0437林泽鸿《基于IEEE 80216 QoS机制的接入控制策略的研究》.docx

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0437林泽鸿《基于IEEE80216QoS机制的接入控制策略的研究》

本科生毕业论文

题目：

基于IEEE802.16QoS机制的接入

控制策略的研究

院系：

信息科学与技术学院

专业：

电子信息科学与技术

学生姓名：

林泽鸿

学号：

04372055

指导教师：

（职称）秦家银教授

二00八年四月

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IEEE802.16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。

IEEE802.16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：

IEEE802.16；物理层；MAC层；QoS；接入控制。

Abstract

Withthedevelopmentofcommunication,thewirelessaccesstechnologytendtobebroadbandandIP.AndtheIEEE802.16whichisthestandardof3G,havebecomethefocusoftheindustryforitsadvantage.Asmanykindsofmultimediaserviceappear,andtherequirementsoftheseservicesaredifferent,provideQoSguaranteeforthedifferentservicehavebecometheimportantandchallengedtask.

AlthoughtheMAClayerofIEEE802.16havedefinedthestructureoftheQoSmechanism、interoperabilitysystemofsignal、classifyandmanagementoftheserviceandthedistributionofbandwidth,itleavetheparametermapping、flowadjusting、schedulingarithmeticandaccesscontrolarithmetictothedeveloper.

CAC（CallAccessControl）istheimportantmechanismofQoS,itsmaintaskistojudgingwhetheracceptanewconnectionrequirement,accordingtothetypeoftheconnection、requirementofQoS、requirementofbandwidthandtheconditionofnetworkresource.Becauseoftherestrictofbandwidthresource,ithavetofindabalancepointbetweenassuretheQoSrequirementandacceptmoreconnection.Itallowtodegradetheleveloftheconnectionsoastoreleasesomeresourcetoacceptmoreconnection,butthebasicQoSofthedegradedconnectionmustbesatisfied.AndalsosetthepriorityforthedifferentserviceandadoptdifferentstrategyofCAC.

Inthepaper,thebackgroudanddevelopmentof802.16protocolwillbeintroducedfirst,andthenanalyzetheprotocolmainlyaboutthephysicallayerandMAClayer,followingresearchtheQoSmechanism,finallyresearchthearithmeticofCACandsimulatethearithmeticbyusingMatlab.

Keyword：

IEEE802.16；physicallayer；MAClayer；QoS；accesscontrol.

目录

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IEEE802.16体系结构3

2.1网络拓扑结构3

2.1.1PMP拓扑结构3

2.1.2Mesh拓扑结构3

2.2IEEE802.16协议模型4

2.3物理层5

2.4MAC层7

2.4.1汇聚子层（CS）7

2.4.2公共部分子层（CPS）7

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

3.3QoS架构和调度策略12

3.3.1QoS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25

参考文献26

致谢27

第一章绪论

1.1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。

IEEE802.16是IEEE802LAN/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2~66GHz的许可带宽和免许可带宽[1]。

IEEE802.16标准于2002年正式颁布。

对使用10~66GHz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，市场应用受到限制。

经进一步完善，2003年又发布了IEEE802.16a，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2~11GHz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IEEE802.16d标准，是相对比较成熟且最具有实用性的版本。

它对2~66GHz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IEEE802.16e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（WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess，全球微波接入互操作）是IEEE802.16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IEEE802.16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论坛旨在推广IEEE802.16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IEEE802.16技术，涵盖了IEEE802.16d和IEEE802.16e。

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。

1.2论文研究的主要内容

IEEE802.16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，CallAccessControl）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IEEE802.16支持多种业务，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。

1.3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IEEE802.16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IEEE802.16体系结构

2.1网络拓扑结构

WiMAX系统由BS（BaseStation，基站）和SS（SubscriberStation，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。

2.1.1PMP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（ServiceAccessPoint，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（RepeatStation，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（ProtocolDataUnit，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。

2.1.2Mesh拓扑结构

Mesh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MeshBS，其他的节点都是MeshSS。

上下行链路是对于MeshBS和MeshSS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。

2.2IEEE802.16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：

特定服务汇聚子层（ServiceSpecificConvergenceSublayer,CS）、公共部分子层（CommonPartSublayer,CPS）、安全子层（SecuritySublayer）。

2.3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

<11GHz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。

WirelessMAN-OFDM

<11GHz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

<11GHz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

<11GHz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AAS,ARQ,Mesh和STC等。

由表可看出，10~66GHz接入系统主要采用单载波调制，而2~11GHz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）、16-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2－4TDD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ULPDU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，OFDMA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]。

2.4MAC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SS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汇聚子层（CS）

CS的功能是提供从CSSAP接收到的外部网络数据到MAC层的服务数据单元（ServiceDataUnit，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（ATMCS）；面向分组业务的汇聚子层（PacketCS），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。

ATMCS是将ATM服务与MACCPS的SAP连接起来的逻辑接口。

ATMCS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。

PacketCS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（CPS）

公共部分子层完成MAC层的核心功能，包括MACPDU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MACSAP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CSPDU或MAC管理信令，结合业务流传输策略，把数据封装成合适的MACPDU。

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MACPDU格式，结合业务流传输策略，把从物理层收到的MACPDU分解，正确识别CSPDU和MAC管理信令，转发到MACCS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

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MACPDU净荷部分的规则（加密只针对净荷部分，MACPDU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，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MAC层QoS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（