（计算机科学与技术专业论文）基于80216无线宽带通信系统中切换的研究和实现.pdf

，女麓i1】1r1 0 尊 独创性( 或创新性 本人声明所呈交的论文是本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，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 至垫z 差日期：纠么呈：2 尘 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释。本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 星嫠盈至日期：型2 ：主：2 圣 导师签名： 銎茎 日期： 兰垃；2 ：三 i 一 基于8 0 2 16 无线宽带通信系统中切换的研究和实现 摘要 随着实时多媒体数据的业务量不断增大，人们对网络在带宽、性 能、覆盖范围等方面的要求日益提高。面对这些新的挑战，i e e e8 0 2 1 6 无线城域网技术以其经济便捷、运行维护简单、容量高、覆盖面广、 可快速提供宽带业务等突出优点受到市场的广泛青睐。此外，对移动 性的支持使得i e e e8 0 2 1 6 标准有着非常广泛的应用空间，成为无线 宽带通信领域的一个研究热点。 移动台在移动过程中产生的跨区切换是无线宽带通信系统中的 一个难点。切换是无线宽带通信中最重要、最复杂的流程之一，它负 责保持终端设备在网络内的持续连接、涉及了移动台与多个基站间的 信息交互。切换功能的完备性和切换效果的好坏直接影响到为用户提 供的服务质量。 本文首先介绍了i e e e8 0 2 1 6 协议的发展背景和应用领域，分析 了i e e e8 0 2 1 6 协议的技术优势，重点研究了媒体访问层的工作原理、 网络拓扑、协议数据单元、扫描和切换。标准定义了三种切换：硬切 换、宏分集和快速切换，其中硬件切换是标准规定必须实现的。在上 述研究的基础上，本文利用i e e e8 0 2 1 6 标准现有的控制信令，补充 了标准中没有定义的判决条件，设计和实现了完整的硬切换。分析和 解决了切换扫描和切换执行过程中的两个判决书条件的选择，设计了 切换扫描和切换执行的时序图。同时对切换过程中出现的两种异常情 况：服务基站掉话和目标基站掉话进行了分析，并给出了解决的方法。 最后设计测试方案和组网，进行了系统联调和切换过程的测试，通过 测试结果的分析证明了系统和切换过程完全满足设计时的需求。 本文最后对前面工作进行总结，指出当前工作的不足和下一阶段 工作计划。 关键字：无线宽带通信i e e e8 0 2 1 6m a c 切换 、 l q t h ei 己e s e a r c ha n di m p l e 匝n t a t i o no f h a n d o v e ri n 厂i r e l e s sb r o a d b a n d c o m n 肘i c a t l 0 ns y s t e mb a s e do n8 0 2 16 a bs t r a c t w i t ht h er e a l t i m em u l t i m e d i ad a t at r a f f i ci n c r e a s i n g ，p e o p l er e q u i r e h i g h e rq u a l i t yo nb a n d w i d t ho fn e t w o r k 、p e r f o r m a n c e 、c o v e r a g ea n ds o o n f a c e dw i t ht h e s en e wc h a l l e n g e s w i r e l e s sm a nb a s e do ni e e e 8 0 2 16s t a n d a r di s w i d e l yf a v o r e db yt h em a r k e tf o re c o n o m i c 、 c o n v e n i e n t 、s i m p l eo fo p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c e b ys u p p o r t i n gm o b i l i t y , i e e e8 0 2 16s t a n d a r dh a sav e r yw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o no f s p a c ea n d b e c o m e sar e s e a r c hf o c u si nw i r e l e s sb r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o n sf i e l d h a n d o v e rw h i c hg e n e r a t e sw i t ht h em o b i l es t a t i o ns w i t c h i n gf r o m o n eb a s es t a t i o nt oa n o t h e ri sad i f j f i c u l t yp o i n ti nw i r e l e s sb r o a d b a n d c o m m u n i c a t i o n s h a n d o v e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta n dc o m p l e x p r o c e s s e si nw i r e l e s sb r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o n s i ti sr e s p o n s i b l ef o r m a i n t a i n i n gt h e t e r m i n a ld e v i c e w i t h i nt h en e t w o r ko fp e r s i s t e n t c o n n e c t i o n s ，i n v o l v i n gan u m b e ro fi n f o r m a t i o ne x c h a n g e sb e t w e e nb a s e s t a t i o n s 、m o b i l es t a t i o na n dc o n t r o lc e n t e r g o o do rb a do fh a n d o v e r d i r e c t l ya f f e c t ss e r v i c eq u a l i t yo fs y s t e ma n du s e re x p e r i e n c e f i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e sb a c k g r o u n d 、a p p l i c a t i o nf i e l d sa n d t e c h n i c a la d v a n t a g eo fi e e e8 0 2 16s t a n d a r d t h i sp a p e rf o c u s e s0 1 1 w o r k i n gp r i n c i p l eo fm a c ( m e d i aa c c e s sl a y e r ) ，n e t w o r kt o p o l o g y , p r o t o c o ld a t au n i t ，s c a na n dh a n d o v e r t h e r ea r et h r e ek i n d so fh a n d o v e r ： h a r dh a n d o v e r , m a c r od i v e r s i t yh a n d o v e r , f a s tb a s es t a t i o ns w i t c h i n g a n dh a r dh a n d o v e ri sn e c e s s a r i l yi m p l e m e n t e da c c o r d i n gt ot h es t a n d a r d b a s e do nt h ea b o v e - m e n t i o n e ds t u d y , h a r dh a n d o v e ri sd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e d w i t ht h ee x i s t i n gs i g n a ls u p p l i e db yt h es t a n d a r d t h ep a p e r s o l v e si u d g m e n t so fs c a na n dh a n d o v e r 、a n a l y z e sa n ds o l v e st w o a n o m a l i e s ：h a n d o v e rd r o p p i n go fs e r v i c eb a s es t a t i o na n dh a n d o v e r d r o p p i n go ft a r g e tb a s es t a t i o n s l a s t ，t h i sp a p e rd e s i g n sd e b u g g i n g i i s c h e m eo fs y s t e ma n dh a n d o v e rp r o c e s s ，a n a l y z e sr e s u l t sa n dg i v e s s u g g e s t i o n so nf u t u r ei m p r o v e m e n t f i n a l l y , b ys u m m i n gu p t h ep r e v i o u sw o r k ，t h i sp a p e rp o i n t so u tt h a t t h el a c ko fc u r r e n tw o r ka n dw o r kp l a no ft h en e x tp h a s e k e yw o r d s ：w i r e l e s sb r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o ni e e e 8 0 2 16m a c h a n d o v e r i i i o 目录 第一章绪论1 1 1 弓i 言1 1 2 无线接入技术1 1 3 论文研究目的和意义3 1 4 所做的工作和论文结构3 第二章i e e e8 0 2 1 6 协议概述5 2 1i e e e8 0 2 16 协议架构5 2 1 1i e e e8 0 2 1 6 标准体系结构5 2 1 2i e e e8 0 2 1 6 协议的技术特点和优势6 2 2 物理层概述8 2 3m a c 层概述9 2 3 1m a c 协议模型。9 2 3 2 特定服务汇聚层1 0 2 3 3 公共部分子层11 2 - 3 4 安全子层1 2 2 4 本章小结。1 2 第三章切换t 作原理的研究13 3 1 网络拓扑结构1 3 3 1 1p m p 网络1 3 3 1 2m e s h 网络1 4 3 2p m p 网络下公共部分子层相关技术研究1 5 3 2 1 寻址与连接。1 6 3 2 2m a cp d i u 格式1 6 3 2 3m a cp d u 的帧构造和传输l8 3 2 4 睡眠模式l8 3 2 5 扫描和关联一1 9 3 2 6m a c 切换2 0 3 3 切换原理的研究。2 1 3 3 1 切换控制方式2 2 3 3 2 切换类型2 2 3 3 3 切换触发条件2 4 3 4 本章小结。2 5 第四章切换的设计和实现2 6 4 1 系统需求分析。2 6 4 1 1 系统功能需求2 6 4 1 2 系统运行环境要求。2 7 4 2 系统整体设计。2 7 i v 4 2 1 系统网络拓扑结构2 7 4 2 2 系统开发平台2 8 4 3 切换的设计3 0 4 3 1 切换流程设计。3 0 4 3 2 切换功能设计3 l 4 4 切换的实现一3 1 4 4 1 切换判决的条件分析和选择3 l 4 4 2 切换扫描的实现3 3 4 4 3 切换执行3 5 4 5 切换取消和异常情况的处理。3 9 4 6 本章小结4 l 第五章系统测试4 2 5 1 测试环境介绍4 2 5 2 视频传输测试4 2 5 2 1 视频测试组网4 2 5 2 2 测试流程4 2 5 2 3 视频测试结果分析4 6 5 3 切换功能测试4 7 5 3 1 切换测试组网4 7 5 3 2 切换扫描测试4 7 5 3 3 切换测试4 8 5 3 4 测试结果分析4 8 5 4 本章小结4 8 第六章总结与展望4 9 6 1 工作总结4 9 6 2 下一步工作计划4 9 参考文献5l j l 定谢5 3 附录一作者攻读学位期间发表的学术论文目录5 4 附录二作者攻读学位期间参与的科研项目5 5 v 、一 再 1 1引言 论 i n t e m e t 应用的快速发展，以及个人计算机，智能手持设备等移动台使用的 日益增长，给广大用户在工作和生活上提供了诸多便利，然而随着人们对通信网 络的依赖越来越大，对通信网络的要求也越来越高，一方面，传统宽带固定入用 户已经不能满足于仅仅在家庭和办公室等固定环境内使用宽带业务，希望使用宽 带接入移动服务。另一方面，传统的移动用户也不能满足于简单的语音、短信和 低速数据业务，希望能使用更高数据速率的业务。用户需求的变化使固定宽带接 入服务和移动服务在技术和业务上呈现融合的趋势，宽带移动化和移动宽带化也 逐渐成为两个领域技术发展的方向，并互为补充、互相促进。在移动环境下实现 宽带数据传输，传统的话音和数据业务已经不能满足市场的需求。各种宽带多媒 体业务的出现使宽带接入技术蓬勃发展。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。 近年来，宽带无线接入标准化工作正如火如荼地进行，国际电气电子工程师 协会组织( i e e e ) 锘t j 定了一整套完备的无线接入网络标准，涵盖了无线广域网 ( w a n ) 、无线城域网( w m a n ) 、无线局域网( w l a n ) 、无线个域网( w p a n ) ，该 系列标准保证了人们在家庭、社区、城市范围都可以随时随地通过无线方式接入 网络。 全球通信发展的宽带化、无线化、个人化、分组化是整体发展趋势，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，具有巨大的市场潜力。以高速率、多业务、易建设、见效快为 特点的宽带无线接入( b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ，b w a ) 技术成为近年来通信技术 市场的最大亮点，是构成未来无线通信技术的重要组成部分。 1 2 无线接入技术 无线接入技术是指从交换节点到用户驻地网或者用户终端之间部分或者全 部采用无线手段接入的技术，无线接入的主要作用是在一定条件下，提供本地交 换局至用户终端之间的通信传输【l 】。 接入网按其传输介质的不同，可分为无线接入和有线接入两种。有线接入具 备以下优点：技术已经非常成熟，成本较低；可以充分利用现成的通信设备；能 够很好的支持宽带业务。但是目前有线接入最大的缺点在于无法支持移动性、应 用场景不够灵活，而这正是无线接入的优势。 根据系统是否支持处于移动过程的终端设备，无线接入技术又可以分为移动 接入和固定接入两种。固定接入技术主要有四类，包括3 5 g h z 无线接入、直播 卫星系统( d b s ) 、本地多点分配业务( l m d s ) 和基于8 0 2 1 6 d 的固定无线接入 系统。移动无线接入主要是指基于i e e e8 0 2 1 5 的无线个域网，基于i e e e8 0 2 1 1 的无线局域网，基于i e e e8 0 2 1 6 e 的无线城域网，基于i e e e8 0 2 2 0 或者3 g ( 第 3 代蜂窝移动通信技术) 的无线广域网。现有的无线接入技术按传输距离远近可 以分为长距离无线接入和短距离无线接入技术。长距离无线接入的代表是g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，全球移动通讯系统) ，g p r s ( g e n e r a l p a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用无线分组业务) ，3 g ( 3 r d g e n e r a t i o n ，第三代移动通 信技术) ，而短距离无线接入技术则包括w l a n ( 无线局域网) ，u w b ( u l t r a w i d e b a n d ，超宽带) 等。 文献 2 】 3 】对无线接入技术的特点、应用场景和发展趋势进行了探讨和研究。 其中文献 3 】重点介绍了i e e e8 0 2 系列无线接入技术。无线接入技术给人们提供 了方便的网络铺设、低成本和高灵活性，这也使用户能够通过无线通信实现真正 的移动上网。市场需求的差异化和应用环境的差异化导致了不同无线接入技术的 应用领域的不同，i e e e8 0 2 系列的无线接入技术是当前无线接入技术中最具发 展前景和市场潜力的。表1 1 对i e e e8 0 2 系列宽带无线接入标准进行了对比。 表1 - 1i e e e8 0 2 系列宽带无线接入标准对比 i e e e i e e e8 0 2 1 5i e e ei e e ei e e e 8 0 2 1 18 0 2 1 6 d8 0 2 1 6 e8 0 2 2 0 覆盖范围 1 0 0 1 5 0 m 1 0 m5 1 5 k m 1 0 k m1 0 - 2 0 k m 工作频率2 4 g h z ，2 4 g h z 2 - 1 1 g h z 许可 5 3 d bi no 5 d bs t e p s w h e r e0 = - 10 d b r e s e n ，e d1 n u m b e rz o n e s1n u m b e ro fd o w n l l n kz o n e si nf r a m e r s s lz o n e # 110 - 1 2 7 d bi n0 5 d bs t e p s r e s e r v e d3t oa l i g nt d3 2 一b i t s c in rf r o mp i l o t s 110 - 5 3 d bi n0 。5 d bs t e p s 。w h e r e0 = - 10 d b z o n e # 1 r e s e r v e d 3 t oa l i g nt o3 2 b i t s 首先给出消息r x e n d i n d i c a t i o n 的数据结构，具体结构如下表4 5 ：其中 r x e n d i n d i c a t i o n 消息具有4 字节的消息头，数据是从第五个字节开始记录的。 对照上表可以发现第五和第六个字节分别是r s s i ( r e c e i v e ds i g n a ls t r e n g t h i n d i c a t i o n ，接收的信号强度指示) ，c i n r ( 载波与干扰+ 噪声比) 值，由于前 4 字节头的存在、数组是从零位置开始计数，因此取m s g d a t a 一 m e s s a g e 8 ， m s g d a t a 一 m e s s a g e 9 这两个字节就分别取到服务b s 的r s s i 和c i n r 的值。具体 代码如下： if ( b s _ q o s ( m s g d a t a 一 m e s s a g e 8 ，m s g d a t a 一 m e s s a g e 9 ) m e s s a g e 8 ，m s g d a t a 一 m e s s a g e 9 ) m e s s a g e 8 ，m s g d a t a 一 m e s s a g e 9 ) i s a c t i v e = 0 ： 发送m o b - m s h o - r e q p r e p a r e i a c m n g ( m n g ， m o b m s h 0 - r e q ， m _ m s l n f o 。m _ n b a s i c c i d ，0 ) ； 启动切换计时器 s t a r t t i m e r ( t i m e r m o b _ b s h o _ r s p ，m o b _ b s h o _ r s p ，g _ n t i m e r m o b _ b s h o _ r s p ) ： s e r v i c e b s _ q o s = b s _ q o s ( m s g d a t a - m e s s a g e 8 ，m s g d a t a - m e s s a g e 9 ) ； 3 7 s c a n o r h a n d o v e r f l a g = 1 ； 说明开始切换 c h a n g e s t a t e ( s t a t e h o r e q u e s t ) ；设置当前状态为切换中 切换成功的后续工作 c a s es u c e s s ： d e l e t e t i m e r ( t 3 ，r a n g i n gt y p e _ h o ) ： 更新b s i d 信息 g _ m s c o n 0 c i d = m m s i n f o 一n b a s i c c i d 0 ： g _ m s c o n 0 c i d = ( g _ m s c o n 0 c i d 8 ) i 一m s i n f o 一n b a s i c c i d 1 ： m _ m a p s f i d c i d 0 s e v c i d o = 一m s i n f o 一n b a s i c c i d 0 ： m _ m a p s f i d c i d 0 s e v c i d 1 = 一m s i n f o m _ n b a s i c c i d 1 ： f o r ( i n ti = l ：i m a xc i d _ p e r _ u s e r ：i + + ) i f ( g _ m s c o n i c i d ! = o x f f f f ) 先将高八位清零 g _ m s c o n i c i d = g _ m s c o n i c i d o x o o f f ； 更新高八位 g _ _ m s c o n i c i d = ( g _ m s c o n i c i d ) i ( m _ m s l n f o 一n b a s i c c i d o h a s s e n d r n g r e q = 0 ： m _ s h a n d o v e r r a n g i n g i n f - h a n d o v e r r a n g i n g t i m e s = 0 ： i n i t0 ；网络重新接入 b r e a k ： 4 6 本章小结 本章通过对i e e e8 0 2 1 6 协议以及m a c 层相关理论知识的理解，根据项目实 际的需求和定位，完成项目的工作环境选择、系统性能指标设定等。然后给出了 切换实现的设计和具体实现。切换主要有三个过程：切换扫描、切换判决、切换 执行，本章对这三个方面给出系统设计实现过程的具体的时序图，能够清晰的反 映出切换过程中的流程和通信消息的交互。本章最后分析了m s 与服务b s 、目标 b s 掉话两种异常情况，并给出解决这两种异常的方法，提高了通信过程中的资 源的利用效率。 4 1 5 1 测试环境介绍 第五章系统测试 通过在实验组网模拟现实中系统应用的情况，来实现整个系统的联调和切换 功能的测试。在系统联调中选取视频传输测试作为具体的测试方案。而在切换功 能的测试，为了更易于触发切换，我们通过在程序代码中设置调试的开关代码来 完成。下面将分别对这两类的测试进行详细的说明。 5 2 视频传输测试 系统的视频业务只有上行通信，两台p c 作为视频业务的采集与回放设备， m s 和b s 作为接收转发设备。 终端p c 采用摄像头加v l c 软件的方式，对采集的视频源进行压缩编码， 以u d p 数据流发往m s ，m s 运行s o c k e t 应用程序接收终端p c 发来的数据流， 转发给b s ，b s 同样运行s o c k e t 应用程序将数据以u d p 流再发给中心站p c 。 中心站p c 运行v l c 软件，通过显示器回放终端p c 采集的图像。 5 2 1 视频测试组网 在实验室中我们简化了整个系统的网络结构，突出测试的重点，减少不相关 的环境问题带来的干扰，由于接入网关主要是记费、记时功能。在现阶段测试中 没有存在的意义，在组网中省略接入网关。组网如图5 - 1 。 视频采 终端p c 鬻占 m sb s v 二q r 令 i 疋r 笺雳弋、；盈 s o c k e ts o e k e t 图5 1 视频传输测试组网 秘d 磷 v l c 5 2 2 测试流程 1 摄像头接入终端p c ，正确安装驱动，运行v l c 0 8 6 i 版软件，界 4 2 面如图5 - 2 ： 溷i 国i 溺 幽查看设置篷) 音频视频凹导航帮助 快速打开文件 c t r l - o 咱匦回 打开文件哩) 打开目录哩) 打并光盘哩) 打开网络串流瞳) c t r l - y c t r l _ e c t r 卜d c t r l h 向导o r ) c t r l - t 退出逐) c t r l - x 图5 - 2v l c 主界面 打开“文件菜单，选择打开捕获设备来选择视频输入方式。这里选择u s b p cc a m e r a 选项。弹出如下对话框如图5 - 3 所示。 图5 - 3 设置视频设备 刷新视频装置名称的清单，从下拉菜单中选择指定的摄像头。勾选串流保 存选项，点击设置按钮，弹出i p 设置界面如图5 - 4 。 4 3 图5 - 4 设置口地址 在输出选框中选择u d p 传输协议，设置发送的目的m 和端口。因为u d p 传输v l c 只支持t s 封装，所以按v l c 默认设置封装形式即可。 转码选框中选择需要使用的视频编码方式，比特率和尺寸按默认设置。之后 二次点击确定按钮发送数据流。 2 启动m s 和b s ，进行通信并对视频流进行转发。 3 在中心站p c 运行v l c 软件，打开媒体菜单，选择打开网络串流： 图5 - 6 中心站端1 ：2 设置 4 视频编码参数 对于视频流传输，v l c 共支持7 种编码方式：m p e g 2 、m p e g 4 、d i v x - 2 、 d i v x - 3 、w m v l 、w m v 2 、m j p e g 。v l c 传输视频流时，帧大小是固定的， 为1 3 1 6b y t e f r a m e ，不同的编码方式帧率不同。而且即使在相同的编码方式下， 由于图像采集环境是实时变化的，所以帧率也是不同的。举例来说，我们都使用 m p e g 4 编码方式，如果采集的图像颜色单一，且画面没什么变化，那么帧率可 能只有3 0 m s f r a m e ，如果图像内容复杂，颜色繁多，且总在变化，则帧率可上升 至12 m s f r a m e 。 4 5 目前我们要满足单路c i f 格式的图像传输，分辨率为3 5 2 2 8 8 ，通过v l c 的参数设置，可以发送图像分辨率大小固定的串流。在v l c 主画