（通信与信息系统专业论文）基于ieee+80216标准的带宽调度体系结构的研究.pdf

基于i e e e 8 0 2 1 6 标准的带宽调度体系结构的研究 摘要 近几年来，新一代的无线宽带接入( b w a ) 技术日益成为大家关 注的热点。i e e e 于2 0 0 4 年6 月发布了在i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 标准m 扪，定义 了在城域网( m a n ) 范围内2 6 6 g h z 的频段上提供高速的无线接入服 务的空中接口。 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 证是一个非常重要和具有挑战性的课题。尽管i e e e8 0 2 1 6 标准m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层协议提出了要对各种不同的应用提供q o s 保 证，但并没有对如何调度来达至1 q o s 要求进行标准化，这样就为设备商 提供了区别它们产品的机制，可以使设备商在保证互操作性的同时使 用它们认为最好的方案。 本文首先对i e e e8 0 2 1 6 标准的内容做了陈述，接着对q o s 和带宽 分配调度方面的基本知识和研究成果做了介绍，在此基础上提出了一 种用于i e e e8 0 2 1 6 宽带无线接入系统t d d 模式下的公平而有效的带宽 分配调度体系，能够支持i e e e 8 0 2 1 6 标准中定义的各种类型的业务。与 该领域中传统的固定带宽分配方式相比，该文提出的调度体系结构综 合考虑了上下行链路不同业务带宽需求并进行动态带宽分配。该文提 出一种新的亏空公平优先级队列( d f p q ) 算法来调度不同优先级的业 务流，可以为系统提供更好的公平性。仿真结果显示提出的调度体系 结构能够很好的满足所有类型业务的服务质量( q o s ) 需求，并提供较 好的公平性。 关键词：i e e e8 0 2 1 6 ，无线宽带接入，带宽分配，调度算法，服务质 量 t h er e s e a r c ho fb a n d w i d t h s c h e d u l i n g a r c h i t e c t u r eo ni e e e8 0 2 16s t a n d a r d a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，n e wg e n e r a t i o n t e c h n o l o g i e so f b a n d w i d t hw i r e l e s sa c c e s s 0 3 w a ) b e c o m e m o r ea n dm o r er e m a r k a b l e i nj u n e2 0 0 4 i e e ep u b l i s h e d i e e e8 0 2 1 6s t a n d a r d w h i c hd e f i n ea i ri n t e r f a c et o p r o v i d eh i g h s p e e d w i r e l e s sa c c e s sf o r10 6 6g h zi nt h em e t r o p o l i t a na r e a n e t w o r k ( m a n ) p r o v i d i n gq o sg u a r a n t e e s f o rv a r i o u st r a f f i c sw i t h d i f f e r e n t q o s r e q u i r e m e n t si nb w as y s t e mi s av e r yi m p o r t a n ta n d c h a l l e n g i n gt a s k a l t h o u g hi e e e8 0 2 1 6m a cp r o t o c o l sh a v eb e e np r o p o s e dt os u p p o r tq o s g u a r a n t e e s f 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 h 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 oi tp r o v i d e sa ni m p o r t a n t m e c h a n i s mf o rv e n d o r st od i f e r e n t i a t et h e i re q u i p m e n t t h ev e n d o r sw i l l i n t r o d u c et h eb e s ts c h e m e st om a x i m i z et h i so p p o r t u n i t yw h i l em a i n t a i n i n g i n t e r o p e r a b i l i t y i nt h i sp a p e r ，w ed e s c r i b ei e e e8 0 2 1 6s t a n d a r da tf i r s t t h e nw e g i v ea i n t r o d u c t i o nf o rt h eb a s i ck n o w l e d g ea n dr e s e a r c hi nq o sa n db a n d w i d t h a l l o c a t i o n s c h e d u l i n g b a s e o nt h e s e ，af a i ra n de 伍c i e n tb a n d w i d t h a l 【l o c a t i o n s c h e d u l i n g a r c h i t e c t u r ef o ri e e e8 0 2 1 6b r o a d b a n dw i r e l e s s a c c e s s0 3 w a ) s y s t e m si nt d dm o d ei sp r o p o s e d w h i c hc a np r o v i d eq o s s u p p o r tf o rd i f f e r e n tt y p e so fa p p l i c a t i o n sd e f i n e di ni e e e 8 0 2 t 6 i nt h i s a r e a ，c o m p a r i n g w i t ht h et r a d i t i o n a lf i x e db a n d w i d t ha l l o c a t i o n ，t h e p r o p o s e ds c h e d u l i n ga r c h i t e c t u r ea l l o c a t e su p l i n ka n d d o w r d i n kb a n d w i d t h s i m u l t a n e o u s l ya n dd y n a m i c a l l y ad e f i c i t f a i rp r i o r i t yq u e u e ( d f d q ) a l g o r i t h mi sp r o p o s e dt o s c h e d u l ed i f f e r e n ts e r v i c ef l o w ，w h i c hp r o v i d e s m o r ef a i r n e s st ot h es y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ep r o p o s e d a r c h i t e c t u r ec a nm e e tt h eq o sr e q u i r e m e n ta n df a i r n e s sf o ra l l t y p e so f t r a f f i c k e yw o r d s ：i e e e 8 0 2 1 6 ，b r o a d b a n d w i r e l e s s a c c e s s ，b a n d w i d t h a l l o c a t i o n ，s c h e d u l i n g ，q o s 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r 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仟何贡献均 已在沧文中作了明确的说明并表示了谢意。 中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：乱蔗鞋。 日期：三，叮；，1 7 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火学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究牛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fj 或机构送交论史的复印件和磁盘，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。( 保密的学位论艾在解密后遵守此规定) 本学位沦文不属于保密范围，适_ h 本授权书， 本人箍名： 导师签名： 日期；2 谚) z 7 口期：s - 叨 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 1 1 引言 第一章绪论 近几年来，i n t e r n e t 经历了爆炸性的增长，一方面，用户容量增长迅速、网络 覆盖范围不断扩大、网络渗透的密度与深度不断加大、网络业务不断繁荣发展；另 一方面，网络本身传输容量不断扩大、网络技术不断得到创新与发展。遍及全球的 覆盖、高度的灵活性和扩充性、方便简单的使用以及越来越低廉的价格都使得 i n t e r n e t 毋庸置疑地成为未来最主要的通信网络。 然而，除了以上所提到的i n t e m e t 的诸多优点，i n t e r n e t 作为未来的主要通信网 络依然有许多技术方面的问题需要解决。 一方面，随着因特网上宽带应用的不断增加，传统的固定宽带接入和窄带的无 线接入技术已经不能满足终端用户对宽带、灵活、方便、便宜的网络接入方式的追 求。 另一方面，目前的i n t e r a c t 在网络层是基于i p ( i n t e r n e tp r o t o c 0 1 ) 协议的，只 能提供尽力而为( b e ，b e s te f f o r t ) 的服务，随着v o i p ，v e d i oo v e ri p 等对带 宽、传输时延等有严格要求的应用的普及，迫切需要i n t e r n e t 能够同时满足不同服 务质量( q o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 的业务各自对网络的要求，使得因特网能够满 足各种不同o o s 业务的需求。 面对这些问题，最近几年来，新一代的无线宽带接入( b w a ，b r o a d b a n d w i r e l e s sa c c e s s ) 技术作为一种用户接入技术已经成为传统的铜线本地环路技术的 一种替代技术，并且越来越受到人们的重视。全球许多公司、大学和通信组织都在 进行相关方面的研究，并已经形成了一些成果和标准。 1 2 当前该领域的研究状况 按照覆盖范围的大小来划分，无线宽带接入技术可以划分为无线个域网 ( w p a n ，w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) 、无线局域网( w l a n ，w i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k ) 、无线城域网( w m a n ，w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e a 3 。 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 n e t w o r k ) 和无线广域网( w w a n ，w i r e l e s sw i d ea r e an e t w o r k ) ，如图1 所示。 各个标准组织都制定了相应的无线宽带接入标准。 在众多的标准组织中，美国电气和电子工程师学会( 简称i e e e ) 下属的专门 负责制定电子工程和计算机领域的标准的8 0 2 委员会( 又称为l m s c ，l a n m a n s t a n d a r d sc o m m i t t e e ，局域网，城域网标准委员会) 是无线宽带接入标准方面最主要 的推动者。i e e e8 0 2 制定了一系列的无线宽带接入方面的标准，如图1 1 所示。 图卜1 无线宽带接入的几种标准 在无线个域网方面的标准有1 e e e8 0 2 1 5 ，主要用于短距离设备之间的通信， 一般在1 0 r n 以内。目前8 0 2 1 5 中的两种主要技术包括：蓝牙和超宽带( w w 3 3 ， u t r a lw i d eb a n d ) 。便携和移动计算设备，如笔记本电脑、p d a 、计算机外设、移 动电话、寻呼机和家用电子产品等通过8 0 2 1 5 技术形成无线网络。 无线局域网方面目前最流行的标准是i e e e8 0 2 1lw i r e l e s sl a n ，其最大的特 点是便携性，主要解决用户“最后1 0 0 m ”的通信需求，定位于热点地区的高速游 牧数据接入，不支持高速移动性，主流应用是商务用户在酒店、机场等热点使用便 携电脑上网浏览或访问企业的服务器。 无线城域网方面的标准有i e e e 的8 0 2 1 6 ，定位于为企业用户提供更广范围的 高速数据接入宽带无线传输，主要解决“虽后l k m ”的通信需求。正在修订中的 8 0 2 1 6 e 标准在已有标准的基础上加入了对移动性的支持，使得8 0 2 1 6 标准的应用 范围得到了更大的扩展。 无线广域网的标准有正在筹备中的i e e e8 0 2 2 0 ，定位于提供一个基于口的全 移动网络，提供高速移动数据接入，业务定位与使用范围与b 3 g 系统相似。 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 由于这几种技术的定位不同，它们在很多方面存在差异，如采用的具体物理 层、m a c 层技术不同、覆盖范围不同、带宽不同、支持的业务以及市场应用不同 等等。 目前，基于i e e e 8 0 2 11 系列标准的无线局域网产品已经开始得到普及；无线 个域网方面，基于蓝牙技术和u w b 技术的应用也已经推出多款产品；无线广域网 方面，i e e e8 0 2 2 0 标准组还在筹备当中。而在无线城域网方面，i e e e 8 0 2 1 6 自 2 0 0 2 年推出第一个版本以来，还在不断的修订和完善之中，目前，几大厂商如 i n t e l 、a l c a t e l 等公司f 在全力研发基于i e e e 8 0 2 1 6 标准的产品，并成立了 w i m a x 组织进行产品的推广工作。 1 3 本人的工作 由以上可以看出，宽带无线接入技术是当前通信领域极有前途和市场的新兴技 术，具有很高的研究价值。 “ 基于以上原因，在论文选题阶段，本人对当前主流的宽带无线通信技术进行了 广泛的了解和比较，最终选择了以i e e e8 0 2 1 6 无线城域网标准作为自己的研究课 题的切入点。通过对i e e e8 0 2 1 6 标准的学习、研究，以及参考一些相应的学术论 文，进一步的将研究目标定位在基于i e e e8 0 2 1 6 标准m a c 层q o s 管理的研究 l ：。这种选择基于以下几个原因： 首先，i e e e8 0 2 1 6 无线城域网标准是由国际标准化组织提出的新一代的无线 城域网标准，第一个版本在2 0 0 2 年4 月提出，目前仍在不断修订中，其中最新的 版本是i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 4 。当前国内对于该标准的研究还很少，因此对于该标准的 研究有较大价值的。 第二，i e e e8 0 2 1 6 标准提供了一种面向连接( c o n n e c t i o n o r i e n t e d ) 的m a c 层协议，为基站( 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 rs t a t i o n ，s s ) 问的各种 业务提供保证服务质量( q o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 的机制，包括连接建立、带宽 请求和带宽分配等等。然而，标准中并没有对带宽分配和管理的细节和具体实现予 以说明，而是留给各个厂商去独立实现。因此，在这个领域有很大的研究空间。 在过去的一年里，本人有机会到贝尔实验室中国基础科学研究院实习，参与贝 尔实验室的“高速无线链路( h i g hs p e e dw i r e l e s sl i n k ) ”项目，丌展了基于i e e e 8 0 21 6 标准m a c 层协议q o s 方面的研究工作，与贝尔实验室的研究人员合作提出 了一种用于i e e e8 0 2 1 6 无线城域网t d d 模式下的m a c 层带宽调度体系结构，能 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 够为i e e e8 0 2 1 6 标准中定义的不同类型的应用提供q o s 支持。该调度体系通过对 上行和下行链路带宽的动态调度，能够更有效地利用系统提供的带宽。另外，在该 体系中提出一种基于优先级队列的亏空公平优先级队列( d f p q ，d e f i c i tf a i r p r i o r i t yq u e u e ) 算法，该算法与完全的优先级队列( p q ，p r i o r i t yq u e u e ) 调度算 法相比，可以使系统的公平性得到较大的提高。 本文即是对以上研究内容的一个总结。论文按照以下顺序组织。在第二章，给 出i e e e8 0 2 1 6 标准中的综述，并对本人研究中涉及的标准中定义的t d d 模式、 m a c 层协议及各种业务类型做较详细的说明。在第三章，将介绍服务质量 ( q o s ) 的一些概念。第四章详细描述我们提出的带宽分配体系结构以及d f p q 调 度算法。在第五章，给出了按照我们的调度体系结构和算法所进行的仿真的设计方 案和仿真结果。第六章是总结和对下一步工作的展望。 一6 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 2 1 综述 第二章le e e8 0 2 1 6 无线城域网标准 i e e e8 0 2 1 6 又称为i e e ew i r e l e s s m a n 空中接口标准，是适用于2 - 6 6g h z 的 空中接口规范。 e e e8 0 2 1 6 定义了一种点到多点的拓扑结构，由一个控制基站 ( b s ，b a s es t a t i o n ) 来连接多个用户站( s s ，s u b s c r i b e r s t a t i o n ) ，各个s s 可以 通过b s 互相通信并与各种公共网络相连“2 1 。由于它所规定的无线接入系统覆盖 范围可达5 0 k m ，因此8 0 2 1 6 系统主要应用于城域网，被视为可与d s l 竞争的 “最后一公里”宽带接入解决方案。根据使用频段高低的不同，8 0 2 1 6 系统可分为 应用于视距和非视距两种，其中使用2 - 1 1 g h z 频段的系统应用于非视距范围，而 使用1 0 6 6 g h z 频段的系统应用于视距范围。根据是否支持移动特性，i e e e8 0 2 1 6 标准系列又可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，其中的8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 2 0 0 4 属于固定无线接入空中接1 ：3 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。 i e e e8 0 2 1 6 标准系列到目前为止包括8 0 2 1 6 、8 0 2 1 6 a 、8 0 2 1 6 c 、8 0 2 1 6 2 0 0 4 、8 0 2 1 6 e 、8 0 2 1 6 f 和8 0 2 1 6 9 七个标准，各标准相对应的技术领域如表2 1 所示。 表2 1i e e e8 0 2 1 6 系列各标准相对应的技术领域 标准号 相对应的技术领域 8 0 2 1 6 1 0 6 6 g h z 固定宽带无线接入系统空中接口 8 0 2 1 6 a2 11 g h z 固定宽带接入系统空中接口 ；8 0 2 1 6 c 1 0 6 6 g h z 固定宽带接入系统的兼容性 l8 0 2 1 6 2 0 0 4 2 - 6 6 g h z 固定宽带接入系统空中接口 8 0 2 1 6 e 2 - 6 g t t z 固定和移动宽带无线接入系统空中接口管理信息库 一7 一 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 8 0 2 1 6 f l 固定宽带无线接入系统空中接口管理信息库( m i b ) 要求 8 0 2 1 6 9 ；固定和移动宽带无线接入系统空中接口管理平面流程和服务要求 2 0 0 2 年4 月颁布的8 0 2 1 6 对使用1 0 6 6 g h z 频段的固定宽带无线接入系统的 空中接口物理层和m a c 层进行了规范，由于其使用的频段较高，因此仅能应用于 视距范围内。 2 0 0 3 年1 月颁布的8 0 2 1 6 a 对8 0 2 1 6 进行了扩展，对使用2 - 1 1 g h z 许可和免 许可频段的固定宽带无线接入系统的空中接口物理层和m a c 层进行了规范，该频 段具有非视距传输的特点，覆盖范围最远可达5 0 k m ，通常小区半径为6 - 1 0 k m 。另 外，8 0 2 1 6 a 的m a c 层提供q o s 保证机制，可支持语音和视频等实时陛业务。这 些特点使得8 0 2 1 6 a 与8 0 2 1 6 相比更具有市场应用价值，真正成为用于城域网的无 线接入手段。 2 0 0 2 年正式发布的8 0 2 1 6 c 是对8 0 2 1 6 的增补文件，是使用1 0 6 6 g h z 频段 8 0 2 1 6 系统的兼容性标准，它详细规定了1 0 6 6 g h z 频段8 0 2 1 6 系统在实现上的一 系列特性和功能。 8 0 2 1 6 。2 0 0 4 是8 0 2 1 6 的一个修订版本，也是相对比较成熟并且最具实用性的 一个标准版本，刚刚于2 0 0 4 年6 月份正式发布，是目前最完整和成熟的8 0 2 1 6 标 准，各大厂商目前均依据该版本进行产品的研发工作。8 0 2 1 6 - 2 0 0 4 对2 - 6 6 g h z 频 段的空中接口物理层和m a c 层做了详细规定，定义了支持多种业务类型的固定宽 带无线接入系统的m a c 层和相对应的多个物理层。该标准对前几个标准进行了整 合和修订，但仍属于固定宽带无线接入范筹。它保持了8 0 2 1 6 、8 0 2 ，1 6 a 等标准中 的所有模式和主要特性，增加或修改的内容用来提高系统性能和简化部署，或者用 来更正错误、补充不明确或不完整的描述，包括对部分系统信息的增补和修订。同 时，为了能够后向平滑过渡到8 0 2 1 6 e ，8 0 2 1 6 2 0 0 4 增加了部分功能以支持用户的 移动性。 8 0 2 1 6 e 是8 0 2 1 6 的增强版本，该标准规定了可同时支持固定和移动宽带无线 接入的系统，工作在2 - 6 g h z 适于移动性的许可频段，可支持用户站咀车辆速度移 动，同时8 0 2 1 6 a 规定的固定无线接入用户能力并不因此受到影响。该标准还规定 了支持基站或扇区间高层切换的功能。8 0 2 1 6 e 标准面向更宽范围的无线点到多点 城域网系统，可提供核心公共接入。制定8 0 2 1 6 e 的目的，是提出一种既能提供高 速数据业务又使用户具有移动性的宽带无线接入解决方案，该技术被业界视为目前 8 一 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 惟一能与3 g 竞争的下一代宽带无线技术。但就目前最新发布的草案d r a f l 3 0 来 看，8 0 2 1 6 e 仅提出了具有移动特性的系统框架结构，其中的很多具体技术细节尚 未规定，要全部完成标准还有很大的工作量。 8 0 2 1 6 f 定义了8 0 2 1 6 系统m a c 层和物理层的管理信息库( m i b ) 以及相关 的管理流程。该标准的制定工作也刚处于起步阶段，计划在2 0 0 6 年发布。 制定8 0 2 1 6 9 的目的是为了规定标准的8 0 2 1 6 系统管理流程和接口，从而能够 实现8 0 2 1 6 设备的互操作性和对网络资源、移动性和频谱的有效管理。该标准的 制定工作也刚处于起步阶段，计划在2 0 0 7 年发布。 为了在全球范围内推广8 0 2 1 6 ，业界领先的通信设备公司及器件公司共同成 立的非盈利组织“世界微波接入互操作性论坛( w i m a x ：w o r l d w i d e i 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 ) ”。w i m a x 的主要职能是根据i e e e8 0 2 1 6 和e t s ih i p e r m a n 标准形成一个可互操作的全球统一标准，保证设备商开发的系 统构件之间具有可认证的互操作性。，以推进8 0 2 1 6 在全球的应用。 w i m a x 采用8 0 2 1 6 系列标准中o f d m 技术作为一种必选的物理层规范来确 保具有统一的基准。同时，还采用了射频突发信号自适应调制和可变纠错编码技 术，凶此能确保在为每用户单元提供最大传输速率的同时保证射频链路的可靠性。 在最佳的应用情况下能达到每扇区最大数据传输速率7 0 m b i t s ，传送最大距离5 0 公里。 w i m a x 采用8 0 2 1 6 系列标准的m a c 层规范中的同意请求协议来接入媒体， 在链路上采用t d m t d m a ( 下行上行) 链路帧的方式。该方式通过集中调度来支 持对时延敏感的业务，确保了无碰撞数据的接入，因此可实现q o s 。 w i m a x 支持t d d 和f d d 双工方式，且具有灵活的信道宽度( 如3 5m h z 、 5 m h z 和1 0m h z 等) ，可适应不同应用情况。支持智能天线，通过抑制干扰和提 高系统增益来改善性能。单载波可支持数百个c p e 。采用自动功率控制，把白干 扰减到最小。 22 卧c 层协议 i e e e8 0 2 1 6 标准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 一9 。 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 务( v o l p ) 。为提供多业务能力，8 0 2 1 6m a c 层必须支持连续和突发的数据，并 且在服务中为各业务流分配相应的q o s 。 i e e e8 0 2 1 6 标准定义了一种面向连接( c o n n e c t i o n o r i e n t e d ) 的m a c 层协议， 为b s 和s s 之间的各种业务提供保证服务质量( q o s ，q u a l i t yo fs e r v i c e ) 的机制， 包括连接建立、带宽请求和带宽分配等等。 8 0 2 1 6 的m a c 层由高到低包括三个子层，参考模型如图2 1 所示。 最上层是特定业务会聚子层( c s ，s e r v i c e s p e c i f i cc o n v e r g e n c es u b l a y e r ) ， 用来支持各种上层各种骨干网的承载要求。该子层提供与更高层的接口，通过不同 的会聚方式更好地适配各种上层协议。8 0 2 1 6 标准目前定义了两个c s 子层：a t m 会聚子层和分组会聚子层，用于上层业务和8 0 2 1 6m a c 连接之间的双向映射。前 者是为a t m 业务而定义的，后者则服务于i p v 4 、i p v 6 、以太网和虚拟专网 ( v l a n ) 这样的分组业务。c s 子层的主要任务是将业务数据单元( s d u ， s e r v i c ed a t au n i t ) 映射到合适的m a c 连接上，同时实现或保持对应的q o s ，允许 带宽的分配。s d u 的映射方式随业务类型的不同而不同。除了这些基本功能之 外，会聚子层还可以执行其它一些操作，如负荷头部的压缩和重构，以提高无线链 路的效率。 ：。蟒铰强黼。： l 。 云 - ： l 酬嘲上 萝 翻“祀e 嗣_ 嘣靶_ i l c 裟篙船赫。l 要 c o n 蚋曩0 f l 豫s 哇翻睫，啊 l c s m a ce a m m 翻lp a 雌s u b l a y e r 矗 和敞c c p s )_ 忆粕c o 衅m m o n p a r 呐t s u 蹦a y 一 筮 斗。一赢瓣一i i s e c u 嫩ys u b l a y e r = l p h y s i c a ll a y e r 雾 l _ 。 卜捌= 嘲+ p h y ) 啾o n t r o lp l a n e 辩训犄9 捌删p 慨 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 会聚子层下面是m a c 公共子层( c p s ，c o m m o np a r ts u b l a y e r ) ，这个子层负 责执行所有m a c 层的核心功能，包括包括系统接入、带宽分配、连接建立、连接 维护等。 8 0 2 1 6m a c 层采用的请求一授予机制使协议具备良好的伸缩性、效率和自纠错 能力。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 下，8 0 2 1 6m a c 仍然可以保持其效率，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g g $ l l q 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 层最下面还包括一个私密子层 ( s e c u r i t ys u b l a y e r ) 为网络接入和连接建立提供鉴权，以避免服务被非授权使， 同时还提供密匙交换和数据加密功能。 2 3 服务流 8 0 2 1 6m a c 层是面向连接的。所有业务，包括本质上属于无连接的业务( 如 i p ) ，都需要映射到连接上。基于这种面向连接的方式，8 0 2 1 6m a c 可以实现带 宽请求、q o s 和业务参数的映射与绑定、数据到会聚子层的映射与传送，以及业务 合同中规定的所有功能。在8 0 2 1 6 中，引入了服务流的概念来区分不同业务对 q o s 的不同需求。不同的服务流有相应的参数指定其q o s 的需要，有相应q o s 需 求的业务可以被归结为相同的服务流。当m a c 层连接建立时，该连接相应的服务 流也同时被指定。 在i e e e8 0 2 1 6 中，按照不同业务对q o s 的需求定义了四种类型的服务流。这 四种服务流分别是： ( 1 ) 主动授予服务( u g s ，u n s o l i c i t e d g r a n ts e r v i c e ) 流 u g s 服务流用来支持固定比特率业务。b s 周期性的为u g s 连接提供固定尺 寸的带宽。这样可以节省s s 为了传输数据所发送的请求导致的带宽开销和时延， 例如t 1 e 1 业务和固定比特率的v o l p 业务。与u g s 服务流相关的q o s 参数包括主 动授予数据量( u n s o l i c i t e dg r a n ts i z e ) 、额定授予时间间隔( n o m i n a lg r a n t i n t e r v a l ) 、可忍受的授予抖动( t o l e r a t e dg r a n tj i t t e r ) 和请求发送策略( r e q u e s t t r a n s m i s s i o np o l i c y ) 。 ( 2 ) 实时轮询服务( r t p s ，r e a l t i m e p o l l i n g s e r v i c e ) 流 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 r t p s 服务流被设计为支持周期性的产生可变尺寸数据包的实时业务，例如 m e p g 视频业务a 这些应用在要求一定带宽保证的同时也指定了一个传输时间限制 ( 最大时延) 。b s 为r t p s 连接提供实时的、周期性的单播请求机会，从而使该连 接能周期的告知b s 其变化的带宽需求，b s 也能周期的为其分配可变带宽。与 r t p s 服务流相关的q o s 参数有额定轮询问隔( n o m i n a l p o l l i n gi n e r v a l ) 、可容忍的 轮询抖动( t o l e r a t e dp o l l j i t t e r ) 和请求发送策略( r e q u e s t t r a n s m i s s i o n p o l i c y ) 。 ( 3 ) 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 ) 流 n r t p s 服务流用来对应非周期的产生可变尺寸数据的非实时业务，例如高速 f t p 业务。b s 有规律地( 不一定是周期性的) 向n r t p s 连接提供单播的请求机 会，以保证该连接即使在网络拥塞的情况下也能得到机会发送带宽请求。与n r t p s 服务流相关的o o s 参数包括额定轮询间隔( n o m i n a lp o l l i n gi n e r v a l ) 、请求发送 策略( r e q u e s t t r a n s m i s s i o np o l i c y ) 、最小保留业务速率( m i n i m u mr e s e r v e d t r a f f i cr a t e ) 、最大业务支持速率( m a x i m u ms u s t a i n e dt r a f f i cr a t e ) 和业务优先 级( t r a f f i cp r i o r i t y ) 。 ( 4 ) 尽力而为( b e ，b e s te f f o r t ) 服务流 b e 服务流对应那些不需要q o s 保证的业务，比如h t t p 网页访问。系统只向b e 业务提供尽力而为的服务，在带宽被分配给上述的三种服务流以后，让其使用剩余 的可用带宽。与醯服务流有关的q o s 参数包括请求发送策略( r e q u e s t t r a n s m i s s i o np o l i c y ) 、最小保留业务速率( m i n i m u mr e s e r v e dt r a f f i cr a t e ) 、最 大业务支持速率( 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 ) 和业务优先级( t r a f f i c p r i o r i t y ) 。 每类服务流都有相应的一些关键服务参数，比如最小保留业务速率 ( m i n i m u mr e s e r v e dt r a f f i cr a t e ) ，最大支持业务速率( 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 ) ，业务优先级( t r a f f i cp r i o r i t y ) ，最大时延( m a x i m u ml a t e n c y ) 等 等。所有的这些参数通过动态服务流管理消息来传递。通过一系列的被称为动态服 务添加( d s a ，d y n a m i cs e r v i c ea d d i t i o n ) 、动态服务更改( d s c ，d y n a m i c s e r v i c ec h a n g e ) 和动态服务删除( d s d ，d y n a m i cs e r v i c ed e l e t i o n ) 的消息序列， 服务流可以被创建、更改或者删除。b s 将为每个连接记录相应的服务参数作为调 度的依据。 一1 2 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 2 4 带宽请求和分配 ( 1 ) 带宽请求 上行链路的带宽请求消息都是由s s 发起，送到b s 。有多种方法把带宽请求 消息发送到b s ，主要的有三种途径，一是由b s 上的调度模块按照一定酌机制为 各个s s 分配相应的带宽用于发送专门的带有带宽请求m a c 头的带宽请求消息 ( p o l l i n g ) ，二是通过数据随路请求( p i g g y b a c kr e q u e s t ) 方式，三是b a n d w i d t h s t e a l i n g 方式。下行链路不需要发起带宽请求，b s 根据其需要安排下行链路的带宽 分配。但是从b s 上调度模块来看，无论是上行链路还是下行链路，都需要有相应 的带宽请求递交给调度模块，从而由调度模块来统一调度安排带宽。 随路请求是指当一条服务流已经建立，并已经申请到所需的带宽进行数据传 输，如果此时该服务流又有数据到来，需要请求带宽进行传输，那么s s 可以在传 输现有数据的同时在数据s d u 中包含为下一个待发送的s d u 的带宽请求信息，从 而不用等待调度模块所提供的专门的带宽请求发送机会，并且节省发送带宽请求所 带来的带宽资源消耗。b a n d w i d t hs t e a l i n g 方式只能当s s 运行在g p s s 模式( 下面 会提到) 时使用，这种带宽申请方式是在s s 所申请到的带宽里既发送数据，同时 也可以发送带宽请求。 各种不同的服务类型，它们所能使用的带宽请求的方式是有规定的，如表2 2 所示。如对于u g s 类型的服务，随路请求和b a n d w i d t hs t e a l i n g 这两种带宽请求 的方式就不允许使用。而r t p s 业务、n r t p s 业务和b e 业务则都是除了既可以使用 p o l l i n g 方式，又可以使用随路请求方式和b a n d w i d t hs t e a l i n g 方式来发送带宽请 求。 表2 2 服务流带宽请求规则 s l - 一蠡拦l 暑残醴翊醯 b 日d 枷矗 咖r q m d“h 蚺 乳脯峰 予自d i _ t i n _ 目e 区v b _ h _ t # 由t 出p 出l k b _ b 匠函h 潞n 矗矗丑翻- _ l秣黛k _ _ 耐 _ _ 醯t 正_ 日口| 毂葛；d 目目_ t 蛀t - l k 瞒矗8 _ da l k n 俐t 蠹h 6 i s 嚣 s d 蟹矗函嘻棚每凶_ - * 啊商嚏吐p 蘸h 瞄 k 如h 譬衄碍m 嘲虹j 臻n a 雎抽- b 皿瞄碰p a l - m 鹏矗融掰d矗强娜娃彘a p 5 s 函譬1 娃a 矗_ 缸- 塌墨b 卤埘轴嘲呻畦，神i 。瓢d b 曩l 画距1 匪 醛w 瞄! 湖e 文 髓a 篮啊睡矗 鞋唧啊畦知g 瞄 艇萎m 世翻越曝盛a - 正 ( 2 ) g p c 和g p s s 模式 1 3 北京邮电大学硕士研究生毕业论文 s s 有两种运行模式，一种是g p c ( g r a n t sp e rc o n r l e c t i o n ) ，另一种是 g p s s ( g r a n t sp e rs u b s c r i b e rs t a t i o n ) 。 在g p c 模式，每个服务流都需要单独地申请其所需的带宽。一调度模块根据 每个服务流的带宽需求为该服务流分配资源。在g p s s 模式下，带宽是针对每个 s s 来分配的，s s 统计它所拥有的所有服务流所需要的总带宽，向调度模块发起带 宽申请。调度模块根据该s s 所要求的总带宽为其分配资源，这些资源可以由该s s 上的所有服务流所共享。在得到分配的带宽后，s s 再将其所分到的带宽在它所有 的服务流中进行二次分配。 在g p c 模式下的s s ，如果调度模块同意的带宽小于所申请的带宽，调度模块 不会给出明确的原因。当这种情况发生时，s s 可能会采取这么几种措施，是减 小请求的带宽，重新发起请求：二是如果该服务流连接允许进行分割 ( f r a g m e n t a t i o n ) 的话，采用分割的办法来适应较小的带宽；三是丢弃需要发送的 单元。在g p s s 模式下的s s ，如果调度模块同意的带宽小于所申请的带宽，调度 模块同样不会给出明确的原因。由s s 来决定哪个连接能得到申请到的带宽，如果 申请到的带宽不能满足要求，可以减小请求的带宽，重新发出带宽请求，必要的话 也可以把要发送的数据单元丢弃。 ( 3 ) r e q u e s t i e b s 上的调度模块会按照一+ 定的策略在每个 二行帧上