（无线电物理专业论文）i+eee80216d系统设计及仿真.pdf

中山大学硕十学位论文 i e 髓8 0 2 1 6 d 系统设计及仿真 专业：无线电物理 硕士生：董虹宇 指导教师：秦家银教授 摘要 i e e e8 0 2 1 6 d 是最新颁布的宽带无线接入标准，支持固定的宽带无线接入， 适用于视距和非视距的环境，是目前研究的热点技术。本文对i e e e 8 0 2 1 6 dm a c 层传输机制进行分析和实现设计，并使用9 嘲络仿真软件o p n e t 完成系统仿真。 i e e e8 0 2 1 6 d 定义了基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 和用户站( s u b s c r i b e r s t a t i o n ，s s ) 之间的空中接口。8 0 2 1 6 d 的m a c 层采用点对多点、面向连接的 传输机制，使用授予请求的调度机制支持具有不同q o s 参数的业务。但是为了 给厂商提供更多的灵活性，8 0 2 1 6 d 仅从系统功能和管理信令上给出详细的描述， 并未给出对q o s 支持、调度机制等关键技术给出具体的实施方法。 本文使用o p n e t 网络仿真软件对i e e e 8 0 2 1 6 d 进行系统仿真，设计并实现了 i e e e 8 0 2 1 6 d 的仿真软件架构、q o s 支持实现方案、m a c 层调度机制实现方案等。 设计仿真软件架构时充分考虑了软件的可扩展性；提出的q o s 支持实现方案有很 强的实用性，能很好地支持不同q o s 业务：m a c 层调度机制实现方案完成了上行 链路u g s 和r t p s 调度业务的数据传送，在保证q o s 要求的同时最优地利用了动 态分配的带宽。本文研究的重点在1 d a c 层的传输机制，不考虑物理层对系统性能 的影响。最后本文给出了u g s 和r t p s 调度业务数据仿真的结果。 关键词：i e e e8 0 2 1 6 d ，0 p n e t ，系统仿真，q o s ，调度机制 主坐盔兰堡：! = 兰垡笙壅 s y s t e sd e s i g na n ds i u l a t i o no f i e e e8 0 2 1 6 d m a j o r ： r a d i op h y s i c s n a m e ：h o n g y ud o n g s u p e r v i s o r ：p r o f j i a y i nq i n a b s t r a c t i e e e8 0 2 1 6 di sa ne m e r g i n gg l o b a lb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s ss t a n d a r d c a p a b l e o f d e l i v e r i n gm u l t i p l em e g a b i t s o fs h a r e dd a t at h r o u g h p u t s u p p o r t i n gf i x e do p e r a t i o n a tp r e s e n tal o to fr e s e a r c h e sh a v eb e e n f o c u s e do nt h es t a n d a r d t h et h e s isa n a l y s e st h em a ct r a n s p o r tm e c h a n is m s o fi e e e8 0 2 1 6 da n dm a k e su s eo f0 p n e tt oc a r r yo u ts y s t e m ss i m u l a t i o n i e e e8 0 2 1 6 ds d e c i f i e sr a d i oi n t e r f a c eb e t w e e nb a s es t a t j o n ( b s ) a n d s u b s c r i b e rs t a t i o n( s s ) 8 0 2 1 6m a cp r o t o c o li s d e s i g n e d t os u p p o r t p o i n t t o m u l t p o i n ta r c h i t e c t u r ea n dq o sm e c h a n i s m st a k i n ga d v a n t a g eo f r e q u e s t g r a n tm a cs c h e d u l i n gm e c h a n i s m s b uc8 0 2 1 6 do n l yd e f jn e st h e s i g n a l i n gm e c h a n i s mf o r i n f o r m a t i o ne x c h a n g eb e t w e e nb sa n ds sa n d d e s c r i b e st h es v s t e m a t i cf u n c t i o ni nd e t a i l o d i no r d e rt od r o v i d em o r e f l e x i b i l i t yt om a n u f a c t u r e r ， t h ep r o t o c 0 1d o e s n t g i v ea n ys p e c i f i c a l g o r i t h ma b o u tk e ym e c h a n i s m ss u c ha sq o sm e c h a n i s m s a n ds c h e d u l i n g m e c h a n i s m s t h et h e s i ss i m u l a t e st h ei e e e8 0 2 1 6 dm a cp r o t o c o l ，d e s i g n sa n d i m d l e t t l e n t s t h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ， q o sa r c h i t e c t u r e ， a n d姒c s c h e d u l i n ga r c h i t e c t u r ea n ds oo n t h ee x t e n s i b i l i t yi sk e yf e a t u r et h a t i s s u p p o r t e db y t h es o f t w a r ea r c h i t e c t u r e t h e m a cs c h e d u li n g a r c h i t e c t u r ei sp r a c t i c a la n da b l et 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 s k i n d so fa p p l i c a t i o n s t h e m a cs c h e d u l i n ga r c h i t e c t u r ec a ns c h e d u l e u p l i n kt r a f f i co fu g sa n dr t p st of u l f i l lq o sr e q u i r e m e n t sa sw e l la sm a k e b e s tu s eo fb a n d w i d t h b e c a u s et h es y s t e ms i m u l a t i o ni sc o i i 】p l e xa n dt i m ei s1 i m i t e d ， t h e r e a r ea1 0 to fw o r k sl e f t i fad e r f e c ts i m u l a t i o nm o d e li sn e e d e d k e yw o r d ：i e e e8 0 2 1 6 d ，o p n e t ，s y s t e ms i 叫l a t i o n ，q o s ，s c h e d u l i n g i l i e e e8 0 2 1 6 d 系统设计及仿真 第1 章引言 宽带无线接入在城域网范围内提供了无线的高速数据传输。它不仅建网速 度快、维护简单、成本低，而且有利于新的电信竞争者加入到有效的竞争中。传 统的宽带无线接入技术( 如多通道多点分配业务m m d s 、本地多点分配业务l m d s ) 因缺乏统一的标准最终限制了自身的发展，而新兴的宽带无线接入技术则实现了 统一的标准。由电气和电子工程师协会i e e e 提出的8 0 2 1 6 协议正是这样一个全 球统一的宽带无线接入标准，它得到了众多设备生产商、运营商的支持，无疑是 未来i t 产业发展的巨大动力，是当今通信领域最引人瞩目的课题之一。 i e e e 8 0 2 1 6 d 是最新提出的宽带无线接入标准，取代了8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 和 8 0 2 ，1 6 c ，是最高版本固定宽带无线接入标准。移动宽带无线接入8 0 2 1 6 e 的标 准化工作也是在i e e e 8 0 2 1 6 d 的基础上进行。因此对i e e e 8 0 2 1 6 d 的研究有着非 常重要的意义。 目前，各个厂商都积极开展8 0 2 1 6 d 的研发。在i n t e l 技术支持中心的网页 上可以查找到i n t e l 公司8 0 2 1 6 相关工作的技术文档。i n t e l 目前己开发了 8 0 2 1 6 d 的芯片。为了推动市场在8 0 2 1 6 支持移动性、服务提供、多天线系统 等等方面都做了深入地研究。中国的中兴通讯在8 0 2 1 6 协议形成中也发挥着非 常重要的影响力。通过和z t e 技术人员交流，了解到z t e 征在抓紧8 0 2 1 6 d 产品 的研发和8 0 2 1 6 e 草案的提出。另外，有少量学术性论文在讨论8 0 2 1 6 中q o s 的架构“”“1 。总的来说，主要是设备生产厂商对8 0 2 1 6 进行研究，而各 个厂商为了取得竞争优势对技术都尽可能保密，因此可以得到的资料较少，大部 分工作都是独立完成的。 由于i e e e8 0 2 1 6 d 是最新公布的宽带无线接入的空中接口标准，因此在 0 p n e t 网络仿真软件中尚未有i e e e8 0 2 1 6 的相关模块。搭建8 0 2 1 6 d 的系统模 型对后续的研究将起到非常重要的作用。i e e e8 0 2 1 6 d 定义了两个设备基 站b s 和用户站s s ，本论文完成了这两个设备的仿真。8 0 2 1 6 d 定义了m a c 层和 物理层的标准。在i e e e 8 0 2 1 6 d 的标准中，仅仅给出了m a c 的各种机制的目标描 述，而对于其中实现的方法则留给厂商完成。给了厂商很大的灵活性，但也给协 第1 章引言 议的开发提出了较大的挑战。本论文的重点主要集中在i e e e8 0 2 1 6 d 的m a c 层， 对m a c 层的协议标准进行研究，设计仿真的框架和数据结构，完成带宽分配机制、 调度机制、q o s 支持方案的实现。由于受到o p n e t 的限制，不能详细地刻画物理 层的性能，因此物理层的仿真仅进行了简单的处理。 论文主要的难点在于： o p n e t 有着非常强大的网络仿真功能，但是其复杂性却给熟练掌握提出 了较大的困难。 i e e e8 0 2 1 6 dm a c 协议十分复杂，系统仿真工作量大、难度高，但完成 论文的时间相对较短。 i e e e8 0 2 ，1 6 d 提供了必要的灵活性让厂商在设备中有各自的竞争优势， 在协议中仅对系统功能和管理信令上给出详细的描述，并未给出具体的 实施机制，给系统仿真提出了较大的挑战。 本论文完成包括b s 和s s 两个设备的仿真模型，设计并实现了i e e e 8 0 2 1 6 d 的仿真软件架构、q o s 支持实现方案、m a c 层调度机制实现方案等。目前仿真模 型支持的功能包括：上行链路调度机制、动态服务流创建机制、u g s 调度服务q o s 保证、r t p s 调度服务q o s 保证等等。由于系统仿真工作量大、难度高，在目前 完成的i e e e 8 0 2 1 6 d 的系统仿真模型上仍需继续完善。 本文正文由四大部分组成： 第一部分：对宽带无线接入标准i e e e 8 0 2 1 6 和网络仿真软件o p n e t 进行综 述性介绍，包括8 0 2 1 6 的市场应用、关键技术、系统组成等，以及网络仿真技 术和网络仿真软件o p n e t 仿真机制等。 第二部分：对i e e e8 0 2 1 6 d 协议进行研究，特别是m a c 层的q o s 机制和调 度算法。根据协议的规范，设计q o s 框架、u g s 和r t p s 调度业务的实施方法。 第三部分：详细描述i e e e8 0 2 1 6 d 基于o p n e t 的仿真方法和实现方式，包 括b s 和s s 的网络模型、节点模型、进程模型。重点在进程模型中父进程、子进 程的处理流程。然后给出了仿真的结果，比较u g s 和r t p s 两种调度业务，证明 2 i e e e8 0 2 1 6 d 系统设计投仿冥 仿真的正确性。 第四部分：指出系统模型尚存在的问题，以及i e e e 8 0 2 ，1 6 d 需要深入研究的 若干问题。 ! ! ! ! ! 坚：! 塑墨堕丝笪墨堕塞 第2 章工e e e 8 0 2 1 6 d 和0 p n e t 简介 2 1i e e e8 0 2 1 6 简介 这一节将对宽带无线接入标准i e e e 8 0 2 1 6 进行综述性介绍，包括8 0 2 1 6 的 概述、市场应用、关键技术、系统组成等。 2 1 _ 1 概述 i e e e 8 0 2 1 6 协议是为无线城域网设计的宽带无线接入标准。无线城域网利 用建筑物室外天线与中心基站之间的通信来提供网络接入服务，作为有线接入 ( 光纤、使用c a b l em o d e m 的同轴电缆、x d s l ) 的替代方案，解决“最后一公早” 的问题。 i e e e 8 0 2 1 6 能够达到数百兆比特每秒的传送速率覆盖数十公里的范围，支持 固定、漫游或移动的无线宽带接入，适用于视距和非视距的环境。在实际典型的 城区应用环境下，能够以每个信道4 0 m b i t s 的速率覆盖3 一1 0 公里支持固定或漫 游的终端。这足以支持数以百计的t 1 e 1 商业用户和数以千计的d s l 家庭用户。对 于高速运动的移动终端，能够在3 公里的范围内提供每信道1 5 m b i t s 的速率。 8 0 2 1 6 有着非常突出的技术和价格优势，是解决大信息量区域连接的有效方法， 是使互联网走向无线、宽带和高速的关键技术。 i e e e 8 0 2 1 6 支持话音、视像、数据等具有不同q o s 要求的应用，在可靠性和 q o s 方面提供电信级的性能。8 0 2 1 6 应用包括住宅宽带接入、用于s o h 0 和小企业 的d s l 级业务、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2 一l 所示。 第2 章i e e e8 0 2 1 6 d 和o p n e t 简介 图2 一li e e e 8 0 2 1 6 的应用 根据是否支持移动特性，i e e e8 0 2 1 6 标准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 、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 在2 0 0 1 年1 2 月通过，名称为“固定宽带无线接入系统的空中接口”。 该标准定义了在1 0 6 6 g h z 之间的单载波调制模式。 8 0 2 1 6 a 作为8 0 2 1 6 的修正案于2 0 0 3 年1 月通过，增加了2 1 1 g h z 授权和 非授权频率内运行的无线城域网规范。 _ 8 0 2 1 6 c 于2 0 0 2 年1 2 月通过，用来保证l o 6 6 g h z 范围内多个不同宽带系 统的运行。 _ 8 0 2 1 6 d 是2 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统的标准，是对8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 和8 0 2 1 6 c 的整合和修订，已经于2 0 0 4 年6 月在i e e e8 0 2 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 1 1g z 非视距 ( n i 。o s ) 传输和1 0 6 6g h z 视距( l o s ) 传输。8 0 2 1 6 d 是固定宽带接入 空中接口的最高版本，取代了8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 和8 0 2 1 6 c 。 一8 0 2 1 6 e 是在2 6 g h z 频段支持移动性的宽带无线接入空中接口标准。 8 0 2 1 6 e 能够向下兼容8 0 2 1 6 d ，因此8 0 2 1 6 e 的标准化工作是在8 0 2 1 6 d 的基础上增加了移动性的支持。8 0 2 1 6 e 该标准目前还是草案修订阶段， i e e e8 0 2 1 6 d 系统设计及仿真 预训2 0 0 5 年下半年完成。 _ 8 0 2 1 6 f 正在制定中，用来实现网状网连接，大幅度改进单个基站覆盖范 围。 2 1 2 市场应用 为了加大8 0 2 1 6 标准的市场化力度，2 0 0 1 年4 月，参与标准化工作的厂商发 起成立了旨在“推广遵循i e e e 8 0 2 1 6 和e t s ih i p e r m a n 的宽带无线接入设备，并 确保其兼容性及互用性”的非营利组织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 r m i c r o w a v ea c c e s s ) 。w 埘a x 通过提供一致性测试用工具，促进不同设备之间的 互用性测试。设备制造商可以在研发阶段就使用这些工具，以确保产品及在以后 演进过程中始终遵循标准。其角色和作用相当于无线局域网标准i e e e8 0 2 1 1 的 w i f i 。w i m a x 实质上代表着i e e e8 0 2 1 6 的市场化努力和方向。 目前w i m a x 的成员已经扩展到1 0 0 多家公司和组织，其中不乏英国电信、法 国电信、三星、诺基亚、摩托罗拉、西门子、阿尔卡特、英特尔这样的重量级企 业，涵盖了包括运营商、通信设备制造商及半导体和部件制造商在内的整个产业 链。 近年来，我国宽带用户增长迅猛，用户已经突破1 4 0 0 万，其中主要以a d s l 接入用户为主，这反映出用户对宽带数据需求迫切。目前无线宽带接入的发展还 很不理想，虽然g p r s 和c d m a l x 都可以提供移动上网，但是由于各种因素，发展 还很缓慢。可以肯定的是，无线宽带和移动宽带的发展将呈逐步增长的趋势。考 虑到无线接入的巨大市场空间和w i m a x 在业界获得的强有力支持，i e e e 8 0 2 1 6 将 会在未来的通信格局中占据一席之地。 2 1 3 i e e e 8 0 2 1 6 的关键技术 i e e e 8 0 2 1 6 关键的技术主要包括以下四个方面：m e s h ( 多点对多点) 体系结 构、多载波调方式、支持q o s 、无线安全。其p h y h 4 a c 层设计具有如下的特点： m a c 层 7 第2 章i e e e8 0 2 1 6 d 和o p n e t 简介 i e e e8 0 2 1 6 协议是为点对多点的宽带无线接入应用而设计的，在上、下链 路同时提供高速接入。接入和带宽分配算法必须在每个信道上支持多达数百个终 端，而一个终端可以由多个用户共享。这些终端用户的服务需求可以各不相同， 既包括传统的基于时分复用的话音和数据业务，也包括i p 连接以及基于i p 的分组 话音业务( v o i p ) 。为提供多业务能力，8 0 2 1 6m a c 必须支持连续和突发的数据 流，并且在服务中为各业务流分配相应的q o s 。 8 0 2 1 6m a c 也必须支持各类骨干网的承载要求，包括a t m 和各种分组协议。 特定业务会聚子层将与上层有关的业务映射到一1 个足够灵活并可以有效地支持 任何业务类型的m a c 层。通过诸如负荷头部压缩、打包、分段等方法，使m a c 层 以更高效的方式来传输业务。 存m a c 层和物理层接口上，传输效率也得到了考虑。例如在突发描述( b u r s t p r o f i l e ) 中，规范了调制与编码格式，可以实现对每一个用户站s s 的每一个突 发进行自适应调整。 在每个终端包含多个连接和多个q o s 等级，且有大量统计复用的用户情况卜 ， 8 0 2 1 6m a c 仍然可以保持高效的传输，利用它所提供的一系列带宽请求机制，可 以在无竞争接入的稳定性和有竞争接入的有效性之间达到平衡。虽然对各种带宽 分配和o o s 机制进行了规范，但是i e e e8 0 2 1 6 并没有对资源调度和预留管理的 细节进行标准化，以便于设备制造商保留各自的技术特色。 除了带宽分配、数据传输等基本功能外，m a c 层还包括一个私密子层为网络 接入和连接建立提供鉴权，以避免服务被非授权使用，同时还提供密匙交换和数 据加密功能。 为适应2 1 1 g h z 频段苛刻的物理环境和不同的业务需求，8 0 2 1 6 d 增强了m a c 层功能，以提供对a r q 和网状网结构( 不只是点对多点) 的支持。 8 0 2 1 6 的m a c 层特点总结如表2 1 所示： 8 e e e8 0 2 1 6 d 系统设计及仿真 表2 18 0 2 1 6 m a c 层特点 特性优势 t d m t d m a 安排上行链路下行链 有效利用带宽，无需复杂的功率控制算法 路的帧 可从一个用户扩展到数百个用户有效部署，按需支持用户数 面向连接为每个连接提供不同q o s 保证 q o s 支持四类不同的调度业务 不同的调度业务有不同的m a c 调度方式，保证 0 0 s 参数 自动重发请求( a r q ) 改善恶劣的无线链路对传输的影响 自适应调制 根据信道状况调整调制方式，提高系统容量 安全和保密 较高级别的安全性 自动功率控制减少白干扰，可实施蜂窝结构 物理层 ( 1 ) 1 0 6 6 g h z 1 0 6 6 g h z 频段是视距传播，单载波调制是一个自然的选择， 这种空中接 口被定名为“w i r e l e s s m a n s c ”。由于使用点对多点的结构，下行链路上基站通 过发射t d m 信号， 为单个用户台进行串行时隙分配；上行链路的接入采用t d m a 方式。在对双工方式进行广泛研究后，选用了突发( 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 e8 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。 ( 2 ) 2 1 1 g h z i e e e8 0 2 1 6 a d e 涵盖了2 一1 1 g h z 范围内的许可证频段和免许可证频段。符 笙! 皇! ! 望! 坠：! 塑塑塑! ! 翌塑尘 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 1 1 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 一l l g h z 频段，8 0 2 1 6 a d 定义了3 种空中接 _ l ： w i r e l e s s m a n s c 2 ：采用单载波调制； w i 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 jr 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 中引入了对高级天线系统 ( 从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： 表2 28 0 2 1 6 物理层特点 特性优势 2 6 5 点f f t 0 f d m 调制有效抵抗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 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 纠错编码可靠 支持t d d 和f d d 双工适用世界各地不同的管制方法 方式 灵活的信道带宽提供必要的灵活性，以适应世界各地不同频段与不同信道 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，其抑制干扰和提供系统增益的能 力对b s a 部署有着重要的意义 2 1 4i e e e8 0 2 1 6 系统组成及应用 图2 2 表示i e e e8 0 2 1 6 网络体系结构，包括基站( b a s es t a t i o n ) 、用户 站( s u b s c r i b e rs t a t i o n ) 、用户终端设备( t e 邢i n a le q u i p m e n t ) 以及核心网 ( c o r en e t w o r k ) 。在i e e e8 0 2 1 6 中，仅定义了b s 和s s 之问的空中接口。 1 0 i e e e8 0 2 1 6 d 系统设计及仿真 图2 2w i m a x 体系结构 基站( b a s es t a t i o n ，b s ) ： 基站b s 提供用户站s s 与核心网络之间的连接，并管理、控制用户站s s 的运作。 采用扇形、定向或全向天线。8 0 2 1 6 基站可以提供灵活的子信道配置与部署功能， 能够使运营商根据所拥有的授权，或非授权频段资源灵活规划信道带宽，并根据 用户群状况不断升级扩展网络。 用户站( s u b s c r i b e rs t a t i o n ，s s ) ： 用户站s s 提供基站b s 与用户终端设备间的中继连接。s s 由b s 统一管理、控制， 仅存在s s 和b s 之间的上行下行链路，s s 之间不能直接通信。i e e e8 0 2 1 6 d 用户 站s s 通常采用固定天线，并被安装在屋顶上。基站与用户基站间采用动态适应性 信号调制模式，这种模式能够让基站根据信号强弱调整到每个用户基站的带宽， 以确保与用户基站的正常连接。 用户终端设备( t e r m i n a le q u i p m e n t ，t e ) ： i e e e8 0 2 j 6 系统定义用户终端设备与用户站间的连接接口，提供用户终端 没备的接入。但用户终端设备t e 不属于i e e e8 0 2 1 6 系统。 核心网( c o r en e t w o r k 。c n ) ： i e e e8 0 2 1 6 系统连接的核心网通常为传统交换网或因特网。w i m a x 系统提供 核心网络与基站问的连接接口，但i e e e8 0 2 1 6 系统并不包括核心网络，8 0 2 1 6 仅是空中接口的定义。 1 1 第2 章i e e e8 0 2 1 6 d 和0 p n e t 简介 2 2o p n e t 简介 无论是构建新网络，升级改造现有网络，或者测试新协议，都需要对网络的 可靠性和有效性进行客观地评估，从而降低网络建设的投资风险，使设计的网络 有很高的性能，或使测试的结果能够真实反映新协议的表现。传统网络设计和规 划方法主要靠经验，对复杂的大型网络，很多地方由于无法预知而抓不住设计的 要点。在这种情况下，网络仿真技术作为一种新的网络规划和设计技术应运而生。 它通过对网络元素的建模为网络的规划设计提供客观、可靠的定量依据，缩短网 络建设周期，提高网络建设中的科学性。 网络仿真技术是指，建立链路、协议、设备等网络元素的模型，并模拟网络 流量的传输，得到网络设计或优化所需要的网络性能数据的技术。在国外，网络 仿真技术的研究和应用已有十多年。1 9 9 8 年，美国解除了对中国高端网络仿真 软件出口的限制，我国的网络仿真技术才开始起步。但随着数据网络的迅猛发展， 网络仿真技术也被强劲地拉动。未来数年将是网络仿真技术蓬勃发展的时期，今 后网络仿真技术将成为数据网络规划设计必不可少的环节。 本论文将采用o p n e t 作为网络仿真软件。o p n e t 是当前设计最复杂、功能最 强大的商业网络仿真软件。在电信领域，设备制造商如c i s c o ，运营商如a t t ，都 采用o p n e t 做各种各样的模拟和调试。采用o p n e t 作为网络仿真平台，对i e e e 8 0 2 1 6 d 网络进行建模仿真，能够更全面地仿真网络元素，得到更精确的网络性 能数据。 o p n e t 是非常复杂的网络仿真软件，下面仅简略介绍几个关键的概念，这几 个概念在后面的论述中将会被使用。 2 2 1 建模机制 o p n e t 网络仿真软件采用三层建模机制来描述真实的网络系统： 最底层是进程模型，通过有限状态机和c c + + 语言来描述协议的操作。 上一层为节点模型，由多个协议模块相连构成。节点模型的建模完全符 i e e e8 0 2 1 6 d 系统设计及仿真 合o s i 七层模型标准，从业务层到t c p 层、到i p 层、到m a c 层、到p i y 层，全面描述网络中节点的特性。 最上一层为网络模型，将节点模型布置在网络中，通过通信链路相连， 对整个网络进行仿真。 2 2 2 模拟机制 o p n e t 采用离散事件驱动的模拟机制。仿真核心为离散事件驱动的事件调 度器，它维护着仿真时间内中将发生的所有事件的列表，事件按照指定发生时削 的先后顺次执行。当事件发生时，相应的进程模型将会接收到中断，判别中断的 类型、代码执行相应的程序。在o p n e t 中，中断和事件可以等同起来。 o p n e t 中定义了1 3 种中断类型，在本模型中最常用的中断类型包括：白中 断、流中断、进程中断等。 自中断通过在进程模块中调用核心函数o p _ i n t r p t s c h e d u l e s e l f ( ) 来 没定自中断事件发生的时问和代码。当事件发生时，中断将会被该进程模型接收 到，判断中断的类型、代码后执行相应的程序。自中断常常用于设置延时的行为、 计时器等。 流中断数据包通过核心函数o p p k s e n a 一( ) 或o p _ 1 ) k d e l i v e r - ( ) 传送到数据线上时，数据线另一端的进程模块将会接受到流中断。流中断应用于 同一节点内不同模块间数据包的通信。 进程中断调用核心函数o p - i n t r p t s c h e d u l e p r o c e s s ( ) 在指定的时刻 发送中断到指定的模型。进程中断用于模块中进程的交互。 每一个中断都可以和一个i c i 绑定，i c i 中包含了用户定义的信息格式。 当中断发生时可以利用核心函数o p _ i n t r p t j c i ( ) 取出和该中断绑定的i c i 。从 i c i 中取出有用的信息以便做中断处理。 2 2 3 动态进程 每一个进程模型都有一个唯一的根进程，由仿真核心创建。在根进程下面还可以由子 进程、孙进程等。但子进程、孙进程与根进程不同，它们是在进程中动态创建的，被称作动 1 3 第2 章i e e e8 0 2 1 6 d 和o p n 肼简介 态进程。当需要并行处理多个交互事件时，如果仍只使用一个根进程，则会使得进程模型变 得复杂，状态转移关系不好确定。这时就需要多个进程协同运作，子进程可以看作是处理事 件的一一个实例。这也使得进程模块的行为更接近实际设备。例如，在t c p 进程模块中，根进 程为每一个会话创建一个子进程，当会话结束时销毁子进程。 】4 i e e e8 0 2 1 6 d 系统设计及仿真 第3 章i e e e8 0 2 1 6 d 协议分析与实现设计 3 1 网络参考模型 t e f f8 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 1 1 ) 层和介质访问( m a c ) 层。图3 1 表示了i e e e8 0 2 1 6 d 的参考模型和协议范围。 。：蒹：器等。，- l m e ”悻n ie n 懈y c o n v r 口s u b b v r c 赢嚣豁，。 曩囊i c s 疆= “ 、口n r ， 萋 m a cc o np 3 s b i a v r 董 m a cc p s 上-m a n a 口n te n t i w 一薹：餮 m a cc 口np ar is u b i r 一 s r j t ys u b b y 。r 7 k 日。 p h v s f o a il a ”r p h y ) 一i 一- “黹 m a n a 口n p l a n 图3 1i e e e8 0 2 1 6 d 协议模型 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 d 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 叫) 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 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 t mc s 和p a c k e tc s ，分别对a t m 数据帧和i p 数据包进行处 弹。 第3 章i 醯e8 0 2 1 6 d 协议分析与实现设计 公共部分子层( c p s ) 提供了m a c 层最核心的功能，包括系统接入、带宽分配、 连接建立、连接维护、q o s 支持等，是本文研究的重点。 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31 所示。 表3 一li 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 w11 g j j zl i c e n s e db a n d s w i r e l e s s m a n 一0 f d mb e l o w11 g h z 上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 m ab e l o w1 1 g 1 zl i c e n s e db a n d s w i r e l e s s h u m a nb e l o w1 lg h zl i c e n s e e x e m p tb a n d s 3 2m a c 层 3 2 1p m p i e e e8 0 2 1 6 利用无线链路进行传输，因此m a c 层关注的重点在于如何高效 地利用空中链路资源。8 0 2 1 6m a c 定义了两种传输模式点对多点和网格传 输。本文主要针对点对多点的传输模式进行研究。 8 0 2 1 6m a c 基于面向连接的传输机制，从外部网络接收到的数据包都会被映 射到不同的连接上，每一条连接都会用c i d 来标识。s s 都有一个4 8 b i t s 的全球 唯一m a c 地址，但仅在s s 进入网络时做识别身份用。开始接入网络时，b s 将会 为s s 分配两对( 上下行) 管理连接，用于b s 和s s 之间管理消息的传送。这两 对管理连接分别是：b a s i c 连接，用于传送较短、较紧急的管理消息；d r m a r v 连接，用于稍长、可以容忍稍大延时的管理消息。管理连接的c i d 由r n g r s p e e e8 0 2 - 】6 d 系统设计及仿真 和r e g r s p 来传送。每一对上行和下行的管理连接的c i d 都是相同的。当有外 部网络数据要传送，b s 将会为其分配一条传输连接，用于一个方向的数据传输。 图3 2 表示了是采用f d d 发送方式且物理层为o f d m 时的p h yp d u 结构，作 为p h yp d u 结构的一个特例将帮助我们对i e e e8 0 2 1 6 d 的m a c 层机制有更好的 理解。 。e 一 o n e 甜i m h i 坤e d l b 娲氓e 衲w i m dl m o “a a 1 n g ，h n c d ： ； ：! = ：! 竺：竺竺：竺： i 巨型立亘巫亘亟卫回巴型 匿蛰匿弱罄圈 r 1 jm e b m n l p 一“p tl 溉2 蠹鬻 一_ _ 。怒 营“j _。 ，r 圈雹翔 ， ， 1 酶覆开两商1 疋苗可两穿商f 积 ! 兰!l ! 唑! 业l ! ! ! ! ! 坐i 图32o f m d 的p d u 结构( f d d ) 每一个p h y 帧都由一个上行p h y 帧和下行p h y 帧组成。下行帧由一段用于物 理同步的前导码开始，紧跟着一个或多个b u r s t 。每个b u r s t 都有不同的调制 解调方式，传送给不同的s s 。每个帧开始都包含着d l m a p 管理消息和u l m a p 管理消息，分别描述了上下行信道的带宽分配和调制方式等使用情况。在下行链 路，由于b s 是下行链路上唯一的发送者，不存在链路资源分配问题。因此b s 以 ，、。播的方式发送下行数据帧。在网络中的每一个s s 都会检查d l m a p 的管理消 一，一 雪 幂 。鱼藏 第3 章i 髓e8 0 2 1 6 d 脚议分析与实现设计 息，在d l 一 i a p 管理消息包含的所有b u r s t 的调制解调方式以及目的s s 的c i d 。 如果c i d 属于该s s ，s s 将会按照指定的调制解调方式接收对应的b u r s t 。否则 s s 将不会接收对应的b u r s t 。 上行帧则包括用于初始接入的若干时隙、用于带宽申请的若干时隙以及一个 或多个由不同s s 发出的p h yp d u 。每个p h yp d u 都由一段用于物理同步的前导 码开始。上行链路由多个s s 共享，由b s 统一调度决定s s 们如何共享上行链路。 在下行帧中传送的u l m a p 中，指出了发送上行m a cl 帧的s s 的c i d 、开始时间 以及持续时间的信息。每个s s 都会检查u l m a p 的管理消息，根据其中的指示 发送数据或带宽申请。 在下行链路，b s 根据不同连接的q o s 参数安排下行m a c 帧的发送。但在上行 链路却需要复杂的调度机制使得s s 能够按照q o s 参数得到链路资源发送m a c 帧。 因此在上行链路有四种不同的调度机制主动授予，单播轮询，组播轮询，广 播轮询，保证上行链路的0 0 s 。 8 0 2 1 6 m a c 能够很好地支持q o s ，支持四种不同特征的q o s 。在上行链路， 不同q o s 服务流采用不同的调度机制，可以根据q o s 的特征决定同时采用多种调 度机制。 3 2 2 m a c 包头类型和管理消息 i e e e8 0 2 1 6 d 的m a cp d u 有固定的格式，如图3 3 所示，包括固定格式固定 长度的头、可变长的负荷部分、以及可选的c r c 效验部分。m a cp d u 最长为 2 0 4 8 b y t e s 。 fg e n e r i cm a eh e a d e r ， c r c ( 。p d o n i p o y l o a