（计算机应用技术专业论文）基于ieee80216标准的qos框架和算法设计.pdf

摘要 对于网络技术的未来，人们需要更加方便，快捷的网络接入方式，传统的有 线方式往往不能很好地满足这样的要求，所以现今网络的接入方式正在由有线接 入方式转向了无线接入方式。8 0 2 1 6 标准，即固定宽度无线接入标准，就是顺应 这样的技术发展趋势产生的。8 0 2 1 6 标准是目前最为先进的通讯标准之一，它所 采用的众多先进通信技术，如o f d m ，a m c ，h a r q 等，都是未来通讯网络中 最为重要的技术，但是作为一个以广泛商业应用为目标的标准，如何满足不同服 务流的服务质量依然是首要考虑的问题。 虽然8 0 2 1 6 标准对q o s 做出了相关规范，但是如何实现分级服务质量控制， 8 0 2 1 6 标准中并没有一个整体的描述，本文就是基于这点展开研究，在仔细研究 8 0 2 1 6 标准特点的基础上，设计了一套新的q o s 确保框架。在该框架设计中， 本文将各个模块中与平台相关的功能进行抽象和封装，降低了框架与平台的相关 性，并在分类模块设计中，采用了多级规则表，提高了规则匹配的效率；又通过 交换引擎的设计：降低了模块与模块之问的耦合度。 基于该框架，设计了相应的q o s 确保算法。这些算法包括：基于抢占的准 入控制算法，最优轮询问隔设置，和保证公平性的分级调度算法。通过基于抢占 准入控制算法，提供给高优先级服务流更多的接入机会；通过优化的轮询问隔， 使得带宽分配能更好的符合带宽要求；而调度算法，由于本着公平原则，可以在 满足高优先级服务流的带宽要求前提下，同时尽力为低优先级服务流提供服务， 避免其产生的“饥饿”效应。 最后建立仿真平台，通过仿真实验证明本文所提出的框架结构和算法能很好 的满足8 0 2 1 6 标准下各种业务流的q o s 要求。 关键词：8 0 2 1 6 标准，服务质量，准入控制，轮询，调度 a b s t r a c t i nf u t u r e ，p e o p l en e e dm o r ec o n v e n i e n c en e t w o r ka c c e s s ，b u tt h ew i r e l i n ea c c e s s m o d ew h i c hi su s e di nc o m m o nh a sal o to fd i s a d v a n t a g e s ot h ew i r e l e s sa c c e s s m o d ea p p e a r s t h e8 0 2 16s t a n d a r d ，t h ef i x e db r o a d b a n dw i r l e s sa c c e s s s y s t e m ， e m e r g ea s t h et i m e sr e q u i r e t h e8 0 2 16s t a n d a r di st h eo n eo ft h e a d v a n t a g e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d , a n di tu s e sal o to fi m p o r t a n t t e c h n i q u ew h i c hw i l lb eu s e d w i d e l yi nt h ef u t u r e ，f o re x a m p l e ，o f d m ，a m c ，h a r q a l s of o r t h ec o m m e r c ea i m ， i tn e e d se n s u r et h eq u a l i t yo fe v e r yf l o w i nt h es t a n d a r d ，i th a si l l u m i n a t e ds o m ec o n c e p ta b o u tq o s ，b u tm i s s e sa c o m p l e t ea r c h i t e c t u r e t h i st h e s i si sa b o u tt h eq o sa r c h i t e c t u r eb a s e do nt h e8 0 2 16 s t a n d a r d i tp r o p o s e saq o sa r c h i t e c t u r ed e s i g n ，w h i c hi sa i m e dt oi n d e p e n d e n tw i t h t h eo s i nt h ec l a s s i f ym o d u l e ，i tu s e sm u l t i - r u l em e t h o dt om a k et h es e a r c h i n ga s q u i c k l ya si tc a n ，a n db yt h es w i t c h i n ge n g i n e ，t h ec o m m u n i c a t i o no fe a c hm o d u l e c a nb ev e r ye a s i l y a l s ob a s eo nt h i sa r c h i t e c t u r e ，t h et h e s i sd e s i g n st h r e ea l g o r i t h m s ，i n c l u d e d a d m i s s i o nc o n t r o lw i t hp r e e m p t i v e ，t h eb e s tp o l l i n gi n t e r v a l s e t t i n g ，a n dt h ef a i r s c h e d u l e t h ed e s i g no b j e c ti st oe n s u r et h eq o so ft h ed i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s a c c o r d i n gt ot h e i rt y p e i nt h ee n do ft h ep a p e r , b yt h es i m u l a t i o nr e s u l t ，i ts h o w so u t t h i sa r c h i t e c t u r ea n dt h e s ea l g o r i t h m sa r eg o o df o ru s e k e yw o r d s ：8 0 2 1 6 ，q o s ，a d m i s s i o nc o n t r o l ，p o l l i n g ，s c h e d u l e 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，也不包含为获得墨注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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：雀许饧 签字日期：加7 年月位日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁连盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂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： 锚扬 签字日期：2 0 0 7 年石月陧日 导师签名：浒杪茁 签字日期：，口7 年月乃日 第。一章绪论 1 1 课题的研究背景 1 1 1 通讯网络的发展方向 第一章绪论 现今的世界正在处于一个高度信息通讯化的时代，各种业务都是承载于大量 信息交换的基础上的，提供一套完整的通讯网络就成为当今科学发展所面临的一 个重要问题。现今的通讯网络始终围绕着三个大问题进行发展： ( 1 ) 提供怎样的上层服务模式来满足各种业务逻辑； ( 2 ) 创建怎样的网络拓扑使得各种业务逻辑的信息交流更为通畅，直接； ( 3 ) 采用何种方式让各种业务逻辑的接入更加方便，快捷。这个问题又是 前两个问题基础。 如何解决这三个问题就摆在了研究人员的面前，各种不同的研究都无不是围 绕这几个问题来开展。 近些年来，大量的业务逻辑都在转向为数据业务，数据业务无论在用户数量 还是在业务量的增长方面，都始终保持高速增长。但是从用户的角度来看，传统 的窄带有线接入，如p s t n 接入方式，仍然占据着主要地位，而这种服务不是针 对数据业务来制定的通讯网络结构，只是在原有的业务模式上增加对数据模式的 支持，很难适应数据业务的增长速度，所以应用一套新的通讯网络结构就成为必 需要面对的问题。 通讯网络按不同分类方式可以划分成不同的网络类型，从覆盖范围来说，通 讯网络可以分为三种网络拓扑结构：( 1 ) 局域网，( 2 ) 城域网，( 3 ) 广域网。而 居于中间的城域网通常是指在1 卜1 0 0 公里之间的区域性网络，这种网络的覆盖 范围比局域网要广，速度又比广域网要快，可以用于服务多种业务逻辑，正成长 为最重要的网络拓扑，成为研究领域的热点问题。传统的城域网接入模式大部分 是以有线为基础的，而这种有线的接入模式虽然有性能稳定，接入速度快的优势， 但是由于线路架设等多种的原因，往往成为以后网络拓扑改变的最大阻力。所以 这种有线接入模式更多地应用于骨干网，广域网的铺设，而随着无线技术的不断 完善，使“最后一公里”的城域网接入技术正逐步由有线变为无线。 通讯网络如果按接入介质的不同，可以分为两种基本的接入方式：( 1 ) 有线 接入：包括同轴电缆，电力线，电话线，光缆等多种接入介质。( 2 ) 无线接入： 第一章绪论 这种方式的接入介质只有一种，即空气。而由于无线接入设备的可移动性，部署 成本的低廉，升级方式的方便，正逐渐成长为通讯网络中的最重要的接入方式。 宽带无线接入( b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ) 技术也就顺理成章成为未来通讯网络 发展的最为重要的技术。 正如以上分析的那样，如何将宽带无线接入技术应用到城域网网络架设中 来，就成为一个必须探讨的话题。经过几年的探讨，研究人员对下一代通讯网络 提出了如下基本的要求：( 1 ) 提供高速率的数据传输，( 2 ) 提供服务质量保障， ( 3 ) 支持不同网络和网络问不同的服务的无缝切换。针对这几点，国际电器电 子工程师协会( i e e e ) 就提出了一套关于城域网无线宽带接入标准协议，即8 0 2 1 6 系列标准协议。本文就是针对此系列的标准协议来进行研究的。 1 1 2 无线网络标准发展历程 无线通讯网络并不是一个全新的网络概念，早在2 0 世纪6 0 年代，美国贝尔 实验室就提出了蜂窝电话系统的概念，2 0 0 2 年估计用户已经达到十几亿人。这 期间无线通讯网络经历的几次较大的变革，逐渐演化成现今大规模应用的网络结 构。在电信领域，无线通讯网经过了三次较大的变化，这就是常常提到的1 g ( 模 拟移动通讯) ，2 g ( 窄带数字移动通讯) ，3 g ( 宽带移动通讯) 技术。1 g 技术已 经逐渐的推出了历史的舞台，基本上失去了应用的意义。现今无线领域主要是应 用2 g 技术，包括g s m ，c d m a 两种技术。3 g 技术是下一代应用的热点，这一 代的技术主要以c d m a 技术为核心发展起来的，主要行业标准包括w c d m a ， c d m a 2 0 0 0 ，以及我国自行提出的t d s c d m a 三种技术。 与此同时，国际电器电子工程师协会( i e e e ) 针对数据业务的无线接入提 出一组标准协议，涵盖了从几米之内的无线个域网( w p a n ) 到覆盖几十公里的 无线广域网( w w a n ) ，这组标准包括如下行业标准： ( 1 ) 无线个域网( w p a n ) ： 8 0 2 1 5 系列，即广为人知的蓝牙技术，此系列位于网络的最末端，解决短距 离的数字媒体传输。它定义两个互通的设备构成一个网络，不需要中央设备的管 理控制，属于一种自组网络。通讯速度最高可达到5 5 m b p s 。它的成熟子标准包 括8 0 2 1 5 1 ，8 0 2 1 5 3 ，8 0 2 1 5 4 几个。主要技术参数如下： 第一章绪论 衷1 18 0 2 。1 5 的技术参数 工作频段2 4 0 2 2 4 8 0 g h z 双工方式全双工，t d d 时分双工 纠错方式 1 3 f e c ，2 3 f e c ，a r q 多址接入 c s 泰莲a c a 传输速率 最大为5 5 m b p s ( 8 0 2 1 5 3 ) 调制方式 g f s k 覆盖范围l ，1 0 m ，1 0 0 m 安全机制 链路级安全 数据连接方式面向连接s c o ，无连接a c l 时隙长度 6 2 5 u s ( 2 ) 无线局域湖( w l 蝌) 8 0 2 1 l 系列，这是i e e e 所制定的第一个关于无线网络的技术标准，是个具 有里程碑意义的标准，它也是i e e e 制定的最为成熟，并且也已经大规模使用的 一个标准，最初版本定义的传输速率就达到2 m b p s ，以后的改进可达5 4 m b p s 。 并且m a c 层率先采用了c s m a c a 多址接入，物理层采用o f d m 调制，其后， 针对移动 生，安全性，服务质量各个方面，又提出了一系列的予标准，包括 8 0 2 1 l a ，8 0 2 1 l b ，8 0 2 1 l d ，8 0 2 1 i e ，8 0 2 1 l f , 8 0 2 1 l g ，8 0 2 1 l h ，8 0 2 1 l i 。其 中8 0 2 。l l g 是目前商髯最为，。泛的标准。其技术参数如下： 表1 28 0 2 1 l 的技术参数 工作频段2 4 g h z 覆盖范围 5 0 m 1 5 0 m 多址接入 c s j 妊a c a 传输速率 最大为5 4 m b p s ( 8 0 2 1 l g ) 调铡方式o f d m ，6 4 q a m 带宽 2 0 m h z ，4 0 m h z 纠错方式 f e c ( 1 2 ，2 3 ，3 4 ，5 6 ) 安全机制 a e s ，r s n 发射功率 3 0 m w 1 0 0m w 信道编码弧南o 移动性 建议不超过3 5 k r n h 漫游 支持 ( 3 ) 无线城域网( w m a n ) ： 8 0 2 1 6 系列，这套协议标准是与a s d l ，同轴电缆为同位置的接入方式， 扩展了8 0 2 。1 1 传输范圈，畿容纳更多的用户接入网络，是针对城域嚼一项技术 第一章绪论 标准。它的具体参数在第二章有详细介绍。 ( 4 )无线广域网( w 灿) ： 8 0 2 2 0 系列，此系列是针对广域网提出的技术标准，现在还没有一个完善的 版本，正处在讨论制定中。它的预计覆盖范围达到16 k m ，传输速率可达1 6 m b p s ， 它的初定参数如下： 表1 38 0 2 2 0 的技术参数( 草拟) 工作频段 4 0 0 m h z 3 5 g h z 覆盖范围 1 6 k m 多址接入t d m a ，f l a s h o f d m 传输速率 最大为1 6 m b p s 调制方式o f d m ，6 4 q a m ，a m c 技术 信道编码 l p d c 纠错方式 f e c 安全机制未定，芯片级，端到端安全保证 漫游支持 移动性 2 5 0 k m h 服务质量要求 1 1 38 0 2 1 6 系列标准的演进 虽然i e e e 针对无线宽带接入提出了8 0 2 1 1 系列标准，但是此系列只是适用 于户内的接入，对户外的接入并不合适，尤其是对q o s 支持的缺乏，使这一系 列很难让运营商来大规模运营。所以i e e e 于1 9 9 9 年成立了专门的8 0 2 1 6 工作 组来制定新的宽带无线接入标准，来解决“最后一公里”的城域网接入问题。并 在2 0 0 2 年4 月份提交了第一个正式的标准。 8 0 2 1 6 标准又被称为i e e ew i r e l e s s m a n 空中标准【5 0 】，它的最大覆盖范闱可 以达到5 0 k m ，每个基站可以容纳数百及上千的用户。它是由三个工作小组协同 工作，共同制定的。这三个工作小组是： ( 1 ) 8 0 2 1 6 1 小组：此小组制定了频率为1 0 6 6 g h z 的无线接口标准； ( 2 ) 8 0 2 1 6 2 小组：此小组制定了与其它宽带无线接入网络共存方式的标 准； ( 3 ) 8 0 2 1 6 3 小组：此小组制定了频率为2 1 0 g h z 的无线接口标准。 目前i e e e8 0 2 1 6 系列共有七个版本，分别是：8 0 2 1 6 2 0 0 1 ，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 ，相关标准版本发布时间，及涉及的技术 领域如表l _ 4 所示。 4 第一章绪论 表1 4i e e e8 0 2 1 6 标准不同版本【5 0 】 标准版本发布时间技术领域 i e e e 2 0 0 2 0 4 1 0 6 6 g h z 空中接口的物理层和m a c 层 8 0 2 16 2 0 0 1 i e e e2 0 0 3 0 42 1 i g h z 空中接口的物理层和m a c 层 8 0 2 1 6 a i e e e2 0 0 2 1 2 对8 0 2 1 6 2 0 0 1 的兼容性做出规范 8 0 2 1 6 c i e e e 2 0 0 4 0 82 - 6 6 g h z 同一的空中接口的物理层和m a c 层( 对 8 0 2 1 6 d 8 0 2 1 6 8 0 2 1 6 a 8 0 2 1 6 c 整合修订) 此版本是目前最为 成熟，完全的一个 i e e e 2 0 0 6 2在8 0 2 1 6 d 的基础上增加了对移动性的支持，目前是 8 0 2 1 6 e测试阶段 i e e e2 0 0 5 1 2 增加了对空中接口管理信息库m i b 规范 8 0 2 1 6 f i e e e 制订中增加了对空中接口管理平面流程及服务规范 8 0 2 1 6 9 根据使用频段的不同，8 0 2 1 6 系列标准可以分为用于视距传输的标准和用于 非视距传输的标准。最早的8 0 2 1 6 2 0 0 1 标准，由于使用频段过高，所以只用于 视距传输。它不支持移动，带宽为2 5 2 8 m h z ，采用t d d 或者f d d 的双工模式， 覆盖小区范围为5 k m 。 8 0 2 1 6 a 是对8 0 2 1 6 2 0 0 1 的扩展，增加了对2 1 1 g h z 频段的支持，重新修 订了物理层协议，使8 0 2 1 6 支持非视距传输，更为适合在户外接入。在m a c 层， 增加了a r q 等技术，增强了数据链路的性能，并且提出了对q o s 支持，使它更 能满足商业运营，也是第一个商用版本。它的系统也采用了t d d 或者f d d 的双 工模式，在物理层采用两种数据传输模式：篼一种是单载波模式，它沿用了 8 0 2 1 6 - 2 0 0 1 的复用机制，第二种是多载波的o f d m 模式。它的数据率可达到 7 0 m b p s ，小区覆盖模式为6 1 0 k m ，它也不支持移动。 8 0 2 1 6 c 是8 0 2 1 6 2 0 0 1 的增补文件，主要用于规范8 0 2 1 6 2 0 0 1 在兼容性， 互通性两个方面的特性和功能。 2 0 0 4 年发布的8 0 2 1 6 d e l 9 】是8 0 2 1 6 系列最为成熟，也是最具有商业实用性 的版本。它将8 0 2 1 6 2 0 0 1 和8 0 2 1 6 3 规定的两个频段作了同一的整合和修订， 使8 0 2 1 6 系列支持了2 - 6 6 g h z 频段的传输，对物理层和m a c 层作了更为详尽的 规范。此版本规定了8 0 2 1 6 所支持的几种业务类型，提出确保q o s 的一些信令机 制。虽然它仍然是一个固定版本的宽带无线接入方案，但是它增添了混合a r q ( h 6 瓜q ) ，以及自适应编码( a m c ) 等技术，为8 0 2 1 6 系列向移动宽带无线 接入做好铺垫。 第一章绪论 8 0 2 1 6 e 2 0 】是8 0 2 1 6 d 的增强版本，也是第一个支持移动的版本，它的基本参 数和8 0 2 1 6 d 相同，但可以支持用户以车辆速度移动。此版本刚于2 0 0 5 年1 2 月 份通过审批，2 0 0 6 年2 月2 8 号正式发布文档，2 0 0 6 年6 月份才有芯片的解决方 案诞生，大量的技术细节都没有实现，还需要大量的研究工作来做。 8 0 2 1 6 t i 2 1 】在2 0 0 4 年8 月获准成立，做为8 0 2 1 6 d 标准的补充，8 0 2 1 6 院义 了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。它在2 0 0 5 年1 2 月 份诞生正式版本。 8 0 2 1 6 9 在2 0 0 4 年8 月获准成立，它的目的是为了规范管理流程和接口，从 而能够实现对设备资源的有效管理。该标准正处于制定阶段，第一个草稿在2 0 0 6 年1 月3 0 号发布。2 0 0 7 年2 月2 3 号刚刚发布第八个草稿。 除了这几个较为成熟的协议标准，从2 0 0 6 年下半年到2 0 0 7 年2 月又提出了 几个最新的协议标准，包括8 0 2 1 6 h ，8 0 2 1 6 k ，8 0 2 1 6 i ，这几个协议标准对桥接， 管理面的服务流程做出了新的规定，在这几个方面内，有关桥接部分的论述相对 更为重要。目前关于这个方面的协议8 0 2 1 6 k ，刚刚诞生第四个草稿，还有大量 的工作正在进行当中。 1 2 研究方向概述 由上面的论述可以看出，8 0 2 1 6 标准是顺应通讯网络技术发展趋势而产生 的，它的运营方式定位于大规模商业运营。从运营方式的角度来说，3 g 和8 0 2 1 6 标准处于同一个运营层面，两种标准具有很大的重叠性，尤其是支持移动的 8 0 2 1 6 e 标准提出更加大了对3 g 的冲击。 从技术的角度来说，8 0 2 1 6 标准比3 g 更为先进，很多方面比3 g 要超出一 个年代。但它要想真正做到商用，就必须对网络的服务质量( q o s ) 提供保障， 一套完整的，高效的q o s 确保体系是必不可少的。为了达到这样的目的，8 0 2 1 6 标准就针对这一方面作了相应的规范，但是标准还是缺少整体的框架设计和算法 设计。如何设计这样的体系结构，就摆在研究人员的面前。 由于8 0 2 1 6 标准整体的复杂度很高，从体系结构设计来说，各个模块设计 的平台无关性就是一个很重要的内容，而从确保q o s 的算法角度来说，又要包 括准入控制算法，调度算法，流监控和流整形等多种算法的设计，工作难度很大。 并且要想真正应用，开发和测试工作的难度更大。研究如此复杂的系统虽然在难 度上很大，但是它的意义却是十分重要的。 6 第一章绪论 1 3 本文的研究工作 本文主要针对8 0 2 1 6 标准m a c 层的q o s 框架进行研究和讨论。针对8 0 2 1 6 标准所定义的各种服务流的特点，设计了一套新的q o s 体系结构，并基于这个 新的体系结构设计了相应的准入控制算法，轮询和调度算法，最后通过仿真实验 来验证这个框架能很好地满足各个服务流的q o s 要求。 本文主要分六个部分进行论述。第一章主要介绍研究方向和研究工作。第二 章中介绍8 0 2 1 6 标准中所用到的技术参数，协议栈各层的主要功能。第三章首 先分析了现有的框架结构，然后提出一套新的框架结构。第四章主要针对本文提 出的框架结构，讨论了如何进行准入控制，怎样优化轮询问隔，最后提出了一个 新的调度算法。第五章论述框架的仿真实现，仿真实验的各个参数，和仿真结果 及分析。第六章是工作总结，并对进一步工作进行展望。 7 第二章8 0 2 1 6 标准体系结构和分析 第二章8 0 2 1 6 标准的体系结构和分析 2 1 关键技术和相关参数 8 0 2 。1 6 标准是一个非常优秀的技术标准，它在物理层和m a c 层运用了有关 传输，链路控制，数据流监控等多项先进技术，主要所用的关键技术包括如下几 个： ( 1 ) _ 正交频分复瘸技术( o f d m ) ： o f d m 是一种多载波传输技术，它的思想产生于2 0 世纪5 0 年代左右，到 1 9 7 0 年首次发表了关于o f d m 技术的专利。它的基本思想是将一个高速的数据 流分解成多个并行的予数据流，这些子数据漉成为子信道。予信道的频谱是相互 重叠的，每个子信道分别为一个多径衰落信道，从而提高了对抗噪声和多径传播 所造成的信道畸变。由于有大量子信道的存在，系统的发射机和接受机要有相当 复杂的调制解谖设备，成本较高，所以在初麓并没有广泛使溺。进入粥年代滔， 随着超大规模集成电路技术的发展，这项技术的才真正应用到真实的系统当中， 并被认为悬第四代移动通讯技术( 4 g ) 的关键技术。现今包括数字音频广播， a d s l ，+ 8 0 2 。1 1 等多项技术都使用了o f d m 。8 0 2 1 6 丽样在物理层应用了这一先 进技术，使得它在技术上保持领先状态。8 0 2 1 6 规定了o f d m 使用的抽样因子 包括8 7 ，8 6 7 5 ，1 4 4 1 2 5 ，3 1 6 2 7 5 ，5 7 5 0 。带宽为2 0 m h z ，2 7 5 m h z ，5 m h z ， 1 0 m h z ，2 0 m h z 。f f t 的点数为2 5 6 。 ( 2 ) 鱼适应调制编码( a d a p t i v em o d u l a t i o nc o d i n g a m c ) ： a m c 是根据信道状况的变化自动地调整调制和编码方式的一项技术。它的 目的是最大限度的利用无线信道，提高频谱的利用率。a m c 要求系统不断观测 信道的交化其体参数鸯开发卷指定，一般多必信噪 = 艺根据这些变伲，调 整系统的模式，即相应的调制编码方式。利用此技术可以提高系统的吞吐量和系 统的适应性。8 0 2 1 6 规定所用的的调制方式有q p s k ，1 6 一q a m ，6 4 一q a m ， 2 5 6 - q a m 。 ( 3 ) 混合自动重传机制( h y b r i d a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t ha r q ) ： h a r q 是将前向纠错码( f e c ) 和自动重传请求( a r q ) 两种确保传输可 靠性技术相结合的产物。f e c 利用冗余码的技术，自动纠正传输错误的比特使， 但是囊于弓l 入了冗余码，造成了网络吞吐量的下降。a r q 技术可以有效地降低 第二章8 0 2 1 6 标准体系结构和分析 数据冗余度，但是由于重传机制，增大数据的时延。h a r q 采用折中的办法， 让每个数据包中包含一定的冗余码，当错误在冗余码纠正能力范围内时，就自动 纠正，否则就利用a r q ，自动重传数据。 ( 4 ) 多级服务流的o o s 保障 q o s 一直是无线接入网络研究领域内的一个重要问题。在有线信道内，传输 介质相对可靠，误码率低，所以确保一定的资源尚且容易些，但是无线信道要比 有线信道不稳定的多，影响信号噪声很多，用户与用户之间信道的差异也很大， 即使是同一用户，信道的质量也是起伏不定的，所以q o s 的保证，就必须要有 相应的规定和技术支持。8 0 2 1 6 协议就详细规定了数据流服务类别和具体的信令 交互机制。这些内容的规定保证了8 0 2 1 6 协议商业的可操作性。8 0 2 1 6 规定了 四种数据流，包括：主动授予服务( u g s ) ，实时服务( r t p s ) ，非实时服务( n r t p s ) ， 尽力服务( b e ) 。但是8 0 2 1 6 并没有给出一个明确的q o s 保障框架，大量问题 还要讨论，是目前的热点问题，这也是本文的切入点，后续章节对此将会做深入 研究。 2 2 协议栈的层次结构和功能 8 0 2 1 6 标准中定义了两种拓扑结构，分别是p m p 模式和m e s h 模式。一个 完整的8 0 2 1 6 系统应该包括终端设备，用户站点( s u b s c r i b e rs t a t i o n ，s s ) ，基 站( b a u s es t a t i o n ，b s ) ，和核心网四个部分。8 0 2 1 6 协议中只规定了s s 与b s 之间的接口。在p m p 模式下，用户站s s 只能与b s 通讯，而在m e s h 模式下， s s 之间也可以通讯。 8 0 2 1 6 协议标准协议栈，从纵向来说，包括o s i 七层网络结构的两层，分 别为物理层和m a c 层( 相当于数据链路层) ，其中m a c 层又被细化成三个子层， 汇聚层( c o n v e r g e n c el a y e r ) ，公共部分层( c o m m o np a r tl a y e r ) ，和安全层( p r i v a c y l a y e r ) ；从横向来看，也可分为数据控制面( d a t a c o n t r o lp l a n e ) 和管理面 ( m a n a g e m e n tp l a n e ) 。模型如图2 1 所示： 9 第二章8 0 2 1 6 标准体系结构和分析 ：硫酗碡i 商n a k k i ： 图2 18 0 2 1 6 的协议栈模型卧1 9 】 从图2 1 可以看到数据控制面中，各子层之间的接口被称为服务接入点 ( s e r v i c e a c c e s sp o i m ，s a p ) ，通过这个定义，更加清晰的划分了层与层之问的 界限。层与层之间的交流，都是通过这个接入点来进行，并不是直接产生联系， 降低了层间的耦合度。 图2 1 中包含的管理平面在8 0 2 1 6 f 之前只是一个概念逻辑，并没有一个实 际的结构。管理平面是个很重要的概念，它定义了8 0 2 1 6 协议的管理信息库 ( m i b ) ，这样管理节点就可以利用简单网络管理协议( s n m p ) 对网络做如： 密钥管理，q o s 参数收集等一系列的管理动作。刚刚发布8 0 2 1 6 f 首次对这部分 进行了规定。 下面几节分别对各个层和管理平面做细致探讨。 2 38 0 2 1 6 协议的组网方式 8 0 2 1 6 中定义了两种网络结构：( 1 ) 点到多点方式，p m p ；( 2 ) 网格网方式， m e s h 。 p m p 方式中定义一个基站( b s ) 和多个用户站( s s ) 。每个站点拥有一个唯 1 0 c-皇要-co乞ac量i-o之口z 第- 章8 0 2 1 6 标准体系结构和分析 一的m a c 地址，用于身份表示。其中b s 是网络的核心部分，由它来创建网络， 用户站点要想加入网络，必须通过和b s 之间协商来决定。b s 控制网络中所有 的资源，由它统一分配给各个用户站。在这种模式下，各个s s 之间不能直接通 讯，必须通过b s 中转来实现。从b s 到s s 之间的链路，称为下行链路，从s s 到b s 之问的链路成为上行链路。网络与网络之问的通讯也是通过b s 来完成的。 q s s s s 图2 2p m p 网络结构 在m e s h 中，也有b s 和s s 的定义，与p m p 所不同的是在一个网络内s s 之间是可以互相通讯的，但是网络之间的通讯还是只能通过b s 进行。在这种模 式下，每个站点还有一节点i d ( n o d ei d ) ，来进行身份识别。 由于8 0 2 1 6 是一个面向连接的协议，所以网络中的每一条连接都要有个连 接标示，称为c o n n e c t i o ni d ( c i d ) ，这些c i d 同一由b s 来分配，当s s 刚刚进 入网络时，要初始化建立三条连接，分别是： ( 1 ) 基本连接( b a s ec o n n e c t i o n ) ：用于传输对时问较为敏感的管理消息， 如：a r q a c k ，信道测量报告消息等。 ( 2 ) 主连接( p r i m a r yc o n n e c t i o n ) ：用于传输可以容忍一定时延的管理消 息，如：密钥交换消息，s s 注册消息等。 ( 3 ) 第二管理连接( s e c o n d a r ym a n a g e m e n tc o n n e c t i o n ) ：用来传输能容忍 时延标准管理消息，如：d h c p ，s n m p ，t f t p 等，这些消息一般要 被打包或分段成单独的数据报文。 这三个连接的c i d 由s s 接入网络时被分配，由b s 通过测距回应消息，和 注册回应消息通知s s 。其他的连接都是在动态添加连接时，由b s 与s s 协商确 定。 第二章8 0 2 1 6 标准体系结构和分析 2 4 物理层结构和功能 物理层位于协议的最底层，负责数据的编码，信号调制解调等相关工作。 8 0 2 1 6 支持四种物理层规范，包括w i r e l e s s m a n s c ，w i r e l e s s m a n s c a ， w i r e l e s s m a n o f d m ，w i r e l e s s m a n o f d m a 。其中前两种是单载波技术，而后 两种是基于o f d m 的多载波技术。 ( 1 )w i r e l e s s m a n s c ： w i r e l e s s m a n s c 是基于单载波的物理层规范，主要的操作频段是 1 0 6 6 g h z ，传输距离为视距传输，它支持t d d 和f d d 两种双工模式，两种模 式下突发( b u r s t ) 都可以采用自适应模式。它的上行链路是采用t d m a 和d a m a 两种多址方式，不同用户所要的时隙数目都是由b s 根据用户的q o s 参数，经过 调度，计算确定的。下行链路是采用t d m 复用模式。 在t d d 模式下，下行传输和上行传输都利用同一个频率进行发送，它们之 间靠发送时间的不同来区别，在同一个帧中，下行子帧都在上行子帧之前发送。 在下行子帧和上行子帧之间用一个被成为t r g 的时间问隔，利用这个问隔使得 b s 又发送态变为接收态，s s 由接收态变为发送态；而在上行子帧和下一帧的下 行子帧用一个叫r t g 的时间间隔，利用这个问隔使得b s 由接收态变为发送态， s s 由发送态变为接收态。 p 图2 3t t d 下的帧结构【1 9 】 在f d d 下物理帧的结构与t d d 下基本相同，不同的是，在下行子帧中除了 t d m 部分，还包括一个t d m a 部分，用于与半双工的s s 进行数据传输，这样 s s 就可以只对t d m a 部分进行解码。 ( 2 ) w i r e l e s s m a n s c a ： 第二章8 0 2 1 6 标准体系结构和分析 w i r e l e s s m a n s c a 也是一种单载波技术，它是w i r e l e s s m a n s c 的增强版本。 主要用于2 1 1 g h z 的频段传输，采用t d m a 的多址模式，也支持t d d 和f d d 两种双工方式，帧结构与w i r e l e s s m a n s c 类似，不过增加了一个前导位 ( r a m p u p ) 和一个接收机时延扩展清除位( r a m p d o w n ) 。它的传输距离为非视 距传输，所以比w i r e l e s s m a n s c 要求用到更强的物理层技术。它的所用到的技 术包括：( 1 ) a m c 和f e c 纠错码；( 2 ) 使用空时编码技术；( 3 ) 使用选择t u r b o 码和卷积t u r b o 码；( 4 ) 使用自适应天线系统( a a s ) 。在此规范下，它要求支 持的调制方式有：扩频b p s k ，b p s k ，q p s k ，1 6 q a m ，6 4 q a m ，2 5 6 q a m 。 ( 3 )w i r e l e s s m a n o f d m ： w i r e l e s s m a n o f d m 是基于o f d m 的多载波技术，它的操作频段为 2 1 1 g h z ，支持2 5 6 点o f d m 调制方式，支持子信道化，支持自适应天线( a a s ) 和空时编码技术。它也是t d d 和f d d 两种双工方式。w i r e l e s s m a n o f d m 同 样是利用数据帧传播的，多址方式是t d m a 。8 0 2 1 6 支持的发送参数如下： 表2 18 0 2 1 6 标准下o f d m 的发送参数【5 0 1 参数数值 2 5 6 n f f t n 删 2 0 0 n = 1 4 4 1 2 5 信道带宽是1 2 5 m h z 的整数倍 n = 1 7 2 1 5 信道带宽是1 5 m h z 的整数倍 抽样因子n = 8 7 信道带宽是1 7 5 m h z 的整数倍 n = 3 1 6 2 7 5 信道带宽是2 7 5 m h z 的整数倍 n = 8 7 其他信道带宽 循环前缀与有效时长 1 4 ，1 8 ，l 1 6 ，1 3 2 比值 低频载波保护数2 8 高频载波保护数2 7 导频载波编号 8 8 ，6 3 ，3 8 ，1 3 ，1 3 ，3 8 ，6 3 ，8 8 保护子载波的频率编1 2 8 ，1 2 7 ，1 0 1 号1 0 1 ，1 0 2 ，1 2 7 第二章8 0 2 1 6 标准体系结构和分析 w i r e l e s s m a n o f d m 的每一个o f d m 符号在时域上都是由一个循环前缀t 。 ( c p ) 和有效符号长度t 。组成。在s s 初始化过程中，s s 要不断地测试可能的 c p ，来寻找b s 在下行链路上所使用的c p 值。当s s 找到这个之后，同样将它 用到上行链路上。这个c p 值是由b s 来控制的，如果该值发生变化，将会导致 所有加入网络的s s 重新更新该值，以确保时问的同步。 o f d m 在频域上是由多个子载波构成的，子载波数等于f f t 的点数。8 0 2 1 6 有三种不同子载波，分别是：用于传输数据的数据子载波，用于信道估计的导频 子载波，和用于保护的空载波。 ( 4 )w i r e l e s s m a n o f d m a ： w i r e l e s s m a n o f d m a 也是基于o f d m 的多载波调制方式的多载波技术。 它的操作频段为2 1 1 g h z ，能支持的最大f f t 点数是2 0 4 8 ，为支持高性能的传 输，还利用了m i m o ，和空时编码技术。与w i r e l e s s m a n o f d m 不同的是，它 的多址技术是o f m d a 。它的o f d m 符号描述和w i r e l e s s m a n o f d m 相同。在 这种模式下不同的子载波被分成不同的子信道，并且组成子信道的子载波可以是 频率不相邻子载波。8 0 2 1 6 e 相应的技术参数如表2 2 所示： 表2 - 28 0 2 1 6 e 技术参数 参数数值 带宽( m h z )1 2 551 02 0 抽样频率( m h z )1 45 61 1 22 2 4 f f t ( n f f r ) 1 2 85 1 21 0 2 42 0 4 8 子信道数( 个) 281 63 2 子载波频率( 1 m z )1 0 9 4 有效符号时长( m s )9 1 4 c p ( m s )1 1 4 o f d m a 符号时长( m s )1 0 2 9 o f d m a 数量4 8 ( 帧长为5 m s ) 在这种模式也拥有时隙( s l o t ) 这个概念，但是与t d m a 不同，在t d m a 中时隙是一个一维的概念。但是在o f d m a 中是个二维的概念，一维是时间， 另一维是频率，或者是子信道。具体一个时隙表示多大取决于不同的符号结构变 化。在8 0 2 1 6 中规定： 1 4 第二章8 0 21 6 标准体系结构和分析 时隙在下行链路中，如粜是： ( 1 ) 子信道全部使用模式( f u s c ) ，则在时域上占一个o f d m a 符号， 在频域上占据一个子信道。 ( 2 )子信道部分使用模式( p u s c ) ，则在时域上占两个o f d m a 符号， 在频域上占据一个子信道。 时隙在上行链路中，子信道部分使用模式( p u s c ) ，在时域上占三个o f d m a 符号，在频域上占据一个子信道。 一个o f d m a 数据帧可能的结构分布如图2 - 4 所示： c1 - 1 u 菩 =_ 一一o ，- m ，d lb i i r m i 三i i g 葛 l 薯 _ 罟i - i !