（计算机应用技术专业论文）wimax系统下行链路qos研究与实现.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 w i m a x 是一种基于i e e e8 0 2 1 6 标准的宽带无线接入城域网技术，主要用 来解决“最后一公里”接入问题。为了满足网络中新业务不断提高的q o s 要求， w i m a x 系统在m a c 层定义了比较完善的q o s 机制，但未给出具体的实现方法， 而是留给开发商解决。 由于“最后一公里 接入是典型的上下行链路不对称的应用，下行链路的数 据量要比上行链路大得多，因此下行链路q o s 机制显得尤为重要。本文在研究 w i m a x 系统下行链路q o s 机制的基础上，针对q o s 的两个主要实现机制 准入控制和调度算法进行研究并对已有算法进行改进。 ( 1 ) 综合考虑服务提供商收益、用户阻断率和带宽利用率的准入控制最优化 策略的研究与实现。准入控制是实现q o s 的一个重要环节，目前关于准入控制 最优化策略的研究重点是使服务提供商的收益最大化，而很少考虑用户的利益。 本文提出的准入控制策略增加了关系用户利益的两个约束条件，即用户阻断率和 带宽利用率。准入控制的具体实现算法为：首先分配一定带宽给每一类业务流以 达到阻断率要求，然后在满足带宽利用率要求的业务流中选取收益最大的进行带 宽分配。实验结果表明，此策略在收益、用户阻断率和带宽利用率三方面都有良 好的性能，兼顾了服务提供商和用户两者的利益。 ( 2 ) 基于业务流类型和业务流平均到达速率的实时调度算法的研究与实现。 调度算法直接影响着q o s 的两个重要指标时延和吞吐量。随着网络中实时 1 业务时大量应用，w i m a x 系统中基于用户站轮询的下行链路调度算法 r o u n d r o b i n ，因用户站内实时业务的时延得不到保证，所以不能很好地满足实 时性的要求；另外，算法没有考虑不同业务流的到达速率。本文提出了基于业务 流类型的实时调度算法d l r t s ，优先调度所有用户站中实时性要求较高的业务 以提供时延保证，然后根据业务流的平均到达速率分配剩余带宽以提高吞吐量。 仿真结果表明，与r o u n d r o b i n 相比，本文所提算法在实时业务时延和吞吐量两 方面的性能都有明显提高。 关键字：w i m a x ；q o s ；准入控制；调度算法 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w o r l d w i d ei 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 ( w i m a x ) i sab r o a d b a n d w i r e l e s sa c c e s sm e t r o p o l i t a na r e an e t w o r kt e c h n o l o g yb a s e do ni e e e8 0 2 16 s t a n d a r d ，a n di tp r o v i d e san e ws o l u t i o nt ot h ep r o b l e mo f ”l a s tm i l e i no r d e rt o s a t i s f yt h ei n c r e a s i n gq o sr e q u i r e m e n to ft h et h ee m e r g i n gs e r v i c e s ，ac o m p a r a t i v e l y q o sm e c h a n i s mi sd e f i n e di nw i m a xs y s t e m b u tt h ea l g o r i t h m sw h i c hi m p l e m e n t t h eq o ss u p p o r ta r en o tg i v e ni nt h es t a n d a r da n da l lo ft h e s ei s s u e sa r el e nt o d e v e l o p e r t oi m p l e m e n t b e c a u s e ”l a s tm i l e ”a p p l i c a t i o ni sat y p i c a la s y m m e t r i cn e t w o r k ，c o m p a r e dt ot h e u p l i n kd i r e c t i o n ，t h e t r a f f i ci nt h ed o w n l i n kd i r e c t i o ni sm u c hh e a v i e r s o ，t h e d o w n k l i n kq o sm e c h a n i s mb e c o m e sm o r ei m p o r t a n t o nt h eb a s i so fr e s e a r c h i n gt h e q o sm e c h a n i s mi nw i m a xs y s t e m ，t h i sp a p e ri m p r o v e st h ea d m i s s i o nc o n t r o la n d s c h e d u l i n ga l g o r i t h mw h i c ha r e t h em a j o rm e c h e n i s mt oi m p l e m e n tq o s i nw i m a x s y s t e m ( 1 ) t h es t u d yo no p t i m a la d m i s s i o nc o n t r o lp o l i c y o fac o m p r e h e n s i v e c o n s i d e r a t i o no fr e v e n u e ，b l o c k i n gr a t ea n du s e r s b a n d w i d t hu t i l i z a t i o n a d m i s s i o n c o n t r o lp l a y sac r i t i c a lr o l et og u a r a n t e eq o s ，t h ec u r r e n tr e s e a r c h e so no p t i m a l a d m i s s i o nc o n t r o lp o l i c ym a i n l yf o c u so nm a x i m i z i n gt h er e v e n u eo fs e r v i c e p r o v i d e r s ，a n dp a yl i t t l er e g a r dt ot h ei n t e r e s to f u s e r s i nt h ea d m i s s i o nc o n t r o lp o l i c y p r o p o s e d i nt h i s p a p e r , t w oc o n s t r a i n t sn a m e l yb l o c k i n g r a t ea n db a n d w i d t h u t i l i z a t i o n ，w h i c ha r er e l a t e dt ot h ei n t e r e s t so fu s e r s ，a r ea d d e dt oo p t i m a lr e v e n u e p o l i c y a n dt h ea l g o r i t h mt oi m p l e m e n tt h ep o l i c yi sg i v e na s ：f i r s ta l l o c a t i n g b a n d w i d t ht oe a c ht r a f f i cc l a s st og u a r a n t e eb l o c k i n gr a t e ，t h e nc h o o s i n gt h et r a f f i c c l a s s 、杭廿lt h eh i l g h e s tr e v e n u er a t ef o rb a n d w i d t ha l l o c a t i o nf r o mt r a f f i cc l a s s e sw h i c h c a l lm e e tt h er e q u i r m e n to fu t i l i z a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h ep o l i c yh a s g o o dp e r f o r m a n c ei nr e v e n u e ，b l o c k i n gr a t e a n db a n d w i d t hu t i l i z a t i o n ，t h u st h e i n t e r e s t so fs e r v i c ep r o v i d e r sa n du s e r sa r eb o t hg i v e nc o n s i d e r a t i o n ( 2 ) t h es t u d yo nd o w n l i n kr e a l t i m es c h e d u l i n ga l g o r i t h mb a s e d o nt h et y p ea n d l i 江苏大学硕士学位论文 a v e r a g ea r r i v a lr a t eo ft h es e r v i c ef l o w s c h e d u l i n ga l g o r i t h md i r e c t l ya f f e c t st h ed e l a y a n dt h r o u g h p u to ft h es y s t e mw h i c ha r et h ek e yi n d i c a t o r so fq o s a st h ew i d e a p p l i c a t i o no fr e a l - t i m es e r v i c e si nn e t w o r k s ，t h ed o w n l i n ks c h e d u l i n ga l g o r i t h m r o u n d - r o b i nb a s e do ns t a t i o n si nw i m a x s y s t e m ，s i n c et h ed e l a yo fr e a l t i m et r a f f i c c a l ln o tb eg r a r a n t e e d ，c a nn o tm e e tt h er e a l - t i m er e q u e s tw e l l t h i sp a p e rp r o p o s e sa n e wa l g o r i t h mb a s e do ns e r v i c et y p ec a l l e dd o w n l i n kr e a l - t i m es c h e d u l i n g ( d l r t s ) ，w h i c hs c h e d u l e ss e r v i c e sw i t hh i g h e rr e a l - t i m er e q u e s tf i r s tt og u a r a n t e et h e d e l a ya n dt h e na l l o c a t e st h er e m a i n i n gt i m es l o t sa c c o r d i n gt ot h ea v e r a g ea r r i v a lr a t e o ft h es e r v i c ef l o wt oi m p r o v et h et h r o u g h p u t s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a t ，c o m p a r e d t or o u n d r o b i n ，d l r t sh a sb e t t e rp e r f o r m a n c eb o t hi nd e l a ya n dt h r o u g h p u to ft h e r e a l t i m es e r v i c e s k e yw o r d s ：w i m a x ；q o s ；a d m i s s i o nc o n t r o l ；s c h e d u l i n ga l g o r i t h m i i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：錾肇名 v 年6 月1 1 日 指导教师签名： 、毯甚摹 a0ld 年6 月i 1 日 dld 年厶月i1 日 独创性声明 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 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：冀印午 日期：加f 口年6 月 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着信息技术的飞速发展，无论是在技术、业务还是在运营商层面，通信业 都在经历着一场深刻的变革。在技术方面，电路交换技术与分组交换技术趋于融 合；在业务层面上，话音、数据和图像这三大基本业务的界限逐渐消失，也使网 络层和业务层的界限在网络边缘处变得模糊，最终促成电信网、计算机网和有线 电视网的“三网融合 ；从市场的角度来看，通信业务的竞争已达到了白热化的 程度，各个通信运营商都在互相窥视对方的传统市场。在下一代的网络中，我们 将看到三个世界：从服务层面上，看到一个i p 的世界；从传送层面上，看到一 个光的世界；从接入层面上，看到一个无线的世界。 传输宽带化、业务多样化成为当今网络发展的趋势，特别是流媒体等新兴业 务的兴起，对网络的带宽、时延等提出了更高的要求。核心网已具备了超高速和 超容量的特点，因此宽带接入网成为网络瓶颈，在接入方式中，宽带无线接入以 其组网灵活、升级维护方便和成本低等优点越来越受到人们的青睐。 基于i e e e8 0 2 1 6 1 】标准的w i m a x 是一种宽带无线接入城域网技术，作为 一种新的无线宽带接入标准，w i m a x 采用了如o f d i v i o f d m a 、h a r q 、, , e r i c 、 m i m o 等先进技术，因此具有带宽高、容量大、传输距离远等优势，并在m a c 层引入了较为完善的q o s 保证机制，可很好地解决“最后一公里”瓶颈问题。 w i m a x 作为一种新兴的无线宽带城域网技术越来越受到人们的关注，不仅因 为它是一种无线接入方式，有无线接入的诸多优势，而且它还同时为接入的终端 用户提供可靠的o o s 保障。虽然标准中详细定义了相关的0 0 s 保障机制，但实现 这些机制的具体方法，协议中并没有明确地说明，而是留给开发商来解决，高效 地实现这些o o s 机制有利于w i m a x 技术的推广和通信业的发展，因此本文的研究 具有重要的理论意义和实用价值。 江苏大学硕士学位论文 1 2w i m a x 技术分析 w i m a x 是一项基于i e e e8 0 2 1 6 标准的宽带无线接入城域网技术，w i m a x 的 众多支持者早在2 0 0 1 年就成立了w i m a x 论坛组织，旨在推广i e e e8 0 2 1 6 无线 宽带网络技术，目前该组织有5 3 0 个成员，包括运营商、芯片厂商、设备厂商等， 具有完整的产业链。 1 2 1i e e e8 0 2 1 6 协议体系 8 0 2 1 6 i e e e8 0 2 1 6 工作组于2 0 0 2 年4 月8 日正式发布了i e e e8 0 2 1 6 - 2 0 0 1 标准， 为宽带无线接入( b w a ) 定义了无线城域网( i n 4 a n ) 的空中接口规范，它标志着宽带 无线接入将作为一个新的主要途径，把各商业机构和家庭接入全球电信核心网。 i e e e8 0 2 1 6 - 2 0 0 1 工作在1 0 - - 6 6g h z 频段，由于这个频段对于像建筑物和树这 样的障碍物无穿透能力，故要求基站和用户站是视距( l o s ) 链路，从而限制了基 站的覆盖范围。同时用户站天线的安装要求很高，并且系统受雨衰影响较大。 8 0 2 1 6 a i e e e8 0 2 1 6 工作组于2 0 0 3 年4 月颁布了i e e e8 0 2 1 6 a ，该标准支持的工 作频段为2 - 1 1g h z ，包括了需要发放牌照频段和免牌照的频段。与高频段相比， 该频段能以更低的成本提供更大的用户覆盖，系统受雨衰影响不大，系统可以在 非视距传输环境下运行，大大降低了用户站安装的要求。另外，i e e e8 0 2 1 6 a 的m a c 层提供服务质量( q o s ) 保证机制，可支持语音和视频等实时性业务，增加 了对网格拓扑结构网络的支持，能适应各种物理层环境。 8 0 2 1 6 d i e e e8 0 2 1 6 a 标准仅仅是i e e e8 0 2 1 6 - 2 0 0 1 标准的修改和扩展，不是一个 独立的标准，所以2 0 0 4 年7 月i e e e8 0 2 1 6 组织又通过了i e e e8 0 2 1 6 d 。i e e e 8 0 2 1 6 d 对2 - - 6 6g h z 频段的空中接口物理层和m a c 层做了详细规定，定义了支 持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的m a c 层和相对应的多个物理层。该标 准对i e e e8 0 2 1 6 2 0 0 1 和i e e e8 0 2 1 6 a 进行了整合和修订，但仍属于固定宽带 无线接入规范，是相对比较成熟并且最具实用性的一个标准版本。 8 0 2 1 6 e 2 江苏大学硕士学位论文 i e e e8 0 2 1 6 e 是工作在2 6g h z 频段支持移动性的宽带无线接入空中接口 标准。制订它的目的是为了实现既能提供高速数据业务又使用户具有移动性的宽 带无线接入解决方案。 i e e e8 0 2 1 6 e 的目标是能够向下兼容i e e e8 0 2 1 6 d ，因此i e e e8 0 2 1 6 e 的 标准化工作基本上是在i e e e8 0 2 1 6 d 的基础上进行的。在i e e e8 0 2 1 6 d 固定无 线接入标准研制的基础上，为了支持移动特性，i e e e8 0 2 1 6 e 提出了具有移动 特性的系统框架结构，并于2 0 0 4 年9 月通过了草案，但由于种种原因推迟发布， 到了直到0 6 年1 月底才正式发布。 下表为i e e e8 0 2 1 6 不同版本的比较。 表1 - 1i e e e8 0 2 1 6 不同版本比较 8 0 2 1 68 0 2 1 6 a 8 0 2 1 6 d8 0 2 1 6 e 支持圃定、游牧、支持同定、游牧、 移动性支持固定模式 便携模式便携、移动模式 规范完2 0 0 3 年1 月( 8 0 2 1 6 a ) 2 0 0 1 年1 2 月2 0 0 5 年底 成时间2 0 0 4 年1 0 月( 8 0 2 1 0 d ) 2 1 1g h z ( l i c e n s e d 和 频段 1 0 一6 6g h z 小于6g h z u n li c e n s e d ) 或1 0 一6 6g h z 传输条件视距传输( l 0 s )非视距( n l 0 s )非视距( n l 0 s ) 传输速率 3 2 1 3 4 且l b i t s 可高达7 5 m b i t s可高达1 5 f o i t s ( 理论值)( 2 8 m h z 信道带宽) ( 2 0 姗z 信道带宽)( 5 m 信道带宽) 信道带宽 2 0 ，2 5 和2 8 姗z 可扩展1 5 到2 0 m h z可扩展1 5 到2 0 姗z 0 f d m 2 5 6 子载波， 可扩展o f d m 可达 调制方式q p s k ，1 6 q ! i m ，6 4 q a m 0 f d m2 0 4 8f f t ，q p s k ， 2 0 姗z 和2 0 4 8 f f t 1 6 q a m ，6 4 0 a m 覆盖范围 2 5k m 7 1 0 k i n ，最大可达5 0 k i n2 5k m 1 2 2w i m a x 核心技术 w i m a x 作为一种新的无线宽带接入技术，主要采用了以下核心技术： ( 1 ) o f d m o f d m a ( 正交频分复用多址) o f d m 是一种高速传输技术，是未来无线宽带接入系统下一代蜂窝移动系 江苏大学硕士学位论文 统的关键技术之一。在w i m a x 系统中，o f d m 技术为物理层技术，主要应用的方 式有两种：o f d m 物理层和o f d m a 物理层。o f d m 正交载波集由单一用户产生，为 单一用户并行传送数据流，支持t d d 和f d d 双工方式；o f d m a 系统可以支持长度 为2 0 4 8 、1 0 2 4 、5 1 2 和1 2 8 的f f t 点数，通常向下数据流被分为逻辑数据流。这 些数据流可以采用不同的调制及编码方式以及以不同信号功率接入不同信道特 征的用户端。向上数据流子信道采用多址方式接入，通过下行发送的媒质接入协 议( m a p ) 分配子信道传输上行数据流。 ( 2 ) h a r q ( 混合自动重传) h a r q 技术因为提高了频谱效率，所以可以明显提高系统吞吐量，同时因为 重传可以带来合并增益，所以间接扩大系统的覆盖范围。h a r q 功能和相关参数 是在网络接入过程或重新接入过程中用消息s b c ( s e s s i o nb o r d e rc o n t r o l l e r ) 被确定和协商的。h a r q 是基于每个连接的，它可以通过消息d s a d s c 确定每个 业务流是否有h a r q 的功能。 ( 3 ) a s c ( 自适应调制编码) 自适应调制和编码技术属于链路自适应的范畴，h s d p a 中的链路自适应( l a ) 是指系统依据无线链路状况，动态地改变调制方案和编码速率的能力。自适应调 制编码的基本过程是通过上行链路反馈的信号来估计信道条件，然后根据估计出 的无线信道的优劣情况和目前资源的使用情况自动调整信号的调制和编码方法。 w i m a x 将不同的编码和调制方式组合成若干种调制编码方案，供系统选择。 a m c 技术的优点主要表现在提高蜂窝的吞吐量和功率利用率，并能够有效地 降低干扰变化程度。目前，实现a m c 面临着一些挑战。首先，a m c 对测量误差和 延迟比较敏感；其次，由于移动信道的时变特性，信道测量报告的延迟降低了信 道质量估计的可靠性：另外，干扰的变化也增加测量的误差。 ( 4 ) 多天线技术 多天线技术在提高频谱效率、支持更高速的数据传输、提高传输信号质量、 增加系统覆盖范围和解决热点地区的高容量要求等方面有无可比拟的优势。它在 w i m a x 中的应用领域主要包括自适应天线系统( a a s ) 和多输入多输出( m i m o ) 系统 等。 m i m o 技术最早m a r c o n i 于1 9 0 8 年提出来的，它利用在基站和终端使用多天 4 江苏大学硕士学位论文 线来抑制信道衰落，大幅度地提高信道的容量、覆盖范围和频谱利用率。根据收 发天线的数量，m i m o 还可以包括单输入多输出( s i m o ) 和多输入单输出( m i s o ) 。 a a s 是能通过调整接收或发射特性来增强天线性能的一种天线，它是一种能 够根据环境条件、通信要求实时自动地实现天线方向图的优化，提高通信性能的 自适应天线系统。a a s 的基本原理是通过软件算法控制和调节天线阵元的相位来 改变天线方向图特性，对接收信号进行实时处理，完成自适应波束形成，使天线 波束的零位对准干扰方向，从而有效地提高系统的抗多径衰落和抗干扰能力。 ( 5 ) 睡眠模式 8 0 2 1 6 e 协议为了适应移动通信系统的特点，增加了终端睡眠模式：s l e e p 模 式和i d l e 模式。s l e e p 模式的目的在于减少m s 的能量消耗并降低对s e r v i n g b s 空中资源的使用；i d l e 模式为m s 提供了一种比s l e e p 模式更为省电的工作模式。 ( 6 ) 切换技术 8 0 2 1 6 e 标准规定了一种必选的切换模式，在协议中简称为h o ( h a n d o v e r ) ， 就是我们通常所说的硬切换。除此以外还提供了两种可选的切换模式：m d h o ( 宏 分集切换) 和f b s s ( 快速b s 切换) 。 1 2 3w i m a x 技术优势 由于采用了上述先进技术，w i m a x 具有如下优势： ( 1 ) 传输距离远 基于o f d m 技术的w i m a x ，具备非视距传输能力，能有效抗衰减和多径干扰。 在理论上，w i m a x 的无线信号传输距离最远可达5 0 k m ，这是无线局域网所不能比 拟的，其网络覆盖面积是3 g 基站的l o 倍，只要建设少量基站就能实现全城覆盖， 这样就使得无线网络应用的范围大大扩张。 ( 2 ) 接入速度高 w i m a x 能够向互联网提供更高速度的无线宽带接入，w i m a x 所能提供的最高 接入速度是7 0 m b i t s ，这个速度是3 g 所能提供的带宽速度的3 0 倍，是h s d p a 的5 倍，数据传输能力强大，可弥补3 g 在数据传输速率与w l a n 覆盖范围的不足。 w i m a x 采用的o f d m 调制方式，每个频道的带宽为2 0 m h z ，因而可实现7 5 m b i t s 的最大传输速率。 ( 3 ) 建设成本低 江苏大学硕士学位论文 w i m a x 可以将w l a n 的热点地区连接到互联网，也可作为d s l 等有线接入方 式的无线扩展，实现“最后一公里 的宽带接入。w i m a x 能够通过无线的方式实 现宽带连接，为5 0 k m 线性区域内的用户提供服务，用户无需铺设线缆，即可与 基站建立宽带连接，从而显著降低建设成本，最终有利于降低用户每月费用，因 此，对于一些由于成本昂贵而导致无法铺设或升级线缆的地区，w i m a x 将有望成 为宽带骨干的一部分。 ( 4 ) 兼容程度高 相对于其他有线或无线的接入技术，除高速度、大覆盖范围外，w i m a x 有统 一的国际标准，不同厂商经过w i m a x 技术认证的设备，可在同一系统中工作，互 操作性强，这使得w i m a x 在成本控制、设备互操作性以及规模经济的实现上更胜 一筹。同时w i m a x 增加了运营商选择设备时的主动权，又有效地降低了建设成本 和实现难度，从而使新兴运营商有机会快速切入市场，可该给运营商一个能降低 网络部署成本和运营成本并加速性价比提升的公共平台。 ( 5 ) 系统容量大 w i m a x 技术的应用频段非常宽，包括i o - 6 6 g h z 、小于i i g h z 许可频段和小于 1i g h z 免许可频段。w i m a x 系统拥有足够的容量，可以同时支持数百个使用t 1 连 接速度的公司和数千个使用d s l 数据速度的家庭。因此，w i b l a x 的一个基站在同 时接入数百个远端用户站后，还可为同一用户站提供多个业务流的传输能力，从 而更大地提升实际接入用户数。 ( 6 ) 业务范围广 由于w i m a x 较之w l a n 具有更好的可扩展性和安全性，从而能够实现电信级 的多媒体通信服务，以满足不同用户的应用需要。w i m a x 支持多人交互式游戏、 v o i p 、视频会议、流媒体下载、网页浏览与即时信息、媒体内容下载等业务。高 带宽可以将i p 网络的缺点大大降低，从而大幅度提高v o i p 的o o s 。从技术层面 讲，w i m a x 更适用于城域网建设的“最后一公里 无线接入部分，尤其是对于新 兴的运营商更为合适。w i m a x 不仅支持固定无线终端，也支持便携式和移动终端。 ( 7 ) 调试方式灵活 在w i m a x 标准中，定义了3 中物理层实现方式：单载波、o f d b i 、o f d m a 。其 中，单载波( s c ) 调制主要应用在i 0 6 6 g h z 频段，o f d m 和o f d m a 是w i m a x 中最典 6 江苏大学硕士学位论文 型的物理层方式。o f d m 、o f d m a 方式具有较高的频谱利用率，它可以使得w i m a x 系统在同样的载波带宽下提供更高的传输速率。同时，0 f d m o f d m a 方式在抵抗 多径效应、频率选择性衰落和窄带干扰上也有明显的优势，已成为b 3 g 的主要研 究技术之一。 ( 8 ) q o s 机制完整 在w i m a x 标准中，m a c 层定义了较为完整的q o s 机制。m a c 层针对每个连接 可以分别设置不同的q o $ 参数，包括速率、时延等指标。这也是本文研究的重点。 1 2 4w i m a x 与其他接入技术 1 w i f i 接入技术 w i f i 是一种无线局域网( w i r e l e s sl a n ，w l a n ) 接入技术，其信号传输半径 只有几百米远。w i f i 的目的是使各种便携设备( 手机、笔记本电脑、p d a 等) 能够 在小范围内通过自行布设的接入设备接入局域网，从而实现与i n t e r n e t 的连接。 w i f i 网络使用无绳电话等设备所使用的公用信道，只要有一个“热点”和一个 高速互联网连接，就可在其周围数百米的距离内架设一个w i f i 网络。 w i f i 的传输速度可以达到每秒1 l m ，属于宽带范畴，可以满足个人和社会信 息化的需求。w i f i 网络的架构十分简单，厂商在机场、车站、咖啡店、图书馆 等人员较密集的地方设置“热点 后，用户只需要将支持w i f i 的设备拿到该区 域内，便可以接受其信号，高速接入i n t e r n e t 。 2 w i m a x 接入技术 w i m a x 是一种无线城域网( m a n ) 接入技术，其信号传输半径可以达到5 0 公里， 基本上能覆盖到城郊。正是由于这种远距离传输特性，w i m a x 不仅能解决无线接 入问题，还能作为有线网络接入( c a b l e 、d s l ) 的无线扩展，方便地实现边远地区 的网络连接。 w i m a x 网络建设与3 g 网络一样，均需要架设大型基站。但由于它只需要实 现城域覆盖，因此网络建设成本相对3 g 网络比较低。 3 3 g 技术 3 g 是一种广域网( w i d ea r e an e t w o r k ，w a n ) 技术，它综合了蜂窝、无绳、 集群、移动数据、卫星等各种移动通信系统的功能，与固定电信网的业务兼容， 能同时提供话音和数据业务。3 g 的目标是实现所有地区( 城区与野外) 的无缝覆 7 江苏大学硕士学位论文 盖，从而使用户在任何地方均可以使用系统所提供的各种服务。 从以上所述可知，三着定位不同，w i f i 属于无线局域网，w i m h x 属于无线城 域网，而3 g 则定位为无线广域网。w i m a x 主要是实现宽带无线化，而3 g 则要实 现无线宽带化。 1 3 论文主要内容 准入控制和调度算法是实现q o s 的重要机制。 ( 1 ) 准入控制是指是否允许新的会话接入到网络中，这种机制确保已存在会 话的q o s 不受到影响，同时提供q o s 给新的会话。研究准入控制通常要考虑策 略的最优化问题，即在既定目标下，如何制定策略使其最优。对服务提供商来说， 这一既定目标就是收益的最大化。目前关于准入控制最优化的文献中，主要是对 收益最大化的研究，而其他因素如用户带宽利用率和阻断率却没有考虑。收益固 然重要，但带宽利用率和阻断率密切关系用户利益，也应该考虑在内。因此，如 何寻求一准入控制策略，兼顾服务提供商和用户两者的利益是本文研究的重点。 ( 2 ) 调度算法是按照一定的规则对交换节点的不同业务进行缓存、调度和服 务，同时实现流量的管理与控制、冲突处理、带宽的分配与管理等功能。时延和 吞吐量是调度算法的主要性能参数。在已有的w i m a x 下行链路调度算法中，一 般采用简单的基于用户站( s s ) 的轮询调度方式，即对s s 进行轮询，调度完一个 s s 的所有业务类型后再去调度下一个。这种方法实现简单，适合实时性要求不 高的业务，但对于实时性要求较高的应用，后调度的s s 中实时业务的时延得不 到保证。在接入网的应用中，下行链路数据量比较大，基站接收到数据包后要及 时转发出去，以免造成缓冲区的溢出或者延迟的增加。因此，研究下行链路实时 调度算法是本文的另一重点。 由此，论文的主要内容有以下几点： ( 1 ) 对w i m a x 系统的o o s 机制进行研究。 ( 2 ) 分析w i m a x 系统中的准入控制模块，研究已有准入控制最优化方法，提 出了一种兼顾服务提供商和用户两者利益的准入控制最优化方法。 ( 3 ) 研究常用调度算法，分析w i m a x 系统下行链路调度框架，研究已有的下 行链路调度算法，提出了一种能够降低实时业务时延、提高系统吞吐量的下行链 8 江苏大学硕士学位论文 路实时调度算法。 1 4 论文章节安排 第一章主要介绍了论文的研究背景，i e e e8 0 2 1 6 协议体系，w i m a x 的关 键技术和技术优势，w i m a x 和其他技术的区别和联系等一些背景知识。 第二章主要分析w i m a x 系统中的q o s 机制。w i m a x 系统的q o s 机制包 括两部分内容，一部分是关于业务流的管理，它提供了一种实现上、下行q o s 管理的机制，它是m a c 层的核心功能，包括q o s 参数集、业务流定义、分类符 和动态业务流管理等；另一方面是相应的q o s 保证机制，包括调度算法、缓冲 池管理和流量控制等。 第三章主要研究w i m a x 系统中的准入控制最优化问题。在分析已有准入控 制最优化策略的基础上，提出了在收益、带宽利用率和阻断率三方面都表现良好 的最优化准入控制方法。 第四章主要研究w i m a x 系统中的下行链路调度算法。在分析常用下行链路 调度算法优缺点的基础上，提出了旨在降低实时业务时延和提高系统吞吐量的下 行链路调度算法。 第五章总结全文，并对未来的工作进行展望。 9 江苏大学硕士学位论文 第二章w i m a x 系统q o s 机制研究 网络资源总是有限的，只要存在抢夺网络资源的情况，就会出现服务质量 ( q o s ) 的要求。w i m a x 技术的一个重要特点就是在m a c 层定义了比较完善的 q o s 机制，可以向用户提供q o s 保证。w i m a x 系统中的q o s 机制包含两部分 的内容，一部分是关于业务流的管理，它提供了一种实现上下行q o s 管理的机 制，是m a c 层的核心功能，在协议中进行了详细规定；另一部分是相应的q o s 保证机制，包括调度算法、缓冲池管理和准入控制等，在协议中没有定义。本章 主要对协议中定义的q o s 机制进行研究，首先介绍了q o s 的概念和常用的q o s 机制，然后分析了w i m a x 系统m a c 层和物理层对q o s 的支持，最后研究了 m a c 层的核心功能业务流管理。 2 1 q o s 简介 q o s ( q u a l i t yo fs e r v i c e ) 2 1 ，即服务质量，有广义和狭义之分，广义q o s 是指资源调度与利用，层与层之白j 的协商，以及涉及到不同层次的o o s ；狭义o o s 是指具体的技术指标，如传输时延、抖动、丢失率、带宽要求、吞吐量等。从用 户的角度看，o o s 指用户所见的服务质量，如声音和视频的传送质量以及交互语 音的敏感度；从网络的角度看，o o s 指网络提供给用户或应用层的服务质量，参 数包括延迟、包传送的可信度和吞吐量。 o o s 要求通常用o o s 参数来衡量，o o s 参数代表了应用层o o s 的定量要求， 多媒体应用相关的q o s 参数如下：时延、时延抖动、吞吐量、和丢包率。 下面对上述几种q o s 参数作具体的介绍： ( 1 ) 时延是用户满意度的一个重要方面，指分组的第一个位离开发送端与分 组的最后一个位到达接收端之间的时间间隔。实时应用需要在一定时间范围内将 信息从源端发送到目的端。较长的时延会引起数据丢失重放点，从而会影响视频 的保真度。另外，处理交互的任务时，较长时延会使得用户不满意。当数据从源 端传送到目的端时，每个组件都会带来延迟。延迟主要分为以下几类： 源端处理时延：时延是由产生包的源端引起的，取决于源端主机的硬件 1 0 江苏大学硕士学位论文 配置( c p u 功率，r a m ，主板等) 和它当前的负载( 如同时运行的应用进程的数 目和它们所需的硬件资源) 。 发送时延：与包的大小和发送速率相关。 网络时延：包括传播时延，协议时延和输出队列时延。 传播时延：从源端到目的端的传播时延与两者之间的物理距离相关。 协议时延：在不同的网络组件中执行通信协议所引起的时延，如路由器，网 关和网络接口卡等。时延取决于协议、网络的负载和执行协议的硬件配置。 输出队列时延：由包发送到网络组件中的外向链路队列所引起的。例如，这 样的时延会在中间路由器的输出队列中发生。时延与网络的拥塞、硬件的配置和 连接速度相关。 目的端处理时延：是由目的端的处理所引起的。例如，包的重组过程就 会引起这种时延。同源端的处理时延一样，这种时延取决于目的端的主机硬件配 置和负载。 ( 2 ) 时延抖动也是q o s 的衡量标准之一，指的是分组延迟的变化程度。在网 络中每个包是沿着不同的路径传输的，这样每个包的网络情况也是不同的，端到 端的时延也会不同。 ( 3 ) 吞吐量指在不丢包的情况下，应用层产生的数据率( 每秒字节数) 。吞 吐有时也称为位速率或带宽。带宽是要管理和分配给应用的网络资源。应用需要 的吞吐取决于应用的特性。例如，在视频流应用中，不同的视频产生不同的吞吐 量。 ( 4 ) 丢包率指的是一定时间间隔内，丢失的分组传输的分组总数，直接影 响着应用的质量，会损害数据的完整性。网络层的包丢失一方面是由网络拥塞引 起的，另一方面是由噪声通信信道中位错误引起的，这样的丢失更有可能发生在 无线信道中。有一些技术可以减少包丢失或从错误中恢复，如包重传、物理层的 纠错和应用层的编码。 2 2 常用q o s 机制 基于业务是怎样处理的，可以把o o s 机制分为两类：业务流处理机制和带宽 管理机制。 江苏大学硕士学位论文 业务流处理机制用来对网络上的业务流进行分类、处理和监控，业务流处理 机制包括：信道准入、业务流分类、业务流监控、分组调度等；带宽管理机制是 通过协调和配置网络设备来管理网络资源的业务处理机制，带宽管理机制具体包 括：资源预留和准入控制。下面具体介绍各种o o s 机制。 ( 1 ) 信道接入机制 无线网络中，所有的主机都通过共享的无线信道进行通信。当多个主机同时 在共享的通信信道中发送包时，就容易产生冲突。因此，无线网络需要信道接入 机制来控制对共享信道的接入。可以是基于冲突的信道，如i e e e 8 0 2 11 d c f 3 】； 或者是无冲突的信道接入，如t d m a 或轮询。不同的信道接入可以提供不同的q o s 服务。 ( 2 ) 业务流分类 网络可以提供的最低服务是尽力而为服务，不需要对其提供q o s 的保证。在 尽力而为服务中，所有的业务都是同等对待的，不管产生业务的是应用还是主机。 但是，有些应用需要q o s 支持，需要比尽力服务更好的服务，如区分服务和保证 服务。对某些业务提供选择服务的网络来说，需要一个分类机制将不同的业务进 行区分。分类机制可以分辨不同的业务，并把它们分成流。这样，每个流就可以 选择处理。 分类机制可以在不同的网络设备中执行，端主机、中间设备如交换器、路由 器、准入点等。应用业务( 目的端) 或从其它主机而进来的业务( 中间设备) 通 过分类机制来分辨，然后通过其它机制转到等待队列中服务如包调度。分类根据 o o s 提供的服务类型，标准可以是用户、流或类。例如流的o o s 服务根据流类别 不同分类，类的q o s 服务根据类别不同分类。为了区别业务，将业务进行分类， 业务分类需要对包进行标记。 ( 3 ) 业务流监控机制 业务流监控 4 1 是指监控已接纳会话的业务，保持原先的q o s 要求。业务监控 机制确保传到主机的所有业务，可以满足预先的业务参数。一旦发现违规的现象， 如发送的业务比预先规定的要多，通过对业务进行整形来调整。因为业务监控是 通过一些已知的业务参数来监控，多