[硕士论文精品]宽带接入无线城域网pmp结构mac层性能研究

浙江工业大学硕士学位论文宽带接入无线城域网PMP结构MAC层性能研究摘要近几年最后一英里的宽带接入技术的开发如火如茶，用于给用户提供因特网接入和多媒体服务。在固定宽带无线接入系统方面，协议IEEE80216D于2004年6月正式颁布，它定义了无线城域网的空中接口。IEEE80216D协议定义了固定接入的SS和BS之间的空中接口。其MAC层采用面向连接的传输机制，使用授予请求的调度机制支持具有不同QOS参数的业务。为了提供更多的灵活性，80216D并未给出对QOS支持、调度机制等关键技术的具体实现方案。本文对IEEE80216D协议MAC层进行了较为详细地分析，主要研究了PMP网络结构MAC控制性能，包括协议模型、MAC层基本工作原理，MACPDU的构造及传输。同时使用OPNET网络仿真软件构建了基于PMP结构的IEEE80216DMAC层仿真模型，实现了仿真软件架构、MAC层调度机制等。同时，在对碰撞退避算法的研究基础上，提出了一种改进的退避算法，通过对未来上行帧中可能出现报文数的预测，BS随时改变退避的范围，从而提高带宽利用率。最后本文给出了OPNET的仿真结果，改进的算法在数据吞吐量和平均接入时延指标上均优于原始的二进制指数退避算法。关键词无线城域网，WIMAX，IEEE80216，媒体介入控制，碰撞退避浙江工业大学硕士学位论文PERFORMANCERESEARCHOFBROADBANDACCESSPMPWMANMACLAYERABSTRACTINRECENTYEARS，SEVERALLASTMILEHIGHSPEEDTECHNOLOGIESHAVEBEENEXPLOREDTOPROVIDEINTEMETACCESSANDMULTIMEDIASERVICESTOUSERSFORFIXEDBROADBANDWIRELESSACCESSBWRASYSTEMS，IEEE80216DWASDEVELOPEDANDPUBLISHEDINJUNE2004THESTANDARDDEFINESTHEAIRINTERFACEFORWIRELESSMETROPOLITANAREANETWORKSWMANIEEESTANDARD80216DMACPROTOCOLWASDESIGNEDTOSUPPORTPOIMTOMULTIPOINTARCHITECTUREANDQOSMECHANISMSTAKINGADVANTAGEOFREQUESTGRANTM认CSCHEDULINGMECHANISMSSPECIFICALGORITHMABOUTKEYMECHANISMSINQOSANDSCHEDULINGWASNOTGIVENINTHEPROTOCOLFORPROVIDINGMOREFLEXIBILITYTOMANUFACTURERSINTHISTHESISIEEE80216DMACLAYERPROTOCOLWASANALYZEDINDETAIL，INCLUDINGPROTOCOLMODEL，CONSTRUCTIONANDTRANSMISSIONOFMACPDU，MACLAYERELEMENTARYCHARACTERISTICTHETHESISESTABLISHEDASOILMODELFORFIXEDACCESSINGPWA嗄ANTOSIMULATEMACPERFORMANCEANIMPROVEDBACKOFFALGORITHMWASALSOPROPOSEDINTHISALGORITHM，BYPREDICTINGTHENUMBEROFREQUESTMESSAGESINNEXTUPLINKFRAME，BSCONTROLLEDTHEOPTIMALBACKOFFRANGESDYNAMICALLYASARESULT，THESUCCESSFULRATEOFSENDINGREQUESTEDMESSAGESINEACHFRAMEWASINCREASEDSIMULATIONRESULTSDEMONSTRMEDTHATIMPROVEDALGORITHMMADEANOBVIOUSIMPROVEMENTINDATATHROUGHPUTANDTHEMEANACCESSDELAYCOMPAREDWITHTHEORIGINALBEBALGORITHMKEYWORDSWMAN，WIMAX，IEEE80216，MAC，COLLISIONBACKOFFII浙江工业大学硕士学位论文符号说明缩略语AASADAPTIVEANTENNASYSTEMARQAUTOMATICREPEATREQUESTBEBESTEFRORTBRBANDWIDTHREQUESTBSBASESTATIONBSNBLOCKSEQUENCENUMBERBWABROADBANDWIRELESSACCESSCIDCONNECTIONIDENTIFIERCPSCOMMONPARTSUBLAYERCSCONVERGENCESUBLAYERDAMADEMANDASSIGNEDMULTIPLEACCESSDLDOWNLINKECENCRYPTIONCONTROLEKSENCRYPTIONKEYSEQUENCEFDDFREQUENCYDIVISIONDUPLEXORDUPLEXINGHTHEADERTYPEHUMANHIGHSPEEDUNLICENSEDMETROPOLITANAREANETWORKIEINFORMALTIONELEMENTLOSLINEOFSIGHTMACMEDIUMACCESSCONTROLLAYERNLOSNONLINEOFSIGHTNRTPSNONREALTIMEPOLLINGSERVICEOFDMORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEXINGOFDMAORTHOGONALFREQUENCYDIVISIONMULTIPLEACCESSPDUPROTOCOLDATAUNITPHYPHYSICALLAYERPMPPOINTTOMULTIPOINTRTPSREALTIMEPOLLINGSERVICERXRECEIVERQOSQUALITYOFSERVICEPHSPAYLOADHEADERSUPPRESSION自适应天线系统自动重传请求尽力而为带宽请求基站块序列号宽带无线接入连接标识符公共部分子层会聚子层按需分配的多址接入下行链路加密控制加密密钥序列频分双工报头类型高速非授权城域网信息元素视距媒体接入控制层非视距非实时轮询业务正交频分复用正交频分多址接入协议数据单元物理层点到多点实时轮询业务接收机、服务质量净荷报头压缩V浙江工业大学硕士学位论文PHSFPHSIPHSMPHSSPHSVSASAPSCSCASDUSFSFIDSSTDDTDMATXUIUCUGSULPAYLOADHEADERSUPPRESSIONFIELDPAYLOADHEADERSUPPRESSIONINDEXPAYLOADHEADERSUPPRESSIONMASKPAYLOADHEADERSUPPRESSIONSIZEPAYLOADHEADERSUPPRESSIONVALIDSECURITYASSOCIATIONSERVICEACCESSPOINTSINGLECARRIERSINGLECARRIERACCESSSERVICEDATAUNITSERVICEFLOWSERVICEFLOWIDENTIFIERSUBSCRIBERSTATIONTIMEDIVISIONDUPLEXORDUPLEXINGTIMEDIVISIONMULTIPLEACCESSTRANSMITTERUPLINKINTERVALUSAGECODEUNSOLICITEDGRANTSERVICEUPLINK、净荷报头压缩域净荷报头压缩指示净荷报头压缩掩码净荷报头压缩尺寸净荷报头压缩有效安全联盟服务访问点单载波单载波接入业务数据单元业务流业务流标识符用户站时分双工时分多址接入发送机上行间隔使用代码主动授权业务上行链路VI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。作者签名羡烤日期御8年年月FD曰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、不保密口。请在以上相应方框内打“作者签名导师签名羡塘劾缈日期力D8年4月I口日日期碲歹月荔珀浙江工业大学硕士学位论文11课题研究背景第一章绪论传输宽带化、业务多样化是通信发展的趋势。目前包括长途网和中继网在内的核心网已经具备了超高速和超容量的特征，接入网成为通信网相对的瓶颈。宽带接入网分为有线接入和无线接入两种方式。有线接入主要包括基于传统电话线的XDSL技术，基于有线电视网的CABLEMODEM技术、基于以太网的LAN接入技术、基于光纤技术的F邝等等。FL】理论上，全光纤接入网是最理想的解决方案，但是FTTH，FTTB对基础网络的要求过高，因此短期内在成本上没有优势，很难得到普及，并且在某些地域由于地形地势的原因也缺乏有效的有线接入手段。宽带无线接入BWA系统和CABLEMODEM，XDSL相比容量高，和光纤相比部署迅速、组网灵活迅速、升级维护方便，向来是宽带接入技术的热点。MMDS，LMDS，WLAN，UWB，WMAN，HSDPA，EVDO，SCDMA等无线宽带技术应用层出不穷，对社会经济可持续发展发挥了巨大作用，已被社会各界认可和重视。111WIMAX的发展历史以无线城域网WMAN，WIRELESSMETROPOLITANAREANETWORKS技术为代表的BWA技术是从20世纪90年代开始快速发展起来的，但在很长时间里没有形成标准。为了促进标准的形成，几家世界知名企业于2001年4月发起成立了WIMAX论坛11131。WIMAX全称为WORLDWIDEINTEROPERABILITYFORMICROWAVEACCESS，即全球微波接入互操作性，它是WMAN及IEEE80216系列标准的代名词。该论坛旨在对基于IEEE80216标准和ETSIHIPERMAN标准的宽带无线接入产品进行一致性和互操作性认证，加快符合IEEE80216技术标准的宽带无线接入设备的上市速度，力争在世界范围推广WMAN。WIMAX技术是一种面向WMAN的宽带无线接入技术，是针对微波频段提出的一种新的空中接口标准，它可以将WLAN系列的无线接入热点连接到互联网，也可连接家庭和公司等环境至有线骨干线路。WIMAX技术的优势在于集成了WIFI无线接入技术的移动性与灵活性，以及DSL和CABLEMODEM等基于线缆的传统宽带接入技术的高带宽特性和相对理想的QOS服务质量，作为最后一公里的无线宽带的接入技术。WIMAX的成员中主要由芯片制造商、设备制造商和电信运营商组成，截至2007年5月28日，成员已经超过共440家14J，并仍在不断壮大。其中有INTEL、富士通、诺基亚、索爱、朗讯、北电、思科、西门子、三星、LG、AIRSPANNETWORKS、ALVARION、APERTONETWORKS、ENSEMBLECOMMUNICATIONS、OFDMFORUM等诸多重量级制造商，也不乏英国电信、法国电信、德国电信、QWEST通信公司、RELIANCE电浙江工业大学硕士学位论文信等大型的运营商。国内的中国电信、中国网通、联想集团、烽火集团、展讯公司、北交大等也都加入了此组织。大公司的加入，加速了WIMAX设备的开发和商用进程。112WMAN的标准现状WIFI之前WLAN就有20多年历史，但只有在WIFI形成标准后WLAN才发展起来。而前几年的热点技术如本地多点分配业务LMDS系统和多点多信道分配系统MMDS都曾经是非常热门的，但是实际上后来他们生存情况并不理想，这些技术没有被市场广泛接纳的一个主要原因是没有统一的标准。WIFI的历史表明，统一标准有助于技术成本的下降，同时促成不同制造商设备之间的互操作性。IEEE80216又称为IEEEWIRELESSMAN空中接121标准15】，它对266GHZ频率范围内无线接入系统的底层标准包括物理层和媒体接入控制层做出规范，并分析了系统共存性背景，给出了系统的设计、配置和频率使用解决方案。由于它所规定的无线接入系统覆盖范围可达50KM，因此80216系统主要应用于城域网范围，以解决高速接入家庭和企业的“最后一英里”问题。16171IEEE80216标准委员会于1999年7月开始公开讨论全球统一的无线宽带城域网接入标准，到目前为止已经建立了包括80216，80216A，80216C，80216D，80216E，802。16卿80216K的一系列标准，各标准相对应的技术领域如表L。1所示。根据使用频段高低的不同，80216系统可分为应用于视距和非视距两种，其中使用21IGHZ频段的系统应用于非视距范围，而使用1066GHZ频段的系统应用于视距范围。根据是否支持移动特性，IEEE80216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8021680216A,80216D属于固定无线接入空中接口标准，而80216E属于移动宽带无线接入空中接口标准。表11IEEE80216系列标准及其应用领域标准号相应的技术领域IEEE80216IEEE80216AIEEE80216CIEEE80216DIEEE80216EIEEE80216FIEEE802169IEEE80216HIEEE80216IIEEE80216K1066GHZ固定宽带无线接入系统空中接口211GHZ固定宽带接入系统空中接口1066GHZ固定宽带接入系统的兼容性266GHZ固定宽带接入系统空中接口26GHZ固定和移动宽带无线接入系统空中接口管理信息库固定宽带无线接入系统空中接口管理信息库MIB要求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业余频带上运作的无线网络系统宽带无线接入系统空中接121移动管理信息库MIB要求局域和城域网MAC网桥，IEEE80216的桥接2浙江工业大学硕士学位论文2001年12月发布的80216对使用1066GHZ频段的固定宽带无线接入系统的空中接口物理层和MAC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。2003年1月发布的80216C是对80216的增补文件，使用1066GHZ频段80216系统的兼容性标准，它详细规定了1066GHZ频段80216系统在实现上的一系列特性和功能。2003年4月发布的80216A对802。16进行了扩展，对使用211GHZ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MAC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50KM，通常小区半径为610KM。另外，80216AMMAC层提供QOS保证机制，可支持语音和视频等实时性业务。这些特点使得80216A与80216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。2004年6月发布的80216D是80216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。80216D对266GHZ频段的空中接口物理层和MAC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MAC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，仍属于固定宽带无线接入规范。它保持了80216、80216A等标准中的所有模式和主要特性，增加或修改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80216E，80216D增加了部分功能以支持用户的移动性。本文研究的对象就是符合80216D的固定接入的无线城域网2005年12月发布的80216F定义了80216系统MAC层和物理层的管理信息库MIB以及相关的管理流程。2006年1月发布的80216E是80216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26GHZ适于移动性的许可频段，可支持用户站以车辆速度移动，同时80216A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。2007年8月发布的80216K定义了局域和城域网MAC网桥，IEEE80216的桥接功能，加强了对无限局域网的兼容性。另外，802169、80216H、80216I仍在制定中。除TIEEE802委员会之外，还有许多的标准化组织进行宽带无线接入的标准化工作，他们的开发成果极有可能于IEEE80216标准相融合。113产业发展现状在硬件设备方面，继WAVESM发布了世界上第一款符合IEEE80216D标准的WIMAX芯片DM256片之后，富士通也推出了符合IEEE80216D标准高集成度浙江工业大学硕士学位论文WIMAX系统芯片MB87M3400。TI公司则针对25GHZ、35GHZ和58GHZ频段推出了3种系列支持IEEES0216DE的射频芯片组TRFL12X、TRFL22X、TRF243X。MAXIM也推出首款投入批量生产的单芯片WIMAXRF收发器MAX2838。全球最大的芯片制造商INTEL推出的基于IEEE80216D标准的产品一PROWIRE21ESS5116宽带接EL设备已在全球范围内进行了广泛试用。微软已携手ATT以及其它一些大公司开始极力推广基于WIMAX技术的无线服务。前不久，TI又宣布推出通过WIMAX论坛80216E第一波认证WIMAXFORUM80216EWAVELCERTIFICATION的软件库，从而促进了WIMAX基础局端解决方案在深度与广度上的发展。目前一些测试用或试运行的WIMAX系统已经建立起来。例如英国电信，目前已经在4个市郊测试WIMAX技术。英国宽带网服务公司于2006年初试提供WIMAX无线新技术服务，若此技术服务试运行进展顺利，英国将成为世界上第一批采用WIMAX无线新技术的国家之一。2006年初英特尔公司工作在沙特首都利雅德的雇员都开始使用基于35GHZ频率的固定WIMAX网络基础构架，这一网络将由ITC公司提供。近期INTEL和NDS欧洲付费数字电视公司发布了一个基于固定WIMAX技术的试验系统以展示电视及视频业务。二者致力于向服务提供商和整个业界示范，如何利用付费电视展示WIMAX将比宽带接入服务提供更多的内容。在国内，WIMAX的发展势头也非常迅猛。WIMAX论坛在北京、上海、成都等地已经开展过巡展。而作为中国首家加入WIMAX组织的通信设备制造商中兴通讯与富士通宣布联手推广富士通得到WI脚技术认证的设备，这些设备是基于富士通MB87M3400芯片制造的，两家公司将合作开发符合80216D标准的WIMAX发射基站及用户接入点设备，并合作完成中兴公司WIMAX系统的设计制造和调试使用的全过程。华为和英特尔也宣布，双方将合作建设支持新型IEEE80216标准和规范的电信级无线宽带网络。1。14应用前景目前WIMAX可以提供的典型业务有一移动语音VOIP提供高质量的基于IP的语音业务；结合MOBILEIP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、GPSJ艮务等。WIMAX的终端一般为个人移动设备。未来可能的主要个人用户是商务人士、移动娱乐潮流者等。当然，WIMAX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MAC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4浙江工业大学硕士学位论文要RWG和GRWG协调工作才可实现全球漫游，目前各个国家可用的频率不一致。【81WIMAX的首次商业应用可能在机场，其中包括更新旅客名单、飞行计划和飞行中的娱乐文件。这种称为GATESYNC拘WIMAX技术硬件由位于法国CEDEX的、源于前汤姆逊CSF的THALESAVIONICS公司制造，其软件由位于加州圣地亚哥的PROXIMETRY公司提供，而波束可调相控阵天线由位于内华达州里诺的PINYONTECHNOLOGIES公司提供。WIMAX能够更好地处理多径干扰且上载速度更快。GATESYNC目前处于原型阶段，后续测试将在若干美国机场进行。美国联邦委员会FCC对其射频设备的认证预计在今年年底进行。12WIMAX技术特点作为无线城域网技术，WI能够有巨大的发展潜力及广泛的应用前景与它在技术上的特点和优势是分不开的。WIMAX的技术优势体现在很多方面。首先，它能提供高速率的宽带接入以及更远的覆盖距离。WIMAX的基站可以提供最高每扇区75MBITS的接入速率，并且每个基站的覆盖范围可达50公里，较为典型的基站覆盖距离为610公里I讲，这样只需建设少量的基站就可以实现全城范围的覆盖。另外，在网络结构方面，可以支持点到多点PMP结构和MESH结构，前者在IEEE802162001标准中就提出了，后者是在IEEE80216A中提出的。这样在骨干网络覆盖不到的区域，可以采用WIMAX网状网覆盖，以灵活地扩展接入网的结构。在物理层，可以根据实际情况灵活选择多种调制方式，包括单载波、OFDM和OFDMA，OFDM技术能有效的降低多径衰落的影响。并且随着传输信道状态发生变化，为了保证传输质量，载波调制方式以及一些物理层的参数都可以进行动态的调整，十分灵活。MAC层的一个重要特点在于它是面向连接的，可以提供服务质量保证。不同的业务类型具有不同的服务质量参数，可以通过灵活的机制保障各种业务的服务质量。10L13论文安排本课题主要对基于IEEES0216D协议的PMP结构WMAN进行MAC层性能理论研究，包括媒质接入控制与数据传输ARQ控制、上行业务流的调度的分析等等。工作主要包括一1查阅、分析了IEEES0216的资料，尤其对其协议进行详细分析研究；2查阅其他的无线接入技术的MAC传输机制资料。3熟悉使用OPNET软件，构建基于OPNET的WMAN仿真模型；4对碰撞解决机制作研究，提出了一种对二进制指数退避算法的改进算法，并在仿真模型上进行仿真。5浙江工业大学硕士学位论文本论文内容共分五章，安排如下第一章介绍了WIMAX的发展历史、标准体系的历史和现状、国内外产业发展现状及应用前景进行了详细说明，最后给出了本文的总体安排。第二章详细分析了WMAN的系统架构和MAC层的基本工作原理。在80216D协议参考模型的基础上，分析无线城域网的系统架构，特别是面向业务的汇聚子层与公共部分子层的基本工作原理。第三章对IEEE80216D协议MAC的QOS机制进行分析，特别是调度算法和带宽分配请求机制。第四章对冲突退避算法作研究，改进二进制指数退避算法，提出了种适用于80216系统的退避控制算法。用OPNET软件建立MAC层的仿真模型，并进行仿真，最后对仿真结果作比较和分析。第五章对论文的全部工作进行了总结，讨论了今后需深入研究的有关项目的可能性和必要性，指出了下一步研究探索的方向。6浙江丁业大学硕士学位论文第二章无线城域网MAC层基本工作原理21无线城域网系统架构211无线城域网参考模型根据IEEE80216协议，无线城域网的参考模型如图21所示。51该模型分别定义了媒体接入控制层MAC和物理层PHY。I，、。L一L“IL面向业务的会聚子层L管理实体|L喽CS一R面向业务的会聚子层LL，蒴一MACSAP卜一ELSESTARTIJENDIL】一SI一1】；IFSTARTINIENDILSTARTILREST_OPPORTUNITY；ELSEENDI2STARTINI；为了实现上述算法，并且与协议中规定的BEB算法兼容，要对UCD和ULMAP消息内容做如下改动。首先，利用UCD管理报文QBREQUESTBACKOFFSTART和REQUESTBACKOFFEND两个8BITS的字段中最高位来区分是采用BEB算法还是采用本算法。当最高比特位为“0时，表示采用BEB算法；当为“L”时，表示采用本算法。T由于描述每个上行帧中时隙使用规则的ULMAP消息的发送周期是以上行帧长为单位的，因此利用其描述信息单元INFORMATIONELEMENT，RE的保留字段来传递每帧中SS的退避范围。在标准的ULMAPIE格式里，如果4BITS的上行间隔使用代码UPLINKINTERVALUSAGECODE，UIUC等于0，表示描述该IE的CID和OFFSET字段当物理层为OFDMA时除外是保留的5L。可以利用16BITS的CID字段来传递退避范围的上界，利用12BITS的OFFSET字段来传递退避范围的下界。浙江工业大学硕士学位论文O1516192031GENERICMACHEADERMANAGEMENTMESSAGETYPE23UPLINKCHANNELIDUCDCOUNTNUMBEROFULMAPELEMENTSNALLOCATIONSTARTTIMECIDENDIUIUCOOFFSETSTARTLI二二丁图42修改后的ULMAP消息格式图42是修改后的ULMAP消息格式。这样，可描述的范围至少可达2124096个MINISLOT，这在实际环境中显然已经足够了。另外，由于同一扇区内的SS的数量总是有限的，并且协议规定SS发送请求报文以后在没收到确认时是不能继续发送请求消息的，因此计算退避范围时，其上界和下界不会无限增大，它们只会随激活的SS的数量在某一范围内波动。43仿真平台及参数仿真采用的软件工具为OPNET100A。241TZSL261271281本设计建立了一个PMP结构的仿真场景。F29】仿真参数如表41所示。表41部分仿真参数仿真参数取值场景半径BS数量帧长为10MS时选取的SS数量帧长为20MS时选取的SS数量，双工复用方式合计上行数据传输速率下行数据传输速率传播延迟二进制退避算法最大退避参数窗口范围10公里LLO、15、25、30、40、50、60、8010、20、40、60、80、100、120TDD15MBPS15MBPS333GSECONF23L10O一1023在仿真中，定义一个带宽请求报文的长度Y了12SBYTES，为了使一个MINISLOT恰好代表一个传输机会，正好能传输一个带宽请求报文，一个MINISLOT所描述的时间长度被定义为2001XS。分别仿真上行TDMA帧长为10RES和20MS时的两种场景。仿真时长为120秒，二迸制指数退避算法中的最大退避窗口值都设为LO，亦即窗口范围浙江工业大学硕士学位论文为01023。仿真实验对二进制指数退避算法一共比较了5种不同起始退避窗口值的性能。网络结构如图43所示，选用长宽都是10公里的CAMPUS场景。网络结构是PMP，BS和SS都是固定不动的。场景内有1个BS，假设每个BS扇区数为1，每扇区1个信道。在不同帧长的仿真过程中，分别设置不同数量的SS。各SSNBS的距离都完全相等。图43是10个SS时的场景。图43网络模型此时SS数量为10BS与SS的节点模型分别如图44、图45所示。其中的SOURCE模块为信号源，产生各种业务流。这里采用的业务为语音和数据流。SINK模块为信宿，接收分组。MAC模块接受到分组后都要送往此模块。可以看成是上层实体的简化。80216DBSMAC模块为BS的MAC层模型，提供核心的MAC接入功能，符合80216D协议。37浙江工业大学硕士学位论文RT，RR模块为无线收发器，分别完成分组数据帧的发送和接收功能。发送和接收都采用FIFO机制。模块间的实线代表数据流，表示实际分组数据在模块间的传输。模块间的虚线代表统计信息流，表示状态信息在模块间传输。图44BS节点模型图45SS节点模型BSMAC的进程模型如图46所示浙江工业大学硕士学位论文图46BS的MAC进程模型80216BSMACSSMAC的进程模型如图4。7所示图47SS进程模型80216SSMAC因为网络中各节点都是固定的，所以其中的测距模块只给了固定距离44仿真结果与分析仿真主要比较改进的退避控制算法与二进制指数退避算法性能的差异。所有OPNET结果数据均导入至LJMATLAB中作图。首先，图48显示的是上行帧长为10MS时，改进的退避控制算法与不同起始退避窗口下的BEB算法的MAC层数据吞吐量的比较。39浙江工业大学硕士学位论文UPL蛐FRMELENGTHIOMS图48上行帧长为10MS时MAC层数据吞吐性能从图48中可以看到，当上行帧长为10MS时，BEB算法中初始退避窗口为6时吞吐量在各种SS数量时都能保持比其他四种BEB情况高。注意到图中，除了SS数量较少10和15时，初始退避窗口为5的吞吐量小于初始退避窗口为7以外，其他各个SS数量情况下，吞吐量性能从好到差的排列总是6、7、5、8、4。由此可见，BEB算法的各初始退避窗口值的吞吐量性能差别对SS数量并不是很敏感。而使用改进的退避控制算法时可以获得比BEB算法更好的吞吐性能。在SS数量较少，亦即是负载较轻的时候，改进的退避控制算法的MAC数据吞吐量与起始退避为5和6的BEB算法相近；当SS数量进一步增大，起始退避为6的BEB算法数据吞吐量高于其他起始退避窗口值。随着SS数量增加，起始退避窗口值为6的BEB算法的数据吞吐量保持高于其F电4种起始退避窗口值的数据吞吐。而改进的退避控制算法始终使MAC层数据吞吐量高于BEB算法。当SS数量大于50时负载较重，改进的退避控制算法的数据吞吐量稳定在一个较高值附近。这时，改进的退避控制算法与起始退避窗口为6的BEB算法的吞吐性能差距不大，因为此时它们都已接近系统上行的吞吐量饱和。G誊Y舄AV藿言仑F浙江工业大学硕士学位论文UPLINKFRAMELENG“IH10MS80R一一一一一一一一一一一一R一一一一一一一I一一一一一一R一一一一一一一广一一一一一R一一一一50J一；一I一一E差4。；一一一一一一J一一一一一一；一一一一一一一一一L墨G30一一一一一一J一一一一一一一L一一一一一一一I一一已一0一著一弓R一_一一一占一一一；F一啧R喘12030405070即NUMBEROFSS图49上行帧长为10MS时SS平均接入时延LM研D俐ALGORITHMBEBSTALL4BEBSTART5BEBSTAD6BEBSTAD78EBSTAD8图49显示的是上行帧长为10MS时，改进的退避控制算法和BEB算法下的SS平均接入延迟的比较。其中，SS的平均接入延迟定义为SS发送一个带宽请求报文到成功接收BS对该请求报文的确认信息所花费的平均时间。平均接入延迟反映了SS冲突解决过程的快慢程度。该延迟主要受SS重传次数以及退避值大小的影响。从图49中可以看到，起始退避值为8时，由于退避范围较大，SS发送碰撞的概率较小，因此其平均接入延迟也较小；但退避范围过大，造成大量传输机会浪费，从而导致起始退避值为8时的MAC层数据吞吐量很低。起始退避窗口值为4时，由于退避范围较小，使得带宽请求报文碰撞的概率加大，从而增加了SS重传的次数，造成SS的平均接入延迟加大。而改进的退避控制算法中由于每帧的传输机会利用率大，带宽请求报文重传的次数和数量较少，使得该算法控制下的SS的平均接入延迟明显小于BEB算法控制下的平均接入延迟。从图49中还可以看到，当SS数量较多时，改进的退避控制算法的平均接入延迟比BEB算法减少量相当了10左右。浙江工业大学硕士学位论文UPL小KFRAMELNGIH20MS1400R一一I一一1一一1一一T一一一T1IJ，一一I一七一一1IT一一1L，IL猢一一I一_一J一一上RI，1000L一I一一牟一一；，；一二。一一I，7品一，；IL8一L，IJ一一L600P一一一一一一一一I一一一一一一柏O一一一一一一J一；一一LL2000L一J一一一一右苦R一一一一一南一一一一一1南NUMBEROFSS图410上行帧长为20MS时MAC层数据吞吐性能UPUNKFRAMELENGTH20RRM一100。一一一一2L0一一右一亩一占NURRVROFSSJ一一J10020图411上行帧长为20MS时SS平均接入时延INMDO啪MBEBSTAD4BEBSTART5BEBSTATL6BEBSTALTS7BEBSTAD8IMP口喇GODTHMBEBSILT4BEBSLAT5BEBSTART6BEBSTIT7BEBSTART842_R_T_TL，_LI一一一一一一一一一一一一一一一I一一一一一一一一一一一一1IL一。J。一一譬暑譬I譬D_ND吞J2LU1_一一一一一一，一一一一一，一一，11荦一一，一一，一一1R一一一一一一一一1；I一一一一一一一，一一一一一一一一一1LI，一一_一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一R广一一一一一一一一一一一一一一一一IR阳，11，L_TLQ，J一一一一一一一一一，一一一一L一一一，一一一一一一YI一。；I广II一一一一，一一一一一，一_一一一一一一一一一一一，一一，一，一一|一一、T一I0I彳I一一，一一一一一一一一一一一一一一_一一一_一L_一一一一一一_一_，一I身IC一一一一一一一一一，一一，一一一一一一一一，一一，一，一一一二_一，_一一，IIJP1一辛一一一一II一，一一一一一一一、L一1I一一一一一，一一，一，_一、|，一一一一，IJL。蕾卜；I0专一一_一_一一一一一_，一一一一一一一_一一一一一一一一一一一_一一一一L；，ILL，I，KP，I譬V宣古蓉L。V写墨浙江工业大学硕士学位论文图410和图4115“别显示了上行帧长为20MS时的系统MAC层数据吞吐性能和SS的平均接入延迟性能。从这两幅图中我们可以看到，改进的退避控制算法在帧长为200MS时仍能获得优于BEB算法的吞吐及延迟性能，且其延迟性能改进最高达30左右在SS数量为40时。对于BEB算法而言，起始退避窗口值为7和8时的系统性能好于其它几种起始退避窗口值的性能，但在图48中我们看到起始退避窗口值为6时有更好的系统性能。这说明BEB算法的性能对上行TDMA帧的长度较敏感。综合图48一图411，可以发现改进的退避控制算法受上行TDMA帧的长度以及网络中SS数量的影响很小，始终能获得最好的吞吐性能和延迟性能。本章小结本章用OPNET软件建立了一个MAC层的仿真模型，同时对冲突退避算法作了一定研究，在二进制指数推避算法的基础上作了改进，提出了一种适用于80216系统的改进的退避控制算法，并在OPNET模型上进行了仿真。仿真结果表明，这种算法相对于BEB算法，可以减少上行TDMA帧长度以及网络中SS数量对吞吐性能和延迟性能的影响。43浙江工业大学硕士学位论文第五章总结与展望51总结本课题在WINDOWSXP环境下，对基于IEEE80216D协议的PMP结构WMANMAC层的性能进行了研究。由于以前没有研究基础，一切从零开始的，因此在熟悉80216协议和学习使用OPNET软件上花费了较多时间。经过对IEEE80216D网络MAC层基本工作原理和QOS保证机制的详细分析，搭建好了一定的系统架构和数据结构，后续的研究可以继续在本模型的基础上快速开展。IEEE80216的上行MAC层采用TDMA的接入方式，同一扇区内的所有SS共享一个上行信道资源，它们之间存在碰撞与冲突。为了解决SS之间的冲突，本文通过对碰撞冲突解决机制的研究，针对SS在碰撞以后的冲突解决过程提出了一种快速有效的改进退避控制算法。在该算法中，BS通过预测下一上行帧中将会出现的带宽请求报文数，来动态有效地控制SS的退避范围，提高MAC层数据吞吐和降低SS的平均接入延迟。利用OPNET软件对两种算法进行了仿真比较。通过比较仿真结果发现BEB算法的不同起始退避窗口值对系统性能有较大影响，同一起始退避窗口值在不同负载或SS数量时不能使系统性能一直保持最优同时，BEB算法性能也受上行TDMA帧长的影响。对于改进的退避控制算法，仿真结果验证了其不受负载或SS数量及上行帧长的影响，系统性能优于BEB算法，并始终保持在较好状态。在本文提出的改进的退避控制算法中，由于BS需要对下一帧预测的报文数作处理，该算法的复杂程度相对于BEB算法要高许多，特别是当SS数量较多碰撞较多时。但是随着设备的不断进步，硬件处理速度会越来越快，系统多花的处理计算时间与其能减少的时延相对于BEB算法相比是很小的。52对以后研究工作的建议本课题所建立的模型只局限在PMP结构中单个BS对应多SS的情况下，MAC层中的CS和CPS子层做了建模，未将安全子层的加密机制以及物理层的调制方式以及信道影响考虑在内，今后可对此模型作完善和丰富。并且可以考虑建立不同场景的多BS的大型网络模型对于本文提出的改进的退避控制算法，其中对下一帧的预测是利用当前帧中统计到的请求报文数。这是出于简化仿真复杂程度的考虑。今后可以对预测报文数的算法做进一步研究，比如使用前有限帧统计到的请求报文数通过一定算法得浙江工业大学硕士学位论文到下一帧的预测值。此外，对于IEEE80216D协议本身在以下几个方面值得深入研究PUJ1接入控制。SS接收到上层新的SF时，将向BS提出创建新SF的申请。SF创建的申请由BS的接入控制模块来处理。一条新的SF能够被接收，只有当BS有足够的资源能同时支持这条新的连接和已存在的连接。通常下面三方面资源是必须要考虑的带宽资源、时间资源、内存资源。带宽资源决定了数据能否获得传输，时间资源决定了数据能否迅速地获得传输，内存资源决定了在等待传送机会或需重传时数据能否有足够的空间缓存。这三方面的资源决定了数据传输的吞吐量、延时和丢包率。根据SF的QOS要求和当前资源状况，BS将决定是否接入该SF。不同调度服务都有不同的特征，因此应对不同的调度服务提供不同的接入算法。接入算法的优劣直接影响到整个系统的吞吐量。2动态链路调制。实际的无线链路情况十分恶劣，包括大尺度衰落和小尺度衰落，信道的变化具有很大的随机性。根据信道的优劣程度，动态地调整链路调制方式和纠错方式能够在固定误码率条件下保证最大传输率。80216D中提出了动态链路调制，通过管理消息传递信道信息和调制方法。动态链路调制的算法根据信道状况选择调制编码方式，它也是值得深入研究的课题，较好的动态链路算法能够同时保证较低的误码率和较高的传输率。45浙江工业大学硕士学位论文参考文献【L】吴伟陵，牛凯移动通信原理【M】北京电子工业出版社，2005【2】WIMAX中国Z】HTTPWWWWIMAXCOMCN【3】WIMAX论坛【Z】HTTPLLWWWWIMAXFORUMORG【4】WIMAX论坛成员数已超440家Z】HTTPTECHSINACOMONIF2007052809091530731SHTML，2007528，【5】IEEESTD802162004，IEEESTANDARDFORLOCALANDMETROPOLITANAREANETWORKSPART16AIRINTERFACEFORFIXEDBROADBANDWIRELESSACCESSSYSTEMSS】【6】汪坤，李巍，李莉莉宽带无线接入WIMAX【J】电信网技术，2005，359627】王彬，吕登，马凤国IEEE80216和WIMAX的组网技术【J】中兴通讯技术，2006，1222126【8】褚永胜，占亿民，夏卉下一代网络中的技术融合【J】有线电视技术，2006年，第L期2733【9】杜崇友解析WIMAX网络【J】移动通信，2005年，第7期，384L【10】张金文80216宽带无线城域网技术FM】北京电子工业出版社，2006【11】曾春亮，张宁，王旭莹、俞一鸣WIMAX80216原理与应用【M】北京