（计算机系统结构专业论文）基于ieee+80216标准的qos结构研究.pdf

中文摘要 在2 0 世纪9 0 年代以来，随着移动通信的发展和普及，无线通信技术日益受 到重视，其应用也越来越广泛。“最后一公里一的接入网技术开始从有线向无线 发展，在这个背景下，无线城域网技术开始迅速发展。 i e e e 于2 0 0 4 年6 月发布了在i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准【l 】【2 8 】，定义了在城域 网范围内2 6 6 g i - i z 的频段上提供高速的无线接入服务的空中接口。该标准中定 义了四种类型的业务流，因而为不同类型的业务流提供q o s 保证是一个非常重 要而且有难度的课题。尽管标准详细的定义了l l a c 层信号机制，但并没有一套完 整的资源管理调度机制，而资源管理和调度是影响o o s 性能的重要部分。 本文首先简要介绍了i e e e8 0 2 t 6 协议，分析了其0 0 s 机制的主要内容，包 括带宽的请求分配机制，准入和调度机制等，比较完整地介绍了1 e e e8 0 2 1 6 的 q o s 结构。此后，本文提出了i e e e8 0 2 1 6 的q o s 体系结构中需要加以改进的部 分，包括其准入控制以及上行带宽调度机制，并在这两个方面提出了我们的结论。 我们的研究成果包括基于链路状态的准入控制方法以及一个t d d 模式下关于 i e e e8 0 2 1 6 宽带无线接入系统的公平而有效的带宽调度算法，该调度算法在保 证实时性的基础上，较好地解决了不同业务流之间的公平性问题。通过我们提出 的0 0 s 机制，可以为不同的级别的业务提供不同等级的0 0 s 服务。仿真结果证明， 我们提出的i e e e8 0 2 1 6 的q o s 结构是有效的： 关键词： i e e e8 0 2 1 6 服务质量无线宽带接入准入控制调度算法 a b s t r a c t d u r i n gt h ed e v e l o p m e n ta n dp o p u l a r i z a t i o no ft e l e c o m m u n i c a t i o ns i n c e19 9 0 s ， t h et e c h n o l o g yo fw i r e l e s st e l e c o m m u n i c a t i o nh a sb e e ng a i n e dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o na n di t sa p p l i c a t i o nh a sb e e nw i d e l yu s e d t h e “l a s t - m i l e n e t w o r ka c c e s s t e c h n o l o g yh a se x t e n d e df r o ml i n e a t et ow i r e l e s s i nt h i sb a c k g r o u n d , t h e w i r e l e s s m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k sd e v e l o pq u i c k l y i nj u n e ，2 0 0 4 ，t h ei e e er e l e a s e dt h es t a n d a r d8 0 2 16 2 0 0 4 ，w h i c hd e f m e dt h ea i r i n t e r f a c ew h i c hp r o v i d eh i g h s p e e dw i r e l e s sa g c e s ss e r v i c ei n2 - 6 6 g h zm e t r o p o l i t a n a r e an e t w o r k s t h i ss t a n d a r dh a sd e f i n e df o u rk i n d so fb u s i n e s sf l o w s o ，h o wt o p r o v i d ed i f f e r e n tk i n d so fq o s b e c a m ea ni m p o r t a n ta n dd i f f i c u l ti s s u e a l t h o u g ht h e m a cs i g n a l i n gh a sb e e nw e l l - d e f i n e di nt h e ，i e e e 8 0 2 16s p e c i f i c a t i o n s ，w ed o n t h a v et h ee x p l i c i tm a n a g e m e n ta n ds c h e d u l i n ga l g o r i t h mf o rt h er e s o u r c e ，w h i c hi s c r u c i a lt og u a r a n t e et h eq o sp e r f o r m a n c e f i r s to fa l l ，w ei n t r o d u c ei nt h i sp a p e rt h ep r o t o c o lo fi e e e8 0 2 1 6 ，a n da f t e r w h i c hw ea n a l y z et h em e c h a n i s mo fq o s ，i n c l u d i n gt h er e q u e s ta n da l l o c a t i o n m e c h a n i s mo fb a n d w i d t h ，t h ea d m i s s i o na n ds c h e d u l i n gm e c h a n i s m ，g i v eac o m p l e t e i n t r o d u c t i o nt ot h ei e e e8 0 2 16q o ss t r u c t u r e t h e nt h i sp a p e rp r e s e n t st h ep a r tt h a t t h ei e e e8 0 2 16q o sa r c h i t e c t u r en e e d st ob ei m p r o v e d , i n c l u d i n gt h ea d m i s s i o n c o n t r o la n di t su p s t r e a mb a n d w i d t hm a n a g e m e n t ，w ep r o p o s eo u ro w nr e s e a r c hr e s u l t s i nt h e s et w oa s p e c t s o u rr e s e a r c hr e s u l t si n c l u d et h ea d m i s s i o nc o n t r o lp o l i c yb a s e d o nl i n ks t a t ea n daf a i ra n de f f i c i e n tb 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 r i e e e8 0 2 16b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s ss y s t e m si nt d dm o d e t h es c h e d u l i n g a l g o r i t h mi sb e r e t i ns o l v e i n gt h ei s s u eo ff a i r n e s sb e t w e e nd i f f e r e n tb u s i n e s sf l o wo n t h eb a s i c so fr e a lt i m e t h r o u g ht h i sq o sm e c h a n i s m , w ew i l lb ea b l et op r o v i d e d i f f e r e n tl e v e l so fq o sg u a r a n t e e sf o rv a r i o u sa p p l i c a t i o n s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ep r o p o s e di e e e8 0 2 16q o ss t r u c t u r ei se f f e c t i v e k e yw o r i d s ：i e e e8 0 2 16 ，q o s ，b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ，a d m i s s i o n c o n t r o l ，s c h e d u l i n g 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，也不包含为获得苤鲞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。 学位论文作者虢体、于导签字隰 7 年月7 日 学位论文版权使用授权书 ， 本学位论文作者完全了解苤空盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤童盘茔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：两痔 签字日期： 导师签名：三胁= 二月 日 签字日期：厶_ 年2 ，月日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近年来，随着i n t e m e t 的迅猛发展，其覆盖范围也越来越大。“最后一公里 的接入网技术开始从有线向无线发展，从窄带向宽带发展。上世纪8 0 年代中期， 无线局域网技术( w l a n ) 开始迅速发展，与有线网络相比，无线局域网技术能 很好地解决用户在有线网络接入过程中需要复杂连线和无法随意移动的问题，不 仅可以帮助用户以较低的费用将其电脑和外设连成网络，而且为运营商节省了时 间和金钱。 无线局域网技术虽然获得了很大的成功，但是其在总体设计上并不能很好地 适用于室外宽带无线接入( b w a ) 应用。当其用于室外时，在带宽和用户数方 面受到很大限制，同时还存在通信距离等一些其他问题。无线城域网技术是继无 线局域网之后出现的又一项宽带无线接入技术，8 0 2 1 6 标准是一种无线城域网技 术，它能向固定、携带和游牧的设备提供宽带无线连接，还可用来与因特网，提 供校园连接，以及在“最后一公里 宽带接入领域作为c a b l em o d e m 和a d s l 的无 线替代品。在不久的将来，宽带城域无线接入系统将成为全球通信架构中的一个 重要的组成部分。 1 2 国内外研究现状 在2 0 世纪9 0 年代以来，随着移动通信的发展和普及，无线通信技术日益受到 重视，其应用也越来越广泛。宽带无线接入技术也开始迅速发展，但是由于缺少 统一标准，发展速度跟不上时代要求，宽带无线接入市场一直没有得到繁荣发展。 虽然无线局域网方面已经有了比较成熟的技术( 8 0 2 11 ) ，但是它不支持高速移 动性，且在室外使用时，其带宽和质量保证方面受到较大限制，因此，1 9 9 9 年开 始，i 髓e8 0 2 局域网( u 心) 城域网( w l a n ) 成立了8 0 2 1 6 工作组来专门研究 宽带无线接入标准，定位于为用户提供更广范围的高速数据接入宽带无线传输。 至u 2 0 0 6 年2 月底，i e e e8 0 2 1 6 工作组已经发布了包括固定宽带无线接入系统 空中接口标准( i e e e8 0 2 1 6 d ) 以及固定和移动宽带无线接入系统空中接口标准 ( i e e e8 0 2 1 6 e ) 等一系列协议，它是第二代宽带无线接入系统产生的标志，并 第一章绪论 将成为宽带接入的主流系统，将是今后数十年内无线数据城域网的发展基础。这 些协议与目前已经获得广泛使用的i e e e8 0 2 1 1 、8 0 2 1 5 等协议形成不同层次上的 互补，填补了i e e e 在无线接入标准上的空白。 在借鉴和学习w l a n 的w i f i 联盟成功经验的基础上，为有助子将衄 8 0 2 1 6 定义的广义标准变成更加具体的标准，以满足特定服务提供商的需求， i n t e l 、a l v a r i o n 、a i r s p a nn e t w o r k s 、n o l 【i a 、p r o x i m 、r e d l i n ea n da p e r t on e t w o r k s 、 a t & t 等1 0 0 家生产、运营商成立了一个非盈利工业贸易联盟组织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 ) 论坛，全名是微波接入的全 球互通，该论坛旨在对基于i e e e 8 0 2 1 6 标准和e t s ih i p e r m 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，加快符合i e e e 8 0 2 1 6 技术标准的宽带无 线接入设备的上市速度。作为一种重要的无线接入手段，8 0 2 1 6 将会在未来的通 信格局中占据一席之地。 基于i e e e8 0 2 1 6 系列标准的w i 蝴的特点明显：实现的5 0k m 无线信号 的传输距离是无线局域网所不能比拟的；网络覆盖面积是3 g 发射塔的1 0 倍， 只要建设少数基站就能实现全城覆盖，使得无线网络应用范围大大扩展：提供的 接入速度达7 0 m b s ( 1 4 m h z 载波) ，使无线网络的接入速度有了一个很大的进步。 与其它有线接入手段( 如x d s l 、c a b l e 、光纤接入等) 相比，8 0 2 1 6 宽带无线接入 具有部署速度更快、扩展能力更强、灵活性更高等优点。对于人口密度较低及不 便于铺设x d s l 的地区，可以用8 0 2 1 6 提供“无线d s l 服务，面向家庭和小企 业范围应用。在中等规模企业的楼宇内，8 0 2 1 6 可以支持高速率连接，代替光纤 接入。i e e e 8 0 2 1 6 是技术标准的制订者，w i m a x 是技术和产业链的推动者， w i m a x 为m e e 一致性标准作出了重要贡献，随着8 0 2 1 6 标准化的发展，w i m a x 也在逐步推进一致性测试工作。 1 3 本课题研究内容、意义及发展前景 8 0 2 1 6 d 可以支持1 0 g h z - - 6 6 g h z 的视距传播频段以及1 1 g h z 以下的非视 距传播频段。根据不同频段的传播特性，其应用也有所不同。对于1 0 g h z - - 一6 6 g h z 的视距传播频段，由于终端需要有室外天线，其应用主要是为中小企业提供 b a c k h a u l 的无线传输。对于1 1 g h z 以下的非视距传播频段，由于能够实现室内 覆盖，其应用将主要集中在为个人用户提供宽带数据业务。除此之外，8 0 2 1 6 还可以实现企业w i - f i 热点区域的后端传输功能，以及局域网互联、数据专线、 窄带业务和基站互联等。 8 0 2 1 6 宽带无线网络的典型应用包括i n t e m e t 接入、局域网互联、数据专线、 第一章绪论 窄带业务或基站互联等，各种应用的实现方式如下： ( 1 ) i n t e r a c t 接入。针对有综合布线的小区和大楼，在楼顶安装8 0 2 1 6 宽带固 定无线接入系统的远端用户侧室外无线单元，并在建筑物内或小区内安装用户侧 室内单元和以太网交换机，利用现有综合布线接入用户，通过无线空中接口提供 宽带上网业务。 ( 2 ) 局域网互联。对于大型企业，如果在地域内有多个企业分部，利用8 0 2 1 6 宽带固定无线接入系统可以方便实现总部和各分部之间的局域网连接。 ( 3 ) 数据专线。以8 0 2 1 6 宽带综合无线接入系统提供t d m 传输，在终端站上 提供e 1 接口。为进一步提供6 4 k b i t s 和n x 6 4 k b i t s 的业务，可在用户端安装小 型复用器，提供传统的数据传送业务。 ( 4 ) 窄带业务和基站互联。8 0 2 1 6 提供e l 接口，可以满足g s m 移动基站的 接入，并在将来支持3 g 网络基站互连。通过8 0 2 1 6 远端设备+ 窄带o n u ，可以 提供话音业务。 i e e e8 0 2 1 6 标准为宽带无线接入网的开发和应用提供了很好的平台，从而 促进了b w a 系统的市场发展。中国宽带无线接入技术的研究与开发始终紧随世 界先进技术，目前中国通信标准化协会已经完成i e e e8 0 2 1 6 技术研究报告，并 正在开展i e e e8 0 2 1 6 d 标准及其一致性测试的研究和i e e e8 0 2 1 6 e 标准的研究。 2 0 0 4 年9 月1 7 日中国通信标准化协会又在北京举办i e e e8 0 2 1 6 技术报告会， 势必会为i e e e8 0 2 1 6 技术及标准的研究和发展起到强劲的推动作用。随着标准 的完善和市场需求的发展，相信i e e e8 0 2 1 6 在未来无线网络中必将发挥巨大的 作用。 随着无线数据服务越来越受欢迎以及用户多媒体业务需求的不断增长，人们 提出了对不同层次的业务提供不同q o s 服务的要求。目前，在i e e e 8 0 2 1 6 协议 中一个核心的技术问题是如何在基站( b a s es t a t i o n , b s ) 和用户站( s u b s c r i b e r s t a t i o n ，s s ) 之间提供对不同业务的服务质量保证( q u a l i t yo f s e r v i c e ，q o s ) ，包 括准入控制，带宽调度等。但是在协议标准中并没有为之定义一套完整的实现机 制，而是留给厂商自己实现，而这也给广大研究人员留下了较大的研究空间。本 文就是在这种背景下对i e e e 8 0 2 1 6 协议的q o s 机制进行研究，对相关的准入控 制机制及上行调度算法提出自己的看法并对结果进行论证。 1 4 论文构成 本文的核心内容是i e e e8 0 2 1 6 标准的q o s 体系结构。对于标准中空缺的准 入控制方法和上行带宽调度方法，我们提出了我们的研究结果。后续论文按以下 第一章绪论 顺序组织：在第二章，首先介绍了i e e e8 0 2 1 6 协议的拓扑结构及各子层情况， 并对其双工模式作了介绍，尤其是本文所基于的时分双工模式，然后我们从入网 过程讲起，详细介绍了已有的i e e e8 0 2 1 6 标准的q o s 结构，对i e e e8 0 2 1 6 标 准的m a c 协议以及协议所支持的四中业务类型作了详细说明。第三章，首先提 出一个新的i e e e8 0 2 1 6 标准下的q o s 体系结构，然后介绍了我们提出的准入控 制方法和上行带宽调度方法。第四章给出仿真试验及结果分析。最后一章我们给 出了工作总结以及展望。 第二章i e e e8 0 2 1 6 协议概述 2 1 概述 第二章i e e e8 0 2 1 6 协议概述 i e e e 8 0 2 1 6 既m e e 无线城域网空中接口标准，是适用于2 , - 一6 6 g h z 频段的 空中接口物理层和m a c 层规范。在该协议中，m a c 层功能独立于具体的物理 层规范，其主要功能是对无线链路进行高效管理。i e e e8 0 2 1 6 协议按照3 层结 构体系组织，分为物理层、数据链路层和汇聚层。物理层协议主要是关于频率带 宽、调制方式、纠错技术以及收发信机之间的同步、数据传输速率和时分复用结 构等方面。对于从用户到基站的通信，标准使用的是按需分配多路寻址一时分多 址f o a m a t d m a ) 技术。通过d a m a t d m a 技术，每个信道的时隙可以被动态 分配。数据链路层在i e e e 8 0 2 1 6 协议中主要是为用户提供服务所需的各种功能， 其中媒体访问控制( m a c ) 层主要负责将数据成帧传输以及控制用户如何接入共 享的无线介质。在m a c 层之上的汇聚层根据不同的服务提供不同的功能。对于 e e8 0 2 1 6 来说，能提供的服务包括数字音频，视频广播、数字电话、异步 传输模式( a t m ) 、因特网接入、电话路由的无线中继和帧中继等。 i e e e8 0 2 委员会专门为固定宽带无线接人的无线接口制定了8 0 2 1 6 协议。 2 0 0 2 年4 月8 日正式发布了i e e e 8 0 2 1 6 - 2 0 0 1 标准，工作在1 0 - 6 6 g h z 频 段，由于这个频段对于像建筑物和树这样的障碍物无穿透能力，故要求基站和用 户站是视距( l o s ) 链路，从而限制了基站的覆盖范围。 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。 2 0 0 3 年4 月颁布了i e e e 8 0 2 1 6 a ，该标准支持的工作频段为2 1 1 g h z ，包 括了需要发放牌照频段和免牌照的频段，系统可以在非视距传输环境下运行。 2 0 0 4 年6 月通过了i e e e 8 0 2 1 6 d ( i e e e 8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 ) 。该标准对 i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 1 和i e e e 8 0 2 1 6 a 进行了整合和修订，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。 i e e e 8 0 2 1 6 e 是工作在2 - - 6 g h z 频段支持移动性的宽带无线接入空中接口标 准。它是8 0 2 1 6 d 的进一步延伸，是8 0 2 1 6 的增强版本，在8 0 2 1 6 d 固定无线接 入标准研制的基础上，8 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 第二章m e e8 0 2 1 6 协议概述 年9 月通过了草案。 8 0 2 1 6 f 定义了8 0 2 1 6 系统m a c 层和物理层的管理信息库以及相关的管理流 程。 8 0 2 1 6 9 规定了8 0 2 1 6 系统的管理流程和接口，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。该标准的制定工作目前尚未 完成。 i e e e8 0 2 1 6 各协议及对应技术领域可用表2 1 表示 表2 1i e e e8 0 2 1 6 系列标准对应技术领域 标准号 技术领域 8 0 2 1 61 0 - , 6 6 g h z 固定带宽无线接入系统空中接口 8 0 2 1 6 a 2 - 1 1 g h z 固定宽带接入系统空中接口 8 0 2 1 6 c1 0 , - - 6 6 g h z 固定宽带接入系统的兼容性 8 0 2 1 6 d2 - - - 6 6 g h z 固定宽带接入系统空中接口 8 0 2 1 6 e 2 - - 6 g h z 固定和移动宽带无线接入系统空中接口管理信息库 8 0 2 1 6 f固定宽带无线接入系统空中接口管理信息库( m m ) 要求 8 0 2 1 6 9 固定和移动宽带无线接入系统空中接口管理平面流程和服务要求 2 2 物理层简介 i e e e8 0 2 1 6 标准的物理层可支持时分双共和频分双工两种双工模式( 见本 章第四节) 。根据使用频段的不同，分别定义了不同的物理层规范：单载波、 o f d m 、o f d m a 。 其中，1 0 - - 6 6 g h z 固定无线接入系统主要采用单载波调制技术，这是由于这 个频段内的电磁波的波长在毫米波段，易被地形和建筑物吸收，因此要求发射天 线和接收天线之间不能有障碍物。此外，信号还易受雨衰( p a i nf a d i n g ) 的影响。 这些因素使系统的部署要求高，覆盖面积较小，但频率资源丰富，分配的频段较 宽，系统容量大。 而对于2 1 1 g h z 频段的系统主要采用o f d m 和o f d m a 技术，也可以采 用单载波技术。这是由于这个频段内的电磁波波长变长，发射天线和接收天线不 必有视距路径，因此多径干扰问题变得突出。此外，许多别的设备也工作在这个 频段内，如蓝牙、无线局域网等等，如何与这些设备共存而不增加彼此的干扰， 也是一个需要考虑的问题。因此考虑到系统工作的物理环境，i e e e8 0 2 1 6 。中 第二章i e e e8 0 2 1 6 协议概述 提出这3 种物理层规范【3 】。 由于o f d m 调制方式具有较高的频谱利用率，且在抵制多径效应、频率选 择性衰落和窄带干扰上具有明显优势，因此o f d m 和o f d m a 将成为8 0 2 1 6 中 两种典型的物理层应用方式。 对8 0 2 1 6 d 的物理层特点，我们有如表2 - 2 的总结。由于本文主要讨论i e e e 8 0 2 1 6m a c 层技术，因此这里对o f d m 技术以及物理层规范的详细定义不做具 体介绍。 表2 28 0 2 1 6 d 物理层特点 特点优势 多载波o f d m 调制内含解决室外视距和非视距环境中多径问题的 能力 自适应调制编码技术在给每个用户提供最大数据速率的同时保证射 频链路的可靠性 支持t d d 和f d d 双工方式 适应世界各地不同的规定 灵活的信道宽度提供必要的灵活性，以适应在世界各地不同频段 和不同信道要求的情况下工作 支持自适应天线系统自适应天线系统抑制干扰和提高系统容量的能 力对b w a 系统的部署显得越发重要 2 3m a c 层简介 i e e e8 0 2 1 6 的m a c 层是基于连接的，即所有终端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。m a c 层针对每个连接的特点可以分别设置 不同的q o s 参数，包括速率、延时等指标。为了更好地控制上行数据的带宽分 配，标准还定义了不同的上行带宽调度模式，针对实时业务和非实时业务的特点 可以采用不可的调度机制，实现带宽灵活分配。表2 3 中对i e e e8 0 2 1 6 标准的 m a c 层进行总结。 表2 - 3i e e e s 0 2 1 6 标准m a c 层特点 特点优势 t d m a ，m m 方式安排上下行链带宽有效利用 路 第二章正e e8 0 2 1 6 协议概述 面向连接 可以为每个连接分配不同的q o s 等级 q o s 支持u g s 、r t p s 、n r t p s 、b e即能满足实时性业务，又能满足非实时性业务 四种类型服务流 自动重传请求( a r q ) 混合自动 由于对上层协议隐藏了来自射频层的差错，改 重传请求( h a g o ) 善了端到端性能 支持自适应编码调制技术能根据信道条件是数据速率达到最高，提高系 ( a m c ) 统容量 安全和保密保护用户私密 以下对i e e e8 0 2 1 6 标准的m a c 层功能进行详细介绍。 2 3 1 拓扑结构 i e e e e8 0 2 1 6 标准中定义了两种网络结构：点到多点( p 御) 结构和网格 ( m e s h ) 结构。点到多点结构即一个基站( b a s es t a t i o n 简称为b s ) 为多个用 户站( s u b s c r i b e rs t a t i o n 简称为s s ) 提供服务，从基站到用户站的链路称为下 行链路，从用户站到基站的链路称为上行链路，业务仅在基站和用户站之间传送。 而网格结构与点到多点结构最主要的不同就在于，在网格结构中业务可以通过其 他用户站转发，也就是说在网格结构中业务可以不通过基站直接在用户站之间传 送。本文只涉及到点到多点结构下的系统结构即功能。 点对多点结构( p m ) 即一个基站( b s ) 服务多个用户站( 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，如图2 1 所示。基站控制和管理整 个系统，用户站是终端用户与基站之间的接口。基站与用户站之间的通信包括上 行和下行两部分。基站是下行方向上的唯一消息发送者，用户站通过检验地址接 受发给自己的信息。在时分复用的情况下，每一个时间帧分为上行子帧和下行子 帧，子帧的长短是由基站动态决定的，每个子帧又分多个小的时隙。基站需要为 每个用户站动态分配上下行的传输时隙。下行子帧采用点到多点的连接方式，基 站以时分复用( t d m ) 的广播方式发送信号：上行则是点对点的连接方式，用 户站以时分多址接入( ) m a ) 方式接入系统。 第二章e e $ 0 2 1 6 协议概述 列 3 吣”恤幅懒 轧砧弹时舶蛳l 9 v o dv 0 0 图2 - 1 拓扑结构 m a c 层所传送的业务包括语音、数据、口连接、v o i p 等，因此，m a c 层 需要既支持连续型业务，又支持宪发型业务。m a c 层中与高层实体接口的特定 业务汇聚于层既支持a t m 协议又支持分组协议这一特点满足了8 0 21 6 系统对 传送多种业务数据的要求。 i e e e8 0 2 1 6 协议规定了m a c 层和p h y 层的规范。m a c 层支持多种不同 p h y 层。i e e e 8 0 21 6m a c 层规范和大多数协议一样采用分层结构，共分为三 个子层包括特定服务汇聚于层( c s ) 、完成m a c 层核心功能的公共部分子层( c p s ) 和安全子层( s s ) 3 0 】。c s 子层负责和高层接r l ，汇聚上层不同业务：c p s 子层实 现主要m a c 功能，c p s 子层可分为数据平面和控制平面：安全子层负责m a c 层认证和加密功能。i e e e9 0 21 6 协议结构如图2 2 所示。 2 3 - 2 c s 子层 特定服务汇聚子层负责接收高层协议数据单元( p d u ) ，并将接收到的p d u 映射到m a c 层连接上，或者进行反向操作。 i e e e8 0 21 6m a c 是面向连接的，协议定义了两种c s 子层将上层业务映射 成连接。a t m 汇聚于层( a t mc s ) 用于支持基于a t m 连接的各类数据单元： 分组汇聚子层( p a c k c tc s ) n 用于i p v 4 、i p v 6 、以太阿和虚拟局域网( v l a n ) 等 基于包的业务的映射。a t m 汇聚子层负责汇聚由a t m 网络产生的a t m 层协 墼岁。心西 小一 固砂矿兮扎 第二章i e e e8 0 2 1 6 协议概述 a t m 一e t h e m e t 掇x 乞1 q l 嚏e m e tp r o t o c t f l 氏i 呶嘲 一黔一 q o s a u t h e t t t i c a t i o t t 。_ 托孽3 e x c h a n o o p f 恻l e t r 删o n ) 侪d 嘲。f 1 阳氍呜。 一p o w e r 难内i ，d is 。了x r x 图2 - 2i e e e8 0 2 1 6 协议结构图 议数据单元。分组汇聚子层用于传送所有基于分组的协议，它定义了分类器 ( c l a s s i f i e r ) 的概念。一个分类器就是一组匹配规则，它由某种特定协议的分组匹 配准则( 例如，目标口地址) 、分类器优先级和一个c i d 参考组成，每个进入 i e e e8 0 2 t 6 网络的数据包根据分类器定义的规则映射成为连接。分类器可以通 过配置得到或动态建立，s s 进入网络时也可以通过空中接口从基站( b s ) 侧获得。 m a c 层的每个连接由长度为1 6 比特的c i d 唯一标识，这种基于连接的机制是 提供q o s 保障的基础。同时c s 子层对于特定业务还可以进行进一步处理，譬如 对于v o i p 业务，c s 子层支持头压缩( p h s ) 对d 头进行压缩，提高了传输效率。 2 3 3c p s 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。它接受来自各种c s 层的数据 并分类到特定的m a c 连接，同时对物理层上传输和调度的数据实施服务质量 ( q o s ) 控制，我们通常所说得m a c 层一般指c p s 子层j 本章后续将对c p s 子层部分功能进行详细介绍。 i e e e8 0 2 1 6m a c 层支持点到多点( p m p ) 和格状网( m e s h ) 两种网络拓扑结构。 p m p 结构下，下行方向只有b s 发送，上行带宽由多个s s 共享，b s 同时负责上 行和下行带宽资源分配，每帧的分配结果体现在下行映射( d l m a p ) 和上行映射 ( o l m a p ) 结构中。物理层支持时分双- i - ( t d d ) 和频分双工( f d d ) 模式，在时分复 第二章i e e e8 0 2 1 6 协议概述 用模式下，b s 的每一个时间帧都分成两个部分，分别为上行子帧和下行子帧。 如图2 3 所示。b s 将一帧内的资源分配信息写入上行链路映射( u l m a p ) ，消 息在下行信道中广播给s s 。b s 的下行帧结构如图2 - 4 所示。s s 根据d l m a p 和u l m a p 的规定接收和发送数据管理信令。在i e e e8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 中，进入每 个子层未被处理的数据称为服务数据单元( s d u ) ，经过子层处理后形成特定格式 图2 - 3t d d 模式下b s 的帧结构图 t d p b r t i o n ，。，一 、。一 c 黧o i t l o ml u0 蒜。 t d m d l 囝d c 曩_ 葛 焉 2 d lc2 l u l u o8d i u cb ： i 耋l 一i u l - i k 4 a p 图2 - 4 b s 的下行子帧结构图 。 t x ，只xt r b n s i t i o ng 融d 的数据被称为协议数据单元 d l d 。同时，本层形成的p d u 即为下一层的s d u 。 c p s 子层对经过c s 子层汇聚之后的服务数据单元( s d 进行打包( p a c k i n g ) 和分 段( f r a g m e n t a t i o n ) 操作，把数据重新整理成适合空中接口传输的s d u 并加上 m a c 头形成p d u 。m a c 经过串连( c o n c a t e n a t i o n ) 操作将采用同样编码调试方式 的p d u 形成一块数据( 协议中称为b u r s t ) 递交给物理层进行发送。同时，c p s 层 也支持相反的操作。 第二章压e e8 0 2 1 6 协议概述 2 3 4s s 子层 安全子层提供加密、鉴权、密钥交换等与安全有关的功能，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。保密子层主要 包括两个协议： 1 数据加密封装协议和密钥管理协议( h m ) 。其中数据加密封装协议定义 了i e e e8 0 2 1 6 支持的加密套件，即数据加密与完整性验证算法，以及对m a c p d u 载荷应用这些算法的规则。 2 密钥管理协议则定义了从基站向用户工作站分发密钥数据的安全方式， 两者之间密钥数据的同步以及对接入网络服务的限制。 2 4 时分双工( t d d ) 和频分双工( f d 0 ) 只要是双向通信，就需要一定的双工工作模式。当前蜂窝无线电通信领域使 用双工模式主要是频分双工和时分双工，即f d d 与t d d 。其具体的特征是： 1 、f d d 采用两个对称的频率信道来分别发射和接收信号，发射和接收信 道之间存在着一定的频段保护间隔。 2 、t d d 的发射和接收信号是在同一频率信道的不同时隙中进行的，彼此 之间采用一定的保证时间予以分离。它不需要分配对称频段的频率，并可在每信 道r c内灵活控制、改变发送和接收时段的长短比例，在进行不对称的数据传 输时，可充分利用有限的无线电频谱资源。 8 0 2 1 6 标准的m a c 层也可以支持物理层采用两种复用模式，一种是t d d ， 另一种是f d d 。f d d 模式又可分为成帧和不成帧的两种方式。每一帧的时长都 是固定的，由m a c 层的参数来决定帧长。t d d 模式是在一帧里面分为了上下子 帧，并且上行子帧的划分是可以动态调整的，由特定的参数来控制。 两种工作模式各有其优缺点，f d d 必须使用成对的收发频率。在支持对称业 务时能充分利用上下行的频谱，但在进行非对称的数据交换业务时，频谱的利用 率则大为降低。而在8 0 2 1 6 系统中，由于f d d 上下行链路是分别独立的两个频 段，因此其频谱利用率较低，但是f d d 实现相对简单，且b s 与s s 之间不须严 格时间同步。而t d d 则不需要成对的频率，通信网络可根据实际情况灵活地变 换信道上下行的切换点。在8 0 2 1 6 系统中，上行链路和下行链路工作在同一个 信道，可以灵活地实现上下行带宽动态调整。 本文所述内容主要是在t d d 模式下的情况，此处给出t d d 模式下帧结构图。 如图2 5 所示。 第二章i e e e8 0 2 1 6 协议概述 下行锈理雇剃ll 竞茎翟蝓i 竞裂陶渊孝髫黜善黜 导撩l 翘l 矧盟h 臻 ， p ，一 一，一， ，一一有针 荔爹孤燕弧 畔i i l 4 怒i 撇鲫 l a c j 镶耳冗毋牧毽鬟m ：颁蓼剜象浆 ! d c d ：下行镶鼯依避簧逑弹c ：耩体铸褥麓髓 i 照脚：下行链癸骥射张d ：臻免佰息 ：驸：下行链凳釉翦壤瓢u ：舅疆教掰单元 等羰 麦薹 嚣l 赫忿蠹祷l 僦 图2 5t d d 模式下帧结构图详解 2 5c p s 子层及q 0 8 体系结构 2 5 5q o s 业务模型 m a c 层是基于“连接”的，即所有终端的数据业务以及与此相关的q o s 要求， 都是基于“连接”进行的。每一个“连接”均由一个标识符( c d ) 来唯一进行标识。 m a c 层定义了较为完整的q o s 机制。m a c 层针对每个连接可以分别设置不同 的q o s 参数，包括速率、延时等指标。为了能支持多媒体业务，结合使用单播、 组播和广播3 种查询方式以支持不同的q o s ，i e e e8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 定义了4 种调度 业务类型，并对每种业务类型的带宽请求方式进行了规定，分别为： 主动授予服务( u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e ，u g s ) ：用于传输周期性、定长分组 的恒定比特率连接，它用于固定速率的实时数据业务，如v 0 d 。这一类流一旦 申请成功，在传输的过程中就不需要再去发送带宽请求。b s 实时地、周期地向 携带该业务的连接提供固定带宽分配，以减少s s 请求开销并保证满足业务流的 实时需求。因此，u g s 连接只能使用b s 主动提供的周期性带宽授予来发送上行 数据，而不能由s s 向b s 发送带宽请求，同时也禁止使用捎带请求的方式。其 关键q o s 参数包括主动授予大小( u n s o l i c i t e dg r a n ts i z e ) 等。 _ 群，一 一 邀增 一 i - 依滔 一 一 路理 一 赢一 黧 一产上b ， 藤，一 - - 第二章i e e e8 0 2 1 6 协议概述 实时轮询业务( r t p s ) b s 周期性地为终端分配可变长度的上行带宽，它用于 为周期性，变长分组的实时变比特率服务流，如m p e g 视频业务流等。b s 向携 带这种业务的连接提供实时的、周期性的单播轮询带宽请求机会( u n i c a s t p o l l i n g ) ， 用于s s 向b s 发送请求指示该业务流每一个包的大小，b s 也就能周期地为其分 配可变的突发带宽供其发送变长分组。由于s s 提出请求，协议的开销和时延会 增加，因此这种服务比u g s 的请求开销大，但能使b s 按需动态分配带宽，另 外，s s 被禁止使用竞争时隙来发送带宽请求。 非实时轮询业务( n r t p s ) - 这一类业务流需要周期性的单播轮询带宽请求机会 供其发送带宽请求，但是它所用的轮询间隔比r t p s 要大得多，它可以为非周期、 变长分组的非实时变比特率服务流，如有保证最小速率要求的因特网接入服务。 b s 提供比r t p s 更长的周期或不定期的单播请求机会，以保证即便是在网络阻塞 时，该连接也有机会发出带宽