（计算机应用技术专业论文）基于商用wimax的voip的优先级调度研究与改进.pdfVIP

d i s s e r t a t i o ns u b m “t e dt oz h e j i a n gu n i v e r s i 锣o f7 r e c h n o l o g y f - o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c o m m e r c i a lw i t a xb a s e dv 0 i pp r i o r i t ys c h e d u l i n g r e s e a r c ha n di m p r o v e m e n t c a n d i d a t e ：h ud i q i n g a d v i s o r ：a s s o c i a t ep r o y - a nz h i y i n g c o u e g eo fc o m p u t e r s c i e n c ea n d7 1 1 e c h n o l o g y z h e j i a n gu n i v e r s i 够o ft e c h n o l o g y a p r 2 0 1 0 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 期咄 日期：) o a 年月二弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密吖 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名：揖遣畎 别磴辄砒娩 日期：) 。年j 月哆日 日期：b 一年j 月哆日 浙江工业大学硕士学位论文 基于商用w i m a x 的v o i p 的 优先级调度研究与改进 摘要 基于技术的各种应用的提出，特别是v o i p 、f o 口技术的提出，使数据网络通信 逐渐融入了传统的话音、传真业务领域。在无线通信领域。基于m e e8 0 2 1 6 协议的 w i 懒技术凭借其初期投资少、高带宽、广覆盖的独特优势，已成为国际通信市场上的 一个商用热点，特别是被称为移动w i m a x 的i e e e8 0 2 1 6 e 版本正在被广泛使用，它可 以通过软件更新，升级到和l t e a d v 锄c e d 并驾齐驱的i e e e8 0 2 1 6 m 版本。 目前，商用的基于w i 接入提供v o i p 、f o i p 功能的运营商( 如触e l ，c l e a rw h 等) 都采用i l n p s 流承载v o p 的s i p 信令。随着用户的不断增加，基站的无线带宽资源 浪费现象和准入控制机制的触发使得可接入的用户数量和质量受到影响。同时，m a c 层 的分组调度算法和调度顺序需要做相应的改进以适应不断发展的用户需求。本文的主要工 作和研究成果如下： 1 提出使用高优先级的b e 流来承载s i p 信令，以提高信道利用率。使用i l n p s 流承 载s p 信令要求基站为其预留一定的带宽，这些带宽在没有v o i pc a l l 的时候也无法释放。 而s i p 是一种突发性协议，为了使其能够正常工作，要给它预留比实际使用需要更多的带 宽。因而，n r t p s 流承载s m 信令会极大的浪费无线带宽资源。因此本文提出使用高优先 级的b e 流承载s i p 信令，以此有效降低无线信道的无效占用。 2 改进并实现m a c 层调度算法。现有的m a c 层的调度顺序是优先调度非b e 业务， 这样，使用b e 流承载的s i p 信令有可能被丢弃，从而导致电话呼叫失败。因而需要对调 度顺序和算法进行改进。本文提出吞吐量超过最小预留带宽( m i l l i m u mr e q u i r e dr a t e ，m r r ) 部分的n r t p s 仇p s 业务流和b e 流进行基于优先级的带宽竞争，从而保证高优先级的b e 流的可靠传输。 3 提出和实现信息流优先级乘数参数和信息流优先级权重。8 0 2 1 6 e 的优先级概念比 较简单，不足与应付多样化的商用优先级配置。本文提出信息流优先级乘数参数结合信息 浙江工业大学硕士学位论文 流优先级使用，使运营商可以通过优先级乘数和优先级这两个参数的灵活设置来实现更加 灵活的数据和语音服务。 关键词：m m a x ，v o i p ，会话初始协议，信息流优先级 浙江丁业大学硕士学位论文 w i m axb a s e dv o i pp r i o r i t ys c h e d u l i n g r e s e a r c ha n di m p r o v e m e n t a bs t r a c t 晰mm ei p - b a s e dt e c l i l o l o g yt oav 耐啊o f a p p l i c a t i o i l ，e s p e c i a l l yv o i p 伍o i pt e c h l o g ) r p r o p o s e d ，t l l e b t ac o m m i m i c a t i o n sn 小o r kg ，a d u a l l yi i l t e g 阳t e di i l _ t 0 也e 把l d i t i o i i a lv o i c e f a x b l i s i r l e s s i i l 丽r e l e s sc o m m u m c a t i o i l s ，w _ i m a ( t e c l l i l o l o g ) ，w l l i c hb a s e do ni e e e8 0 2 16 b e c a n l eah o tc o m m e r c i a ls p o tb e c a u s eo fi t su i l i q u ea d 啪位嗨e so fl e s si l l i t i a li n v e s 臼l l e n t ，1 1 i g l l 仃a i l s 五玎m t ea 1 1 dv v i d ec o v e r a g e e s p e c i a l l y ，s oc a l l e dm o b i l ew i m a x ，正e e8 0 2 16 ev e r s i o nh a s b e e n 谢d e l yu s e d b e c a u s ei t c a i lu p g r a d et 0i e e e8 0 2 16 m 、m c hh 勰凡l lc o m p e t i t i o no f l t e a d v 趾c e de a s i l yt l l i d u 曲s o m 眦u p d a = t e c o i m e r c i a lw i m a xo p e m t o r s ( a x t e l ，c l e 硎挑，e t c ) w h op r 0 v i d 吨v o i p f o 劬c t i o i l s a l w a y su s ei l r t p ss e r v i c en o wc 锄了i n gs i ps i 黟谢i n go fv o mn e 、沁l e s sb a n d 谢d t l l 俄把a n d a d r i l i s s i o nc o n 仃o lb c k i i lb e c 锄em o r es e r i o u s l ys 沁et l l e 肌m b e ro fw i m a x u s e r 黟o w nu p a n dm i si m p a c t e dt l l en u m b e ro fu s e rw 1 1 0c a ne n 缸yw i m a xn e “v o r ka i l da j s oo ft l l eq u a l i 够 m e 删l e ，吐l ep a c k e ts c h e d u l i n ga l g o r i m ma n ds c h e d u l i i l go r d e rn e e d st ob ec h a i l g e di i lo r d e r t 0a d a p tt 0e v o l v i n gc u s t o m e rn e e d s t h em 勾o r 、r k 觚dr e s e a r c ho f t h i sp a p c ri s 嬲f o l l o w s ： f i r s t l y p r o p o s e dt 0u s eh i g h - p r i o r i t ) rb e s e i c ef l o wt 0c 邺7t h es i ps i g n a l i n gt oi n c r e a s e c h a i l n e lu t i l i z a t i o n s e n d i n gs i ps i 印a l i n go v e ri m p sf l o wr e q u i r e sb 嬲e 似i o nt or e s e r v ea c e n a j nb a i l d 、i d m t h eb 锄d 淅d mw o u l dn e v e rb er e l e a u s e de v e nm e r ei sn 0v o i pc a l la ta 1 1 s i p s i 趴2 l l i i l gi sb l 】r s 劬s ot ol e ts i ps i 印a l i i l gw o r kc o n i e c t l yt l l eo p e r a t o rh 嬲t or e s e em o r et l l 锄 w h a ti sr e a l l yr e q u h df o rs mn l e r e f o r e ，s e n d i n gs i ps i 印a l i n go v e ri l r t p sn o ww o u l dw a s t e 、) i ，i r e l e s sb a l l d 谢d t l lr e s o u r c e se x 仃e m e l y 1 1 1 i sp a p e rp r o p o s e dt 0u s eh i g l l - p r i o r i t yb en o w c a 玎y i i l gs i ps i 孕m i i l g ，i i lo r d e rt or e d u c et h ei 】吖a l i dw h l e s sc h 锄e lo c c u p a t i o ne 能c t i v e l y s e c o n d l y i i n p r o v e d 锄di i l l p l e m e n t e dm a cl a y e rs c h e d u l i n ga l g o r i t h m t h ee x i s t i n gm a c l a y e rs c i l e d u l i n go r d e ri st os c h e d u l en o n b e 鲫v i c en o wf i 咄t i 心n l es i ps i 盟a l i i 培o v e rb e i i i 浙江工业大学硕士学位论文 m a yb ed i s c 捌e d ，l e a d i i l gt op h o n ec a l l s 筋l e d 弱ar e s u l t h e n c ei i n p r o v e m e n ti sn e e d e df o r s c h e d m i i 培o r d e ra n da l g o r i t h m 1 1 1 i sp a p e rp r o p o s e dt ol e tp a r to f i l n p s r t p sw h o s et l l 】u 曲p u t l e s st l l a i lm r r ( m i m m 啪r e q u h dr a t e ) h 鲫ec o m p e t i t i o nw i mb es e r v i c ef l o wb a s e do n p r i o 田t 0 e n s u r ek g l l 面o r 姆b en o wc a l lb e 僦r r e dr e l i a b l y a “嬲t ，p r o p o s e da n di r i l p l e m e n t e d 位l f f i cp r i o r i 锣m m t i p l i e rp a r a m e t e ra i l d 枷cp r i o r i t ) ， w e i g h t t h ec o n c 印to f 两o r i t ) r 矗的m8 0 2 16 e i ss i i i l p l e 孤dc 趾n o tf i td i v e r s eb u s i n e s s c o i l f i g u m t i o nb a u s e do np r i o r i 够1 k sp 印e rp r o p o s e dt 0u s et r a m cp r i o r i t ) rm u l t i p l i e r ( t p m ) p a r a m e t e rw i t l lt h e 旬r a 伍cp r i o r i t y s om a to p e r a t o r sc a i la c l l i e v eam o r en e x i b l e 纰a n d v o i c e s e r v i c e ss e 罂n c n tv i as e t t i n gm e s et 、op a r a m 武e r s k e yw o r d s ：w i ，v o 吧s i p t r a 伍cp r i o r 毋 浙江工业大学硕士学位论文 摘要 目录 第l 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 1 l 1 1 1 研究背景1 1 1 2 研究意义一2 1 2 课题研究现状3 1 2 1 w i m a x 五种q o s 调度类型的研究现状。3 1 2 2w i m a x 系统的资源调度算法研究现状4 1 3 1 4 第2 章 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 第3 章 论文的主要工作 论文组织结构 w 钉儿慑无线接入技术和v o i p 技术 i e e e8 0 2 16 无线接入协议标准 w i m a x 技术特点 2 2 1 m a c 层特性9 2 2 2 物理层特性9 晰眦网络结构 1 0 v o l p 技术1 2 2 4 1 v o m 的技术特点。1 3 2 4 2v o m9 叼络结构1 3 h 3 2 3 协议1 5 2 5 1 h 3 2 3 协议栈。1 5 2 5 2 基于h 3 2 3 协议的呼叫建立过程1 7 s 咿协议1 8 2 6 1 s i p 协议概述。1 8 2 6 2s i p 网络系统结构1 9 2 6 3 s i p 实现机制。1 9 2 6 4 基于s p 协议的呼叫建立过程2 0 2 6 5 s 口盼优点一2 2 小结 2 3 w i 的q o s 和w i m a x v o i p 2 4 浙江工业大学硕士学位论文 3 1w i m a x 的q o s 机制 2 4 3 1 1 晰m a x 的q o s 参数2 4 3 1 2w i m a x 的q o s 业务类型2 4 3 2 晰m a x 的q o s 策略 2 5 3 2 1 空中接口q o s 策略2 5 3 2 2 端到端网络q o s 策略2 5 3 3w i m 【a xv o i p 2 6 3 3 1 基于晰m a x 无线接入的v o i p 应用概述。2 6 3 - 3 2 手机、c p e 入网流程2 7 3 3 3 基于s m 的v o m 服务的注册过程2 8 3 4 小结 第4 章调度算法和信息流优先级权重 4 1 准入控制 3 0 3 l 3 l 4 2 目前商用的调度策略和算法 3 l 4 2 1 调度策略3 2 4 2 2 调度算法3 2 4 3 使用斌p s 流承载s i p 信令存在的问题 3 3 4 4 提出使用b e 流承载s l p 信令 3 4 4 5 信息流优先级权重 3 4 4 6 小结 3 6 第5 章 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5 第6 章 6 1 6 2 改进后的基于优先级的调度策略 调度策略的改进 调度算法的改进 调度算法的实现 实验室环境下验证 小结 结论与展望。 结论 展望 参考文献。 附录 附录l 主要程序代码 致谢 3 7 3 7 3 8 3 8 4 0 4 2 4 4 4 4 4 4 4 5 q 1 7 攻读学位期间参加的科研项目和成果。 4 7 5 5 浙江t 业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1 研究背景 随着互联网技术、无线通信接入技术的迅速发展和用户对数据通信需求的快速增长， 高速率、高可靠性的无线数据传输必将成为通信行业的主流。无线通信需要无线频谱资源， 但无线频谱资源非常有限，不能任意扩大使用带宽。在这种条件限制下，需要充分利用当 今成熟的各种技术，如信号调制、信道编码和视音频压缩编码，以及智能无线收发机等。 同时，要想获得很高的传输速率，需要采用如m i m o 、s d m a 、智能天线、中继、信道估 计等技术。 传统的宽带固定接入用户已经不满足于在固定环境内使用宽带业务，而希望使用宽带 接入移动服务；同时，传统的移动用户也不满足于简单的语音业务，希望能使用更高数据 速率、更低资费的v o i p 业务。用户需求的变化使宽带移动化和移动宽带化相互促进、共同 发展。在移动宽带化方面，3 g p p 、3 g p p 2 已经制定了1 ) 【e v d o 、h s d p h s u p a 等标准， 实现移动环境下的宽带数据传输1 捌。在宽带移动化方面，i e e e8 0 2 工作组制定了w l a n 和 w i m a x 等技术规范，其中基于i e e e8 0 2 1 6 e 标准的移动w i m a x 技术，由于兼具了移动化、 宽带化和i p 化的特点，成为最具发展潜力的无线接入技术之一。 w i m a x ( w o r l di n t e r o p e r a b i l 畸f 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，是 基于i e e e8 0 2 1 6 标准的无线城域网接入技术【3 ，4 1 ，用以解决无线城域网的接入问题。凭借其 在建网初期投资少、覆盖半径广、传输速率高等方面具有的独特优势以及广泛的市场前景， 成为近几年通信市场发展的一个热点，如墨西哥的a x t e l 、美国的c l e a rw n 、爱尔兰的i b b 等运营商已经部署了w 的移动版本即i e e e8 0 2 1 6 e ，这个版本在不久的将来可以通过 软件更新的方式，方便地升级到i e e e8 0 2 1 6 m 。 w i m a x 系统可以向用户提供数据、语音、传真和视频等业务，根据市场研究公司 i i l f o n e t i c sr e s e a r c h 公司发布的2 0 0 9 2 0 1 1 年全球m m a x 服务战略调查结果显示，在全 部的受访者中，有5 9 的用户希望在2 0 1 1 年之前获得基于w i m a x 的v o i p 服务，这表 明基于w i 删的语音服务有潜力成为运营商的新增高收入来源【5 l 。目前，越来越多的 g s m 运营商正在进入w i m a x 市场，试图凭借最值得信赖的消费品牌提供基本宽带服务， 1 浙江工业大学硕士学位论文 而w i m a x 是更具成本效益的服务选择。 对于运营商而言，发展w i v o i p 业务所带来的利润永远要高于数据等其他业务。 此外，在那些缺乏无线基础设施，尤其是远离城市的偏远地区，提供基于w i m a xv o i p 服务，成本将会低于蜂窝网络。这些都是广大移动运营商看好w i v o i p 的主要原因。 v o i p 与w i m a x 的结合很好地实现了优势互补、各取所需，而且也很好地契合于通 信技术发展的大趋势，同时能带来巨大的收益。目前，三星、e c s 都已经研发了基于 w i m a x 平台的v o i p 网络电话，h t c 的一款集成w i m a x g s m 的双模手机在俄罗斯得到 应用1 6 j 。 美国是世界上电信业最发达的国家，同时也是世界上v o i p 发展最为蓬勃的国家之一。 据统计，2 0 0 5 年底美国v o i p 用户超过4 5 0 万户，营业收入超过1 0 亿美元。2 0 0 8 年，整个北 美的v o i p 用户达到2 4 0 0 万户【6 】。 1 1 2 研究意义 提高资源利用率和保证用户的q o s 两个问题往往是相互约束的。 基于i m s 的下一代网络中的v o i p 的用户将使用不同的接入方式。w i 删作为具有前景 的宽带无线接入方式必须给用户提供可靠的服务质量。对于像语音业务、视频业务这样实 时性要求较高的业务，常常要求网络为其预留一定的资源以使其严格的时延及时延抖动要 求得到保证，比如w i m a xv o i p 使用会话初始协议( s e s s i o n “t i a t i o np r o t o c o l ，s i p ) 【7 】作为 控制信令，为了保证s i p 信令的可靠传送，w i m a x 运营商大都使用n n p s 业务流来承载s i p 信令，因为根据目前使用的m a c 层调度器算法和资源分配算法，可以保证n r t p s 优先于b e 流传送。 由于s i p 信令是v o i p 的控制信令，一旦被丢弃将直接导致呼叫失败，因而，运行商需 要为其预留更多的带宽以保证它需要传送的时候能够被顺利传送。但是，这样会导致其他 应用服务能够获取的带宽减少。更加严重的问题是，由于s p 信令是一种突发性协议，用来 发起和结束通话，在通话的过程中，并没有s i p 信令的交互。因而为其预留的带宽被真正使 用的时间不足5 ，这造成了极大的带宽浪费。 除了浪费带宽之外，使用i l n p s 承载s i p 信令会导致触发a d m i s s i o nc o n t m l ( 准入控制) 【4 】 的问题。就是当基站的无线带宽资源被用户预留完以后，一旦有新的用户或者新的呼叫想 要申请带宽将会被拒绝，导致该用户无法顺利注册网络或者通话无法建立。a d i l l i s s i o n c o n n d l 的问题在b s 重启时更加的突出。因而，为了尽量降低给s i p 信令预留带宽导致触发 浙江工业大学硕士学位论文 准入控制的问题，运营商基本上都选择了分配3 l k b p s ( 上行下行) 给承载s i p 信令的n r t p s 流。 基于以上两个存在的问题( 带宽浪费、准入控制) ，运营商迫切需要改迸w i 的 m a c 层调度器和资源分配算法，从而提高基站的无线信道利用率，满足不断发展的用户的 需求。因而本课题的研究具有相当的实际应用意义。 1 2 课题研究现状 i e e e8 0 2 1 6 e 是城域网无线接入标准，用于满足市区范围内的业务点、信息汇聚点之 间的信息交流和网际接入。它能够提供双向的互联网接入服务，理论速率高达7 5 m b p s ( 在 实际商用的2 5 g h z 、1 0 m 带宽环境下测得的速率，下行是1 3 5 m b p s ，上行是4 7 m b p s ) ， 并能够在5 0 l ( i i l 范围内借助无线基站进行数据传输，w i m a x 是一种随市场实际需求导向不 断完善的面向“最后一公里”的无线接入标准。 w i m a x 支持的主要频段包括1 0 6 6 g h z 的视距传播频段和2 1 1 g h z 的非视距传播频段 ( 主要采用2 5 g h z 和3 5 g h z ) 。可以实现非视距传播和市内覆盖，因而无需在终端侧安装 室外天线，降低了终端设备的复杂度，增强了终端的可携带性，可实现移动数据业务。 w i 技术目前处于迅速发展阶段，它是最具代表性的宽带接入技术，以其宽带宽、 容量大、多业务、组网快以及投资少而受到运营商和用户的青睐。 1 2 1 w i m a x 五种q o s 调度类型的研究现状 w i m a x 定义了以下五种q o s 业务类型【3 】【4 j ：主动授权服务( u 1 1 s o l i c i t e dg 瑚ts e r v i c e ，u g s ) 、 扩展的实时轮询服务( e 疵n d e dr t p s ，e r t p s ) 、实时轮询服务( r e a l 币m ep o l l i n gs e i c e ，r t p s ) 、 非实时轮询服务( n o nr e a l t i m ep o l l i n gs e i c e ，i l n p s ) 、尽力而为服务( b e s te 纳吒b e ) 。 1 ) u g s 用于支持实时数据流传输，数据包长度固定，如t l e 1 及没有静音压缩的v o 业务。此类调度服务的强制的q o s 参数包括最大持续带宽( m a 】( i m 啪s u s t a i n e d 此，m s r ) ， 最小预留带宽( m i n i m l u mr e q u i r e d l t e ，m u ，容忍的抖动，最大时延，主动授予间隔时间， s d u 大小等。由于u g s 不支持v o i p 的静音压缩，在实际运营商( a x t e l 、c l e a rw 沁等) 部 署的w i m a xv o i p 网络中，很少用到该服务流，有时会用u g s 来传输f o i p 的传真报文。 2 ) e r t p s 主要用来承载带静音压缩的v o 口业务。关键的q o s 参数包括信息流优先级 ( n a m cp r i o r i 够，t p ) ，m s r ，m r r ，最大时延，容忍的抖动等。e n p s 服务流由于其实 时性和支持静音压缩的特性，常常被用来传输v o i p 的语音数据报文。 浙江工业大学硕士学位论文 3 ) r t p s 主要是用于支持固定间隔变长数据包传输，如m p e g 。强制的q o s 服务流参数包 括：t p ，m s r ，m l 汛，最大时延，主动轮询间隔等。 4 ) r 舢s 用于支持包含变长数据包的、可以容忍一定时延的数据流传输，如f t p 。其强 制的q o s 服务流参数包括：t p ，m s r ，m r r 等。 5 ) b e 用于支持没有最小服务级别要求的数据流传输，如h 1 1 甲等。强制的q o s 参数包括： t p ，m s r 等。 在实际的商用w i m a x 网络中，很少使用u g s 和r c p s 。因为u g s 没有考虑到v o i p 业务的 静音压缩特性，容易造成上行资源的浪费。h o w o n 等人提出，由于n p s 是基于带宽请求和 分配机制的，会增加m a c 层的信令开销和数据包接入时延【1 9 l 。文献【2 0 】通过分析三种算法 的资源利用效率，说明了e n p s 流在保证通信时延的前提下，可以容纳最多的用户。所以在 实际w i m a x 网络中，使用最多的就是b e 、e r t p s 和i l n p s ，往往使用i l r t p s 作为v o i ps i p 信令 的承载。 1 2 2w i m a x 系统的资源调度算法研究现状 调度是系统资源管理的核心机制口6 】【2 7 】【2 引，是解决多个业务竞争共享资源问题的有效 手段。正e e8 0 2 1 6 e 规定了五种不同的q o s 调度业务类型，但是并没有规定使用怎样的 调度器和资源分配算法来调度这些服务流。因而，m a c 层的调度算法是个研究热点。 q u a l c o m m 公司提出的分组调度算法( p r o p o r t i o n a l 胁，p f ) 能较好地支持非实时业 务，但难以满足实时业务对于时延性能的要求。b e u 实验室提出的m l w d f ( m o d i 6 e d l a r g e s t 、v a i td e l a yf i r s d 算法阱】田1 及其改进算法【2 4 1e x p m l e 在保证实时业务的时延性能方 面具有很好的性能，但对非实时业务难以提供令人满意的吞吐量。j i 等提出一种自适应区 分补偿公平队列( a d a p t i v ed i 仃e r e m i a lc o m p e n s a t i o n 陆rq u e u i i l g ，a d c f q ) 调度算法【1 5 】【2 5 1 ， 该算法采用了最小带宽保证、带宽补偿以及剩余带宽共享的设计思想，符合w i m a x 系 统对调度算法的要求。但是该算法对实时业务的时延性能支持力度不够，此外，该算法的 系统吞吐量较低。 1 3 论文的主要工作 此论文项目是笔者在公司实习期间，参与的基于w m x 3 1 ( 公司定义的w i m a x 开发阶 段) 的现有资源调度器算法上的改进和测试工作。经过半年的时间，在w m x 4 0 上实现了 运营商需要的功能。 4 浙江工业大学硕士学位论文 项目主要是为了改进运营商针对v o i p 应用提出的问题： 1 ) 使用n n p s 流承载s 口信令存在极大的无线带宽资源浪费； 2 ) 使用嘶p s 流承载s i p 信令存在容易触发准入控制机制。 i e e e8 0 2 1 6 e 协议仅规定了m a c 层和p h y ( 物理层) 的基本内容，对于具体的调度器和 资源分配机制没有做算法上的规定。其只是提供了一些影响不同业务流的参数。因而，公 司采用自己设计的基于分组调度的m a c 层调度机制和资源分配算法。随着w i m a x 的不断 商用化，该基于分组调度的调度算法呈现出了一定的缺陷。本文的主要工作就是针对运营 商发现的问题，改进现有调度器的算法，从而满足用户的需求。 目前，商用的利用w i m a x 接入提供v o i p 、f o i p 功能的运营商大都采用r l r t p s 流来 承载v o 口的s i p 信令。i l r t p s 业务流的建立是在手机或客户端设备( c u s t o m e rp r e r i l i s e s e q u i p m e m ，c p e ) 进行网络注册的时候，这就意味着基站要静态的为其分配带宽。即用户 在成功注册网络后，基站需要始终为其维护上下行的n r t p s 流。而s i p 本身是一种突发性 的协议，并不始终利用该带宽，而只是在打电话的开始和结束的时候使用，这将造成带宽 浪费。同时，随着用户的不断增加，预留的带宽也随之增加，最终触发的准入控制机制将 使可接入用户数量受到限制，从而影响v o i p 的q o s 。 为了提高无线带宽资源的利用率，使w i m a x 系统更好地支持语音业务，本文在现有并 商用的i e e e8 0 2 1 6 e 协议的q o s 调度算法和已有的信息流优先级( t r 蕊cp r i o r i 吼t p ) 的基 础上，改进了无线资源分配机制，提出信息流优先级乘数( t r a m cp r i o r i t ) rm u l t i p l l i e r ，t p m ) 和信息流优先级权重( t m m cp r i o r i t yw e i g h t ，t p w ) 概念，并提出使用高优先级的b e 流承 载s i p 信令，取代现在普遍使用i l n p s 流承载s i p 信令的做法。这样，通过对优先级乘数的不 同设置，可以使w i m 燃营商更加灵活的分配有限的无线资源，从而提供更好的网络应 用和语音服务。另一方面，修改已有的分组调度算法，改变r t p s 、n r t p s 一定优先于b e 调度 的机制，实现基于最小预留带宽( m r r ) 的新的分组调度算法和服务调度顺序。 1 4 论文组织结构 全文共分为六章，具体的组织结构安排如下： 第1 章，绪论。首先介绍了课题的选题背景及意义，本课题是基于实际商用w i m a x 运营商发现的问题，进行适当的改进。然后介绍了w i 删技术的五种q o s 调度类型和 资源调度算法的研究现状，发现u g s 因为不支持静音压缩等特点不适用于v o 口，e r t p s 能接入更多的用户。最后介绍本文的主要工作和全文的组织结构。 s 浙江工业大学硕七学位论文 第2 章，w i m a x 无线接入技术和v o i p 技术。首先介绍了w i m a x 无线接入技术的 系统架构和m a c 层、p h y 层的技术特点。然后介绍了v o i p 的技术特点、组网方式和控 制协议。最后分析比较了v o 口技术中用于传输控制信令的h 3 2 3 协议和s i p 协议的信令 流程及其特点。现在商用的基于w i m a x 技术接入网络的设备提供的v o m ，基本上采用 s 信令。 第3 章，w i m a x 的q o s 和w m a xv o i p 。首先介绍w i m a x 的q o s 参数和业务类 型。w i m a x 定义了以下五种q o s 业务类型：u g s ，e n p s ，n p s ，i l n p s ，b e 。在实际商 用的w i m a x 网络中，使用最多的就是b e 、e r t p s 和1 1 n p s ，往往使用e n p s 承载v o i p 语 音报文，i l n p s 承载v o i ps i p 信令。然后介绍了w i m a x 无线接入环境下基于s i p 信令的 v o 应用。 第4 章，调度算法和信息流优先级权重。介绍现有调度器和资源分配算法。主要介绍 商用环境下的w 认压a xm a c 层资源调度策略。用户数量的不断增长，对w i m a x 接入系 统提出了更高的要求，现有的调度和资源分配算法已经无法满足要求，需要做一定程度的 改进。然后介绍i e e e8 0 2 1 6 e 标准的信息流优先级概念，提出添加信息流优先级权重参 数，以实现更加可靠、灵活的无线带宽资源配置。 第5 章，改进后的基于优先级的调度策略。改进现有的调度策略，提出使用高优先级 的b e 流承载s i p 信令，并且根据吞吐量是否超过m r r 来重新设计和代码实现各种业务 流的服务顺序安排。并在实验网络环境进行测试验证。 第6 章，总结和展望。本章是对全文的一个总结和对未来研究的展望。 浙江工业大学硕十学位论文 第2 章w 无线接入技术和v o i p 技术 2 1i e e e8 0 2 1 6 无线接入协议标准 i e e e8 0 2 1 6 标准规定了多业务点对多点宽带无线接入系统的空中接口，包括媒体接入 控制( m a c ) 层和物理( p h y ) 层。m a c 层能够支持多种物理层，这些物理层已经被优 化以满足多个应用频带。研究基于w i m a x 无线接入的应用，主要是研究和改进m a c 层的 调度算法和机制。 根据是否支持移动性，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。目前处于商用阶段的e e8 0 2 1 6 标准主要有两个：m e e 8 0 2 1 6 d 和i e e e8 0 2 1 6 e ，分别为固定和移动设计。现在的运营商( 觚e l ，i b b ，c l e a rw i r e ， e m b b a t e l ，m e n a t a l 等) 布置的基本上是移动版本，其频段基本为2 3 g 、2 5 g 和3 5 g 。 w i m a x 系统架构和协议体系如图2 1 、2 2 所示： 图2 1w j m a x 系统架构 浙江工业人学硕十学位论文 l m a c c o n v e r g e n c es u b i a y e r l l ( m a p a t m a n d i p i a y e r s t o m a c l a y e r ) m a cc o m m o np a r t ( r a n g i n g ，s c h e d u n 口，c o n n e c 旺o ns e t u p 。h y b r i da r qa n dq o s ) m a cs e c u r j t y a u t h e n u c a 廿o n ，e n c r y p o na n d ( e ym a n a g e m e n t ) 隔n s m i t & r e c e h ，eo f d ms y m b o i s ，p o w e rc o n 们i ，r a n 口i n 口，m o d u b t j o na n dc o d i n g ) 图2 2w i m a x 协议体系 i e e e8 0 2 1 6 e 标准定义在m a c 和p h y 的基础上，在m a c 和p h y 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。其中s a p 是s e n ，i c e a c c e s sp o i n t 的缩写，是下面一个子层向上提供服务的接口。 m a c 层可以划分为3 个子层：面向业务的会聚子层( c s ) ，公共部分子层( c p s ) 和安全子 层( s s ) 。 1 ) 面向业务的会聚子层 会聚子层的基本功能是在不同的上层业务与m a c 层连接之间建立映射关系。定义了两 种面向业务的会聚子层：针对a t m 的a t m 会聚子层和针对基于包传输的业务( 例如i p v 4 ， i p v 6 ，以太网等) 的包会聚子层。 2 ) m a c 公共部分子层 一般而言，i e e e8 0 2 1 6 e 是一个点对多点的通信协议，i e e e8 0 2 1 6 e 协议m a c 层是基于 连接的，所有的业务都被映射到某一个特定的连接上。凇c 层的主要功能，包括带宽请求， q o s 参数的关联，以及将数据传送到正确的会聚子层，都以连接为单位进行。 随着系统工作频率范围的扩大和服务要求的增加，m a c 层的功能也在不断扩展，m a c 层增加了自动重传请求( a r q ) 机制和动态频率选择( d f s ) 机制，大大增强了无线网络的端对 端性能，减少了无线链路上的干扰对底层传输机制的影响。 3 ) 加密子层 i e e e8 0 2 1 6 e 协议的加密子层用以增强无线链路传输信息的安全性，采用数据封装协议 浙江工业大学硕士学位论文 来对在固定宽带无线接入网上传输的分组数据进行加密。 对于物理层，i e e e8 0 2 1 6 e 协议支持多种物理