（通信与信息系统专业论文）80216多媒体qos保证机制的研究与仿真.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 宽带化是通信网发展的必然趋势。宽带无线接入( b w a ， b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ) 系统是解决“最后一公里”问题，即从 客户网到核心网之间的接入瓶颈的有效途径。在不久的将来，宽带 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。目前， i e e e8 0 2 1 6 无线工作组和为了促进8 0 2 1 6 标准的发展完善和市场推 广，由世界知名通信企业联合发起的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 ，微波存取全球互通) 论坛正致 力于宽带无线接入架构体系的标准化工作。8 0 2 1 6 协议定义了支持 多媒体业务的无线城域网( 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 a n e t w o r k ) 空中接口协议。 w i m a x 作为新一代宽带无线城域网的代名词，近来受到业界的 高度关注。随着w i m a x 应用的逐步形成，越来越多的关键问题需要 解决。而由于w i m a x 能够支持多种多媒体业务，采用面向连接机制， 其端到端的q o s 机制显得尤为重要。对于8 0 2 1 6 系统的q o s 保障， 8 0 2 1 6 标准中详细规定了服务类别的划分以及系统的q o s 框架和具 体的信令交互机制，但是并没有规定具体的q o s 调度算法和接入控 制机制，因此这也是目前的研究热点。 论文第一章介绍了本篇论文的背景、w i m a x 系统的基本发展情 况、本论文的研究内容、理论意义和实际意义。第二章是对8 0 2 1 6 协议的分析研究，主要包括8 0 2 1 6 两种组网方式分析和m a c 层研 究。第三章是对8 0 2 1 6 定义的四种业务类型的介绍和业务源建模。 论文第四章在分析目前对多媒体业务调度算法研究的基础上， 鉴于无线分组调度算法的特殊性，提出一种基于多媒体业务q o s 保 证的公平调度算法。该算法中按照协议规定对于u g s ( u n s o l i c i t e d g r a n ts e r v i c e ) 业务采用固定分配带宽的策略，这样可以省去因为请 求而产生的负载和延迟，并且保证连接的延迟。对于r t p s ( r e a l t i m e p 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 ) 和b e ( b e s te f f o r t s e r v i c e ) 业务，协议规定业务优先级由高到低，为了防止因为优先级 调度而带来的b e 业务的“饿死”问题。采用根据各种业务的传输速 率和时延要求设定一定的权值来分配带宽。这样可能影响了r t p s 业 务的性能，但是会大大提高b e 业务的吞吐率，满足用户阃的公平性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 论文第五章首先分析了8 0 2 1 6 四种业务类型的特点，针对这些 特点，对于u g s 业务采用资源预留策略，对于b e 业务直接接入， 对轮询业务( r t p s 和n r t p s 业务) 采用基于非合作博弈理论的接入准 则。b s 和新连接是博弈方，通过定义效用函数，找到纳什均衡点， 以达到b s 和新连接总体利益的最大化。 最后总结了全文，并提出了未来的展望。 关键词：多媒体；服务质量；调度算法；接入控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 | i 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，b r o a d b a n d b e c o m e st h ei n e v i t a b l e t r e n do ft h ew i r e l e s sn e t w o r k b r o a d b a n d w i r e l e s sa c c e s ss y s t e mi sa ne f f e c t i v es o l u t i o nt ot h e l a s tm i l e p r o b l e mw h i c hm e a n st h eb o t t l e - n e c kb e t w e e nt h ec l i e n tn e t w o r ka n d t h ec o r en e t w o r ki si m p r o v e d b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s ss y s t e mw i l l b ea ni m p o r t a n tp a r to ft h eg l o b a lc o m m u n i c a t i o ns t r u c t u r ei nt h ef u t u r e i e e e8 0 2 16w i r e l e s sw o r k g r o u pa n dt h ew 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 ) f o r u mw h i c hi sf o u n d e db ys o m eo f t h ew o r l d sf a m o u sc o m m u n i c a t i o nc o m p a n i e si no r d e rt oa c c e l e r a t et h e d e v e l o p m e n t b e t t e r m e n ta n dm a r k e ts p r e a d i n go f t h e8 0 2 1 6s t a n d a r di s f o c u s i n go nt h es t a n d a r d i z a t i o no ft h eb r o a n b a n dw i r e l e s sa c c e s s f r a m e w o r k t h e8 0 2 1 6p r o t o c o ld e f i n e st h ew m a na i ri n t e r f a e e s t a n d a r dw h i c hc a ns u p p o r tm u l t i m e d i at r a e r i c a st h ep r o n o u no ft h ew m a n ，p e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt o w i m a xr e c e n t l y w i t ht h eg r o w i n gu po ft h ea p p l i c a t i o n ，l o t so fk e y p r o b l e m sn e e dt ob es o l v e d t h ee n dt oe n dq o sm e c h a n i s mo fw i m a x i s v e r yi m p o r t a n ta s t h er e q u i r e m e n t t o s u p p o r t m u l t i m e d i ao r c o n n e c t i o no r i e n t e ds e r v i c e s t h ep a r t i t i o no ft h es e r v i c e sa n dt h eq o s f r a m e w o r ko ft h es y s t e ma r ep r e s c r i b e di nt h ei e e e8 0 2 1 6s t a n d a r db u t t h es c h e d u l i n ga l g o r i t h ma n dc a l la c c e s sc e n t r e lm e c h a n i s mb a s e d0 n q o sa r en o ti n c l u d e da n dt h el a t t e ri st h er e s e a r c h i n gf o c u s i nc h a p t e rl ，w ei n t r o d u c et h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dp o i n to u tt h e s t u d yd i r e c t i o n sa sw e l l a n dt h e n ，t h e8 0 2 1 6p r o t o c o li n c l u d i n gt h e n e t w o r k i n gm e c h a n i s ma n dt h em a cl a y e ri si n t r o d u c e di nc h a p t e r2 t h et r a f f i cm o d e l so fm u l t i m e d i at r a f f i ci n8 0 2 1 6a r ep r o p o s e di n c h a p t e r3 b a s do nt h ee x i s t i n gr e s e a r c h ，am u l t i m e d i as e r v i c eq o sg u a r a n t e e d f a i rs c h e d u l i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e df o r8 0 2 1 6s y s t e mi nc h a p t e r4 a c c o r d i n gt ot h e8 0 2 1 6s t a n d a r d b sa l l o c a t e sf i x e db a n d w i d t ht ou g s c o n n e c t i o n sa c c o r d i n gt ot h e i rf i x e db a n d w i d t hr e q u i r e m e n t ，a n daf a i r s c h e d u l i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e df o rr t p s n r t p sa n db ec o n n e c t i o n s 西南交通大学硕士研究生学位论文第jv 页 w es e tu paw e i g h tw h i c hi st h ef u n c t i o no ft h ec h a n n e lc o n d i t i o na n d q u e u e sl e n g t hf o rb a n d w i d t ha l l o c a t i o nt oe n s u r ea l ik i n d so fs e r v i c e s q o sr e q u i r e m e n ta n do p t i m i z e dt h es y s t e mp e r f o r m a n c e s i nc h a p t e r5 ，w e a n a l y s et h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e f o u r t y p e so f c o n n e c t i o n sf i r s t ，t h e nw ep r o p o s eac a l la c c e s sc o n t r o la l g o r i t h mb a s e d o nb a n d w i d t hr e s e r v a t i o ns c h e m ea n dn o n c o o 口e r a t i v et w o p e r s o ng a m e t h e o r y ab a n d w i d t hr e s e r v a t i o ns c h e m ei sd e f i n e df o ru g st r a f f i c b e c a u s eo fi t sh i g h e rp r i o r i t yt on o n u g sc o n n e c t i o n w h e nt h er e q u e s t f o rb ec o n n e c t i o na r r i v e sa tt h eb s ，t h er e q u e s ti sa l w a y sa d m i t t e d 。b u t b sw i l ln o ts e ta s i d e a n yb a n d w i d t h f o rs u c hac o n n e c t i o n a g a m e t h e o r e t i cm o d e li sp o r p o s e df o rr t p sa n dn r t p ss e r v i c e si no r d e r t of i n d t h e e q u i l i b r i u mp o i n tb e t w e e nt h eb a s es t a t i o na n dan e w c o n n e c t i o n f i n a l l y , t h et h e s i si sc o n c l u d e da n dt h ef u t u r ew o r ki sp r o p o s e d k e y w o r d s ：m u l t i m e d i a ，q u a l i t y o f s e r v i c e ( q o s ) ，s c h e d u l i n g a l g o r i t h m ，c a l la c c e s sc o n t r o l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 论文背景与国内外研究现状 i e e e8 0 2 工作组在成功制订无线局域网( w l a n ，w i r e l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k ) 标准的基础上，按照宽带无线互联网接入需求，进一 步发展制订了无线城域网( 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 a n e t w o r k ) 标准i e e e8 0 2 1 6 d e 。8 0 2 1 6 近来受到业界的高度关注， 以其更高的速率、更好的灵活性和可扩展性、更低的成本( 也意味 着更低廉的宽带服务价格) 为宽带无线应用提供了新选择。 1 9 9 9 年，i e e e8 0 2 工作组成立了8 0 2 1 6 工作小组来专门研究宽 带无线接入标准，主要任务是制定l m d s ( l o c a lm u l t i p o i n t d i s t r i b u t e ds y s t e m ) 的网络无线传输标准，建立一个全球统一的宽带 无线接入标准，解决“最后一公里”的宽带无线城域网的接入问题。 i e e e8 0 2 1 6 又称为i e e ew i r e l e s s m a n 空中接口标准，是适用 于2 6 6 g h z 频段的空中接口规范。由于它所规定的无线接入系统覆 盖范围可达5 0 k i n ，每基站提供的总数据速率最高可达2 8 0 m b i t s ，因 此8 0 2 1 6 系统主要应用于城域网。符合8 0 2 1 6 标准的设备可以在“最 后一公里”宽带接入领域替代c a b l e m o d e m 、d s l 和t i e l ，也可以 为8 0 2 1 1 热点提供回传在用户终端和基站之间允许非视距( n l o s ) 的宽带连接。一个基站可支持数百甚至上千个用户。原有的8 0 2 1 6 和8 0 2 1 6 a 经过修订统一命名为8 0 2 1 6 d i l 矗】。8 0 2 ，1 6 a 使用2 1 1 g h z 频段，占用2 0 m h z 带宽时速率可达7 5 m b i t s ，采用 s c 2 o f d m o f d m a o f d m a 2 物理层体制；点对多点大蜂窝工作时， 主要采用o f d m o f d m a 体制。8 0 2 1 6 d t 】l 标准予2 0 0 4 年5 月正式颁 布。该协议标准中同时设计了对点到多点( p m p ) 和m e s h 两种拓扑 结构的支持。 2 0 0 2 年i e e e8 0 2 设立了固定移动宽带无线接入( f m b w a ) 研 究组，在8 0 2 1 6 a d 基础上增加移动能力将b w a 变为f m b w a ，形成 了8 0 2 1 6 e 【4 1 。8 0 2 1 6 e 使用2 6 g h z 频段，采用与8 0 2 ，1 6 a 同样的工 作体制，在占用5 m h z 带宽时上、下行链路最高速率都可以达到 1 5 m b i t s ，频谱效率为3 b i t h z ，支持本地和地区的移动性，支持漫 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 游和切换，移动速度可以达到1 5 0 k m h 。8 0 2 1 6 e 的主要问题是切换 问题，要求尽量少改变8 0 2 。1 6 a 的物理媒体访问控制层标准 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 成立于2 0 0 1 年，是一个由世界领先的通信产品及设备公司发起并成 立的旨在推进无线宽带接入的非盈利组织。该组织旨在对基于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。w i m a x 论坛目前成员有包括英特尔、西门子、富士通、 a t & t 、c o v a d 通讯、中兴通讯等设备制造商和英国电信、法国电信、 q w e s t 通信公司、r e l i a n c e 电信和x o 通信等电信运营商在内的多家 成员。 ， 2 0 0 3 年7 月英特尔宣布，计划研发支持8 0 2 1 6 标准的芯片产品， 针对包括有线电视和d s l 等现有的“最后一公里”技术，提供宽带 无线访问的替代方案。2 0 0 5 年4 月英特尔公司宣布w i m a x 芯片组 己开始出货，而硬件制造商酝酿在近期推出内建新芯片组的产品p 】。 w i m a x 已经成为英特尔下一个推广的重点，英特尔将从2 0 0 6 年开 始推出集成w i m a x 技术的笔记本电脑产品，2 0 0 6 年6 月，英特尔 同大连和成都市市政府达成协议，将率先在这两个城市部署w i m a x 网络。据预计到2 0 0 8 年，w i m a x 技术在全球的用户数量将达到4 0 0 0 万，到2 0 1 0 年w i m a x 市场的产值将达到3 0 亿美元 6 1 。 阿根廷m i l l i c o m 电信公司联合宽带无线接入解决方案厂商奥维 通以及i n t e l 公司，共同在拉丁美洲搭建全球第一个w i m a x 网络， 该计划于2 0 0 4 年9 1 2 月期间启动i “。 作为w i m a x 论坛的为数不多的中国成员之一，中兴作为在中 国无线宽带接入领域的领导者被寄予厚望，希望中兴能将自己多年 的市场经验和覆盖多领域的全线产品技术带给论坛的其它成员。中 兴已在8 0 2 1 6 工作组取得了多个会员资格，也正积极参与8 0 2 1 6 的多项标准化工作。 随着8 0 2 1 6 应用的逐步形成，越来越多的关键问题迫切需要解 决i s o 。而由于8 0 2 1 6 能够支持多种多媒体业务，采用面向连接机制， 其端到端的q o s 机制显得尤为重要。基于数据业务的业务流管理成 为8 0 2 1 6 的最关键问题之一。对于8 0 2 1 6 系统的q o s 保障，标准中 详细规定了服务类别的划分以及系统的q o s 框架和具体的信令交互 机制，但是并没有规定具体的q o s 调度算法和接入控制策略，因此 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 这也是目前的研究热点w 。 在8 0 2 1 6q o s 保证机制的研究方面，目前已提出基于信道状态 的分组调度算法( c s d p s ，c h a n n e ls t a t ed e p e n d e n tp a c k e t s c h e d u l i n g ) 和基于业务类型排队( c b q ，c l a s sb a s e dq u e u i n g ) 的 c s d p s ( c h a n n e ls t a t ed e p e n d e n tp a c k e ts c h e d u l i n g ) 调度算法等调 度算法12 1 。c s d p s 算法考虑到了信道状态对系统的影响，提高了 调度的性能。然而，算法中没有为每一个终端提供带宽保证机制。 终端用户可能会获得相较于公平份额少很多的业务机会，并且没有 提供对包时延限制的保证。基于c b q 的c s d p s 算法可以在保证公 平性的情况下提供高的吞吐率。然而在算法中，没有提供明确的机 制来补偿那些因为链路错误而导致未能获得自身份额的用户。同样， 其他的q o s 保证，如时延限制和丢包率也没有涉及。参考文献 2 7 】 和f 5 2 提出一种严格按照业务优先级区分的调度算法，系统的总带 宽按优先级在各类业务之间进行分配，服务类别的优先级是 u g s r t p s n r t p s b e ，对于每一种业务再采用不同的算法。该策略 能很好得满足高优先级用户的q o s 要求，但是不能保证低优先级用 户的需求，无法达到用户公平性要求。在接入控制中必须对高优先 级的业务的总预留速率进行限制才能提高系统性能。参考文献 1 3 和 5 9 1 分别针对单类业务r t p s 和u g s 提出了调度算法，算法很好得 保证了单类业务的q o s 要求，但是对于整个系统的性能却没有给予 评价。参考文献6 4 提出了一种动态接入控制策略，但是该策略只 是采用n r t p s 业务降级来换取其他业务的接入机会，对于n r t p s 业务 来说是很大的负担。参考文献【7 0 在接入控制中针对r t p s 和n r t p s 两种业务提出一种博弈策略，具有一定的创新弊端在于策略集过 于复杂，且没有考虑其余两种业务的接入问题。 1 2 论文研究意义与内容 1 2 1 论文的理论意义、实际意义和研究内容 论文研究的目的和意义t ：在不久的将来，宽带无线接入系统将 成为全球通信架构中的一个重要的组成部分。8 0 2 1 6 作为无线城域 网的标准，大大提升了网络的互操作性，提供了较高的灵活性，从 而引起了人们的广泛关注随着无线数据服务越来越受欢迎以及用 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 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 不周q o s 服务的要求。为了提高系统频谱效率，满足用户间的公平 性，同时很好地支持不同业务的q o s 保证，需要研究和实现q o s 解 决机制的核心。不同业务的q o s 保证可以分为两大类：带宽管理机 制和业务流处理机制。带宽管理机制具体包括：接入控制和资源预 留。业务流处理机制具体包括：业务流分类、分组调度和信道接入 等。 接入控制是决定一个新的连接是否能够建立的q o s 机制。这个 机制能够保证现有会话的q o s 不会受到破坏，同时新的连接的q o s 要求也能够保证。条新连接被接纳的条件是：有足够的带宽能够 容纳新连接，能够保证新连接的带宽和时延等q o s 要求，同时现有 连接的q o s 能够继续保持。 为了保证具有更高优先权的业务接入系统，b s ( b a s es t a t i o n ) 需要评估整个小区下的业务量大小，为高优先级的业务预留足够的 资源，这就是带宽管理机制中的资源预留。 目前的网络中有多种应用，包括语音、视频以及数据，有的有 实时性要求，有的有互操作性要求。不同的业务采用不同的轮询机 制，对它们进行区分服务对于保证不同业务的q o s 来说是非常关键 的。根据对实时性和传输业务速率的要求不同把所有业务分成几种 业务类型进行排队，然后采用一定的调度算法，满足不同业务的q o s 要求的同时能够保证几类业务间的公平性。这就是业务流处理机制 f l4 1 总之，实现最优化的q o s 机制，包括调度机制和接入控制机制 等，使不同q o s 级别的用户共享带宽有着很重要的意义。 本论文的研究内容：建立8 0 2 1 6 定义的四种业务调度模型，包 括u g s 、r t p s 、n r t p s 和b e 。根据这四种业务对速率、时延敏感程度 以及传送间隔的要求来确定所要提供的具体的q o s 等级。设定与这 四种调度服务相关的q o s 参数包括：最大连续速率( m s r ，m a x i m u m s e r i a lr a t e ) 、最小保证速率( m r r ，m i n i m u mr a t er e q u e s t ) ，最大 时延、最大时延抖动以及业务优先级等。分析现有的调度算法，并 进一步加以改进。鉴于几类业务的特性，决定采用一种公平调度算 法，满足不同业务的q o s 要求的同时，保证业务之间的公平性。在 接入控制方面，决定采用基于资源预留和非合作博弈理论的接入控 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 制机制。 1 2 2 论文的创新性贡献 8 0 2 1 6 相应的q o s 保证机制包括调度算法定义、缓冲池管理和 流量控制等，而其中具体的调度规则又确定了必须采用的接入控制 和拥塞控制策略，但是这些算法在协议中并没有被定义和阐述。所 以本文试着提出一些多媒体业务q o s 保证机制，包括用户q o s 等级 的划分、调度策略和接入控制策略等，都是协议中没有明确规定的， 具有一定的创新性。 1 ) 分析目前提出的一些调度算法，针对其不足，提出一种基于 多媒体业务q o s 保证的公平调度算法。算法按照协议规定对于u g s 业务采用固定分配带宽的策略，这样可以省去因为请求而产生的负 载和延迟，并且对u g s 有较好的时延保证。对于r t p s 、n r t p s 和b e 业务，协议规定业务优先级由高到低，为了防止因为优先级调度而 带来的b e 业务的“饿死”问题，根据各种业务的传输速率和时延要 求设定一定的权值来分配带宽，尽量满足了各业务间的公平性。 2 ) 在接入控制方面，分析了8 0 2 1 6 四种业务类型的特点，针对 这些特点，对于u g s 业务采用资源预留策略，对于b e 业务直接接 入，对轮询业务( r t p s 和n r t p s 业务) 采用基于非合作博弈理论的接 入准则。该策略在保证u g s 业务最高优先级的情况下，能够减小r t p s 和n r t p s 业务的阻塞率，最大化系统资源利用率。 1 3 论文的研究方法及组织结构 本文采用数值分析和事件仿真两种研究方法对8 0 2 1 6 多媒体 q o s 保证机制进行研究和仿真。 本论文的组织结构如下： 第一章介绍了本篇论文的背景，当前无线城域网标准i e e e 8 0 2 1 6 基本发展状况、目前的研究热点、本设计研究的主要内容、 论文的理论和实际意义，论文的创新性贡献、论文的研究方法以及 组织结构。 第二章是对8 0 2 1 6 协议的研究。首先是对8 0 2 1 6 协议族的介绍， 然后介绍了8 0 2 1 6 两种组网方式，p m p 和m e s h 模式。并对m a c 层 做了较详细的研究，包括其三层结构和帧结构最后对在8 0 2 1 6 中 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 实现q o s 作了分析。 第三章是对8 0 2 1 6 定义的四种业务类型的介绍和业务源建模。 针对协议定义的u g s 、r t p s 、n r t p s 和b e 四类业务，根据其q o s 特 性采用话音业务、视频业务、f t p 业务和数据业务分别对这四类业务 进行数学建模，为下一步仿真做好准备。 ， 第四章在分析目前对多媒体业务调度算法研究的基础上，鉴于 无线分组调度算法的特殊性，提出了一种基于多媒体业务q o s 保证 的公平调度算法。该算法中按照协议规定对于u g s 业务采用资源预 留并固定分配带宽的策略，这样可以省去因为请求而产生的负载和 延迟，并且保证连接的延迟。对于r t p s 、n r t p s 和b e 业务，协议规 定业务优先级由高到低，为了防止因为优先级调度而带来的b e 业务 的“饿死”问题。采用根据各种业务的传输速率和时延要求设定一 定的权值来分配带宽。这样可能影响了r t p s 业务的性能，但是会大 大提高b e 业务的吞吐率，满足用户问的公平性。 论文第五章首先分析了8 0 2 1 6 四种业务类型的特点，针对这些 特点，对于u g s 业务采用资源预留策略，对于b e 业务直接接入， 对轮询业务( r t p s 和n r t p s 业务) 采用基于非合作博弈理论的接入准 则。b s 和新连接是博弈方，通过定义效用函数，找到纳什均衡点， 以达到b s 和新连接总体利益的最大化。 最后总结了全文，并提出了未来工作的方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章8 0 2 1 6 接入控制关键技术分析 8 0 2 1 6 的出现大大地推动了宽带无线接入技术在全球的发展。技 术的不断成熟以及w i m a x 论坛的发展壮大，强烈地刺激了宽带无线 接入市场，为全球宽带无线接入系统开启了一个蓬勃的发展契机。 8 0 2 。1 6 以其自身的技术特点，使得其主要优势表现在： 1 ) 实现更远的传输距离。它所能实现的5 0 公里的无线信号传输 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，只要少数基站建设就能实现全城覆盖，这样就使得无线网络应 用的范围大大扩展 2 ) 提供更高速的宽带接入。它提供的最高接入速度是3 g 所能 提供的宽带速度的3 0 倍。 3 ) 具有更好的适用性和更低的成本。8 0 2 1 6 网络拥有的良好适 用性充分体现在以下几个方面：一是网络部署时间短；二是具有完 全覆盖能力；三是可根据应用需要灵活调整。 本章将对8 0 2 1 6 接入控制关键技术进行分析，包括8 0 2 1 6 组网 方式介绍、m a c 层分析研究和对8 0 2 1 6 中实现q o s 的讨论，为后面 的研究奠定理论基础。 2 18 0 2 1 6 组网方式 为了保证有效的传输介质共享机制，8 0 2 1 6 协议既支持点对多 点( p m p ，p o i n tt om u l t i p o i n t ) 结构【l5 1 ，又支持网状( m e s h ) 结构 【1 6 】。 2 1 1p m p 结构 点对多点结构即一个b s 服务多个用户站( s s ，s u b s c r i b e r s t a t i o n ) ，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 基站是下行链路上的唯一消息发送者，它以时分复用( t d m ， t i m ed i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 的方式将消息广播至各用户端，在 d l m a p ( d o w n l i n km a p ) 消息没有指定具体接收终端时，s 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 己的数据包。 图2 1p m p 拓扑结构示意图 在上行链路上，s s 以时分多址接入( t d m a ，t i m ed i v i s i o n m u l t i p 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。 2 1 2w i m a xm e s h 结构 基于单跳8 0 2 1 6 点到多点体制，8 0 2 1 6 标准新增了m e s h 拓扑 结构【”i 。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s s 之间，而在m e s h 拓扑中，数据可以直接在s s 之间传输， 并且可以通过多跳的方式传输。m e s h 网络由单个中心节点控制，我 们把这个节点定义为m e s hb s ，m e s hb s 作为w i m a xm e s h 到外网 的接口。 图2 - 2w i m a x m e s h 拓扑结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 如图2 2 所示，因为w i m a x 技术可以在创建大范围无线回程 ( b a c k h a u l ) 网络中应用，因此m e s h 模式中应用了基于回程的 w i m a x t l 8 , 1 9 , 2 0 。图中4 个m e s h 子网“a i r h o o d ”分别由称为“a i r h e a d ” 的基站连接，基站连接到回程站( b a c k h a u l ) ，通过这个回程站，将 信息传输到网管系统服务器，最终连到英特网。该网络结构更好得 解决了覆盖问题，容纳多用户接入。 2 28 0 2 。1 6m a c 分析研究+ 8 0 2 1 6 标准定义了宽带无线接入系统的无线空中接口部分，最 终制定的8 0 2 1 6 系列标准协议栈按照两层体系结构组织，主要对网 络的低层，即m a c 层和物理层进行了规范。包括了几方面内容： m a c 层、物理层、毫米波频率范围、p m p 拓扑结构、m e s h 拓扑结 构，用户站和基站。 2 2 1m a c 层介绍 。 8 0 2 1 6 的m a c 层功能独立于具体的物理层规范，由上到下依次 分为3 个子层1 2 , 】，包括与高层实体接1 ：2 1 的特定业务汇聚子层 ( c o n v e r g e n c es u b l a y e r ，c s ) ，、完成m a c 层核心功能的公共子层 ( c o m m o np a r ts u b l a y e r , c p s ) ，以及安全子层( s e c u r i t ys u b l a y e r ， s s ) 。 1 ) 特定业务会聚子层 特定业务会聚子层( c s ) 提供与更高层的接口，通过不同的会 聚方式更好地适配各种上层业务与协议。8 0 2 1 6 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( v l a n ) 的分组业务数据单 元。 2 ) m a c 公共子层 m a c 公共子层( c p s ) 负责执行m a c 层核心功能，包括m a cp d u 的构建和传送，系统接入，带宽的请求和授予，连接建立和连接维 护，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。 3 ) 安全子层 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 能。 安全子层( s s ) 提供加密、鉴权、密钥交换等与安全有关的功 图2 - 38 0 2 1 6m a c 层参考模型 如图2 3 所示，面向业务的会聚子层负责把离层业务映射到m a c 层，提供了由会聚子层接入点接收数据并转换成能被系统m a c 公共 子层接收的业务数据单元( s d u ，s e r v i c ed a t au n i t ) 功能，这包括 了确认外部s d u 类型并把它们会聚到所对应的m a c 层s f i d 和c l d 上，从而实现q o s 。公共子层是m a c 层中的关键部分，定义了信令 机制。 2 2 2 帧结构 8 0 2 1 6 在许可频段采用f d d 或t d d 双工模式，在非许可频段则 只能是t d d 双工模式【22 1 。8 0 2 1 6 帧结构中每个帧都包含一个上行子 帧和个下行子帧。在t d d 模式下，下行子帧会在上行子帧之前发 送，且上下行子帧的切换点可以根据需要来改变，而在f d d 模式下， 上行子帧和下行子帧是同时发送的。 图2 4 是p m p 结构下以t d d 的双工方式1 2 3 1 为例的帧结构示意 图。图中t t g 表示发送接收传输间隔，为下行子帧与接上去的上行 突发脉冲间的间隔。下行子帧以前导开始，用于同步，而后紧接的 是帧控制部分，用于写入本帧的控制信息，其中可能包含d l m a p ， u l - m a p ，d c d ，u c d 这些m a c 层的消息。接下来的t d m 部分传 送数据，资源在时域上被划分为若干个i n t e r v a l ，每个i n t e r v a l 被用 来传送一个s s 的数据。一个i n t e r v a l 上传送的数据被称为“突发一 ( b u r s t ) 。b u r s tp r o f i l e 是指在一个i n t e r v a l 中使用的物理层传输参数 的集合，这些参数包括调制方式、f e c 类型、前导字长度等。8 0 2 1 6 在上行和下行链路上都支持可交的b u r s tp r o f i l e 配置，也可根据需要 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 对于每个s s 在每一帧中动态调整使用的b u r s tp r o f i l e 。 图2 4t d d 帧结构 s s 会在上行子帧中发送三种突发脉冲，这些突发脉冲在一帧中 出现的顺序和数量是由b s 的上行调度器决定的，并通过下行子帧帧 控制部分的u l m a p 消息告知各s s 。在所安排的带宽中，s s 采用由 b s 为其定义的突发脉冲格式发送信号。 表2 1 列出了本文后面涉及到的8 0 2 1 6m e s h 组网模式中的一些 首字母简略词，表中也给出了这些首字母简略词的解释，以方便理 解。 表2 - 18 0 2 1 6m e s hm o d e 首字母简略词表 b s b a s es t a t i o n基站 s ss u b s c r i b e rs t a t i o n用户站 m s hm e s h m s h n c f gm e s hn e t w o r kc o n f i g u r a t i o nm e s s a g e m e s h 网配置消息 m s h n e n t m e s hn e t w o r ke n t r ym e s s a g e m e s h 嗣接入消息 m s h c s c hm e s hc e n t r a l i z e ds c h e d u l i n gm e s s a g e m e s h 集中调度消息 m s h c s c fm e s hc e n t r a l i z e ds c h e d u l i n gm e s h 集中调度配置 c o n f i g u r a t i o nm e s s a g e 消息 m s h d s c h m e s hd i s t r i b u t e ds c h e d u l i n gm e s s a g e m e s h 分布式调度消 息 w i m a xm e s h 模式帧结构由控制予帧和数据子帧组成2 4 2 6 1 ，如 图2 5 所示。 控制子帧提供两个基本的功能：一个是配置和维护两个不同系统 之间的融合，叫。网络控制”；另一个是系统之间数据传输的协同调 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 度，叫“调度控制”。带有网络控制子帧的帧周期性产生，在网络描 述符里提出，其他所有的帧都有一个调度控制予帧。控制子帧的长 度固定，为7 m s h c t r l l e n 个o f d m 符号，其中m s h c t r l l e n 定义为控制子帧保留的o f d m 符号数的一个参数，当采用不同的调 度策略时，该参数的计算方式也不同，m s h c t r l l e n 在网络描述 符中给出。在网络控制子帧中，最先7 个符号分配给网络接入，紧 接其后的m s h c t r l l e n l 套表示网络配置，每套有7 个符号。 在调度控制子帧中，网络描述符指出在控制子帧中将会出现的分布 式调度消息数，用m s h d s c h n u m 表示。在该子帧中，最先的7 x ( m s h c t r l - l e n m s h d s c h n u m ) 符号被分配来传输包括 m s h c s c h 和m s h ，c s c f 的突发协议数据单元，剩