（电磁场与微波技术专业论文）基于ieee+80216d上行调度服务算法的设计与分析.pdf

摘要 无线通信是当前发展的热点，宽带无线接入技术作为下一代通信中最具发展潜力的技 术之一，备受业界的关注。为了满足未来宽带无线“最后一公罩”接入的要求，i e e e 标准 化组织提出了i e e e8 0 2 1 6 系列标准，该标准定义了宽带无线接入空中接口的物理层和 m a c 层规范。 最大限度地在宽带无线接入系统中为不同要求的服务提供q o s 保证是一个非常重要且 具有挑战性的研究课题。尽管i e e e8 0 2 1 6 协议的m a c 层定义了较为完备的信令体系、基 于q o s 的调度业务类型及相应的带宽请求分配机制等，但是却把具体的准入控制机制、 分组调度算法等机制的设计和实现细节留给了丌发者去实现。 本文首先介绍了宽带无线接入技术及其特点，然后重点阐述了i e e e8 0 2 1 6 d 在点对多 点( p m p ) 网络结构下的m a c 层协议，q o s 机制和一些常用的调度算法。在此基础上， 本文设计了一种t d d 模式下的分层带宽调度体系架构，并详细介绍了其中的接入控制模 块、信息模块、调度模块三个部分。其中，调度模块由两层调度器构成。第一层调度为队 列之间的调度，采用了一种改进的亏空公平优先级队列( id f p q ，i m p r o v e dd e f i c i tf a i r p r i o r i t yq u e u e ) 算法。在第二层调度中，对u g s 、r t p s 、n r t p s 、b e 队列分别采用了f i f o 、 e d f 、w f q 、r r 算法。本文最后采用n s 2 仿真平台对id f p q 算法进行了仿真，并与d f p q 、 w r r 算法进行了性能比较。仿真结果表明，id f p q 算法在系统的吞吐量、时延、丢包率、 用户容量以及公平性等方面体现了较好的性能。 关键字：无线接入；媒体访问控制；服务质量；调度算法 a b s t r a c t w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni st h er e s e a r c hh i g h l i g h tc u r r e n t l y t h er e s e a r c ht ob r o a d b a n d w i r e l e s sa c c e s s ( b w a ) s y s t e mh a se v e nd r a w nm u c ha t t e n t i o nf r o mr e s e a r c h e r sa r o u n dt h ew o r l d f o rs a t i s f y i n gt h er e q u i r e m e n to ft h el a s to n ek i l o m e t e r , as e r i e so fi e e e8 0 2 16s t a n d a r d sh a v e b e e np u tf o r w a r db yt h ei e e es t a n d a r d i z a t i o no r g a n i z a t i o n ，w h i c hd e f i n et h ec r i t e r i o no f b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s sa i ri n t e r f a c ei nt h ep h ya n dm a c l a y e r s t og u a r a n t e et h eb e s tq u a l i t yo fs e r v i c ef o rv a r i o u st r a f f i c sw i t hd i f f e r e n tr e q u i r e m e n t s ，o n e o fv e r yi m p o r t a n ta n dc h a l l e n g i n gt a s k sh a sb e e nb r o u g h tf o r w a r da r o u n dt h ew o r l d a l t h o u g h t h eq u a l i t yo fs e r v i c es i g n a l i n gm e c h a n i s mh a sb e e nd e f i n e di ni e e e8 0 2 16p r o t o c o l sm a c l a y e r , a st h es a m eo fs e r v i c et y p e sa n dc o r r e s p o n d i n gb a n d w i d t hr e q u e s t a l l o c a t i o nm e c h a n i s m s o m em e c h a n i s m ss p e c i f i cd e t a i l si ni e e e8 0 2 16a r el e f tt ot h ed e v e l o p e r st or e a l i z e ，s u c ha s a d m i s s i o nc o n t r o lm e c h a n i s m ，p a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i t h m ，e t c i nt h i st h e s i s ，v a r i o u sw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g i e sa n dt h e i rc h a r a c t e r i s t i ca r ei n t r o d u c e d f i r s t l y a f t e rt h a t ，t h ep r o t o c o lo fi e e e8 0 2 16 dm a ci sd i s c u s s e de m p h a t i c a l l yi nt h ep o i n tt o m u l t i p o i n tt o p o l o g y , a st h es a m eo ft h ec o n c e p t so fq u a l i t yo fs e r v i c ea n ds o m eg e n e r i c s c h e d u l i n ga l g o r i t h m s b a s e do nt h e s e ，c r o s s e dl a y e rb a n d w i d t ha l l o c a t i o ns c h e d u l i n ga r c h i t e c t u r ef o ri e e e 8 0 2 16 ds y s t e mi s d e s i g n e di nt d dm o d e ，w h i c hi sc o m p o s e do fa c c e s s c o n t r o lm o d u l e ， i n f o r m a t i o nm o d u l ea n dp a c k e ts c h e d u l i n gm o d u l e a ni m p r o v e dd e f i c i tf a i rp r i o r i t yq u e u e a l g o r i t h mi s u s e dt os c h e d u l ed i f f e r e n ts e r v i c ef l o w s w i t h i nt h eq u e u e s ，t h es c h e d u l i n g a l g o r i t h m so ff i f o ，e d f , w f q ，r ra r eu s e df o ru g s ，r t p s ，n r t p s ，b ef l o w sr e s p e c t i v e l y t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mr e p r e s e n t sb e t t e rp e r f o r m a n c et h a n d f p q ，w r ri nt e r m so ft h r o u g h p u t ，d e l a y , d r o pp r o b a b i l i t y , s y s t e mc a p a b i l i t ya n df a i m e s sb y n s 2 k e y w o r d ：w i r e l e s sa c c e s s ，m a c ，q u a l i t yo fs e r v i c e ，s c h e d u l i n ga l g o r i t h m 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位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的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学 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作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：只期： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所 送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保 存论文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保 密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部 分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：导师签名：日期： 南京邮i u 人学顺i ：4 i j d c 生学位论文第一章绪论 1 i 引言 第一章绪论 当今时代，科技发展同新月异，通信领域更是如此。通信技术与人们的生活密切相关， 传统的话音和数据业务已经不能满足现在市场的需要，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f 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部 分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 无线接入技术简介 无线接入技术可应用于四种范围的网络，根据其主要的覆盖区域大小，按由小到大顺 序排列，分别是无线个域网( w p a n ，w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k s ) 、无线局域网( w l a n ， w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ) 、无线城域网( w m 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 ) 。 在文献【1 2 【3 】中对一些常见的无线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 2 1 2 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 e 8 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。 在无线个域网方面的标准有i e e e8 0 2 1 5 ，它主要用于近距离设备之间的通信。目前蓝 牙( b l u e t o o t h ) 和超宽带( u w b ，u l t r aw i d eb a n d ) 是i e e e8 0 2 1 5 中的两种主要技术。开 发蓝牙主要用于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泛的标准就是i e e e8 0 2 1 1 ，无线局域网是对有线局域 雨京i l l i ；i u 人学顺i ：l i j f 生学位论文 第一幸绪论 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。i e e e 8 0 2 1 1 用于解决“最后一百米”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“最后公罩”的通信需求。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 无线接入方式就更灵活。起初的i e e e8 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，i e e e8 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 i e e e8 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，i e e e8 0 2 1 6 系列无线城 域网的本地多点连接会得到越来越广泛的应用。 无线广域网方面的标准有3 g 蜂窝移动通信系统以及i e e e 系列标准中的i e e e8 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 3i e e e8 0 2 1 6 标准概述 1 3 1i e e e8 0 2 1 6 标准的发展过程 i e e e8 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 线接入技术( b w a ，b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ) 的空中接口标准，又称w i m a x ( w o r l d w i d e i 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 ) 。 i e e e8 0 2 1 6 作为无线城域网的空中接口标准，主要适用于2 - 6 6 g h z 频段，系统覆盖范 围可达5 0 千米，每个基站提供的总数据速率最高可达2 8 0 m b p s 。i e e e8 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。主要包括以下几个方面内 容：m a c 层、物理层、点对多点( p m p ，p o i n tt om u l t i p o i n t ) 拓扑结构、网格拓扑结构、 用户站( 以下简称为s s ) 和基站( 以下简称为b s ) 【4 1 。 文献 5 】 6 】 7 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 ，8 0 2 1 6 a ，8 0 2 1 6 d 【4 j ；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 悼j 。文献【9 】对i e e e8 0 2 1 6 系列标准进行了归纳。 2 南京| | | l ：i 【1 人学坝l ：研究生学位论文 第一章绪论 1 3 2i e e e8 0 2 1 6 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技术上 的特点和优势分不丌的。 i e e e8 0 2 1 6 的m a c 层是面向连接的，所有终端的数据业务以及与此相关的q o s 机制都 是给予连接进行的。它采用的核心技术为具有电信级别的q o s 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，优化分配有限的无线资源，来提高网络的整体容量【4 1 【8 】。 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。 结合无线链路特征矛 1 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征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，保持数据连接年 1 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失。 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【4 1 1 引。这样可以根 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 ，有效地降低多径衰落的 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调整。 1 4 本文研究的主要内容及章节划分 本文主要是对宽带无线接入技术中应用于无线城域网的i e e e8 0 2 1 6 技术进行分析和研 究。i e e e8 0 2 1 6 标准中提供了一种面向连接的m a c 层协议，并在此基础上为各种不同级别 的业务流提供相应的q o s 保障。而m a c 层带宽调度是实现q o s 保障的关键。在i e e e8 0 2 1 6 协议中没有对m a c 层的带宽调度进行详细的说明和规定，因此这是一个值得研究的问题。 本文重点是在n s 2 网络仿真软件的基础上来设计和实现基于i e e e8 0 2 1 6 d 协议m a c 层中的 3 南京| | l | ：i u 人学f 吹i ：研生学位论义笫一译绪论 q o s 架构，并在此基础上研究在点对多点网络拓扑结构下的m a c 层上行调度服务算法，改 进了在文献 2 7 】所提出_ 的算法，提出了基于时延的i e e e8 0 2 1 6 d _ l 行带宽调度算法i d f p q ( i m p r o v e dd e f i c i tf a i rp r i o r i t yq u e u e ) ，并使用n s 2 仿真平台对i d f p q 算法进行了仿真， 与d f p q 、w r r 算法进行了性能比较。仿真结果表明，i _ d f p q 算法在系统的吞吐量、时延、 丢包率、用户容量以及公平性等方面体现了较好的性能。 根据以上研究内容，全文章节安排如下： 第一章是绪论部分，主要介绍了各种无线接入技术的特点，i e e e8 0 2 1 6 标准的发展， 核心技术等概念。 第二章介绍了i e e e8 0 2 1 6 d 的m a c 层协议，对i e e e8 0 2 1 6 d 协议的整体结构，m a c 的 三个子层协议进行了介绍。 第三章介绍了i e e e8 0 2 1 6 d 协议的q o s 业务类型和机制，并对业务服务中调度的概念， 一些常用的调度算法进行了阐述。 第四章详细地描述了本文所提出的调度体系结构以及在此调度体系结构下的上行调度 服务算法id f p q 。 第五章阐述了在本文所提出的调度体系结构和调度服务算法下所进行的仿真，并对仿 真结果进行了分析和研究。 最后对全文进行了总结和对下步的工作进行了展望。 4 南京i i g i u 人学硕i ：i i j f 究生学位论文第一二章i e e e8 0 2 1 6 dm a c 层孙议 第二章i e e e8 0 2 1 6 dm a c 层协议 2 1i e e e8 0 2 1 6 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2 1 所示。 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 链路层 物理层 图2 1 i e e e8 0 2 1 6 d 协议与o s i 网络模型对应关系 i e e e8 0 2 1 6 d 协议的空中接口由物理层( p h y ) 和媒体接入控制( 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子层( c s ，s e r v i c e s p e c i f i c c o n v e r g e n c es u b l a y e r ) 、m a c 公共部分子层( c p s ，m a cc o m m o np a ns u b l a y e r ) 、安全 子层( s s ，s e c u r i t ys u b l a y e r ) 。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【4 1 。本文研究的业务流调度服务算法就是q o s 机制的重要组成部分，因止l i e e e8 0 2 1 6 d m a c 层协议是课题研究的基础。 2 2i e e e8 0 2 1 6 dm a c 层协议 2 2 1i e e e8 0 2 1 6 dm a c 层特点 i e e e8 0 2 1 6 d 协议中定义了两种网络拓扑结构：点到多点结构和网格结构。本文仅讨论 点对多点网络结构下的系统结构和功能，如图2 2 所示。点对多点即一个中，c , , b s n 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、i p 一一一一一一一一 南京l | | l j i u 人学顺i ：研究生学位论文第一二章i e e e8 0 2 1 6 dm a c 层阱议 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【i o 】。m a c 层中特定业务 汇聚子层既支持a t m 协议又支持分组协议这一特点，满足了i e e e8 0 2 1 6 d 系统对传送多种 业务数据的需求。文献 11 1 1 2 1 3 都对m a c 特点进行了详细分析，总结于表2 - 1 中。 u d 触3 i 向d 嘲曹， 油岫州t 曼一一二b 禽l o c a ； w 硪摭xu p l 玎1 i 【o c 榭螽啦妇妇雕罐_y 矗卜、，、 懈蹦d 鲫i l 被 屯忑忑”“”“ 图2 2 i e e e8 0 2 1 6 dp m p 网络结构 表2 1i e e e8 0 2 1 6 dm a c j 丢的特点f 9 l 特点优势 t d m a t d m 方式安排上下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 比特率、非实时可变比特率、尽力而为符合业务的特点 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 2 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【4 1 1 9 】【1 4 1 ： ( 1 ) 特定服务汇聚子层( c s ) 特定服务汇聚子层负责接收高层协议数据单元( p d u ，p r o t o c o ld a t au n i t ) ，并将接收 到的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：从高层接收高层 p d u ；对高层p d u 进行分类，是该层中最核心的功能；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 。 6 查璺! ! ! ! ! ! ! 叁兰塑! 型! 壅竺兰篁笙竺笙= 三翌! 皇垦坚塑! ：! 箜竺垒竺璧坐坚 i e e e8 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 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的分组业务数据单元。 ( 2 ) 公共部分子层( c p s ) 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。其主要功能有：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 lm a p 、d lm a p ) ；网络接入；带宽 请求与分配；动态服务流管理。 ( 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 矛n 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。 2 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【4 j 【9 】【1 5 j 。 ( 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。每个连接用个1 6 b i t 的连接标识符( c i d ， c o n n e c t i o ni 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 $ i j 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 ( b a s i cc o n n e c t i o n ) 、主要管理连接( p r i m em 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 dm a n a g e m e n tc 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r 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。 ( 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 7 南京i i i l j l u 人学硕i ：研究生学位论文第- 二章i e e e8 0 2 1 6 dm a c 层协c 义 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 ) 部分构成的，如图2 3 所示。 m a c 报头l 可变长度净荷( 可选)c r c ( 可选) l 图2 3 m a cp 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。 携带数据的m a cp d u 进行加密之后，还可能需要进行循坏冗余校验( c r c ) 计算，计 算所得的c r c 会添 j n 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。 ( 3 ) 进入网络和初始化 为了与网络进行通信，s s 需要完成与所属b s 问的网络接入过程。进入网络和初始化将 执行一系列的步骤，文献 4 1 1 9 1 q b 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；建立同期和时间；传递操 作参数；建立连接。如图2 4 所示，其中建立i p 连接、建立同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。 图2 4网络接入平i i 初始化流程图 ( 4 ) 动态服务流管理 i e e e8 0 2 1 6 d 协议中服务流的概念来定义上行和下行方向的包传输。每个业务流对应着 8 塑塞型! 垫叁兰堕! 型堕! 竺堂堡堡苎 笙兰里! 曼垦垦! 丝：! 竺竺垒竺星坐坚 一套q o s 参数，以表示时延、时延抖动、吞吐量等q o s 特性。 一个服务流主要由以下属性来表示： 服务流标识( s f i d ，s e r v i c ef l o wi d ) ：每个服务流都分配有一个s f i d 。在网络中 s f i d 作为服务流主要的标识。一个服务流至少有一个s f i d ，并且有一个相关的方 向( 上行或下行) 。 连接标识( c i d ，c o n n e c t i o ni d ) ：当连接由一个允许的或者激活的服务流时，该 连接的c i d 映射到一个s f i d 上。 预备q o s 参数集：通过标准以外的方式，提供的一个q o s 参数组。服务流在注册的 时候，该q o s 参数组就定义了。 许可q o s 参数集：给b s ( 或者s s ) 定义的一个q o s 参数组，用来预留资源。主要需 要预留的资源是带宽，也包括存储空问等。 激活q o s 参数集：用于定义实际提供给服务流的一组q o s 参数。只有激活的服务流 才能有数据包的传输。 预备q o s 参数集、许可q o s 参数集、激活q o s 参数集的关系如图2 5 ，图2 6 。 预备的q o s 参数集( s f i d ) ，一一一一一一一一一一一一一1 图2 5 预备鉴权模式q o s 参数集关系 预备的q o s 参数集( s f i d ) ! l _ j i 图2 6 动态鉴权模式q o s 参数集关系 一般说来，服务流是预先提供的，并且服务流的建立是在s s 初始化的过程中由b s 发起 的。不过服务流也可以l h b s 和s s 动态建立。服务流是通过一个三步握手协议建立的。 b s s s b s 图2 7动态服务流创建( s s 发起) 图2 8动态服务流创建( b s 发起) 9 南京i i i g l l 2 人学顺l ：研究生学位论文第- 二章i e e e8 0 2 1 6 dm a c 层协 义 l h s s 发起的协议如下图2 7 所示。s s 发出一个包含服务流参考5 9 l q o s 参数组的d s a r e q 消息。b s 可以先回复一个d s x r v d 濯j 息通知s s ，b s 已经接收到发送的消息，然后b s 检查 该s s 请求的q o s 要求是否能够被支持，根据判断结果，b s 回复一个d s a r s p j 肖息通知s s 请求被接受或者被拒绝。要求被拒绝是因为包含不支持的参数或者值。如果请求的服务流 被接受，则d s a r s p ；濯j 息中包含b s 为新服务流分配的s f i d 。接收到d s a r s p ；灌j 息之后， s s 将发送确认消息d s a a c k 。 由b s 发起的协议如下图2 8 所示。b s 首先检查目标s s 请求的q o s 参数是否能够被支持。 如果可以，i ) j j b s 会向s s 发送一个包含s f i d 币n 要求的d s a r e q 消息，请求一个上行或者下 行服务流。s s 检查自己是否可以支持该服务，回复一个d s a r s p i ? 薹j 息，通知b s 请求被接受 还是拒绝。收n s s 的d s a r s p 消息之后，b s 回复消息d s a a c k 。 ( 5 ) m a c 层对物理层的支持 在形成物理层帧的过程中，b s 的m a c 层需要产生d l m a p 消息和u l m a p 消息，为s s 访问下行子帧和上行子帧提供相关信息。b s 还需要产生d c d 消息和u c d 消息，以提供下行 和上行信道的参考信息。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。上 行子帧中包含各种用途的时隔，而这些时隔的用途以及具体分配也是由m a c 层决定的。 d l m a p 消息：描述对下行信息的访问方式。该消息放在帧控制头部分广播给所有 的s s 。标识了发送该消息的b s i d 、突发对应c i d 在帧中相应位置、物理层规范等 参数。 u l m a p 消息：描述了各个s s 对上行信道访问时的相关信息。该消息放在帧控制头 部分广播给所有的s s 。 d c d 消息：定义下行物理信道的特征，由b s 周期性发送，并放在帧控制头部分广 播给所有的s s 。 u c d 消息：定义上行物理信道的特征，由b s 周期性发送，并放在帧控制头部分广 播给所有的s s 。 上行时隔：它的使用情况由一系列的i e 来确定。b s 在创建u l m a p 消息时要使用 这些i e 。 ( 6 ) 带宽分配以及请求机制 在网络接入和初始化时，每个s s 被分配3 个特定的c i d 用于发送和接收控制消息。除 u g s 业务以外，所有的业务都有增加或减少带宽的请求。当一个s s 为一个b e 业务对应的连 接请求带宽时，它会发送一个消息给b s ，其中包含对d a m a 连接的请求。一个连接建立以 后，其对应的q o s 参数也相应确定，b s 会对这些q o s 参数进行查询。s s 向b s 发送带宽请求 1 0 南京邮i u 人学顺l ：研究生学位论义第一二章i e e e8 0 2 1 6 dm a c 层协议 消息有多种方法。 ( a ) 请求 带宽请求是指s s 向b s 发出请求申请上行带宽。主要有两种方式发送带宽请求，一种是 通过带宽请求头，另一种是通过捎带( p i g g y b a c k ) 请求的方式。捎带请求的能力是可选的。 带宽请求可以有两种表达，一种是表明在原有基础上增加( i n c r e m e n t a l ) ，一种是表 明总计多少( a g g r e g a t e ) 。当b s 接收到一个增量带宽请求，它将在现有的带宽基础上增加 带宽请求的数量。当b s 接收到一个总和带宽请求，它将按请求的总计带宽分配而不用考虑 以前的带宽分配情况。带宽请求头中的t y p e 字段表明了请求是采用增量还是总和。当带宽 请求采用捎带请求的方式时，因为它没有t y p e 字段，所以捎带带宽请求总被认为是采用增 量方式。带宽请求授予的自动调整特性要求s s n e 周期性地使用增量方式请求带宽( 周期大 小由业务流的q o s 参数以及链路质量决定) 。由于可能发生碰撞，在广播( b r o a d c a s t ) 或 多播( m u l t i c a s t ) 的r e q u e s ti e 中应该尽量采用增量方式发送带宽请求。 ( b ) 授予 在i e e e8 0 2 16 d 协议中，对s s 可以采用两种带宽授予的方式：g p c ( g r a n tp e r c o n n e c t i o n ) 模式币i j g p s s ( g r a n tp e rs u b s c r i b e rs t a t i o n ) 模式。g p c 模式是指b s 对每个连 接明确地授予带宽，而g p s s 模式是指带宽授予给所有属于该s s 的连接。在g p s s 模式下允 许较小的上行映射消息，也允许s s 智能地分配授予给它的带宽。这种方式对于要求系统快 速响应的实时应用十分有利。g p c 类型的s s 较为简单，而g p s s 类型的s s 效率较高。 在这里，对于某个s s ，带宽请求是对于某一个单独的连接，但是带宽授予是指向该s s 的b a s i cc i d ，而不是某个单独的c i d 。当s s 收到的发送机会小于其预期申请的带宽，它将 基于b s 最近的信息和请求状态决定采用退避的方式重新发起请求或者丢弃这个s d u 。 ( c ) 轮询 在这里，轮询是指b s 分配给s s 专用的带宽用于其发送带宽请求。分配可以是针对单独 的s s 或者是一组s s 。对一组连接进行分配就是定义带宽请求i e ，分配结果在上行映射消息 ( u l m a p ) 中的一系歹l j l e 中体现。轮询是基于s s 的。带宽请求是某一个连接提出，但是 带宽授予是给这个s s 。 当某个s s 被单独轮询，也就是b s 在u l m a p 中分配了足够的带宽给s s 用来发送带宽请 求。若s s 有一个激活的u g s 连接，并且带宽足够，除非设置u g s 连接的分组头中的p m 比 特为l ，否则它将不会被轮询，这样可以节约带宽。需要注意的是，单播轮询一般是通过 分配一个指向s s 的基本连接的d a t ag r a n ti e 来实现。如果单播轮询较多的非活动的s s ，可 能带宽不够，在这种情况下，一部分s s 可以被多播轮询或者广播轮询。某些c i d 专门被保 i i 雨京| | i | j i u 人学坝i j 研生学位论文第一二章i e e e8 0 2 1 6 dm a c 层队 义 留供多播组或广播消息使用。与单播轮询不同之处在于，单播轮询时，带宽是被分给s s 的 基本连接，而多播或广播轮询时，带宽是被分配到多播或广播c i d 。 多播或广播轮询时，属于这个轮询组的s s 都可以在u l m a p 中分配给这个c i d 的请求间 隔中请求带宽，这样就可能发生碰撞，规定只有需要带宽的s s 才响应，以降低多播或广播 轮询中发生碰撞的可能性，它们会通过竞争回退算法选择发送初始带宽请求的时隙。 ( 7 ) 竞争解决 b s 控制上行信道的分配是通过u l m a p 消息，并确定哪些微时隙有发生碰撞的可能性。 碰撞可能发生在i n i t i a lr a n g i n gi e 矛i r e q u e s ti e 对应的时间间隔中。协议中采用截短的二进 制回退算法来解决竞争问题，由b s 控制初始的退避窗口和最大的退避窗口。 s s 将在退避窗口大小范围内随机选择一个数字，这个随机数表示了s s 在发送数据之前 可以推迟的发送机会的数量。这些发送机会是在u l m a p 消息中的r e q u e s ti e 或者是i n i t i a l r a n g i n gi e 用于初始测距定义的时问i 日j 隔罩。每一个i e 可以包含多个竞争传输机会。算法 基本思想如下： ( a ) 回退时延是间隔时间的整数倍； ( b ) 为防止不成功发送无限次进行，规定了最大尝试次数n ； ( c ) 碰撞后选择的回退时延为间隔时问的r 倍； ( d ) r 是大于o 小于2 范围问的随机整数：k ；是m i n ( 1 0 ，n ) 即为尝试次数与1 0 中最小的一 个；n 是0 1 5 2 间浮动。 k = m i n ( 尝试次数，1 0 ) ，= 随机整数( 0 ，2 。) 回退时延= ，木间隙时间 在发送带宽请求之后，s s 将等待一个d a t ag r a n tb u r s ti e 。一旦接收到，则表明请求成 功。如果没有成功，s s 将增加退避窗口大小，只要这个数小于最大退避窗口的值。然后基 于这个新的退避窗口的大小重新随机选择一个值，再次执行以上描述的过程。 重试的过程可以一直继续直到达到重试的最大次数。需要注意的是，这个最大次数不 受初始退避窗口和最大退避窗口的约束。 2 3i e e e8 0 2 1 6 d 协议的物理层 i e e e8 0 2 1 6 系列协议中各协议的m a c 层功能基本相同，差别主要体现在物理层上。物 理层协议解决了与工作频率、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