（通信与信息系统专业论文）wimax+mac层服务带宽调度策略的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 如何最大限度地在宽带无线接入系统中为不同要求的服务提供q o s 保证是一个非 常重要的问题。m a c 层的带宽调度是实现q o s 保障的关键，使用一种高效的带宽调度 算法对保障m a c 层的q o s 十分重要。虽然i e e e 8 0 2 1 6m a c 层协议提出要对各种不 同的业务提供q o s 保证，但并没有对如何调度来达到q o s 要求进行标准化，这样不同 设备商的产品的q o s 性能就会因机制不同而有较大的差别。 本文首先分析了8 0 2 1 6 技术标准及其协议栈，接着对m a c 层协议进行了深入学习， 然后在学习m a c 协议的基础上详细介绍了q o s 调度服务类型。之后本文介绍了几种常 用调度类型并仔细分析了一种不同服务类型间的带宽调度算法，该算法牺牲n r t p s 时延 及吞吐量性能来满足r t p s 业务的时延要求。受该算法启发，本文提出了一种牺牲其他低 优先级业务的q o s 性能来满足高优先级业务的时延性能要求的算法，这种算法可以在一 些对特定业务性能要求较高的场合下得到应用。本文算法通过牺牲n r t p s 及b e 类型业务 的时延及吞吐量来提高e r t p s 类服务流的时延性能，并设置门限值以保证n r t p s 及b e 类型 业务的最 f k 乇q o s 需求。 在i e e e8 0 2 1 6 e 的机制中，当带宽不足以让各个s s 使用单播轮询的方式发送带宽请 求时，b s 会让s s 使用多播轮询和广播轮询的方式竞争传输带宽请求的时隙。为了降低 冲突产生的时延迟，提出一种让e r t p s 的服务流利用免竞争期取得带宽请求传输的时隙 的方法。该方法将原竞争期分为两部分：一部分为免竞争期用于传输e r t p s 带宽请求， 另一部分与原竞争期相同但竞争周期时间被减少，该竞争期用竞争的方式传输其他的 带宽请求消息。该方法最终达到为e r t p s 类型服务流减少延迟、增加吞吐量的目标。本 文使用o p n e t 进行仿真，仿真结果表明，在b e 客户端逐渐增加的情况下，可以看到增 强的实时轮询服务的相比原机制有更好的延迟性能和吞吐量性能。 关键词w i m a x ；服务质量；带宽调度；e r t p s 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 h o wt op r o v i d eq o sg u a r a n t e e sf o rv a r i o u st r a f f i cw i 廿ld i f f e r e n tq o sr e q u i r e m e n t si n f i x e db w as y s t e mi sav e r yi m p o r t a n tp r o b l e m w i t hb a n d w i d t hs c h e d u l i n gi nm a cl a y e r b e i n gt h ek e yp a r t st og u a r a n t e eq o s ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt ou s ea l lh i 曲e f f i c i e n c ym a c b a n d w i d t hs c h e d u l i n ga l g o r i t h m a l t h o u g hi e e e8 0 2 16m a c p r o t o c o l sh a v eb e e np r o p o s e d t os u p p o r tq o sg u a r a n t e e sf o rv a r i o u sk i n d so fa p p l i c a t i o n s ，t 1 1 e yd on o ts u g g e s th o wt o s c h e d u l et r a f f i ct of u l f i l lq o sr e q u i r e m e n t s s ot h eq o sp e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n tv e n d o r s e q u i p m e n tw i l lb ed i s p a r a t eo w i n g t od i f f e r e n tq o sm e c h a n i s m t e c h n o l o g ys t a n d a r da n dp r o t o c o ls t a c ko f8 0 2 16i sa n a l y z e df i r s ti nt h i sp a p e r ， a n d t h e nt h em a c p r o t o c o li sd e e p l ys t u d i e d ，f o l l o w i n gt h a tf i v es e r v i c ec l a s s e so fq o s a r ea l s o i n t r o d u c e di nd e t a i l a f t e ra n a l y z i n gs e v e r a lt r a d i t i o n a ls c h e d u l i n gt y p e s ，ab a n d w i d t h s c h e d u l i n ga l g o r i t h mb e t w e e nd i f f e r e n tt y p eo fs e r v i c e si sa n a l y z e di nd e t a i l i no r d e rt o m e e tt h ed e l a yr e q u i r e m e n t so f r t p ss e r v i c e s ，d e l a ya n dt h r o u g h p u to f n r t p sa r es a c r i f i c e di n t h i sa l g o r i t h m i n s p i r e db yt h i sa l g o r i t h m ，as c h e m ei sp r o p o s e di nt h i sp a p e r ：t h e h i g h p r i o r i t yb u s i n e s sr e q u i r e m e n t so fd e l a yp e r f o r m a n c ec a l lb ei m p r o v e da tt h ee x p e n s eo f t h eq o sp e r f o r m a n c eo fo t h e rs e r v i c ew h o s ep r i o r i t yi sl o w ，w h i c hc a nb eu s e di ns o m e o c c a s i o n st h a th a v eh i 曲r e q u i r e m e n t so fac e r t a i nt y p eo fs e r v i c e t oi m p r o v et h ed e l a y p e r f o r m a n c eo ft h ee r t p ss e r v i c e ，d e l a ya n dt h r o u g h p u to fn r t p sa n db es e r v i c ew i l lb e s a c r i f i c e d t h r e s h o l di ss e tt oe n s u r et h em i n i m u mq o sr e q u i r e m e n t so fn r t p sa n db eb e i n g g u a r a n t e e d i nt h es c h e m eo f8 0 2 16 e ，w h e nb a n d w i d t hi sn o ts u f f i c i e n tt oa l l o we a c hs su s i n g u n i c a s tp o l l i n gt og e tb a n d w i d t h ，b sw i l lf o r mag r o u po fs t a t i o n st h a tu t i l i z em u l t i e a s t p o l l i n ga n db r o a d c a s tp o l l i n gt oc o n t e n dt h es l o t so f t r a n s m i t t i n gb a n d w i d t hr e q u e s t i no r d e r t od e c r e a s et h ed e l a yc a u s e db yc o l l i s i o n s as c h e m ew a sp r o p o s e dt h a tc o u l du t i l i z e c o n t e n t i o nf l e ep e r i o d ( c f p ) t og e ts l o t sf o rb a n d w i d t hr e q u e s to fe r t p s t h eo r i g i n a l c o n t e n t i o np e r i o dw a sd e v i d e di n t ot w os e c t i o n s ：o n ei sc f p ，t r a n s m i t i n gb a n d w i d t hr e q u e s t s f o re r t p s ，t h eo t h e ri st h es a m ea st h eo r i g i n a lc o n t e n t i o np e r i o db u ts h o r t e n e dw h i c hw a s u t i l i z e dt ot r a n s m i to t h e rb a n d w i d t hr e q u e s t s t h ea i mo fd e c r e a s i n ga v e r a g ed e l a ya n d i n c r e a s i n ga v e r a g et h r o u g h p u ti se v e n t u a l l ya t t a i n e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t si no p n e ts h o w t h a to u rm e t h o da c h i e v e sl o w e rd e l a yt i m ea n db e a e rp e r f o r m a n c eo fe r t p sf l o w sd u et ot h e i n c r e a s i n gn u m b e ro f b es m t i o n s k e y w o r dw i m a x ；q o s ；b a n d w i d t hs c h e d u l i n g ；e r t p s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 w i m a x 产生的背景 第一章引言 2 0 世纪9 0 年代以来，宽带无线接入技术发展快速，以本地多点分配系统( l m d s ) 和多信道多点分配系统为代表的无线技术的市场定位为向小型办公室( s o h o ) 、中小型 企业、城市商业中心等宽带用户提供无线接入服务。但这一产业并没有像人们预期的 那样繁荣壮大，其中一个最重要的原因就是没有全球统一的宽带无线接入标准。 i e e e 在1 9 9 9 年专门成立了8 0 2 1 6 工作组来研究并制定宽带无线接入技术规范【l l ， 准备制定一个全球统一的宽带无线接入标准。至2 0 0 5 年i e e e8 0 2 1 6 共提出了两个重 要标准：支持固定用户的宽带无线接入技术标准8 0 2 1 6 d 和支持移动特性的宽带无线接 入技术标准8 0 2 1 6 e 1 2 j 。8 0 2 1 6 d 标准规范制定了宽带无线接入情况下固定无线用户站同 基站之间的空中接口，包括物理层和m a c 层。而8 0 2 1 6 e 标准加入了对移动性的支持， 这是相对8 0 2 1 6 d 的最大改进。8 0 2 1 6 e 标准制定了无线宽带移动用户站的接入方案， 规定适于移动性的许可频段应为6 g h z 以下，用户终端的移动速度为不能高于车辆移 动速度，8 0 2 1 6 e 同时前向兼容8 0 2 1 6 d 标准，即8 0 2 1 6 d 的固定无线接入功能在8 0 2 1 6 e 中并不受影响。 i e e e8 0 2 1 6 工作组主要是针对无线宽带接入的空中接口制定标准。但如果要形成 一个可运营的商用网络，i e e e8 0 2 1 6 技术需要网络其他部分对其进行支持。于是 w i m a x ( w o r l di 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 ，即全球微波接入互操作性) 【3 】论坛 应运而生。w i m a x 论坛于2 0 0 1 年4 月成立，最初该组织主要工作是对基于i e e e8 0 2 1 6 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 论坛旨在推广i e e e8 0 2 1 6 无线宽带网络技术。目前该组织拥有一百多个 成员，其中包括了a l c a t e l 、a t & t 、英国电信、f u j i t s u 、n o k i a 以及i n t e l 等行业巨头。 我国的中兴、华为先后加入w i m a x 论坛，其中中兴还是w l m a x 论坛董事会成员。 w i m a x 技术的推广是一个早有预期的计划，而w i m a x 的兴起则反映了该产业的发展趋 势。 w i m a x 联盟的成员包括运营商、芯片厂商、设备厂商等，组成了完整的产业链。 据统计，目前w i m a x 联盟超过1 4 的成员都是电信运营商。w i m a x 作为一项新兴技术， 能够受到诸多大运营商的关注显示了它巨大的市场吸引力。吸收运营商加入w i m a x 联 盟有利于解决w i m a x 未来发展中的互通问题。 w i m a x 之所以会获得如此广泛的关注，并不全是因为商业上的炒作，与它强大的 技术优势也是分不开的。各厂商正是因为看到了w i m a x 可能会引发广阔的市场需求才 西南交通大学硕士学位论文第2 页 会对其抱有浓厚的兴趣。 随着8 0 2 1 6 e 技术的发展，i e e e 8 0 2 1 6 工作组的目标也逐步扩展，建立一整套i e e e 8 0 2 1 6 标准的认证体系仅仅为最基本工作，一系列能够促进宽带无线接入市场发展的 工作如都需要该工作组去开展进行。i e e e 8 0 2 1 6 工作组通常被认为是w i m a x 空中接口 物理层和m a c 层标准规范的制定者，而w i m a x 论坛则是促进技术和产业推广的推动 者，而w i m a x 已经被认为是i e e e8 0 2 1 6 技术的代名词。 1 2w i m a x 的技术优势4 1 长距离下的高容量 w i m a x 中使用m e s h 、m i m o 、b e a m f o r m i n g 等先进技术改善它的非视距性能，穿 透远距离阻挡物的能力将因其优越的系统增益而大大增加。w i m a x 基站最高可提供每 扇区7 5 m b p s 的吞吐量，可同时为超过6 0 个t 1 级别的商户和上百个采用d s l 的家庭 用户提供接入服务。每个基站的覆盖范围最大可达5 0 公里，平均基站覆盖范围为6 1 0 公里。w i m a x 支持自适应调制和可变纠错码技术，基站可以根据信号的强弱程度在吞 吐量和覆盖范围之间进行选择。w i m a x 信道带宽可以根据实际需要进行调整，从而更 有利于抵抗干扰、节省频谱资源。 系统容量的可升级性 w i m a x 系统的新增扇区的信道规划简易、灵活，能使其容量达到最大化，可以根 据用户数的增加来逐渐升级网络。灵活的信道带宽规划适应多种带宽分配情况。从单 个用户到上百个用户，m a c 层协议都可以保持高效的分配机制。 有效的服务质量控制 m a c 层支持对数据、语音( v o 妒) 以及视频等对时延敏感的业务进行优先调度以 满足其q o s 需求，根据业务的优先级不同对带宽进行按需分配。 提供最后一公里宽带无线接入，同时保持了对w i f i 技术的补足功能 服务提供商可用8 0 2 1 6 设备提供t 1 e 1 速率的网络连接至w i f i 的接入点。在今 天，如果业务无法延伸到用户端，业务提供商则需要花三个月或更长的时间来提供一 条t 1 e 1 线路给商业用户。但有了宽带无线接入技术，业务提供商可以只花费前一种 方案需动用的部分资金，在以天计算的短时间内提供相同的网络接入服务。另外，业 务提供商还可以为突发事件，如展览会，提供按需使用的宽带接入，或为诸如公共场 所等漫游型的零星宽带接入需求提供服务。 1 3 w i m a x 主要协议介绍 8 0 2 1 6 d 标准 西南交通大学硕士学位论文第3 页 i e e e8 0 2 1 6 d 是固定宽带无线接入标准，该标准共定义了单载波、o f d m 2 5 6 和 o f d m a 2 0 4 8 三种物理层实现方式。由于o f d m 、o f d m a 频谱利用率较高，w i m a x 在抵抗多径效应和频率选择性衰落以及窄带干扰上优势明显。所以o f d m 和o f d m a 将成为w i m a x 中两种应用最广的物理层实现方式。 i e e e8 0 2 1 6 d 标准制定了固定无线接入下s s 同b s 之间的空中接口，主要定义了 物理层和m a c 层的空中接口规范，目标用户是固定地点的已知用户。2 0 0 4 年1 0 月1 日，i e e e 正式发布了8 0 2 1 6 d 标准，并统一名称为8 0 2 1 6 2 0 0 4 。 w i m a x8 0 2 1 6 d 的网络架构具有以下优势：( 1 ) 与现有网络架构可完全融合。作为 i p 网络的第二层接入部分，w i m a x 可以完全融入现有的口网络架构，充分利用现有的 核心网和传输网络，( 2 ) q o s 调度机制主要基于m a c 层。在m a c 层的q o s 机制的保 障下，w i m a x 能够合理分配现有资源，在满足公平性原则的同时，也可以在不同用户 对业务容量的不同需求之间进行平衡，从而最大限度的利用有限的频谱资源。( 3 ) 有保 障的传输和业务的安全性。从安全性的角度来说，8 0 2 1 6 d 标准的空中接口具备了加密 认证的功能及其他各种准入措施，可确保数据传送的安全性。 8 0 2 1 6 e 标准 i e e e 8 0 2 1 6 e 标准是宽带移动无线接入标准，它后向兼容8 0 2 1 6 d 标准。8 0 2 1 6 e 宽带无线移动接入就是能够为在普通车速和高速车速状态下提供无线宽带接入的系 统。为那些希望能够在服务区内漫游的用户，提供类似于当今w i f i 能力的支持，但比 w i f i 的连接拥有更强的持久性和稳定性。 无线接入技术的发展方向就是通过引入新的物理层技术( o f d m 、m i m o 等) 使系 统容量更高，覆盖范围更大，并支持一定的移动性，能够与3 g 网络互相兼容并互为补 充。因此，8 0 2 1 6 e 技术刚一出现便成为业界的焦点。i e e e8 0 2 1 6 e 系统具有以下基本 特征： ( 1 ) 高速移动性能：8 0 2 1 6 e 可同时支持固定( 1 6 d ) 和移动( 1 6 e ) 两种宽带无线接入方 式，其对移动速率的要求为不高于车速移动( 通常认为不高于1 2 0 k m h ) 。 ( 2 ) 宽带接入性能：不同的载波带宽和不同的调制方式下得到的接入速率是有差别 的。假如系统载波带宽为1 0 m h z ，采用o f d m 6 4 q a m 方式进行，除去开销，则单载 波带宽可提供约3 0 m b i t s 的接入速率，由蜂窝或扇区内的所有用户共享。i e e e8 0 2 1 6 标准并没有规定标准载波带宽，载波带宽范围从1 7 5 m h z 到2 0 m h z 均可使用，文章 中常见的称w i m a x 最大带宽为7 0 m b i t s ，那是在特定条件下实现的。 ( 3 ) 城域覆盖范围：8 0 2 1 6 e 标准的单个基站覆盖范围为k m 量级，适用于城域范围。 ( 4 ) 提供数据业务为主：8 0 2 1 6 e 系统与基于m 协议的核心网相连，主要向个人用 户提供无线数据接入服务，也可以提供语音业务。 ( 5 ) 8 0 2 1 6 e 是一种无线接入技术，随着无线接入技术的逐步成熟，它的发展可能 西南交通大学硕士学位论文第4 页 会分为以下几个阶段：1 ) 8 0 2 1 6 d 标准的基站和终端逐渐发展成熟，网络部署从室外逐 步向室内发展。2 ) 随着8 0 2 1 6 d 网络的完善，8 0 2 1 6 e 网络开始部署，适用于8 0 2 1 6 e 的便携终端出现，在发展的初期呈“热点”覆盖状态，不能支持切换形式的移动，但可 以支持漫游形式的移动。3 ) 8 0 2 1 6 e 网络逐步形成大规模的覆盖，并最终支持切换移动 功能。 8 0 2 1 6 m 标准 为满足人们日益增长的对高速移动性和传输速率的需求，i e e e 8 0 2 1 6 委员会发起 了8 0 2 1 6 m 项目，在2 0 0 6 年1 2 月对8 0 2 1 6 m 进行立项，这标志着i e e e 8 0 2 1 6 m 标准 的制定工作正式启动。 2 0 0 7 年美国电子电气工程学会( i e e e ) 最新公布的8 0 2 1 6 无线宽带技术草案文本 表明，该机构目前正在研究一项新的无线传输标准8 0 2 1 6 m 。据称新标准至少还需 一到两年才能出台，i e e e 的文件显示，使用该标准后，无线数据传输速率可以达到1 g b 。 事实上，8 0 2 1 6 m 是满足速率达1 g b 每秒的传输模式或高效强信号模式所必需的条件。 i e e e8 0 2 1 6 m 标准采用了m i m o 技术，类似于8 0 2 1 1 9 和8 0 2 1 1 n ，这种技术以多 个发送、接收单元进行数据的同步传送，速度有所提高。在网络环境较好的区域，i e e e 8 0 2 1 6 m 的下行数据传输速度可达到1 g b p s ，此外这项标准也有“高移动”模式，其在高 速移动状态下也可保持在1 0 0 m b p s 左右。 如果要使从w i m a x 技术演变而来的8 0 2 1 6 m 标准成为i m t - a d v a n c e d 的标准，必 须要首先考虑演进后的8 0 2 1 6 m 标准能否满足其最基本要求。i e e e 8 0 2 1 6 m 项目的主 要目标共有两个：一是要满足i m t - a d v a n c e d 的技术要求；二是要保证能够与8 0 2 1 6 e 兼容。为满足i m t - a d v a n c e d 提出的技术要求，i e e e 8 0 2 1 6 m 下行峰值速率在低速移动、 热点覆盖情况下传输速率应能达到1 g b i t s 以上，在高速移动、广域覆盖情况下传输速 率应达到1 0 0 m b i t s 。可以在i e e e8 0 2 1 6w m a no f d m a 的基础上进行修改来实现与 8 0 2 1 6 e 标准的兼容性。通过对i e e e8 0 2 1 6w m a no f d m a 进行增补，可以进一步提 高系统的吞吐量和传输速率。i e e e8 0 2 1 6 m 标准还将与基于o f d m a 标准的4 g 无线 网络兼容。i e e e8 0 2 1 6 m 标准的上行传输速率尚未确定。 1 4论文组织结构介绍 本文主要是在分析8 0 2 1 6 协议的标准m a c 层协议的基础上，重点研究m a c 层服 务带宽请求和调度策略，并对现有策略进行改进，以达到提高e r t p s 服务流的q o s 性 能的目的。 本文内容具体安排如下： 第一章主要介绍了w i m a x 的产生背景、技术优势、主要协议，以及论文的组织结 构安排介绍； 西南交通大学硕士学位论文第5 页 第二章：对w i m a x 协议栈及m a c 层协议进行介绍，重点分析了8 0 2 1 6 e 定义的 五种服务类型，对w i m a x 系统中的带宽请求和分配机制以及竞争解决方案进行了详细 介绍； 第三章：对现有几种调度方式进行详细研究，并建立表格互相比较其优劣之处， 在介绍一种r t p s 服务通过牺牲n r t p s 服务的时延来提高自己的时延性能之后，提出一 个改进的e r t p s 业务的带宽调度方案，该方案牺牲较低优先级服务( n a p s 和b e ) 的q o s 性能来提高e r t p s 服务的q o s 性能，通过对带宽请求消息的传输进行调度来减少e r t p s 服务的竞争冲突，并对该方案进行详细描述和数学分析； 第四章：对o p n e t 仿真工具简要介绍，对该方案使用o p n e t 进行仿真，并对仿 真结果进行分析； 最后，对本文研究内容进行总结，并为未来研究内容及方向作出规划。 西南交通大学硕士学位论文第6 页 第二章w i m a xm a c 层协议介绍 2 1 w i m a x 协议栈介绍 图2 1 为i e e e8 0 2 1 6 e 协议栈体系架构图f 5 1 。从水平方向来看，w i m a x 系统由两 部分组成，一为数据控制平面，一为管理平面。数据平面主要负责处理和转发m a c 层的用户数据，如封装、加密、解封装等；而控制平面则是进行b s 与s s 之间特定的 信令交互，从而实现一些系统运行时所需的控制功能来保障数据传输的顺利进行；管 理平面独立于协议规定，它协助外部的网络管理系统完成相关的管理功能。 厂、 ( c s s a p ) 、， j 面向业务的汇聚子层面向业务的汇聚子层管理实体 m厂、 ( m a c s a p ) a c 网 媒体访问子层络 管理宴体攫体访问层公共部分子层 管 理 安全子层 安全子屡 系 统 ，= 、 ， “ p h y 物理层物理层管理实体 ： 数据控制平台管理平台 图2 1w i m a x 协议栈参考模型 w i m a x 协议栈【7 】详细定义了物理层与m a c 层规范。其中m a c 层又可以分为三个 子层：面向业务的汇聚子层( c s ) 、公共部分子层( c p s ) 和安全子层。c s 子层是m a c 层与上层网络层的接口，c p s 子层完成大部分的m a c 层功能，安全子层主要负责加密 和认证等功能。图2 2 为w i m a xm a c 的协议栈模型。 图2 2 用图形的形式表明了各子层所负责的工作【5 】。分别描述了各子层所对应的业 务种类。 西南交通大学硕士学位论文第7 页 图2 28 0 2 16 m a c 层协议栈 下文为m a c 层三个子层功能介绍： 面向业务的汇聚子层( c s ) 面向业务的汇聚子层负责接收高层业务数据单元( s d u ) ，并将其映射到m a c 层连 接上，或将c p s 层来的s d u 发往高层。其主要功能有： 1 ) 接收高层业务数据单元业务( s d u ) ； 2 ) 对高层s d u 进行分类，将s d u 映射到不同的连接上； 3 ) 基于分类对高层协议数据单元( p d u ) 进行处理； 4 ) 将c sp d u 传递给正确的m a c 服务接入点( s a p ) ； 5 ) 从对等层接收c sp d u 。 i e e e 8 0 2 16 标准协议族中定义的汇聚子层可以提供面向a t m 业务和面向分组业 务的两种汇聚子层。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的分组业务数据单元。由 于目前通信网络中最大的数据业务是基于p 的分组业务。因此w i m a x 论坛已经决定 仅实现面向分组业务的汇聚子层，可提供对i e e e 8 0 2 3 ( 以太网) 、i e e e8 0 2 1 q ( v l a n ) 、 i p ( i p v 4 、i p v 6 ) 等基于分组业务的服务映射。w i m a x 论坛也仅认证与口相关的i e e e 8 0 2 1 6 设备。 公共部分子层( c p s ) m a c 公共部分子层完成大部分的m a c 层核心功能，包括系统接入、带宽分配、 连接建立维护，它从汇聚子层接收高层发来的数据包，并且保证其服务质量。主要有 以下功能： 1 ) m a cp d u 构建和传输； 西南交通大学硕士学位论文第8 页 2 ) m a c 对物理层的支持( u c d 、d c d 、u l m a p 、d l m a p ) ； 3 ) 无线资源管理； 4 ) 动态服务流管理； 5 ) 网络接入控制。 安全子层( s s ) m a c 层的安全子层主要用来提供鉴权认证、密钥交换以及加密功能。它通过对 b s 和s s 之间的连接进行加密为经过w i m a x 网络的用户数据提供保密。另外，安全子 层还可以为运营商们提供强有力的防止其服务被窃取的保护机制。通过对网络中的服 务流进行加密，b s 可以阻止那些对数据传输服务进行的未授权的访问。基本密钥管理 机制中还加入了基于电子证书的s s 授权机制，迸一步加强了基本保密机制。 2 2w i m a x 服务类型及调度介绍 2 2 1w i m a x 服务类型介绍 i e e e 8 0 2 1 6 e 标准定义了五种数据传输业务。各种数据传输业务与各种服务流的 q o s 参数集相对应。为更好地对上行数据业务进行带宽分配，标准定义了五种上行调 度服务流来对应这五类数据传输业务。b s 在上行链路中使用带宽请求授权机制，为每 个s s 都分配带宽使其完成上行数据的发送任务，或者是让s s 得到向b s 发送带宽请 求【9 】的机会。每一种类型的调度服务都规定了与其直接相关的q o s 参数，b s 内部的调 度程序可以根据这些参数得出这些上行业务对吞吐量和时延的需求，然后可以选择在 合适的时刻分配带宽给s s 使用或者对s s 提供轮询服务。下文列出了五种上行调度服 务类型： 主动授权服务( u g s ) 主动授权服务( u g s ：u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e ) ，专门为周期性地传输固定长度 数据分组的实时服务流( 例如t 1 e 1 以及没有静音压缩的v o 口等) 设计。u g s 主要为上 行的u g s 连接提供服务。b s 周期性地为u g s 服务流提供固定比特长度的带宽，这样 就减少了s s 因发送带宽请求带来的开销与延迟，提供所承载业务在实时性方面的q o s 要求。s s 无法使用竞争请求机会为u g s 连接请求带宽，u g s 连接也被禁止使用捎带 的带宽请求( p i g g y b a c k ) 。s s 可以通过对授权管理子头中的p o l l m e ( p m ) 位的设置为l 来为s s 下的非u g s 服务流连接请求单播轮询机会。 实时轮询服务( r t p s ) 实时变速率业务( r t - v r ：r e a l t i m ev a r i a b l er a t es e r v i c e ) 为周期性传输变长数据分 组的实时性业务，例如音频流和m p e g 视频业务，是为满足某些业务动态变化的需求 而设计的，要求必须保证数据的传输速率和时延。上行实时变速率业务对应的服务类 西南交通大学硕士学位论文第9 页 型为实时轮询服务( r t p s ：r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e ) 。b s 提供给r t p s 服务周期性的单播 请求的机会，这样不但满足了r t p s 服务的实时性要求，还允许s s 指出所需要的带宽 的大小从而避免了带宽浪费。r t p s 服务比u g s 多了一部分带宽请求开销，但根据需求 进行带宽分配保证了数据流的传输效率。s s 不可以使用竞争请求机会为上行实时变速 率业务请求带宽。 扩展的实时轮询服务( e r t p s ) 扩展的实时变速率业务( e r t - v r ：e x t e n d e dr e a l t i m ev a r i a b l er a t es e r v i c e ) 用于 周期性传输变长分组数据的实时业务，如采用静音压缩的v o l p 。上行e r t - v r 业务对 应的服务类型为扩展的实时轮询服务( 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 ) 。e r t p s 融合了u g s 较低的请求信令开销和时延以及r t p s 较高的传输效率的优点。一方面，和 u g s 一样，b s 周期性地为e r t p s 服务流分配带宽，节省了s s 因发送带宽请求而导致 的开销与延迟，以保证业务在实时性方面的要求。而另一方面，与u g s 不同的是，b s 分配给u g s 的带宽的大小是固定的，而分配给e r t p s 的带宽是动态变化的。b s 为e r t p s 服务流周期性地分配带宽，这样既可以用于发送带宽请求，也可以用于传输数据。s s 可以发送带宽增量请求b c r ( b a n d w i d t hc h a n g er e q u e s t ) 来改变周期性分配的带宽的大 小。当周期性分配的带宽为零时，上行e r t - v r 就无法得到单播请求的机会，在这种 情况下，s s 可以使用竞争的方式为上行e r t - v r 连接请求带宽。 非实时轮询服务( n r t p s ) 非实时变速率服务( n o n r e a l t i m ev a r i a b l er a t es e r v i c e ) 支持非实时业务如文件 传输f t p ( f i l et r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) ，这种业务要求可以容忍较长的时延和数据包长度的不 固定性，但这种业务要求有最小数据速率保证。上行n r t - v r 连接对应的服务类型为 非实时轮询服务( 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 s 为n r t p s 提供的单播轮询时 间间隔比r t p s 要长，目的是为了让它所承载的业务在网络拥塞时也可以得到带宽请求 机会。但单播轮询的间隔也不能太长，主要是为防止连接在有数据要发送时却得不到 请求带宽的机会。s s 还可以用竞争的方式为n r t - v r 连接请求带宽。 尽力而为服务( b e ) 尽力而为服务( ( b e ：b e s te f f o r ts e r v i c e ) 适用于另外一种非实时数据业务，这种业 务没有数据速率和时延要求，如e m a i l 、网页浏览、短信等。上行b e 连接对应的服务 类型为b e 服务。可以使用任何类型的带宽请求方式或捎带的带宽请求为b e 连接请求 带宽。 标准中定义了五种上行调度服务的q o s 参数，如表2 1 所示，b s 中调度器根据这 些q o s 参数对各服务流执行调度策略。需要注意的是，u g s 服务中最小预留业务速率 与最大持续业务速率必须相同，而其他服务类型则无此规定。 西南交通大学硕士学位论文第1 0 页 表2 1 各服务类型q o s 参数对比 最小预留业务速率 ( m i n i m u mr e s e r v e d t r a f f i cr a t e ) 最大持续业务速率 ( m a x i m u ms u s t a i n e d t r a f f i cr a t e ) 最大时延( m a x i m 啪 l a t e n c y ) 业务优先级( t r a f f i c p r i o r i t y ) 可容忍时延抖动 ( t o l e r a t e dj i t t e r ) 请求传输策略 ( r e x l u e s t t r a n s m i s s i o n p o l i c y ) 主动授权间隔 ( u n s o l i d t e x ig r a n t i n t e r v a l ) 2 2 2 带宽请求和分配机制0 1 0 1 每个s s 在入网和初始化期间都会有三个专用的c i d 用于对控制消息进行发送和 接收。对传输m a c 层管理业务的不同连接会使用不同级别的q o s 的参数。除了固定 比特速率的u g s 连接为固定分配带宽，所有服务都有请求增加或请求减少带宽的功能， 而固定比特率的u g s 连接的带宽从连接建立到中止期间是不允许被改变的。可压缩的 u g s 连接( 例如信道化t 1 ) 的带宽，会基于通信量的变化而相应的请求增加或减少带宽。 当所需带宽变化时，d a m a ( d c m a n da s s i g n e dm u l t i p l e a c c e s s ) n 艮务将基于按需分配原则 来分配带宽。 当s s 发送请求为尽力而为服务类型的服务流连接申请带宽时，它会给b s 发送这 个d a m a 连接当前q o s 请求的消息。然后，b s 将依照指明的q o s 要求来建立连接， 并始终检测q o s 要求是否被满足。w i m a x 8 0 2 1 6 系统中定义了很多种s s 向b s 申请 带宽的方法，下文将一一介绍。 带宽请求( r e q u e s t s l 带宽请求( r e q u e s t s ) 指的是s s 向b s 请求自己需要分配的上行带宽的机制。该请求 可以是独立的一个带宽请求报头或者一个捎带的请求。捎带请求的能力是可选的。 因为上行链路的突发参数可以动态的修改，因此，所有的带宽请求描述的是用来 西南交通大学硕士学位论文第1 1 页 承载m a c 报头和负载所需要的字节数，而不包含任何物理层信息所需的开销。带宽请 求消息可以在分配的上行传输机会中传输，也可以在任意的初始化测距间隔中发送。 若一个s s 没有p d u 在连接上需要发送，就不会为该连接发送带宽请求。 带宽请求方式有两种，可以是申请增加的带宽，也可以是请求所需带宽的总数。 对于s s 来说，可以选择增加的带宽请求方式，也可以选择请求所需带宽的总数。当 b s 收到一个申请增加额外带宽的请求时，会在该连接现有的带宽的基础上，把所请求 的带宽数加到该连接上。而当b s 接收到的带宽请求为带宽总数时，它将用该请求的带 宽总数值代替该连接当前的带宽值。 带宽请求报头中用t y p e 域来表示带宽请求的是增加值还是总数值。捎带带宽请求 头中没有t y p e 域，因此捎带的带宽请求只能采用请求增加的方式。系统的带宽请求 授权协议要求s s 周期性的使用汇总的方式提出带宽申请，完成自我检测。该周期由服 务的q o s 信息和链路质量来决定。考虑到广播或组播的带宽请求在链路中有可能会发 生冲突，所以，基于竞争的带宽请求应该都是基于带宽总数的请求。 授权 w i m a x 系统中每个s s 带宽请求都是基于单个连接的，而每个b s 给予s s 的带宽 授权都是给s s 的基本管理连接c i d 的，而不是请求带宽的数据连接。由于s s 不能确 定是哪个连接的请求得到响应，所以当s s 接到一个传输机会比预期的要小时( 可能是 由于调度程序的决策或者请求消息的丢失等原因) ，也不能查出的原因。不论是在上述 提到的哪种情况里，s s 都要根据从b s 接收到的授权信息和本地连接的请求，决定是 执行回退算法并再一次发送请求消息或者是丢弃s d u 。 s s 可以使用三种请求i e ，分别是广播的、组播的( 指向该s s 所属组播组) 或者指 向s s 基本c i d 上指定的请求i e 。不论是哪一种请求i e ，s s 都必须使用专门为请求m 定义的突发描述来传输请求，即便是b s 可以接受和处理更加有效的突发描述接收s s 。 为了更有效的利用突发描述，s s 应该在指向其基本c i d 上指定的数据传输i e 中定义 的间隔内发送请求。因此，s s 单播轮询可以通过分配s s 的基本c i d 一定的数据传输 机会来完成。在基本c i d 上指定的数据i e 中发送的带宽请求可以为任何属于该s s 的 连接申请带宽。 轮询( p o l l i n g ) 轮询是b s 专门为s s 分配一定的带宽用来发送带宽请求的一种处理流程。这种分 配的传输机会可以是针对单个s s 也可以是针对一组s s 。第二种连接分配传输机会的 方式实际上是定义一种带宽请求竞争机制，分配这种用于轮询的带宽不是使用一个单 独的消息，而是通过u l - m a p 消息中包含的一系列分配机制体现出