IEEE 80216系统中QoS机制的研究.docx
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IEEE80216系统中QoS机制的研究
IEEE802.16系统中QoS机制的研究
山东大学硕士学位论文
摘要
IEEE802．16宽带无线城域网技术的不断发展和成熟，推动了宽带无线接入技术的进步，刺激了无线接入市场。
作为对基于IEEE802．16标准的产品进行一致性和互操作性认证的国际组织，WiMAX论坛在宽带无线接入领域的影响日益增强，今天WiMAX几乎成为了IEEE802．16的同名词。
与此同时，WiMAX中的关键技术——服务质量（QoS）也受到了越来越多的研究者的关注，成为WiMAX技术中的研究热点。
应用于固定、便携、移动等场景宽带无线接入系统的IEEE802．16标准，需要满足不同种类服务流的QoS需求。
标准中提出的媒体接入控制（MAC）协议详细定义了四种类型的服务以及BS与SS之间的信令交互机制（如连接建立、带宽请求、UL-MAP消息等），规定了UGS服务的上行链路调度算法，还提出了一种系统的QoS架构，但是对于rtPS、nrtPS和BE这三种服务的调度算法以及具体的接纳控制机制却没有作出明确的规定。
基于上面的情况，本文在研究了IEEE802．16系统现有QoS技术的基础上，提出了一种改进的QoS架构，该架构新增了缓冲模块、流量整形模块和自适应调制编码（AMC）模块；另外，本文还对架构中的上行分组调度（UPS）模块进行了具体的设计，将其分为信息模块、调度数据库模块和服务分配模块三个部分，提出了一种基于严格优先级的调度服务原则，分别给出了rtPS、nrtPS和BE服务的调度算法，并通过具体仿真验证了提出的策略为实时业务提供QoS支持时的有效性；对于架构中没有定义的接纳控制机制，本文提出了一种基于优先级的动态带宽分配接纳控制机制，并将其与传统的固定带宽分配的接纳控制机制比较，发现提出的接纳控制机制具有更优的性能。
另外，针对目前应用广泛的IP网络传送语音（VolP）服务，本文提出了一种应用于IEEE802．16系统VoIP服务的改进的上行链路调度算法，该算法是一种基于语音活动检测的调度算法，BS根据Ss的语音状态转换来分配上行链路资源。
它可以弥补传统的调度算法中的一些不足，例如对上行链路资源的浪费、增大MAC负荷和引入附加的接入时延等。
本文就系统的吞吐量和接入时延两方面分
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别对传统算法和改进算法作了具体的分析和仿真，结果表明，改进算法在吞吐量和系统容量方面具有最优的性能。
最后，对于正EE802．1ie和[EEE802．16标准的融合组网问题，通过引入一个无线网关（RG）模块，本文提出了一种用于这两种标准融合组网时的QoS架构，从而实现了正EE802．16和正EE802．1le融合组网中端到端的QoS保障，另外，还提出了基于此架构的两种QoS映射机制：
区分优先级的映射和参数化的映射，并分别作了分析研究。
关键词：
rF．EE802．16；服务质量；架构；调度算法；接纳控制
II
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ABSTRACT
IEEE802．16broadbandWirelessMetropolitanAreaNetwork（WMA№technologygrowsunceasingly．Itcontributesalottothedevelopmentofwirelessaccesstechnologyandthewirelessmarket．TheWiMAXForumisforthepurposeofguaranteeingthecompatibilityandtheinteroperabilityofdifferentproductsbasedonIEEE802．16standards．ItsimpactisincreasinginthefieldofBroadbandWireless
Access03WA）．TodayWiMAXhasbecomethesynonymofIEEE802．16．Atthesametime,thecrucialtechnologyofWjMA）呻墙】埘ofService（Qos）hasdrawnmore
andmoreattentions，andhasbecomethehotspotofWiMAXtechnologystudy．
IEEE802．16，thespecificationforfixed,portableandmobileBWAsystems，ispromisingtosupportheterogeneousclassesoftratjfic研也differentiatedQoS．TheproposedMediumAccessControl（MAC）protocoldefinesfourtypesofserviceflows，themechanismformessageexchangebetweenBSandSS（suchastheconnectionset-up，BW-requestandUL-MAPmessage）andtheuplinkschedulingforUGSserviceflow．TheMAChasalsoproposedaQoSarchitecture．However,thedetailsofschedulingalgorithmsforrtPS，nrtPS，BEserviceflowandtheadmissioncontrol
processareleftunspecified．
Tosolvetheproblemsmentionedabove，thispaperproposedanenhancedQoSarchitecture，whichisbasedontheexistingQoSarchitectureandthebuffermodule，trafficpolicingmodule，adaptivemodulationcode（AMC）moduleadded；Inaddition,thispaperdesignedtheuplinkpacketscheduling（UPS）anddivideditintothreemodules：
informationmodule，schedulingdatabasemoduleandserviceassignmentmodule．ItproposedaschedulingservicedisciplinebasedonstrictpriorityandtheschedulingalgorithmsforrtPS，nrtPSandBEservicesrespectively．ItalsoevaluatedtheperformanceoftheproposedmechanisminprovidingQoSsupporttorealtimeapplicationbysimulation；Asthedetailoftheadmissioncontrolprocessisunspecified,thispaperdefinedadynamicbandwidthallocationadmissioncontrolprocessbasedon
III
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priority,andcompareditwiththeconventionalfixedbandwidthallocafionadmissioncontrolprocess．TheresultshowsⅡlattheproposedadmissioncontrolmechanismismoreemcient．
InadStioIl'forSe、7romservicewhichisbecomemoreandmorepopular,thispaperproposedanenhanceduplinkschedulingalgofithmforv0口servicesi11IEEE802．16systems，whichisbasedonvoiceactivitydetecting：
theBSassignsuplinkresourcestotlleSSsconsideringvoicestateVansitionsoftheSSs．ThisalgofithmCansolveSeproblemscausedbytheconventionalalgofithms，suchaswasteofuplink
黝urce，MACoverheadandadditionalacccs8delay．Theanalysisandsimmion
rcsulBshowedt11atthisenhancedalgofithtnhadbett盯performanceinviewofthroughputandsystemcapacity．
Lasfl％tosolvethemterworkingproblemofIEEE802．1ieandIEEE802．16
standards，thispaperproposedaQoSarchitcc柚rebydesigningaradiogateway（RG）modulet0guaranteetlleend-t0一endQoSillaninterworkingsystemofIEEE802．1leandIEEE802．16standards．Besides，ital∞proposedtwodi侬：
rentQoSmappingmechanismsbasedonSisarchitecture：
pfiofitizedmappmgandparameterized
mapping．
KeyWords：
IEEE802．16；QualityofService；arcIlitecture；schedulmgalgofithm；
admissioncon仃ol
IV
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英文缩略语
AIFS仲裁帧间间隔
AMCAdaptiveModulationCode自适应调制编码
APAccessPoint接入点
ArM异步传输模式
BEBestE肋rt尽力而为服务
BSBaseStation基站
BWA宽带无线接入
CAPControlAcc燃sPhase控制接入状态
CBCCipherBlockChaining密码块链
CFPContentionFreePeriod无竞争时期
CIDConnectionIdentifiers连接标识符
CP竞争时期
CPSCommonPartSublayer公共部分子层
CSConvergenceSublayer汇聚子层
CTCommunicationTechnology通信技术
DAMADemandAssignextMultipleAccess按需分配多址接入
DCD下行信道描述器
DCF分布式协调功能
DE（玎DigitalEnhancedCordlessTelecommunicatiom数字增强无绳电话DHCPDynamicHostConfigurationProtocol动态主机配置协议DIUC下行间隔使用码
DLDownlink下行
V
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DSADyllainicServiceAddition动态服务流添加
DSCDynamicServiceChange动态服务流更改
DSDDynamicServiceDelete动态服务流删除
DSLDigitalSubscriberLine数字用户线路
DVB·HDigitalVideoBroadcastSystemforHandheld手持式数字视频广播系统
DVB-TDigitalVideoBroadcasting·Terrestrial数字无线电视
EDCA增强型分布式存取机制
EDFEarliestDeadlineFirst最早到期优先
HCFHybridCoordinationfunction混合协调功能
IEInformationElement信息单元
IEEEInstituteofElectricalandElectronicsEngineers电气和电子工程师协会
ITInformationTechnology信息技术
UMDSLocalMultipointDistributeService本地多点分配业务MACMediumAccessControl媒体接入控制MMDSMulti—channelMicrowaveDistributionSystem多路微波分配系统nnPSnonrealtimePollingService非实时轮询服务OFDMOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing正交频分复用
PCFPointCoordinationFunction点协调功能
PDU协议数据单元
PHS净荷报头压缩
PKMPrivacyKeyMangement密钥管理
PHSIPayloadHeaderSuppressionIndentifier净荷报头压缩索引
PMPPoint—To-Multipoint点到多点
QoSQualityofService服务质量
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RFID无线射频识别技术
ftPSrealtimePollingService实时轮询服务
SASecurityAssociation安全联系
SAPServiceAccessPoint服务接入点
SDUServiceDateUnit服务数据单元
SFIDServiceFlowIdentifiers服务流标识符
SNN口简单网络管理协议
SS用户站
TC业务种类
TDDTimeDivisionDuplexing时分双工
TDMATimeDivisionMultipleAccess时分多址
TFrP简单文件传输协议
TDTm伍cIdentifier业务标识
TS业务流
TSIDTfaf丘cStreamIdentifier业务流标识
UCD上行信道描述器
UGSUnsolicitodGrantService主动授予服务
UIUC上行间隔使用码
ULUplink上行
ⅧU81e1"Priorities用户优先级
UPSUplinkPacketScheduler上行分组调度器
V，0口口网络传送话音
WFQ加权公平排队
Wi．FiWirelessFidelity无线保真（802．11标准的简称）
VIl
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WiMAXWorldIntcropcrabilityforMicrowaveAccess全球微波接入互操作性
ⅥANWirelessLocalAreaNetwork无线局域网WMANWirelessMetropolitanAreaNetwork无线城域网Ⅵ，P!
AN无线个域网
删心IWirelessWideAreaNetwork无线广域网
VIII
原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。
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。
本声明的法律责任由本人承担。
论文作者签名：
么乞雄日期：
2丝坠丛
关于学位论文使用授权的声明
本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。
（保密论文在解密后应遵守此规定）
论文作者签名：
绰导师签名：
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第一章引言
随着现代通信技术的飞速发展，人们对语音、视频、数据等的各种需求不断增长。
目前，核心网络的建设已具有相当规模，已可以满足社会发展对极大容量信息传输的要求，而突出的矛盾集中在接入网部分，因此各种宽带接入技术的发展成为当前通信界关注的焦点。
在各种宽带接入技术中，由于宽带无线接入（BWA）技术[1l具有灵活、方便、可移动性和投资少的明显优势，所以越来越受到Ⅱ界的广泛重视。
宽带无线接入技术是指从交换节点到用户终端采用无线通信，并能实现宽带业务接入的技术。
从20世纪80年代开始，宽带无线接入技术得到了迅速发展，包括无线局域网（WLAN）【21、本地多点分配业务（LMDS）[31、多路微波分配系统（MMDS）[4]在内的多种宽带无线接入技术获得了较为广泛的应用。
其中，WLAN是利用无线通信技术在一定范围内建立的网络，它利用电磁波发送和接收数据，是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。
其目标是通过无线通信的方式实现有线局域网的功能，并可以提供更加灵活、便捷的接入手段。
但是，在总体设计上，WLAN并不能很好地用于室外的宽带无线接入，当其应用于室外时，在带宽和用户数方面受到了很大限制，同时还存在通信距离等一些其它问题。
LMDS是一种以点对多点的固定无线通信方式提供宽频及双向的语音、数据与视讯等传输的通信技术。
MMDS起源于电视网络，是指通过微波传送有线电视的系统，是一种以视距传输为基础的图像分配传输技术。
LMDS和MMDS等是早期的固定宽带无线接入技术，目标是提供与有线宽带接入质量相当的高速无线接入服务，但由于缺乏全球性的统一标准，发展空间具有相对的局限性。
基于上面的状况，国际电气和电子工程师协会（IEEE）成立了802．16工作组，开始研究制定一个解决“最后一公里”问题的宽带无线城域网（WMAN）全球统一标准——正EE802．16标准，又被称为IEEEWirelessMAN空中接口标准。
与此
同时，在借鉴和学习WLAN的Wi．Fi联盟成功经验的基础上，为了促进标准的发展、完善和市场推广，由世界知名通信企业联合发起了WiMAX论坛，并在全球范围内推广IEEE802．16协议。
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图1．1给出了各种无线接入方式的演化，从中可以看出IEEE802．16系列标准的技术定位，它在城域网中实现无线环境下的高速数据接入。
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图1．1无线接入方式的演化1．1IEEE802．16空中接口标准
1999年，IEEE成立了802．16工作组来专门研究固定宽带无线接入技术规范，目的就是要建立一个全球统一的宽带无线接入标准。
为了促进该标准的成功制定，2001年4月诺基亚等业界领先的通信设备公司及器件公司共同发起成立了WiMAX论坛，意在全球范围内推广这一标准。
2001年底，IEEE802．16工作组发布了其第一套标准：
IEEE802．16。
随着各种问题的出现和技术的进步，WiMAX标准在不断地演进，目前已经演进到IEEE802．16k。
其中已经发布的标准数量达到6个，另外还有4个正在制定中，表l-l给出了各标准涉及到的相关技术领域。
在IEEE802．16系列标准中，物理层标准包括IEEE802．16a、16d和16e。
由于IEEE802．16工作在毫米波段，建筑物及各种地理条件对其影响太大，于是有了修改版本IEEE802．16a，其工作频段为2～11GHz，并包括了业余频段。
该频段能以更低的成本提供更大的用户覆盖。
另外，IEEE802．16a的MAC层能够提供QoS保证机制，支持语音和视频等实时性业务，能适应各种物理层环境。
不过，IEEE802．16a标准仅仅是IEEE802．16标准的修改和扩展，不是一个独立的标准，所以IEEE802．16组织又制定了IEEE802．16dt51。
该标准对IEEE
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802．16和IEEE802．16a进行了整合和修订，是相对成熟并且最具实用性的一个标准版本。
作为增强版的IEEE802．16e161的成功制定，无疑是WiMAX技术的一个最重要的里程碑，因为它成功地将该技术引入到移动领域。
它工作在2"-6GHz频段，是支持移动性的宽带无线接入空中接口标准。
实现了高速数据业务的宽带无线移动接入，还支持基站或扇区间高层切换功能。
之外，IEEE802．16e还能向下兼容ⅢEE802．16d。
除了以上几个物理层标准外，另外还有3个重要标准：
IEEE802．16c／f／g。
它们分别定义了系统MAC层和物理层的管理信息库以及相关的管理流程和设备的互操作性和对网络资源、移动性和频谱的有效管理。
值得一提的是，IEEE802．16魄这两个标准是W'LMAX论坛组织在中国深圳提出的，目的是在网络管理层面形成
新标准。
目前，IEEE802．16f已经发布，而802．169正在制定中。
表1．1IEEE802．16空中接口相关标准
标准编号发布时间涉及的技术领域
正EE802．162001年12月10---66GHz固定宽带无线接入系统空中接口IEEE802．16a2003年4月2～11GHz固定宽带无线接入系统空中接口IEEE802．16c2002年lO月10-q56GHz固定宽带无线接入系统的兼容性IEEE802．16d2004年7月2-．-66GHz固定宽带无线接入系统空中接口（对
802．16、802．16a、802．16c的修补）
ⅢEE802．16e2005年12月2--,6GHz固定和移动宽带无线接入系统空中
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