（计算机软件与理论专业论文）ieee+80216e终端的mac层带宽调度的研究与实现.pdf

分类号t p 3 9 3密级公开 重庆邮电大学硕士学位论文 论文题目 英文题目 硕士研究生遗壹吐 指导教师里盔盎邋 学科专业盐簋热垫生垒墨迨 论文提交日期2 q q 2 生墨且论文答辩日期2 q q z 生旦2 旦 论文评阅人型篁蕉塑援受庭豳! 吃芏垄 蕴盘醒拯超重庭逮撞鎏陛 、 答辩委员会主席 至圉地丝攮重廛酆垫盘堂 2 0 0 7 年5 月3 0 日 重庆邮电大学硕士论文 摘要 随着无线通信技术的发展，各种新的业务相继出现，这些业务在带宽、时 延等方面的要求互不相同。无线城域网技术作为有竞争力的下一代无线网络技 术，己经把对多种业务提出q o s ( 服务质量) 支持的问题提上了日程。在无线带宽 资源管理上，i e e e8 0 2 1 6 协议只是对m a c 层基于q o s 的调度服务类别和相应 的带宽请求分配的管理消息等进行了定义，而把准入控制、流量控制、带宽调 度算法等一系列重要的问题留给了各设备商研发。因此如何利用有限的空口带宽 资源来保证多种业务的q o s 是i e e e8 0 2 1 6 相关系统必须研究解决的问题。 本文在对己有协议结构和信令体系进行研究的条件下，做了如下工作： 1 ) 提出了一种i e e e8 0 2 1 6 e 的m s ( m o b i l es t a t i o n ) m a c 层o o s 实现机制( 包括m s 的带宽申请，b s ( b a s es t a t i o n ) 的上行带宽分配机制，和m s 的m a c 层带宽调度 算法) 。为了配合i e e e8 0 2 1 6 定义的调度服务类别，对m sm a c 层带宽调度提 出了一种分优先级的综合调度算法i 具体是将总带宽按优先级在管理连接以及各 类服务流之间进行分配，而在管理连接上采用死限调度算法，各类服务流内部采 用死限调度和余量调度综合算法进行处理。8 0 2 1 6 e 定义了5 种业务类型，分别 为u g s ( u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e ) ，e r t p s ( e x t e n d e dr e a l - t i m ep o l l i n gs e r v i c e ) ， r f l s ( r e a l - t i m ep o l l i n gs e r v i c e ) ，n r t p s ( n o n - r e a l - t i m ep o l l i n gs e r v i c e ) ，b e ( b e s te f f o r t ) 。 针对有q o s 要求的业务有死限调度( 如u g s ，e r t p s ，r t p s 和n r t p s 类型的业务) ， 对没有q o s 要求的b e 业务只有余量调度，并设计了新的算法，使得对b e 业务 各连接调度时有较好的公平性。2 ) 设计了m s 的m a c 层带宽调度模块软件， 采用了双向链表的数据结构，对控制面的信令和数据面的数据进行缓存和处理。 3 ) 借助于中兴通讯w i m a x ( w o r l ai 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 ) 产品线的 实验平台，已对本文提出的调度算法和设计方案进行测试和分析，结果表明方案 是可行的，并达到了要求的性能指标。 论文的研究对未来网络通信技术的发展和应用具有重要的理论意义和实际 价值。 关键词： i e e e8 0 2 1 6 ，带宽调度，死限调度，余量调度，q o s ，双向链表 重庆邮电大学硕士论文 圈目 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，m a n ys e v i c e s 鄱p r e s e n ta n d t h e yh a v ed i f f e r e n tr e q u e s tf o rb a n d w i d t ha n ds oo n a sn e x tg e n e r a t i o nr i v a l r o u s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，w i r e l e s sm a nh a sp u tf o r w a r dq o sf o rm a n ys e r v i c e s 。 i e e e8 0 2 1 6s t a n d a r do n l ys p e c i f i ct h eq o ss e r v i c et y p e ，b a n d w i d t hr e q u e s ta n d a l l o e a t i o l la n ds oo n ，b u t $ o r r t os u c ha ss c h e d u l ea r i t h m e r i c ，a d m i t t a n c ei e te n t e r p r i s e d e v e l o p 。h o wa s s u r eq o sf o rm a n ys e r v i c e s ，w h i c hi st h e8 0 2 1 6s y s t e n f sk e y ，t h i s p a p e r sr e s e a r c hi sb a s e do nt h i sp o i n t b a s e do nt h e8 0 2 1 6p r o t o c o l sr e s e a r c hrt h i sp a p e rf i n i s h e d8 0 m ea s s i g n m e n t ：n p u tf o r w a r da i e e e8 0 2 1 6m a c q o sm o c h a n i a n 3 ，b e s i d e sm s sb a n d w i d t hr e q u e s t ， b s su p i i n kb a n d w i d t h sa l l o c a t i o na n ds c h e d u l ea r i t h m e t i c 。a l lb a n d w i d t ha l l o c a t e d i f f e r e n ts e r v i c eb yp r i o r i t y ，t h e nu s et h ed e a d l i n ea n ds m p l u ss c h e d u l ea r i t h m e t i cf o r t h es e r v i c ef l o wm i dt h em e s s a g e si nm a n a g e m e n tc o n n e c t i o n 。8 0 2 1 6d e f i n ef i v e s e r v i c e s t h a ti su g s ( u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e ) te r t p s ( e x t e n d e dr e a l - t i m ep o l l i n g s e r v i c e ) ，r t p s ( r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e ) ，n a p s ( n o nr e a l - t i m ep o l l i n gs e r v i c 曲， b e ( b e s te f f o r t ) 。s e r v i c ew h i c hh a sq o sd e m a n dh a sd e a d l i n es c h e d u l e ，s u c ha su g s ， e r t p s ，r t p s ，n a p s 。t h eb eh a so n l ys u r p l u ss c h e d u l e ，t h ea r i t h m e t i cp u tf o r w a r dc a n 船u r cb e t t e rf a i r n e s sb e t w e e nt h eb ec o n n e c t i o n ss c h e d u l e 。2 1d e s i g nm 9 sm a c b e n d w i d t hs c h e d u l em o d u l es o f t w a r e ，t h eb i d i r e c t i o n a lc h a i nm a n a g et h em e m o r yf o r t h es i g n a la n ds e r v i c ed a t a - 3 1t h e p a p e rt e s t e da n da n a l y s e dt h eb a n d w i d t hs c h e d u l e m o d u l ei nz ，r ew i m a xp r o d u c tl i n el a b o r a t o r y 。t h er e s u l ts h o w st h es c h e m ei s f e a s i b l ea n dr e a c hc e r t a i np e r f o r m a n c e t h cr e s e a r c ho ft h ep a p e rh a sg r e a tt h e o r ym e a n i n ga n dp r a c t i c a lw o r t hf o rt h e f u t u r ec o m m u n i c a t i 0 1 1d e v e l o p m e n t 。 k e yw o r d s ：i e e e8 0 2 1 6 ，b a n d w i d t hs c h e d l i l e ，d e a d l i n es c h e d u l e ，s u r p l u ss c h e d u l e ， q o s ，b i d i r e c t i o n a le h a i l i j 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及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得重庆邮电塞堂或其他教 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谢意。 学位论文作者签名：扔p 声日 签字日期：回年莎月i 孑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废邮虫太堂有关保留、使用学位论文的规 定，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，允许论文被查 阅和借阅。本人授权重废邮电盍堂 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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：帮声讨 签字日期：唧年善月f e t 导师签名：闻彳矿么一j 签字日期：功口年月乃日 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来，随着无线网络和通信技术的飞速发展，使得传统的话音和数据业务 己经不能满足市场的需要，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，技术的发展也逐步提高了人们的生活质量。由于当前人们对于 宽带多媒体应用的需求不断增大，致使各种宽带接入技术的发展迅速。尤其是 无线接入技术相对于有线接入技术更加灵活，借助于无线网络，任何人可以在任 何时间任何地点进行通信，因此宽带无线接入技术更有着广泛的应用前景以及巨 大的发展潜力。 全球通信发展的宽带化、无线化、个人化、分组化是大势所趋。同有线接入 系统一样，无线接入系统经历了由窄带到宽带，由面向话音业务到面向数据、多 媒体业务的转变。随着数据业务在电信总业务中的比例不断扩大，和i n t e r n e t 技 术的迅猛发展，现有的有线接入系统远远不能满足人们的宽带业务需求；另一方 面随着电信市场的不断开放，新运营商不断加入，形成了多方竞争的局面。运营 商面临的问题是，采用何种技术才能快速而低成本地向用户快速、廉价地提供高 质量的宽带电信业务。在这种背景下，宽带无线接入应运而生。 可以肯定，在不久的将来，宽带无线城域网将成为全球通信系统中的一个重 要的组成部分。i e e e8 0 2 1 6 接入技术的出现正好迎合了这样的发展需求，兼具 了宽带化、移动化的特点，是一种很有发展潜力的宽带无线接入技术。其基本目 标是在城域网中一点对多点环境下可以提供一种有效的宽带无线接入手段，它实 现了更广的传输范围和提供了更高的宽带接入速度。 1 2 课题来源 本课题是来源于中兴通讯股份有限公司w l m a x 产品线c p e ( c u s t o m e r p r e m i s ee q u i p m e n t ) 项目，基于本人在项目组的带宽调度模块的开发来实现的。 本课题实现的是要保证终端侧m a c 层的q o s 机制，进行了带宽调度的研究和实 现。本课题所参与的项目c p e ，已经成功协助中兴w l m a x 无线系统在某跨国运 营商实验局的开通。 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 3 研究目标和研究内容 基于i e e e8 0 2 1 6 e 标准的宽带无线接入技术，最高可以提供7 0 m b s p 的传输 率，单基站覆盖范围最大可以达到5 0 公里。其网络覆盖面积是3 g 基站的1 0 倍， 从技术层面上讲，更适合用于城域网建设的“最后一公里”无线接入部分。正是 这种远距离传输特性，该技术不仅能够解决无线接入问题，还能作为有线网络接 入的无线扩展，方便地实现边远地区的网络连接。 i e e e8 0 2 1 6 e 标准的涵盖范围非常广泛，而且十分复杂，可以提供许多选择 方案，是针对微波和毫米波频率段提出的一种空中接口标准。它可用于将i e e e 8 0 2 1 6 e 无线接入热点连接至互联网，可作为线缆和d s l 的无线扩展技术，从而 实现最后一英里的无线宽带接入。 由于i e e e8 0 2 1 6 协议i l 司没有对带宽调度的算法和设计进行规定，虽然在国 内外研究中，对8 0 2 1 6 带宽调度研究较多，但将每种业务的带宽调度和带宽分 配综合应用在系统( b s 或m s ) o e 的研究较少，如文献【3 】和文献【4 】分别研究了下 行带宽调度和上行带宽分配。 本课题研究的目标是针对i e e e8 0 2 1 6 e 协议中只对各种业务类型进行了定 义和描述，没有制定具体的带宽调度算法来实现q o s 机制的保证，进行研究带 宽分配机制并提出一种不同的m s 侧( 终端) 的带宽调度架构及各种业务类型的内 部调度算法，和实现带宽调度的软件设计，并进行测试和性能分析。具体的研究 内容如下： 1 ) i e e e8 0 2 1 6 网络技术概述。 2 ) i e e e8 0 2 1 6 e 上行带宽分配机制，即b s 给m s 分配带宽的机制。 3 ) i e e e8 0 2 1 6 em s 的m a c 层带宽分配机制，即m s 将带宽分配给管理连接 和不同业务的机制。 4 ) i e e e8 0 2 1 6 em s 的m a c 层带宽调度设计，包括带宽调度架构，模块的设 计方案以及数据结构的实现。 5 ) 带宽调度模块的测试和性能分析。 1 4 本文的组织 本文的组织结构如下： 第一章：说明课题的研究背景，来源以及研究目标。 第二章：i e e e8 0 2 1 6 e 技术概述，主要讲解i e e e8 0 2 1 6 的发展，i e e e8 0 2 1 6 网络协议栈，帧结构以及网络初始接入和业务流的建立过程，为带 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 宽调度的研究做好铺垫。 第三章：i e e e8 0 2 1 6 em s 上行带宽分配机制，为带宽调度机制研究做好准备 第四章：i e e e 8 0 2 1 6 em s 的带宽调度机制，为带宽调度的设计与实现做好准 备。 第五章：i e e e8 0 2 1 6 em s 的带宽调度模块的设计与实现。 第六章：上行带宽调度设计的测试和性能分析。 第七章：总结与展望。 重庆邮电大学硕士论文 第二章i e e e8 0 2 1 6 e 技术概述 第二章i e e e8 0 2 1 6 e 技术概述 2 1i e e e8 0 2 1 6 标准的发展 i e e e8 0 2 1 6 的主要任务是开发工作于2 - 6 6 g h z 频带的无线接入系统空中接 口物理层( p h y ) 和媒质接入控制层( m a c ) 规范。同时还有与空中接e l 规范相关的 一致性测试以及不同无线接入系统之间的共存规范。i e e e8 0 2 1 6 规定的无线系 统主要应用于城域网。 i e e e8 0 2 1 6 标准主要包括8 0 2 1 6 a , 8 0 2 1 6 d , 8 0 2 1 6 e ，8 0 2 1 6 f , 8 0 2 1 6 9 。根据是 否支持移动特性，i e e e8 0 2 1 6 标准又可以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。 8 0 2 1 6 d 是2 - 6 6 g i - i z 固定宽带无线接入系统的标准，是对8 0 2 1 6 a 的修订， 已经于2 0 0 4 年6 月在i e e e8 0 2 1 6 委员会获得通过，以i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 名称 发布。8 0 2 1 6 d 可以应用于2 - l l g h z 非视距传输和1 0 6 6 g h z 视距传输。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( m i b ) ，已经于2 0 0 6 年底发布。 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。 8 0 2 1 6 e 是2 6 g h z 支持移动性的宽带无线接入空中接口标准。8 0 2 1 6 e 的目 标是能够向下兼容8 0 2 1 6 d ，因此8 0 2 1 6 e 的标准化工作基本上是在8 0 2 1 6 d 的基 础上进行的。在8 0 2 1 6 d 固定无线接入标准研制的基础上，为了支持移动特性， 8 0 2 1 6 e 目前加入了新的特性，已于2 0 0 6 年2 月份发布，各科研企业单位都以此 标准进行研发了。 w i m a x 论坛于2 0 0 3 年由众多无线通信设备供应商发起组成，是一个非盈 利性组织，其目标是促进i e e e8 0 2 1 6 标准规定的宽带无线网络的应用推广，保 证采用相同标准的不同厂家宽带无线接入设备之间的互通性或互操作性。 w i m a x 论坛认证的每一设备和w i m a x 论坛认证的其他设备都是可互操作 的。w i m a x 论坛认证意味着业务提供商可以从多个公司购买设备，并确信这些 设备都可以互操作。w i m a x 论坛认证推动了更加富有竞争力的通信业在全球各 地迅速的发展。 w i m a x 和i e e e8 0 2 1 6 关系密切，w l m a x 论坛推动了i e e e8 0 2 1 6 的发展， 目前业界谈论的w i m a x 技术就是i e e e8 0 2 1 6 技术。 4 重庆邮电大学硕士论文第二章i e e e8 0 2 1 6 e 技术概述 2 2i e e e8 0 2 1 6 网络 共用媒质的网络必须提供一种有效的共享机制，媒质指的是电磁波共用的传 播空间。i e e e8 0 2 1 6 支持两种拓扑结构：p p ( p o i n t - t o - m u l t i p o i n t ) 和m e s h 。本课 题的背景项目是在p m p 方式下完成的，如图2 1 所示。 | 名 令刀纱心 。b 图2 1p m p 拓扑结构示意图 在下行链路上，b s 是唯一的传输者，通常采取广播的形式。d l m a p ( 下行 链路映射) 没有指定具体接收终端时，m s 接收所有广播的数据包，并且根据数据 包头部的连接号判断接收属于自己的数据包。 在上行链路上，m s 以d a m a ( d e m a n da s s i g n e dm u l 邱l ea c c e s s ) 的方式共享 上行链路。这种媒体共享方式是基于请求允许的，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，或分配竞争时隙，让连接以竞争的方式传送带宽请求信 息。 m e s h 是i e e e8 0 2 1 6 d 中新增的一种拓扑结构。它和p m p 的主要区别是，在 p m p 拓扑中，传输只出现在b s 和m s 之间；而在m e s h 拓扑中，数据可以直接 在m s 之间传输，并且可以通过多跳的方式传输，上行链路和下行链路的方向分 别被定义为流向b s 和离开b 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，运用分布式调度，包括b s 在内的所有节点都必须在两者之 内协调其传输，必须向自己的邻居节点广播其可用资源、请求、允许等信息【5 1 。 若运用集中式调度，b 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。 2 3i e e e8 0 2 1 6 协议栈结构 节点是组成网络的基本元素，其结构可以使用协议分层参考模型来描述，对 应的是标准的o s i 七层参考模型。i e e e8 0 2 1 6 规定了节点的物理层( p h y ) 和数 据链路层的介质访问控制 队c ) 子层结构，图2 2 是8 0 2 1 6 的协议层参考模型【1 1 。 重庆邮电大学硕士论文 第二章i e e e8 0 2 1 6 e 技术概述 其中，m a c 层包括三个子层。 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 e s u b l a y c r ) 位于m a c c p s 的顶部，通过m a c s a p 获得m a cc p s 提供的服务，并且通过c ss a p 为上层提供服务。它具有以 下功能：1 ) 从上层获取p d u ( 协议数据单元) ；2 ) 对上层的p d u 进行分类，将其 划分到相应的m a c 层连接；3 ) 根据分类的结果对上层p d u 进行指定操作( 如 p h s 头部压缩) ：4 ) 将c sp d u 送到相应的m a cs a p ；5 ) 接收对等实体发来的 c sp d u ；6 ) 对接收到的对等实体c sp d u 进行包头解压缩和重建。 c p s ( c o m m o np a r ts u b l a y c r ) 提供了m a c 层的核心功能，如系统接入，初始 化、带宽请求分配、连接建立释放和连接保持等。 s s ( s c c u r i t ys u b l a v c r ) 是独立的安全子层，提供认证、密钥交换和加密等功 r 一。一一一一一一一一。一一一。一一一1 - _ 一 l i i 计c m m a g i m y i 如w k 占p c 眦 一 i c - - v o r g l m c o 飘i b i t y w i c s l l i 眦c o m m o np a r ts u b l a y e r l m 能c r s ) # 篡誊。 s e c r l t ys u b l a y e r p h y s i c a li , , a y o a ： o 胁呐 ( p h r ) r - ： o a t a c o n l r o lp l a n e j 2 4 物理层 图2 2i e e e8 0 2 1 6 e 协议栈图 为了更好地使用带宽，i e e e8 0 2 1 6 支持时分双工( d ) 和频分双工( f d d ) 模式川。两种模式下都要用突发( b u r s t ) 格式发送数据。在每一帧中，b s 和各 个m s 可以根据需要灵活地改变突发模式，从而选取适当的发射参数，如调制方 式、编码类型等。在f d d 模式下，系统支持全双工m s ，也支持半双工m s 6 1 。 图2 3 所示为采用o f d mt d d 模式系统帧结构示意图【2 】。每一帧分为上、 下行子帧。下行子帧由导频( p r e a m b l e ) 、帧控制头( f c h ) 和一些数据突发组 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章i e e e8 0 2 1 6 e 技术概述 成。下行链路映射、上行链路映射( u l m a p ) 、下行链路信道描述( d c d ) 、上 行链路信道描述( u c d ) 以及其他描述帧内容的广播消息都在第一个突发的开 头发送，剩余的下行链路子帧由各个m s 的数据突发构成。上行子帧中一开始会 有一些在r a n g i n gs u b c h a n n e l ( 测距子信道) 竞争时隙上发送初始测距请求和竞争 带宽请求。 o f d m ag y m b o ! n u m b e r 图2 3t d d 模式下的帧结构 其中p r e m b l e 保证b s 和m s 的物理信号同步。在物理层带宽可用s l o t ( 时隙) 表示，在m a c 层用b y 嘣字节) 数表示。f c h 是使m s 知道d l m a p 的位置以及 调制编码方式，重复方式，下行链路的信道占用情况，f c h 固定占用最前面的 四个s l o t 。d l m a p 是指示下行子帧中的b u r s t 是怎么排放的，m s 通过解析 d l m a p 中的i e ( i n f o r m a t i o ne n v e l o p ) ，并且通过收到d l m a p 建立m a c 同步及 获取物理帧号。i m a p 包含i m a p ，包含带宽消息和指示m s 的上行b u r s t 的排列方式。t d d 系统帧是一个二维的概念，如图2 - 3 所示由s u b c h a n n e l 和符 号( s y m b 0 1 ) 构成，s l o t 是个二维的概念，其中在p u s c 方式下对于上行一个s l o t 等于三个s y m b o l 和一个s u b c h a n n e l 构成，对于下行由两个s y m b o l 和一个 s u b c h a n n e l 构成。一帧的时长是由上下行子帧时域上的长度和t t g 及r t g 构成， 其中t t g 是指两帧间的转换时间，r t g 上下行子帧的转换。 2 5m 渔c 层 为了提供高效信道访问控制机制，8 0 2 1 6 协议m a c 层定义了完善的控制机 制，主要包括服务汇聚部分、入网控制部分、测距部分、链路调度部分、以及可 7 cbcigfs一一。窑gjbe， 重庆邮电大学硕士论文 第二章i e e e8 0 2 1 6 e 技术概述 选的自动重传机制。 i e e e8 0 2 1 6m a c 层如2 3 节所述，由高到低划分为三个子层。 2 5 1 汇聚子层( c s ) i e e e8 0 2 1 6m a c 是面向连接的，协议定义了两种c s 子层从更高层获取 p d u 并分类映射成对应的连接，包括a t m 汇聚子层和包( p a c k e t ) ，e 聚子层。a t m 子层提供对a t m 的业务支持；包汇聚子层提供对i e e e8 0 2 3 ( e t h e r n e t ) 、i p ( i p v 4 、 i p v 6 ) 等基于包的业务的映射。p a c k e tc s 子层定义了分类器( c l a s s i f i e r ) 的概 念。分类器是一系列映射标准的集合，每个进入i e e e8 0 2 1 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，m s 迸 入网络时也可以通过空中接口从基站侧获得。m a c 层的每个连接由长度为1 6 比特的连接标识( 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；比如对于v o i p 业务，c s 子层支持头压缩( p h s ) ，对m 头进行压缩，提高了传输效率。 c s 子层的一个重要功能是对来自高层的数据进行分类1 7 j 。分类用于将m a c s d u ( 服务数据单元) 映射到合适的连接以传送到对等m a c 实体，映射过程将一 个m a cs d u 与一个连接关联，同时创建一个与该连接的服务流特性的关联。 分类器是一系列的匹配标准，将被用于所有进入8 0 2 1 6 网络的数据包，分类 器由一些协议相关的数据包匹配标准( 如目标口地址) 、分类器优先级、c i d 组 成。如果一个数据包与一个匹配标准相匹配，则将被分发到由c d 定义的连接， 用于发送，该连接的服务流特性提供这个包的q o s 。 多个分类器可能作用于同一个服务流，分类器的优先级用于将分类器对数据 包的作用顺序排序，明确的排序是必需的，因为分类器的分类方法可能有重叠部 分。优先级并不一定要求唯一，但是需要避免冲突。 上行分类器( u p l i n k c l a s s i f i e r ) 口】由m s 作用于数据包，下行分类器由b s 作用 于数据包。如图2 4 是从m s 到b s 传输时的分类器。 图2 4 分类以及c i d 的映射图 8 重庆邮电大学硕士论文第二章i e e e8 0 2 1 6 e 技术概述 2 5 2 公共部分子层( c s p ) 8 0 2 1 6 系统在p m p 结构下，下行方向只有b s 发送，上行带宽由多个m 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d l m a p 和 i ，m a p 管理消息中，m s 根据d l m a p 和u l m a p 的规定，接收和发送数据。 在i e e e8 0 2 1 6 e 中，进入每个公共部分子层未被处理的数据称为s d u ，经过子 层处理后形成特定格式的数据被称为p d u ，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s d u 进行组包( p ”和分段 ( f i - a g m e n t a t e ) 操作，把数据重新整理成适合空口传输的s d u 并加上m a c 头形成 p d u 。m a c 经过级联操作将采用同样编码调试方式的p d u 形成一块突发数据交 给物理层进行发送。c p s 的主要功能是要完成网络接入，无线资源管理，物理层 支持，以及数据的发送和可选的重传功能。 每个m a cp d u 都包含一个固定长度的m a c 头，后面紧跟的是m a cp d u 负 荷，负荷中可能包含0 或多个子头和0 或多个m a cs d u 数据或分段。m a cp d u 负荷长度可变。负荷后面是可选的c r c 校验。如图2 5 所示【2 1 。 i c 舭一 ， p 叫b 鲥 印 c r c ( o 删甜d ) ， 图2 5m a c p d u 格式 p d u 头格式有两种，一是传输管理消息或数据s d u 时是普通m a c 头，另 一是不带负荷( p a y l o a d ) 的，只是用来发送带宽申请头的。这两种头格式的区分， 可以根据h e a d e r t y p e ( i n 位来实现，0 是通用m a c 头，1 是带宽请求头。m a c 层定义了6 种子头，m e s h 子头、授权管理子头、分段子头、组包子头、 f a s t - f e e d b a c k 分配子头，如果这些子头在同一个m a cp d u 中出现，其中， 分段子头组包子头在同一m a cp d u 中是互斥的。那么其顺序如下：m e s h 子头 授权管理子头，分段( 组包) 子头f a s t - f e e d b a c k 分配子头，子头紧跟在m a c p d u 头的后面。 在c p s 子层，i e e e8 0 2 1 6 e 定义了6 3 个管理消息，用于维护8 0 2 1 6 e 终端和 基站系统的正常运行和管理，管理消息作为p a y l o a d 发送，接收端根据m a c 头 的c i d 来判断是管理消息p d u 还是数据p d u ，管理消息按照优先级和对时延的 要求从高到低依次分为基本连接、主管理连接、次管理连接上的消息。 2 5 3 安全子层( p s ) 为了保护用户信息安全。尤其是为了满足企业用户对商业应用数据安全的需 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章i e e e8 0 2 1 6 e 技术概述 求，i e e e8 0 2 1 6 标准中m a c 层的加密子层为无线接口定义了认证、安全密钥 交换以及封装协议等规范。基站通过对授权用户数据的封装提供了对非授权用户 访问的限制，同时提供了私钥管理协议( p k m ) 迸行两层密钥的安全分发交换， 以及用户身份的实时性确认确保了无线数据传输的安全悼j 。 i e e e8 0 2 1 6 e 的安全协议是基于d o c s i sb p i 和规范中的p k m 协议，但是 针对i e e e8 0 2 1 6 em a c 协议进行了调整，以便无缝地适配i e e e8 0 2 1 6 e 协议， 同时更好地融合更加强大的加密方法。 2 , 6i e e e8 0 2 1 6 接入技术 2 6 1 调度服务类型 在8 0 2 1 6 标准中，在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。为了更好地控制上行 数据的带宽分配，标准定义了五种不同的上行带宽调度模式 2 , 9 1 ，分别为： 一u g s ：在此模式下，基站为终端周期性地分配固定长度的上行带宽。 r i p s ：周期性地为终端分配可变长度的上行带宽。 e r t p s ：带宽需求通过p i g g y b a c k ( 捎带的方式申请) 或是带宽请求m a c p d u 的形式和业务数据一起发送上来，而不需要p o l l i n g 过程。 一n r t p s ：不定期地为终端分配可变长度的上行带宽。 一b e ：为终端提供尽力而为的上行带宽分配。 2 , 6 2 网络初始接入 m s 在上电之后要经历一系列的初始化操作才能够接入网络，进行正常的通 信，网络的初始化过程i l o 】如图2 6 所示。 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章i e e e8 0 2 1 6 e 技术概述 扫描下行信道 能力协商 i 下行同步的建 m s 的鉴权 立 上 获取上行参教f与b s 的注册过程 、 ll 调整测砸与b s 的注册过程 图2 6m s 网络初始接入流程 从上电开始，m s 首先根据频率列表扫描可用信道。在决定了使用的信道之 后，m s 检测周期性帧前导字，获取物理层的信道同步。而后m s 搜寻周期性广 播的d c d 和u c d 信息获取调制、纠错和帧控制信息，实现m a c 层同步。 在实现了m a c 层同步之后，m s 开始扫描d l m a p 控制信息，寻找初始化 测距的机会，m s 将运用截短的二进制指数退避算法发送初始化测距信息。b s 将根据m s 的测距信息的时延特性和功率特性，发送应答信息，要求m s 在时间 和功率上作出一定的调整，再次发出测距信息，一旦m s 测距信息的时间和功率 符合b s 的要求，测距过程就获得成功，b s 为m s 分配b a s i cc i d 和p r i m a r yc i d 初始化测距完成之后，m s 向b s 发送一个s b c p e q 信息通知b s 自己的基 本功能，b s 从m s 支持的功能中选择自己也支持的部分，然后生成s b c r s p 信 息发送给m s 。此阶段是基本b s 和m s 之间基本能力的协商，b s 和m s 之间进 行鉴权，并交换密钥。 鉴权成功之后，m s 发起注册请求，若注册成功，则m s 被允许进入网络。 在此期间，m s 获得s e c o n d a r yc i d ，并且协商口的版本。注册成功之后，m s 通过d h c p ( d y n a m i ch o s tc o n f i g u r a t i o np r o t o c 0 1 ) 获取p 地址，建立系统时间， 并且从t f t p ( t r i v i a lf i l et r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 服务器获取配置文件。 2 6 3 业务流的管理 i e e e8 0 2 1 6 e 的m a c 机制是基于连接的，所有的业务，都必须与某一个连 接相联系。连接为系统的带宽请求、q o s 支持提供最基本的机制，并且能将数据 重庆邮电大学硕士论文 第二章i e e e8 0 2 1 6 e 技术概述 传输和路由到正确的汇聚子层。所以业务流的维护对于系统的运作是很重的。 m s 注册成功之后，m s 分配到3 个管理连接( m a n a g e m e n tc o n n e c t i o n ) ，这 三个连接拥有不同的q o s 级别，被用于传送不同级别的管理信息。b a s i c c o n n e c t i o n 被用于传送较短，且时效性很强的链路控制信息；p r i m a r yc o n n e c t i o n 用于传送较长，且能容忍一定延迟的管理信息，如鉴权和连接建立等；s e c o n d a r y c o n n e c t i o n 用于传送d h c p 、1 f r p 、s n m p ( s i m p l en e t w o r km a n a g o m c n tp r o t o c o l1 等标准管理信息。 除了以上3 个基本的管理连接，还需建立多个用于业务传输的连接。在m s 注册成功之后，连接即可被建立起来，并与业务流建立一定的映射关系，作为问 询、带宽请求、带宽分配的单位。在系统运行过程中，可以根据m s 业务需求的 改变而建立新的连接，也可根据需要终止连接。 在i e e e8 0 2 1 6 ，业务流是在m s 和b s 之间提供的单向数据包传输的m a c 层传输服务。一个业务流可以用一组q o s 参数( 如时延，时延抖动，吞吐量等) 来进行描述。为了标准化m s 和b s 之间的操作，这些参数还包括m s 和b s 之 间的带宽请求和分配操作。在业务流被接纳之后，它就与连接建立一定的映射关 系，m s 以连接为单位请求上行链路带宽，b s 根据业务流的参数为其分配带宽， 或以问询等方式获取业务流的状态信息。 业务流的管理包括业务流的建立，业务流参数的改变和业务流的删除， i e e e8 0 2 1 6 协议规定的操作是d s a ，d s c 和d s d 。业务流的建立是可以由m s 发起，也可以由b s 发起。以m s 发起为例，m s 向b s 发送d s a r e q 进行协商 业务连接的参数，包括q o s 参数，b s 给m s 回d s x r v d ，接着再回d s a r s p 响应，完成协商，最后m s 再向b s 会d s a - a c k 表示确认连接建立成功。具体 的消息流程如图2 7 所示。 dsx-rvd dsa-rsp d s a - c k n s m 图2 7 业务连接的建立 业务流的修改是通过发起方发送d s c r e q 给接收方，如m s 发起。b s 接收。 b s 接收到d s a r e q 后给m s 回d s x - r v d ，接着再回d s c r s p ，协商完成。 最后m s 给b s 回复d s a - a c k 表示确认业务连接修改成功。具体流程如图2 8 所示。 1 2 重庆邮电大学硕士论文 第二章i e e e8 0 2 1 6 e 技术概述 m s 侧 d s x r v d d s c 描p d s o 蕊 b s 图2 8 业务连接的修改 业务流的删除是通过发起方通过发送d s d r e q 给接收方，如m s 发起，b s 接收，b s 接收到d s d r e q 后给m s 回复d s d r s p 成功结束业务连接的删除。 具体流程如图2 9 所示。 2 6 4 带宽请求 图2 9 业务连接的删除 i e e e8 0 2 1 6 中有需要传送数据的m s ，需由b s 对带宽资源进行统一的调度， 除u g s 类型的连接外，任何连接在发送数据前都必须向基站发送带宽请求信息。 i e e e8 0 2 1 6 中定义了两种带宽请求的类型：增量请求方式( i n c r e m e n t a l ) 和总量请 求方式( a g g r e g a t e ) 。增量请求方式用于表明需要在原有基础上增