（无线电物理专业论文）基于ieee80216e协议的mac层qos架构和无线公平队列算法的研究.pdf

中u 大学碗士学位论文 基于i e e e 8 0 2 1 6 e 协议的m a c 层o o s 架构 和无线公平队列算法的研究 专业 无线电物理 硕士生 侯思蓉 指导教师 秦家银教授张琳副教授 摘要 宽带无线接入协议i e e e 8 0 2 1 6 协议是i e e e 标准化组织为无线城域网制定 的一系列标准 能提供面向互联网的高速连接 是一种很有发展潜力的无线接 入技术 e e e 8 0 2 1 6 e 标准在i e e e s 0 2 1 6 d 的基础上增加了对移动性的支持 使得w i m a x 的应用空间更为 泛 是无线通信领域的研究热点之 尽管 i e e e 8 0 2 1 6 e 标准中详细描述了物理层及m a c 层的技术约定 但并未详细说明 q o s 实现方案及调度机制 因而 本文拟基于i e e e 8 0 2 t 6 e 标准 对m a c 层的 q o s 实现方案及调度机制进行研究 本文的主要工作在于分析了i e e e 8 0 2 1 6 e 胁议中m a c 层的q o s 实现方案 对m 议中末详尽规定的内容做了补充 并在此基础上 对协议部分内容做了改 进建议 确定了 种新的m a c 层q o s 架构 用o p n e t 软件仿真工具构建了基于 1 e e e 8 0 2 j6 e 协议m a c 层的队列仿真模型 并依据此模型 在加权公平队列算 法 w f q 算法的基础上提出了适用于无线宽带通信的新算法w i p w f q 该算法 结合应用了信道检测和优先级动态调整的策略 根据权重公平分配带宽的思想 有效地保证了网络中不同类型业务的服务质量 q o s 并用仿真证明了建议的 可行性和有效性 论文首先详细介绍了l e e e 8 0 2 1 6 e 协议的基本技术框架 重点阐述了m a c 层的技术特 囊干 其相对于l el s e 8 0 2 1 6 d 的新特性 随后介绍了队列算法的演进 并重点介绍了加权公平队列算法 住第4 章中 我们分析了i e e e 8 0 2 1 6 e 队议 的新特性 确定了一种新的m a c 层o o s 架构 并在架构中加入了多缴的调度算 摘要 法 同时 我们针对i e e e 8 0 2 j 6 e 议的新特性对加权公甲算法进行了改进 提出了种新的算法 无线动态优先级加权公平队列算法 w d p w f q 住第5 章中 我们将w d p w f q 算法应用于i e e e 8 0 2 1 6 e 中 搭建网络模型进行仿真 并 将仿真结果与末使用该算法的原始模型进行了比较 结果表明 网络的传输性 能得到了改善 q o s 得到了保证 新算法是适用于i e e e 8 0 2 1 6 e 系统的 关键词 宽带无线接入 q o s w f q 信道检测 动态优先级 h i 山大学颂 学位论文 r e s e a r c ho fa r c h i t e c t u r eo fq o sb a s e do ni e e e 8 0 2 1 6 es t a n d a r dm a c l a y e ra n dw i r e l e s sw f q a l g o r i t h m m a j o r r a d i op h y s i c s n a m e h o us i r o n g s u p e r v i s o r p r o f q i n j i a y i n a s s o c i a t ep r o f z h a n gl i n a bs t r a c t t h eb r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s sp r o t o c o l i e e e 8 0 2 1 6w a ss e td o w nb yt h e i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n de l e c t r o n i c se n g i n e e r sf o rw i r e l e s sm a n i ti saw i r e l e s s a c c e s st e c h n o l o g yw h i c hh a sab r i g h tf u t u r i t yt h a ti tc a np r o v i d e sh i g hs p e e d c o n n e c t i v i t yf a c i n gt h ei n t e r n e t i e e e 8 0 2 1 6 es t a n d a r d h a sa d d e ds u p p o r to f m o b i l i t yt o i e e e 8 0 2 1 6 da st om a k ea p p l i c a t i o no fw i m a xb e c a m em o r e f a r r a n g i n g w h i c hw a sah o tr e s e a r c hp o 缸i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nf i e l d t h i sp a p e r sm a j o rc o n t r i b u t i o nw a sl a i do na n a l y z i n gt h ei m p l e m e n ts c h e m eo f q o so fm a cl a y e ro fi e e e 8 0 2 1 6 es t a n d a r da n df i x e du pt h eu n p r e s e tc o n t e n t s b a s e do nt h ea n a l y s i s w em a k es o m es u g g e s t i o n sf o ra m e l i o r a t i o n b u i l du pan e w q o sa r c h i t e c t u r eo fm a cl a y e r w es e tu paq u e u i n gs i m u l a t i o nm o d e lb a s e do n i e e e 8 0 2 1 6 ep r o t o c o lm a cl a y e rb yu s i n go p n e t a n dt h e nu s e di tt op r o p o s ea n e wa l g o r i t h m w d p w f qw h i c hc o m b i n e dt h es t r a t e g yo fc h a n n e ld e t e c t i o na n d d y n a m i cp r i o r i t ya d j u s t m e n ta c c o r d i n gt ow e i g h t sf a i ra l l o c a t i o nt h o u g h tt oa s s u r e t h eq o so fd i f f e r e n tk i n d so fs e r v i c e si nt h en e t w o r ke f f e c t i v e l ya n dw a su s e di n w i r e l e s sb a n d w i d t hc o m m u n i c a t i o n u s i n gs i m u l a t i o nt e s t i f yt h ef e a s i b i l i t ya n d v a l i d i t yo f t b es u g g e s t i o n s t h i sp a p e rf i r s tp r e s e n t sa l li n t r o d u c t i o no ff u n d a m e n t a lt e c h n o l o g ya r c h i t e c t u r e o f 1 e e e 8 0 2 1 6 es t a n d a r di n d e t a i l p a r t i c u l a r l ye x p a t i a t e d t h et e c h n o l o g y m a b s t r a c t c h a r a c t e r i s t i co fm a cl a y e ra n dn e wt r a i t sa st oi e e e 8 0 2 1 6 a t h e ng a v ea l l i n t r o d u c t i o no f t h ed e v e l o p m e n to f q u e u i n ga l g o r i t h ma n dr e c o m m e n dt h ew e i g h t e d f a i rq u e u i n ga l g o r i t h ma sak e y p o i n t i nt h ef o r t hc h a p t e r w ea n a l y z er l e wt r a i t so f 1 e e e 8 0 2 1 6 es t a n d a r da n ds e tu pan e wq o sa r c h i t e c t u r e o f m a cl a y e rw h i l ea d d e d t h em u l t i l a y e rs c h e d u l ea l g o r i t h mt ot h i sn e wa r c h i t e c t u r e a tt h es a n l ct i m e w e p r o p o s e da l li m p r o v e m e n to f w e i g h t e df a i rq u e u i n ga l g o r i t h ma c c o r d i n gt on e wt r a i t s o fi e e e 8 0 2 1 6 es t a n d a r d an e wa l g o r i t h m w i r e l e s sd y n a m i cp r i o r i t yw e i g h t e df a i r q u e u i n ga l g o d t h n ti nt h ef i f t hc h a p t e r w ea p p l i e dt h ew d p w f qa l g o r i t h mt o i e e e 8 0 2 1 6 e f o u n d e dam o d e lt os i m u l a t ea n dc o m p a r et h er e s u l t sw i t ht h em o d e l w h i c hd i dn o tu s et h ea l g o r i t h m t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et h ee f f e c t i v e n e s s o f t h ep r o p o s e da l g o r i t h m k e yw o r d s b w a q o s w f q c h a n n e ld e t e c t i o n d y n a m i cp r i o r i t y 山大学硕十学位论文 第1 章绪论 数据化 宽带化是通信网必然的发展趋势 而现今主要的瓶颈在于从客户网 到核心网之间的 最后一公里 i e e e 8 0 2 1 6 标准 是2 0 0 1 年由i e e e 国际电气 与电子工程师协会 标准组织批准通过的新的无线城域网空中接口规范 该规范 适用于2 6 6g h z 基于该标准的无线通信网可满足宽带无线接入的市场需求 成 本相对较低 使得通信公司和服务提供商可以为缺少宽带服务的企业与住宅 尤 其是城郊和农村 提供便利 优良的移动多媒体宽带服务和高速的无线数据传输 1 1i e e e 8 0 2 1 6 e 协议及研究现状 1 1 1 无线城域网w i m a x 简介 在2 0 0 1 年的4 月 业界主要的无线宽带提供商和芯片制造厂商共同发起成 立了w i m a x 个非营利的工业贸易联盟组织 w i m a x 论坛的发展壮大 强烈地 刺激了市场的发展 该组织致力于研究一种面向城域网的宽带无线接入技术 该技术支持点对多点 能达到数百兆比特每秒的传送速率 可以覆盖数十公罩 的范围 其网络部署图如图卜1 所示 瞄卜1w i m a x 系统网络部署l 鳘i 户站 w i m a x 网络支持固定 漫游或移动的无线宽带接入 性能强 效率高 成本 低 通过灵活的配置可以满足各种应用场景的要求 w i m a x 可以进行大规模组 网覆盖 其q o s 机制可以有效保证v o l p 业务的时延及其他参数 省电模式可以 有效地延长终端使用时间 连续切换的技术实现了终端的大范围移动 w i m a x 还具有以下优点 采用了多种技术应对建筑物阻挡的情况 适用于各种传播环 境 包括视距 近视距和非视距 即使在链路状况最差的情况下 也能提供 可靠的服务 支持灵活的射频信道带宽和信道复用 频率复用 当网络扩展 时 可以用于增加小区容量 支持自动发送功率控制和信道质量测试 可以作 为物理层的附加工具 支持小区规划 部署以及频谱的有效使用 在链路层加 入了a r q 机制 减少到达网络层的信息差错 可大大提高系统的业务吞吐量 提供实现自适应天线阵 a a s 多输入多输出 m i m o 和空时编码 s t c 增 强型天线技术的途径 以应对非视距造成的深衰落 提高了无线数据传输性能 w i m a x 系统基于全i p 网络架构 可以作为企业t 1 或家庭x d s l 和c a b l e m o d e m 的无线扩充技术 因此 未来的w i m a x 将能同时解决物理层环境和q o s 两方面的问题 支持现有的有线网络和无线网络的互联互通 1 1 2w i m a x 与3 g 对于w i m a x 的前途 人们最关心的就是其与3 g 的关系 究竟两个是竞争还是 互补 能否共存 3 g 是按照语音为主业务需求设计的 不能满足宽带无线接入的 需求 w i m a x 面向的最宽带无线接入市场 但是当3 g p p 发展l t e 之后 两者的技术 标准越来越接近 形成了一定的竞争关系 表1 1 很清晰地列出了i e e e 8 0 2 1 6 e 嘲 与3 g 的技术比较 2 l i l 山大学颂十学位论文 表1 1i e e e 8 0 2 1 6 e 与3 g 比较图 8 0 2 1 6 e 3 g 用户定位 需要宽带数据服务的固定或需要语音服务和数据服务的较高 具有一定移动性的用户 一定移动速率的用户 需要高速下行数 区域内的移动性和漫游 据速率的服务 3 g 增强型 支持 全程的移动性和漫游 业务类型宽带数据业务电路型的话音业务 电路型和分组 型数据传输的承载 可视电话业 务 多媒体消息业务 定位业务 短消息业务等 i p 层的接入 网络结构基于分组的结构 目前只有无电路型的结构和分组型的结构并 线接入网 存 发展方向为分组型 有无线型 的核心网和基于分组型的核心网 以及于业务相关的子系统 移动速率可以支持1 2 0 k m h 的移动速度可以支持高于1 2 0 k m h 的移动速度 与2 g 关系不兼容演进关系 从表卜1 中我们可以看到i e e e 8 0 2 1 6 e 和3 g 系统所能提供的服务在一定的 范围内存在交叉 主要体现在 提供一定移动性的数据带宽需求较高的无线数 据服务 方面 在提供宽带无线数据业务的技术方面 i e e e 8 0 2 1 6 e 与3 g 系统 的无线传输技术相比 具有一定的竞争优势 其在相同的移动速率下能够提供 的数据速率高于3 g 系统和3 g 增强型系统 h s d p a 和l xe v d v 但是在成熟度 和商用程度等方面 i e e e 8 0 2 1 6 e 还是落后于3 g 系统 在i e e e 8 0 2 1 6 e 达到大 规模商用程度之i j 在相当长的时间内将主要解决热点覆盖 不会对3 g 系统的 发展产生影响 但会得到一些实力强大的运营商的关注以及峰定支持w i m a x 的 国内设备制造商的研发投入 不断推出基于w i m a x 的 签片和设备 当 i e e e 8 0 2 1 6 e 达到商用之后 将会在无线宽带数据服务方面与3 g 系统形成一定 范围内的竞争和互补局面 一起为广大的用户提供高速的支持移动性的带宽数 据业务 从而我们可以看到 w i m a x 将会有很大的发展空问 1 1 3w i m a x 发展前景 随着各种便携式电子产品的普及 越来越多的用户要求通过无线接入提供 高速的多媒体业务 这使得在固定宽带接入的基础上提供移动性支持成为必然 w i m a x 正是应着这一需求而出现的宽带无线接入标准 目前w i m a j c 可以提供的典型业务有 移动语音 v o i p 提供高质量的 基于i p 的语音业务 结合m o b i l e i p 技术 完成语音业务的切换 移动互联 网 提供移动互联网接入业务 延伸传统互联网业务 移动增值业务 移 动游戏 移动电视 消息类业务 g p s 服务等 w i m a x 的终端一般为个人移动 设备 未来可能的主要用户是商务人士 移动娱乐潮流者等 当然 w i m a x 也面临一些问题需要解决 组网建设时需要更低的频段与更宽 的信道带宽 但可用的频段资源不多 高带宽接入带来了移动性的损失和覆盖面 积的减少 仅定义了空中接口的物理层和m a c 层 上层协议以及核心网部分并没 有定义规范 设备还未可以大规模商用 离真正实现价值还有很长的路要走 需 要r w g 和g r w g 协调工作才可实现全球漫游 且前各个国家可用的频率不一致 i i 4i e e e8 0 2 1 6 标准发展历史 i e e e 8 0 2 1 6 标准组织已经发布了一系列的规范标准 到目前为止包括 i e e e 8 0 2 1 6 i e e e 8 0 2 1 6 a i e e e 8 0 2 1 6 c i e e e 8 0 2 1 6 d i e e e 8 0 2 1 6 e i e e e 8 0 2 1 6 f 和i e e e 8 0 2 1 6 9 七个标准 其中研究最为深入的是i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 和i e e e 8 0 2 1 6 e i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 4 只提供固定终端的通信服务 i e e e 8 0 2 1 6 e 则 加入了对移动性的支持 增加了高速率无线局域网和高移动性蜂窝通信系统之间 的实现方案 正式发布为i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 5 版本 1 表i 2 分别根据使用频段的不同以及是否支持移动特性 对i e e e 8 0 2 1 6 系 列标准进行了比较 4 山大学硕 学位论文 表1 2i e e e 8 0 2 1 6 系列标准技术规范比较 系列号应用频段 8 0 2 1 6 i o 6 6 g g h z 应用于视距范围 固定宽带无线接入系统宅中接口 8 0 2 1 6 a 2 1 1 g h z 应用于非视距范围 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 应用于视距范围 固定宽带接入系统的兼容性 8 0 2 1 6 d 2 6 6 g h z 适用于视距和非视距范围 固定宽带接入系统空中接口 8 0 2 1 6 e2 6 g h z 特许频段 固定和移动宽带无线接入系统空中接口管理信息库 8 0 2 1 6 f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 第一个标准i e e e 8 0 2 1 6 于2 0 0 1 年1 2 月发布 制定了使用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 层协议 但由于使用的频段 的限制 只能应用在视距范围内 i e e e 8 0 2 1 6 a 于2 0 0 3 年1 月公布 该标准对i e e e 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 可应用于非视距范围 使得覆盖范围最远可达5 0 k m 此外 i e e e 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性业务 真正具有市场应用价值 成为用于城域网的无线接入手段 i e e e 8 0 2 1 6 c 于2 0 0 2 年正式发布 是使用1 0 6 6 6 h z 频段i e e e 8 0 2 1 6 系统 的兼容性标准 详细规定了使用1 0 6 6 g h z 频段的i e e e 8 0 2 1 6 系统在实现上的 一系列特性和功能 作为i e e e 8 0 2 1 6 的增补文件 i e e e 8 0 2 1 6 d 于2 0 0 4 年讵式发饰 相对比较成熟并且是最具实用性的一个 标准版本 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规范 i e e e8 0 2 1 6 d 对空中接口物理层和m a c 层做了详细的规定 定义了支持多种业 务类型的m a c 层和相对应的多个物理层 该标准保持了以前一系列标准中的模 式和主要特性 提高系统性能和简化部署 i e e e 8 0 2 1 6 e 于2 0 0 5 年正式发布 工作在2 6 g h z 适于移动性的许可频段 是i e e e 8 0 2 1 6 d 的增强版本 可同时支持固定和移动宽带无线接入 支持用户 站以中低车速移动 支持基站或扇区问高层切换 支持省电模式 可提供核心 公共网接入 该标准与i e e e 8 0 2 1 6 d 的对比如表1 3 所示 表1 3i e e e 8 0 2 1 6 2 0 0 5 与8 0 2 1 6 2 0 0 4 的主要技术特征比较 技术参数8 0 2 1 6 2 0 0 48 0 2 1 6 2 0 0 5 子载波数 2 5 6 o f o m 2 5 6 o f d m 2 0 4 8 o f d m a 1 2 8 5 1 2 1 0 2 4 2 0 4 8 o f d m a 双工方式t d o f d d t d d 采用t d m t d m a 的多址技术 应用频段 2 6 6 g h z2 6 g h z 信道带宽 1 7 5 2 0 m h z 1 2 5 2 0 m h z 移动性固定中低车速 峰值速率7 5 m b p s 2 0 m h z 1 5 m b i t s 5 m h z 小区间切换不支持支持 省电模式不支持支持空闲 睡眠模式 覆盖范围5 5 0 k m 支持非视距传输几k m i e e e 8 0 2 1 6 f 于2 0 0 6 年发布 定义了i e e e 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 i e e e 8 0 2 1 6 9 预计将于2 0 0 7 年发布 其目的是要规定标准的i e e e 8 0 2 1 6 系统管理流程和接口 从而对网络资源 移动性和频谱进行有效的管理 并实 现i e e e 8 0 2 1 6 设备的互操作性 1 1 5i e e e 8 0 2 1 6 e 协议q o s 架构研究现状 在i e e e8 0 2 1 6 系列协议中 只提供了一种面向连接的m a c 层协议 为基站和 用户站问的各种服务提供保证服务质量的机制 其内容包括连接建立 带宽请求 和带宽分配等等 甚至对于数据包的格式都进行了详细的定义 然而 没有对带 宽分配和管理的细节和具体实现予以晚明 也没有指定具体的排队算法 这一个 领域有很大的研究空间 服务质量 q u a l i t yo fs e r v i c e 简称q o s 是网络与用户之 日j 以及网络 6 山大学颂 学位论文 上互相通信的用户之间关于信息传输与共享的质量的约定 一个高效并且合理 的o o s 网络框架能够满足无线城域网络系统中不同用户的服务需求 在此同时 还可以增加系统的高效性和健壮性 能够带来巨大的经济效益 通过w i m a x 网 络开展多媒体业务 需要解决端到端的q o s 问题 使用户获得满意的服务 同 时又能有效地利用网络资源 因此这个研究方向有很大的现实意义 在文献 4 5 6 中都提出了应用于i e e e 8 0 2 1 6 d 协议的m a c 层q 0 s 架构实 现框架 然而它们是基于i e e e 8 0 2 1 6 d 协议的m a c 层的研究 没有适应 i e e e 8 0 2 1 6 e 协议的m a c 层的新特性 没有解决支持移动性后带来的新问题 文献 7 只是对服务分级调度 并没有针对每种服务的特点采用具有针对 性的队列算法 并且该文作者只是提出该调度思想 并没有仿真验证其可行性 文献 8 的调度架构直接将有线w f q 算法应用于w i m a x 系统 得到了较小的 网络抖动和时延 但其未考虑无线传输特性 没有考虑信道突发错误对算法公 平性的影响 文献 9 提出了在无线信道环境中 对n r t p s 流进行带宽补偿的思想 但同 样没有经过建模仿真验证 文献 1 0 针对i e e e s 0 2 1 6 进行了新特性的研究 但没有提出详细的队列算 法的实现方案 现有的研究都未能真正实现适用于i e e e 8 0 2 1 6 e 的m a c 层协议的无线加权 公平队列算法 对于优先级的管理 只是笼统地提出实现设想 没有针对网络 实际情况提出详细的实现方案 1 2 公平队列算法简介 在现代计算机网络中 为了确保网络有效运行 人们提出了很多的技术来解 决网络拥塞 这些技术分别运行在不同的时问级上 提供不同的控制精度 1 系统容量规划和网络拓扑设计 以天为单位 2 呼叫控制和路由选择策略 以分钟为单位 3 传输过程重协商 以秒为单位 4 反馈控制 以毫秒 秒为单位 5 调度机制和缓冲管理 以毫秒为单位 调度器在网络中充当着最小粒度的协调作用 好的调度算法能够精确控制每 一个数据包 有效的控制着网络 可以很好地解决网络拥塞问题 确保网络公平 保证不同类型业务的q o s 分配带宽 限制时延 抖动 减少丢包率 调度算法的功能 当每个分组到达调度器时 根据其调度思想分配到适当 的队列 同时在每一个队列 可根据不同类型业务的不同特点采用相应的排队 算法 对每一个数据包进行精确管理 然后调度器再从每个队列转发分组 调 度器通过一定的调度算法确定下一步要服务的队列 这样通过排队算法的不同 排队准则 保证不同的应用流获得对应它们q o s 的带宽和时延 应用最为广泛的调度器是基于加权公平排队 霄f q 算法 的 w f q 通过仿 效处理器共享 g p s 来进行排队管理 g p s 是一个按照权重公平分配带宽给每 个应用流的理想模型 但在实际的分组网络中不可实现 w f q 的排队思想如图 1 2 所示 每个包在到达队列时被分配一个标签值 该标签指示包的最后比特 按g p s 被传输所需的时闻 这个值根据当前系统的虚拟完成时间 队列的内容 和该队列的权重计算得出 每次出口发送包时 选中具有最低标签值也就是具 有最小完成时问的包进行发送 圈卜2w f o 算法 加权公平排队算法可以公平分配网络带宽 并且保护各种类型业务和隔离 恶意的连接 具有一个可保证的端到瑞时延上限 但其未考虑无线传输特性 没有考虑信道突发错误对算法公平性的影响 不能直接应用于无线通信系统中 需要结合无线传输特点对其进行改进 8 山大学硕 学位论文 1 3 论文的主要工作 本论文的主要工作有两个方面 一方面在于分析了i e e e 8 0 2 1 6 e 协议的新 特性 以及基于这些新特性i e e e 8 0 2 1 6 e 中m a c 层的q o s 实现方案 对协议中 未详尽规定的内容做了补充 并在此基础上 对协议部分内容提出了改进建议 确定了一种新的m a c 层q o s 架构 在新的构架中 加入了两个新的模块 c h a n n e l d e t e c t i o n 模块和h a n d o v e rc o n t r o l 模块柬实现i e e e 8 0 2 1 6 e 中增加的移动性 支持 另一方面对w f q 算法以及相关的无线队列算法进行了研究 在o p n e t 的软 件平台上构建了基于i e e e 8 0 2 1 6 e 协议m a c 层的队列仿真模型 并利用此模型 在w f q 算法的基础上提出了适用于无线宽带通信的新算法w d p w f q 该算法结合 应用了信道检测和优先级动态调整的策略 在调度器中增加了信道检测模块周 期性地监控信道状态以及在每个数据包中设置了优先级的控制位 以实现对应 用流的高精度的调度控制 根据信道检测模块反馈信息 对队列的优先级自适 应地进行动态调整 最后用仿真结果证明了建议的可行性和有效性 论文各部分安排如下 首先 在绪论中简要介绍了i e e e 8 0 2 1 6 e 协议的发展现状和主要技术 同 时简单地介绍了公平队列算法的思想 在第二章中 我们详细介绍了i e e e 8 0 2 1 6 e 协议 对协议新特性 m a c 层 技术概要和q o s 架构分别做了介绍 其中深入地讨论了m a c 层技术实现细节和 o o s 架构组成 在第三章中 我们对公平队列算法展丌了探讨 细致地介绍了g p s 算法 w f q 算法 w f 2 q 算法和无线队列算法等算法 在第四章中 我们首先分析了前人的研究成果 在此基础上结合 i e e e 8 0 2 1 6 e 的新特性提出了 种新的m a c 层o o s 架构 并针对无线通信传输 特性 结合了信道检测和优先级动态调整的策略 提出了适用于无线宽带通信 的新算法w d p w f q 在第五章中 在o p n e t 的软件平台上构建了基于i e e e 8 0 2 1 6 e 协议m a c 层 的队列仿真模型 配置了不同应用流进行仿真 并将仿真结果与原始模型进行 9 对比 可见我们的算法应用于i e e e 8 0 2 1 6 e 的效果令人满意 本文的最后一章对全文进行了总结 分析了研究成果和不足的之处 并指 出了进一步的研究方向 1 0 f 山大学硕十学位论文 第2 章le e e 8 0 2 16 e 协议分析 2 1i e e e 8 0 2 1 6 e 协议技术概要 i e e e 8 0 2 1 6 e 后向兼容i e e e 8 0 2 1 6 d 特别是它的物理层实现方式与 i e e e 8 0 2 1 6 d 基本一致 协议定义了单载波s c 工作在1 0 6 6g h z 单载波 s c a 工作在1 1g h z 以下频段 o f d m o f d m a 等4 种物理层标准 主要差别 是i e e e 8 0 2 1 6 e 扩展了o f d m a 可以支持2 0 4 8 点 1 0 2 4 点 5 1 2 点和1 2 8 点的 快速傅立叶变换 从而适应从1 2 5 l h z 到2 0 m h z 的不同载波带宽的需要 i e e e 8 0 2 1 6 e 在m a c 层引入了很多新的特性以支持移动性 这将在下面章节中 有详细的论述 2 1 1i e e e 8 0 2 1 6 e 协议新特性 2 1 1 1 移动代理 为了支持移动性 i e e e 8 0 2 1 6 e 对b s 的协议堆栈进行了修改 增加了移动 代理 m o b i l ea g e n t m a 层 如表2 1 所示 表2 1i e e e 8 0 2 1 6 e 的基站协议栈 移动代理 m a 汇聚子层 m a c 层 公 共部分 物理层 回程协 议栈 移动代理的主要功能如下 1 终止通过隧道由移动用户站 m s 归属网络传递过来的数据 并解封 接收的数据单元 第2 章i e e e 8 0 2 1 6 c 协议分析 2 与汇聚子层通信 为新到达的m s 创建新的连接 建立新的分类器和指定适当的q o s 在m s 离开后 删除连接和分类器 2 1 1 2 切换方式 i e e e 8 0 2 1 6 e 切换 2 1 时采用了终端辅助的方式 移动用户站 m s 收集相 应的切换信息并将其传输给网络 收集相应的信息判决并执行切换 切换过程如下 1 每个m s 都维护着一张邻近b s 的列表 并通过如图2 一l 所示的流程与 其中的一些b s 建立相关 i 扫描下行链路信道 建立与 l 一 呈 塑竺空垩 匦嚼叠l j 口 j 协商基本性能 对m s 送行鉴权 l 进行密钥交换 j 一 一j 一 执行预登记并传输工作参数 幽2 1 惦与基站协商过程 2 b s 收集相应的测量信息和m s 报告的相关信息 判决是否进行切换以 及进行何种切换 3 m s 执行如图2 2 所示的网络登记过程 1 2 山大学顾仁学位沦文 一1 通知原b s 并离开 t j r 调整到新b s 的频率和定 日于 建立下行链路的同步 1 r 一一i 一1 到达后通知新b s 一一一 新b s 通知原b s 并建立与研s 丽 一的连接 切换完成 j 图2 2m s 网络登记流程 在i e e e 8 0 2 1 6 e 中有三种类型的切换 信道问切换 小区间的软切换和小 区间的硬切换 其特点分别如下 1 信道间切换 同一基站范围内的不同信道之间的切换 由基站做出切 换的判决并行切换 2 小区间的软切换 在不同基站之间 同频 原基站进行切换判决并 进行切换 3 小区间的硬切换 在与原基站的链路完全断开的情况下 由m s 与新 基站建立连接 在切换过程中 新基站会通知原来的基站 2 1 1 3 休眠模式 i e e e 8 0 2 1 6 e 中采用了另一项新的技术 休眠模式来减少m s 的功率消 耗 支持休眠模式的m s 具有两种状态 清醒状念和休眠状态 从休眠状念转到 清醒状态的持续时间称为休眠间隔 休眠间隔在规定的最小和最大值之 白j 按照 指数时间算法进行实时更新 从进入清醒状态 到与下行链路建立同步 解调 下行链路数据 并做出是否继续保持清醒状态或是进入休眠状态的判断的持续 时间称为监听 日j 隔 由b s 和m s 协商决定监听间隔 在清醒状态下 也即正常工作状念 m s 能够币常的接收和发送数据分组 在休眠状念下 m s 不能发送和接收分组 甚至可以关机 在进入休眠状态l i i 惦将通知b s 并登记 在休眠状态时 b s 将存储或丢弃所有发给此m s 的数据分 第2 章i e e e 8 0 2 1 6 e 协议分析 组 并在其转到清醒状态时以广播消息的形式通知它 m s 可以随时从休眠状态 转到清醒状态 而不必等休眠 自j 隔结束 当b s 接收到m s 所发送来的数据 就 登记此m s 不处于休眠状态 m s 在休眠 日j 隔后醒来 检查其休眠期间是否有数 据分组到达 如果有 则保持清醒状态 2 1 2i e e e s 0 2 1 6 e 协议物理层技术特性 1 灵活的信道编码方式 i e e e 8 0 2 1 6 e 支持多种信道编码 可以灵活地选择信道编码方式 根据不 同业务的q o s 和传输速率 利用不同的参数组合可以得到不同的数据速率 以 提高频谱利用率 i e e e 8 0 2 1 6 e 支持的信道编码类型有 咬尾卷积编码 系 统强制支持 编码和译码复杂度低且处理时延小 适合小编码块 控制消息和 对时延敏感的数据传输 归零的卷积编码一系统可选支持 具有编码和译码 复杂度低 处理时延小的优势 译码相对简单 且译码性能更好 但是该编码 传输编码块时 每个编码块要以牺牲一个字节为代价 不利于小编码块的传输 l d p c 适合大编码块的数据传输 编码复杂度较高 但i e e e 8 0 2 1 6 e 采用了 具有结构化的构造方法 有效降低了编码复杂度 i e e e 8 0 2 1 6 e 在下行链路第一帧的帧头i i 加入了一个 导码 p r e a m b l e 用于多小区实施方案中的各种估计 计算基站间的相对位置 获得邻近基站接 收信号的功率和质量等信息 2 多种链路自适应技术 i e e e 8 0 2 1 6 e 采用了多种链路自适应技术 子信道化 自适应调制编码 混合自动重传 h a r q 和 测探 s o u n d i n g 技术 子信道化 o f d m a 系统的子信道化可以扩大系统的覆盖 提高系统的容量 i e e e 8 0 2 1 6 e 定义了不同的子载波数目 使系统在抵抗频率选择性衰落和支持移动性方面找 到了 个很好的平衡点 在上下行可以使用多种子信道模式 包括部分应用 p u s c 全部应用 f u s c 和自适应调制编码 a m c 这些模式使得各子载波级分配具有更大的灵活性 1 4 l l 山大学硕十学位论文 可以得到较高的频谱效率 并且在子信道中分配子载波无需邻接 还有利于实 现频率分集 i e e e 8 0 2 1 6 e 的上行链路划分为2 4 个子信道 其中每个子信道8 个载波 每个分组包含8 个o f d m 码元 这些子信道每6 个划分为一组 每组对应 i e e e 8 0 2 1 6 a 中o f d m 的一个子信道 这样使得i e e e 8 0 2 1 f i a 和i e e e 8 0 2 1 r e 中 的o f d m 子信道划分机制互相兼容 在下行链路中 为了保证接收机在时变信道中的j 下常工作 i e e e 8 0 2 1 6 e 中提供了两种信道估计方法 跳频导频插入机制和中 自j 导码 m i d a m b l e 插入 机制 系统采取了每个o f d m 码元8 个导频的结构 在跳频导频插入机制中 导 频的位置是逐码元变化的 一个变化周期是8 个码元 在中间导码插入机制中 在下行链路帧中定期的插入中间导码以进行信道估计 这种机制适合于某些低 速的应用 为了提高功率的密集度 i e e e 8 0 2 1 6 e 中o f d m a 的子信道划分为小型的子 信道 在上行链路中 每个子信道划分为5 个小型子信道 5 3 个子载波被划分 为3 个含1 1 个载波 2 个含l o 个载波的小型子信道 实现了最大频率分集的 效果 在下行链路中 每个子信道划分为6 个小型子信道 每个小型子信道中 包含8 个载波 一个小型突发在时间上含3 个码元 每个突发包含2 4 个数据载 波 保持与i e e e 8 0 2 1 6 a 的兼容 自适应调制编码 根据用户的信道状况不同 基站会自动地调整调制和 编码方式 可以有效提高系统的平均传输速率 信道条件好的情况下 使用高 阶调制 高编码速率 获得较高的传输速率 信道条件较差的情况下 使用低 阶调制 低编码速率 保证信号的传输质量 混合自动重传 h a r q 基于不同的信道条件 该技术提供精确的编码 速率调节 自动适应信道变化 充分利用前向纠错和自动重传请求的优点 提 高系统吞吐量和数据传输的可靠性 既可以减少自动重传次数 降低传输时延 同时也减少每次传输过程中的冗余信道编码信息 大大提高了编码速率 i e e e 8 0 2 1 6 e 的h a r q 采用最为简单的停一等 s a w 机制 系统的控制丌销最 小 对发射和接收的缓存要求也最小 第2 章i e e e 8 0 2 1 6 e 协议分析 测探 s o u n d i n g 技术 i e e e 8 0 2 1 6 e 还引入了s o u n d i n g 机制用于 信道质量测量上报方面 该机制下 m s 在上行信道中发射特定的测探信号序列 给b s 使其能够估计上行信道系数 并且b s 进行上行信道系数和下行信道系 数之间的转换 再据此来调整各天线的发射权重 达到发射分集的目的 3 多天线实现方式 i e e e 8 0 2 1 6 e 协议支持两种多天线实现方式 多入多出 m i m 0 和自适应 天线阵 a a s i e e e 8 0 2 1 6 e 所支持的m i m o 模式有3 种 空时发射分集 s t t d 模式 复 用 s m 模式和分集与复用相结合的混合 s t t d s m 模式 通过采用m i m o 技术 可以大大提高通信系统的容量 增加频谱利用率和提高数据传输速率 在i e e e 8 0 2 1 6 e 协议中 在上下行链路中都可以选择支持a a s 技术 a a s 技术在实现时有两种方式可以采用 多波束选择的方式和自适应的方式 采用 a a s 技术可以提高系统容量 扩大系统覆盖范围 提高系统通信的可靠性 降 低运营成本等 4 帧结构 i e e e 8 0 2 1 6 e 中采用了 固定 帧与 移动 帧交织的方式使移动用户与 固定用户可以共同工作和共享媒质 帧结构晕有分成固定长度的超帧 每个超 帧包括固定子帧和移动子帧 以固定子帧的前导码起始 后面是下行链路 d o w n l i n k 的前缀及d l m a p 和u l m a p 消息的突发 在固定子帧之问插入了 移动子帧 每个移动子帧中包含其自己的d l 姒p 和u l m a p 从而实现上下行 链路的带宽划分 超帧中固定子帧和移动子帧的设置十分灵活 移动子帧的长 度是可变的 2 1 3i e e e 8 0 2 1 6 e 协议m a c 层概述 i e e e 8 0 2 1 6 e 对m a c 层也进行了改进 这罩将从总体上描述i e e e 8 0 2 1 6 e 中m a c 层新的功能特性 具体的技术细节将在下一章节中详细分析 1 测距过程 1 6 山大学颂十学位论文 i e e e 8 0 2 1 6 e 中有3 种不同的测距过程 初始测距 周期测距 切换测距 初始测距用于系统初始网络接入阶段 在m s 已经与系统建立同步之后 o f d m a 物理层在接入网络采用二进制相移键控 b p s k 调制发送1 4 4b i t 的c d m a 码