（通信与信息系统专业论文）ieee+80216+mac层设计和带宽调度架构研究.pdf

重庆邮电大学硕+ 论文 摘要 摘要 i e e e8 0 2 1 6w i m a x 是宽带无线接入的重要里程碑，促进了移动宽带 的演进和发展。w i m a x 技术是以i e e e 8 0 2 1 6 系列标准为基础的宽带无线 城域网接入技术，用来解决“最后一公里”得通信要求。它可以为用户提 供范围更广，速率更高的宽带无线接入，近两年来发展迅速，逐渐成为城 域宽带无线接入技术的发展热点。本文主要研究i e i ：e8 0 2 1 6m a c 层设 计和带宽调度架构。 论文首先在根据协议对m a c 层的定义设计完成了m a c 层业务汇聚 子层和公共部分子层的功能模块，并对设计方案进行详细描述。然后，对 现已有的调度架构进行了分析，在此基础上提出了一种公平的带宽调度架 构和算法，通过对新算法与以前算法的仿真分析，验证了新算法的公平性。 关键词：w i m a x ，m a c ，q o s ，带宽调度，公平优先级队列算法 重庆邮电大学硕十论文摘要 a b s t r a c t i e e e8 0 2i6w i m a xi st h ei m p o r t a n tm i l e s t o n ew h i c ht h ew i d eb a n d w i r e l e s st u r n s o n ，p r o m o t e d t h em o t i o nw i d eb a n de v o l u t i o n a n dt h e d e v e l o p m e n t t h ew i m a x t e c h n o l o g y i st u r n so nt h e t e c h n o l o g y t a k et h e i e e e s 0 2 16s e r i e ss t a n d a r da st h e f o u n d a t i o nw i d eb a n dw i r e l e s sc i t y t e r r i t o r yn e t w o r k ，u s e sf a rt os o l v e ”l a s tt h e k i l o m e t e r ”t h e c o r r e s o o n d e n c er e q u e s t i t m a yp r o v i d et h es c o p ef o r t h e u s e r t o b e b r o a d er as p e e dh i g h e rw i d eb a n dw i r e l e s st u r n so n 。i nt h er e c e n tt w o y e a r sd e v e l o p r a p i d l y ，g r a d u a l l yb e c o m et h ec i t yt e r r i t o r yw i d e b a n d w i r e l e s st ot u r no nt e c h n i c a lt h e d e v e l o p m e n th o ts p o t t h i sa r t i c l e m a i n l ys t u d i e si e e e8 0 2 16m a cl e v e ld e s i g na n d t h eb a n dw i d t h d i s p a t c ho v e r h e a dc o n s t r u c t i o n t h ep a p e rf i r s ti nc o m p l e t e dt h em a c l e v e ls e r v i c ea c c o r d i n gt ot h e a g r e e m e n tt ot h em a cl e v e ld e f i n i t i o nd e s i g nt og a t h e rt h e s u b l e v e l a n dt h ep u b l i cm o l e c u l a rf i l mf u n c t i o nm o d u l e ，a n dd e s i g np r o p o s a l d e t a i l e d d e s c r i p t i o n t h e n ，t ot h ed i s p a t c ho v e r h e a dc o n s t r u c t i o n w h i c ha l r e a d yh a dh a sc a r r i e d o nt h e a n a l y s i s ，p r o p o s e di n t h i s f o u n d a t i o no n ek i n do ff a i rb a n dw i d t hd i s p a t c h o v e r h e a dc o n s t r u c t i o n a n dt h ea l g o r i t h m ，t h r o u g ht ot h en e wa l g o r i t h mw i t h b e f o r e h a n d a l g o r i t h ms i m u l a t i o na n a l y s i s 。h a v ec o n f i r m e dt h en e wa l g o r i t h m f a i r n e s s k e yw o r d s ：w i m a x ，m a c ，q o s ，a r i t h m e t i c n 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，也不包含为获得重麽 邮电盘堂 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谢 意。 学位论文作者签名：纠佩够 签字日期：矿1年s 月( ar 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞壑曳太堂有关保留、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。本人授权重废邮电太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：狮彬 导师签名： 签字日期：妒7 年f 月，口日 签字日期： n 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1l e e e8 0 2 1 6 d 的技术特点 当今时代，科技发展日新月异，通信领域更是如此。w i m a x 已经成为 全球电信运营商和设备制造商的关注热点问题之一。i e e e8 0 2 1 6 工作组 的主要任务是开发工作于2 g 6 6 g h z 频带的无线接入系统空中接口物理 层( p h y ) 和媒体接入控制层( m a c ) 规范，同时还有与空中接口协议相关的 一致性测试以及不同无线接入系统之间的互操作性规范。 1 9 9 9 年，i e e e 成立了i e e e8 0 2 1 6 工作组来专门研究宽带固定无线接 入技术规范，目标是建立一个全球统一的宽带无线接入标准。最早的i e e e 8 0 2 1 6 标准是在2 0 0 1 年1 2 月获得批准的，是针对l o g 6 6 g h z 高频段 视距( l i n eo fs i g h t ) 环境而制定的无线城域网标准。但目前所说的8 0 2 1 6 标准主要包括8 0 2 1 6 a l l l 、8 0 2 1 6 d m l 和8 0 2 1 6 e p l 三个标准。8 0 2 1 6 a 是为 工作在2 g 1 l g h z 频段的非视距( n o nl i n eo fs i g h t ) 宽带固定接入系统而 设计的，在2 0 0 3 年1 月被i e e e 批准通过；8 0 2 1 6 d 是8 0 2 1 6 a 的增强型， 主要是统一固定无线接人的空中接口，该标准已经于2 0 0 4 年6 月正式批 准。而8 0 2 1 6 e 的目标是在8 0 2 1 6 d 固定无线接入标准研制的基础上，支 持移动特性，8 0 2 1 6 e 目前正在加入新的特性，如切换、安全等等。目前， 我国正积极地参加w i m a x 标准和技术评估。 8 0 2 1 6 技术特点【4 】【5 】【6 】主要是无线接入技术，通过接入核心网向用户 提供业务，核心网通常采用基于i p 协议的网络。i e e e8 0 2 1 6 标准所关心 的是用户终端同基站系统之间的空中接口，并且主要定义空中接口的物理 层和m a c 层。 1 1 1ie e e8 0 2 16 d 物理层特点 i e e e 8 0 2 1 6 并未规定具体的载波带宽系统可以采用从1 2 5m h z 2 0m h z 之间的带宽。考虑各个国家己有固定无线接入系统的载波带宽划 分，i e e e8 0 2 1 6 规定了几个系列：1 2 5m h z 的倍数、1 7 5m h z 的倍数。1 2 5 m h z 系列包括：1 2 5 2 5 5 1 0 2 0m h z 等。1 7 5m h z 系列包括：1 7 5 3 5 7 1 4 重庆邮电大学硕十论文 第一章绪论 m h z 等。对于1 0 6 6o h z 的固定无线接入系统，还可以采用2 8m h z 载 波带宽，提供更高的接入速率。 8 0 2 1 6 d 根据使用频段的不同，定义了三种不同的物理层技术：单载 波( s c ) 、o f d m ( 2 5 6 点) 、o f d m a ( 2 0 4 8 点) 。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，而对于2 g 1 1 g h z 频段的系统， 将主要采用o f d m 和o f d m a 技术。 在较高的频段( 1 0 g 6 6g h z ) ，无线信号必须视距传播，主要采用 单载波调制技术。由于工作波长较短，可以忽略多径效应，能够允许使用 较大的带宽，这样i e e e 8 0 2 1 6 就有能力在上、下行信道提供非常高的容量。 而在2 g 1 1g h z 可以实现非视距传输，主要采用o f d m 和o f d m a 调制 技术。由于o f d m ，o f d m a 具有较高的频谱利用率，而且具有良好的抵抗 多径效应、频率选择性衰弱和窄带干扰上的能力，所以o f d m 和o f d m a 是w i m a x 物理层的核心技术。w i m a x 系统利用了o f d m 技术，使其传 输距离接近3 0 k m 5 0 k i n 当在2 0 m h z 的信道带宽时，能够支持高达 1 0 0 m b p s 的共享数据传输速率。 w i m a x 系统可以支持t d d ( 时分双工) 和f d d ( 频分双工) 两种复用技 术，在i e e e 8 0 2 1 6 中，还规定了用户站可以采用半双工频分双工( h f d d ) 方式，这样就降低了终端收发器的要求，从而降低了终端成本。 另外i e e e8 0 2 1 6 支持b p s k ，q p s k ，1 6 q a m 和6 4 q a m 多种调制方 式。在信道编码纠错方面，i e e e8 0 2 1 6 采用了截短的r s 编码和卷积码级 连的纠错编码，并且还支持分组t u r b o 码、卷积t u r b o 码。 1 1 2l e e e 8 0 2 1 6 dm a c 层特点 m a c 层的一个重要特点在于它是面向连接的，可以提供服务质量保 证。不同的业务类型具有不同的服务质量参数，可以通过灵活的机制保障 各种业务的服务质量。 8 0 2 1 6m a c 层是靠同意请求协议来接入媒体的，下行链路采用t d m 数据流，上行链路采用t d m a ，系统根据通信连接的q o s 特性和业务的实 际需要来动态分配带宽，不同于传统移动通信系统所采用的分配固定信道 的方式，因而具有更大的灵活性，在满足q o s 要求的前提下尽可能地提升 资源的利用率，更好地适应t c p i p 协议族所采用的包交换的方式。由于 确保了无碰撞数据接入，8 0 2 1 6 的m a c 层改善了系统总吞吐量和带宽效 2 重庆邮电犬学硕十论文第一章绪论 率，确保数据时延受到控制。t d m t d m a 接入技术还使支持多播和广播 业务变得更窖易。 1 2i e e e 8 0 2 1 6 d 主要应用前景 w i m a x 应用前景1 7j 是在短期市场目标是宽带无线接入城域网( b w a m a n ) 。正如所有的新生事物一样，w i m a x 本身也正面临一些挑战，比如 类似8 0 2 2 0 所提供的移动性。但是，作为随市场实际需求导向不断完善 起来的面向。最后一公里”接入的无线城域网标准，w i m a x 有着重要的 战略意义。对于国内电信运营商来说，普遍存在者由于覆盖及装各环境限 制及众多历史因素等造成的网络部署问题，此时，w i m a x 具有特别的现 实意义：对于城郊、农村、偏远地区以及利用x d s l 、c a b l em o d e m 方式 不能有效覆盖、不便于或不值得部署有线网络的区域，w i m a x 将大有用 武之地。而且在8 0 2 1 6 d 基础上增强改进的8 0 2 1 6 e 标准，更有助于有效 延伸w l a n 的连接。应此，w i m a x 有望与w i f i 进行有效互补，有力地 推进热点地区及家庭与s o h o 等小型办公区域地无线网络发展。 据估计，到2 0 0 9 年，全球在宽带无线接入方面的节点用户规模超过 7 0 0 万以上，而终端用户更是不计其数其市场之大不言而喻并且目前 已经在快速启动。同时，在远程实时图像监控、实时视频转播、视频会议、 数字电视移动接收等远程无线图像通信方面的需求当前就已经非常迫切， 而且宽带无线接入系统进一步解决了多用户共享互通的问题，这为下一代 多用户无线多媒体通信提供了重要的技术保障，从而面临着一个更大的应 用市场。因此，本项目所开发的技术和系统具有非常广阔的应用前景。 1 3 论文结构安排 本文主要研究i e e e8 0 2 1 6m a c 层设计和带宽调度架构，共分五章， 具体内容安排如下： 第一章介绍了i e e e8 0 2 1 6 的发展和研究现状，分析了8 0 2 1 6 d 的技 术特点。 第二章对i e e e 8 0 2 1 6 d 的m a c 层进行详细分析，包括协议的结构、 网络拓扑结构和帧结构以及接入方式，接下来对m a c 层三个子层协议分 别进行了讨论。 重庆邮电火学硕十论文 第章绪论 第三章主要是根据协议的要求，设计完成m a c 层的功能模块，主要包 括业务汇聚子层的功能模块和公共子层的功能模块。 第四章首先比较分析了现在各种调度算法，在此基础上提出一种新的 调度架构。 第五章总结了本文所做工作，并探讨了进一步的研究方向。 4 重庆邮电大学硕十论文第二章i e e e 8 0 2 1 6 dm a c 层技术丹析与研究 第二章ie e e 8 0 2 1 6 dm a c 层技术分析与研究 2 1l e e e 8 0 2 1 6 的拓扑结构 i e e e8 0 2 1 6 dm 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 结构是种点到多点的结构( 如图2 1 所示) 。 图2 1p m p 结构示意图 在p m p 模式下每一个基站下连若干个用户站，下行方向只有b s ( b a s e s t a t i o n ) 发送，通常采取广播的形式，向上通过b s c 连到骨干网，基站充 当着路由器的作用。这样就组成了传统的蜂窝网络结构。上行带宽由多个 s s ( s u b s c r i b e rs t a t i o n ) 共享，共享方式是基于请求的。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( u l m a p ) 结构中。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。这种网络中可以使用高性能的集中式无线资源分配和调度策 略。 图2 2m e s h 结构示意图 m e s h 是i e e e 8 0 2 1 6 d 中新增的一种拓扑结构( 如图2 2 所示) 。m e s h 网络，也称多跳网络，是一种在无线设备间高效传输数据的灵活的体系结 一、舀 丫叁髂 缈 重庆邮电大学硕士论文第二章i e e e 8 0 2 1 6 dm c 层技术分析与研究 构。网络中的用户节点不仅可以作为m e s h 网络的客户端，同时也起到m e s h 网络中的路由器的作用。与外网相连的节点被称为m e s hb s ，其他的节点 都被称为m e s hs s 。在m e s h 模式下，w i m a x 用户可以通过相邻的其他用 户节点，以多跳的方式连接到骨干网。m e s h 方式在频谱资源的空自j 复用 度、功率效率和网络覆盖能力方面有很大的优势，但是m e s h 结构需要很 复杂的控制信令，为了减小信令开销，分布式的资源调度策略更加有意义。 协议中该模式是可选的，所以在这里不做详细描述，后面对于m a c 层协 议的研究也主要是基于p m p 模式的。 2 2i e e e 8 0 2 1 6 的协议栈结构 i e e e 9 0 2 1 6 d 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( m a c ) 子层结构，图2 3 是8 0 2 1 6 d 的协议参考模型。文献【8 】和 9 】 对m a c 层协议进行了详细分析。 ：。鼢讨铺删。- -一一1 盎盯 呻卜l 一( c s w ，一- l - i is 刊杷e s 嗽胁c 一 c ”嘤兰5 岫憎y r ： c c s i： 广 呼吁葛印_ l 眦c o m - n p 卸s 岫娜： m a c c p s i一 b 正d a n h f n 恤v - i cc 叩_ t 的np a n 轨h 玎射 s 利n t ys 岫i 甜w ；s k 岫s u b i a y r ： 帅i 喇l l 啪 ： i p h y l一 i 常幢洲+t - 。 l f r _ 哺即删 mp 嘶 ：一一一一一一一一一一一一一一一一。：。一一一一一一一一一一一一一一一一一一。 - - - - - - - - _ - 图2 38 0 2 1 6 d 协议参考模型纠 m a c 层分为三个子层：业务汇聚子层( c s ) 、公共部分子层( c p s ) 和安全子层( s s ) 。c s 子层负责和高层接口，汇聚上层不同业务，通过不 同的汇聚方式更好地适配各种上层协议。c p s 子层负责执行m a c 层的核 心功能，包括系统接入、带宽分配、连接建立、连接维护等，c p s 于层可 分为数据平面和控制平面。安全子层负责m a c 层加密、鉴权、密钥交换 6 重庆邮电大学硕士论文 第一二章i e e e 8 0 21 6 d 姒c 屋垫垄坌堑皇堑塑 等与安全有关的功能。 2 3 特定业务汇聚子层 s e r v i c e s p e c i f i cc s 子层位于m a cc p s 子层之上并通过m a cs a p 将 m a cs d u 交给m a cc p s 。 c s 子层执行以下的功能： 夺从上层获得协议数据单元( p d u ) 。 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。 根据分类的绪果对上层p d u 进行指定操作( 如p h s 头部压缩) 。 夺将c sp d u 发送到合适的m a cs a p 。 夺接收从对等实体发出来的c sp d u 。 对接收到的对等实体c sp d u 进行包头解压缩和重建。 目前，协议主要提供两种类型的c s 子层，分别为a t mc s 子层和分 组c s ( p a c k e tc s ) 子层。其它类型的c s 子层可能在将来制定。 a t mc s 子层是为a t m 服务提供的逻辑接口，用于承载a t m 业务。分 组c s 子层是用来服务各种基于分组的协议，承载分组业务，像i p v 4 ，i p v 6 、 点到点和以太网等基于分组的业务。 高层协议数据一旦被分类并映射到特定的m a c 连接，就应该被封装成 m a cs d u 格式，如图2 4 所示： 图2 4m a cs d u 格式弘1 每一个数据包包含一个8 位的p h s i 域，其后才是真实的负荷数据， p h s i 为零表示没有进行负荷头压缩( p h s ) ，否则，其值表示了压缩规则 的索引，该索引所对应的规则在基站及终端是一样的。分类用于将m a c s d u 映射到合适的连接以传送对等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， 7 重庆邮电大学硕十论文 第二章ie e e 8 0 2 j 6 d 坠! 星垫丕坌堑皇婴壅 分类器由一些协议相关的数据包匹配标准( 如目标i p 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 i 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。优先级不一定要求唯一，但是需要避免冲突。如果一个 包与所有的分类器都无法匹配，基站可以将它与一个默认的c i d 关联或丢 弃。 2 4m a c 公共子层 在一个频点及扇区内，下行方向只有基站发送，因此没有必要与其它 基站同步，除了t d d 系统。终端必须在下行链路上监听，并检查接收到 p d u 的c i d ，只保留发送给本终端的p d u 。 在上行方向所有的s s 在请求带宽的基础上来共享与b s 之间的链路。 根据其服务类型，s s 可能被b s 授权持续进行发送，或者在b s 收到其带 宽请求并允许后才能发送。 m a c 层是面向连接的，每个连接对应一个服务流。在一个终端被安装 到系统中时，服务流就可以被指派。当终端完成注册，连接就与服务流关 联来提供请求的带宽保证。另外，当用户服务需求改变时，可能会建立新 的连接。一个连接不仅定义了与汇聚层的映射，还定义了服务流，而服务 流定义了在这个连接上传输的p d u 的q o s 参数。服务流提供了一种上下 行链路的q o s 管理机制。 m a c 协议设计的中心思想就是服务流架构在连接上的概念。服务流提 供了上下行q o s 管理的机制。s s 以连接为基础来请求带宽，这实际上就 与服务流关联起来了。连接在建立后，可能需要主动维护，根据服务类型 的不同，维护会不一样。如非信道化t 1 服务由于每一帧具有恒定的带宽 因此基本不需求维护，而信道化t 1 服务由于带宽动态变化，因此需求一 些维护。i p 服务由于突发和分段的特性，需要持续维护。连接可以根据基 站及终端的要求动态建立、修改及终止。也可以静态配置。 2 4 1 寻址与连接 每个终端有一个4 8 位唯一的m a c 地址，在初始阶段测距过程用于与 8 重庆邮电火学硕十论文 第二二章i e e e 8 0 2 1 6 dy a c 层技术分析与研究 基站建立一个合适的连接，也被用于基站和终端相互认证。其实与8 0 2 的m a c 地址意义和作用都是相同的。 每个连接由一个1 6 位的c i d 标识，在终端的初始过程中，基站与终端 将建立三对管理连接( 双向) ，这三对连接也表示了基站与终端的管理信 息具有三种不同的q o s 。基本连接和主管理连接式必须的，第二管理连接 式可选的。 基本连接用于基站与终端的m a c 层交互短的、实时的m a c 层管理信 息。主管理连接用于基站与终端交互长的、可以容忍更多时延的m a c 层 管理信息。第二种管理连接被用于基站与终端之间传输可允许时延的、基 于标准的管理消息。第二类管理连接上传输的消息都是i p 包数据报格式 可能被组包或分段。 基本连接与主管理连接都是基站接收到终端的初始测距请求时，为终 端分配的，时终端完成接入过程的必备条件。这两个c i d 是用于接入控制 的，所以不可缺少。而第二管理连接的作用只是为了传输基于其他标准协 议管理消息，因为其他协议都是处于m a c 之上，对于8 0 2 1 6 来说是透明 的，所以没有第二管理连接，终端仍旧可以正常实现功能，只是没有办法 对终端实现接入控制之外的其他管理。对于消息管理，我们通常采用c r c 进行效验。 这些连接的c i d 是在r n g r s p 和r e g r s p 消息中分配的。在管理连 接中，同对连接的c i d 数值是一样的。因为c i d 是1 6 b i t 的，所以在每个 上行或下行链路上，最大可以支持6 4 k 个c i d 。 传输请求是基于这些c i d 的，因为不同的连接允许的带宽不一样，如 一个终端为一栋大楼中的多个不同用户服务，终端将根据所有用户的要求 来请求带宽，尽管用户有不同的租赁合约，不同的连接参数。也就是说不 同连接可以使用带宽是不相同的。多个更高层的连接可能通过同一个c i d 操作，如一个公司内的多个用户通过t c p i p 访问不同的i p 地址，但由于 他们都使用相同的服务参数，他们所有的业务是轮询的。 服务的类型以及服务的其他参数都是隐含在c i d 中的，因为通过c i d 可以查找到这些信息。其实服务类型或者其他参数是与服务流相关的，如 果分配有c i d 就肯定存在s f i d ，所以就能减缩到所有信息。 2 4 2m a cp d u 格式 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 c 9 重庆邮电大学硕十论文第二章i e e e 8 0 2 1 6 di = i a c 层技术分析与研究 p 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 u d 数据或分 段。其中m a cp d u 负荷长度可变，净荷和c r c 为可选项。协议中给出的 m a cs u d 格式，如图2 5 所示。 ， 图2 5m a cp d u 格式”1 协议中将m a cp d u 头格式分为了两中，一种是通过m a c 头格式， 包括m a c 管理消息或c s 层数据，另外一种是带宽请求头，用于请求额外 的带宽。这两种头格式的区分，可以根据h e a d e r t y p c ( h t ) 位来实现。0 是普通头，1 是带宽请求头。其中，在使用带宽请求头时不能包含负荷。 这是因为当通用头h t 为0 ，m a c 消息头的第一个字节不能为o x f x 这 样有利于防止在检测汇聚子层增加的填充字节时出现错误。 协议给出了普通m a c 头的格式，如图2 6 所示，并对普通m a c 头格 式中主要字段的含义进行了说明。 墨 ： 一 一 e k s：l e n o t y p e ( 6 ) ： 一 一f 2 ) 磊 m s b ( 3 ) 卜o 罡u叱 zu l e nl s b 8 ) c i d m s b f 8 ) c i dl s b ( 8 ) h c s f 8 ) 图2 6 普通m a c 头格式卜j h t ：( h e a d e r t y p e ) h t = 0 ，表示是普通头。 e c ：( e n c r y p t i o n c o n t r 0 1 ) e c = 1 ，负荷加密。 e c = 0 ，负荷不加密。 m a cp d u 头的前四位不允许出现全1 ，即不能为0 x f 。 c i ：( c r ci n d i c a t o r )c i = 1 ，有c r c 效验。c i = 0 ，无c r c 效验。 e k s ：( e n e r y p t i o nk e ys e q u e n c e ) t e k 索引，当e c = 1 时有意义。 h c s ：( h e a d e rc h e c ks e q u e n c e ) 头的前五个字节效验。 1 0 重庆邮电火学硕士论文第二章i e e e 8 0 21 6 d 姒c 层技术分析与研究 l e n ：m a cp d u 数据字节长度，包括头及负荷。 t y p e ：负荷的类型有以下几种： = x 0 0 0 0 0 b ，= 1 ，存在m e s h 子头。 = 0 x 0 0 0 0 b = 1 ，存在a r q 应答负荷。 = 0 0 x o o o b ，扩展类型，表示是否存在级联或分段子头。 = 1 扩展，适用于a r q 允许的连接。 = 0 ，不扩展，适用于a r q 禁止。 = 0 0 0 x 0 0 b ，= 1 ，p a c k 子头存在。 = 0 0 0 0 0 x b ，= 1 ，下行表示f a s t - f e e d b a c k 分配子头存在， 上行表示授权管理子头存在。 协议中还定义了带宽请求头，具体如图2 7 所示。 一 一 ro b r m 8 8 f 1 1 ) t y p e ( 3 ) o 工山 b rl $ 1 b 8 )c i d m s b ( b ) c i ol s b ( 8 )c 暑( b ) 一 图2 7 带宽请求头格式1 其中：h t = 1 ，e c = 0 。 头的长度是6b y t e s 。 b r ：表示要求的宽带字节。 t y p e ：表示类型，t y p e = 0 0 0 ，表示要求的额外的带宽。 t v p e = 0 0 1 ，表示要求的总带宽 m a c 子头分为五种：m e s h 子头、授权管理子头、分段子头、封装子 头、f a s t f e e d b a c k ，其中，分段子头封装子头在同一m a cp d u 中是互 斥的。授予管理子头长度为2 个字节，被s s 用来向b s 发送带宽管理需求。 分段子头是对m a cp d u 的净荷分段时需要的。需要封装时，m a c 层将多 个m a cs d u 封装进一个m a cp d u ，当这些m a cs u d 长度不同时， m a c 层会在每一个m a cs d u 前面加上封装子头。如果这些子头同时出 现，其顺序如下： 重庆邮电大学硕士论文第二笔l ! 嬖! ! ! ：! 鲤! 盟星堇垄坌堑皇! ! 壅 m e s h 子头授权管理子头分段( 封装) 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 cp d u 头的后面。必须在m a c 头中标明子头存在。 2 4 3 构造及传输m a cp d u ( 1 ) 约定( c o n v e n t i o n s ) 数据发送要遵守以下规则： m a c 消息的各个字段要按标准中所列顺序发送。 m a c 消息m s b ( 最高有效位) 先发送。 s d u 或s d u 分段按从上层接收到相同的字节顺序发送。 字符串按字符先后发送 下面是m a cp d u 包的构建过程( 如图2 8 所示) ： 重庆邮电大学硕十论文 第二章l e e e 8 0 2 1 6 dm a c 层技术分析与研究 图2 8m a cp d u 包构建过程1 ( 2 ) 级联( c o n c a t e n a t i o n ) 多个m a cp d u 可能被组合在一起一次发送，图2 9 表示了上行组包 发送的概念。每一个m a cp d u 均由一个唯一的c i d 来标识，这样接收方 的m a c 层就可以将m a cs d u 送到相应的m a cs a p 。m a c 管理消息、 用户数据以及带宽请求的m a c p d u 都可以被串联在一起进行发送。 l u s e rb a n o w a ：l t b ii m a n s g e r n e n t u s e ru s e r i pou i r e q u e s t p d u li p d u p d up d u l _ 1 若石萄r _ l 1 磊五一l _ 石五鬲丁石石；主i i 东 图2 9 一个上行突发级联例子1 重庆邮电大学硕十论文第二章i e e e 8 0 2 1 6 d 姒c 层技术分析与研究 ( 3 ) 分段( f r a g m e n t a t i o n ) 分段是指一个m a cs d u 被分成多个m a cs d u 。当m a cs a p 建立连 接时就定义了是否允许分段。通过增加标签来定位相应的分段。分段的最 大长度可以在连接建立过程中或者建立后由连接双方协商。对于非a r q 连接，分段被顺序传送一次，利用每一个分段的序列号可以重组原数据包 并检测是否有数据丢失，一个连接一次允许进行一个分段传输。如果出现 数据丢失，接收端将丢弃相应的所有分段m a cp d u 。对于a r q 允许的连 接，每一个传输都允许分段。此时的分段时通过将编号相邻的一系列a r q 块级联在一起来实现的。分段子头的b s n 就是出现在该数据段中的第一 个a r q 块的b s n 。 ( 4 ) 封装( p a c k i n g ) 如果允许封装，则m a c 层会将多个m a cs d u 封装到一个m a cp d u 。 由发送端决定是否将s d u 进行封装。对于固定s d u 长度的非a r q 传输 来说，s d u 前不需要封装头。在建立连接时，在d s a r e q 中包含了s d u 大小。m a c 头中的长度信息实际给出了一个m a cp d u 中s d u 的数量。 对于可变长度的非a r q 传输来说，需要封装子头。如果一个p d u 中有两 个及以上的s d u ，那么m a c 头中的t y p e 字段就必须表明封装子头的存 在。 2 4 4 上行链路请求准许调度 上行链路请求准许调度由基站实现，目的是为每一个下属的s s 提供 上行传输带宽或请求带宽的机会，通过一个调度服务及关联的0 0 s 参数， b s 调度程序可预期上行业务吞吐量及时延需求，并在合适的时机提供轮 询或准许。 调度服务是m a c 调度程序为了在一个连接上传输数据的一种数据处 理机制，每一个连接都与一个单独的数据服务相关联，每一个数据服务与 一系列的q o s 参数相关联，这些q o s 参数确定了数据服务的特性，并通 过d s a ，d s c 消息交互来管理。共有四种数据服务u g s ( u n s o l i c i t e dg r a n t 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 r t p s ( n o n r e a l - t i m ep o l l i n g s e r v i c e ) ，b e ( b e s te f f o r t ) 。 一：主动授权业务( u g s ) u g s 业务用于传输周期性的、包大小固定的实时数据业务，例如t i e 1 以及没有经过静默压缩的v o i p 。基站( b s ) 周期性的以强制方式进行调度， 1 4 重庆邮电大学硕十论文第二二章l e e e 8 0 2 1 6 d c 层技术分析与研究 也就是说这一类业务一旦申请成功，在传输过程中就不需要再去发送带宽 请求信息。b s 不接收来自用户台( s s ) 的竞争请求机会，同时禁止使用 捎带请求，这样避免了带宽请求引入的开销和时延，满足实时业务的时延 和时延抖动的要求，最小预约业务流速率和最大维持业务流速率必须设 置成相同的值。并且s s 还可以通过帧中的联带( p m ，即p o l l m e ) 比特 的设置为同一s s 下的其他非u g s 业务流请求单播机会。如果需要改变某 个授权周期内的授权数目，s s 必须启动动态业务改变过程( d s c ) ，u g s 业务主要的服务参数为：授予大小、授予间隔、授予抖动。 准许管理，( 2 字节长，用于s s 给b s 发送带宽请求，对u g s 服务有 s i 和p m 位，对其它服务表示附带带宽请求) 其子头用于s s 与b s 之间 u g s 服务流传输状态信息，其中最重要的b i t 是准许管理头中的s i 位， 如果s s 发现传输队列长度超过规定值，将设置该位为1 ，如果队列长度回 到j 下常值，则设鹭为0 。基站收到s i 位后，将准许s s 发送更多的数据包， 来为类似m a p 丢失或时钟不同步这样的情况来进行长时间的补偿。p m 位 设置后表示，将允许基站将u g s 连接所分配的带宽交给其它非u g s 连接 使用。 b s 分配的带宽不应该大于最大持续带宽，除非准许管理消息的s i 位 被设置，在这种情况下，b s 将再分配1 带宽用于时钟不匹配补偿。 二：实时轮询业务( r t p s ) r t p s 主要用于支持周期性的、包括可变的实时业务，是为满足动态变 化的业务需求而设计，例如m p e g 视频业务。b s 为n p s 提供周期性的单 播查询请求机会。并禁止使用其他竞争请求和捎带请求。由于s s 提出请 求，协议的开销和时延会增加。主要服务参数为：轮询间隔、轮询抖动、 最小预约速率。 b s 必须提供周期性的单独带宽请求机会给s s ，为了使该服务工作正 常，请求，传输策略要求s s 禁止为该类连接使用竞争请求时机来发送带宽 请求，相反，s s 只能使用单播轮询请求来申请带宽。 三：非实时轮询业务( n r t p s ) 非实时轮询业务( n r t p s ) 支持非周期变长分组的非实时数据流，例如 有最小速率要求的因特网接入。b s 提供比r t p s 轮询间隔更长的周期或不 定期的单播请求机会。另外，s s 也可以使用竞争和捎带请求的方式来请求 带宽。n r t p s 可以被设置成不同的优先级。关键的服务参数是：轮询间隔、 最小预约速率、业务优先级。 b s 将为该连接提供单独请求时机来请求带宽，请求传输策略设置应 重庆邮电大学硕士论文第二章i e e e s 0 2 1 6 d 眦c 层技术分析与研究 允许s s 使用竞争请求时机来发送带宽请求，这样s s 就可以使用竞争方式、 单独请求方式以及主动提供的数据突发方式来进行带宽请求。 四：尽力而为业务( b e ) 主要用于支持非实时无任何速率和时延抖动要求的分组数据业务， 如，e m a i l 和短信等，不要求提供吞吐量和时延保证。b e 业务允许使用任 何类型的竞争请求机会和捎带请求，但是不允许它们使用任何单播轮询请 求机会。主要的q o s 参数是：最小预约业务速率、业务优先级。 2 4 5 带宽分配和请求机制 在每个终端的初始阶段，有三个专用的c i d 用于接收及发送控制信 息。这三对连接对应不同的q o s 。除非压缩恒定b i t 率的u g s 连接外， 其它服务都可能有增加或减少带宽请求的情况，非压缩的u g s 连接其带 宽从建立到终止将一直保持不变，其它各类连接，包括压缩u g s 连接都 有带宽申请的需要。d a m a ( d e m a da s s i g n e dm u l t i p l ea c c e s s ) 服务用于 提供请求资源。当s s 为一个b e 调度服务请求带宽时，s s 发送一个d a m a 连接的请求消息到b s 。s s 有很多种方式来请求带宽。 一：请求 当终端需要分配上行链路带宽时，可以单独发送一个带宽请求或使用 附带请求。由于上行的突发配置文件可以动态改变，因此所有的带宽请求 应该明确表示需要多少b y t e 的带宽来传送m a c 头及负荷，而不是物理 ( p h y ) 负荷。带宽请求可以在除初始测距外的所有上行间隔来发送。 带宽请求可以要求带宽增量或带宽总量。当基站接收到带宽请求时， 应该增加或减少带宽来满足终端的请求。带宽请求的t y p e 字段表示一次 带宽请求是增量或总量请求，对于附带带宽请求由于没有t y p e 字段，应 此都表示增加。请求准许协议的这种自我纠正特性要求终端周期性的使用 总带宽请求来进行带宽调整。这种周期性的调整是q o s 服务为了保证链路 质量的一个功能。广播或多播带宽请求应该使用总带宽方式表示，主要是 为了防止冲突导致的消息丢失。 二：准许 对于终端，带宽请求是按单个连接进行，而每一个带宽分配使用的是 终端的基本c i d 而不是各个连接的c i d 。由于哪一个请求被准许是不确 定的，当终端获得的带宽比希望的少时，不会有明确的原因给出。在各种 情况下，终端根据最后从基站收到的信息及请求的状态，决定如何进行处 1 6 重庆邮电大学硕士论文第二章l e e e 8 0 2 1 6 dm a c 层技术分析与研究 理，是再请求或是丢弃s d u 。 s s 要利用其基本c i d 所分配的时隙来发送数据，因此单播轮询一般使 用基本c i d 的d a t ag r a n ti e 。s s 利用这个时机来为s s 所有的连接请求带 宽。s s 在等待接收s d u 的同时为某个连接发送增加带宽请求，然后处理 接收到的上行链路分配信息单元，如果是为基本c i d 分配带宽，则将带宽 分配给请求的