毕业设计（论文）基于IEEE 802.16 QoS机制的接入控制策略的研究

1、摘要摘要 随着通信技术的迅猛发展，无线接入技术正呈现宽带化和 ip 化的趋势。而 不久前才成为 3g 通信标准的 ieee 802.16 协议，以其自身所具有的有竞争力的 优势，越来越成为业界关注的焦点。随着各种多媒体业务的不断出现，而这些不 同的业务在带宽、延迟等方面的要求也互不相同，对这些不同业务提供具有 qos 保证的服务，已经成为了非常重要的具有挑战性的问题。 ieee 802.16 协议主要涉及物理层和 mac 的工作原理，虽然 mac 层对 qos 机制的架构，信令交互体系，业务流的分类和管理，带宽的请求分配机制都进行 了较为完整的定义，但却把参数映射，流量调节，调度算法，接入控制

2、算法等问 题留给了开发者解决。 接入控制是 qos 保证的重要机制，它的主要任务就是对一个新的业务连接 请求，根据新业务的类型，qos 要求，带宽请求和当前的网络资源状况，判决是 否接纳该连接。由于无线通信信道带宽资源的限制，很难同时保证 qos 和接纳 尽可能多的连接，只好在两者间寻找平衡点。如果网络资源已经无法满足新到达 业务的要求，可以通过对已接纳的连接进行降级，释放部分资源以满足尽可能多 的业务接入网络，但经降级的业务仍需要保证其最基本的 qos 要求。同时对不 同类型的业务进行优先级的区分，并采用不同的接入控制策略，充分兼顾不同业 务的 qos 要求。 本文首先介绍 802.16 协

3、议的产生背景和发展过程，接着分析其协议模型，主 要是分析网络架构，物理层和 mac 层，再对 qos 机制的架构，业务流分类，带 宽分配和调度机制进行研究，然后重点研究接入控制机制和算法，并通过 matlab 对算法进行仿真和分析。 关键字：关键字：ieee 802.16；物理层；mac 层；qos；接入控制。 abstract with the development of communication, the wireless access technology tend to be broad band and ip. and the ieee 802.16 which is the s

4、tandard of 3g, have become the focus of the industry for its advantage. as many kinds of multimedia service appear, and the requirements of these services are different, provide qos guarantee for the different service have become the important and challenged task. although the mac layer of ieee 802.

5、16 have defined the structure of the qos mechanism、interoperability system of signal、classify and management of the service and the distribution of bandwidth, it leave the parameter mapping、flow adjusting、scheduling arithmetic and access control arithmetic to the developer. cac(call access control)

6、is the important mechanism of qos, its main task is to judging whether accept a new connection requirement, according to the type of the connection、requirement of qos、requirement of bandwidth and the condition of network resource. because of the restrict of bandwidth resource, it have to find a bala

7、nce point between assure the qos requirement and accept more connection. it allow to degrade the level of the connection so as to release some resource to accept more connection, but the basic qos of the degraded connection must be satisfied. and also set the priority for the different service and a

8、dopt different strategy of cac. in the paper, the backgroud and development of 802.16 protocol will be introduced first, and then analyze the protocol mainly about the physical layer and mac layer, following research the qos mechanism, finally research the arithmetic of cac and simulate the arithmet

9、ic by using matlab. key word： ieee 802.16；physical layer；mac layer；qos；access control. 目目 录录 第一章 绪论 .1 1.1 论文背景.1 1.2 论文研究的主要内容.2 1.3 论文的结构安排.2 第二章 ieee 802.16 体系结构.3 2.1 网络拓扑结构.3 2.1.1 pmp 拓扑结构 .3 2.1.2 mesh 拓扑结构 .3 2.2 ieee 802.16 协议模型.4 2.3 物理层.5 2.4 mac 层.7 2.4.1 汇聚子层（cs） .7 2.4.2 公共部分子层（cps）.7

10、2.4.3 安全子层 .8 第三章 mac 层 qos 机制.9 3.1 业务流.9 3.1.1 业务流的分类 .9 3.1.2 业务流的管理 .10 3.2 带宽请求与分配.11 3.2.1 带宽请求 .11 3.2.2 轮询 .11 3.2.3 带宽分配 .12 3.3 qos 架构和调度策略.12 3.3.1 qos 架构.12 3.3.2 业务调度策略 .13 第四章 接入控制机制 .16 4.1 接入控制的研究方向.16 4.2 接入控制算法的研究.17 4.2.1 基于门限的接入控制 .17 4.2.2 基于公平性的接入控制 .19 4.3 仿真与结果分析.20 第五章 总结 .2

11、5 参考文献 .26 致 谢 .27 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 论文背景论文背景 为了高速连接“最后一公里” ，ieee 从 2002 年开始推出 802.16 系列的宽带 无线城域网（bwaman）技术标准。 ieee 802.16 是 ieee 802 lan/man 的一个工作组，该工作组的主要任务是 制定宽带无线接入网的物理层（phy）和媒体接入层（mac）的标准。标准涵 盖 266ghz 的许可带宽和免许可带宽1。 ieee 802.16 标准于 2002 年正式颁布。对使用 1066ghz 频段的固定宽带无 线接入系统进行规范，由于工作频段较高，只能用于视距传输，市场应

12、用受到限 制。经进一步完善，2003 年又发布了 ieee 802.16a，引入了新的物理层技术，如 利用 ofdm 来抵抗多径效应，工作频段也扩展到 211ghz 的许可频段和非许可 频段以支持非视距传输，真正成为可用于城域网的无线接入手段。 2004 年发布了 ieee 802.16d 标准，是相对比较成熟且最具有实用性的版本。 它对 266ghz 频段的空中接口做了详细规定，定义了支持多种业务类型的固定 宽带无线接入系统的 mac 层和对应的多个物理层。 2005 年的 ieee 802.16e 标准增加了对移动性的支持，规定可同时支持固定 和移动宽带无线接入，工作在 6ghz 以下适合

13、于移动性的许可频段，支持用户站 以车载速度移动。802.16e 的 mac 层增加了支持移动切换的功能，如休眠期、小 区搜索与同步、小区选择及切换，同时物理层 ofdma 方式进行了扩展。 wimax (worldwide interoperability for microwave access，全球微波接入互 操作)是 ieee 802.16 技术在市场推广方面采用的名称，目的是致力于制定一套基 于 ieee 802.16 的测试规范和认证体系，提供一种在城域网点对多点的多厂商环 境下可有效互操作的宽带无线接入手段1。 wimax 论坛由众多业界领先的通信设备制造商和运营商组成，wimax

14、 论 坛旨在推广 ieee 802.16 技术的应用和发展，并对设备的兼容性和互操作性做统 一的认证以保证系统互联，方便运营商部署。目前业界所指的 wimax 技术实际 上就是 ieee 802.16 技术，涵盖了 ieee 802.16d 和 ieee 802.16e。 在移动通信系统中，有效地提高频谱资源利用率一直是研究的热点，无线资 源管理的目标是在有限带宽的条件下，为用户提供服务质量保障，其基本出发点 是在业务量分布不均匀、信道特性因衰弱和干扰而起伏等情况下，灵活分配和动 态调整无线传输和网络的资源，最大程度地提高无线频谱利用率，防止网络拥塞 和保持尽可能小的信令负荷。无线资源管理的研

15、究内容主要包括以下几个部分： 功率控制、信道分配、调度技术、切换技术、呼叫接入控制、端到端的 qos、无 线资源预留和自适应编码调制等。 1.21.2 论文研究的主要内容论文研究的主要内容 ieee 802.16 虽然定义了较为完整的 qos 机制，但对于呼叫接入控制等内容 却没有给出具体的实现方法，而是留给了开发者去实现。 呼叫接入控制（cac，call access control）是指对一个连接请求，根据其业 务类型、qos 要求和网络资源，决定是否接纳这个新连接。cac 就是要在保障 已接纳连接的 qos 与接纳尽可能多的新连接之间寻求平衡点8。 由于 ieee 802.16 支持多种

16、业务，包括话音、视频和数据，早期的 cac 策略 已经远远不能满足需求了，在“最后一公里”接入网络中，接入带宽成为制约高 速上网和宽带业务的主要瓶颈。因此在有限带宽资源下，如何对业务进行接入控 制成为关键问题之一。 接入控制的主要任务有两点：一是保证接入用户的 qos，当网络资源足以支 持接入业务的 qos 时，允许该用户接入；二是保证激活业务的 qos 不被新接入 的用户业务破坏。 本文主要研究 mac 层的 qos 保证机制，重点研究接入控制算法，接入控制 主要解决以下问题：如何保证多业务类型接入时不同的 qos 要求；如何保证多 种业务接入的公平性，最后并对算法进行仿真。 1.31.3

17、论文的结构安排论文的结构安排 论文共分五章，结构安排如下： 第一章介绍了论文的背景，研究内容和结构安排。 第二章介绍 ieee 802.16 协议的具体内容，包括组网方式，物理层和 mac 层的研究，以及帧结构的研究。 第三章介绍 qos 相关的基础理论与技术，包括业务流的分类和管理，带宽 的申请和分配机制，并研究了 qos 的架构和调度机制。 第四章重点介绍接入控制机制，并用 matlab 对其算法进行仿真分析。 第五章进行了总结和展望。 第二章第二章 ieee 802.16 体系结构体系结构 2.12.1 网络拓扑结构网络拓扑结构 wimax 系统由 bs (base station，基站

18、) 和 ss (subscriber station，用户 站) 组成，bs 是用来管理、控制 ss 的设备，wimax 支持两种网络拓扑结构：一 种是点对多点（pmp）结构，另一种是网状（mesh）结构。 2.1.1 pmp 拓扑结构拓扑结构 pmp 的拓扑结构如图 2-1 所示。pmp 网络以 bs 为核心，采用点到多点的连 接方式。核心网通常为传统交换网或因特网。bs 扮演 sap (service access point，业务接入点)的角色，通过动态带宽分配，可以灵活选用定向天线、全向 天线以及多扇区技术满足大量 ss 接入核心网的需求1。必要时可以通过 rs (repeat sta

19、tion，中继站)扩大无线覆盖范围。 在下行方向，有一个中心 bs 和扇区天线，能同时处理多个独立的扇区。在 给定的频段和扇区，所有 ss 接收相同的的信息，检查收到的 pdu（protocol data unit，协议数据单元）中的 cid，只接收发往自己的 pdu。 在上行方向，所有 ss 按需共享上行链路。根据 ss 提供的 qos 参数，bs 在带 宽允许的情况下，根据服务类型，为 ss 分配一定的带宽。 在一个扇区内，用户必须通过一个传输协议实现媒质竞争的控制。通过主动 授权、实时和非实时轮询、竞争等机制可以保证用户对带宽及时延的需求。 2.1.2 mesh 拓扑结构拓扑结构 mes

20、h 结构如图 2-2 所示。mesh 网络是一种可选的拓扑结构，网络采用多个 bs 以网状网方式扩大覆盖区。其中，有一个 bs 作为 sap 与核心网相连，其余 bs 与该 sap 相连。因此，作为 sap 的基站既是业务的接入点又是接入的汇聚点。 在 mesh 网络中，直接提供接入核心网服务的节点被称为 mesh bs，其他的节 点都是 mesh ss。上下行链路是对于 mesh bs 和 mesh ss 定义的。 pmp 网络中，数据交换只发生在 bs 和 ss 之间；mesh 网络中，数据的传输可 能会经过其他 ss，而且数据交换可以在两个 ss 之间直接进行。 2.22.2 ieeei

21、eee 802.16802.16 协议模型协议模型 图 2-3 是 802.16 协议的参考模型。协议包括两个平面，数据控制平面和管 理平面，数据控制平面主要保证数据的正确传输，其中数据平面负责用户数据在 mac 层的处理和转发，如封装、加密、解封装等，控制面通过 bs 与 ss 之间特定 的信令交互完成系统运行的控制功能，如调度、业务流管理、接入控制等1。管 理平面中定义的管理实体与数据控制平面的功能实体对应。通过与数据控制平面 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。 数据控制平面由物理层（phy）和媒质接入控制层（mac）组成，其中，mac 层又可以分为 3 个子层

22、：特定服务汇聚子层（service specific convergence sublayer, cs） 、公共部分子层（common part sublayer, cps） 、安全子层 （security sublayer） 。 2.32.3 物理层物理层 物理层定义了两种双工方式：时分双工（tdd）和频分双工（fdd）,fdd 需要 成对的频率，tdd 则不需要，可以灵活地实现上下行带宽动态调整。两种方式都 使用突发数据传输，这种传输机制支持自适应的突发业务数据，传输参数（调制 方式、编码方式、发射功率等）可以动态调整5，但是需要 mac 层协助完成。 根据使用频段的不同，802.16 分

23、别规范了多种物理层与之相对应。 表 2-1 各物理层技术的基本特点 物理层类型使用频段 基本特点 wirelessman-sc 10-66ghz 许可频段 单载波调制，视距传输，可选信道 带宽 20mhz, 25mhz 或 28mhz，上行 采用 tdma 方式，下行采用 tdm 方 式，双工方式可采用 fdd 或 tdd。 wirelessman-sca 11 ghz 许可频段 单载波调制，非视距传输，信道带 宽不小于 1.25mhz，上行采用 tdma，下行采用 tdm 或 tdma，可选 支持自适应天线系统，arq 和空时 编码(stc)，双工方式可采用 fdd 或 tdd。 wirel

24、essman-ofdm 11 ghz 许可频段 采用 256 个子载波的 ofdm 调制， 非视距传输，可选支持 aas、arq、mesh 模式和 stc 等，双 工方式可采用 fdd 或 tdd。 wirelessman-ofdma 11 ghz 许可频段 采用 2048 个子载波的 ofdm 调制方 式，非视距传输，信道带宽不小于 1.0mhz，可选支持 aas, arq 和 stc 等，双工方式可采用 fdd 或 tdd。 wirelesshuman 11 ghz 免许可频段 采用 sca 或 ofdm 或 ofdma 调制， tdd 双工，必须支持动态频率选择 (dfs)，可选支持 a

25、as, arq, mesh 和 stc 等。 由表可看出，1066ghz 接入系统主要采用单载波调制，而 211ghz 频段则 采用 ofdm 和 ofdma 调制。由于 ofdm,ofdma 有较高的频谱利用率，在抵抗多径效 应、选择性衰落或窄带干扰上有明显的优势，同时具备非视距传输能力，因此 ofdm 和 ofdma 成为 802.16 中两种典型的物理层应用方式。 wirelessman-ofdm 基于 ofdm 调制，主要用于固定接入。ofdm 物理层支持上 行链路(ul)子信道化，在 ul 中有 16 个子信道,支持多种调制如二进制相移键控 (bpsk)、正交相移键控(qpsk)、1

26、6-qam 和 64-qam，支持下行链路的发送分集， 发送分集采用空时编码(stc)和空分多址(sdma)的自适应天线系统(aas)。 tdd 系统下的帧结构如图 2-4 所示。每帧分为 dl 子帧和 ul 子帧。 图 24 tdd 帧结构 dl 子帧包括前导、帧控制头(fch)和多个突发数据。fch 指定突发特性和紧 跟 fch 的 dl 突发长度。dl-map、ul-map、dl 信道描述符(dcd)、ul 信道描述符 (ucd)和其他描述帧内容的广播信息都在第一个突发中发送，其余数据突发发给 各个 ss。每个数据突发由整数个 ofdm 符号组成，编码方式在突发特性中指定。 dl-map

27、 和 ul-map 是控制信息，规定了 dl 子帧和 ul 子帧的位置信息，突发大小， 间隙大小，带宽分配等内容。并指定每个突发中接收数据的 ss, 和 ss 用于上传 数据的子信道和突发中每个子信道的编码方式。 ul 子帧由两个竞争时隙和 ul pdu 组成。竞争时隙用于初始测距和带宽请求。 wirelessman-ofdma 物理层同 ofdm 物理层一样都采用 ofdm 调制。它在 ul 和 dl 中都支持子信道化，标准中的子信道化方案有 5 个。ofdma 物理层跟 ofdm 物理层一样，支持 tdd 和 fdd，卷积编码要求实现，btc 和 ctc 可选，调制方法 都相同。另外，of

28、dma 还支持基于 sdma 的 stc 和 aas，还有 mimo。 ofdma 物理层的帧结构和 ofdm 一样。一个显著的区别是，ofdma 在 dl 和 ul 中定义了子信道化，因而广播信息可以连同数据一起传送。另外，由于定义了好 几种子信道化方案，一帧被分为几个区域，每个区域使用一种子信道化方案16。 2.42.4 macmac 层层 mac 层为物理层提供与媒体无关的接口，实现媒体接入控制功能。由于物理 层是无线的，mac 层主要是管理无线链路资源16。mac 层是面向“连接”的协议， 即所有 ss 的数据业务以及与此相联系的 qos 要求，都是在“连接”的范畴中来 实现的，当 s

29、s 接入网络，每个 ss 创建一个或者多个连接，每一个“连接”均由 一个连接标识符(cid)来唯一地标识。 mac 层定义了较为完整的 qos 机制，并通过采用链路自适应技术和自动请求 重传（arq）技提高频谱效率。针对每个连接可以设置不同的 qos 参数，包括速 率、延时等指标。mac 层也处理 ss 的网络进入和离开，实现协议数据单元 （pdu）的创建任务。最后，mac 层提供汇聚子层，支持 atm 和分组业务。 为了更好地控制上行数据带宽分配，系统定义了四种业务类型：主动授权业 务(ugs)，实时轮询业务(rtps)，非实时轮询业务(nrtps)和尽力而为业务(be)。 2.4.1 汇聚

30、子层（汇聚子层（cs） cs 的功能是提供从 cs sap 接收到的外部网络数据到 mac 层的服务数据单 元（service data unit，sdu）之间的转换和映射。目前提供了两个 cs 规范：面 向 atm 业务的汇聚子层（atm cs） ；面向分组业务的汇聚子层（packet cs） ， 提供对 802.3（ethernet，以太网） ，ip（ipv4, ipv6）等基于包的业务的支持。 进入每个子层未被处理的数据为服务数据单元（sdu） ，经过子层处理后形成 的有特定格式的数据称为协议数据单元（pdu） 。本层形成的 pdu 为下一层的 sdu。 atm cs 是将 atm 服务

31、与 mac cps 的 sap 连接起来的逻辑接口。atm cs 从 atm 获得 atm 信元，需要的话进行负荷头压缩，并将 cs 层 pdu 传送给 mac 层 sap。 packet cs 将高层的 pdu 分类给合适的连接，需要的话进行负荷头压缩。发 送 cs 按照 qos 及与服务流特征相关的其他传输功能，将 mac 层 sdu 传到对等 mac 层 sap 交给 cps，接收 cs 则负责将得到的 sdu 重建数据后传到更高层的实体。 概括的说 cs 主要完成以下功能1：从高层获得 pdu；对高层 pdu 进行分类； 基于分类对高层 pdu 进行处理（如需要） ；将处理后的 cs

32、层 pdu 传给合适的 mac 层 sap；获得同等实体的 cs 层 pdu。 2.4.2 公共部分子层（公共部分子层（cps） 公共部分子层完成 mac 层的核心功能，包括 mac pdu 的构建和传送、连接建 立与维护、带宽分配、竞争解决算法的实现、服务流的管理，以及各种链路自适 应技术的实现等等，通过 mac sap 接收来自 cs 层的数据并分类到特定的连接， 同时对物理层上传输的数据实施 qos 控制。 cps 子层分控制面和数据面来分别描述1。 控制面完成的功能有：系统接入、带宽分配、连接建立与维护等。mac 是面 向连接的，所有服务都映射到某个连接，一个连接对应一种服务。连接由

33、16 位 标识符（cid）表示，每个 ss 带有 8 位 mac 地址，但是主要作为设备标识符，操 作中用得最多的是 cid。连接一旦建立，就要根据连接中的业务类型动态的保持， 比如高突发性，高分片机率的 ip 服务，就需要实时保持。 数据面在收发两端的功能不同。在发送端，根据带宽分配，读取 cs pdu 或 mac 管理信令，结合业务流传输策略，把数据封装成合适的 mac pdu。封装中多 种机制会被采用，如分段和打包。在接收端，cps 首先根据 mac pdu 格式，结合 业务流传输策略，把从物理层收到的 mac pdu 分解，正确识别 cs pdu 和 mac 管 理信令，转发到 mac

34、 cs 或相应的信令接收模块。此外数据面还要完成 arq 功能。 2.4.3 安全子层安全子层 mac 层包含一个独立的安全子层来提供认证、密钥交换以及加密等功能5。 基站通过对网络中的相关业务流强制加密来防止对数据传输业务的非法接入。 该层由数据包的加密封装协议和密钥管理协议两部分组成。 加密封装协议负责加密接入网络中传输的分组数据，定义了加密和鉴权算法， 以及将这些算法运用到 mac pdu 净荷部分的规则（加密只针对净荷部分，mac pdu 头部不被加密） 。 密钥管理协议（pkm）提供了 bs 和 ss 之间安全的密钥分配机制。pkm 采用客 户端/服务器模型，ss 作为客户端请求密钥

35、，bs 作为服务器响应请求并授给 ss 密钥。pkm 使用 cps 子层定义的 mac 管理消息完成上述功能。pkm 支持周期性地 重新授权及密钥更新机制。 第三章第三章 mac 层层 qos 机制机制 802.16 系统中 qos 的核心原理是把 mac 层传输的数据包与一个由连接标识 符(cid)标识的业务流关联起来。数据包的业务类型和相应参数都包含在 cid 中， 使得每个数据包在进行调度前具有相应的 qos 要求4。 qos 机制包含两部分内容。一是关于业务流的管理，包括业务流分类、动态 业务管理、带宽请求和分配、轮询等。二是相应的保证机制，包括调度算法、接 入控制、缓冲区管理和流量控

36、制等，但协议并没有对这些算法进行实现。 3.13.1 业务流业务流 业务流是 mac 层 qos 实现机制的核心部分。它定义为 ss 和 bs 之间的， 关于数据包传输的单向的 mac 层传输服务。一个服务流可以用一组 qos 参数 (如时延、时延抖动、预约速率等)来描述。 3.1.1 业务流的分类业务流的分类 为了支持多媒体业务，结合使用单播、组播和广播三种查询方式以支持不同 qos 需求的业务，802.16 定义了四种调度业务类型。 1. 主动授权业务（ugs） ugs 用于传输固定速率实时业务，如 tl/el 以及没有静音压缩的 voip。bs 周期性地授予固定大小的带宽，不接受来自 s

37、s 的请求，避免了带宽请求引入的 开销和时延，以满足实时业务的时延和时延抖动要求。ss 可以通过设置帧中的 pm (poll me)位为其他非 ugs 业务流请求单播机会。 2. 实时轮询业务（rtps） rtps 用于支持可变速率实时业务，如 mpeg 视频业务。bs 为 rtps 提供周期 性的单播轮询请求，禁止使用其他竞争请求和捎带请求。802.16e 协议新增一种 扩展的实时轮询业务(ertps)。ertps 融合了 ugs 和 rtps 两者的高效性，适用于周 期性产生变比特数据包的实时业务，如采用静音压缩的 voip。 3非实时轮询业务（nrtps） nrtps 支持非周期变长分组

38、的非实时数据流，如有保证最小速率要求的因特 网接入。nrtps 提供比 rtps 更长的周期或不定期的单播请求，可以使用竞争请求 (多播或广播)机会，甚至被主动授权。 4尽力而为业务（be） be 支持非实时无速率和时延抖动要求的分组数据业务，如 email 和短信，不 要求提供吞吐量和时延保证。be 允许使用任何类型的请求机会和捎带请求。 3.1.2 业务流的管理业务流的管理 mac 层最核心的功能是进行接入控制，802.16 在下行链路采用 tdm，在上行 链路采用 tdma/dama(按需多址)的多址方式，所有的传输都是基于连接的，并且 由 bs 进行统一调度。所有业务都必须与某一个连接

39、相联系。连接为系统的带宽 请求、qos 支持提供基本的保证。每个连接用 16 比特的 cid 来唯一标识12。 注册成功之后，ss 分到 3 个管理连接。基本连接用于传送较短的时效性很强 的链路控制信息；初级连接用于传送较长，且能容忍一定延迟的管理信息；中级 连接用于传送 dhcp，tftp，snmp 等标准管理信息12。 除了三种基本的管理连接，还可建立多个用于业务传输的连接，并与业务流 建立一定的映射，作为轮询、带宽请求、带宽分配的单位。ss 以连接为单位请求 上行链路带宽，bs 根据服务流的参数为其分配带宽。 业务流可以用 qos 参数集(如时延、时延抖动、最小保证速率等)来描述。一 个

40、业务流有三个参数集：指定 qos 参数集，是对业务流进行配置时指定的。已接 纳 qos 参数集，是 bs 认为能够满足其要求的参数集，bs 必须其要求预留资源。 激活 qos 参数集，表示已确认其对资源的使用。三个参数集满足如下关系：激活 qos 参数集为已接纳参数集子集，已接纳 qos 参数集为指定参数集的子集。 ss 和 bs 依据业务流定义好的 qos 参数提供相应的服务。每个业务流都有一 个业务流标识 sfid，用于标识网络中已经创建的业务流。分配了 sfid 的业务流 可能未被立即接纳或激活。bs 为被接纳或激活的业务流分配 cid。cid 是标志特 定的连接，而与之关联的 sfid

41、 表示该连接的 qos 属性。 业务流可以通过 mac 动态地创建、改变或删除。 动态业务流创建可由 bs 或 ss 发起。由 bs 发起的动态业务流创建请求 (dsa-req)消息包含业务流的 sfid、与其关联的 cid 及一组已接纳或激活的 qos 参数。由 ss 发起的 dsa-req 消息包含业务流参考(sfr)和 qos 参数集。 动态业务流改变由 bs 或 ss 发起。动态业务改变请求(dsc-req)消息包括 sfid 指定业务流。dsc 可以改变业务流的 qos 参数，通过使激活 qos 参数集由 空变为非空或由非空变为空，可实现业务流的激活或去激活。 业务流可以由 bs 或

42、 ss 发起的 dsd 过程删除。业务流一旦被删除，相关的 资源将被释放。如果某 ss 的基本业务流被删除，该 ss 必须重新注册鉴权。 3.23.2 带宽请求与分配带宽请求与分配 每个 ss 都会被分配 3 个 cid 用于发送与接受控制信息。不同的 qos 要求都 是通过这三对连接的管理实现的。除了 ugs，其他类型的业务对带宽的要求都 有可能改变，系统必须能处理它们改变带宽的要求。 3.2.1 带宽请求带宽请求 带宽请求可以有两种表达：增量请求(incremental)和集合请求(aggregate)。当 bs 收到一个增量带宽请求，它将在现有带宽基础上增加请求的数量。当 bs 收到 一

43、个集合带宽请求，它将按请求的总计带宽分配而不考虑以前的带宽分配。为了 避免传送差错引起的带宽分配错误，标准规定要定期使用集合请求方式。 802.16 协议规定，请求信息可以通过一个的 bandwidth request header 或以 piggyback 的方式来传送。bandwidth request header 是一个单独的带宽请求头部 信息，它不带任何负载。它的域包括：cid 域标明发出请求的连接；br 域说明 请求的 byte 数目；type 域说明带宽请求的类型(增量或集合)。piggyback 方式适 用于 ss 已经得到了一定的带宽分配，还需要进一步请求带宽的情况。ss 在

44、发送 的数据包添加一个 grant management subheader 域，发送进一步的带宽请求12。 3.2.2 轮询轮询 轮询是指 bs 分配给 ss 专用的带宽，允许 ss 用来发送带宽请求。轮询所分 配的带宽可以是针对单独的 ss 或是一组 ss。后一种情况所分配的传输机会定义 为带宽请求竞争信息单元。分配结果表现在 ul-map 中的一系列信息单元2。 轮询是基于 ss 的。带宽请求是某个连接提出的，但带宽是授予这个 ss 的。 轮询按其目的地址的不同，可以分为单播轮询、组播轮询和广推轮询。 单播轮询是针对某一地址的。bs 为上行链路分配一定的带宽，让被轮询的 连接得以发送带宽

45、请求信息。单播轮询是无竞争的，bs 为每个 ss 分配上行带宽。 组播或广播轮询分别是对一组连接和所有连接进行轮询。在 cid 的分配中保 留了一些地址作为组播地址和广播地址。当需要进行组播轮询和广播轮询时，bs 在上行链路分配一定的带宽，并将其地址设置为组播地址或广播地址，属于该地 址的连接在指定的间隔以竞争的方式发送请求。与单播轮询不同之处在于，单播 轮询时，带宽是被分给 ss 的 basic cid，而组播或广播轮询时，带宽是被分配到 组播或广播 cid，由于多个 ss 可能同时发送申请，会造成竞争。为了减少碰撞， 规定只有需要带宽的 ss 才响应，并使用二进制指数退避算法。 有激活的

46、ugs 连接的 ss 可以通过设置 mac 分组中的 pm 比特向 bs 表明 它需要被轮询来为非 ugs 连接请求带宽。 在 4 种调度服务中，ugs 可以周期性的获得带宽分配。rtps 会周期性的受到 轮询。nrtps 会受到非周期性的单播、组播或广播轮询，以竞争或非竞争的方式 发送带宽请求。be 可以通过竞争或非竞争的方式发送带宽请求。 3.2.3 带宽分配带宽分配 802.16 定义两种带宽分配模式：基于连接授予 gpc(grant per connection)和 基于 ss 授予 gpss(grant per ss)。gpc 的带宽分配对象是连接，而 gpss 的带宽 分配对象是

47、ss，再由 ss 带宽分配给不同的连接，这种方式对于要求系统快速响 应的实时应用十分有利9。 对于 gpc 模式，bs 在进行带宽分配时直接说明某个时隙分配给某个连接使 用。gpc 的优点是可以简化 ss 的结构，ss 只需要根据各连接获得的时隙发送数 据即可，无需实现复杂的调度算法。 对于 gpss 模式，bs 把分配给 ss 所有连接的总带宽一起分配给该 ss，由 ss 在各个连接间进行再分配。gpss 的优点是智能化，当某些有严格时延要求的 连接迫切需要增加带宽时，ss 可以把资源先分配给这些连接，以满足其 qos 要 求，但要求在 ss 中实现较复杂的调度算法，增加了 ss 的复杂度。

48、 3.33.3 qos 架构和调度策略架构和调度策略 由于无线接入相对于有线的弱点在于有限的带宽资源，因此有效的带宽资源 调度机制，直接关系到系统的成本和性能8。802.16 系统规定了用户享有的服务 质量，规定了业务流的划分，规定了系统的 qos 框架和具体的信令交互机制、带 宽请求、ul-map 以及 ugs 的上行调度。但是并没有规定 rtps, nrtps, be 业 务流的调度算法和接入控制的具体实现方法，而是将这些问题交给了开发者去解 决，因此这些领域也成为了目前研究的热点。 3.3.1 qos 架构架构 图 3-1 是目前已有的 qos 体系架构，其中，应用程序产生报文，并通过连

49、接 建立信令与 bs 建立新的连接以及相关的业务流，因为 mac 层是面向连接的。而 bs 的接入控制模块则根据设定的策略接受或者拒绝这个新的连接请求。 每个成功建立的连接都会被分配唯一的一个 cid 表示，然后经过连接分类器， 根据不同的业务类型进入不同的队列(ugs，rtps，nrtps 和 be)。高层的业务根 据不同的类型被打包成 sdu，再经过业务分类与对应的 cid 相关联。 sdu 和 cid 被传送到 mac 公共层，这里的上行业务调度器根据不同的调 度模式安排上行带宽，其核心任务是统计相关的传输连接排队信息，然后向 bs 发送带宽请求。bs 根据接收到的 sdu 和 cid

50、重建高层数据和信令，同时 bs 的 ups 根据网络状况和 ss 的带宽申请来分配带宽，并解决竞争问题4。它会根 据不同业务对应的带宽请求消息、qos 要求和相应的算法对上行业务进行合理的 调度，然后产生相应的 ul-map 消息，并将其传递给 ss。而 ss 的上行调度器 则将从队列中获取要发送的分组，并且根据接收到的 ul-map 信息所定义的时 隙发送出去。 在 bs 侧最重要的是上行分组调度器和接入控制。但其具体的实现都没有定 义，这里简单介绍下分组调度，关于接入控制机制将在下一章详细研究。 3.3.2 业务调度策略业务调度策略 调度服务是指 mac 层的调度器对待传送数据的处理机制。

51、802.16 的调度是 基于连接的，一条连接对应于一个服务流，几个 qos 参数相同或相似的服务流 也可对应同一个连接12。802.16 中定义 4 种优先级由高到低的调度服务：主动授 予业务 ugs、实时轮询业务 rtps、非实时轮询业务 nrtps 和尽力而为业务 be。 分组调度器完成两个任务：一是发布单播、组播或广播轮询信息，获取各连 接的带宽请求信息；二是根据带宽请求信息和服务参数表中的服务参数进行带宽 分配，并完成每一帧的分组调度。 如前所述，轮询是 bs 获取各连接状态信息的重要机制，802.16 对各种调度 服务的轮询方式作了规定。ugs 类型的服务流速率恒定不变，bs 周期性

52、的为其 分配固定的带宽。rtps 类型的服务流实时性要求高，速率可变，bs 应周期性的 对其进行单播轮询，不允许其以竞争的方式发送带宽请求。nrtps 类型的业务流 具有可变速率，但实时性要求不高，bs 可以单播、组播或广播的方式发起轮询。 be 类型的服务流，允许其以竞争的方式传送带宽请求信息。 bs 和 ss 之间下行链路采用 tdm 复用，上行链路采用 tdma/dama 多址接入。 系统的带宽分配由 bs 管理分配，下行链路的传输调度由 bs 负责，上行链路的传 输调度由 bs 和 ss 共同完成12。 bs 和 ss 在调度中主要考虑了两个因素：服务流的类型和服务流的 qos。 上行

53、链路带宽请求和分配调度由 bs 和 ss 共同完成，bs 为 ss 在上行链路 分配带宽，用以传送数据包和带宽请求。根据服务流的类型和 qos 参数，bs 的 上行调度器可以根据带宽使用情况和分配算法，给出它的数据分组的传输方法， 预先为其分配带宽以满足实时性的要求，适时的对其进行轮询和带宽分配，以满 足其可变分组传输的要求。带宽分配调度完成后，bs 通过 ul-map 将分配和调 度信息传给 ss。 而下行链路调度相对简单，bs 是网络中唯一发送数据的节点，使用 tdm 方 式。既可以通过广播发送数据，然后由 ss 通过解析数据分组得到自己的数据， 也可以通过 dl-map 信息将哪个 ss

54、 使用哪段间隔向 ss 说明，由指定的 ss 在间 隔期收取属于自己的数据分组。 bs 接到带宽请求，获知 ss 数据队列的详细信息后，上行链路和下行链路的 传输调度方法也许是一致的。但在运行过程中，在上行链路上，bs 无法及时准 确的得到 ss 缓冲队列的信息，从而及时应对数据突发，所以如何在 ss 中建立有 效的带宽分配制度，将 bs 分配给它的带宽在它的各个连接间进行再分配，从而 有效应对数据突发是一个重要的问题。 在目前的研究中，通常在 qos 业务之间应用多优先级算法进行调度，然后 针对每种业务的性质再使用单独的调度算法。多优先级公平队列算法（multiclass priority

55、fair queuing，mpfq）是一种基于多优先级的算法，它的设计目标就是 在多变的无线信道条件下，保证公平性的要求，并提供不同的 qos 等级。此外 常见的调度算法还有 csdps (channel state dependent packet scheduling)，sbfa (server-based fair approach)，prados (prioritized regulated allocation delay oriented scheduling)等。 调度在 qos 保证中扮演着重要角色。对于一个调度算法，人们希望它可以 呈现一些有效的特性，如较高的链路利用率、时延

56、保证、较好的公平性、符合要 求的吞吐量等等。尽管有线网络中已经存在多种业务调度算法，但由于有线网络 与无线网络的本质区别，这些算法难以直接运用在无线网络中6。因此，如何把 这些算法和无线城域网的业务特性结合起来，提出更加合适的无线调度算法，在 提高系统频谱效率的同时，保证用户间的公平性，并且满足多样化业务 qos 的需 求，是未来研究的重点。 第四章第四章 接入控制机制接入控制机制 4.14.1 接入控制的研究方向接入控制的研究方向 呼叫接入控制（cac，call access control）是指对一个连接请求，根据其 业务类型、qos 要求和网络资源，决定是否接纳这个新连接。 接入控制是

57、qos 保证的重要机制，是无线资源管理的一个重要组成部分。其 策略设计的好坏直接影响着网络的性能和资源利用率8。 接入控制的主要任务有两点：一是保证接入用户的 qos，当网络资源足以支 持接入业务的 qos 时，允许该用户接入；二是保证激活业务的 qos 不被新接入的 用户业务破坏和影响。 但由于受到无线通信信道带宽资源的限制，很难同时保证 qos 和接纳尽可 能多的连接，所以 cac 需要在保障已接纳连接的 qos 与接纳尽可能多的新连接之 间寻求平衡点。如果网络资源已经无法满足新到达业务的要求，可以通过对已接 纳的连接进行降级，释放部分资源以满足尽可能多的业务接入网络，但经降级的 业务仍需

58、要保证其最基本的 qos 要求。同时对不同类型的业务进行区分，并采 用不同的接入控制策略，充分兼顾不同业务的 qos 要求。 由于 ieee 802.16 支持多种业务，包括话音、视频和数据，早期的 cac 策略 已经不能满足需求了，更高的业务需求和 qos 需求使得 cac 策略的研究面临着 新的方向，文献8总结出以下几种。 具有 qos 保证的基于多媒体业务的 cac 策略：802.16 系统中存在四类业务： ugs 业务，rtps 业务，nrtps 业务和 be 业务。已提出的 cac 方案有，基于 令牌桶原理和 rtps 连接的最终期限检查连接的延迟保障，计算系统可用带宽， 满足条件则

59、接入新连接；通过对 ugs 预留带宽保障高优先级业务的 qos，通过 对 nrtps 业务的降级让更多连接接入；基于门限的算法着重从带宽借用的角度 对系统性能进行改进和分析，为各类业务提供一个门限值，只要该类业务在接入 时没有超过其规定的门限值，就可以依次从超过门限值的低优先级业务和高优先 级业务剥夺资源。 基于切换呼叫的 cac 策略：虽然有许多基于切换的 cac 策略都假设了一个 固定的信道容量，但对于使用自适应调制编码(amc)的 ieee 802.16 来说，却并 不适用。由于采用 amc，调制类型动态变化，而己连接的呼叫也可能因调制类 型的转变而掉落。对于使用 amc 的 802.1

60、6 系统，当系统存在新呼叫、切换呼叫 和调制类型变化的呼叫时，研究基于切换的 cac 算法将成为又一个研究难点。 基于公平性的 cac 策略：高优先级业务通常比低优先级业务更易接入。然 而，假设在比较极端的情况下，高优先级业务过多时，为了接入高优先级业务， 就会使得阻塞低优先级业务，长期下去，低优先级业务就很难接入，阻塞率增大。 因此，有必要研究合适的 cac 策略来保障业务间的公平性。 随着 802.16 系统对数据、图像、视频等多媒体业务的支持，其业务的传输速 率也越来越高，由于 802.16 没给出具体的接入控制算法，为了保证业务的 qos，提高系统频谱效率，这就要求研究新的更好的 ca