盘堂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。 学位论文作者签名：延、多爱 签字日期： 砌7年月j - 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨叠盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：延，多参数 签字日期：加7 年 月j - 日 导师签名：细司 签字日期：2 口。门年p 月厂日) 们矿3 第一章绪论 1 1 宽带无线接入标准 第一章绪论 随着网络技术的发展，各种多媒体应用相继产生，不同应用对网络传输有各 异的服务质量要求，研究为不同业务提供相应的服务质量保证，成为当今网络研 究的热门课题。目前基于光纤通信的骨干网技术，可满足社会发展对大量信息传 输的要求。网络瓶颈存在于接入网( 由业务节点接口和用户网络接口之间的一系 列传送实体所组成的为传送电信业务提供所需承载能力的实施系统【2 0 】) 。然而， 利用光纤或者同轴电缆提供最后一公里的宽带接入，代价很高，宽带无线接入技 术是解决这个问题的廉价方案。 宽带无线接入技术指的是从交换节点到用户终端采用无线通信并能实现宽 带业务接入的技术，它实际上是核心网络的无线延伸【2 0 】。宽带无线接入能够在 更广阔的区域提供高速网络接入。 i e e e8 0 2 1 6 标准就是为提供高性能的宽带无线接入系统而提出的标准。此 标准定义了固定点到多点宽带无线接入系统的无线城域网空中接口。虽然此标准 提出了要支持多种业务服务质量要求，但是没有给任何的实现方案，并且由于无 线网络受到有限带宽、干扰、低链路可靠性和移动性等诸多因素的限制，在实现 q o s 方面就更具有挑战性。 本章将对无线城域网标准i e e e8 0 2 1 6 系列协议进行概述，介绍q o s 的概念、 q o s 的实现机制、在无线环境中实现q o s 存在的主要问题，并在此基础上对i e e e 8 0 2 1 6 中实现q o s 支持需要解决的若干问题进行讨论。最后是本文的主要贡献 和结构安排。 1 1 1i e e e8 0 2 1 6 标准制定的背景及意义 在未来的信息社会中，人们应极其便利地获取实时信息。宽带通信网络是实 现这个美好目标的物质技术基础。在各种宽带接入技术中，现有的有线宽带接入 方案，比如c a b l em o d e l 和x d s l 等，对于没有有线部署设备的乡村或者偏远郊 区来说，这些方案的代价比较昂贵，因为要部署新的有线设备到这些偏远地区， 非常耗时并且需要大量财力，而宽带无线接入技术为这个问题提供了一个很好的 解决方案。宽带无线接入0 3 w a ) 系统具有灵活、方便、可移动性和投资少的明显 优势，并且部署成本更低，部署速度更快，因此越来越受到i t 业界的广泛重视。 第一章绪论 2 0 0 0 年8 月，美国i e e e 标准8 0 2 1 6 工作组提出了一个固定宽带无线接入 系统空中接口的i e e e8 0 2 1 6 1 标准讨论稿，该标准主要应用于宽带无线接入方 面。8 0 2 1 6 标准，也被称为i e e e 无线城域网的标准。这种技术在城域网中提供 最后一公里的宽带接入，接入性能可与电缆、d s l 和e l t 1 相媲美，并且从一开 始就提出了有关声音、视频、数据多种业务类型的服务质量问题。 基于8 0 2 1 6 标准的宽带无线接入系统主要有如下优点：快速提供服务，特 别是在有线接入难以到达的地区，能够克服传统有线网络的物理局限，避免高昂 的安装费用。因此基于8 0 2 1 6 标准的无线宽带接入技术提供了一种灵活、高效 的方法来填平目前在宽带覆盖方面存在的鸿沟。 i e e e8 0 2 1 6 标准的发展有着重要的意义，它是第二代宽带无线接入系统产 生的标志，并将成为宽带接入的主流系统，将是今后无线数据城域网的发展基础。 1 1 2i e e e8 0 2 1 6 系列标准 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 f 和8 0 2 1 6 9 七个标准，具体说明如表1 1 所示。i e e e8 0 2 1 6 标准系 列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，其 中的8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 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 18 0 2 1 6 系列标准 标准名称完成时间说明 1 0 - 6 6g t - i z 频段的固定宽 8 0 2 1 62 0 0 1 1 2 带无线接入系统的空中 接口 2 一l lg h z 频段的固定宽 8 0 2 1 6 a2 0 0 3 1带无线接入系统的空中 接口 1 0 - 6 6g h z 频段的固定宽 8 0 2 1 6 c2 0 0 2 1 2 带无线接入系统的兼容 性 撕6g i - i z 频段的固定宽 8 0 2 1 6 d2 0 0 4 1 0 带无线接入系统的空中 接口 2 - 6 6g i - i z 频段的固定和 8 0 2 1 6 e2 0 0 5 1 2 移动宽带无线接入系统 的空中接口 固定宽带无线接入系统 8 0 2 1 6 f 制定中 的空中接口管理信息库 第一章绪论 ( m i b ) 要求 固定和移动宽带无线接 8 0 2 1 6 9 制定中入系统空中接口管理平 面流程和服务要求 根据使用频段高低的不同，8 0 2 1 6 标准可分为视距( l o s ) 和非视距( n l o s ) 传输两种。视距传输的意思是，信号没有经过任何的反射、折射或者衍射直接到 达接收端的传输，高频段的数据传输要求视距传输。2 0 0 1 年1 2 月颁布的8 0 2 1 6 t 3 7 j 标准，定义了使用1 0 6 6 g f i 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 层规范，由于其使用的频段较高，因此仅能应用于视距范围内。 2 0 0 3 年1 月颁布的8 0 2 1 6 a 3 8 】对8 0 2 1 6 进行了扩展，对使用2 11 g h z 需要执照 和免执照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 化定义，该频段具有非视距传输的特点，覆盖范围最远可达5 0 公里，通常小区半 径为6 1 0 公里。另外，8 0 2 1 6 a 的m a c 层提供- y 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 相比更具有市场应用价值，真正成 为用于城域网的无线接入手段。 2 0 0 2 年正式发布的8 0 2 1 6 c 是对8 0 2 1 6 的增补文件，是使用1 0 6 6 g h _ z 频段 8 0 2 1 6 系统的兼容性标准，它详细规定了1 0 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 是8 0 2 1 6 的一个修订版本，也是相对比较成熟并且最具实用性的一个 标准版本，于2 0 0 4 年下半年正式发布。8 0 2 1 6 d 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 层和相对应的多种物理层规范。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。它保持 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，为了能够平滑过渡到8 0 2 1 6 e ，8 0 2 1 6 d 增加了支持用户移动性的部 分功能。 i e e e8 0 2 1 6 e 【蚓是工作在2 - 6g i - i z 频段支持移动性的宽带无线接入空中接 口标准。制订i e e e8 0 2 1 6 e 的目的，是为了实现既能提供高速数据业务又使用户 具有移动性的宽带无线接入解决方案。i e e e8 0 2 1 6 e 被业界视为目前唯一能与3 g 竞争的下一代宽带无线技术。i e e e8 0 2 1 6 e 提出了具有移动特性的系统框架结 构，并于2 0 0 4 年9 月通过了草案，于2 0 0 5 年推出了正式标准。 8 0 2 1 6 f 定义t 8 0 2 1 6 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。制定8 0 2 1 6 9 的目的是为了规定标准的8 0 2 1 6 系统管理流程和接口，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 标准的制定工作处于起步阶段，计划在2 0 0 7 年发布。 第一章绪论 1 2 无线网络q o s 1 2 1q o s 概述 正如最初构想的一样，i n t e m e t 仅仅提供点到点的尽力而为的数据传输服务。 路由器只是简单使用先来先服务的服务策略，对于网络拥塞利用缓存管理和丢包 策略来处理。这种单一的尽力而为型传输模式无法满足多媒体应用和用户对网络 服务质量的不同要求。在这种情况下，以提高网络资源的利用率、为用户提高服 务质量为目标的q o s 控制技术应运而生，并且成为下一代网络的核心技术。 q o s ( q u a l i t yo f s e r v i c e ) ，即服务质量，在r f c2 3 8 6 t 3 9 】中描述为：q o s 是网络 在传输数据流时要求满足的一系列服务请求，具体可以量化为带宽、延迟抖动、 丢包率、吞吐率等性能指标。这里的服务具体是指数据包( 流) 经过若干网络节 点所接受的传输服务，强调端到端( e n d t o e n d ) 或网络边界到边界的整体性。 针对网络服务质量q o s ，a t m 论坛和匝( i n t e m e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 组织分别提出了自己的服务体系结构。 为了满足i n t e m e t 多媒体应用传输的要求，i e t f 定义了综合服务模型i n t s e r v 和区分服务体系结构d i f f s e r v l 2 6 1 。其中r f c1 6 3 3 t 4 0 1 给出了i n t e m e ti n t s e r v 的框架， 并将其划分为综合服务模型与参考实现框架两大部分。i n t s e r v 在服务的层次上， 除了原来的尽力而为服务以外，提供了两种端到端的面向实时传输的服务：保证 质量型服务( g u a r a n t e e ds e r v i c e ) 和控制负载的服务( c o n t r o l l e d 1 0 a ds e r v i c e ) 。 在技术层次上，i n t s e r v 依靠资源预留协议r s v p 提供q o s 协商机制，逐节点 ( h o p b y h o p ) 地建立或拆除每个数据流的路径状态和资源预留软状态( s o f ts t a t e ) ； 依靠准入控制决定链路或网络节点是否有足够的资源满足用户的资源预留要求； 依靠传输控制将i p 分组分类成不同的传输流，并根据每个流的状态对分组的传输 实施q o s 路由，传输调度等控制。 由于i n t s e r v 是基于每个流的状态相关的体系结构，所以它提供的服务具有较 高的灵活性和更好的q o s 保证，同时也是它发展遇到障碍的原因。因为i n t s e r v 要 维护每个流的状态，所以可扩展性较差，随着流数量急剧增加，i n t s e r 们t 冬束手无 策，这也是d i f f s e r v 产生的原因。和i n t s e r v 相比，d i f f s e r v 将流进行分类，基于不 同的分类来分配资源，而不是像i n t s e r v 基于单个流分配。这样d i f f s e r v 维护的信 息量就大大降低，同时提高可扩展性，解决了i n t s e r v 的可扩展性问题。 a t m 论坛将a 聊网络的服务定义为5 类：c b r ( c o n s t a n t b i tr a t e ) ，恒定比 特速率服务，该类型用于仿真位速率等于常量的电路交换；r t - v b r ( r e a lt i m e v a r i a b l eb i tr a t e ) ，实时可变比特速率服务，该服务用于支持传输视频影像信息； n r t v b r ( n o n r c a l t i m ev a r i a b l eb i tr a t e ) ，非实时可变比特速率服务，该服务对 第一章绪论 多媒体e - m a i l 业务提供支持；a b r ( a v a i l a b l eb i tr a t e ) ，可变比特速率服务， 该类型规定了峰值信元速率和最小信元速率，用于传输文件、e m a i l 等普通数据 信息；u b r ( u n s p e c i f i e d b i tr a t e ) ，未指定比特速率服务，该类型用于对信元 的丢失和延迟都不敏感而且又希望使用网络剩余资源的应用。i e e e8 0 2 1 6 标准 中的q o s 定义中划分的四种业务类型，就参考了删划分以上服务类型的思想。 1 2 2 在无线网络中实现q o s 随着无线数据业务的快速发展和对多媒体应用需求的不断增长，未来的无线 网络需要为多种不同类型的流提供差异化的服务质量保证。所以，当前无线通信 的一个重要使命就是如何将多媒体业务拓展到无线领域，并且针对各类型业务对 服务质量的不同要求，给出相应的保证策略。因此在无线网络中提供服务质量区 分和保证成为无线网络研究的一个紧要任务。在所有需要解决的技术问题中，包 调度策略是无线网络q o s 研究中最重要的问题之一。 调度算法是带宽分配的方法和在包级别的服务策略，针对不同的应用场景， 相应有不同的包调度方案。在有线网络中，已经提出了许多调度策略，这些策略 能提供一定的q o s 保证，比如公平队列调度【1 】，虚拟时钟【2 】和e d d 3 】等。但是这 些都不能直接应用于无线网路中，因为无线网络有其自身的特性，比如无线环境 容易受到干扰导致链路容量变化不固定，并且信道状态与位置有关【4 】等。所以无 线网络中的包调度策略需要考虑这些特征，才能更好保证无线网络的q o s 。 无线网络中包调度算法应该尽量满足以下几个方面的要求i l 】： 1 ) 对于信道无误或者有偶然错误的链路，能够给业务流提供长期的公平性 和吞吐率保证； 2 1 保证无线信道的利用率； 3 1 保证丢包率最小； 4 ) 在信道无误或者很少错误的链路中，能给业务流提供延迟保证，最好也 保证延迟抖动； 5 ) 给各种多媒体流提供差异化的服务质量保证； 6 ) 保证移动主机较少的能量消耗； 7 ) 适中的算法复杂度。 实际上，不可能也没有必要设计这样一个最优化的调度器去满足以上所有的 要求，因为上述的要求有些是互斥的。所以只能根据系统特征和业务需求，在上 述要求之间做一个平衡。 第一章绪论 1 3 在1 e e e8 0 2 1 6 中实现q o s i e e e8 0 2 1 6 标准为了支持业务的q o s ，提出了业务流，业务流分类和连接的 概念，运用m a c 层调度机制为上行服务流提供q o s 支持。业务流的特征是由一组 q o s 参数来进行描述的，比如时延，延迟抖动以及吞吐量等。当业务流被系统接 纳之后，它就与连接建立一定的映射关系，此后系统中所有的请求都基于连接进 行。基于连接和服务流的概念，标准定义了像带宽请求和带宽分配，授予协议的 q o s 信令机制。在这些信令机制基础上，i e e e8 0 2 1 6 标准定义了四种调度服务， 每种服务适用于一些特定类型的应用。 i e e e8 0 2 1 6m a c 层靠请求授予协议来接入媒体，上行链路采用基于 t d m 加a m a 的多址方式，由b s 进行统一的资源调度，并且划分服务类别，实 现差异化调度服务，从而为多类业务提供q o s 支持。 在i e e e8 0 2 1 6 e 0 实现q o s ，标准中定义的上述机制还不能完全满足要求。因 为，虽然标准提出了业务流分类的概念，但没有给出分类的依据和标准；虽然提 出了m a c 层调度机制，但是没有给出具体的调度方案，留给了具体开发者去实 现；虽然标准说明了业务流经过准入控制系统判定是否能够进入系统，但没有给 出准入控制系统的实现方法。 1 4 本文主要研究内容与论文组织 在固定宽带接入系统中，为具有不同q o s 要求的多种业务流提供q o s 保证是 一个很重要并且很有挑战性的课题。尽管i e e e8 0 2 1 6m a c 协议支持对各种类型 应用的q o s 保证，但没有给出具体流调度方案来实现q o s 。要为各种应用提供不 同级别的q o s 并且保证系统吞吐率，必须在此m a c 协议中集成一个q o s 架构。 本论文针对应用于8 0 2 1 6m a c 协议中的q o s 架构进行深入的讨论和研究，结 合标准中规定的信令机制和服务类型分类、带宽请求分配机制，提出一个基于 g p s s 带宽授予模式的新框架，包括b s 端和s s 端调度算法，实现了标准中定义的 四种不同服务方式。并且，在本文b s 端调度算法的基础上，提出了一个考虑无 线环境信道状况与节点位置相关的调度算法。 本文分五个部分进行论述。第二章介绍8 0 2 1 6 无线城域网标准，主要讨论它 的体系结构，帧结构和标准中定义的q o s 框架。第三章讨论8 0 2 1 6m a c 层q o s 调 度的研究。其中包括已有的q o s 架构设计方案以及本文提出的考虑无线环境的调 度算法。第四章给出本文提出的q o s 框架设计方案和通过o p n e t 仿真工具具体的 三层模式实现。第五章对仿真结果进行分析。第六章全文总结，并对今后的研究 方向做出进一步的展望。 第二章i e e e8 0 2 1 6 一无线城域网标准 第二章ie e e8 0 2 16 一无线城域网标准 无线城域网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8 0 2 1 l x 技术一直与许多其他专有技术一起被用于b w a ，但是w l a n 在室外受到带宽和用户数的限制，同时还存在通信距离的限制，因此并不能很好 地适用于室外的b w a 应用。由此i e e e 组织决定制定一种新的、更复杂的全球标 准，这个标准应该能同时解决物理层环境( 室外射频传输) 和q o s 两方面的问题， 以满足b w a 和“最后一公里接入市场的需求。有这样一个全球标准，就能使 通信公司和服务提供商通过建设新的无线城域网来为目前仍然缺少宽带服务的 企业与住宅用户提供服务。 2 1i e e e8 0 2 1 6 体系结构 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 s ) 之间允许非视距的宽带连接，一个基站可支持数百上千 个用户，在可靠性和q o s 方面提供电信级的性能。它充分考虑了为全世界通信公 司和服务提供商设计一个可扩展、长距离、大容量“最后一公里无线通信系统 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备成本和投资风 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 “最后一公里”宽带在世界各地的部署。b w a 应用包括住宅宽带接入、用于 s o h o 和中小企业的d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e 数字用户环路) 级业务、 用于企业的t 1 e 1 级业务( 所有这些不仅支持数据，而且还支持话音和视像) ， 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2 1 1 8 】所示。 第二章1 e e e8 0 21 6 - - 无线城域网标准 w i r e i e s s m a nw 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 图21 宽带无线接入系统 本文所有工作都建立在2 0 0 4 年通过的i e e e8 0 21 6 d 标准，此标准定义了支持 多种业务的无线宽带系统的空中接口，其中包括介质访问层和多种物理层的定 义。它巩固了i e e e8 0 21 6 ，i e e e8 0 21 6 a 和i e e e8 0 21 6 e 标准。保留了原有模 式和主要特征，并且没有添加新的模式。只是内容有所增加或者修改以改善性能， 简化部署。 8 0 21 6 d 标准主要考虑的频带包括1 0 6 6 g h z ，低于i i g h z 和无需执照的 5 - 6 g h z 的范围。1 0 6 6 g 1 4 z 的频带范围内，数据速率能够达到1 2 0 m b p s 以上适 用于点到多点( p m p ) 的访问方式，服务于有大量办公业务的小型办公或者家庭办 公等应用。2 - 1 1 g h z 的频率范围，对m a c 层功能有所增强。 2 1 1i e e e8 0 2 1 6 参考模型 图2 2 t ”峪出了标准的参考模型和标准范畴。由圈可以看出，m a c 层包括三 个子层。分别为汇聚子层( c s ) ，公共部分子层( c p s ) 和加密子层( p r i v a c y ) 。 糍摘函 笋瀑一 一参简二 皤一 j l、1i=：；： 、 靖套一是一 磋垒_|1 第二章i e e e8 0 2 1 6 一无线城域网标准 ： s c o p e o f i d 州 ： 图2 - 2i e e e 8 0 2 1 6 协议栈参考模型 i e e e8 0 2 1 6m a c 层是面向连接的协议，协议中定义了有关连接标识 ( c o n n e c t i o ni d ) ，业务流( s e r v i c ef l o w ) 等对象用于支持基于连接的机制。 信道访问机制中，使用u lm a p 定义上行信道访问和上行链路数据突发特征；使 用d lm a p 定义下行链路数据突发特征。u lm a p 和d lm a p 信息都在每帧的下 行子帧开始部分发送。 m a c 层中对应特定业务的汇聚子层( c o n v e r g e n c es u b l a y e r ) 提供了映射和传 输外部数据的功能。外部数据首先由c s 子层的业务访问点s a p 接收，被打包成 m a c 业务数据单元，然后通过m a c 的另外一个s a p 发送到m a c 的公共部分子 层。这个过程包括将外部网络业务数据分类，并给各个分类分配m a c 层的业务 流标识s f i d 和连接标识c i d 。同时可能还包括负载头部压缩的过程。c s 负荷的 内部格式对于c s 层是独特的，m a cc p s 不需也不能解析c s 负荷的格式和内容。 这个参考模型给出了多种汇聚子层的定义，用以为多种协议提供接口。这里 比如有a t mc s 子层的定义，i p 包的c s 子层的定义。定义的汇聚子层越多，支持 的网络协议就越多，应用前景就越广泛。 m a cc p s 子层是m a c 层的核心功能所在，包括带宽分配，建立连接以及连 接维护等。它通过m a c 的s a p ，从各种各样的c s 层得到不同的数据，将这些数 据已经分类映射到特定的m a c 连接，并对物理层数据的传输和调度实施服务质 第一章i e e e8 0 21 6 一无线城域喇标准 量( q o s ) 保证。通常所说的m a c 层主要指的就是c p s 子层，这一子层将在下面 做详细讨论。 m a c 还包括一个单独的安全子层这一子层提供认证，密钥交换和加密。 数据物理层控制以及统计量通过物理层s a p 在m a cc p s 子层和物理层之 间传输。其中物理层s a p 是实现相关的。物理层有多种不同的定义，每一种对 应一个特定的频率范同和应川。 212 m a c 层c p s 子层 由于c p s 子层在m a c 层巾占着举足轻重的地位，本文将详细讨论这一特殊子 层的结构以及功能。 个利用共享媒体的网络必需提供一个有效的共享机制，p m p 和m e s h 拓扑 结构就是共享无线媒体的两种机制。i e e e8 0 21 6 支持p m p 和m e s h 两种拓扑结构。 这里的媒体指的是无线电波传播时的传播空间。 2 i2 ip m p 拓扑结构 p m p t “埏一种点到多点的结构，其结构如图2 3 所示。这利，拓扑结构类似于 8 0 2l l 标准中带a p ( a c c e s sp o i n t ) 的网络结构任意两个s s 节点之问不能直接 通信，都要通过b s 这个总控节点进行转发。这坐b s 以广播的形式为同一个天线 区域的s s 服务，所有的s s 都能得到从b s 发送的数据，s s 发送的数据直接到达b s 节点，并由b s 集中统一协调处理。 ： m 图2 - 3p e a 拓扑结构 蚤 蕊燃 s 自 第二章i e e e8 0 2 1 6 一无线城域网标准 在p m p 模式中，下行( 从b s 到各个s s s 方向) 和上行( a s s 到b s 方向) 数据 传输分别在不同的时间帧完成。在下行子帧，b s 是唯一的传输者，它通常采取 广播的形式发送一个m a c 层的协议数据单元( p d u ) 。因为是广播的形式，所 以所有的s s 都能听到由b s 发送的数据。然而不是所有的s s 都接受这些数据包， 只有在自身地址与协议数据单元目的地址相同，或协议数据单元明确指出数据包 是发送给所有的节点时，节点才接受并处理数据包，否则忽略这些协议数据单元。 在上行子帧，s s 以t d m a d a m a 的方式共享上行链路。这种媒体共享方式 基于请求授予( r e q u e s t - g r a n t ) 协议，b s 在其中充当调度者的角色，根据业务 连接所属的服务类别，或者周期性为其分配传送机会，或周期性对其进行问询， 获取其队列信息，或者分配竞争时隙，让连接以竞争的方式传送带宽请求信息。 根据物理层的特性，s s 要按照i u c ( 间隔应用编码) ，也就是物理层的调制 方式，速率和f e c ( 前向纠错) 机制，随时间改变。其中上行使用的是u c ( u p l i n k i u c ) ，下行使用的是d i u c ( d o w n l i n ki u c ) 。上行和下行子帧可以使用频分 多路复用( f d m ) 和时分多路复用( 1 d m ) 两种复用技术之一。频分多路复用 方式中，上行和下行子帧使用不同的频段同时传输数据；时分多路复用方式中， 上行和下行子帧使用相同的频段分别在不同的时间传输数据。 p m p 操作方式更适用于典型的多个用户站由一个中央节点提供服务以便访 问外部网络的固定宽带无线接入场景，所以本文的研究基于p m p 操作方式。 2 1 2 2m e s h 拓扑结构 m e s h l 4 1 1 是i e e e8 0 2 1 6 d q b 新增的一种拓扑结构，其拓扑结构如图2 4 所示。 与p m p 网络拓扑结构相比，m e s h 网络拓扑要复杂得多，它扩大了网络的覆盖范 围。在p m p 拓扑中，传输只出现在b s 和s s 之间，而在m e s h 拓扑中，数据可以直 接在s s 之间传输，也可以通过中间s s 节点转发，即多跳路由方式传输。 第二章i e e e8 0 21 6 - - 无线城域网标准 ! 户 售崔 崔 需 f 崔 ，墨，1 ， 崔 ! j信 蜃j 譬 嘻 圈2 - 4m e s h 拓扑结构 在m e s h 网络中，与外网相连的节点被称为m e s hb s ，其它的节点都被称为 m e s hs s ，上行链路和下行链路的方向分别被定义为流向m e s hb s 和离开m e s hb s 的方向。m e s h 网络中的所有的节点都必须相互协调才能发送信息。若运用分布 式调度，包括m e s hb s 在内的所有节点都必须向自己的邻居节点广播其可用资 源、请求、允许等信息。若运用集中式调度，m e s hb s 负责搜集所有节点的请求 信息，并且在一定的区域内对资源进行分配【6 j 。 2 l23 调度服务 调度服务代表m a c 调度器支持的数据处理机制，用以传输每个连接的数据。 每个连接关联一种单一的数据业务。每一种数据业务关鞋一组q o s 参数，这些参 数用以量化数据业务各方面的特征，并且通过d s a 和d s c 消息对话框来管理。 i e e e8 0 2 1 6 标准支持四种服务：主动授予服务( u g s ) ，实时轮询服务( n p s ) 非实时轮询服务( n n p s ) 和尽力而为服务( b e ) 。下面简要介绍四种服务方式所 适用的不同类型应用四种服务的详细特征以及要求的q o s 参数定义在后面标准 的q o s 框架巾给出。 u g s 用来支持同定时间间隔固定大小数据包的实时数据流，比如t i e l 和静 音时非压缩的语音i p 等。这种调度服务必需的o o s 业务流参数有最大可承受的流 速率，晟大的延迟，可承受的延迟抖动和请求传输策略。因为u g s 支持的是恒 定速率的数据流。所以如果最小预留流速率存在的话，应该和最大可承受流速率 值相等。r t p s 用来支持周期性，变长分组的实时数据流，比如m p e g 视频。n a p s 唇 翟 蠢 嚣 善暾 第二章i e e e8 0 2 1 6 一无线城域网标准 用来支持非周期、变长分组的非实时数据流业务。这种业务有最小数据速率的要 求，比如f t p 应用。b e 调度服务用来支持无最小业务级别的数据流，因此是一种 基于可用空间的处理方式。 2 1 2 4 轮询 轮询是b s 给s s 分配带宽用以发送带宽请求的过程，这个分配可能是一个单 独的s s 也可能是一组s s 。给一组s s 的分配定义了带宽竞争信息单元( ) 。分 配结果不是以显式消息方式发送，而是以一系列包含在上行链路映射( u lm a p ) 消息中的信息单元( i e ) 方式发送。 轮询是以s s 为单位的，带宽请求信息是s s 以连接编号( c d ) 为单位发送的。 轮询的方式可以分为单播轮询( u n i c a s tp o l l i n g ) ，组播轮询( m u l t i c a s tp o l l i n g ) 和广播轮询( b r o a d c a s tp o l l i n g ) 。 1 单播轮询 如果问询单个的s s ，不会发送显式的消息去轮询这个s s ，而是以包