（电路与系统专业论文）ieee+80216中冲突解决方案的研究.pdf

摘要 题目：i e e e8 0 2 1 6 中冲突解决方案的研究 专业：电路与系统 硕士生：曹路 指导老师：秦家银张琳 摘要 宽带化是通信网发展的必然趋势，目前以光纤为主体的核心网已基本能满 足带宽需求，主要瓶颈在于“最后一英里”的问题。i e e e8 0 2 1 6 协议是为无线 城域网设计的宽带无线接入标准。无线城域网作为有线接入的替代方案，它能 够解决“最后一英里”的问题。 在i e e e8 0 2 1 6 中，可能发生冲突的地方有两个：一是网络接入和初始化 的r a n g i n g 过程；二是带宽分配和请求中，组播和广播情况下，多个用户站( s s ) 的轮询过程。i e e e8 0 2 1 6 采用退避的方法来避免冲突，并由基站( b s ) 决定 退避方法，s s 执行退避方法。 协议中推荐了两种竞争解决方法：一是让所有的用户站都用相同的可以选 择的退避窗口，并在上行信道描述( u c d ) 随时更新值；二是仿效以太网中的 退避方法截断二进制退避算法进行退避窗1 2 1 的选择。但协议中并没有对方 法一中的退避窗口值和方法二中的初始退避窗1 2 1 值作出明确的规定。已有研究 报告指出最佳退避窗口与用户数大约呈2 倍关系，本文通过利用马尔可夫链对 二进制退避算法的描述，验证了方法一中最佳退避窗与用户数之间的关系。通 过分析系统的性能，获得了方法二中最佳初始退避窗与用户数的关系，并在文 中分析了在采用方法二情况下吞吐量与用户数、退避阶数、初始竞争窗之间的 相互关系。同时比较了协议中推荐采用的两种方法的优劣及各自适用的环境。 关键词：1 e e e8 0 2 1 6 ，二进制退避算法，最佳退避窗，最佳初始退避窗 a b s l 弛( t t i t l e ：c o l l i s i o nr e s o l u t i o ni ni e e e8 0 2 1 6 m a j o r ：c i r c u i ta n ds y s t e m n a m e ：l u c a o s u p e r v i s o r ：j i a y i nq i n l i nz h a n g a b s t r a c t b r o a d b a n di sa ni n e v i t a b l ef i e n dt ot h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k a tp r e s e n t ，t h ec o r en e t sm o s t l yu s i n gf i b e rh a v ea l r e a d ys a t i s f i e dw i t ht h en e e do f b a n d w i d t h 1 1 l ek e yp r o b l e mi st h el a s tm i l ea c c e s s i e e e8 0 2 1 6i sab r o a d b a n d w i r e l e s sa c c e s ss t a n d a r df o rw m a ns o l v e d “l a s tm i l e ”a sas c h e m ef o rw i r e d a c c e s s c o l l i s i o nm a yo c c u rd u r i n gi n i t i a lr a n g i n ga n dr e q u e s ti n t e r v a li ni e e e8 0 2 1 6 i np r o t o c o l ，i ti su s i n gb a c k o f ft oa v o i dc o l l i s i o n b s ( b a s es t a t i o n ) d e c i d e st h ew a y o fb a c k o f fa n ds s s ( s u b s c r i b e rs t a s t i o n s ) e x e c u t eb a c k o f f t h e r ea r et w ow a y st or e s o l v ec o l l i s i o n o n ei sm a k i n ga l ls s su s et h es a m e ， h o p e f u l l yo p t i m a l ，b a c k o f fw i n d o wa n df r e q u e n t l yu p d a t et h e s ev a l u e si n t h e u c d ( u p l i n kc h a n n e ld e s c r i p t i o n ) m e s s a g e s t h eo t h e ri sj u s tl i k ee t h e m e tu s i n g t r u n c a t e db i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k o f ft oc h o o s eb a c k o f fw i n d o w b u tt h e r ei sn o c l e a rv a l u ef o rc o n t e n t i o nw i n d o wa n di n i f i a lc o n t e n t i o nw i n d o w t h et h e s i su s e st h e d e s c r i p t i o no fb e b ( b i n a r ye x p o n e n t i a lb a c k o f 0w i t ht h em e t h o do fm a r k o vt o v a l i d a t et h er e l a t i o n s h i po fo p t i m a lb a c k o f fw i n d o wa n du s e r si nf o r m e rr e s e a r c h t h er e l a t i o n s h i po fi n i t i a lo p t i m a lw i n d o wa n dt h en u m b e ro fu s e r si sa l s o c o n s i d e r e d a tt h es a m et i m e ，t h et h e s i sa n a l y z e st h er e l a t i o n s h i po ft h r o u g h p u t ，t h e n u m b e ro fu s e r s ，t h em a xb a c k o f fs t a g ea n dt h ei n i t i a lb a c k o f fw i n d o w f i n a l l y , t h e t h e s i sc o m p a r e st w om e t h o d sa n ds u m m a r i z e se n v i r o n m e n tw h i c ht h e ys u i t e df o r k e yw o r d s ：i e e e8 0 2 1 6 ，b e b ，o p t i m a lb a c k o f fw i n d o w , o p t i m a li n i t i a lb a c k o f f w i n d o w 第1 章引言 1 1 研究背景 第1 章引言 随着i e e e8 0 2 1 1 系列产品的商用化，人们在充分体会宽带无线上网的便利 和优势的同时也发现，由于标准的先天局限性，8 0 2 1 1 在带宽，接入速率，覆盖 范围，安全性和服务质量q o s 等方面存在着不足。为了满足未来宽带无线接入的 要求，i e e e 标准化组织顺应时代潮流，推出了i e e e8 0 2 1 6 系列标准。 1 1 1i e e e8 0 2 1 6 协议的制定 i e e e8 0 2 1 6 标准系列到目前为止包括8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 c 、8 0 2 1 6 d 、 8 0 2 1 6 e 、8 0 2 1 6 f 和8 0 2 1 6 9 q 5 个标准，各标准相对应的技术领域如表1 1 所示。 表1 1i e e e8 0 2 1 6 系列各标准相对应的技术领域 标准号相对应的技术领域 8 0 2 1 6 1 0 - 6 6 g g h z 固定宽带无线接入系统空中接口 8 0 2 1 6 a2 11 g h z 固定宽带接入系统空中接口 8 0 2 1 6 c 1 0 6 6 g h z 固定宽带接入系统的兼容性 8 0 2 1 6 d 2 - 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 1 b ) 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 最早的i e e e8 0 2 1 6 标准是在2 0 0 1 年1 2 月获得批准的，是针对1 0 6 6 g h z 高频段视距( l o s ) 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 、8 0 2 1 6 r e v d 和8 0 2 1 6 e 三个标准。8 0 2 1 6 a 是为工作在2 - l l g h z 频段的非视距( n l o s ) 固定宽带接入系统而设计的，在2 0 0 3 年1 月被i e e e 批 中山大学硕士学位论文 准通过：8 0 2 1 6 r e v d 是8 0 2 1 6 a 的增强型，主要目的是支持室内用户驻地设备 ( c p e ) ，8 0 2 1 6 e 是i e e e 8 0 2 1 6 “d 的进一步延伸，其目的是在已有标准中增加 数据移动性。 1 1 2i e e e8 0 2 1 6 的技术优势 i e e e8 0 2 1 6 的技术优势可以简要概括为以下几点： 传输距离远。 8 0 2 1 6 的无线信号传输距离最远可达5 0 公里，是无线局域网所不能比拟的， 其网络覆盖面积是3 g ( 3 r dg e n e r a t i o n ，第三代移动通信) 基站的1 0 倍，只要建 设少量基站就能实现全城覆盖，这样使得无线网络应用的范围大大扩展。 接入速度高。 8 0 2 1 6 所能提供的最高接入速度是7 0 m ，这个速度是3 g 所能提供的宽带速 度的3 0 倍。8 0 2 1 6 采用与无线l a n ( l o c a l a r e an e t w o r k ，局域网) 标准8 0 2 1 l a 和l l g 相同的o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，正交频分复 用) 调制方式，每个频道的带宽为2 0 m h z 。这也和l l a 和l l g 几乎相同。不过 因为可通过室外固定天线稳定地收发无线电波，所以无线电波可承载的比特数高 于l l a 和1 1 9 。因此，可实现7 4 8 1 m 的最大传输速度。 无“最后一公里”瓶颈限制。 作为一种无线城域网技术，它可以将w i f i 热点连接到互联网，也可作为 d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e ，数字用户线) 等有线接入方式的无线扩展，实现 最后一公里的宽带接入。8 0 2 1 6 可为5 0 公里线性区域内的用户提供服务，用户 无需电缆即可与基站建立宽带连接。 提供广泛的多媒体通信服务。 由于8 0 2 1 6 较之w i f i 具有更好的可扩展性和安全性，从而能够实现电信级 的多媒体通信服务。高带宽可以将l p 网的缺点大大降低，从而大幅度提高v o l p 的q o s ( 服务质量) 。 第1 章引言 1 1 3i e e e8 0 2 1 6 的应用 i e e e8 0 2 1 6 不但具有允许非视距连接，支持大容量用户等特性，而且可以 提供可靠的电信级o o s ，全面支持语音和视频等低时延的应用。其应用包括住宅 宽带接入、用于s o h o 和小企业的d s l 缴业务、用于企业的t 1 e 1 级业务、以及用 于热点的无线回传和蜂窝小区基站回传业务等，如图1 1 所示。 图卜li e e e8 0 2 1 6 的应用 在图中，采用一种类似蜂窝的服务区结构，将一个需要提供业务的地区划分 为若干个服务区，每个服务区内设有基站( b a s es t a t i o n ) ，基站设备经点到多点 无线链路与服务区内的多个固定用户终端( s u b s c r i b e rs t a t i o n ) 通信。每个服务 区覆盖范围为几千米至十几千米，并可相互重叠。基站可安置在屋顶或塔顶上， 一般采用多扇区覆盖技术，通过无线链路或光纤接入骨干网，完成骨干网与无线 传输问的信号转换，用户终端一般采用口径很小的室外定向天线与基站进行通 信，从而获取数字视频、i p 电话、高速数据传输等综合服务。 有鉴于w i f i 组织对于无线局域网推广的作用，为了推进w m a n 设备的业 务应用，提高设备互操作性，富士通，i n t e l ，诺基亚等公司共同组建了非赢利性 的w i m a x 组织，旨在帮助推动与保证基于1 e e e8 0 2 1 6 宽带无线接入设备的兼容 性和互操作性。w i m a x 作为一种随市场实际需求导向不断发展起来的面向最后 一公里接入领域的无线城域网新技术，尤其在目前全球缺乏统一宽带无线接入标 准之际，其研究开发具有重要的战略意义。 中山大学硕士学位论文 1 2 研究内容 1 e e e8 0 2 1 6 系列标准规定( 定义) 了空中接口规范，包括m a c ( 媒体访问 控制) 层和p h y 层。媒体访问控制( m a c ) 层的设计在w i m a x 接入系统的设 备( 基站用户站) 开发中占据举足轻重的地位。i e e e8 0 2 1 6 协议标准为w i m a x 设备的m a c 层提供了实现的框架，同时对协议栈中的核心算法并没有作出规定， 其目的是为设备开发厂商之间的差异化竞争提供知识产权空间。 i e e e8 0 2 1 6 对m a c 的带宽分配和q o s 机制是靠同意，清求协议实现的，该 协议在下行链路采用t d m 数据流，在上行链路采用t d m a ，通过集中调度来支 持对时延敏感的业务，由于确保了无碰撞数据接入，m a c 层改善了系统总吞吐 量和带宽效率，并确保数据时延受到控制，但这并不意味着在i e e e8 0 2 1 6 中就 不存在碰撞。 下行链路数据流由基站( b s ) 按时分复用( t d m ) 向下广播，不存在竞争；上行链 路则采用时分多址接f r d m a ) 方式，但不同于传统的t d m a ，它引入了按需分配 多址接入( d a m a ) 方式，这不仅需要复杂的上行链路调度机制来实现动态带宽分 配，它还需要简单有效的时隙竞争方案使各s s 在发射带宽请求消息时减少碰撞 概率。另外，在网络接入和初始化阶段，初始测距时隙是由多个s s 共享的，在 一个s s 随机地选择一个传输机会时，有可能与其它s s 发生冲突。所以，在i e e e 8 0 2 1 6 中，可能发生冲突的有两个地方：一个是网络接入和初始化的r a n g i n g 过程，二是带宽分配和请求中，组播和广播情况下，多个s s 的轮询过程。 发生冲突后，需要选择适当的退避时问重新发送数据。退避机制是无线节点 m a c 协议中使用的一种具体竞争解决方法，它决定了节点每次在发送报文前所需 要经历的退避时间，目的是在多节点竞争接入同一信道时，保证接入的有效性，达 到合理利用系统资源的目的。 i e e e8 0 2 1 6 中采用退避的方法来避免冲突，并由b s 决定退避方法，s s 执 行退避方法。协议中推荐的两种竞争解决方法，一个让所有的s s 都用相同的可 以选择的退避窗口，并在u c d 中随时更新值；二是仿效以太网中的退避方法 截断二进制退避算法进行退避窗1 3 的选择，但协议中并没有对方法一中的竞争窗 口值和方法二中的初始竞争窗做作出明确的规定。本文的主要工作是通过分析系 第1 章引言 统的性能来寻找方法一中的最佳竞争窗和方法二中的最佳初始竞争窗，并比较两 种方法的优劣及各自适用的环境。 本文正文由以下几个部分组成： 第1 章介绍了论文的研究背景和研究内容。在研究背景中，说明了i e e e 8 0 2 1 6 协议的制定工作，协议的技术优势以及其应用。 第2 章对i e e e8 0 2 1 6 协议进行了研究，对协议的参考模型，物理层及m a c 层分别做出了介绍，并归纳了物理层及m a c 层的特点。 第3 章对i e e e 8 0 2 1 6 中的可能冲突的两个阶段分别做出了介绍，并分别描 述了在b s 端和s s 端各自的解决方案。 第4 章通过数学模型的建立，获得了最佳窗口值和最佳初始竞争窗与用户数 之间的关系，并比较两种方法的优劣及各自适用的环境。 第5 章指明了论文中尚存在的问题以及i e e e 8 0 2 1 6 的冲突避免机制中可深 入研究的若干问题。 中山大学硕士学位论文 第2 章i e e e8 0 2 1 6 简介 2 1 i e e e8 0 2 1 6 协议参考模型 i e e e8 0 2 1 6 d 作为宽带无线接入技术的一种协议标准，定义了空中接口部分 的规范物理( p h y ) 层和介质访问( m a c ) 层。图2 - 1 表示了i e e e8 0 2 1 6 d 的参考模型和协议范围【”。 ： s c o p eo f s t a n d 3 r d ：r 一弋 c 筝g a p ) _ 一 c o - s v s 。r ”g e i c n c 。s l ”s u c b m l a c y e r 。 汁。渊m a n a g e r n e ：n ! e n t l t f 。f l c s r d 五誓筋辅 ! 兰 m a cc o m m o np a r ts u b l a y e r ( m a c c p s ) - 磐蠹可r s e c u r i t ys u b l a y e r m 卞 ： p h y s i c a ll a y e r ! 壬。 l p h y l 一 “哪a g e m 旺咖斗 i j d a 缸i c o n t r o lp l a n l 图2 - 1i e e e8 0 2 1 6 协议参考模型 介质访问( m a c ) 层包括3 个子层：特定服务汇聚子层( 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 es u b l a y e r ) ，公共部分子层( m a cc o m m o np a r ts u b l a y e r ) 和加密 子层( s e c u r i t ys u b l a y e r ) 。 特定服务汇聚子层( c s ) 从c s 服务访问点接收外部网络数据，然后将外部 网络服务数据单元( s d u ) 进行分类，映射到适当的服务流i d ( s f i d ) 和连接i d ( c o n n e c t i o ni d ) ，封装成c sp d u 传送给m a c 公共部分子层的服务接入点。不 6 e掌殳竹苫#岂&_c-芏詈qz 第2 章i e e e8 0 2 1 6 简介 同的上层协议有不同的c s 与之相对应，不同的上层封装格式都由不同的c s 进 行处理。而公共部分子层无需再关心上层的协议和封装格式。在i e e e8 0 2 1 6 d 中定义了两种汇聚子层a 1 mc s 和p a c k e tc s ，分别对a t m 数据帧和口数 据包进行处理。 公共部分子层( c p s ) 提供了m a c ) 罢最核心的功能，包括系统接入、带宽分 配、连接建立、连接维护、o o s 支持等。 加密子层( s s ) 提供了认证、密钥交换、加解密处理的功能。 物理层定义了五种物理层空中链路传输规范，每一种规范都有其适用的频率 范围和应用环境，如表2 一l 所示。 表2 1i e e e8 0 2 1 6 d 定义的物理层规范 物理层规范应用频段 w i r e l e s s m a n s c1 0 6 6 g h z w i r e l e s s m a n s c ab e l o w1 1 g h zl i c e n s e db a n d s w i r e l e s s m a n o f d mb e l o w1 1 g h zl i c e n s e db a n d s w i r e l e s s m a n o f d v i ab e l o w1 1 g h zl i c e n s e db a n d s w i r e l e s s h u i a nb e l o w1 1g h zf i c e n s e - e x e m p tb a n d s 2 2i e e e8 0 2 1 6p h y 层概述 如表2 1 所示五种物理层空中链路传输规范。其中1 0 6 6 g h z 频段是视距传 播，采用单载波调制，这种空中接口被定名为“w i r e l e s s m a n s c ”。在工作方式 上，选用突发( b u r s t ) 结构来同时支持t d d ( 上、下行共享一个信道，但不能同 时发射) 和f d d ( 上、下行拥有独立的信道，支持同时发射) 两种双工方式。这 样的突发结构设计使t d d 和f d d 可以采用相似的处理方式。在增加少许复杂性 的基础上，i e e e 8 0 2 1 6 提供了对于半双工f d d 方式s s 的支持，半双工方式不 需要同时发送和接收，因此可以降低成本t d d 和f d d 两种双工方式都可以支持 自适应的突发描述，这样不同的突发可以选择不同的调制和编码方式。 中山大学硕士学位论文 2 2 1 物理层具体描述 1 0 6 6 g h z 频段的物理层规范定义了使用自适应突发描述的单载波调制模 式：每个s s 包括调制和编码方式在内的发射参数可以在帧间进行调整。信号带宽 以2 5 m h z 和2 8 m h z 为主，采用滚降系数为0 2 5 的n y q u i s t 皿方根升余弦脉冲成型 滤波器，通过随机化操作完成谱成形，并确保用于时钟恢复的位发射。前向纠错 使用了具有可变块长度和纠错能力的r s 码( 生成函数为2 5 6 ) ，内编码是卷积码， 以保证关键数据如帧控制信息和初始接入信息的健壮性。通过在突发描述中选择 不同的前向纠错方式、调制方式( o p s k q a m ，6 4 q a m ) ，可以实现健壮性和效 率的折衷。系统定义的帧长包括0 5 ，i 2 m s 。为了进行带宽分配和物理层转换的标 识，对于t d d 方，在相同的载频上，上行子帧在下行子帧之后；对于f d d 方式， 上行子i 随和下行子帧在同一时间分在不同的载频上。 帧控制部分位于下行子帧的起始位置，包括用于当前下行帧的下行链路映射 d l - m a p 消息和用于当前或将来某个帧的上行链路映射u l - m a p 消息。d l - m a p 消息指定了下行子帧中物理层参数转换( 调制和前向纠错的改变) 的时刻。在帧 控制部分之后，下行子帧一般会包括一个t d m 部分，下行链路的数据利用协商 好的突发描述方式发送给每一个s s 。 在f d d 方式下，t d m 后面可能会有一个t d m a 段，在这些t d m a 段中，每个 新突发描述之前会包含一个单独的前导码( p r e a m b l e ) 。这种结构可以更好地支 持半双i s s 。在一个包含很多半双工s s 的f d d 系统中，为了得到较高的调度效 率，一些半双t s s 可能需要在接收之前就进行发射。由于是半双工方式，这些 s s 会丢失接收同步。t d m a 部分的p r e a m b l e ，可以使其重新获得同步。 因为不同的服务需要动态分配不同的带宽，突发描述构成、持续时间、t d m a 部分是否需要等都会随不同的帧而有所不同。s s 的指定不是通过d l - m a p 消息， 而是通过m a c 头部中的c i d 实现的。如图所示是一个1 0 6 6 g h z 物理层的典型上 行子帧。与下行链路不同，u l - m a p 消息的带宽授予是指配给指定的s s 的。这个 突发描述由u l m a p 消息的u i u i c 码( u p l i n ki n t e r v a lu s a g ec o d e ) 来标识。上行 子帧可以包括基于竞争方式的初始接入所需的带宽及广播方式或组播方式的带 宽请求。 第2 章m 既8 0 2 1 6 简介 上行帧帧结构：上行帧按功能主要划分成i n i t i a lm a i n t e n a n c ei e ( i m ) 、 r e q u e s t 难( r e qr e ) 、s t a t i o nm a i n t e n a n c em ( s mi e ) 和s s d a t ag r a n tl e ( s s 数据) 4 部分。分别用于执行s s 注册、初始测距、带宽请求、周期测距和功率控制、传 递s s 的业务分组等功能。各的起始时问和带宽由上一下行帧中u l m a p 指示。 在i mi e 和r e q 砸期间，各s s 按截断二进制指数退避算法竞争接入。 图2 2 上行子帧结构图 下行帧帧结构；下行帧头部由帧同步前缀和广搔控制信息组成。后者是由 d l - m a p 、u l - m a p 、d c d r f 行信道识别符号) 、u c d ( 上行信道识别符号) 组成。 头部后面是以b u r s t 形式携带的各s s 的数据。d l - m a p 为各s s 指明了对当前下 行帧中信息的访问方式( 如b 1 1 r s t 的起始时间) ，u l - m a p 为各s s 指示了下一上行 帧中它们所需带宽分配信息、发射起始时间等。d c d 消息定义了下行物理信道 特性。u c d 消息则定义了相应的上行帧中各b u r s t 的描述文档，以及“微隙”包含 的p s 数、前缀和s s t r a n s i t i o n g a p 长度、竞争冲突时退避窗的窗口值等信息。 d c d u c d 由b s 周期性发射，不一定在每一帧中出现。 中山大学硕士学位论文 d 赫i a i o n ，、一 2 2 2 物理层特点 图2 3 下行子帧结构图 i e e e8 0 2 1 6 a d e 涵盖了2 一l l g h z 范围内的许可证频段和免许可证频段。符合 i e e e8 0 2 1 6 a d e 标准的系统可以选用三个空中接口中的一个。设计2 一l l g h z 段的 物理层考虑到非视距传播( n l o s ) 的需要。 在2 1 l g h z 频段，8 0 2 1 6 a d 定义了3 种空中接口： w i r c l e s s m a n s c 2 ：采用单载波调制； w j r e l e s s m a n o f d m ：采用2 5 6 点o f d m ，上行接入采用t d m a 作为多址方式， 这个空中接口对于免许可证频段是必选项； w i r e l e s s m a n o f d m a ：采用2 0 4 8 点o f d m a 。通过为每个接收机提供一组子 载波实现多址。考虑到非视距传播的需要，在i e e e8 0 2 1 6 a d q ，引入了对高级天 线系统( a a s ：a d v a n c e da n t e n n as y s t e m ) 的支持。 8 0 2 1 6 的物理层特点总结如表2 2 所示： 第2 章i e e e8 0 2 1 6 简介 表2 - 28 0 2 1 6 的物理层特点 特点 好处 2 5 6 点f f r o f d m 波形内含解决室外视距和非视距环境中多径问题的能力 每射频突发信号自适应调制和可变在给每用户单元提供最大每秒比特数的同时保证射 纠错编码频链路可靠 支持t d d 和f d d 双工方式适应世界各地不同的管制办法，有的允许一种，有的 允许两种 灵活的信道宽度( 例如3 5 m h z 、提供必要的灵活性，以适应在世界各地不同频段与不 5 m h z 和1 0 m h z 等)同信道要求情况下工作 支持智能天线系统 智能天线正在迅速降价，其抑制干扰和提高系统增益 的能力随之对b w a 的部署显得越发重要 2 5 6 点o f d m 调制，能有效室外视距和非视距环境中多径问题的能力；自 适应调制和可变纠错编码，可以根据信道条件提供最大每秒比特数的同时保证射 频链路的可靠性能；考虑到非视距传播的需要，还引入了对高级天线系统( a a s ： a d v a n c e da n t e n n as y s t e m ) 的支持。o f d m 及智能天线等技术的不断成熟，为 w i m a x 的推广起了推动作用。 2 3i e e e8 0 2 1 6m a c 层概述 图2 - 1 可知，m a c 层特定业务汇聚子层( c s ) ，m a c 公共部分子层( m a c c p s ) ，加密协议子层( p r i v a c y ) 三部分组成，其中加密协议子层是可选的。 2 3 1 公共部分子层 m a c 层的核心部分是公共部分子层( c p s ) ，包括系统接入，带宽分配，连 接建立和连接维护等，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。 p d u 数据结构 公共部分子层( c p s ) 通过服务访问点c p ss a p ( c o m m o np a r ts u b l a y e r 中山大学硕士学位论文 s e r v i c ea c c e s sp o i n t ) 接收来自汇集层( c s ) 数据，形成m a c 层公共部分子层 的服务数据单元s d u ( s e r v i c ed a t au i n t ) 数据包。s d u 数据包在发送前，需要 再拆分或合并成m a c 层的协议数据单元p d u ( p r o t o c o ld a t au n i t ) 才可发送， 其数据格式如图2 4 所示。 g e n e r i cm a ch e a d e r ， c r c ( o p t i o n a l ) p a y l o a d ( o p u o n a l ) i ， 图2 4m a c 层p d u 数据结构 一个完整的p d u 是由一个4 8 比特固定长度的m a c 报头，变长的有效栽荷 和可选的3 2 比特循环冗余校验( c r c ) 组成。 用户站接入 用户站接入过程是在端与基站在建立数据传输连接前完成的合法用户站与 基站间建立通信链路的过程，同时也是用户站完成相关性能参数初始化的过程。 在接入过程中，用户站通过管理消息与基站进行交互，获取上下行信道的参数， 进行功率和频率的调整，完成基本能力的协商，以及建立i p 连接。如果在初始 化过程中的某一步出现异常或错误，用户站将根据情况重新初始化或扫描其他可 用信道。这一完整的用户接入过程依据实现顺序与功能的不同可分为扫描下行信 道获取与基站的同步，获取上行参数，初始测距与自动调整，用户站基本性能协 商，鉴权和密匙交换，注册，建立口连接，传输运行参数等。 连接和服务流 8 0 2 1 6 的m a c 层最显著的特征就是数据的传输是基于连接的，所有业务都 是要映射到一个连接上进行传输。每一个连接均有一个1 6 b i t 的c i d ( 连接标识 符) 来标识，所有的传输请求都是基与该c i d 的，服务类型也隐含在c i d 中。 一个用户站早接入网络的过程中，在每个方向上都会分配3 个管理连接用于传输 管理消息。此外，基站还会为用户站分配传输连接，用于数据的传输。此时连接 以及伴随着的相应的服务流就被提供给这个用户站。而且，当用户站的业务需要 改变时，也可以新建一个连接。连接一旦建立起来以后，需要维护时，维护要求 则随着连接的业务类型不同而改变。当然，当用户的业务合约改变时，连接也可 第2 章i e e e8 0 2 1 6 简介 以被终止。与连接紧密相连的服务流概念是公共部分子层协议工作的核心概念， 定义了在连接上传输的协议数据单元的q o s 参数( 如延时，抖动和流量保证等) ， 提供了上行和下行链路的q o s 管理机制。一个连接分配一个对应的服务流，服务 流也可以与带宽分配过程联系在一起。上下行方向都有服务流，所有的服务流都 有基站分配的3 2 b i t 服务流标识符( s f i d ) 。 用户数据通过会聚子层被提交到公共子层上传输，这些消息中包含c i d ，通 过这个c i d 映射到该连接的服务流上。根据服务流的特征可以把服务流分为不 同的类型，从而使得上层实体和外部请求可以根据所需的q o s 选择不同的服务 流。一旦连接建立起来，它将一直保持，直到收到要求终止的消息。 m a c 层管理消息 i e e e 8 0 2 1 6 层定义了4 3 种管理消息，用于维护w l m a x 系统的正常运行和 管理。这些消息是携带在m a cp d u 的数据载荷部，用户根据m a c 头内的c i d 判断有效载荷中包含的是普通数据还是管理消息。基站对用户站的一些控制功能 就是通过发送这些管理消息实现的，并在通信过程中提供一种动态的服务，分别 用于上下行信道描述，系统接入，注册，带宽资源申请，动态服务管理和接入认 证等。管理消息按其优先级和对时延的要求从高到低依次分为基本( b a s i c ) ，主 要( p r i m a r y ) ，辅助( s e c o n d a r y ) 。 下面将介绍几个在8 0 2 1 6 d 中非常重要的管理消息： 下行链路描述消息( d o w n l i n kc h a n n e ld e s c r i p t o r ，d c d ) ：b s 周期性地传送 d c d 管理消息，在d c d 中定义了下行物理信道的特征，如下行帧持续时间、中 心频率、b s1 1 ) 、功率控制方式、d i u c 描述。 下行链路m a p 消息( d o w n l i n km a p ，d l - - m a p ) ：d l m a p 描述了下行 链路的使用，b u r s t 的分配及其调制解调方式、起始时间、持续周期 上行链路描述消息( u p l i n kc h a n n e ld e s c r i p t o r ，u c d ) ：b s 周期性地传送u c d 管理消息，在u c d 中定义了上行物理信道的特征，如初始接入问隙长度、广播带 宽申请间隙长度、中心频率、u 1 u c 描述。 上行链路m a p 消息( u p l i n km a p ，u l - - m a p ) ：u l m a p 描述了上行链路 的使用，b u r s t 的分配及其调制解调方式、起始时间、持续周期等。 带宽的分配和q o s 机制 中山大学硕士学位论文 带宽请求和分配是m a c 层的一个重要功能，在固定宽带无线接入系统中， 各用户站采用t d m a 方式共享上行信道，用户站首先提出带宽请求，向基站上 报业务量信息，基站根据整个系统的业务量来分配空中带宽资源。i e e e8 0 2 1 6 中并没有明确规定具体的带宽分配算法，各个设备供应商可以自行开发。 i e e e8 0 2 1 的m a c 层协议下行信的分配比较简单，因为只有基站在发送。 上行信道的分配则比较复杂，因为所有用户都会竞争发送，信道的分配与每个用 户要求的服务质量有关。上行信道分配带宽时常采用的是一种基于预留的集中控 制方式。上行信道可以看作是由竞争的和预留的发送时机( t r a n s m i to p p o r t u n i t y ) 动态组成的微时隙( m i n i s l o t ) 流。 按分配多址接入( d a m a ) 服务则定义了按需求分配带宽的机制。当一个用 户站需要为某一业务请求带宽时，它将向基站发送一个带宽请求消息，基站则按 相应方式分配带宽资源。 8 0 2 1 6 协议中预先规定了4 种上行基本业务：主动授予服务( u n s o l i c i t e dg r a n t s e r v i c e ，u g s ) ，实时轮询服务( r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e ，r t p s ) ，非实时轮询服务 ( n o n r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e ，n a p s ) ，尽力而为服务( b e s te f f o r t ，b e ) 。 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 ) 支持实时的数据流，数据流 以固定周期固定长度发送，例如t 1 e 1 和不压缩的v o i p 都是典型的应用。强制 的q o s 服务参数包括最大支持流量速率、最大延时、抖动率和请求传送策略。 实时轮询服务( r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e ，r t p s ) 也同样支持实时的数据流，数 据流以固定周期发送但数据包变长，例如m p e g 视频和压缩的v o l p 都是典型的 应用。强制的q o s 服务参数包括最小保留流量速率、最大支撑流量速率、最大 延时、优先级和请求传送策略。 非实时轮询服务( n o n r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e ，n a p s ) 支持发送间隔变长、 数据长度变长的数据流，但有最小数据率的要求，例如f r p 是典型的应用。与 r t p s 不同，当网络出现拥塞时r t p s 仍能获得固定周期的单播轮询申请，而n r t p s 的单播轮询申请却不能够保证。强制的q o s 参数包括最小保留流量速率、最大 支撑流量速率、优先级和请求传送策略。 尽力而为服务( b e s te f f o r t ，b e ) 支持的数据流没有最小服务水平的限制，在资 源有剩余时做处理，例如i n t e r n e t 的w e b 冲浪是最典型的应用。强制的q o s 参数 第2 章i e e e8 0 2 1 6 简介 包括最大支撑流量速率、优先级和请求传送策略。 通过这四种上行规定业务以及相应的o o s ，基站可以预期上行数据的吞吐量 及处理时间，并在适当的时间提供查询或分配带宽。除了非压缩固定比特速率的 u g s 业务外，其他业务可在数据传输过程中增加或减少带宽分配。 2 3 2 会聚子层 8 0 2 1 6 协议传输8 0 2 系列的l l c ，m a c 和p h y 各层外，还传输对应于承 载服务要求的各种上层协议，会聚子层根据提供服务的不同，提供不同的功能。 对于8 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，电话网络中无线中继和帧中继等；8 0 2 1 6 标准中定义 了两种类型的会聚子层：a t m 会聚子层和数据包会聚子层。 会聚子层的主要作用就是对上层的业务数据单元( s d u ) j 进行分类，负责 将其业务接入点( c ss a p ) 收到的外部网络数据( s d u 业务数据单元) 转换和 映射成m a cs d u ，并传递到m a cc p s 层业务接入点( m a cs a p ) 。着具体包 括对外部网络数据( s d u ) 执行分类，并关联到适合m a c 业务流( m a cs e r v i c e f l o w ) 和连接标识符( c i d ) 上，甚至可能包括净荷头抑制( p h s ) 等功能，从 而确保不同业务的o o s 。 上下层的地址映射是通过会聚子层的分类鉴别器完成。分类鉴别器是运用在 没一个进入8 0 2 1 6 网络的数据包上的一套匹配标准，它由一些协议特性所规定 的数据包匹配标准( 如目标i p 地址等等) ，一个分类优先级以及一个c i d ( 连接 标识符) 的映射关系组成。如果一个数据包与某个特定的数据包的匹配标准相匹 配，那么数据包将被发送到服务访问点( s a p ) ，由c i d 所对应的连接进行传输， 对应于该连接的业务流特性对数据包的传输提供了q o s 的支持。下行数据的分类 在基站侧进行，而上行数据的分类则在用户站侧进行。 2 3 3 加密子层 无线网络使用无线介质进行数据传输，任何具有接收能力的设备都可以随时 进行网络窃听，因此对于无线网络而言，安全问题比较严重。一般无线网络至少 存在两大安全威胁：非法访问和窃听，相应于无线网络的认证和保密问题。 中山大学硕士学位论文 e e e s 0 2 1 6 协议在m a c 层定义的加密子层就是用于解决这两个问题，即完成 b s 对s s 身份鉴别认证以