（通信与信息系统专业论文）基于eponwimax网络的切换方案研究.pdf

懒嬲 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或 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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：型圆监色 日期： 逸! ! ：! ：! 旦 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权 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，可以允许采用影印、缩印 或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围 本人签名：丛监垒 导师签名：_ 灰刍毋出l ，适用本授权书。 同期： 竺! ! ：! ：! 只期： 2 0 lo ，；1 华 一 j ， 7 北京邮电大学硕l 研究生学位论文摘要 基于e p o n w i m a x 网络的切换方案研究 摘要 近些年来见证了宽带无线网络和移动设备接入的快速发展，随着 无线技术的快速发展，无线网络变得越来越受欢迎不同于有线网络 环境，无线网络的无线信道环境、连接、和可用带宽都在动态变化， 移动用户需要切换机制来保证网络覆盖的连续性来持续获得因特网 服务。如果没有合适的切换机制，用户会承受很长的切换时延和较高 的丢包率，这对于未来高实时性要求的宽带服务诸如i p l v 、v o d 等 业务来说是无法接受的。 为了实现移动性管理中的有效的网络通信，本协议层学习和利用 其它协议层的控制信息非常重要。然而由于每一协议层都是独立设计 的，控制信息的跨层交互比较难于实现口1 。现有的研究也提出了一些 不同的跨层调度切换方案，但是就效果而言，都存在一定的局限性。 本文就以上趋势和问题作出了相应工作： 1 基于f m c 融合网络所采用的有线和无线接入方式，系统的研 究了i e e e 8 0 2 1 6 x 协议架构，对m a c 层的调度机制展开了详 细讨论，同时介绍了以太无源光网络e p o n 的相关技术背景。 2 对全i p 的下一代网络中已经采用的以及一些备选移动性管理 协议方案进行讨论和比较总结，并针对其中的网络层解决方 案m o b i l ei p 协议进行了具体分析。 3 针对切换中的链路层切换相关参数利用概率密度函数进行理 论建模，推导了移动速度和切换失败概率、信令交互时延和 切换失败概率之间关系。 4 提出了一种新的基于e p o n 和w i m a x 混合网络的跨层切换 方案，为未来的全i p 化网络提供移动性管理服务，跨层切换 策略旨在最大限度减小切换带来负面影响。考虑到e p o n 中 的统一调度和动态带宽分配的能力，利用光线路终端( o l t ) 的汇聚信息来统一调度减少二层的切换时延，并利用跨层信 息触发三层做切换前准备使总的切换时延达到最小。同时搜 北京邮电大学硕：研究生学位论文 摘要 集的切换信息还可以用来进行最优化基站选择。 5 在文章的最后设计了基于跨层切换的场景进行仿真验证，并 且对比现有的切换协议，结果显示切换性能有了明显提升乜副。 关键词：跨层切换、移动性、w i m a x 、e p o n 、融合网络、f m i p v 6 一 一 北京邮电大学硕土二研究生学位论文 h a n d o f fs c h e m er e s e a r c hu n d e r e p o n w i 削【a xn e t w o r k s 胎a l r e a d yv i e wt h er a p i dd e v e l o p m e n to fb r o a d b a n dw i r e l e s s n e t w o r ka n dm o b i l ea c c e s sd e v i c ei nr e c e n ty e a r w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fw i r e l e s st e c h n o l o g y , w i r e l e s sn e t w o r kr e c o g n i z e da st h e m o s tc o n v e n i e n tw a yf o rv a i l o i l sk i n d so fc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e s u n l i k ew i r e de n v i r o n m e n t ，w i r e l e s se n v i r o n m e n t ，c o n n e c t i o n ，a v a i l a b l e b a n d w i d t hi nw i r e l e s sn e t w o r k sa r e c h a n g i n gd y n a m i c a l l y , i ti sn e e d h a n d o f fs c h e m et op r o v i d en e t w o r kc o v e r a g ec o n t i n u i t ya n di n t e r n e t s e r v i c ef o rm o b i l eu s e r u s e rw i l ls u f f e rl o n gt i m eh a n d o f fl a t e n c ya n d p a c k e t l o s su n l e s st h e r ei s a p p r o p r i a t e h a n d o f fs c h e m e t h i si s u n a c c e p t a b l ef o rt h eh i g hr e a l t i m er e q u i r e ds e r v i c el i k ei a n d v o di n t h ef u t u r eu s a g e f o re f f i c i e n tn e t w o r kc o m m u n i c a t i o ni nm o b i l i t ym a n a g e m e n t i ti s v i t a lf o rap r o t o c o l l a y e rt ok n o wo ru t i l i z eo t h e rl a y e r s i n f o r m a t i o n i ti s h o w e v e r , h a r dt or e a l i z e ，s i n c ee a c hp r o t o c o ll a y e ri sb a s i c a l l yd e s i g n e d i n d e p e n d e n t l yl i j t h ee x i s t i n gr e s e a r c hp r o v i d es o m ec r o s s l a y e rh a n d o f f s o l u t i o n h o w e v e r , i tc o n t a i n ss o m el i m i t a t i o nv i e w st h ee f f e c t a c c o r d i n g t ot h ei s s u e sa n dt r e n d sd i s c u s s e da b o v e i m p l e m e n tt h ef o l l o w i n gr e l a t e d w o r k si nt h i sp a p e r ： 1 b a s e do nt h ew i r e da n dw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g yi nf m c i n t e g r a t i o nn e t w o r k s y s t e m a t i cr e s e a r c h i ni e e e 8 0 2 1 6 x p r o t o c o l a r c h i t e c t u r e d i s c u s st h e m a c 1 a y e r s c h e d u l e r m e c h a n i s mi nd e t a i l a tt h es a m et i m e ，d i s c u s st h et e c h n o l o g y i i i 北京邮电人学硕士研究生学位论文 b a c k g r o u n da b o u te t h e m e tp a s s i v eo p t i c a ln e t w o r k a n a l y s i s a n dc o m p a r em o b i l i t y m a n a g e m e n tp r o t o c o l a n d s c h e m eu s e di nn e x t - g e n e r a t i o na l l i pn e t w o r k ，a n a l y s i st h e m o b i l ei ps o l u t i o ni nn e t w o r k l a y e ri nd e t a i l f o r l i n k l a y e r h a n d o f fr e l a t i v e p a r a m e t e r , m o d e l i n g i n p r o b a b i l i t yd e n s i t yf u n c t i o n ( p d f ) a n a l y s i st h e r e l a t i o n b e t w e e nm o v i n gs p e e da n df a l s eh a n d o f fp r o b a b i l i t y , r e l a t i o n b e t w e e ns i g n a l i n gd e l a ya n df a l s eh a n d o f f p r o b a b i l i t y i tp r o v i d e san o v e lc r o s s l a y e rh a n d o f fs c h e m ei n t h i sa r t i c l e b a s e d0 1 1t h ee m e r g i n ge p o n w i m a xi n t e g r a t i o nn e t w o r k t h e p u r p o s eo fc r o s s l a y e ri st om i n i m i z et h es i d ee f f e c tc a u s e d b yh a n d o f f t h eg o a lo fn e wh a n d o f fa p p r o a c hi st om i n i m i z e t h en e g a t i v ee f f e c tc a u s e db yh a n d o f f c o n s i d e r i n gt h ea b i l i t yo f c o n v e r g e n c e ，u n i v e r s a ls c h e d u l i n g a n d d y n a m i cb a n d w i d t h a l l o c a t i o n ( d b a ) o fe p o n ，i n f o r m a t i o ng a t h e r e di no p t i c a l l i n et e r m i n a l ( o l t ) c a nb eu s e dt om i n i m i z et h eh a n d o f f l a t e n c yo fl a y e r 一2 ，a n ds i m u l t a n e i t yc r o s s - l a y e rt r i g g e r sl a y e r - 3 t op r e p a r ef o rh a n d o f ft or e a l i z et h et o t a lh a n d o f fl a t e n c y m i n i m i z e d i nt h ee n do ft h i sp a p e ras i m u l a t i o nb a s e do nt h ec r o s s l a y e r h a n d o f fs c e n a r i oi si n t r o d u c e d ，a n dt h ec o m p a r i s o nw i t ht h e e x i s t i n gh a n d o f fp r o t o c o l ss h o w i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h en e w s c h e m eh a sb e e nm a r k e d l yi m p r o v e df 矧 k e yw o r d s ：c r o s s l a y e r h a n d o f f , w i m a x ，e p o n ，i n t e g r a t i o n n e t w o r k ，f m i p v 6 ，m o b i l i t y i v z 王 毛 孓 北京邮电大学硕十研究生学位论文 目录 目录 摘要i a b s t l l j 惦t i i i 目录v 第一章绪论1 1 1课题背景及意义l l - 2 论文研究主要内容1 1 3论文内容安捧2 第二章融合接入网络分析3 2 1e p o n 概述3 2 2w i m a x i e e e 8 0 2 1 6 系统架构5 2 3i e e e 8 0 2 1 6 8m a c 层协议研究7 2 3 1汇聚子层8 2 3 2公共部分子层9 2 2 3安全子层2 0 第三章全i p 网络的移动性管理分析2 l 3 1 移动性管理概述2 1 3 1 1位置管理2 1 3 i 2切换管理2 1 3 2基于不同协议层的移动性管理解决方案2 2 一3 2 1业务分类模型2 2 3 2 2切换影响参数2 3 3 2 3链路层解决方案2 4 3 2 4网络层解决方案2 7 3 2 5跨层( 二层+ 三层) 解决2 9 3 2 6传输层解决方案2 9 3 2 7应用层解决方案3 0 3 2 8研究热点3 0 3 3m i p v 6 基本功能操作3 l 3 3 1移动检测3 3 3 3 2获取转交地址3 4 3 3 3重复地址检测3 5 3 3 4绑定管理3 6 3 3 5动态家乡代理发现3 8 3 3 6移动节点在外地链路与通信对端通信3 8 3 3 7移动切换4 0 3 4f m i p 分析4 2 v 北京邮电人学硕1 ：研究生学位论文目录 3 4 1跚i p v 6 的相关术语和扩展消息4 2 3 4 2蹦i p v 6 的基本原理4 3 3 4 3蹦i p v 6 的切换流程4 3 第四章基于融合网络的跨层切换方案设计实现4 7 4 1e p 侧- | i m a x 融合网络架构4 7 4 2二三层切换参数对切换性能影响分析4 8 4 2 1错误切换发起概率5 2 4 2 2错误切换概率和速度之间的关系5 2 4 2 3切换失败概率与切换信令时延之间的关系5 2 毛3快速切换研究5 3 4 4融合网络中的跨层切换设计5 4 4 5n s - 2 仿真平台介绍5 8 4 6基于n s - 2 平台的仿真实现5 8 4 7仿真结构分析5 9 第五章研究工作总结及展望6 l 附录1 缩略语j 6 3 参考文献6 5 致 射6 7 攻读学位期间发表的学术论文目录6 8 v i 北京邮电大学硕+ 研究生学位论文第一章绪论 1 1课题背景及意义 第一章绪论 近些年来随着无线网络和移动接入设备的快速发展，无线网络越来越受到欢 迎得益于无线网络覆盖的延伸，这其中包括无线局域网w l a n ，无线城域网和 第三代蜂窝网络( g p r s ，u m t s ) ，使移动设备随时随地通过邻近的无线接入点 接入i n t e r n e t 成为了可能不同于有线网络环境，无线网络的无线环境、连接和可 用带宽在动态变化，移动用户需要有相应的移动性管理机制保证网络的连续性， 继而获得持续的因特网服务。相应的如果没有合适的切换机制，用户会承受很长 的切换时延和丢包率。切换调度中为了实现有效的网络通信，本协议层了解和利 用其它协议层的控制信息显得非常重要。然而控制信息的跨层交换又比较难于实 现原因就在于每一个协议层都是独立设计的i 。现有的研究也提出了一些不同的 跨层调度切换解决方案，但是由于没有具体网络的支撑，就效果而言都存在一定 的局限性。 随着诸如i p t v 和v o d 等高带宽实时业务的出现，宽带接入凸显其重要性。新 一代基于光纤的接入技术已经标准化并且在逐步的成熟中，以太无源光网络 ( e p o n ) 是一个非常具有前景的光纤接入技术，它有望对由于普遍存在的基于 以太网的网络设备部署的宽带接入提供一种经济的解决方法。另一方面，无线接 入技术已在不断扩展传输带宽，覆盖范围和提供q o s 支持。新一代无线技术 w i m a x 以其大的传输范围、优化的资源调度算法和较好的支持移动性，很有可 能成为一项最为重要的无线技术。针对有线与无线接入领域的发展趋势和移动性 管理中跨层调度的需要，本文提出利用两种非常具有前景的有线、无线接入技术 的融合网络，来提供完整的固定移动融合( f m c ) 的接入。利用融合网络中无源 光网络的汇聚和带宽动态分配特性，实现切换信息汇聚和跨层交互，这样不仅提 高了切换的成功率和减少切换时延。由于信息在控制中心的汇聚可作为最优基站 的选择的参数，这样就可以进一步保证业务的q o s 。整套方案是针对下一代全i p 网络的移动性管理的一种具体解决策略。 1 2论文研究主要内容 支持移动性是下一代无线网络的一大特点，移动性必然要支持终端切换。特 别针对时延敏感业务，切换性能的好坏直接关系到服务的质量。针对移动性管理 第1 页共6 8 页 北京邮电大学硕l ：研究生学位论文第一章绪论 中的切换管理，现有的切换策略大多是基于本层的信息独立设计实现的。下一代 网络中全i p 化已经成为必然趋势，i e t f 提出的移动1 p ( m o b i l ei p ，m i p ) 技术就 是基于网络层的切换方案。虽然m i p 已成为认可的网络层移动性解决方案，但是 就实际效果来看难以避免较长的切换时延和包丢失，这样就无法承载实时高带宽 业务。为了减少移动节点在切换过程中的切换时间，i e t f 提出了移动i p v 6 快速切 换技术( f m i p v 6 ) 对m i p v 6 进行性能改进。f m i p 的理论上可以减少已由通信连 接的中断时间，保证通信流得适时传输。通过提前注册绑定更新，以及在新的外 地网络切换为完成时通过于前一个网络保持通信的方法实现快速切换。但实际应 用中由于切换时间点选择的模糊性导致切换性能的不稳定。 本文正是针对以上问题，提出了在有线与无线融合网络( e p o n w i m a x ) 的架构下，充分利用无源光网络( e p o n 中光线路终端( o u ) 的统一调度来 优化信道搜索机制，在快速移动i p 技术( f m l p v 6 ) 中应用跨l 2 层和l 3 层的信令 触发机制，交互切换相关信息，使用l 2 层l 3 层配合完成切换全过程，实现无缝 快速切换。 1 3 论文内容安排 本文后续章节安排如下： 第二章介绍了融合网络中所采用的无线接入网i e e e 8 0 2 1 6 协议架构具体研 究w i m a x 的m a c 层协议和有线接入网技术e p o n 。 第三章介绍对全i p 网络中的移动性管理的多种解决方案，对不同的方案进行 了总结对比。接着具体对网络层解决方案m o b i l ei p v 6 协议和其改进版本f m i p 、，6 进行研究分析。 第四章介绍了e p o n w i m a x 融合网络架构，接着提出基于这种新的融合网 络的跨层切换方案。最后对切换方案给以仿真实现，包括n s 2 仿真平台介绍，具 体仿真实现细节和仿真结果分析。 第五章对论文的研究工作进行了总结，提出了下一步研究的方向和前景展 望。 第2 页共醴页 北京邮电大学硕士研究生学位论文第二章融和接入网络分析 第二章融合接入网络分析 随着诸如i p l r v 和m a d 等高带宽实时业务的出现，宽带接入凸显其重要性新 一代基于光纤的接入技术已经标准化并且在从光纤到路边( m c ) 到光纤到楼 ( 册) 、光纤到户( 硎) 的过程中逐步的成熟中，以太无源光网络( e p o n ) 是一种非常具有前景的光纤接入技术，由于广泛存在的基于以太网的网络设备， 它有望对宽带接入提供一种经济的解决方法。另一方面，无线接入技术也在不断 扩展传输带宽，覆盖范围，以及提供o o s 支持。随着无线局域网系统( w u 试， i e e e8 0 2 1 1 ) 在市场上巨大的成功，新一代无线技术w i m a x ( i e e e 8 0 2 1 6 ) 也 在标准化和部署的过程中。w i m a x 以其大的传输范围、优化的资源调度算法和 较好的支持移动性得到了较多关注，很有可能成为下一代宽待无线接入网中最为 重要的无线技术。 基于光纤的技术提供了超宽的带宽，然而直接将光纤部署到户的成本还是相 当大。相比之下，无线技术有着相对地的部署成本，另一方面无线技术可以支持 移动性。但是无线技术通常会受限于多用户共享的无线频谱，所以每个用户分配 的带宽就受到极大限制。并且，一个无线系统通常需要一个宽带光纤馈线来连接 分散的接入站点到中心机房。将e p o n 与w i m a x 结合使两种技术相互补充，可能 成为宽带网络接入的一种很有吸引力的解决方案。接下来针对这两种有线和无线 领域的代表接入技术进行具体分析。 2 1e p o n 概述 光接入网由于其具有及高的传输带宽和抗干扰性，近年受到广泛的研究与关 注，截至2 0 0 8 年，在用户接入端已能提供高达1 0 0 0 m b p s 的接入能力。光接入网 ( o a n ) 就是采用光纤传输技术的接入网，泛指本地交换机或端模块与用户之 间采用光纤通信或部分采用光纤通信的系统。光纤接入网包括光网络单元 ( o n u ) 和光线路终端( o l t ) ，它们通过光分配网络单元( o d n ) 相连。它们 在整个接入网中完成从业务节点接口( s n i ) 到用户网络接口( u n i ) 间有关信 令协议的转换。接入设备本身还具有组网能力，可以组成多种形式的网络拓扑结 构。同时接入设备还具有本地维护和远程集中监控功能，通过透明的光传输形成 一个维护管理网，并通过相应的网管协议纳入网管中心统一管理。 o l t 的作用是为光接入网提供网络侧与本地交换机之间的接口并通过一个 第3 页共6 8 页 北京邮电大学硕r i ：研究生学位论文 第二章融和接入网络分析 或多个o d n 与用户侧的o n u 通信，o l t 与o n u 的关系为主从通信关系。在北美， o l t 称为局用数字终端( h d t ) 。o l t 可以分离交换和非交换业务，管理来自o n u 的信令和监控信息，为o n u 和本身提供维护和供给功能。o l t 可以直接设置在本 地交换机接口处，也可以设置在远端，与远端集中器或复用器接口o u 在物理 上可以是独立设备，也可以与其他功能集成在一个设备内。 o d n 为o l t 与o n u 之间提供光传输手段，其主要功能是完成光信号功率的 分配。o d n 是由无源光元体( 诸如光纤光缆、光连接器和光分路器等) 组成的 纯无源的光配线网，呈树形一分支结构。 o n u 的作用是为光接入网提供直接的或远端的用户侧接口，处于o d n 的用 户侧o n u 的主要功能是终结来自o d n 的光纤处理光信号并为多个小企事业用 户和居民住宅用户提供业务接口。o n u 的网络侧是光接口而用户侧是电接口， 因此o n u 需要有光电和电光转换功能，还要完成对语声信号的数模和模数转 换、复用、信令处理和维护管理功能。，o n u 位置有很大灵活性，既可以设置在 用户住宅处，也可以设置在其他地点，根据o n u 在用户接入网中所处的位置不 同，可以将光接入网划分为三种基本不同的应用类型，即光纤到路边( 肿c ) ， 光纤到楼( 咖) 以及光纤到办公室( f 1 盯o ) 和光纤到家( 硎) 。 光接入网还可根据有源无源分成两大类：有源光网络( a o n ) 和无源光网 络( p o n ) ，前者使用电复用器分路，后者采用光分路器分路。本文基于无源光 网络的e p o n 系统展开研究。 如图2 1 所示为e p o n 上下行传输结构示意图。 习 是嚣嚣誉7 兰量 jo 躁踪i 雎蹿2 跟踪3 图2 - 1e p o n 的上下行传输 e p o n 采用点到多点结构，无源光纤传输方式，在以太网之上提供多种业务。 e p o n 是前面提到的以太网技术和无源光网络结合的产物。作为光纤接入中极有 优势的p o n 技术很早就出现了，它可以和多种技术相结合，如a t m 、s d h 等，分 别产生a p o n 、g p o n 等光接入方式。局端( o l t ) 与用户( o n u ) 之问仅有光 纤、光分路器等光无源器件，无需租用机房、无需配备电源、无需有源设备维护 人员，因此，可有效节省建设和运营维护成本。 第4 页共6 8 页 北京由l f 电大学硕上研究生学位论文 第二章融和接入网络分析 e p o n 接入系统具有如下特点： e p o n 采用以太网的传输格式同时也是用户局域网驻地网的主流技术，二者 具有天然的融合性，消除了复杂的传输协议转换带来的成本因素； 采用单纤波分复用技术( 下行1 4 9 0 n m ，上行1 3 1 0 a m ) ，仅需一根主干光纤和 一个o l t ，传输距离可达2 0 公里。在o n u 侧通过光分路器分送给最多3 2 个用户， 因此可大大降低o l t 和主干光纤的成本压力； 上下行均为千兆速率，下行采用针对不同用户加密广播传输的方式共享带 宽，上行利用时分复用( t d m a ) 共享带宽。高速宽带，充分满足接入网客户的 带宽需求，并可方便灵活的根据用户需求的变化动态分配带宽； 点对多点的结构，只需增加o n u 数量和少量用户侧光纤即可方便地对系统 进行扩容升级，充分保护运营商的投资； e p o n 具有同时传输t d m 、i p 数据和视频广播的能力，其中t d m 和i p 数据采 用i e e e8 0 2 3 以太网的格式进行传输，辅以电信级的网管系统，足以保证传输质 量。通过扩展第三个波长( 通常为1 5 5 0 n m ) 即可实现视频业务广播传输。 2 2w i 脚i e e e 8 0 2 1 6 系统架构 无线城域网的推出是为了满足日益增长的宽带无线接入( b w a ) 市场的需 求。虽然很多年以来i e e e8 0 2 1 l x 技术一直与许多其它专有技术一起被用于 b w a ，并获得很大的成功，但是w l a n 的总体设计及其提供的特点并不能很好 的适用于室外b w a 应用。当其用于室外时，在带宽和用户数方面将受到限制， 同行四海存在着通信距离等其他一些问趔2 5 j 。基于上述情况，i e e e 决定制定一 种新的、更复杂的全球标准，这个标准应能同时解决物理层环境( 室外射频传输) 和q o s 两方面的问题，以满足b w a 和“最后一英里”接入市场的需求。有了这样 一个全球标准，就能使通信公司和服务提供商通过建设新的无线城域网来为目前 仍然缺少宽带服务的企业和住宅提供服务。 符合i e e e8 0 2 1 6 标准的设备可以在“最后一英晕一宽带接入领域替代c a b l e m o d e m 、d s l 和t 1 e 1 ，也可以为i e e e8 0 2 1 1 热点提供回传。新标准规范了一个 支持诸如语音和视像等低时延应用的协议，在用户终端和基站之间允许非视距的 宽带连接，一个基站可支持数百上千个用户，在可靠性和q o s 方面提供了电信级 的性能。总之，它充分考虑了为全世界通信公司和服务提供商设计一个可扩展、 长距离、大容量“最后一英里无限通信系统的需要，可支持一整套的服务，从 而使服务提供商能够在的设备成本和投资风险的同时提高系统性能和可靠性，有 助于加速无线宽带设备向市场的投放以及“最后一英里宽带在世界各地的部署。 第5 页共6 8 页 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章融和接入网络分析 b w a 应用包括住宅宽带接入、用于s o h o 和小企业的d s l 级业务、用于企业的 t 1 e 1 级业务( 所有这些不仅支持数据，而且还支持语音和视像) ，还包括用于热 点的无线会穿和蜂窝小区基站回传业务等。 i e e e 组织在完成i e e e 8 0 2 1 & l 标准制定后，除继续与w i m a x 组织合作制定 i e e e 8 0 2 1 6 d 的互操作性规范之外，其工作重点转向i e e e 8 0 2 1 6 e i e e e 8 0 2 1 6 e 标准计划作为已通过的i e e e 8 0 2 1 6 1 6 a 标准扩展和延伸，i e e e 8 0 2 1 6 e 的目标是在 终端固定的情况下增加终端有限的移动能力。i e e e 8 0 2 1 6 e 并不打算与3 g 等具备 真正移动性能的系统相竞争。这项扩展计划在2 0 0 4 年底完成。w i m a x 技术具有 诸多优势： 1 开销及风险较小。设备的互用性使运营商能从多个设备制造商处购买 w i m a x 认证设备，稳定的基于标准的平台将激发各层，网络管理，天线 等技术的创新，从而改善运营费用的问题。 2 长距离下的高容量。w i m a x 中采用m e s h 、b e a m f o r m i n g 、m i m o 等先进 的技术改善非视距性能，出众的系统增益提供更强的远距离穿透阻挡物能 力。w i m a x 基站可以提供每个扇区7 5 m b i t s 的吞吐量，可以同时为超过6 0 个t 1 级别的商业用户和上百个d s l 数据速率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 k i n ，典型的基站覆盖范围为6 。1 0 k m 。 w i m a x 支持姿势以昂调制和可变纠错码技术，基站可以根据信号的强度 在吞吐量和覆盖范围之间进行权衡。w i m a x 信道带宽可以根据实际的需 求进行调整，从而更有利于抵抗干扰、节省频谱资源和频谱规划。 3 系统容量可升级性。新增扇区简易，灵活的信道规划使容量达到最大化， 并且允许运营商根据用户的发展来逐渐升级扩大网络。灵活的信道带宽规 划适应于多种频率分配情况。从单个用户到数以百计的用户，m a c 层协 议可以保持高效的分配机制。 4 有效的服务质量空控制。 5 w i m a x 中动态t d m a 多只方式( g r a n t r e q u e s t ) m a c 支持数据、语音 ( v o i p ) 以及视频等对时延敏感业务的服务。根据业务的分级不同，带宽 进行按需分配( o n d e m a n db a n d w i d t h a l l o c a i t o n ) 6 提供无线形式的“最后一公里 宽带接入，同时保持了对w i f i 技术的补 足功能。业务提供商可用i e e e 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 要花三个月或更长时问来提供一条t 1 e 1 线路给商业用户。但有了宽带无 限接入技术，业务提供商可以只花费前一种方案需动用的部分资金。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 第6 页共6 8 页 北京邮电人学硕上研究生学位论文第一二章融和接入网络分析 为诸如公共场所等漫游型的零星宽带接入需求提供服务。 i e e e 8 0 2 1 6 e 在2 - - 6 g h z 的特许频段内支持低速的移动终端，其空中接口由物 理层( p h y ) 幂i 媒体接入控制层( m a c ) 组成。图2 1 是w i m a x 8 0 2 1 6 协议栈的参考 模型。协议栈模型横向可以分为数据控制平面和管理平面。系统在数据控制平 面实现的功能主要是保证数据的正常传输，因此，数据控制平面在定义必要的 传输功能之外，还需要定义一些控制机制来保障传输的顺利进行。而管理平面中 定义的管理实体，分别与数据控制平面的功能实体相对应。通过与数据控制平 面中实体的交互，管理实体可以协助外部的网络管理系统完成有关的管理功能。 8 0 2 1 6 e 协议只规定了数据控制平面部分协议栈纵向则分为m a c 层和物理层， 协议对这两层的功能做了详细规定以下分别介绍协议栈的m a c 层和物理层。 图2 - 1i e e e 80 2 16 协议参考模型 2 3i e e e 8 0 2 1 6 em a c 层协议研究 i e e e 8 0 2 1 6 e 的m a c 层有三个子层组成：特定服务汇聚子层( c s ) 、公共部分 子层( c p s ) 和安全子层( s s ) 。特定服务汇聚子层提供了对来自外部网络的数据进 行转换或映射的机制，包括对来自外部网络的服务数据单元( s d u ) 进行分类， 并将他们与正确的m a c 服务流标识( s f i d ) 和连接标j , p , ( c i d ) 相关联为了与各种 不同的外部网络接口，协议定义了多种c s 层规范。m a c 公共部分子层实现m a c 层的所有核心功能，包括系统接入、带宽分配、服务流建立和维护，移动性管理 等功能。安全子层提供鉴权、安全密钥交换和加密功能。 第7 页共6 8 页 北京邮电大学硕l 研究生学位论文第二章融和接入网络分析 2 3 1 汇聚子层 面向业务的汇聚子层( c s ) 位于w i m a x 8 0 2 1 6 e 系统m a c 层的最顶端，通 过公共部分子层提供的媒体访问控制服务访问点( m a cs a p ) 使用下一层提供的 服务。w i m a x 8 0 2 1 6 标准定义面向业务的汇聚子层要完成以下功能： 1 ) 接收来自上层的协议数据单元( p d u ) ； 2 ) 对所接收的上层p d u 进行分类； 3 ) 如果需要，根据分类对上层p d u 进行处理； 钟将本层处理以后生成的汇聚子层p d u 送往合适的m a cs a p ； 5 ) 接收协议对等实体过来的c sp d u 目前的i e e e8 0 2 1 6 e 协议只定义了两种特定服务汇聚子层：a t m 汇聚子层和 分组汇聚子层。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n ( v l a n ) 等各类分组 业务数据单元，本文主要介绍分组汇聚子层( p a c k e tc s ) 。 分组汇聚子层将从i p 层过来的分组p d u 封装成m a cs d u ，然后通过分类器 将m a cs d u 映射到特定的连接上，这样s d u 就可以在m a c 对等层问进行传送。 映射过程将一个m a cs d u 与一条连接关联起来的同时，也将该s d u 与该连接的 服务流特性关联起来。 分类器是一系列的匹配标准，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、连接标识符( 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，并在此连接上进行发送。该 连接的服务流特性提供这个包的q o s 。如果分组无法与所定义的分类器相匹配， 那么该分组烙会被丢弃。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。下行分类器由b s 作用于数据包，上行分类器由s s 作用 于数据包b s 端和s s 端之间的分类和c i d 映射如图2 2 和图2 3 所示。 第8 页共6 8 页 北京邮电人学硕十研究生学位论文第二章融和接入网络分析 图2 - 2 分类与c i d 的映射( b s 到s s ) 2 3 2 公共部分子层 图2 - 3 分类与c i d 的映射( s s 到b s ) m a c 层的公共部分子层( c p s ) 几乎完成了所有m a c 层的核心功能，包括 m a cp d u 的构建和传送、网络的初始进入、带宽的请求和授予、竞争解决算法 实现、服务流的管理以及移动性管理等功能。 2 3 2 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，测距过程用于与基站 建立一个合适的连接，也被用于基站和终端相互认证，此m a c 地址其实与8 0 2 3 的m a c 地址意义和作用都是相同的。 每个连接有一个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) ，这三对连接也表明了基站与终端的管理信息具有三种不同 第9 页共6 8 页 北京邮电大学硕 ：研究生学位论文第二章融和接入网络分析 的q o s 。基本连接和主管理连接是必须的，第二管理连接是可选的。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。协议规定了管理信 令信息应该在哪一个管理连接上传输。最后一种第二类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( 例如d h c p 、椰、s n m p 等) 。 第二类管理连接上传输的消息都是口包数据报格式，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，是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。 2 3 2 2m a cp d u 的格式 m a cp d u 是在b s 和m s 的m a c 层之间传送的数据单元。m a c p d u 是由固 定长度的m a c 报头、可选的可变长度的净荷部分和可选的循环冗余校验( c r c ) 部分构成，如图2 4 所示。m a c 报头包括两种：通用报头和带宽请求报头。包含 通用报头的p d u 被称为通用p d u ，其净