（计算机应用技术专业论文）基于ieee80216+mac协议的资源分配.pdf

南京邮电大学硕：l 研究生学位论文摘要 摘要 随着无线通信技术的发展，各种新的业务相继出现，这些业务在带宽、时延等方面的 要求互不相同。为多种业务提供能够满足其q o s 要求的服务，同时尽可能地提高网络的利 用率，是网络技术研究的主要目标。无线城域网技术作为有竞争力的宽带无线接入技术， 已经把对多种业务提供q o s 支持的问题提上了日程。i e e e8 0 2 1 6 的m a c 层协议对q o s 服务流和参数配置信令体系、基于q o s 的调度服务类别和相应的带宽请求分配信令等进 行了定义。但却把接纳控制、分组调度算法等一系列重要问题留给开发者来解决。 本文首先介绍了各种宽带无线接入技术及其特点，然后重点阐述了i e e e8 0 2 1 6 的 m a c 层协议。接下来，介绍了q o s 的概念和一些常用的调度算法，并对前人的研究进行 了比较分析。 在此基础上，本文提出了一种基于i e e e8 0 2 1 6m a c 层协议的分层的带宽调度架构， 并详细介绍了其中的接纳控制模块、信息模块、调度模块三个部分。其中，调度模块由两 层调度器构成。第一层调度为队列之间的调度，采用了一种自适应亏空轮询( a d a p t i v e d e f i c i tr o u n d r o b i n , a d r r ) 算法。该算法可以根据各队列的业务速率动态调整该队列的权 值，然后根据权值为各队列提供服务。在第二层调度中，对r t p s 、n a p s 、b e 队列分别采 用了e d f 、w f q 、p q 算法。 在n s 2 仿真平台上对a d r r 算法进行了仿真，并与p q 、d r r 算法进行了比较。仿 真结果表明，a d r r 算法在吞吐量、公平性方面均体现出较好的性能。 关键词：i e e e8 0 2 1 6 ，m a c ，q o s ，调度算法 南京邮电大学硕士研究生学位论文 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，w eh a v et o u c h e dm o r ea n dm o r e m u l t i m e d i aa p p l i c a t i o n s t h ea i mo fm o d e mn e t w o r ks t u d yi st op r o v i d eq u a l i t yo fs e r v i c e ( q o s ) g u a r a n t e ef o rd i f f e r e n tk i n d so fs e r v i c ea n di m p r o v et h en e t w o r ke f f i c i e n c ya sm u c ha sp o s s i b l e a sac o m p e t i t i v et e c h n o l o g yo ft h en e x tg e n e r a t i o no fw i r e l e s sn e t w o r k , w i r e l e s sm e t r o p o l i t a n a r e an e t w o r k ( w m a n ) h a st a k e nt h ep r o b l e mo fp r o v i d i n gq o sg u a r a n t e ef o rd i f f e r e n t a p p l i c a t i o n si n t oc o n s i d e r a t i o n i e e e8 0 2 16s t a n d a r ds p e c i f i e sq o ss i g n a l i n gm e c h a n i s m s ，b u t i tl e a v e ss o m ei m p o r t a n ti s s u e ss u c ha sa d m i s s i o nc o n t r o l l i n ga n dp a c k e ts c h e d u l i n gu n d e f i n e d t h e s ep r o b l e m sa r el e f tt ob er e s o l v e db yt h ed e v e l o p e r s i nt h i sp a p e r , v a r i o u so fw i r e l e s sa c c e s st e c h n o l o g i e sa n dt h e i rc h a r a c t e r i s t i ca r ei n t r o d u c e d f i r s t l y s e c o n d l y , t h ei e e e8 0 2 16m a cp r o t o c o li sd i s c u s s e de m p h a t i c a l l y t h e n , t h ec o n c e p to f q o sa n ds o m eg e n e r i ca l g o r i t h m sa r ei n t r o d u c e d b a s e do nt h e s e ，af a i ra n de f f i c i e n tb a n d w i d t ha l l o c a t i o ns c h e d u l i n ga r c h i t e c t u r ef o ri e e e 8 0 2 16s y s t e mi sp r o p o s e d ，w h i c hi sc o m p o s e do fa c c e s sc o n t r o lm o d u l e ，i n f o r m a t i o nm o d u l e a n ds c h e d u l i n gm o d u l e a na d a p t i v ed e f i c i tr o u n d - r o b i n ( a d r r ) a l g o r i t h mi su 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 s b yt h i sa l g o r i t h m , q u e u e sw i t l ld i f f e r e n ta r r i v a l - r a t eh a v e d i f f e r e n tw e i g h t ，t h e nt h es c h e d u l i n gi sb a s e do nt h e s ew e i g h t w i t h i nt h eq u e u e s ，e d f , w f q a n dp qa l g o r i t h m sa r eu s e df o rr t p s ，n r t p sa n db er e s p e c t i v e l y t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h e p r o p o s e da l g o r i t h mr e p r e s e n t s w e l l p e r f o r m a n c ei n t h r o u g h p u ta n df a i m e s s k e y w o r d s ：i e e e8 0 2 16 ，m a c ，q o s ，s c h e d u l i n ga l g o r i t h m i i 南京邮电人学硕士学位研究生论文 缩略词表 a d r r a m c a r q b e b s b r a c d m a c i d c n c p s c s d a m a d c d d l d r r d s a d s c d s d e d f f d d g p s h a r q 缩略词表 a d a p t i v ed e f i c i tr o u n d - r o b i n a d a p t i v em o d u l a t i o nc o d e a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t b e s t e 仃o r t b a s es t a t i o n b r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s c o n n e c t i o ni d c o r en e t w o r k c o m m o np a ns u b l a y e r 自适应亏空轮询 自适应调制编码 自动重传请求 尽力而为 基站 宽带无线接入 码分多址 连接标识符 核心网 m a c 公共部分子层 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 特定服务会聚子层 d e m a n da s s i g n e dm u l t i p l ea c c e s s d o w n l i n kc h a n n e ld e s c r i p t o r d o w nl i n k d e f i c i tr o u n d r o b i n d y n a m i cs e r v i c ea d d i t i o n 按需分配多址接入 下行信道描述器 下行 亏空轮询 动态服务添加 d y n a m i cs e r v i c ec h a n g e 动态服务更改 d y n a m i cs e r v i c ed e l e t i o n e a r l i e s td e a d l i n ef i r s t f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x g e n e r a l i z e dp r o c e s s o rs h a r i n g h y b r i da r q 4 7 - 动态服务删除 最早到期时间优先 频分双工 广义处理器共享 混合自动重传请求 南京坚鱼查堂堡：i 二堂垡婴壅竺丝兰 丝堕望壅 _-i_-_i_-_-_-i-_-_-_-_-_-i_-_-_-_-_-_一一 一 i e i n f o r m a t i o ne l e m e n t 信息单元 i e e e i s i l o s m a c m p l s n l o s n n p s o f d m 0 f d m a p d u p k m p 咿 p q q o s n p s s d u s f i s f i d s s t d d t d m a u c d u g s u l i n s t i t u t eo f e 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 s 电气和电子工程师协会 i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e l i n e - o f - s i g h t m e d i aa c c e s sc o n t r o l m u l t i p l ep r o t o c o ll a b e ls w i t c h n o n - l i n e o f - s i g h t n o n - r e a l - t i m ep o l l i n gs e r v i c e 符号间干扰 视距 媒体接入控制 多协议标签交换 非视距 非实时轮询服务 o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g 正交频分复用 o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 正交频分多址 p r o t o c o ld a t au n i t p r i v a c yk e ym a n a g e m e n t p o i n tt om u l t i p o i n t p r i o r i t yq u e u e q u a l i t yo fs e r v i c e r e a l t i m ep o l l i n gs e r v i c e s e r v i c ed a t au n i t 协议数据单元 密钥管理 点到多点 优先级队列 服务质量 实时轮询服务 服务数据单元 s e r v i c ef a i r n e s si n d e x 服务公平指数 s e r v i c ef l o wi d s u b s c r i b e rs t a t i o n t i m ed i v i s i o nd u p l e x t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s u p l i n kc h a n n e ld e s c r i p t o r u n s o l i c i t e dg r a n ts e r v i c e u pl i n k 4 8 服务流标识符 用户站 时分双工 时分多址 上行信道描述器 主动授权服务 上行 南京邮电大学硕士学位研究生论文 缩略词表 u 、怕 w f q w i m a x w l a n 雌n t a n w r r w w a n u l t r a - w i d eb a n d w e i g h t e df a i rq u e u i n g 超宽带 加权公平队列 w o r l di 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全球通用微波接入 w i r e l e s sl o c a la t e an e t w o r k无线局域网 w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k 无线城域网 w i r e l e s sp e r s o n a la t e an e t w o r k w e i g h t e dr o u n d r o b i n w i r e l e s sw i d ea r e an e t w o r k 4 9 无线个域网 加权轮询 无线广域网 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 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的 地方外，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 含为获得南京邮电大学或其它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任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：垄垒焦 日期：旌翌墨：生：! 丰 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：兰垒丝 导师签名：王罅 南京邮电大学硕l ：研究生学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 当今时代，科技发展日新月异，随着i n t e m e t 的迅猛发展，人们对远程教学、远程医 疗、视频会议等多媒体应用的需求大幅度增加，电子商务更是网络应用的典型热点。同时， 人们对网络带宽及速率也提出了更高的要求，促使网络由低速向高速、由共享到交换、由 窄带向宽带方向迅速发展。目前对于主干网来讲，各种宽带组网技术日益成熟和完善，可 以说网络的主干已经为承载各种宽带业务作好了准备。但是位于通信网络与用户之间的接 入网发展相对滞后，接入网技术成为制约通信发展的瓶颈。 网络接入发生在连接网络与用户的最后一段路程，通常称为“最后一公里”。最后一 公里是目前最有希望大幅提高网络性能的环节，对本地环路网来说是一个瓶颈。全球拥有 上亿条用户接入线，因其功能有限，阻碍着网络用户业务的发展，而与用户线路另一端的 高性能设备形成了鲜明的反差。随着人们对于宽带多媒体应用的需求不断增大，各种宽带 接入技术发展迅速。无线通信也在人们生活中扮演着越来越重要的角色，宽带无线接入技 术作为其中的重要组成部分也越来越具有广泛的应用前景以及巨大的发展潜力。无线接入 技术相比于有线接入技术更加灵活，借助于无线网络，任何人可以在任何时间任何地点进 行通信。 1 2 无线城域网标准 1 2 1 宽带无线接入( b w a ) 系统 无线接 , ( w i r e l e s sa c c e s s ) 是指在终端用户和交换局端间的接入网部分全部或部分采 用无线传输方式，为用户提供固定或移动的接入服务的技术。作为有线接入网的有效补充， 它的系统容量大，话音质量与有线一样，覆盖范围广，系统规划简单，扩容方便，同时可 加密码或用c d m a 增强保密性，可解决边远地区、难于架线地区的信息传输问题，是当 前发展最快的接入网之一。现在，各种宽带无线接入技术蓬勃发展，为用户提供更高速率 的接入，满足人们的各种通信需求，它们己经成为通信技术中不可缺少的重要组成。 1 南京m b 咆人学硕士研究生学位论文第一章绪论 按照覆盖范围的大小，宽带无线接入可以分为：无线广域网( w i r e l e s sw i d ea r e a n e t w o r k ，w w a n ) 、无线城域网( w i r e l e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r k , w m a u ) 、无线局域网 ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k w e a n ) 和无线个域网( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k , w p a n ) 。如图1 1 所示。由于应用场合和设计目标的不同，它们的q o s 划分也各不相同， m a c 层的保障机制也有很大的差异。 图1 - 1 宽带无线接入技术 在无线个域网方面的标准有i e e e8 0 2 1 5 ，它的主要目的是用于近距离设备之间的通 信。目前8 0 2 1 5 中的两种主要技术包括蓝牙( b l u e t o o t h ) 和超宽带( u w b ) 。开发蓝牙是为了 要用一种小型且成本低的无线技术连接各类数字化信息设备。超宽带技术曾主要应用于军 事领域，它可以在近距离范围内提供高速率的数据传输，因此，它在无线个域网领域有很 大的发展空间。总之，通过无线个域网技术可以将笔记本电脑、智能移动电话、p d a 等便 携和移动的数字化信息设备联系起来形成无线网络。 在无线局域网方面目前应用最广的标准是i e e e8 0 2 1 1 ，无线局域网是对有线局域网 的扩展，无线的方式比有线的方式更加灵活方便，并且价格低廉，易于安装和维护，尤其 是一些基础设施不足的地方。它可以应用于高速的因特网接入、企业网、校园网及驻地网。 随着无线局域网技术的不断进步，它将有更广泛的应用。 2 商京邮电大学硕上研究生学位论文第一章绪论 无线城域网方面的标准有i e e e8 0 2 1 6 。它可以为用户提供范围更广，速率更高的宽 带无线接入。在一些没有基础设施可用的地方，这种无线接入的方式就更灵活。起初的 8 0 2 1 6 标准主要是固定宽带无线接入的标准，应用范围有一定的限制。现在，8 0 2 1 6 e 标 准在原有基础上增加了对移动性的支持，这使得8 0 2 1 6 标准将会有更广泛的应用空间。 随着技术的不断成熟，8 0 2 1 6 系列无线城域网的本地多点连接作用会得到越来越广泛的应 用。 无线广域网的标准有3 g 蜂窝移动通信系统以及i e e e 系列标准的i e e e8 0 2 2 0 。广域 网标准要求覆盖范围很广，需要解决超出单个城市范围的信息传送与交互，提供一个基于 i p 的高速全移动网络，满足网际接入的需求。 下面我们重点介绍一下i e e e8 0 2 1 6 系列标准及其技术特点。 1 2 2 ie e e8 0 2 16 和w ；m a x 技术 1 9 9 9 年，i e e e 成立了i e e e8 0 2 1 6 工作组来专门研究宽带固定无线接入技术规范，其 目标就是建立一个全球统一的宽带无线接入标准。i e e e8 0 2 1 6 工作组的出现大大推动了宽 带无线接入技术在全球的发展，它主要负责固定无线接入的空中接口标准的制订。 在随后的几年里，i e e e8 0 2 。1 6 工作组提出了一系列涵盖不同无线宽带城域网接入标 准，如表1 1 所示。根据使用频段的不同，8 0 2 1 6 系统可分为应用于视l 疆( l i n e - o f - s i g h t ，l o s ) 和非视距( n o n l i n e o f - s i g h t ，n l o s ) 两种，其中使用2 1 1 g h z 频段的系统用于非视距环境， 而使用1 0 6 6 g h z 频段的系统用于视距环境。另外，根据是否支持移动性，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。 w i m a x ( w o r l di 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 ，全球通用微波接入) 组织是由业界 主要的无线宽带接入厂商和芯片制造商共同成立的一个非盈利工业贸易联盟。w i m a x 的 成员包括设备制造商、器件供应商、运营商等，主要任务是通过对产品进行兼容性和互操 作性认证，消除i e e e8 0 2 1 6 标准应用的障碍，扩大标准的应用范围。w i m a x 和i e e e8 0 2 1 6 工作组的关系为，后者是标准的制订者，而前者是标准的推动者【5 】，前者将对产品是否符 合后者的要求进行认证。目前，w i m a x 几乎已经成为i e e e8 0 2 1 6 标准的代名词。 南京邮电火学硕士研究生学位论文 第一章绪论 表1 1i e e e8 0 2 1 6 系列标准及其比较 8 0 2 1 6 t h 8 0 2 1 6 a 1 2 1 8 0 2 1 6 d 1 3 8 0 2 1 6 e 1 4 1 使用频段 10 6 6 g h z2 1 1 g h z2 6 6 g h z2 6 g h z 视距非视距视距、非视距非视距 应用环境 固定固定固定固定和移动 信道带宽 2 5 2 8 m h z1 2 5 2 0 m h z1 2 5 - 2 0 m h z1 2 5 2 0 m h z 小区半径 5 k m5 1 0 k m 5 1 5 k m几k m 3 2 13 4 m b p s ( 2 8 m h z在2 0 m h z 的信道 在2 0 m h z 信道 传输速率上提供约 在5 m h z 信道上 载波带宽)上提供约7 5 m b p s提供约1 5 m b p s 7 5 m b p s 作为无线城域网的技术，w i m a x 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。w i m a x 的技术优势体现在很多方面【6 】： ( 1 ) 面向连接：8 0 2 1 6 的m a c 层是面向连接的，所有终端的数据业务以及与此相关的 q o s 机制都是基于连接进行的。w i m a x 技术采用这种类似多协议标签交换( m u l t i p l e p r o t o c o ll a b e ls w i t c h ，m p l s ) 技术的面向连接技术来解决各种实时的和非实时的、固定比特 速率和可变比特速率的业务，实现对不同业务的区分服务。 ( 2 ) 可变带宽：w i m a x 的信道带宽可以根据实际需要在1 5 2 0 m h z 的范围内调整，因 而提供了包括灵活的信道规划在内的部属与配置伸缩性，而这一点是3 g 所没有的。 ( 3 ) 物理层采用o f d m 技术：w i m a x 技术在上下行均采用o f d m 技术，上行可以采 用o f d m a 的多址接入方式，下行则可以采用t d m 方式的o f d m ，从而有效地抵抗符号 间干扰( i n t e rs y m b o li n t e r f e r e n c e ，i s d ，实现高速数据传输。 ( 4 ) 采用链路自适应技术：w i m a x 所采用的链路自适应技术包括自适应调制编码技术 ( a m c ) ，自动重传请求技术( a r q ) ，混合自动重传请求( h a r q ) 。链路自适应技术能够更好 地改善无线传输质量，提高系统容量。 ( 5 ) 采用网状网技术：除了保留点到多点的传统的无线网络结构以外，w i m a x 还引入 了一种新的网络拓扑结构网状( m e s h ) 网，这为未来无线通信系统的发展开辟了一条崭 新的道路。 w i m a x 技术凭借其上述特点，获得众多国际大公司的青睐，被认为是下一代通信的 主要热点技术。因此，深入研究w i m a x 系统的核心技术十分必要，也是未来几年内国内 外相关领域关注的热点。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 3 本文的主要内容 从上面的介绍可以看出，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，进一步地将研究目标定位在基于i e e e8 0 2 1 6 标准m a c 层的带宽资源分配。 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 ) 间的各种业务提供保证服务质量( q u a l i t y o fs e r v i c e ，q o s ) 的机制，包括连接建立、带宽请求和带宽分配等等。但是对于如何具体实 现其提出的q o s 保证，标准并没有做出硬性的规定，也没有提出建议性的参考意见。所以， 8 0 2 1 6 系统的q o s 框架结构和为实现q o s 的快速调度算法等关键性技术都值得我们研究。 本文主要针对i e e e8 0 2 1 6 d 的m a c 层协议进行研究，重点研究了带宽请求和分配机 制。在基于m a c 层协议研究的基础上提出了一种新的、有效的调度体系，该调度体系支 持优先级调度、动态的带宽分配和q o s 保证。 全文共分为六章，内容安排如下： 第一章是绪论部分，主要对各种无线接入技术的特点及其发展趋势进行介绍，并重点 介绍了i e e e8 0 2 1 6 技术相关的一些内容。 第二章对i e e e8 0 2 1 6 标准的协议栈进行了研究，介绍了i e e e8 0 2 1 6 的网络拓扑结构、 物理层技术，并深入研究了i e e e8 0 2 1 6 的m a c 层协议，包括m a c 层的三个子层及其作 用和特点，m a c 层对物理层的支持，以及调度服务的分类和带宽请求分配机制。 第三章是对q o s 和各种调度算法的研究，这是分析m a c 层带宽调度架构的基础。首 先简单介绍了q o s 的概念和一些常用的调度算法，重点介绍了将在第四章提出的调度架构 中会涉及到的几种调度算法。最后，还对已有的基于i e e e8 0 2 1 6 的带宽调度策略进行了 简单的介绍和比较。 第四章在他人研究的基础上，提出了一种基于m a c 层协议的分层的带宽调度架构。 该架构基于b s 侧的带宽分配，包括接纳控制模块、信息模块和调度模块。 第五章介绍了按本文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，并 对结果进行了分析。 第六章对全文进行总结，并展望了下一步的研究工作。 南京邮电犬学硕，l ：研究生学位论文第二蕈i e e e8 0 2 1 6 标准概述 第二章i e e e8 0 2 1 6 标准概述 2 1 网络拓扑结构 一个完整的i e e e8 0 2 1 6 系统应包含的网络实体有：用户设备( l i e ) ，用户站( s s ) ，基站 ( b s ) ，核心网( c n ) 。i e e e 8 0 2 1 6 详细规定了用户站与基站的功能以及它们之间的接口，而 对于其他实体及实体间的接口并没有进行规定。 i e e e8 0 2 1 6 支持两种网络拓扑结构：点到多点( p m p ) 结构和网状( m e s h ) 结构。在p m p 结构中，一个基站为多个用户站提供服务，用户站之间没有直接的联系。而m e s h 结构中， 用户站的数据可以通过其他用户站转发，也就是说业务可以不通过基站直接在用户站之间 传输。 s s 图2 1p m p 网络拓扑结构 p m p 的网络拓扑结构如图2 1 所示 9 1 。在p m p 的工作模式下，b s 调控网络中所有的 信息的传输，s s 之间没有直接的数据通信。普通用户通过多种接口( 如以太网卡，无线局 域网卡，电话接口等等) 与s s 通信，申请多种具有不同q o s 要求的服务，进而s s 与b s 建立通信连接，实现数据交换。 s s 和b s 之间的通信链路有两个方向：上行链路( 从s s 到b s ) 和下行链路( 从b s 到s s ) 。 在上行方向，8 0 2 1 6 系统中所有的s s 通过按需分配的方式来共享上行链路的可用资源。 而p m p 网络中的下行链路一般以广播的方式工作。即使下行链路映射管理消息没有显式 地指出下行子帧中各部分数据分别属于哪个确定的s s ，系统中所有的s s 也能够监听属于 山l皂； 0量酋l； 南京邮电人学硕j 二研究生学位论文 第二章i e e e8 0 2 1 6 标准概述 它自己的那一部分数据。s s 通过检查接收到的协议数据单元中的连接标识符( c o 肋e c t i o n i d ，c i d ) 来确定是否为发送给自己的数据单元。如果是则接收，否则丢弃。 m e s h 是i e e e8 0 2 1 6 d 中新增的一种拓扑结构，其拓扑图如图2 2 所示【9 】。 图2 - 2m e s h 网络拓扑结构 m e s h 网络的特点在于网状网结构，可以根据实际情况灵活部署，实现网络的弹性延伸。 m e s h 与p m p 的主要区别是：在p m p 拓扑中，数据传输只发生在b s 和s s 之间；而在m e s h 拓扑中，数据可以直接在s s 之间传输，并且可以以多跳的方式传输。对于市郊等远离骨 干网，有线不易覆盖的地区，可以采用该模式扩大覆盖范围，其规摸取决于基站半径、覆 盖区大小等因素。 一 在m e s h 网络中，与外网相连的节点被称为m e s hb s ，其他的节点被称为m e s hs s ， 上行链路和下行链路的方向分别被定义为流向m e s hb s 和离开m e s hb s 的方向。m e s h 网 中的所有节点都必须相互协调才能发送信息。如果网络中采用的是分布式调度算法，包括 m e s hb s 在内的所有节点在发送数据之前，都必须在一个两跳的领域内进行协商，并且向 邻节点广播与数据传输相关的信息，如可用资源、请求带宽以及授权可使用的带宽。如果 使用集中式调度算法，则由m e s hb s 负责搜集所有节点的请求信息，并且在一定的区域之 内对资源进行分配。 本文的讨论针对的是p m p 结构。 2 2m a c 层 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章i e e e8 0 2 1 6 标准概述 2 2 18 0 2 16m a c 层的特点 8 0 2 1 6 的m a c 层是基于“连接 的，即所有终端的数据业务以及与此相关的q o s 要 求都是基于“连接”进行的。每一个连接均由一个连接标识符来惟一进行标识。m a c 层 可以针对每个连接的特点分别设置不同的q o s 参数，包括速率、延时等指标。为了更好地 控制上行数据的带宽分配，标准还定义了不同的上行带宽调度类型，可以针对实时和非实 时、固定比特速率和可变比特速率业务的特点采用不同的调度机制，从而实现带宽的灵活 分配。表2 1 总结了8 0 2 1 6 dm a c 层的特点。 表2 18 0 2 1 6m a c 层的特点 特点优势 可为每一连接分配不同的q o s 参数并 面向连接 进行快速分组选路和转发 支持主动授权( u g s ) 、实时轮询( r t p s ) 、既适合对时延敏感的业务( 话音、v o l p 非实时轮询( n r t p s ) 、尽力而为( b e ) 四种等) ，又适合可变比特率业务的传送( 如 调度服务 视频) 自动重传请求( a r q )可以对上层协议隐藏了来自射频层的 混合自动重传请求( h a r q ) 差错 安全和保密保护用户隐私 8 0 2 1 6 的协议层参考模型如图2 1 所示【们。8 0 2 1 6 系统包括两个平面：数据控制平面 和管理平面。参考模型规定了m a c 层和物理层，8 0 2 1 6 对这两层的功能都做了详细规定。 其中，物理层负责对m a c 层的协议数据单元进行汇聚、编码、调制，最后形成帧，送入物 理信道中传送。为了适应不同环境下的系统需求，8 0 2 1 6 d 定义了几种物理层规范： w i r e l e s s m a n s c 、w i r e l e s s 嗄a 卜i s c a 、w i r e l e s s m a n o f d m 、i r e l e s s 嗄a 小i o f d m a 。 每种物理层规范都有其特定的使用频率范围和应用环境，将在下文中具体介绍。 m a c 层由上到下依次分为3 个子层：特定服务会聚子层( s e r v i c e s p e c i f i cc o n v e r g e n c e s u b l a y e r , c s ) 、m a c 公共部分子层( c o m m o np a r ts u b l a y e r , c p s ) 和安全子层( s e c u r i t y s u b l a y e r ) 。在i e e e8 0 2 1 6 d 中，进入每个子层但未被处理的数据称为服务数据单元( s e r v i c e d a t au n i t ，s d u ) ，经过子层处理后形成特定格式的数据称为协议数据单元( p r o t o c o ld a t a u n i t ，p d u ) 。本层形成的p d u 即为下一层的s d u t 7 1 。 r 南京邮电火学硕一i ：j f 究生学位论文第二章i e e e8 0 2 1 6 标准概述 8 0 2 1 6 垢准越秘 ，l 一一一。一。一。1 特宠鼍务龙囊予痿 m a cs a p 公共部分予鹰 安全子缀 i i簸簟耋控糍平啦 l i 一一。 2 2 2 特定服务会聚子层 h 定薹襞篓子矿 - o _ _ l - ：l i i i 一一 公翼嚣貔一公共翻分子滋 二鬣凝二： 臂理实俸 - 钓理艇 一 警理平蠲 m 一一 图2 - 18 0 2 。1 6 的参考模型 j ； l 一 辫 终 警 露 摹 娩 特定服务会聚子层提供与更高层的接口，它可通过不同的会聚方式适配各种上层业务 与协议。目前i e e e8 0 2 1 6 d 一2 0 0 4 标准中制定了两种类型的子层：a t m 会聚子层和p a c k e t 会聚子层。其中，a t m 会聚子层是为a t m 业务而定义的，而p a c k e t 会聚子层则是面向分 组业务。本文主要介绍p a c k e t 会聚子层。 p a c k e t 会聚子层处理来自上层实体的s d u ，通过分类器把它们分类映射到某一个合适 的m a c 层连接。该映射过程是将一个m a cs d u 与一条连接关联起来，同时也将该m a c s d u 与此连接所承载的服务流特征关联起来，而连接所承载的服务流特征为该分组提供 q o s 。除了这些基本功能之外，p a c k e t 会聚子层还可以执行其他一些操作，如为提高无线 链路的效率而进行净荷报头压缩。 2 2 3m a o 公共部分子层 m a c 公共部分子层位于c s 子层的下面，它实现m a c 层的所有核心功能，包括系统 雨京邮电人学硕一l ：研究生学位论文第二章i e e e8 0 2 1 6 标准概述 接入、带宽分配、连接建立和连接维护等。它的最主要任务是对所传输的数据实施q o s 控 制。对于连接的服务质量控制以及数据单元的调度机制均在该层实现。并且它可以把接收 到的m a c 层s d u 映射到特定的连接并打包成m a cp d u 。 m a cp d u 的构造和传送主要采用串联( c o n c a t e n a t i o n ) 、分段( f r a g m e n t a t i o n ) 和打包 ( p a c k i n g ) - - 种方式。 在上行或下行方向，可以将多个m a cp d u 串联在一起，一并发送给接收端。分段是 指将一个m a cs d u 划分成长度较小的片段后，形成一个或多个m a cp d u 再进行传输。 这一技术可以充分利用有限的可用带宽来满足连接所承载的服务流的q o s 需求。 与分段相对应，打包指的是将多个s d u 封装进一个p d u 进行传输。打包可以通过连 接的属性来指出当前的所承载的是定长分组还是变长分组。并由发送方决定是否将一组 m a cs d u 打包成一个p d u 。 2 2 4 安全子层 安全子层提供加密、鉴权、安全密钥交换等与安全有关的功能。它由两个子协议组成： ( 1 ) 用于加密数据包的封装协议( e n c a p s u l a t i o np r o t o c 0 1 ) ：可采用该协议来对8 0 2 1 6 网络 上传输的分组进行加密。 ( 2 ) 密钥管理协议( p r i v a c yk e ym a n a g e m e n t p k m ) ：该协议提供了密钥数据从b s 到s s 的安全分发，s s 和b s 可以采用该协议同步密钥数据。b s 还可以用此协议对网络服务执 行有条件访问。 2 3m a c 层对物理层的支持 m a c 层协议可以支持多种双工模式：时分双i ( t i m ed i v i s i o nd u p l e x ，t d d ) 和频分双 i ( f r e q u e n c yd i v i s i o nd u p l e x ，f d d ) ，这两种模式都使用突发( b u r s t ) 数据传输格式。双工模 式的选择也许会影响某些p h y 层参数，进而影响所支持的物理层特性。 2 3 1f d d 在f d d 的系统中，上行链路和下行链路使用不同的频率，下行链路数据可以采用突 发的方式传送，并且上行链路和下行链路均使用固定持续时间的帧。这点将有利于使用不 - i o 堕皇塑皇盔兰堡兰型茎生兰垡堡奎笙三兰! 兰兰兰! ! ! ：! ! 堡堡塑垄 同的调制类型。它可以同时支持全双工s s 和半双工s s 。全双工s s 可以持续侦听下行信 道，而半双工s s 只能在其上行发送不工作时才能侦听下行信道。如果采用半双工s s ，在 它正准备从下行信道上接收数据的同时，带宽控制器就不应为这个用户站分配上行带宽。 2 3 2t d d 在t d d 系统中，上、下行链路通常共享同样的频率，并且它们在不同时隙中传输。 一个t d d 的帧结构如图2 - 2 所示【羽。t d d 的帧有固定的持续时间，它包含一个下行子帧和 上行子帧。分配给上行链路和下行链路的带宽是可以自适应调整的。上行链路和下行链路 的分界是一个由系统中的上层来控制的系统参数。 图2 2t d d 模式下的帧结构 2 3 3d l m a p u l - m a p 消息 d l m a p 消息由b s 在下行信道广播，它通知所有s s 下行带宽资源的分配信息。 u l m a p 消息也由b s 在下行信道广播，用于广播上行链路的带宽资源分配信息。 2 4 服务流 8 0 2 1 6 的m a c 层是面向连接的。为了与s s 上的业务建立映射并且与不同的q o s 等 级进行关联，所有的数据通信都是基于连接的上下文。8 0 2