（通信与信息系统专业论文）无线城域网mac层和网络层协议研究.pdf

摘要 宽带无线接入技术作为无线城域网( 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 s ) 中最具发展潜力的接入技术之一，正受到业界越来越多 的关注。i e e e8 0 2 1 6 系列规范( 也称为w i m a x ) 的制定，就是为 了适应宽带无线接入的快速发展，并为之提供一个全球统一的标 准。 为了迎接w i m a x 时代的到来及满足用户接入网的需要，本文 主要基于i e e e8 0 2 1 6 d 标准，从m a c 层接入算法和城域网中对多 个有线因特网网关选择两个角度入手进行研究。主要的研究手段足 数学推导和仿真。 本文介绍了w i m a x 网络及其常见的两种网络拓扑结构：p m p 和m e s h 。在对p m p 和m e s h 模式的介绍过程中讨论了两种无线信道 共享模式中的带宽调度问题。本文针对m e s h 模式中的信道使用方 式进行了重点讨论，介绍了m e s h 网络的帧结构和m a c 层的两种信 道竞争方式：集中式和分布式接入调度算法，同时提出了一种在 w i m a xm e s h 集中式调度模式下的基于树的调度算法( m e s h c e n t r a l i z e ds c h e d u l i n ga l g o r i t h mb a s e do nt r e e ，m c t ) ，并提出了协 调分布式m e s h 调度算法( c o o r d i n a t i o nd i s t r i b u t e dm e s hs c h e d u l i n g a l g o r i t h m ，c d m s a ) ，对m c t 算法中的调度的长度，信道平均利 用率、平均传输延迟和协调与非协调接入算法的平均成功率和延迟 给出了模拟结果。证实了给予靠近基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 的用户站 ( s u b s c r i b e rs t a t i o n ，s s ) 节点高的优先级将会减少调度长度和传输延 迟和改善信道利用率。而c d m s a 调度算法在接入概率和延迟方面 相比非协调调度算法都有比较好的性能。 本文同时针对无线城域网多网关选择问题进行了讨论：有线因 特网的发展促使了当今社会的快速进步，因为它提供了无穷的资 源，人们只要坐在电脑面前就很容易的获得各种资源和服务。当今 天无线网络快速发展的同时它同样离不开有线因特网上众多的现有 资源，所以在无线终端进行网络互联时绝大多数的资源获得还是要 接入到有线网络。在如何进行有线节点选择问题上，本文提出了新 的路径选择算法。 关键词无线城域网，w i m a x ，m e s h , p m p ，时隙调度，多网关选择 a b s t r a c t b w a ( b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ) i sa t t r a c t e dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o na so n eo ft h em o s tp r o m i s i n g t e c h n o l o g yi nt h ew i r e l e s s m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s ( w m a n s ) t h ei e e e8 0 2 1 6s t a n d a r d ( a l s o b ec a l l e dw i m a x ) i s p r o p o s e dt os u i tf o rt h eh i 曲d e v e l o p m e n to fb w a a n ds u p p l yag l o b a ls t a n d a r df o ri t r e s e a r c hi nt h i sp a d e rw a sb a s e do nt h ei e e e8 0 2 1 6 ds t a n d a r d i n o r d e rt os a t i s 勺t h ev a r i o u sn e e d si nt h ec o m i n gw i m a xt i m e s w e c h o o s et w oa s p e c t sf r o mt h em a ca n dm u l t i g a t e w a y ss e l e c ti n 礓4 a n s 砀en u m e r i c a ld e d u c t i o na n ds i m u l a t i o n sa r et h ek e yr e s e a r c hm e t h o d s 。 t h i sp a d e ri n t r o d u c e dt h et w ot o p o l o g ys t r u c t u r e so fw i m a x ：p m p a n dm e s h f u r t h e rm o r e ，w ed i s c u s s c dt h ea s s i g n m e n to fb a n d w i d t hi n s h 耐n gw i r e l e s sc h a n n e l t h i sp a p e rm a i n l yr e s e a r c h e dt h ec h a n n e lu s e s t a t ei nt h em e s hm o d e l ，a n da l s oi n t r o d u c e dt h ef r a m es t r u c t u r ei nm e s h n e t w o r ka n dt h et w oc h a r m e lc o m p e t i t i o ns t a t e si nm a c w h i c hw a s c e n t r a l i z i n ga n dd i s t r i b u t i n gs c h e d u l i n ga l g o r i t h m a tt h es a n l et i m e ，t h i s p a p e ra l s op r o p o s e sas c h e d u l i n ga l g o r i t h m ：m e s hc e n t r a l i z e ds c h e d u l i n g ( m e s hc s lb a s e do nt r e e ( m c t ) u n d e rt h ew i m a xm e s hm e s hc s m o d e la n dac o o r d i n a t i o nd i s t r i b u t e dm e s h s c h e d u l i n ga l g o r i t h m ( c d m s a ) u n d e rt h em e s hd i s t r i b u t e ds c h e d u l i n g ( m e s h _ d s ) m o d e l t h i sp a p e rg i v e ss i m u l a t i o nr e s u l t so ft h el e n g t ho fs c h e d u l i n go fm c t o f t h ea v e r a g ec h a n n e lu t i l i z a t i o nr a t i o ，o f t h ea v e r a g et r a n s m i s s i o nd e l a y a n do f t h e a v e r a g es u c c e s sr a t i oa n dt h ea v e r a g ed e l a yi nc o o r d i n a t i o na n d n o n - c o o r d i n a t i o ns c h e d u l i n ga l g o r i t h m s t h er e s u l t sv e r i f i e st h a tt og i v e s sn o d e sah i 【g hp r i o r i t y 。w h i c hi sc l o s et om e s hb s 。w i l lr e d u c et h e l e n g t h o fs c h e d u l i n ga n dt r a n s m i s s i o n d e l a y ，a n di m p r o v ec h a n n e l u t i l i z a t i o nr a t i o i ta l s oa p p r o v e dt h ec d m s ah a dag o o dp e r f o r m a n c ei n t h ec o n n e c t i o np r o b a b i l i t ya n dd e l a y t h ep a p e rd i s c u s s e dt h ep r o b l e mo fm u l t i g a t e w a y ss e l e c t i o ni n w m a n s ：t h e r a p i dd e v e l o p m e n to f w i r e di n t e r a c tb o u g h tb i gp r o g r e s sf o r t h ew h o l es o c i e t y ，a sp e o p l ec o u l de a s i l ya c c e s sv a r i e sr e s o u r c ea n d s e r v i c et h r o u g ht h ei n t e r n e t i nn o w a d a y s ，t h eh i 曲l yd e v e l o p i n go f w i r e l e s sn e t w o r kh a sac l o s et o u c hw i t ht h er e s o u r c ei nt h ew i r e di n t e m e t s ow es h o u l dc o n n e c tt ot h ew i r e di n t e m e tt og e tw h a tw ew a n tw h e n w e u c o r r e l m i n gi nt h ew i r e l e s st e r m i n a l s t h ep a p e rp r e s e n t e dt h er o u t i n g a l g o r i t h mi nt h ep r o b l e mo f h o wt os e l e c tt h ew i r e dg a t e w a y s k e yw o r d sw i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s ，w i m a x , m e s h ， p m p ，s l o t t e ds c h e d u l i n g ，m u l t i - g a t e w a y ss e l e c t i o n i i i 原创性声明 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。尽我所知，除了论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， 也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 作者签名：l 虱叁墨!日期：兰2 互年生月兰曰 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学 位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 名：耻凝芦出勘拍 硕七学位论文第一章绪论 第一章绪论 本章介绍了几种主要的无线接入技术，概述了无线城域网( w i r e l e s s m e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k s 。w m a n s ) 的发展历史、现状和当前主要的研究课 题，列举了本文的主要研究工作，最后给出了全文的组织。 1 1 引言 通信技术和网络技术的迅速发展加速了信息交流，极大地促进了人类社会 的发展，反过来，全球化的发展又进一步刺激了通信技术的发展。人们追求任 何人在任何时间、任何地点与任何人进行任何类型的信息交换。 在二十世纪的大部分时间哩，以固定电信网为代表的有线网络成为通信的 主要载体。随着微处理器技术和无线通信技术的迅速发展，无线通信已经成为 通信网络不可缺少的部分。由于技术的不同，无线通信呈现多样化的特点，主 要有无线本地环路，基于蜂窝的无线网络，宽带卫星系统，基于局域网的无线 网络及无线城域网等。同时，以t c p ，m ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r a c t p r o t o c 0 1 ) 协议族为基础的因特网( i n t e m e t ) 在二十世纪九十年代迅速发展。传 输内容从以数据为主发展到语音、数据、图像、视频等多种业务，从几个大型 网络的简单连接发展到覆盖全球的异质网络互联，从电话线发展到电话线、铜 线、光纤并存，传输方式从有线扩展到无线，无线城域网就是因特网在无线领 域的扩伸和发展。 无线城域网在2 0 0 5 年里成为十大最热门的词汇之一，可见人们对它的期望 非常之高。同时对它的研究和应用也在很多地方兴起了一轮无线接入网络的高 潮。所以对无线城域网接入技术，路由算法的研究成为了一个研究热点。 1 2 无线接入网的发展概述 进入2 1 世界以来，无线移动通信、互联网和个人终端的发展特别引人注 目，成为风靡全球的高新技术和新兴产业。无线移动通信可以分成移动通信和 无线接入两大方向。随着数字移动通信的兴起，无线接入的无线调制解调器也 开始进入市场。随着第二代移动通信系统正在向第三代系统的发展，无线接入 也由无线调制解调器、无线本地环、无线局域网转向宽带无线接入发展。现今 的通信网络，正在向移动通信网和无线接入网两个方向并行发展。移动通信网 由第二代的g s m 、c d m ao n e 及u s t d m a 、日本的p d c 为代表，传送 9 6 1 4 4 k b i t s 的数据速率，提供语音和短消息服务。正开始在市场运用的 g p r s 、c d m a2 0 0 0i x ，被称为第2 5 代系统，提供高达6 4 k b i t s 的数据通信服 硕士学位论文第一章绪论 务。现在第三代移动通信在很多国家已经部署，我国也会在今年进行网络运 营，以w c d m a 、c d m a2 0 0 0l xe v - d o 和中国自己提出的t d - s c d m a 为代 表，提供3 8 4 k b i f f s 2 m b i t s 数据速率的服务。随后将是4 g 。无线接入网从最早 的无线调制解调器提供9 6 k b i t s 的无线接入能力，到无线本地环，扩大了无线 调制解调的覆盖范围和通信能力。而后无线局域网、无线城域网的出现，使计 算机网变成可无线接入的网络。1 9 9 0 年i e e e8 0 2 标准委员会成立i e e e8 0 2 1 1 无线局域网标准工作组。该标准定了物理层和媒体访问控制规范。物理层定义 了数据传输的信号特征和调制，工作在2 睨4 8 3 5 g h z 频段。i e e e8 0 2 1 1 是 i e e e 最初制定的无线局域网标准，主要用于难于布线的环境或移动环境中计算 机的无线接入，传输速率最高只能达到2 m b p s ，由于8 0 2 1 1 在速率和传输距离 上都不能满足人们的需求，因此，8 0 2 1 1 工作组相继推出了8 0 2 1 l b 、8 0 2 “a 和8 0 2 1 l g 三个杯准。它们在传输速率和调制方面都有较大的改进。 为了给本地无线环路( w i r e l e s sl o c a ll o o p ，w l l ) 提供一个标准，i e e e 8 0 2 委员会于1 9 9 9 年成立了8 0 2 1 6 工作组来专门开发宽带无线标准。i e e e 8 0 2 1 6 负责对无线本地环路的无线接口及其相关功能制定标准，它由三个小工 作组组成，每个小工作组分别负责不同的方面；i e e e8 0 2 1 6 1 负责制定频率为 1 0 g 到6 0 g 赫兹的无线接口标准；正e e8 0 2 1 6 2 负责制定宽带无线接入系统共 存方面的标准；i e e e8 0 2 1 6 3 负责制定频率范围在2 g 到1 0 g 赫兹之间获得频 率使用许可应用的无线接口标准。i e e e 于2 0 0 2 年1 月2 9 日通过了支持无线城 域网的8 0 2 1 6 a 标准规范书，其频率范围介于扣1 1 g h z 之间。8 0 2 1 6 a 标准舰范 明确定义了三种无线数据传输方式；第一种是单载波存取，这是为特殊需求的 网络所保留的部分；第二种是经由2 5 6 个载波的o f d m 存取，专门提供给大部 分的应用程序使用；最后一种是使用2 0 4 8 个载波的特殊o f d m a 标准，使用于 搭配选择性的多点传送应用程序、阶梯状网络的进阶多路传输技术。为了推广 8 0 2 1 6 标准及解决在8 0 2 1 1 中遇到的互操作性问题，由英特尔和其他众多通信 组件与设备公司共同组建了w i m a x ( w 曲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 e a c c e s s 全球微波接入互操作性) 0 2 , 3 组织。8 0 2 1 6 a 是属于固定式无线宽带 ( f i ) 【e dw i r e l e s sb r o a d b a n d ) 标准，为了保证高速移动时的通讯质量，i e e e 也 从8 0 2 1 6 a 延伸制定了8 0 2 1 6 e 的标准；此外，也有另一套移动宽带标准压e e 8 0 2 2 0 ，依据它的规范，即使在高速2 5 0 公里的赛车中，仍然能够保有清楚地 通讯品质。8 0 2 2 0 协议于2 0 0 2 年1 2 月被i e e e 立项，它的目标是实现一种可全 球普及、可漫游、实时在线的公共无线宽带接入网络技术。8 0 2 2 0 工作在 3 5 g l l z 频段上。 在欧洲，欧洲电讯标准机构( e t s i ) 批准了被称为h i p e r l a n ( h i g h 2 硕士学位论文 第一章绪论 p e r f o r m a n c er a d i ol o c a la r e an e t w o r k ，高性能无线局域网) 【4 1 的标准，包括： h i p e r l a n l 和h i p e r l a n 2 标准。h i p e r l a n l 标准工作在5 g h z 频段上，速率 高达2 0 m b p s ：而在同样频段上的h i p e r l a n 2 标准的速率则高达5 4 m b p s ，可 兼容3 g 无线区域网络系统。h i p e r l a n 2 标准由h i p e r l a n 2 全球论坛开发。这 个组织的宗旨是推动h i p e r l a n 2 技术的标准化。h i p e r l a n 2 提供了一个适用 于小范围( 1 5 0 米) 、高速( 5 4 m b p s ) 的无线接入系统，具有服务质量 ( o u a l i t yo fs e r v i c e ，q o s ) 支持、可选择重复a r q 、链路适配以及动态频率选 择等特性。与此同时，工作在2 4 g h z 频段的蓝牙技术具有近距离、低功耗、简 捷协议等特性，也令人注目。 无线接入网与移动通信网相比，各有优势和特色，也有在将来应用环境下 的不足。无线接入网在大范围移动性上支持不足，而正走向商用的第三代移动 通信。尽管能提供高达2 m b i t s 的传输速率，但面对将来爆炸性增长的数据通信 需求还是不够，因此要寻求更高速率的传输系统，发展4 g ，开发更高频段信号 的应用。 0 1 】信息速率( m b l p o s ) 1 0 0 信息速率 1 ” 图i - 1 无线互联网络发展现状 随着移动通信与无线接入的融合，形成了新的亮点一无线因特网，也就是 无线网络与因特网的融合。m 技术是推功无线因特网成为现实的动力。随着m 与移动通信标准的结合，i p 和基于i p 的业务已经逐步成为未来移动通信网的网 3 硕十学付论文 第一章绪论 络上层协议和业务应用趋势。未来移动通信系统将足一个全口的网络系统。 i t u r 、i e t f 、i p v 6 论坛、3 g p p 和3 g p p 2 等诸多相关国际组织或论坛部在研 究和探讨未来移动通信系统的i p 协议解决方案。图( 1 1 ) 5 1 给出了无线互联网的 发展历程及未来的演进。 图1 - 2n o n 网络结构示意图 未来移动通信系统全i p 的核心网络采用m 技术，可支持m o b i l ei p 和 m o b i l ei p v 6 等相关标准；边缘则是不同标准的通信系统( 例如g s m 、g p r s 、 u m t s 、c d m a2 0 0 0 、w l a n 、i n t e r n e t 、p s t n 、d a b d v b 及b l u e t o o t h 等。 d a b d i g i t a la u d i ob r o a d c a s t i n g 数字音频广播；d v b d i g i t a lv i d e ob r o a d c a s t i n g 数字视频广播) 。全i p 网络的目标将足从网络到终端均使用基于i p 的协议通 信。目前全m 网络的标准化工作主要集中在核心网络( c o r en e t w o r k ) ，正逐 步向无线接入网和终端延伸。图( 1 - 2 ) 给出了n g n ( n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k 下一代网络) 的网络结构示意刨5 1 。 4 硕七学位论文 第一章绪论 1 2 i 固定无线接入 固定无线接入( f w a ，f i x e dw i r e l e s sa c e e 剐, q ) ，它的代表是无线本地环 路、本地多点分配系统和多信道多点分配系统。 1 2 1 1 无线本地环路( w l l ，w i r e l e s sl o c a ll o o p ) 无线本地环路利用无线技术为固定用户或区域移动用户( 无需越区切换) 提供电信业务。w l l 系统到本地交换机接口采用v 5 2 接1 2 1 ，空中接口可采用 数字蜂窝的标准如c d m a ，g s m 、a m p s 等，也可以采用低功率系统的标准如 d e c t 、p h s 、p a c s 等。 1 2 1 2 本地多点分配系统( l m d s ，l o c a lm u l f i p o i n td i s t r i b u t i o ns e r v i c e s ) l m d s t 6 , 7 9 1 以无线方式解决从骨干网、本地交换机到用户的接入问题。它工 作在2 4 - 3 9 g h z 频段，带宽可达1 g h z 以上，采用类似蜂窝的结构，划分若干 个服务区域，每个服务区内设立基站，覆盖范围为几到十几公里。l m d s 利用 商容量点对多点微波传输，能实现从6 4 k b p s 到2 m b p s 、甚至高达1 5 5 m b p s 的接 入速率；可在较近的距离实现双向传输语音、数据图像、视频、会议电视等宽 带业务，并支持a t m 、t c p i p 和m p e g 2 等标准。 l m d s 由基站，客户端和网络管理系统组成。基站系统采用扇区覆盖，根 据天线的不同，可划分为1 5 、2 2 5 、3 0 、4 5 、6 0 、9 0 度扇区，下行链路采用 t d m a 模式，调制方式可选q p s k ( q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g ) 、1 6 q a m ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 和6 4 q a m 。客户端收发机定向性极高，调 制解调及室内有线界面功能由网络接口单元担当。网络管理系统负责管理有 线、无线网络组件及网络所提供的业务。理想的网络管理系统能够提供端对端 管理。 1 2 1 3 多信道多点分配系统( m m d s ，m u l t i c h a n n e lm u l t i p o i n td i s t r i b u t i o i l s y s t e m ) m m d s 是一种点对多点分布、提供带宽业务的无线技术，可透明传输业 务，基站与网络的接口为t 1 e 1 、1 0 0 b a s e - t 和o c 3 等，用户端的接1 2 1 为e l 和 1 0 b a s e t 等，可以提供i n t e m e t 接入，本地用户的数据交换、语音业务和v o d ( v i d e oo nd e m a n d ) 视频点播业务。与l m d s 相比，m m d s 使用与用户相对 分散、容量较小的地区。 1 2 2 基于蜂窝的无线接入 基于蜂窝的无线接入技术的典型代表有c d p d 、g p r s 、e d g e 、3 g 等。 5 硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 1c d p d ( c e l l u l a rd i g i t a lp a c k e td a t a ) c d p d ，即蜂窝数字式分组数据交换网络，由英国b tc e l l n e t 公司提出， 1 9 9 2 年开始研究，1 9 9 5 年在美国推出第一个商用系统。它以数字分组技术为基 础，支持高速移动中的通信，数据传输速率可达1 9 2 k b p s 。基于t c p i p ，移动 终端直接使用口地址，可以很方便地接入i n t e m e t ：应用软件开发简单。c d p d 还支持用户越区切换和全网漫游、广播和群呼，可与公用有线数据网络互联互 通。 1 2 2 2g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 和e d g e ( e n h a n c e dd a t ar a t ef o r g s me v o l u t i o n ) g p r s 是通向3 g 的一个重要过渡技术。与g s m 不同，g p r s 采用分组交 换，提供i n t e m e t 接入；数据速率可变，从几b p s 到1 7 1 k b p s ，支持多媒体业 务；采用分组交换技术优化无线资源共享，优化网络资源贡享：根据用户需要 动态分配无线资源，实现多用户共享，提高频谱利用率；用户一直在线，按照 流量计费。 g p r s 在调制标准、频带、突发结构、跳频规则以及t d m a 帧结构方面与 g s m 相同，因此利用现有的基站子系统( b s s ，b a s es t a t i o ns u b s y s t e m ) g p r s 就能提供全面的g p r s 覆盖。 e d g e ，即增强数据速率g s m 演进技术，有效地提高了g p r s 信道编码效 率，由e r i c s s o n 公司于1 9 9 7 年提交给e t s i ( e u r o p e nt e l e c o m m u n i c a t i o n s t a n d a r d si n s t i t u t e ) 。在空中接口采用新的调制方式，为每个无线信道提供高达 4 8 k b p s 的传输速率，应用8 个信道，一个收发机就能支持3 8 4 k b p s 的传输速 率。它也可以应用于电路交换，在“增强型电路交换数据模式”中，每个无线信 道的传输速率为2 8 8 k b i t s 。 1 2 3 宽带卫星系统 宽带卫星系统通过固定或移动终端，为用户提供高速语音、数据等多种业 务。按运行轨道、覆盖范围和提供业务，将宽带卫星系统分为两类，即全球区 域覆盖同步轨道系统和全球覆盖低轨道系统。前者着重提供允许延迟的业务， 需要降低时延的影响；后者主要提供低时延的业务，需要解决卫星组网的问 题。 据估计，从2 0 0 1 年后，新一代的k a 波段( 1 8 3 0 g h z ) 的数据通信卫星将 以宽带扩展能力和一定的屋上处理能力覆盖全球，目前己解决了k a 波段传输 雨水衰减的问题。k a 波段系统的改进型增加了返回信道，即用户到卫星的传输 采用k a 波段，卫星到用户的传输采用k u 波段，可以通过同步轨道卫星提供多 6 硕士学位论文第一章绪论 个点波束和非对称宽带传输，来自用户的传输速率为2 m t ，p s ，到达用户的传输 速率高达3 8 m b p s 。 1 2 4 基于局域网的无线接入 基于局域网的无线接入系统的典型代表有h o m e r f 、b l u e t o o t h 、w l a n 。 在这咀只对、1 a n 进行介绍。无线局域网w l a n 是一种能在几百米范围内支 持较高数据速率( 2 m b p s 以上) 的无线网络。目前，该领域的一个代表是i e e e 8 0 2 1 1 系列。 i e e e8 0 2 “系列是指由i e e e 提出的系列标准，包括1 e e e8 0 2 1 l 、 8 0 2 1 l a 、8 0 2 1 l b 和8 0 2 1 l g 。8 0 2 1 l 和8 0 2 1 1 b 工作在2 4 g h z 频段，采用 c s m a c a 接入机制，8 0 2 1 l 采用d b p s k ( d i f f e r e n c eb yp h a s es h i f ik e y i n g ) 和d q p s k ( d i f f e r e n c eq u a l t e rs h i f tk e y i n g ) 调制，传输速率为i m 、2 m b p s ， 8 0 2 “b 采用d b p s k 、d q p s k 、c c k ( c o m p l e m e n t a r yc o d ek e y i n g ) 调制，传 输速率为i m 、2 m 、5 5 m 、l1 m b p s 。 i e e e8 0 2 1 l a 工作在5 g h z 频段，使用正交频分复用( o f d m ，o r t h o g o n a l f r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x ) 调制，传输速率可达5 4 m b p s 。后来的珉e e 8 0 2 1 1 9 采用了c c k 、o f d m 、p b c c ( 分组二进制卷积码，p a c k c tb i n a r y c o n v o l u t i o n a lc o d e ) 调制，可在2 4 g h z 提供5 4 m b p s 速率。 1 3 课题研究的主要内容 宽带无线接入是无线通信中最为活跃、最为革命性的因素，它在高速 i n t e m e t 接入、信息家电联网、移动办公、军事、救灾、空间探险等领域具有非 常广阔的应用前景。无线城域网技术是继无线局域网之后出现的又一宽带无线 接入技术。同无线局域网相比它具有许多突出的优点，如它能提供更远的传输 距离，更高的传输速度和q o s 保证等。因此它一出现就引起了人们广泛的兴 趣。继1 e e e 于2 0 0 4 年1 0 月在8 0 2 1 6 ( 2 0 0 1 ) 和8 0 2 1 6 a 的基础上发布i e e e s t d 8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 后，e e 将于近期发布支持移动特性的正e e8 0 2 1 6 e ，并正在 抓紧制订针对移动和切换的8 0 2 2 0 和8 0 2 2 1 标准。与此同时，产业界在 w i m a x ( w o r i 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 ，全球微波接入互操作 性，无线城域网也叫w i m a x 网络) 论坛的推动下，以i n t e l 公司为首，逐步推 出8 0 2 1 6 的基站，用户站等w i m a x 设备，在很多文章中也称它为宽带无线接 入( b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ，b w a ) 1 9 ”j 。可以预见在不远的将来，w i m a x 必将象、矾一f i 一样成为人们无线宽带接入的一种重要方式。 7 硕七学付论文 第一章绪论 然而，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。其 中频谱利用和q o s 是两个最突出的问题。一方面无线通信中的带宽是有限的， 在一定的空日j 范围内，空中信道如果被某些设备占用，它就不可能被其它设备 同时使用了，并且这种有限也不能像有线网络那样通过铺设更多的线路来扩 展，因此无线频谱受到严格管理。并且最大限度地利用有限的无线频谱成为无 线通信技术中的核心问题。另一方面，随着各种多媒体应用开展，服务质量l l o 】 是新一代无线网络必须考虑的问题，由于w i m a x 采用面向连接机制，能够支 持多种多媒体业务，保证其端到端的q o s 显得尤为重要。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，m a c 层的 资源管理和调度及区间切换部【1 3 1 成为w i m a x 中需要研究和实现核心问题。 当前，i e e e8 0 2 1 6 标准主要提供了点对多点( p o i n tt om u l t i p o i n t ，p m p ) “1 ”j 和m e s h 两种无线信道共享模式。在p m p 模式下带宽分配采用的是请求授予 ( r e q u i r e g r a n t ) 模式，用户站s s ( s u b s c r i b e rs t a t i o n ) 要想发送数据，首先必 须向基站b s ( b a s es t a t i o n ) 发送带宽请求( b wr e q u e s t ) ，b s 成功收到带宽 请求后，根据资源调度算法给s s 分配带宽，此时s s 才能发送数据。因而，带 宽请求是数据发送的前提，它的性能直接影响整个城域网系统的性能。一方面 带宽请求的延时决定了s s 数据的延时，另一方面s s 带宽请求竞争的性能也直 接影响到了b s 的资源分配策略。 而在m e s h 模式下，各节点间的带宽请求是互相协调的。在这种模式下主 要有两种调度方式：集中式( m e s hc e n t r a l i z e ds c h e d u l i n g ，m e s h c s ) 和分布式 调度( m e s h d i s t r i b u t e d s c h e d u l i n g , m e s hd s ) 。在集中式m e s h 网中，m e s h b s ( 本文称集中式调度调度中的b s 为m e s hb s ) 对距离自己一定跳数的s s 节点 进行带宽调度。m e s h 集中式模式与p m p 模式获取信道资源的方式是相同的， 但是它们也有不同的地方。在p m p 模式中所有的s s 节点的所有数据必须通过 b s 才能进行传输。而在m e s h 集中式调度中s s 节点在获得m e s hb s 的传输时 隙后可以不通过m e s hb s ，而直接与其它节点进行通信。在m e s h 集中式调度 中，s s 节点可以通过其它s s 节点中继调度信号给m e s hb s 节点。在协调分布 式调度中，当s s 节点需要传输数据时，它必须首先获得信道时隙的使用许可， 即它要通过公共控制信道向距离自己k 跳范围的邻居节点发送请求发送帧r t s 来获得某个时隙或多个时隙的使用许可。当且仅当该节点k 跳范围内的所有s s 节点都不使用此时隙时，请求节点才能获得此时隙的使用权。如果邻居节点同 意该节点使用此时隙时，邻居节点将保持沉默，不会做出任何响应。因此，研 究8 0 2 1 6 中的带宽请求的接入控制具有十分重要的意义。 。 8 硕十学竹论文第一章绪论 由于无线城域网在m e s h 模式下，各站点间可以进行数据传输，同时又由 于无线链路质量受到气候、温度，视距与非视距影响，还有就是在当l j 因特网 上，大部分资源足在有线网络上也就是说当无线用户想要获得网络上的信息， 他必须从有线网络上获得，这样从用户到无线城域网和因特网之间的链路选择 变得非常重要，因为选择一条好的无线链路可以促使用户获得较好的网络质 量。从而最大限度选择一条接入有线网络的链路也是个值得研究的问题。 综上所述，w i m a x 是未来宽带无线通信的一个热点。而分析w i m a x 中 各种带宽请求接入方法性能，根据各种接入方式的特点，根据不同的网络结 构，给出不同条件下的带宽请求接入控制算法及无线网络多目标网关因特网节 点选择问题，对于无线城域网的性能具有十分重要的意义，也是w i m a x 中需 要首先解决的问题。 1 4 论文结构 本论文的基本结构为：第一章本文对当今无线接入网络的发展进行了粗略 的介绍，然后对本文的研究内容：无线城域网络需要解决的相关课题如带宽请 求、时隙调度、无线切换等给出说明。第二章首先对w i m a x 网络的拓扑结构 进行了介绍，并对当前的网络接入新技术3 g 、w i - f i 、d s l 、c a b l e 等进行比 较。接着对w i m a xp m p 模式下的帧结构、各调度算法等进行了分析。第二章 的重点就是对w i m a xm e s h 模式下m a c 层接入算法进行研究：它包括分布式 选举算法、帧结构、三次握手协议；同时提出了一种在w i m a xm e s h 集中式调 度模式下的基于树的m e s h 集中式调度( m e s hc e n t r a l i z e ds c h e d u l i n ga l g o r i t h m b a s e do nt r e e ，m c t ) 算法，并在m e s h 分布式模式下提出了协调分布式m e s h 调度算法。第三章对提出的m e s h 集中式调度模式下的m c t 算法的调度的长 度，信道平均利用率、平均传输延迟进行了分析和模拟，也m e s h 分布式接入 算法进行了模拟。第四章提出了无线城域网与多i n t e m e t 网目标网关节点选择问 题。由于当今的网络资源很大一部分是在有线网络中，所以当w i m a x 用户在 因特网上获取资源时，从无线接入点到有线接入点之问的路径选择问题就成了 影响链路质量的主要问题。在最后一章，总结了无线城域网的发展方向及将来 需要解决的问题。 9 硕+ 学位论文第_ 二章w i 9 6 l xm a c 层协议理论分析及m e s h 接入算法研究 第二章w i m a xm a c 层 协议理论分析及m e s h 接入算法研究 2 1w i m a x 网络协议的框架和分层结构 i e e e8 0 2 1 6 标准定义了固定宽带无线接入系统的空中无线接口部分，包 括物理层( p h y ) 和介质接入控制层( m a c ) 1 5 1 的详细规范，并在m a c 和p h y 层之间加入了一个用来进行鉴权加密和密钥管理的加密子层，以增强无线链路 传输信息的安全性。图( 2 1 ) 表示了协议的层次结构。 - b 物理 层相关 的子层 与服务相关的会聚子层 m a c 子层公共部分 安全子层 传输会聚子层 q p s k q a m o l 6q a m 6 4 图2 18 0 2 1 6 协议栈 1 上面的各层 j 数据链路层 卜 i e e e8 0 2 1 6 协议的设计是针对单点对多点的宽带无线接入应用，其接入方 式和带宽分配方式应该使得每个信道满足数百个终端的请求。为了满足不同类 型的数据流，协议还同时支持连续和突发两种传输模式。8 0 2 1 6m a c 层的一个 显著特征是，它是面向连接的，所有的业务流，包括无连接的数据业务，以及 与此相联系的q o s 要求，都足在建立的连接中实现的。 保障不同业务流的服务质量( q o s ) 是本协议的另外一个重要特色，它可以承 载的业务种类很多，包括面向连接和无连接的业务，因此，需要有一个合适的 q o s 保障机制。为了保证不同业务流的服务质量，m a c 层预先定义了4 种不同 的上行基本业务，它们是：主动提供的带宽分配( u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e ， u g s ) 业务、实时轮询( r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e