（信号与信息处理专业论文）ieee+80216mac层协议研究与程序设计.pdf

i e e e8 0 2 1 6m a c 层协议研究与程序设计 摘要 近几年最后几公里的宽带接入技术的开发如火如荼，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，一种 新协议i e e e8 0 2 1 6 于2 0 0 2 年4 月正式颁布，它定义了无线城域网 的空中接口。 最大限度地在固定宽带无线接入系统中，为不同要求的服务提供 0 0 s 保证是一个非常重要和具有挑战性的问题。尽管i e e e8 0 2 1 6 m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层协议提出了要对各种不同的应用提 供q o s 保证，但并没有对如何调度来达到0 0 s 要求进行标准化，这 样就为设备商提供了区别它们产品的机制，可以使设备商在保证互操 作性的同时使用它们认为最好的方案。为了给不同的应用提供不同水 平的q o s 保证，并且仍然能够达到较高的带宽利用率，一个有q o s 保证的结构体系应该与m a c 层协议整合在一起。本文，我们首先分 析了i e e e8 0 2 1 6 标准，接着对m a c 层协议进行了深入研究，然后 在基于m a c 协议研究的基础上提出了一种新的有效的调度体系，设 计支持优先级调度、动态地带宽分配和q o s 保证。这种体系支持多 种不同类型的业务流，包括固定比特率业务，可变比特率业务( 实时 和非实时) 和尽力服务等。 为了跟踪和研究i e e e8 0 2 1 6 ，我们建立了一个基于8 0 2 1 6 的模 拟试验系统。完成的工作有整个系统结构的详细设计，各功能模块的 详细设计和代码编写，系统联调和测试，以及测试结果的分析。 关键词：i e e e8 0 2 1 6 宽带无线接入m a cq o s 调度 i e e e8 0 2 16 【a cp r o t o c o lr e s e a r c ha n d p r o g r a md e s i g n a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，s e v e r a ll a s tm i l eh i g h s p e e dt e c h n o l o g i e sh a v eb e e n e x p l o r e dt op r o v i d ei n t e r n e ta c c e s sa n dm u l t i m e d i as e r v i c e st ou s e r s f o r f i x e db r o a d b a n dw i r e l e s sa c c e s s ( b w a ) s y s t e m s ，an e w p r o t o c o l ，c a l l e d i e e e8 0 2 16w a sd e v e l o p e da n dp u b l i s h e di na p r i l2 0 0 2 t h es t a n d a r d d e f i n e st h ea i ri n t e r f a c ef o rw 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 s ( m a n ) p r o v i d i n gq o sg u a r a n t e e s f o rv a r i o u st r a f f i cw i t hd i f f e r e mq o s r e q u i r e m e n t si n f i x e db ，as y s t e mi sav e r yi m p o r t a n ta n dc h a l l e n g i n g p r o b l e m a l t h o u g hi e e e8 0 2 1 6m a c p r o t o c o l sh a v eb e e np r o p o s e dt o s u p p o r tq o sg u a r a n t e e s f o rv a r i o u sk i n d so fa p p l i c a t i o n s ，t h e yd on o t s u g g e s th o w t os c h e d u l et r a f f h ct of u l f i l lq o s r e q u i r e m e n t s s oi tp r o v i d e s a ni m p o r t a n tm e c h a n i s mf o rv e n d o r st od i f f e r e n t i a t et h e i re q u i p m e n t t h e v e n d o r sw i l li n t r o d u c et h eb e s ts c h e m e st om a x i m i z et h i so p p o r t u n i t y w h i l em a i n t a i n i n gi n t e r o p e r a b i l i t y i no r d e rt op r o v i d ed i f f e r e n tl e v e l so f q o sg u a r a n t e e s f o rv a r i o u s a p p l i c a t i o n s w h i l es t i l l a c h i e v i n gh i g h b a n d w i d t hu t i l i z a t i o n ，aq o sa r c h i t e c t u r es h o u l db ei n t e g r a t e di n t ot h e m a c p r o t o c 0 1 i nt h i sp a p e r f i r s tt h ei e e e 8 0 2 16s t a n d a r di sa n a l y z e d ， f o l l o w e db yad e e p l yr e s e a r c ho fm a c l a y e rp r o t o c 0 1 t h e nb a s e d o nt h e r e s e a r c ho fm a cp r o t o c o lt h i s p a d e rp r e s e n t s an e wa n de f f i c i e n t s c h e d u l i n g a r c h i t e c t u r et o s u p p o r tp r i o r i t ys c h e d u l i n g ，d y n a m i c b a n d w i d t ha l l o c a t i o na n dq o sg u a r a n t e e s t h ea r c h i t e c t u r ea r ed e v e l o p e d t os u p p o r tv a r i o u st y p eo ft r a f f i ci n c l u d i n gc o n s t a n tb i tr a t e ，v a r i a b l eb i t r a t e ( r e a l t i m ea n d n o n r e a l t i m e la n db e s te f f o r t t or e s e a r c ha n dt r a c et h ei e e e8 0 2 16 w eb u i l tat r i a ls i m u l a t i o n s y s t e mb a s e do nt h es t a n d a r d w eh a v ef i n i s h e d t h ew o r k s i n c l u d i n gh i g h l e v e l d e s i g n o fs y s t e m a r c h i t e c t u r e ，h i g h l e v e l d e s i g n o fs o f t w a r e m o d u l e ，c o d i n g ，s y s t e md e b u g ，t e s ta n da n a l y s i so f t e s tr e s u l t s k e yw o r d s ：i e e e 8 0 2 16 ，b w a ，q o s ，m a c ，s c h e d u l e f 5 8 s 4 6 6 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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。 墓荧薹箬产三鼗三：! ! 三三 本人签名：w 坠盟 处，本人承担切相关责任。 日期 萨，tv 一7 珂 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 密在一年解密后适用本授权书。非保密论 适用本授权书。 日期 日期 山一y j 治 j 塑啦 第一章绪论 1 1i e e e8 0 2 1 6 标准制定的背景和意义 在未来的信息社会中，信息极大丰富，信息的获取应极其便利。实现这个美 好目标的物质技术基础是宽带通信网络。目前，光纤通信科技的发展，已可实现 在一条光纤上传输1 0 0 0 g b i t s 的信息流，并且不断向更高速率发展。 基于光纤通信的骨干网技术已可满足社会发展对极大容量信息传输的要求。 但是瓶颈存在于接入网，因此各种宽带接入网技术的发展成为当前通信界关注的 重点。在各种宽带接入技术中，宽带无线接入( b w a ) 系统具有灵活、方便、可移 动性和投资少的明显优势，越来越受到i t 业界的广泛重视。 本地多点分配业务( l m d s ) 是近年来逐渐发展起来的一种双向固定宽带无线 接入技术，可以提供大量的新兴宽带业务，如高速i n t e r n e t 接入、实时多媒体 文件传输、交互式视频、即时点播、电视会议及远程医疗、教学、工作等，目美 国c e l l u l a r v i s i o n 公司开发以来，受到了世界各地的普遍关注。之所以如此， 是因为l m d s 具有以下优点： ( 1 ) 经济性好：随着电信市场的逐步开放，宽带业务具有十分庞大的市场潜 力。面对拥有大量基础设施的老运营商，必须采用新技术。而作为宽带无线接入 技术之一，l m d s 业务开展快、灵活性大、启动成本低，特别是基础结构的成本 低，适于随着用户的增加而渐进扩张，因此经济性好。 ( 2 ) 真正的宽带系统：目前，各国分配的l m d s 带宽至少有1 g h z ，能够满足 不断增长的带宽需求，使得宽带业务能够克服铜缆本地环路的瓶颈，因而颇受业 界人士的关注。 ( 3 ) 业务范围广：l m d s 可同时向用户提供话音、数据及视频综合业务，符 合网络融合的趋势，与传统的接入方式相比，更具灵活性，业务更加多样化。 由于l m d s 技术的以上优点，在世界各地陆续建设了一些试验系统，提供多 种多媒体业务，证实了l m d s 系统的生存能力和适用性。许多国家已经相继分配 了本地区l m d s 的工作频段，特别是发展中国家，把l m d s 看作是光缆和铜缆的过 渡或替代技术，以加快信息化建设。在中国，p c o m 公司前不久与中国联通签 署了一项协议，共同进行l m d s 系统的试验工作，已取得满意的效果。作为一项 很有前途的技术，l m d s 的市场前景十分广阔。中国有关部门和企业对发展l m d s 系统予以高度重视，相关的工作也正在进行之中。 目前国际上有很多公司推出了l m d s 系统的产品，并已陆续投入商用。但因 为没有统一的标准，这阻碍了b w a 接入系统的进一步发展。因此b w a 系统的标准 化工作成为当务之急。2 0 0 0 年8 月，美国i e e e 标准8 0 2 系列8 0 2 1 6 工作组提 出了一个固定宽带无线接入系统空中接口的i e e e8 0 2 1 6 1 标准讨论稿。 该标准主要应用于宽带无线接入方面。8 0 2 1 6 工作组的目标是开发固定宽 带无线接入系统的标准，这些标准主要解决最后一英里本地环路问题。8 0 2 1 6 不同于8 0 2 1 1 a 的地方在于它为了提供一个支持真正无线网络迂回的标准，从一 开始就提出了有关声音、视频、数据的服务质量问题。 许多运营和服务提供商也许还不熟悉i e e e8 0 2 1 6 标准的细节，但这种无线 技术将会给宽带无线接入产业带来革命。8 0 2 1 6 标准，( 固定宽带无线接入系统 的空中接口) 也被称为i e e e 无线城域网的标准。这种技术在城域网中提供最后 一公里的宽带接入，接入性能可比电缆、d s l 和e l t 1 。基于8 0 2 1 6 的这种系统 主要有如下优点：快速提供服务，特别是在有线接八难以到达的地区：避免高昂 的安装费用；能够克服传统有线网络的物理局限。当前，给不能提供宽带接入的 地区，提供用电缆和d s l 的方式的有线接入，是一种非常耗时和需要大量财力的 过程。在全世界都还有惊人的大片区域不能提供宽带接入，而8 0 2 1 6 无线技术 则提供了一种灵活、高效的基于标准的方法来填平目前在宽带覆盖方面存在的鸿 沟，在有线世界里提供宽带服务的新方式是难以想象的。 1 2 8 0 2 1 6 协议的标准化进程和发展情况 和信息技术产业的其他部分一样，宽带无线接入( b w a ) 是在互操作标准中 发展起来了。关于数据通信网络，i e e e 一8 0 2l a n m a n 委员会已经成为局域网络 和城域网络标准的世界领导者。 i e e e 一8 0 2 3 以太网标准和i e e e 一8 0 2 1 1 无线l a n 标准的成功是i e e e8 0 2 的 开放行业资源的极好例子。b n a 行业通过宽带无线接入的i e e e 一8 0 2 1 6 工作组遵 循一个相似的方法，为了给本地无线环路( w l l ) 提供一个标准，i e e e8 0 2 委员 会于1 9 9 9 年成立了8 0 2 1 6 工作组来专门开发宽带无线标准。i e e e8 0 2 1 6 负责 对无线本地环路的无线接口及其相关功能制定标准，它由三个小工作组组成，每 个小工作组分别负责不同的方面：i e e e8 0 2 1 6 1 负责制定频率为l o g 到6 0 6 赫 兹的无线接口标准；i e e e8 0 2 1 6 2 负责制定宽带无线接入系统共存方面的标准； i e e e8 0 2 1 6 3 负责制定频率范围在2 g 到1 0 6 赫兹之间获得频率使用许可应用 的无线接口标准。这个标准涵盖全世界2 6 66 h z 的授权和未授权波段，为这一 行业的发展奠定了坚实的基础。 经过一些前期组织工作，8 0 2 1 6 工作组在1 9 9 9 年7 月开始工作。几百人参 加了这个两月一次、一周长的会议。这个组有来自1 0 0 多个公司的2 0 0 来名成员 2 和官方观察家。 i e e e8 0 2 】6 第一个无线技术的应用要实现商业和居民楼链接到高速核心网 络上，从而为这些网络提供接入。8 0 2 1 6 组的最初目标是基站蜂窝配置的点对 多点技术。每个工作都围绕着核心网并涉及到固定无线用户站。典型的用户站包 括连在室内网络接口单元的房顶天线无线电单元，尽管有时这两个单元可以都 放在室内或室外。最初研究的目标是商业，尤其是中小型企业市场。注意力正朝 向寻找居民建筑的商机，特别是当较低频率已能实现双向服务。 i e e e8 0 2 1 6 标准于2 0 0 2 年4 月3 日正式颁布。这个标准包括一个灵活的 m a c 层。物理层( p h y ) 是定义工作在1 0 6 6g h z ，这一频谱被默认为本地多点 分布服务( l m d s ) 的频谱。工作组修改基本i e e e 8 0 2 1 6 标准来适应低频。修改的 i e e e8 0 2 1 6 a 用于2 1 lg h z 的公开波段，美国最初的目标是多通道多点分布 服务( m i v i d s ) 波段。修订的8 0 2 1 6 b 是要满足5 6g h z ( 有时它称为u - n i l 波段) 免授权应用的需要。i e e e8 0 2 1 6 与国际电信联盟和e t s i 的标准团体保持紧密 的工作关系，特别是和e t s i 的宽带无线接入网络工程的h i p e r a c c e s s 和 h i p e r m a n 计划组、e t s i 工作组t m 4 联系更紧密。 i e e e 8 0 2 1 6 工作组遵循传统i e e e 8 0 2 的由一个公共m a c ( m e d i aa c c e s s c o n t r 0 1 ) 支持的开发多p h y 选项的方法。尽管三个空中接口工程的服务需要各 不相同，但8 0 2 1 6m a c 可以支持所有服务要求。 总的来说，点对多点结构与在共享上行线的特定单元和承担基站的一个时分 多元下行线方面，8 0 2 1 6m a c 吸收了d o c s i s 标准，这一标准已被成功的配置在 混合光纤同轴电缆系统罩，这一系统有一个相似的点对多点结构。然而，m a c 协 议工程是一个新的设计，它是一个能通过空中接口穿透任何协议并带有完整服务 支持的面向连接的m a c 。异步传输模式和基于组的集中层为更高的协议提供接口。 尽管提供了广阔的带宽分配和q o s 机制，但规划和预定管理的内容没有标准化， 并为厂商提供一个重要的机制来区分他们的设备。一个专有的子层提供了加密和 鉴权功能。 8 0 2 1 6m a c 的一个重要特点是提供带宽给一个用户站而不是他支持的个体 连接的选择权。这就提供了一个特权来允许一个智能用户站在用户中分配带宽， 这有利于在商业和居民建筑物中更有效的分配。通过头部压缩、串联 ( c o n c a t e n a t i o n ) 、分片( f r a g m e n t a t i o n ) 和打包( p a c k i n g ) 的方式来提高效 率。1 0 6 6 g h z 的物理层具有在覆盖范围内传播的功能，而不具备多路传播。有 两个基本的模式被提供。连续的模式使用f d d ，并在不同的频率同时上传和下传c 一个连续的时分复用后续程序有一个交错的强大串联译码配置。 突发模式含有t d d ，可以在一个通道上传和下传单不能同时传输，可以动态 3 的重新分配上传和下传的容量。这一模式也具有“突发f d d ”，他支持半取向f d d 用户站，既不能同时发送和接收，因此它是较为便宜的。t d d 和突发f d d 支持适 应突发的应用，在应用罩，调制( o p s k ，1 6 一q a mo r6 4 一q a m ) 和译码在不断突发 的基础上可以动态的重新分配。i e e e 8 0 2 1 6 组已经开发的2 1 i g h zb w a 的 8 0 2 1 6 a 标准。在美国，最初选定的频率是在p i i d s 波段，大部分在2 5 2 7g h z 。 在世界范围内3 5g h z 和1 0 5g h z 是适宜应用的，因为在有阻挡物情况下进行 操作有实际意义而且元件成本低，这些波段在用作居民和小型商业服务方面的前 景很好。频谱的有效性是适合这些用途的。 在免授权波段方面，i e e e 8 0 2 1 6 工作组开发一个基于8 0 2 1 l ao f d m 和或 h i p e r l a n 2p h y s 的物理层。在未公开的频谱里各个运营商基站的协调是这个组 面临的一个重要问题。正在改进的m a c 包括一个可选择的网状结构，加上8 0 2 1 6 m a c 灵活的点对多点拓扑实验。 i e e e8 0 2 1 6 代表了专注于开发固定宽带和无线接入的互操作设备的一个广 泛行业。从1 9 9 9 年起就努力建立一个高质量的标准。建立好的标准需要时间， 但8 0 2 1 6 已经证明它能快速开发的能力。这次定义i e e e8 0 2 1 6 标准取得了一 定成果，解决了技术难题和巩固了创新成果。这一成果是下一代而不是上一代设 备标准的具体化。 经过业内参加人士的一致同意，这些标准被定义为一个宽带接入主要的新型 可选择方式。 2 0 0 3 年7 月1 0 日，i n t e l 正式宣布开发基于i e e e8 0 2 1 6 a 标准的芯片，标 志着这种新兴的无线接入标准被主要厂商所接受，同时也预示着对应的产品即将 出现。 8 0 2 1 6 a 规范于2 0 0 3 年1 月2 9 曰被电气电子工程师协会( i e e e ) 通过，是 一种全新的无线城域网技术。它可作为线缆和d s l 的无线扩展技术，真正实现 无线同宽带接入的统一。8 0 2 1 6 a 是运行在2 g h z 到1 1 g h z 频谱上的i e e e8 0 2 ，1 6 规范的扩展。8 0 2 1 6 a 标准规范明确定义了三种无线数据传输方式：第一种是单 载波存取，这是为特殊需求的网络所保留的部分；第二种是经由2 5 6 个载波的 o f d m ( 正交频分复用) 存取，专门提供给大部分的应用程序使用：最后一种是 使用2 0 4 8 个载波的特殊o f d m a 标准，使用于搭配选择性的多点传送应用程序、 阶梯状网络的迸阶多路传输技术。从技术特点看，8 0 2 1 6 a 规范相当诱人，5 0 公 里的传输距离、7 0 m b p s 的传输速度，完全可以适应用户的不同需要，可以有效 地进行各种数据、语音和视频图像的传输。 8 0 2 1 6 a 标准将在2 0 0 4 年下半年推向市场，它的设备总值预计在2 0 0 8 年会 达到1 0 亿美元。w i m a x 论坛( w i m a xf o r u m ) 是8 0 2 1 6 a 的官方组织( 主要从事 d 帮助推广和认证8 0 2 1 6 a 设备的兼容性和互用性) ，这个非盈利性的组织已经吸 收了2 5 家知名厂商参与到其中来。 8 0 2 1 6 a 规范是相当有前途的，对于服务提供商来说，仅以一个基站就可以 为需要不同服务等级的数千名用户提供支持。同普通的宽带接入解决方案相比， 8 0 2 】6 a 系统大幅度地降低了客户购买基础设备的成本。 对于普通用户来说，它拥有更广泛的覆盖范围，更多的用户可以享受到高速 无线互联网服务。其次，宽带数据高速传输也是这个标准的一个重要特点之一， 即使是企业用户，这种高速度低投入的接入也可以满足需要。从w i m a x 的估计来 看，8 0 2 1 6 a 规范有着较低的宽带互联网服务成本，因为不需要线路的维护等成 本支出，最终用户可以获得更低的接入费用。 目前，可能困扰8 0 2 1 6 a 规范快速推广的制约就是其本身的高昂成本。如今 一个8 0 2 1 1 b 接收卡的售价已经在5 0 美元以下，而8 0 2 ，1 6 a 调制解调器每台的成 本则预计达到1 0 0 0 美元左右。当然，随着w i m a x 的成员们( a i r s p a n n e t w o r k s 、 a p e r t on e t w o r k s 、e n s e m b l ec o m m u n i c a t i o n s 、f u j i t s um i e r o e l e c t r o n i c sa m e r i c a 、 i n t e l 、n o k i a 、o f d mf o r u m 、p r o x i m 和w i l a n ) 的努力，相信这种新规范很快 就能全面展现它的魅力，从而彻底改变我们传统的互连网接入方式。 1 3 本文研究的主要内容 本文主要针对i e e e8 0 2 1 6 标准的m a c 层协议进行研究，重点在带宽分配 和请求方面，以及q o s 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，支持优先级调度、动态地带宽分配和q o s 保证。为了跟踪和 研究i e e e8 0 2 1 6 标准，建立了一个试验系统，用软件方式模拟实现了8 0 21 6 协议部分基本功能。 本文具体内容安排如下： 第二章对i e 髓8 0 2 1 6 标准的协议栈和组网应用进行了介绍。 第三章深入研究了i e e e8 0 2 1 6 的m a c 层协议，重点放在带宽分配和请求 相关方面的内容。 第四章对调度和预留管理的方法进行了研究，提出了面向i e e e8 0 2 1 6 标准 的调度解决方案和竞争分配的算法。 第五章是对建立的试验系统的介绍，包括软件功能模块的总体设计，各软件 功能模块和接口进行了详细说明，以及完成情况。 5 第二章8 0 2 1 6 的体系结构和组网 2 18 0 2 1 6 标准的体系结构 图2 1 是8 0 2 1 6 标准的协议栈参考模型，并且标明了8 0 2 1 6 标准涵盖的 范围。 s c o p eo fs t a n d a r d l - c!璧cs】cm；：一ienp二=：!怒：!髻：嚣。 i i m a cc o m m o np a r ts u b l a y e r ! l f 敞a c c 嘲 _ 二 棼墓蛩一 i p d v a c ys u b l a y e r ： _ p h y s t c a ll a y e r ( p h y ) _ 十n 洲a g e r n 。e 啪n te m “+ d = t a c 。n lr 。1p 1 日n e l ! i m “。9 。”。9 8 “。 一一一一一一一一一一一。：一一一一一一一一一一一一 图2 1i e e e8 0 2 1 6 标准的协议栈 从上面的参考图形可知，8 0 2 1 6 标准只包括了数据控制平面，数据控制平 面包括m a c 层和p h y 层。在数据控制平面中总共定义了三个服务接入点s a p ， 分别是c ss a p 、m a cs a p 、p h ys a p 。层与层之间的信息流由所定义的原语来 完成。 m a c 包括三个子层，c s ( c o n v e r g e n c es u b l a y e r ) 会聚子层从c ss a p ( s e r v i c e a c c e s sp o i n t ) 接收外部网络数据，对数据进行变换或映射后成为m a cs d u ( s e r v i c ed a t au n i t ) ，m a cc p s ( c o m m o mp a r ts u b l a y e r ) 子层通过m a cs a p 接收m a cs d u ，这个过程主要包含对外部网络数据的分类和把它们与合适的服 务流和c i d ( c o n n e c t i o ni d e n t i f i e r ) 相关联，也还可能包括净荷的头压缩等。每 个特定上层协议设定一会聚子层( c s ) ，目前在标准中已经定义的有a t mc s 和 p a c k e tc s 。会聚子层的功能包括：对上层的p d u 进行封装；将上层服务等级 6 e0卅，曲一e口盏c日暑芒o；廿旦、i ( c o s ) n 务质量( q o s ) 参量转换为m a c 格式；将上层信息流的时间关联性转变 到等效的m a c 服务中。m a cc p s 子层不需要对c s 子层过来的净荷进行任何解 析。 m a cc p s 子层提供的是m a c 的核心功能，包括系统接入、带宽分配、连 接建立和连接维护等。它通过m a cs a p 从不同的c s 子层接收到m a cs d u ， 这些m a cs d u 已经被对应到某一m a c 连接。q o s 保证应用于数据通过物理层 时的发送和调度。 m a c 层也包含一个单独的保密子层，提供鉴权、密钥交换和加密等。采用 国际采用的强保密算法，保证系统的安全性。 数据、物理层的控制和统计信息都是通过p h ys a p 来传送，物理层也包括 多种不同的接口描述，每一种都是为了适应不同的频率范围和应用场合。 2 28 0 2 1 6 的组网 在2 0 0 3 年一月，i e e e 通过了频段在2 g 和1 1 g 之间的8 0 2 1 6 a 标准。这个 标准是在2 0 0 2 年4 月公布的8 0 2 1 6 ( 1 0 6 6 g h z ) 上的扩展，低于1 1 g h z 的频 图2 1i e e e8 0 2 】6 标准为各种不同要求的宽带接入提供解决方案 7 率具有非视距的特性。因为在最后一公里的无线接入，像树木和建筑物经常成为 障碍，所阻8 0 2 1 6 a 相应的技术可以使基站不用安装在山顶的塔上，而可以安装 在住宅或建筑物的屋顶上。 最普通的8 0 2 1 6 a 的配置是一点对多点的方式，即基站安装在一栋建筑物或 者铁塔的顶上，而用户端置于商业区和住宅内。8 0 2 1 6 a 支持的最大半径范围为 3 0 英里，典型的小区半径为4 6 英里，在典型的小区半径内，非视距性能和吞 吐量是最好的，此外，8 0 2 1 6 a 为8 0 2 1 1 无线局域网和商业热点地区提供了一种 理想的无线接入到因特网的技术。8 0 2 1 6 a 无线技术使得商户可以灵活得扩展新 的热点，而这些热点可能是有线不能到达的地方或者需要一定的时间，这样就给 服务提供商在全球提供了一种灵活的新方式，来刺激住宅用户宽带接入这个大市 场的成长。 一个8 0 2 1 6 a 基站的单个扇区，即基站的单个收发信机对，使用带宽为 2 0 m h z ，可以共享峰值为7 5 m b p s 的数据速率，这样可以同时支持超过6 0 个商 业用户的e l t 1 方式连接和成百的d s l ( d i g i t a ls u b s c r i b e r l i n e ) 速率用户的连接。 为了支持一种盈利的商业模式，运营和服务提供商需要维持一系列的高端商业用 户和大量的住宅用户，8 0 2 1 6 a 为这种需求提供了一系列不同层次的服务，包括 为商业用户提供有保证的t 1 水平的服务，或者为家庭用户提供的类似d s l 水平 的尽力服务。8 0 2 1 6 标准的内容也包括健壮的安全考虑和q o s 的支持，如语音和 视频要求的低延时。8 0 2 1 6 的语音服务可以是传统的时分复用t d m 或者v o i p 。 图2 - 1 是i e e e8 0 2 1 6 标准为各种不同要求的宽带接入提供解决方案的示意图。 图2 2i e e e8 0 2 1 6 标准的一点对多点的非视 距应用和视距内的无线回程应用 8 图2 2 描绘了i e e e8 0 21 6 标准的一点对多点的非视距应用和视距内的无线回程 应用。 9 第三章8 0 2 1 6m a c 层协议的分析和研究 m a c 层包含三个子层，特定c s ( c o n v e r g e n c es u b l a y e r ) 会聚子层提供对外部 网络数据的任何转换或者映射。提供多种c s 来适应不同的协议类型。m a c 层 的公共部分子层c p s ( c o m m o np a r ts u b l a y e r ) 提供系统接入的核心功能，包括 带宽分配、连接建立和连接维护等。它通过m a cs a p 接收来自不同c s 的数据， 分别对应到特定的m a c 连接，q o s 参数应用于数据通过物理层时的调度和发 送。m a c 层也包括有一个单独的秘密子层( p r i v a c ys u b l a y e r ) ，提供鉴权、密钥 交换和数据加密等服务。在对m a c 层整体进行分析的基础上，重点放在了与带 宽请求和分配密切相关的部分。 3 1c s 子层 c s 子层完成的主要功能是： 接收上层来的p d u 对接收到的上层p d u 进行分类 如果需要的话，对上层p d u 进行处理 接收从对等层发送过来的c sp d u 发送c sp d u 到m a cs a p 目前标准中暂时只制定了两种类型的c s 子层，一种是a t mc s ，为a t m 服 务而定义的。另一种是p a c k e tc s ，为像i p v 4 、i p v 6 、以太网帧和v l a n 等这样 的包服务而定义的。其它的未来待定。 在c s 子层定义了一系列的分类器，分类器有优先级的不同。根据上层来的 数据的特定的参数，来选择使用不同的分类器。每个分类器包含了一个优先级别 的字段，来决定搜索使用分类器的秩序。如果找到匹配的分类器，则会把数据包 对应到相应的连接。如果没有找到，则可以选择丢弃或者送到缺省的连接。如果 有多个分类器与数据包匹配，则选择优先级高的分类器。 上层来的是s d u ( s e r v i c e d a t a u n i t ) ，把它们分类映射到某一个合适的连接， 这个连接关联着一系列的服务流参数，这些参数都是与q o s 和带宽分配相关的， 会体现到数据通过物理层时的调度和发送。也就是说，连接的建立是从c s 子层 开始的。 除此之外，这一子层也包含了可选的头压缩功能。 1 0 3 2c p s 子层 无线传播媒介是共享的，那么就需要有良好的机制来有效地分享。在下行方 向，也就是从基站到用户，8 0 2 1 6 是基于一点到多点的结构。在上行方向，用户 在请求的基础上共享上行带宽。m a c 层是面向连接的，为了映射不同的服务和 相应变化的q o s ，所有的数据通信都是基于连接的上下文。当s s 与b s 之间的 初始化完成之后，服务流就开始存在了。一个连接定义的是对等c s 子层之间的 映射关系，包括相应的服务流。个连接建立后，肯定对应一个服务流。服务流 定义了在这个连接中传送协议数据单元p d u ( p r o t o c o ld a t au n i t ) 的q o s 参数。 服务流的概念是m a c 层协议运行的中心点，服务流提供了上下行链路q o s 管理 的机制，特别是，它们与带宽分配的过程紧密联系在一起。s s 请求带宽是基于 某一个连接来申请的，但是b s 的带宽同意却是可以基于某一个连接或一个s s 。 3 2 1 原语 在分层的协议系统中，在层与层间的信息流可以用原语来定义，原语代表了 不同的信息和动作，这些原语并不会出现在空中接口，只是为了更加清楚地定义 不同层间的关系，原语中的参数是传送的内容。 从标准的参考模型中可以看到，在数据控制平面中总共定义了三个s a p ， 分别是c ss a p 、m a cs a p 、p h ys a p 。在标准中m a cs a p 定义了一系列原语， 一类用于连接的建立、修改、删除等，另一类用于数据的传送。 3 2 2 地址和连接 每个s s 都有个4 8 比特的m a c 地址，用于s s 的登记和鉴权过程。 每个连接都有一个1 6 比特的c i d ( c o n n e c t i o ni d e n t i f i e r ) ，这个连接c 1 d 可 以类比互联网中的i p 地址。在s s 的初始化过程中，s s 和b s 之间在上下行方向 都会建立三个管理连接，三个管理连接分别叫b a s i cc o n n e c t i o n ，p r i m a r y m a n a g e m e n tc o n n e c t i o n ，和s e c o n d a r ym a n a g e m e n tc o n n e c t i o n 。三个管理连接用 于不同管理信息的传送，b a s i cc o n n e c t i o n 用于比较短的，要求时间比较紧的管 理信息；p r i m a r ym a n a g e m e n tc o n n e c t i o n 用于相对更长的，对时延要求不那么高 的管理消息：s e c o n d a r ym a n a g e m e n tc o n n e c t i o n 用于传送对时延要求不高，基于 标准的管理消息，如d h c p 、t f t p 和s n m p 等的管理消息，这些管理消息都是 以i p 包的形式来传送。 对于承载服务，b s 会根据提供给它的信息来建立连接。1 6 - b i t 的c 1 d 允许 在上下行方向分别有6 4 k 的连接可用。发送请求就是要基于c i d ，因为不同的连 接它的需求带宽是不一样的，即使是同一种服务类型。许多高层的会话服务也可 以在同一个无线c i d 中进行，例如，在一个公司的许多用户可能采用t c p i p 方 式来与不同目的地址通信，但是因为他们的服务需求都是一样的，所以可以把他 们的业务流量合计到一起，来共同申请带宽，也就是在同一个连接中传送，因为 他们在传送的净荷当中的源地址和目的地址的不同，所以区分他们的会话服务是 没有任何问题的。 3 2 3m a cp d u 的格式 m a c p d u 的格式如图3 1 ，净荷部分和c r c 部分都是可选的，不一定都有。 图3 - 1m a cp d u 的格式 一m a c 头 m a c 的头部分的字节长度是固定的，为6 个字节。m a c 头分为两种，坪十 是普通的m a c 头，用于添加到管理信息和c s 子层来的数据；一种是带宽请求 的m a c 头，用于请求带宽。头部的第一个比特说明了是哪种类型的m a c 头， ：1 _ 。兰 一 g - k s l l 酬 ：t y 。e 蠹- 一( 2 l m s b ( 3 j 甚u 等一l ：- 2 k i s 0 ：8 ) c 1 0 m s d f e l c 【0 s b ( 8 j h c s f 8 j 图3 2 一般形式的m a c 头格式 两种m a c 头的格式如图示。图3 3 为一般形式的m a c 头格式，它包含的主要 1 2 信息有，这个m a cp d u 对应的连接c i d ，是否有循环冗余码，是否对净荷数据 加密，整个m a cp d u 的长度，净荷部分的类型( 所包含予头的类型) 等。图 3 - 4 为带宽请求的m a c 头格式，长度固定为6 个字节，它包含的主要消息有， 对应连接的c i d ( 表示为哪个服务流请求上行带宽) ，请求上行带宽的大小。带 宽请求的m a c 头只能出现在上行方向，如果s s 在下行方向收到这样的m a c 头，就会丢弃整个m a cp d u 。 图3 - 3 带宽请求的m a c 头格式 二m a c 子头 在c p s 子层还定义了三种类型的m a c 子头，分别是分割子头、合并予头和 g r a n tm a n a g e m e n l ( g m ) 子头。其中g m 子头只用于s s 端向b s 端发送带宽请 求消息。 子头紧接在m a c 头后面，在m a c 头里有类型字段来声明，后面是否包含 子头，包含什么类型的子头。如果后面同时包含分割子头和g m 子头，则g m 子头应该放在分割子头前面。g m 子头长度为2 个字节，这个子头是与带宽请求 密切相关的。如果g m 子头对应的c i d 的服务类型为非授予请求服务( u g s ) ， u g s 服务类型的特点将会在下面介绍，那么这个子头用来表示s s 是否需要被单 独轮询：如果不是u g s 服务类型，则子头用于s s 端上行带宽的嫁接请求 ( p i g g y b a c k i n gr e q u e s t ) ，子头里的字段表示带宽请求的大小。 三m a c 管理消息 m a c 层定义了一系列的管理消息，这些消息被放在m a cp d u 的净荷里面 来传送。所有的管理消息都是以一个类型字段开始，根据这个字段来区别不同的 1 3 管理消息。对应b a s i cc i d 、b r o a r dc i d 和i n i t i a lr a n g i n gc i d 连接的管理消息不 能被分割和合并，对应其它连接c i d 的可以。 3 2 4m a cp d u 的构建和传送 为了充分利用带宽和适应带宽，在构建m a cp d u 的过程中采用了三种方式 来处理，合并( p a c k i n g ) ，分割( f r a g m e n t a t i o n ) ，串接( c o n c a t e n a t i o n ) 。是否加 上c r c 循环冗余码的检测和对p a y l o a d 净荷加密都是可选的。 一合并( p a c k i n g ) 如果对于某一个连接，p a c k i n g 的功能是放开的( 激活的) ，可以把几个m a c s d u 放在一个m a cp d u 里面。可以根据这个连接承载的是固定长度还是可变 长度的包，来决定p a c k i n g 的方式，也就是说有不同的封装方式。发送方有充足 的判断力来决定是否需要p a c k i n g 。两种p a c k i n g 方式如图示。 二分割(